JPH07269674A - ボールネジの衝撃緩衝装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ボールネジに加わる急激な圧縮力あるいは引
張力を流体圧力の圧縮で緩和し、ボールネジのみでな
く、ロボットアームおよびロボット全体を衝撃力から保
護する。 【構成】 ロボット等の送り駆動に使用されるボールネ
ジを利用した直線送り機構において、ボールネジＢ２が
螺合貫通されたナットＮ２を、両端開放型の流体シリン
ダ７のピストン６内に装着し、ボールネジＢ２が螺合貫
通されたナットＮ２を装着したピストン６を内装するシ
リンダ７を被駆動側のロボットアーム２に固定し、シリ
ンダ６内に圧縮性流体圧力をかけ、ボールネジＢ２の回
転によってナットＮ２に与えられた推力を、ピストン
６、圧縮性流体圧、シリンダ７を介して被駆動側のロボ
ットアーム２に伝える構成とした。さらに、シリンダ底
面にリング状緩衝材８を装着し、過大な外力によるシリ
ンダ底部の衝突の緩衝を行う構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、エアハンマ
による打撃あるいはプレスによる高速加圧をともなう鍛
造作業に用いられるマニプレータや直交座標型ロボット
などのロボット等の送り駆動に使用されるボールネジに
加わる衝撃力を緩和するボールネジの衝撃緩衝装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、エアハンマによる打撃あるいは
プレスによる高速加圧をともなう鍛造作業に用いられる
マニプレータやロボット等においては、鍛造時にワーク
に加えられる打撃力あるいは加圧力によって、鍛造ワー
クに下向きの衝撃力がかかり、ワークを把持するハンド
のみでなく、ハンドを装着したマニプレータあるいはロ
ボットのアームにも、急激な下向きの外力が作用する。
また、ワークの急激な伸び変形が生じ、アームを後方に
押し戻す外力も作用する。直交座標型ロボットにおいて
は、ロボットアームの駆動はボールネジによって行われ
るが、ロボットアームに加わる外力は当然ボールネジに
も加わることになり、ボールネジの座屈，曲がりあるい
は寿命低下などの不具合が生じる。従来の直交座標型ロ
ボットにおいては、鍛造作業，なかでもハンマ鍛造作業
に使用して、ハンマ打撃衝撃に十分に耐え得るものがな
かった。また、ボールネジにおいても、衝撃的な外力に
対して緩衝能力を備えるものがなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ハンマあるいはプレス
で行う型鍛造作業、特に、ハンマによる型鍛造において
は、２〜３の刻面を順次移動させながら、打撃力を与え
て成形するが、打撃後、次の刻面に正確に挿入するた
め、ワークをロボットで常時把持した状態で鍛造する
が、ハンマ打撃時の衝撃力およびワークの伸びによる変
位が、ロボットハンドを経てロボットアームを下向きに
押し下げる方向あるいはアームを後方に押し戻す方向に
作用する。この結果、直交座標型ロボットにおいては、
ロボットアームの前後動作あるいは上下動作を駆動する
ボールネジにこの異常に大きな外力が作用することにな
り、ボールネジの座屈，曲がりあるいは寿命低下の原因
になる。

【０００４】この発明は、上記のような課題に鑑み、そ
の課題を解決すべく創案されたもので、その目的とする
ところは、ボールネジに加わる急激な圧縮力あるいは引
張力を流体圧力の圧縮で緩和し、ボールネジのみでな
く、ロボットアームおよびロボット全体を衝撃力から保
護することのできるボールネジの衝撃緩衝装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めにこの発明は、ロボット等の送り駆動に使用されるボ
ールネジを利用した直線送り機構において、ボールネジ
が螺合貫通されたナットを、両端開放型の流体シリンダ
のピストン内に装着し、ボールネジが螺合貫通されたナ
ットを装着したピストンを内装するシリンダを被駆動側
のロボットアームに固定し、シリンダ内に圧縮性流体圧
力をかけ、ボールネジの回転によってナットに与えられ
た推力を、ピストン、圧縮性流体圧、シリンダを介して
被駆動側のロボットアームに伝える構成よりなるもので
ある。

