JPH05187511A - ボールねじ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】２つのナットの回転数の完全同期が簡易な操作
で可能になり、ボールねじ軸の移動及び回転運動の制御
を容易にすることを目的にしている。 【構成】ボールスプラインナットに固定されたプーリ
が、タイミングベルトを介してスプラインナット用駆動
モータに連結している。スプラインナット用駆動モータ
は、スプラインナット用ドライバに接続している。ボー
ルねじナットにボールねじナット用駆動モータが連結し
ている。ボールねじナット用駆動モータは、ボールねじ
ナット用ドライバに接続する。両モータには、エンコー
ダが夫々設けられ、そのエンコーダは、夫々のパルスカ
ウンターに接続される。両パルスカウンターは偏差カウ
ンターに接続し、その偏差カウンターは、ボールねじナ
ット用ドライバーと接続している。両ドライバーはコン
トローラに接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械や搬送ロボッ
ト等，産業機械装置のアクチュエータとして好適に使用
されるボールスプラインを備えたボールねじの駆動制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ボールスプラインを備えたボール
ねじとしては、例えば特開平１−２２９１６０号公報等
に記載されているものが知られている。これらは、図４
に示すように、単一の軸体の外周面にボールねじ溝とボ
ールスプライン溝とを重複させて形成したボールねじ軸
１に、多数のボールを介してボールねじナット２及びボ
ールスプラインナット３を嵌合し、さらに上記両ナット
２，３を同一のハウジング４に夫々サポートベアリング
を介して回転自在に組付けてなり、前記ボールねじナッ
ト２及びボールスプラインナット３には夫々プーリ５，
１７が取り付けられている。

【０００３】その各プーリ５，１７はタイミングベルト
６，１８を介してモータ等からなる駆動装置７，１１に
それぞれ連結し、その２つの駆動装置７，１１によっ
て、両ナット２，３がそれぞれ回転駆動されるようにな
っている。その２つの駆動装置７，１１はドライバ８，
１０を介してコントローラ１６に接続され、該コントロ
ーラ１６からの別々の指令によって独立制御されて、両
ナット２，３が個々に所定の回転数で回転駆動されるよ
うになっている。

【０００４】ここで、上記プーリ５，１７，タイミング
ベルト６，１８，駆動装置７，１１，及びドライバ８，
１０によって各ナット２，３の駆動手段を構成してい
る。上記のようなボールねじでは、例えばハウジング４
が工作機械やスカラー型ロボット等の取り付け部に固定
して装着され、コントローラ１６からの指令に基づいて
各駆動装置７，１１がタイミングベルト６，１８を介し
て各プーリ５，１７を回転させることでボールねじ軸１
を駆動せしめる。例えば、ボールねじナット２だけを回
転させるとボールねじ軸１は軸方向に移動し、また、ボ
ールスプラインナット３だけを回転させるとボールねじ
軸１は回転運動を伴って軸方向に移動する。

【０００５】また、ボールねじ軸１を軸方向に移動させ
ずに回転運動だけを行うように制御する場合には、ボー
ルねじナット２とボールスプラインナット３とを共に同
じ回転数で同方向に回転させる必要があるが、従来この
制御は、ボールスプラインナット３の回転数に一致する
ように、ボールねじナット２の回転数をコントローラ１
６からのオープンループ制御の指令によって同期させて
いた。

【０００６】なお、２つの駆動手段は、通常、前記のよ
うにプーリ５，１７やタイミングベルト６，１８等によ
る減速機構を有していて、ボールスプラインナット３側
は、低速且つ高トルクが要求されるために減圧比を大き
くとり、ボールねじナット２側は、高速性が重視される
ために減速比は小さく設定されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ようなボールねじ駆動制御装置においては、２つの駆動
手段の減速比は前記のように異なると共に、ナット２，
３を駆動する各モータの仕様も同一とは必ずしも限らな
いので、両ナット２，３の各回転分解能に相違があると
共に、ボールねじナット２に対してオープンループ制御
で同期をとらせようとしているため、両ナット２，３の
回転数を完全同期させることが難しかった。さらに、両
ナット２，３の回転数を独立して制御しているため、操
作性が煩雑になっていた。

