JPH07266115A - 移動体の重量バランス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 上下に移動する移動体において、バランスウ
エィトを用いることなく、移動体の移動、停止の応答性
の良い重量バランス装置を提供する。 【構成】 コラム２の垂直案内面３に沿って送りねじ14
により上下動する主軸ヘッド４の重量バランス装置であ
って、案内面３上部に設けた支点Ｃを中心にして揺動す
るリンク11と、コラム２内側底部に一端を結合した引張
りばね８と、リンク11の先端の支点Ａに一端を結合し、
案内ローラ５，６によって方向変換されて引張りバネ８
の他端に結合されたスチールワィヤー７と、リンク11の
支点Ａと主軸ヘッド４とを連結するロッド15とで構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械や三次元測定
機などにおいて、上下に移動する移動体の重量バランス
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械などの移動体である主軸
ヘッドを案内面に沿って上下動させる方式には、次のよ
うなものがある。 全くバランス機構を設けることなく、主軸ヘッドを
直接駆動するようにしたものは、主軸ヘッドの重量が直
接モータの負荷となり、主軸ヘッドを上下動させるため
のモータの容量を大形化しなければならず、また、素早
い作動・停止を期待することができない。上、下方向の
移動または停止の場合、応答性が相互に異なる。

【０００３】 バランスウェィト方式の均衡機構を施
したときには、主軸ヘッドと同重量のバランスウエイト
を必要とするので移動体の慣性重量が大きく、加速、停
止の応答性が悪くなり、また、全体の機械重量が大きく
なるなどの問題がある。 シリンダピストン式のバランス機構を設けるとき
は、油圧回路を用いて主軸ヘッドの重量とシリンダ圧力
とをバランスさせているから、移動、停止の応答性が良
くない。 ばね式バランス機構を取付けたものは、ばね定数を
適切に選択した場合でも移動体の上下動ストロークの中
央でのみでバランスして、全ストローク域でのバランス
効果が大きくない。

【０００４】たとえば、図４は上述、ばね式バランス機
構を取付けた従来の立形工作機械の要部側断面を示すも
ので、図中、ベッド１に立設したコラム２の前面に垂直
案内面３を形成し、前記面３に沿って上下方向に摺動可
能に取付けた主軸ヘッド４を、コラム２の上端に設けた
ブラケットに軸支する案内ローラ５，６に掛け渡した連
結部材７、たとえばスチールワイヤー、チェーンなどに
より吊下し、その他端をベッド１またはコラム２などの
固定部に取付けた引張りばね８の一端に連結している。

【０００５】前記主軸ヘッド４にはナット12を設け、同
ナットはコラム２の上部に設けたモータ（駆動手段）13
により駆動される送りねじ14に螺合し、前記モータの作
動に応じて、主軸ヘッド４を垂直案内面３に沿って上下
方向に移動・停止させる。なお、９は主軸ヘッド４に対
向して、ベッド１に設けたテーブルである。図示の場
合、引張りばね８は、その縮む力をスチールワイヤー７
に伝えて主軸ヘッド４の重量とバランスしている。その
ような条件の許では、駆動手段が主軸ヘッド４を上下方
向に移動させるための負荷は、主に主軸ヘッドの重量
（慣性力）に基づくもののみである。

【０００６】しかながら、主軸ヘッド４の位置が上下方
向のいずれかに外れたときは、両者のバランスが崩れる
ことが明らかであるから、そこでは、主軸ヘッド４の重
量と引張りばね８が伸び縮みするためのばね力を加算し
た負荷が駆動装置に掛ることになる。すなわち、バラン
ス領域の範囲が極めて狭い。また、主軸ヘッド４の停止
の際、ハンチングが生じることがある。等々の問題点を
解消することができない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明装置は、
上記問題点を解決し、移動体の上下方向位置にかかわり
なく移動体重量のバランスをとるようにして、高速移動
・停止の応答性を高め、高速位置決めに生じる障害を解
決し、移動体の送りモータ容量の大型化、および機械重
量の増加を避けることができる移動体の重量バランス装
置を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決する手段】本発明は、上記目的を達成する
ために、従来のばね式バランス機構における連結部材で
あるスチールワイヤーの中途を、案内面付近に一端を軸
支した揺動可能なリンクの他端に連結し、主軸ヘッドの
重量により前記ワイヤーに掛かる引張力の分力を主軸ヘ
ッドの上下移動に関連させて変動させ、これと、引張り
ばねのばね力とが釣り合うようにしたもので、詳しく
は、次のとおりである。