【０００６】ここで、好ましい態様として、ボールネジ
が螺合貫通されたナットを装着したピストンを内装する
シリンダを、直交座標型ロボットのロボットアームに固
定するのがよく、また、シリンダのストローク端（シリ
ンダ底）の、ピストンが衝突する面にリング状の緩衝材
を装着し、過大な外力によるピストン押し込みによるシ
リンダ底部の衝突に対して、緩衝材を圧縮して緩衝する
ようにするのがよく、更に、流体圧力でピストンがシリ
ンダから抜け出るのを防ぐストッパをシリンダ端面に設
け、そのストッパとピストンとの間にリング状の緩衝材
を挿入し、この緩衝材を流体圧で常に押し付けるように
するのがよい。

【０００７】即ち、以上の目的を達成するためにこの発
明は、直交座標型ロボット等のロボットアームを駆動す
るボールネジのロボットアーム本体への取付において、
ボールネジのナット（以下、ボールナットと称する）を
圧縮空気等の圧縮性流体圧を封入した流体シリンダのピ
ストン内に挿入し、ピストンに対して回転不能に固着し
ている。シリンダはロボットアームに固定されており、
ボールネジの推力は、ピストンからシリンダへ、さら
に、ロボットアームに伝達される。

【０００８】このとき、ピストンからシリンダへの前進
方向への推力の伝達、あるいは、上昇方向への推力の伝
達は、シリンダ内に封入された圧縮空気等の圧縮性流体
圧を介して行われる。逆に、ロボットハンド側からの外
力を受けて、ロボットアーム、すなわち、シリンダが後
方あるいは下向きに押し戻されるように力がかかると、
シリンダ内に封入された流体が圧縮され、シリンダのみ
が押し戻されることになり、過大な外力がピストン、す
なわち、ボールナットおよびボールネジにかかるのを防
止する。

【０００９】更に、ピストン受圧面とシリンダ底面との
間に、リング状の緩衝材を挿入しておき、緩衝材の圧縮
変形によって、過大な外力によりピストンとシリンダが
直接衝突するのを防止し、ここでも緩衝材による緩衝機
能を持たせた構造にする。

【００１０】通常、シリンダ内の流体圧力により、ピス
トンはシリンダから抜け出る方向に押されているため、
シリンダの端面にピストン抜け出し防止のためのストッ
パを設けているが、このストッパとピストン端面との間
にもリング状の緩衝材を挿入して、ピストンがこの緩衝
材を押し付けた状態にしておく。

【００１１】

【作用】以上のような構成を有するこの発明は、次のよ
うに作用する。すなわち、この発明によるボールネジの
衝撃緩衝装置は、圧縮性流体圧とピストンの受圧面積に
よって設定された出力以上の力（鍛造衝撃等で発生する
外力）がロボットアーム、すなわち、シリンダに推力と
して作用すると、そのときのロボットアームの変位量、
すなわち、押し戻し量がシリンダのストローク範囲内に
収まる場合には、その力は封入流体の圧縮を行うだけ
で、ピストンには直接力は作用しない。すなわち、外力
はシリンダ内の圧縮流体により遮断され、ボールネジの
座屈破壊から保護し、あるいは寿命低下を防止する機能
を有する。

【００１２】ロボットアームに、さらに過大な外力が作
用した場合には、シリンダ底面に挿入された緩衝材にピ
ストンが衝突し、このときの衝撃力を緩衝材の圧縮によ
って吸収し、ピストン受圧面とシリンダ底面とが直接衝
突するのを防止して、ボールネジおよびロボットアーム
の構造部分の変形，破損を防止する機能を有する。又鍛
造直後はシリンダ内に、鍛造時よりも大きな流体圧力を
かけて位置決め精度を維持する機能を有する。