【０００８】本発明は、上記のような問題点に着目して
なされたもので、２つのナットの回転数の完全同期が簡
易な操作で可能となり、ボールネジ軸の移動及び回転運
動の制御を容易にすることを目的にしている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のボールねじ駆動制御装置は、ボールねじ溝
とボールスプライン溝とを有するボールねじ軸と、その
ボールねじ軸にボールを介して嵌合するボールねじナッ
ト及びボールスプラインナットとを備えたボールねじ装
置に対して、ボールねじナットを回転駆動するボールね
じナット駆動手段と、ボールスプラインナットを回転駆
動するボールスプラインナット駆動手段と、両駆動手段
を介して前記ボールねじナット及びボールスプラインナ
ットにそれぞれ独立して所定の回転数を指令するコント
ローラとを備えたボールねじ駆動制御装置において、ボ
ールねじナットの回転数を検出するボールねじナット用
回転数検出手段と、ボールスプラインナットの回転数を
検出するボールスプラインナット用回転数検出手段と、
その両回転数検出手段から入力した回転数の偏差を算出
し、その偏差がゼロになるように前記ボールねじナット
駆動手段にボールねじナットの回転数の減少若しくは増
加の指令を出す回転数変更手段とを備えたことを特徴と
している。

【００１０】

【作用】ボールねじ軸を軸方向に移動（直進）させると
きには、ボールスプラインナットを停止したまま、ボー
ルねじナットのみを回転駆動させることで実施する。即
ち、コントローラから所定回転数にて回転するようにボ
ールねじナット駆動手段にだけ駆動指令を出し、該ボー
ルねじナット駆動手段によってボールねじナットを回転
駆動させて、ボールねじ軸を軸方向へ移動させる。この
とき、ボールスプラインナットはホールド状態にしてお
く。

【００１１】また、ボールねじ軸を軸方向へ移動させず
に回転運動だけをさせる場合には、コントローラがボー
ルスプラインナット駆動手段にだけ駆動指令を出し、そ
の駆動装置がボールスプラインナットを回転駆動する。
すると、ボールスプラインナットの回転数とボールねじ
ナットの回転数とが各回転数検知手段によって検出さ
れ、その回転数に応じた信号は回転数変更手段に送られ
る。

【００１２】回転数変更手段では、その検出された両回
転数のうち，ボールスプラインナットの回転数を目標値
として両回転数の差である偏差を算出し、その偏差分に
応じてボールねじナット用駆動装置に設定されたボール
ねじナットの回転数を増減する指令を出す。即ち、ボー
ルスプラインナットの回転数に対してボールねじナット
の回転数が遅ければボールねじナット用駆動装置に設定
されているボールねじナットの回転数を増加する指令を
出し、ボールスプラインナットの回転数に対してボール
ねじナットの回転数が早ければボールねじナット用駆動
装置に設定されているボールねじナットの回転数を減少
する指令を出す。

【００１３】これによって、ボールねじナットはボール
スプラインナットの回転駆動に追従し同期をとって回転
する。このような、フィードバック制御を両ナットの回
転数が一致するまで実施することで、ボールねじ軸は、
軸方向へ移動をせずに回転運動だけを実施するように高
精度状態で制御される。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
ボールねじ装置及び駆動制御装置は図１に示すような構
成になっており、図中１はボールねじ軸であり、このボ
ールねじ軸１の外周面には図示しない螺旋状のボールね
じ溝と共に軸方向に沿った数本のボールスプライン溝が
設けられ、両溝を介して該ボールねじ軸１に、ボールね
じナット２及びボールスプラインナット３が嵌合してい
る。

【００１５】ボールねじナット２は、前記ボールねじ軸
１に設けられたボールねじ溝に対応するボールねじ溝を
内周面に形成されて、対向する両ボールねじ溝の間に多
数のボールが転動自在に介装されると共に、前記ボール
の循環路を有している。そして、前記ボールが、ボール
ねじ軸１とボールねじナット２との相対回転と共にねじ
溝内を転動しつつ螺旋状に移動し、ねじ溝を１回半乃至
３回半回ってからナット内の戻し通路を経て元の位置に
戻り、循環を繰り返す公知の構造になって、該ボールね
じナット２の回転によって該ボールねじ軸１が軸方向移
動するようになっている。また、そのボールねじナット
２の外周面には、ベアリング内輪溝が形成されている。