【０００９】（１） 基台の案内面に沿って上下移動す
る移動体の重量バランス装置において、前記基台の上部
に枢着され、先端部が連結部材を介して前記移動体に連
結されたリンクと、一端を連結部材を介して前記リンク
の先端部に結合され、他端を固定部に固定され、前記移
動体の上下移動に従って伸縮し、前記移動体の重量をバ
ランスさせる引張りばねと、を具備したことよりなる移
動体の重量バランス装置。

【００１０】（２） 基台の案内面に沿って上下移動す
る移動体の重量バランス装置において、前記基台の上部
に枢着され、前記移動体の上下移動に伴って揺動可能に
設けられたリンクと、前記リンクと前記移動体とを連結
するロッドと、一端を固定部に固着され、前記移動体の
上下移動に従って伸縮し、前記移動体の重量をバランス
させる引張りばねと、一端を前記リンクの先端部に結合
され、前記リンクに上向きの力を作用すべく他端を前記
引張りばねの他端に結合した連結部材と、を具備したこ
とよりなる移動体の重量バランス装置。

【００１１】

【作用】主軸ヘッドの重量Ｗに基づきリンク先端部に掛
かる下向きの力に対する引上げ力は、スチールワイヤー
やチェーン等の連結部材の端部につながる引張りばねが
伸びることにより発生するばね力によって、バランスす
る。この状態から、たとえば、主軸ヘッドが下方向に移
動し連結部材を介して引張りばねを伸長するように働く
場合は、前記ばねにより連結部材に加わる引張力が大き
くなる一方、主軸ヘッドの重量Ｗに基づきリンク先端部
に掛かる下向きの力の連結部材方向への分力は、大きく
なる傾向がある。しかし、この連結部材方向への分力は
リンクを圧縮させる力にも消費され、正味、主軸ヘッド
の重量Ｗを支持する力は不変である。

【００１２】主軸ヘッドが上方向に変位し、連結部材を
介して引張りばねが収縮するように働く場合は、前記ば
ねにより連結部材に加わる引張力が小さくなる一方、主
軸ヘッドの重量Ｗに基づきリンク先端部に掛かる下向き
の力の連結部材方向への分力は、小さくなる傾向があ
る。このときリンクが主軸ヘッドの重量Ｗを下支えする
ように働き、ばね力が小さい分を補っている。したがっ
て、引っ張りばね定数を適切に選定してやれば、両者の
力の釣合いを常時、バランスさせることができる。

【００１３】

【実施例】以下に、図面に従って、本発明の一実施例に
ついて説明するが、本発明を構成する各部材は、出願当
時の技術レベルの範囲内で適宜、設計変更可能なものを
含むことに鑑み、格別の理由を示すことなく本実施例の
構成のみに基づいて、発明の要旨を限定的に理解すべき
でない。

【００１４】図１は、本発明の典型的実施例の側断面略
図を示すもので、図中、図４において記載した従来装置
を構成する部材に付した符号と同一の符号を付した部材
は、それと同一名称、同一材質、構造である。

【００１５】基台であるコラム２の案内面３の上部に支
点Ｃを設け、案内面３に直角の鉛直平面内で支点Ｃを中
心にして揺動するリンク11を設ける。リンク11の先端の
支点Ａと主軸ヘッド４上部の連結部10とを、スチールワ
ィヤーまたはロッド等の連結部材15で連結する。本実施
例の連結部材15は、たるみが発生しないロッドを採用し
ている。リンク11の先端の支点Ａには、連結部材である
スチールワィヤー７の一端を結合し、スチールワィヤー
７はラム２上のブラケットに設けられた案内ローラ５，
６により方向を変え、スチールワィヤー７の他端を引張
りばね８に結合する。

