JP5242525B2 - シリンダ装置及びそのシリンダ装置を備えた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、始動時の摺動抵抗を軽減することが可能なシリンダ装置及びそのシリンダ装置を備えた工作機械に関する。

通常、アクチュエータとしてのシリンダ装置は、シリンダ本体にピストンが組み込まれており、このピストンで仕切られた両シリンダ室の圧力を切り替えることにより、ピストンが直線運動する。シリンダ装置には、シリンダ室内の圧力媒体（例えば空気や油）の漏れを防ぐために、シリンダ本体とピストンの間、及び、シリンダ本体とピストンロッドの間に接触式のシールリングを設けている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に示されるように、マシニングセンタなどの工作機械の上下軸には、移動体の重量バランスを取るために、バランスシリンダを使用する場合が多い。特許文献１に記載のシリンダ装置は、シリンダ装置の一方のシリンダ室に一定の圧力をかけて重量バランスをとっている。上下移動体の駆動には、ボールスクリューやリニアモータ等が使用されている。

また、工作機械のバランスシリンダとしては、シリンダ本体内に、シリンダ内径よりも小径の受圧部を有するシリンダロッドを設け、内部に高圧気体が封入されたシリンダ装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載のシリンダ装置は、シリンダ本体とシリンダロッドの間に接触式のシールリングを設けて、高圧気体の漏れを防いでいる。

特開平９−１９２９５７号公報 特開２０００−１５３４１８号公報

従来のシリンダ装置は、ピストンが停止した状態から移動し始めるとき（始動時）と、ピストンの移動中とでは、シールリングの摺動抵抗が大きく異なっていた。この摺動抵抗の変動が大きな問題となる場合があり、例えば、従来のシリンダ装置では、シリンダを駆動に使用する位置決め装置の場合に、微小なステップ位置決めが困難となっていた。

また、上記特許文献に示されるように、シリンダ装置が工作機械等の上下軸にバランスシリンダとして使用される場合には、シールリングの摺動抵抗がスティックスリップの原因となり、工作機械の動作精度に影響を及ぼすという問題があった。

特許文献１に記載のシリンダ装置は、長期間の稼働においても潤滑切れが発生しないように、潤滑油を補給するようにしている。しかし、特許文献１に記載のシリンダ装置でも、ピストンが停止した状態から移動し始めるときの摺動抵抗を小さくすることができず、ピストンの始動時や反転時にスティックスリップが発生していた。

そこで、本発明は、シール部の摺動抵抗を軽減し、特にロッドやピストンが停止状態から移動を開始する始動時の摺動抵抗を軽減することができるシリンダ装置及びそのシリンダ装置を備えた工作機械を提供するものである。

本願の発明者は、スティックスリップの発生原因が、ロッドやピストンの移動中は潤滑油が潤滑に寄与する一方、ロッドやピストンの停止中は潤滑油の潤滑が行なわれないために、始動時の摺動抵抗が増大することにあると考えた。そして、本願の発明者は、ロッド及びピストンを常時回転させることにより、潤滑油の潤滑が行なわれ、始動時の摺動抵抗を軽減することができ、スティックスリップの発生を抑制することができることを見出した。

本発明は、上記課題を解決するために、工作機械の上下駆動軸のバランサーとして使用され、高圧気体が封入され、両端が閉塞された円筒形状のシリンダ本体と、一端が前記シリンダ本体内に位置し、他端が前記シリンダ本体の端面から外部に突出するロッド部材と、前記ロッド部材の一端に設けられ、前記シリンダ本体内を軸方向に沿って往復動可能な受圧部材と、前記シリンダ本体と前記受圧部材又は／及び前記ロッド部材との接触部に供給された潤滑油と、を有し、工作機械に用いられるシリンダ装置であって、前記シリンダ本体に対する前記ロッド部材及び前記受圧部材の軸方向に沿った往復動とは独立して、前記シリンダ本体に対して前記ロッド部材及び前記受圧部材を相対的に回転させる回転駆動機構を備えた工作機械に用いられるシリンダ装置を提供するものである。

また、本発明のシリンダ装置は、前記シリンダ本体と前記ロッド部材の側面の間、及び、前記シリンダ本体と前記受圧部材の側面の間にシールリングを設けてあり、一方のシリンダ室に高圧気体が封入されている。