【００１３】

【実施例】以下、図面に記載の実施例に基づいてこの発
明をより具体的に説明する。ここで、図１はロボットア
ームの水平前後方向の駆動機構の側断面図（図２のＢ−
Ｂ矢視断面図）、図２は移動台すなわちロボットアーム
の上下方向の駆動機構の側断面図（図１のＡ−Ａ矢視断
面図）、図３はボールネジの衝撃緩衝装置の軸心におけ
る断面図、図４はボールネジの衝撃緩衝装置におけるピ
ストンの回り止め機構の断面図（図３のＣ−Ｃ矢視断面
図）である。

【００１４】図１はロボットアームの水平前後方向移動
装置部分の構成を示し、図２はロボットアームの上下方
向移動装置部分の構成を示す。図１においては、前端に
ロボットハンド１を装着したロボットアーム２が、モー
ターＭ１によりボールネジＢ１を回転させることによ
り、前後方向に駆動される。図２においては、ロボット
アーム２を移動可能に取り付けた移動台４が、モーター
Ｍ２によりボールネジＢ２を回転させることにより、上
下方向に駆動される。図１および図２ではボールナット
部分は外観図で示されているが、図３にその軸心での断
面図を示す。ロボットアーム１を前後方向に駆動するボ
ールネジＢ１においても、また、移動台４を上下方向に
駆動するボールネジＢ２においても、駆動機構は同じに
つき本説明では、上下方向の駆動機構について図３で説
明する。

【００１５】ボールネジの衝撃緩衝装置５は、主にピス
トン６とシリンダ７により構成される。この緩衝装置５
の構造は、ボールネジＢ２に螺合するボールナットＮ２
が、中空のピストン６に内装されており、ボールナット
Ｎ２のフランジとピストン６の端面とがボルト等により
分離不能に固着されている。

【００１６】ピストン６はピストンヘッドに相当する大
径部分６ａと、ピストンロッドに相当する小径部分６ｂ
から成り、この段違いの部分が受圧面６ｃとなる。

【００１７】一方、シリンダ７は、ピストンの大径部６
ａおよび小径部６ｂに相当する内径を有し、両端が開放
されている。ピストンの受圧面６ｃに対応する位置、す
なわち、シリンダ底面７ａには、リング状の緩衝材８が
挿入されている。緩衝材８には例えば緩衝ゴムが使用さ
れている。

【００１８】また、シリンダ底面７ａの近くには、流体
圧配管ポート７ｂが設けられており、常に所定の圧力、
圧縮性流体としての例えば圧縮空気圧が供給されてい
る。圧縮性流体としては空気の他に、例えば、二酸化炭
素、窒素などの種々の気体がある。

【００１９】シリンダ７の大径側の開口部には、ストッ
パ９が取付られており、シリンダ７に圧力がかかって
も、ピストン６が抜け出ることはない。

【００２０】ピストン６の端面とストッパ９の間には、
リング状の緩衝材１０が挿入されており、ピストン６は
常に緩衝材１０を圧縮した状態になっている。緩衝材１
０には例えば緩衝ゴムが使用されている。

【００２１】ピストン６とシリンダ７のハメアイ面に
は、互いの回転を防止するための、回り止めの滑りキー
１１が挿入されている。滑りキー１１は、ピストン６の
大径側６ａでも小径側６ｂでも、どちらに挿入されても
よいが、本例では小径側６ａに挿入した例を示す。

【００２２】ここで、ピストン６とシリンダ７とのハメ
アイ部が円断面の場合は、上記のように、ピストン６と
シリンダ７とのハメアイ面の一部に回り止めの滑りキー
１１を挿入しなければならないがピストン断面が偏平状
のもの、あるいは、楕円状のものでは、ピストン自身が
回転防止機能を有するので、回り止めの滑りキー１１を
省略することができる。