【００１６】図１は、主軸ヘッド４が上下移動ストロー
クの中間位置にあるときの状態を示し、図２は主軸ヘッ
ド４が上昇位置にあるときを実線で、下降位置にあると
きを鎖線で示している。ここで案内ローラ５におけるス
チールワィヤー７の懸架点をＢとして、位置の三角形Ａ
ＢＣを考える。この位置の三角形は辺ＡＣの長さ、およ
び辺ＢＣの長さは機械的に定められているので、常に一
定である。主軸ヘッド４の上下移動に伴って辺ＡＢの長
さが変り、位置の三角形ＡＢＣは種々に変形する。位置
の三角形ＡＢＣの支点Ａには、主軸ヘッド４の重量Ｗが
常に垂直下向きに作用する。ロッド15が垂直になってい
なくとも、垂直分力の大きさは常にＷである。なお、こ
こでは、主軸ヘッド４と案内面３との間の摩擦力を便宜
上考えないこととする。

【００１７】支点Ａに重量Ｗが作用すると、スチールワ
ィヤー７に沿って引張りばね８のばね力が作用すると共
に、リンク11には圧縮力が作用する。これらの力の釣合
い関係を表わしたのが図３である。図中、（ａ），
（ｃ），（ｅ）はそれぞれ、主軸ヘッド４が上昇位置に
あるときの位置の三角形、主軸ヘッド４が上下移動スト
ロークの中間位置にあるときの位置の三角形、主軸ヘッ
ド４が下降位置にあるときの位置の三角形を表わしてい
る。図中、（ｂ），（ｄ），（ｆ）はそれぞれ、（ａ）
の位置の三角形に作用する力の釣合い関係、（ｃ）の位
置の三角形に作用する力の釣合い関係、（ｅ）の位置の
三角形に作用する力の釣合い関係を表わしている。

【００１８】Ａ点には常に、主軸ヘッド４の重量Ｗが垂
直下向きに作用する。すると引張りばね８のばね力ｆ
は、直線ＡＢに沿って作用し、その大きさは主軸ヘッド
４が下降する程、大きくなる。一方、リンク11には常に
圧縮力Ｐが作用する。このＷ，ｆ，Ｐの力の釣合い関係
は、結局、図３（ｂ），（ｄ），（ｆ）のような力の三
角形で表わされ、これは、それぞれ図３（ａ），
（ｃ），（ｅ）の位置の三角形と相似形をしている。こ
こで図３（ｂ）を参照して、主軸ヘッド４が上昇位置に
あるときの力の三角形を考察すると、ばね力ｆは小さい
が、圧縮力Ｐが上向きに作用して重量Ｗと釣り合ってい
る。つまり、リンク11が下支えして主軸ヘッド４の重量
の一部を負担して、引張りばね８のばね力を補ってるこ
とがわかる。

【００１９】図３（ｄ）を参照して、主軸ヘッド４が上
下移動ストロークの中間位置にあるときの力の三角形を
考察すると、ばね力ｆは重量Ｗより大きいが、リンク11
を圧縮する力にも消費され、結局、主軸ヘッド４を支え
る方向の分力は主軸ヘッド４の重量Ｗと略、等しい。引
張りばね８のばね定数は、略、このときに引張りばね８
の許容伸び量の約、半分の伸びで、かつ、ばね力がｆだ
け発生するようなものを選べばよい。

【００２０】図３（ｆ）を参照して、主軸ヘッド４が下
降位置にあるときの力の三角形を考察すると、ばね力ｆ
が主軸ヘッド４の重量Ｗを持ち上げると共に、リンク11
を圧縮して力の釣合いが保たれる。この場合も、ばね力
ｆの主軸ヘッド４を支える方向の分力は、主軸ヘッド４
の重量Ｗと略、等しい。このようにして主軸ヘッド４の
上下方向の位置にかかわりなく、ばね力ｆの上下方向成
分、つまり送りモータ13に掛かる負荷は、略、一定値に
維持される。これはリンク11の介在により、ばね力ｆが
重量Ｗより小さい領域ではリンク11が主軸ヘッド４の重
量を下支えし、ばね力ｆが重量Ｗより大きい領域では、
ばね力ｆがリンク11を圧縮するのにも消費され、実質的
に主軸ヘッド４を上下方向に支持する力は一定値に維持
されるのである。