また、本発明のシリンダ装置は、前記シリンダ本体と前記ロッド部材の側面の間にシールリングを設け、前記シリンダ本体と前記受圧部材の側面の間に間隙を設けてある。

また、本発明のシリンダ装置は、前記回転駆動機構が、軸方向への移動を規制するスラスト軸受を備えてある。

また、本発明は、駆動手段により上下方向に移動する移動体を備えた工作機械であって、上記何れかのシリンダ装置を備えた工作機械を提供するものである。

本発明のシリンダ装置は、両端が閉塞された円筒形状のシリンダ本体と、一端が前記シリンダ本体内に位置し、他端が前記シリンダ本体の端面から外部に突出するロッド部材と、前記ロッド部材の一端に設けられ、前記シリンダ本体内を軸方向に沿って往復動可能な受圧部材とからなるシリンダ装置であって、前記シリンダ本体に対して前記ロッド部材及び前記受圧部材を相対的に回転させる回転駆動機構を備えた構成を有することにより、シリンダ本体に対してロッド部材及び受圧部材が軸方向に移動しないときでも、ロッド部材及び受圧部材が回転することによってシールリングなどの接触部の潤滑を維持することができる。この結果、ロッド部材及び受圧部材の移動開始時の摺動抵抗を軽減することができ、始動時や反転時の摺動抵抗と連続移動中の摺動抵抗がほぼ等しくなり、スティックスリップの発生を大幅に抑制することができる。また、本発明のシリンダ装置は、微小な位置決めが可能になり、良好な位置制御や高精度の動作が可能になる効果がある。

また、本発明のシリンダ装置は、前記シリンダ本体と前記ロッド部材の側面の間、及び、前記シリンダ本体と前記受圧部材の側面の間にシールリングを設けてあることにより、シリンダ本体とロッド部材の間の摺動抵抗と、シリンダ本体と受圧部材の間の摺動抵抗を軽減することができる効果がある。

また、本発明のシリンダ装置は、前記シリンダ本体と前記ロッド部材の側面の間にシールリングを設け、前記シリンダ本体と前記受圧部材の側面の間に間隙を設けてあることにより、シリンダ本体とシールリングを介して接するロッド部材との間の摺動抵抗を軽減することができる効果がある。

また、本発明のシリンダ装置は、前記回転駆動機構が、軸方向への移動を規制するスラスト軸受を備えてあることにより、ロッド部材及び受圧部材を滑らかに回転させることができるから、摺動抵抗をより軽減することができると共に、軸方向への移動を規制して良好な位置制御や高精度の動作が可能になる効果がある。

また、本発明の工作機械は、駆動手段により上下方向に移動する移動体を備えた工作機械であって、上記何れかのシリンダ装置を備えた構成を有することにより、シリンダ装置のスティックスリップの発生を大幅に抑制することができるから、微小な位置決めが可能になり、良好な位置制御や高精度の加工が可能になる効果がある。

本発明に係るシリンダ装置の一実施例を示す構成図。 その一実施例の要部を示す構成図。 本発明に係るシリンダ装置の他の実施例を示す構成図。 本発明に係るシリンダ装置を備えた工作機械の一実施例を示す構成図。

本発明の実施の形態を図示する実施例に基づいて説明する。
本発明に係るシリンダ装置は、両端が閉塞された円筒形状のシリンダ本体１１と、一端が前記シリンダ本体１１内に位置し、他端が前記シリンダ本体１１の端面から外部に突出するロッド部材１２と、前記ロッド部材１２の一端に設けられ、前記シリンダ本体１１内を軸方向に沿って往復動可能な受圧部材１３とからなり、前記シリンダ本体１１に対して前記ロッド部材１２及び前記受圧部材１３を相対的に回転させる回転駆動機構２０を備えてある。

図１は、本発明に係るシリンダ装置１０の一実施例を示す構成図である。
シリンダ本体１１は、両端が閉塞された円筒形状からなり、移動体３０に固定して設けてある。ロッド部材１２は、シリンダ本体１１と同軸に設けた棒状体からなり、シリンダ本体１１の一方の端面に挿通してある。ロッド部材１２は、一端がシリンダ本体１１内に位置し、他端がシリンダ本体１１の端面から外部に突出している。

受圧部材１３は、シリンダ本体１１内に、該シリンダ本体１１と同軸に設けた円柱状のピストンからなり、ロッド部材１２の一端に固定してある。受圧部材１３の側面には、外周に沿って溝部を形成してある。この溝部にはシリンダ本体１１の内周面に接触するシールリング１４を設けてあり、シリンダ室内の圧力媒体の漏れを防止している。

また、シリンダ本体１１は、ロッド部材１２との摺動面に、内周に沿って溝部を形成してある。この溝部にはロッド部材１２の外周面に接触するシールリング１５を設けてあり、シリンダ室内の圧力媒体の漏れを防止している。ロッド部材１２は、シリンダ本体１１の端面から外部に突出した側の端部を、回転駆動機構２０を介して回転可能にベース４０に固定してある。