【００２３】次に、上記実施例の構成にもとづく動作に
ついて説明する。ボールネジＢ２の回転によって発生す
る推力は、ボールナットＮ２およびボールナットが固着
されたピストン６に軸方向の推力を与える。いま、移動
台４を上昇させる場合には、ピストン６の推力（上向
き）はシリンダ７に封入された流体を介してシリンダ７
を押し、そのシリンダ７に固定された移動台４を引き上
げることになる。

【００２４】シリンダ７には、流体圧ポート７ｂから常
に例えば圧縮空気などの圧縮性流体圧が供給されてお
り、ピストン６は受圧面６ｃに圧力を受けて、緩衝材１
０に突き当たり、ストッパ９で停止している。このとき
の受圧面６ｃにかかる力が、ロボットハンド１，ロボッ
トアーム２などの移動台４を含めて、ボールネジＢ２に
かかる全重量に相当するよう、流体圧力を設定する（実
際には加速時の負荷も含めて重量より若干大きくす
る）。ピストン６を前後に移動させるに必要な力より若
干強くなる程度に流体圧を設定する。

【００２５】ロボットアーム２の前後方向駆動の場合、
ボールネジの衝撃緩衝装置３における流体圧力は、ロボ
ットアーム２を水平移動させるに必要な推力（加速負荷
も含む）が発生するように設定する。

【００２６】移動台４がモーターＭ２で駆動されるとき
は、ボールナットＮ２に推力が加えられても、ピストン
７はストッパ９（緩衝材１０）に押付けられたままで、
ボールネジの衝撃緩衝装置５としての機能は発揮されな
い。このことは、通常動作のときに、緩衝機構は作動し
ないので、すなわち、ピストン６とシリンダ７の相対位
置が変化しないので、モーターによる位置決め精度が悪
くなることはない。

【００２７】移動台４の停止中あるいは上昇中に、ロボ
ットハンド１に外力が作用して、ロボットアーム１が押
し下げられる方向に外力が働くと、ピストン６に対して
シリンダ７が押し下げられることになり、外力が流体圧
による押圧力より大きくなれば、流体が圧縮されて緩衝
効果を発揮し、瞬間的に発生する過大な推力の増加を防
止し、ボールナットＮ２とボールネジＢ２に過負荷がか
かるのを防止することができる。さらに、流体圧力はロ
ボットの移動位置決め時には、可動部の加減速時の慣性
負荷も含めた全荷重よりも若干大きな流体圧力（高圧）
にし、位置決めの精度を維持し、鍛造時には可動部のみ
の重量に相当する流体圧力（低圧）に切り換え、緩衝効
果を高め、鍛造直後は瞬時に高圧に切り換え、位置決め
精度を維持することができる。

【００２８】このボールネジの衝撃緩衝装置の場合、ピ
ストンの受圧面６ｃとシリンダの底面７ａとの間隔、す
なわち、シリンダ７のストロークは、通常１０ｍｍ（ミ
リメータ）程度としているが、異常に大きな外力が作用
したときは、ピストン６とシリンダ７とが衝突すること
も有り得るが、このときは、シリンダ底面７ａに挿入さ
れた緩衝材８にピストン６（６ｃ）が衝突し、緩衝材８
の圧縮変形によって衝撃力を緩衝する。

【００２９】ロボットハンド１に上向きの力が作用した
場合、ロボットアーム２および移動台４にも上向きの力
が作用することになり、停止しているピストン６に対し
て、シリンダ７が上向きに持ち上げられることになり、
緩衝材１０が圧縮変形して緩衝する。

【００３０】なお、この発明は上記実施例に限定される
ものではなく、この考案の精神を逸脱しない範囲で種々
の改変をなし得ることは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】以上の記載より明らかなように、請求項
１又は２の発明に係るボールネジの衝撃緩衝装置によれ
ば、直交座標型ロボットあるいはマニプレータなどのボ
ールネジによる駆動機構において、通常動作時の位置決
め精度を低下させることなく、ロボットあるいはマニプ
レータに過大な外力がかかっても、ボールネジは勿論、
ロボット，マニプレータ本体の破損や寿命低下を防止で
きる。