【００２１】ただし、本実施例では、主軸ヘッド４の上
下移動にしたがって、リンク11先端における主軸ヘッド
４の重量に基づく引っ張り方向が垂直方向から若干振れ
ること、主軸ヘッド４の上下摺動の摩擦抵抗その他、上
記バランスを乱す要素が皆無とはいえないけれども、従
来装置に較べれば、主軸ヘッド４の重量と引張りばね８
に基づくばね力とがバランスする範囲が大きくなる上
に、バランスが崩れる場合にも、その差は小さいものと
なる。なお、上記引張りばねの伸縮行程を長くする必要
上、引張りばね８は、細目のつる巻きばねを複数本束ね
て配置するのが良い。

【００２２】本実施例によれば、バランスウェイト方式
に較べ機械全体の重量が軽減するので、駆動手段13の容
量を小さくすることができる。また、上下に移動させる
物体の重量が約半分になるので慣性力が小さくなり、移
動、停止に対する応答性がよい。重量バランスが比較的
に良くとれた状態で移動、停止させるので、ハンチング
が生じない。また、移動、停止の際に、主軸ヘッドが振
動し難くなった。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明装置によれ
ば、 ばねバランス方式に較べて、移動体の送り駆動手段
に掛かる負荷が小さく、また移動体の上下方向位置に拘
らず、駆動手段の負荷が略、一定になる。 バランスウェイト方式に比較して機械全体の重量の
増加がない。そして移動物体の重量が小さいので、移動
・停止の応答性が良好で、移動体の早送りの立上り・立
下がり時間が短縮される。また、ハンチングが生じな
い。 等々、従来装置には期待することができない、格別の作
用、効果を奏するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例の、要部側面図である。

【図２】上記実施例の、作動図である。

【図３】（ａ），（ｃ），（ｅ）は、それぞれ主軸ヘッ
ドの上昇位置、中間位置、下降位置におけるリンクとス
チールワィヤーとのなす位置の三角形を表わし、
（ｂ），（ｄ），（ｆ）は、それぞれ（ａ），（ｃ），
（ｅ）の位置の三角形に対応する力の釣合いの三角形を
表わす模式図である。

【図４】ばねバランス方式にかかる従来装置の一例を示
す側面図である。

【符号の説明】

１ ベッド ２ コラム ３ 垂直案内面 ４ 主軸ヘッド ５，６ 案内ローラ ７ スチールワイヤー ８ 引張りばね ９ テーブル 10 連結部 11 リンク 12 ナット 13 モータ 14 送りねじ 15 ロッド

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台の案内面に沿って上下移動する移動
   体の重量バランス装置において、 前記基台の上部に枢着され、先端部が連結部材を介して
   前記移動体に連結されたリンクと、 一端を連結部材を介して前記リンクの先端部に結合さ
   れ、他端を固定部に固定され、前記移動体の上下移動に
   従って伸縮し、前記移動体の重量をバランスさせる引張
   りばねと、 を具備したことを特徴とする移動体の重量バランス装
   置。
2. 【請求項２】 基台の案内面に沿って上下移動する移動
   体の重量バランス装置において、 前記基台の上部に枢着され、前記移動体の上下移動に伴
   って揺動可能に設けられたリンクと、 前記リンクと前記移動体とを連結するロッドと、 一端を固定部に固着され、前記移動体の上下移動に従っ
   て伸縮し、前記移動体の重量をバランスさせる引張りば
   ねと、 一端を前記リンクの先端部に結合され、前記リンクに上
   向きの力を作用すべく他端を前記引張りばねの他端に結
   合した連結部材と、 を具備したことを特徴とする移動体の重量バランス装
   置。