シリンダ本体１１は、受圧部材１３とシールリング１４によって、ヘッド側シリンダ室１６とロッド側シリンダ室１７に仕切られている。シリンダ装置１０には、図示しない圧力制御機構を設けてあり、両シリンダ室１６，１７の圧力を切り替えることによって、受圧部材（ピストン）１３がシリンダ本体１１に対して直線運動し、移動体３０を駆動することができる。

図２は、回転駆動機構２０の細部を示す拡大構成図である。
図示の実施例において、回転駆動機構２０は、モータ２３と、減速機２４と、駆動ギア２５と、従動ギア２６とから構成してある。モータ２３は、減速機２４を介して駆動ギア２５に接続してあり、駆動ギア２５はロッド部材１２の端部に固定された従動ギア２６に螺合するように設けてある。モータ２３の回転は、減速機２４で適度に減速され、さらに駆動ギア２５と従動ギア２６のギア比で減速されて、従動ギア２６が所定の回転数で回転するようになっている。

また、回転駆動機構２０は、ロッド部材１２の軸方向への移動を規制するスラスト軸受２２を備えている。

ロッド部材１２の端部は、段差部１２ａを設けて小径に形成してあり、周囲にスラスト軸受２２と従動ギア２６を設けて、固定具１２ｂで固定してある。また、ロッド部材１２と従動ギア２６の間には、回り止め部材２６ａを設けている。

２１は支持部材であり、ロッド１２を回転可能に支持してベース４０に固定してある。支持部材２１には、スラスト軸受２２を収容する軸受収容部２１ａと、駆動ギア２５及び従動ギア２６を収容するギア収容部２１ｅを設けてある。軸受収容部２１ａの下端には、フランジ部２１ｂを設けてあり、固定部材２１ｄとでスラスト軸受２２の外周ブロックを固定してある。また、支持部材２１には、挿通孔２１ｃを設けてあり、支持部材２１の上面に設置した減速機２４とギア収容部２１ｅ内に収容された駆動ギアを接続することができるようにしてある。

回転駆動機構２０は、上記構成によってロッド部材１２及び受圧部材１３を所定の回転数で軸を中心として回転させることができる。また、回転駆動機構２０は、スラスト軸受２２によってロッド部材１２の回転を吸収してベース４０に固定することができると共に、ロッド部材１２の軸方向への移動を規制することができる。

シールリング１４，１５は、軸方向の直線運動だけでなく、軸を中心とした回転運動にも耐えられるものであることが好ましい。また、シリンダ本体１１の両端部には、圧力媒体を供給するポートを設けてあることから、図示の実施例のように、ロッド部材１２側に回転駆動機構２０を設けてあることが好ましい。
なお、シリンダ装置１０は、シリンダ本体１１をベース４０に固定し、ロッド部材１２の端部を移動体３０に固定して設けることも可能である。

図４は、本発明に係るシリンダ装置を備えた工作機械の一実施例を示す構成図である。
シリンダ装置１０が工作機械の上下駆動軸のバランサーとして使用される場合には、シリンダ装置１０は、一方のシリンダ室に常に一定圧力の流体を供給して、上下移動体３０の自重をキャンセルするように機能することができる。また、スラスト軸受２２は、一方向（圧縮方向のみ）の力しか受けないことから、簡単な構造のもので機能を満足することができる。

図示の実施例において、工作機械は、ベース４０側にＸＹテーブル４１を設けてあり、ベース４０の上方の固定部５０に上下移動体３０を設けてある。

固定部５０は、一対のリニアガイド３５，３５と、軸受３２ａ，３２ａによって回転自在に軸支されたボールスクリュー３２と、モータ３４を備えている。上下移動体３０は、リニアガイド３５，３５に沿ってスライドするスライドブロック３６，３６と、ボールスクリュー３２の回転によって上下動するナット３３と、主軸３１を備えている。上下移動体３０は、モータ３４でボールスクリュー３２を回転駆動することにより、リニアガイド３５，３５に沿って上下方向に移動する。

図示の実施例において、シリンダ装置１０は、シリンダ本体１１を上下移動体３０に固定してあり、ロッド部材１２の端部を回転駆動機構２０を介してベース４０に固定してある。シリンダ装置１０は、ヘッド側シリンダ室１６に一定圧力の流体を供給し、上下移動体３０の自重をキャンセルするように機能して、ボールスクリュー３４にかかる負荷を軽減することができるようにしてある。