【００３２】また、請求項３のように、シリンダのスト
ローク端（シリンダ底）の、ピストンが衝突する面にリ
ング状の緩衝材を装着した場合には、過大な外力による
ピストン押し込みによるシリンダ底部の衝突に対して、
緩衝材が圧縮して緩衝することができる。

【００３３】更に、請求項４のように、流体圧力でピス
トンがシリンダから抜け出るのを防ぐストッパをシリン
ダ端面に設け、そのストッパとピストンとの間にリング
状の緩衝材を挿入し、この緩衝材を流体圧で常に押し付
ける場合には、流体圧力でピストンがシリンダから抜け
出るのを防ぐことができ、またロボットアームに流体圧
力による緩衝方向とは逆方向の外力を受けたときに緩衝
材が圧縮して緩衝することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すロボットアームの水平
前後方向の駆動機構の側断面図（図２のＢ−Ｂ矢視断面
図）である。

【図２】この発明の実施例を示す移動台すなわちロボッ
トアームの上下方向の駆動機構の側断面図（図１のＡ−
Ａ矢視断面図）である。

【図３】この発明の実施例を示すボールネジの衝撃緩衝
装置の軸心における断面図である。

【図４】この発明の実施例を示すボールネジの衝撃緩衝
装置におけるピストンの回り止め機構の断面図（図３の
Ｃ−Ｃ矢視断面図）である。

【符号の説明】

１．ロボットハンド ７．シリンダ ２．ロボットアーム ７ａ．シリンダ
底面 ３．ボールネジの衝撃緩衝装置 ７ｂ．流体圧配
管ポート （前後方向） ８．リング状緩衝
材 ４．移動台 ９．ストッパ ５．ボールネジの衝撃緩衝装置 １０．リング状
緩衝材 （上下方向） １１．滑りキー ６．ピストン ６ａ．ピストン大径部 ６ｂ．ピストン小径部 ６ｃ．ピストン受圧面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボット等の送り駆動に使用されるボー
   ルネジを利用した直線送り機構において、 ボールネジが螺合貫通されたナットを、両端開放型の流
   体シリンダのピストン内に装着し、ボールネジが螺合貫
   通されたナットを装着したピストンを内装するシリンダ
   を被駆動側のロボットアームに固定し、シリンダ内に圧
   縮性流体圧力をかけ、ボールネジの回転によってナット
   に与えられた推力を、ピストン、圧縮性流体圧、シリン
   ダを介して被駆動側のロボットアームに伝える構成と
   し、ロボットアームの取付けられた移動台が逆方向の外
   力を受けると、シリンダ内の流体が圧縮されて、瞬間的
   にボールネジに加わる過大な荷重が作用することを防止
   すると共に、衝撃直後にはピストンは元の位置に戻り、
   位置制御精度を維持することを特徴とするボールネジの
   衝撃緩衝装置。
2. 【請求項２】 ボールネジが螺合貫通されたナットを装
   着したピストンを内装するシリンダを、直交座標型ロボ
   ットのロボットアームに固定したことを特徴とする請求
   項１記載のボールネジの衝撃緩衝装置。
3. 【請求項３】 シリンダのストローク端（シリンダ底）
   の、ピストンが衝突する面にリング状の緩衝材を装着
   し、過大な外力によるピストン押し込みによるシリンダ
   底部の衝突に対して、緩衝材を圧縮して緩衝することを
   特徴とする請求項１又２記載のボールネジの衝撃緩衝装
   置。
4. 【請求項４】 流体圧力でピストンがシリンダから抜け
   出るのを防ぐストッパをシリンダ端面に設け、そのスト
   ッパとピストンとの間にリング状の緩衝材を挿入し、こ
   の緩衝材を流体圧で常に押し付けることを特徴とする請
   求項１又２記載のボールネジの衝撃緩衝装置。