【００１６】一方、ボールスプラインナット３は、ボー
ルねじ軸１に沿って直線的に延びるボールスプライン溝
に対応するボールスプライン溝を内周面に形成されて、
そのナットのボールスプライン溝と対向するボールねじ
軸１のボールスプライン溝との間に多数のボールが転動
自在に介装されると共に、そのボールの循環路が形成さ
れている。そのボールは、ボールねじ軸１とボールスプ
ラインナット３との相対的な直線移動と共にねじ溝内を
転動しつつ直線方向に移動し、ナット３端部に至ってナ
ット３内の戻す通路に入りＵターンして元の位置に戻り
循環を繰り返す公知の構造になって、該ボールスプライ
ンナット３の回転によって該ボールねじ軸１が回転運動
と共に軸方向移動をするようになっている。また、その
ボールスプラインナット３の外周面には、ベアリング内
輪溝が形成されている。

【００１７】前記のようにボールねじ軸１に螺着された
ボールねじナット２とボールスプラインナット３の外周
には共通のハウジング４が被せてある。このハウジング
４は、内周面に前記ボールねじナット２及びボールスプ
ラインナット３のベアリング内輪溝に対応するベアリン
グ外輪溝が夫々形成されて、それぞれ対向するベアリン
グ内輪溝とベアリング外輪溝とでなる溝空間に、それぞ
れ多数のベアリングボールが装着されて、両ナット２，
３を回転可能に保持している。

【００１８】また、前記ボールスプラインナット３に
は、同軸にプーリ５が取り付けられている。このプーリ
５は、精密伝動用のタイミングベルト６を介してスプラ
インナット用駆動モータ７に連結し、該スプライン用駆
動モータ７によって回転駆動される。そのスプラインナ
ット用駆動モータ７も前記ハウジング４に固定されてい
る。スプラインナット用駆動モータ７は、スプラインナ
ット用ドライバ８に接続され、そのドライバ８から供給
される駆動電流によって回転数が制御される。

【００１９】なお、プーリ５及びタイミングベルト６で
形成される減速機構による減速比は１／ｎに設定されて
いる。また、ボールねじ軸１と同軸にボールねじナット
用駆動モータ９がハウジング４に固定され、該ボールね
じナット用駆動モータ９の回転軸が前記ボールねじナッ
ト２に連結されて、該ボールねじナット用駆動モータ９
によってボールねじナット２は回転駆動される。そのボ
ールねじナット用駆動モータ９は、ボールねじナット用
ドライバ１０に接続され、該ドライバ１０から供給され
る駆動電流によって回転数が制御される。

【００２０】また、前記両モータ７，９には、角変位を
ディジタル信号に変換するエンコーダ１１，１２が夫々
設けられ、その各エンコーダ１１，１２は、夫々のパル
スカウンター１３，１４，及び対応する各ドライバ８，
１０に接続されて、検出したディジタル信号であるパル
スを各パルスカウンター１３，１４，及び各ドライバ
８，１０に伝達している。そして、前記エンコーダ１
１，１２及びパルスカウンター１３，１４で各ナットの
回転数検出手段が構成されて、両ナット２，３の回転数
の応じたパルス数を検出している。

【００２１】ここで、スプラインナット用エンコーダ１
１はボールスプラインナット３の回転数に応じたパスル
数を直接検出していないので、ボールねじナット用パル
スカウンター１４においては、スプランナット用駆動モ
ータ７の回転数に対するボールスプラインナット３の回
転数の比である１／ｎに対応させて、出力される所定時
間当たりのパルス数にｎを乗算する演算を実施してい
る。

【００２２】なお、各エンコーダ１１，１２から各ドラ
イバ８，１０に伝達されたパルスは、対応する駆動モー
タ７，９の回転数に対するクローズループ制御のサーボ
機構に使用されている。また、前記の両パルスカウンタ
ー１３，１４は回転数変更手段を構成する偏差カウンタ
ー１５に接続されている。その偏差カウンター１５は、
両パルスカウンター１３，１４から入力した値の差，即
ちスプラインナット用パルスカウンター１３から入力し
たパルス数からボールねじナット用パスルカウンター１
４から入力したパスル数を減算することで、目標値であ
るボールスプラインナット３の回転数に応じたパルス数
に対するボールねじナット２の回転数に応じたパルス数
の偏差を求め、その値に応じた信号をボールねじナット
用ドライバー１０に供給している。