回転駆動機構２０は、実施例１において説明した通り、ロッド部材１２を所定の回転数で常時回転させて、シールリング１４，１５の摺動抵抗を軽減することができるように構成してある。なお、回転駆動機構２０は、実施例の構成に限らず、ロッド部材１２を所定の回転数で回転可能な他の構成を用いることもできる。

工作機械は、上下移動体３０やＸＹテーブル４１の移動方向が反転するときに、応答が遅れて、スティックスリップが発生する。特に、上下移動体３０は、シリンダ装置１０に設けたシールリング１４，１５の摺動抵抗により、ＸＹテーブル４１と比較して数倍のスティックスリップが発生していた。表１は、ロッド部材１２の回転数を変えて、上下移動体３０のスティックスリップ量を測定したものである。

スティックスリップ量の測定は、工作機械をＹＺ平面（Ｚ軸が上下方向）において円弧を描くように動作させ、制御目標値と実際の動きとのズレ量を測定して行なった。表１には、上下の移動方向が反転するときのスティックスリップ量を、送り速度別に表している。

上下方向のスティックスリップ量は、ロッド部材１２の回転を停止したときが最も大きく、回転数を上げるに従って減少し、２０ｒｐｍ以上で変化が殆どなくなっている。２０ｒｐｍ以上でロッド部材１２を回転させたときのスティックスリップ量は、Ｙ軸方向のスティックスリップ量と略同程度であることから、２０ｒｐｍ以上で回転させることによりシリンダ装置１０に起因するスティックスリップの大部分を削減することができた。

図３は、本発明に係るシリンダ装置の他の実施例を示す構成図である。
シリンダ本体１１は、ロッド部材１２との摺動面に、内周に沿って溝部を形成してある。この溝部にはロッド部材１２の外周面に接触するシールリング１５を設けてあり、シリンダ室内の圧力媒体の漏れを防止している。受圧部材１３は、ロッド部材１２より大径でシリンダ本体１１の内径より小径の円柱状体からなり、シリンダ本体１１と受圧部材１２の側面の間に間隙を設けてある。

シリンダ本体１１には、高圧ガスを封入してあり、受圧部材１２により上下移動体３０の自重をキャンセルするように機能することができる。その他の構成は、実施例１の構成と同様である。

このシリンダ本体１１には、圧力媒体を供給するポートが不要であるから、回転駆動機構２０をシリンダ本体１１側に設けることも可能である。

１０ シリンダ装置
１１ シリンダ本体
１２ ロッド部材
１３ 受圧部材
１４，１５ シールリング
１６ ヘッド側シリンダ室
１７ ロッド側シリンダ室
２０ 回転駆動機構
２１ 支持部材
２２ スラスト軸受
２３ モータ
２４ 減速機
２５ 駆動ギア
２６ 従動ギア
３０ 移動体
３１ 主軸
３２ ボールスクリュー
３３ ナット
３４ モータ
３５ リニアガイド
３６ スライドブロック
４０ ベース
４１ ＸＹテーブル
５０ 固定部

Claims (5)

1. 工作機械の上下駆動軸のバランサーとして使用され、
   高圧気体が封入され、両端が閉塞された円筒形状のシリンダ本体と、
   一端が前記シリンダ本体内に位置し、他端が前記シリンダ本体の端面から外部に突出するロッド部材と、
   前記ロッド部材の一端に設けられ、前記シリンダ本体内を軸方向に沿って往復動可能な受圧部材と、
   前記シリンダ本体と前記受圧部材又は／及び前記ロッド部材との接触部に供給された潤滑油と、を有し、工作機械に用いられるシリンダ装置であって、
   前記シリンダ本体に対する前記ロッド部材及び前記受圧部材の軸方向に沿った往復動とは独立して、前記シリンダ本体に対して前記ロッド部材及び前記受圧部材を相対的に回転させる回転駆動機構を備えた工作機械に用いられるシリンダ装置。
2. 前記シリンダ本体と前記ロッド部材の側面の間、及び、前記シリンダ本体と前記受圧部材の側面の間にシールリングを設けてあり、一方のシリンダ室に高圧気体が封入された請求項１に記載のシリンダ装置。
3. 前記シリンダ本体と前記ロッド部材の側面の間にシールリングを設け、前記シリンダ本体と前記受圧部材の側面の間に間隙を設けてある請求項１に記載のシリンダ装置。
4. 前記回転駆動機構が、軸方向への移動を規制するスラスト軸受を備えた請求項１乃至３の何れか一項に記載のシリンダ装置。
5. 駆動手段により上下方向に移動する移動体を備えた工作機械であって、請求項１乃至４の何れか一項に記載のシリンダ装置を備えた工作機械。

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