【００２３】そして、ボールねじナット用ドライバ１０
では入力された値をもとに、その入力された値が正値で
あれば，即ちボールねじナット９の回転数がボールスプ
ラインナット３の回転数よりも遅ければボールねじナッ
ト用駆動モータ１２へ設定供給する駆動電流を大きくし
て回転数を早くし、負値であれば，即ちボールねじナッ
ト９の回転数がボールスプラインナット３の回転数より
も早ければ該駆動電流を小さくして回転数を遅くしてい
る。

【００２４】このように、前記エンコーダ１１，１２，
パルスカウンター１３，１４，偏差カウンター，及びボ
ールねじナット用ドライバ１０によって両ナット２，３
の回転数を同期させるクローズドループ制御のサーボ機
構が形成されている。また、両ドライバー８，１０はコ
ントローラ１６に接続されていて、該コントローラ１６
からの個々の指令によっても制御されるようになってい
る。

【００２５】上記のようなボールねじ駆動制御装置で
は、ボールねじ軸１を軸方向移動させる場合，即ち直進
させる場合には、コントラーラ１６からボールねじナッ
ト用ドライバ１０にだけ駆動指令が送られる。すると、
ボールねじナット用ドライバ１０からの指令で所定の駆
動電流がボールねじナット用駆動モータ１２に流れてボ
ールねじナット９が所定の速度で回転駆動し、これによ
って、ボールねじナット９の回転が、ボールねじ溝を介
してボールねじ軸１に伝達され、ボールねじ軸１が軸方
向へ該ボールねじナットの回転速度に応じた速度で移動
する。

【００２６】このとき、スプラインナット３はコントロ
ーラ１６からの指令でホールド状態になっている。ま
た、ボールねじ軸１を回転運動させる時には、コントラ
ーラ１６からスプラインナット用ドライバ８にだけ駆動
指令が送られる。すると、該スプラインナット用ドライ
バ８からの指令でスプラインナット用駆動モータ７に所
定の駆動電流が供給され、タイミングベルト６及びプー
リ５からなる減速機構で１／ｎの回転数減速されつつボ
ールスプラインナット３が所定回転数で回転駆動する。

【００２７】このとき、両モータ７，９の回転数に対応
したパルス数が両モータ７，９に設けられたエンコーダ
１１，１２を介して各パルスカウンター１３，１４に送
られ、その値が偏差カウンター１５に供給されて両パス
ルカウンター数の差が演算される。その演算された値
は、偏差カウンター１５からボールねじナット用ドライ
バ１０に供給される。ボールねじナット用ドライバ１０
は、供給された値が正値であれば、ボールねじナット用
駆動モータ９への設定した駆動電流を大きくして該ボー
ルねじナット２の回転数を増加させ、また、上記供給さ
れた値が負値であれば、ボールねじナット用駆動モータ
９への設定された駆動電流を小さくして該ボールねじナ
ット２の回転数を減少するフィードバック制御が実施さ
れて、該ボールねじナット２の回転数がボールスプライ
ンナット３の回転数と一致するように動的に制御され
る。即ち、ボールスプラインナット３の駆動に追従して
ボールねじナット２が同一回転数で回転するようにな
る。

【００２８】このように、本実施例においては、ボール
ねじ軸１を回転運動させるときに、該回転運動に対応し
た指令をボールスプラインナット２側にだけ付与して制
御するだけで両ナット２，３の回転数が同期がとられ
て、従来のように両ナット２，３に異なった指令を与え
て同期をとる等の必要がなくなり制御が簡素化される。
また、該ボールねじ軸１の回転運動の回転数を変更する
場合にも、該ボールスプラインナット２側の回転数を変
更する指令を出すだけで前記フィードバック制御によっ
て、ボールねじナット２の回転数がボールスプラインナ
ット３の回転数と同期がとられる。

【００２９】よって、本実施例のボールねじ駆動制御装
置は、軸を回転させる時にはボールスプラインナット３
のみを駆動すれば良く、また、軸を直進させたい時には
ボールねじナット２のみを駆動すれば良いため、操作性
が向上してシーケンス制御等の外部機器との連動が容易
になる。なお、前記実施例においては、ボールねじナッ
ト用パルスカウンター１４で減速比１／ｎに対応するｎ
をカウンター数に乗算し、偏差カウンター１５での演算
結果の正負によってボールねじナット用ドライバ１０に
よる設定駆動電流を増減しているが、スプラインナット
用パルスカウンター１３側でカウンター数に（１／ｎ）
を乗算し、偏差カウンター１５での演算結果の値だけ設
定回転数（エンコーダ１２からのパルス数）を増加（負
の値の場合には減少）させるように設定駆動電流を制御
するようにしてもよい。

【００３０】次に、第２実施例について説明する。第２
実施例の構成は、図２に示すように、ボールねじナット
２の一端側にプーリ１７が取り付けられ、該プーリ１７
はタイミングベルト１８を介してボールねじナット用駆
動モータ１２に連結している。該プーリ１７及びタイミ
ングベルト１８は減速機構を構成し減速比が１／ｍに設
定されている。

【００３１】また、ボールねじナット用パルスカウンタ
ー１４において、エンコーダ１２から入力したパルス数
に（ｎ／ｍ）を乗算する演算を実施するようになってい
る。他の構成は第１実施例と同様である。このように構
成したボールねじ駆動制御装置においても、ボールねじ
ナット２と駆動モータ９とを減速機構を介して接続し、
減速比に応じた演算をボールネジナット用パルスカウン
ター１４にて実施するようにした他は、第１実施例と同
様な作用及び効果を有する。

【００３２】次に、第３実施例について説明する。第３
実施例の構成は、図３に示すように、スプラインナット
用エンコーダ１１をスプラインナット用駆動モータ７に
接続する代わりにボールスプラインナット３に連結して
ボールスプラインナット３の回転数を直接検出可能に
し、それに伴ってボールねじナット用パルスカウンター
１４での減速比に応じた演算を不要にしている。

【００３３】他の構成は第１実施例と同様である。この
ように構成したボールねじ駆動制御装置においても、第
１実施例と同様な作用及び効果を有する。但し、この第
３実施例においては、ボールスプラインナット３の回転
数を直接検出するためボールねじナット用パルスカウン
ター１４にてカウンター数に特別な演算をする必要はな
くなる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明してきように、本発明のボール
ねじ駆動制御装置では、ボールねじ軸を回転させる時
に、ボールスプラインナットのみを回転駆動させるだけ
で良い。このとき、ボールねじナットは該ボールスプラ
インナットに追従して回転し、しかも、ボールねじナッ
トの回転数とボールスプラインナットの回転数とをクロ
ーズループ制御にて制御することで該回転数の同期がよ
り完全に合致可能となり、ボールねじ軸の回転運動の精
度が向上する。

【００３５】これによって、本発明では、ボールねじ軸
の軸方向移動（直進）及び回転運動の駆動指令を一方の
ナットにのみ与えればよいから、制御のための操作性が
向上し、シーケンス制御等，外部機器とのインターフェ
イスが容易になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例のボールねじ駆動制御装置
を示す概略構成図である。

【図２】本発明に係る第２実施例のボールねじ駆動制御
装置を示す概略構成図である。

【図３】本発明に係る第３実施例のボールねじ駆動制御
装置を示す概略構成図である。

【図４】本発明に係る従来例のボールねじ駆動制御装置
を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ ボールねじ軸 ２ ボールねじナット ３ ボールスプラインナット ４ ハウジング ７ スプラインナット用駆動モータ ８ スプラインナット用ドライバ ９ ボールねじナット用駆動モータ １０ ボールねじナット用ドライバ １１．１２ エンコーダ １３，１４ パルスカウンター １５ 偏差カウンタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボールねじ溝とボールスプライン溝とを
   有するボールねじ軸と、そのボールねじ軸にボールを介
   して嵌合するボールねじナット及びボールスプラインナ
   ットとを備えたボールねじ装置に対して、ボールねじナ
   ットを回転駆動するボールねじナット駆動手段と、ボー
   ルスプラインナットを回転駆動するボールスプラインナ
   ット駆動手段と、両駆動手段を介して前記ボールねじナ
   ット及びボールスプラインナットにそれぞれ独立して所
   定の回転数を指令するコントローラとを備えたボールね
   じ駆動制御装置において、ボールねじナットの回転数を
   検出するボールねじナット用回転数検出手段と、ボール
   スプラインナットの回転数を検出するボールスプライン
   ナット用回転数検出手段と、その両回転数検出手段から
   入力した回転数の偏差を算出し、その偏差がゼロになる
   ように前記ボールねじナット駆動手段にボールねじナッ
   トの回転数の減少若しくは増加の指令を出す回転数変更
   手段とを備えたことを特徴とするボールねじ駆動制御装
   置。