(57)【要約】【課題】移動体のバランスを、簡単な構造で、大きく、かつ高速なストローク範囲で実現することができるバランス機構を提案する。【解決手段】移動体の重量に見合った外力により、前記重量を相殺するバランス機構において、前記移動体を支持する移動体支持部２と、移動体支持部２の両端側にそれぞれ一端部が連なり前記移動体の移動方向と交差する方向側に伸張してそれぞれ他端部が前記移動体を移動可能に支持している基体に支持されて捩り反力を生じさせる二つのバネ状支持腕３、４を備える。バネ状支持腕３、４の端部は、前記移動体の移動方向に回転可能に前記基体に支持するのが望ましい（転がり軸受け７、９）。また、移動体支持部２と一つのバネ状支持腕３は、移動体または基体に対し摺動可能に支持するのが望ましい（直動ガイド６、８）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の重量に見合った外力により、前記重量を相殺するバランス機構において、前記移動体を支持する移動体支持部と、該移動体支持部の両端側にそれぞれ一端部が連なり前記移動体の移動方向と交差する方向側に伸張してそれぞれ他端部が前記移動体を移動可能に支持している基体に支持されて捩り反力を生じさせる二つのバネ状支持腕とを備えることを特徴とするバランス機構。
【請求項２】
前記移動体が工作機械の主軸ヘッドであることを特徴とする請求項１記載のバランス機構。
【請求項３】
前記二つのバネ状支持腕は、横方向において長さを異にして又は／及び縦方向において高さを異にして前記基体に支持されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバランス機構。
【請求項４】
前記バネ状支持腕の端部は、前記移動体の移動方向に回転可能に前記基体に支持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバランス機構。
【請求項５】
前記移動体支持部と前記二つのバネ状支持腕のうちの一つとが、移動体または基体に対し前記移動体の移動方向と交差する方向に摺動可能に支持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバランス機構。
【請求項６】
前記移動体支持部と、前記二つのバネ状支持腕とが異なるばね特性を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバランス機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械の主軸ヘッドのように上下方向に移動する移動体の質量に見合った外力により、前記質量を相殺するバランス機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マシニングセンタの移動軸は、図７に示すように、立形マシニングセンタ１０の場合、テーブル１１の移動がＸ軸、サドル１２の移動がＹ軸、コラム１３に移動可能に支持された主軸頭１４の移動がＺ軸であり、横形マシニングセンタ２０の場合はテーブル２１の移動がＺ軸、コラム２３の移動がＸ軸、主軸頭２４の移動がＹ軸である場合が多い。
どのタイプのマシニングセンタにおいても、上下に移動する主軸頭は重量が重く（例えば３００〜１０００ｋｇ）、その移動をストローク範囲（例えば４００〜２０００ｍｍ）で如何に高速化するかで苦心している。多くの場合は、主軸頭の反対面に主軸頭と同じ重量の「おもり」を配置し、主軸頭と「おもり」をチェーンで結んでバランスを保つようにしている（例えば特許文献１参照）。これにより小さな力で主軸頭を動かす事ができるようになる。また、「おもり」とは別の方法としてエアもしくは油圧のシリンダで主軸頭をつり下げるか押し上げる方法の構造も採用されている（例えば特許文献２、３参照）。これは、シリンダに常に圧力を加えておき、主軸頭と同じ重量を支持できる推力を発生させて主軸頭重量とバランスさせるものである。
また、別の方法では「おもり」の代わりにバネを組み込むことで主軸頭を支える構造も一部で採用されている（例えば特許文献４〜６参照）。
【特許文献１】特開平４−２６９１３８号公報
【特許文献２】特開２０００−１２６９５７号公報
【特許文献３】特開平６−２３８５０５号公報
【特許文献４】特開昭５９−１６６４０４号公報
【特許文献５】特開平７−２６６１１５号公報
【特許文献６】特開平１１−３４７８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のバランス機構のうち、「おもり」を使用する場合は、その物のスペースと同時に、主軸頭と共に「おもり」が移動できるだけのスペースが必要となり、機械構造面で無駄の多い構造となってしまう。また、重量物を２個移動させる事になるので、慣性力は２倍になり、送り軸の高加速度化を考えると非常に不利である。
また、シリンダを用いる場合は、油圧もしくは空圧回路が必要になると同時に、高速で反転させた場合などに加圧流体のシリンダ内への補充が追いつかず、逆に抵抗になってしまう場合が多い。
バネを用いる場合は、スペースが必要なのは「おもり」と同じであり、主軸頭の移動ストロークを確保するにはバネ形状やバネ定数の最適化が困難である。
【０００４】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、簡単な構造で大きく、かつ高速な移動ストロークに対応することができるバランス機構を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明のバランス機構のうち請求項１記載の発明は、移動体の重量に見合った外力により、前記重量を相殺するバランス機構において、前記移動体を支持する移動体支持部と、該移動体支持部の両端側にそれぞれ一端部が連なり前記移動体の移動方向と交差する方向側に伸張してそれぞれ他端部が前記移動体を移動可能に支持している基体に支持されて捩り反力を生じさせる二つのバネ状支持腕とを備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載のバランス機構の発明は、請求項１記載の発明において、前記移動体が工作機械の主軸ヘッドであることを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載のバランス機構の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記二つのバネ状支持腕は、横方向において長さを異にして又は／及び縦方向において高さを異にして前記基体に支持されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載のバランス機構の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記バネ状支持腕の端部は、前記移動体の移動方向に回転可能に前記基体に支持されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載のバランス機構の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記移動体支持部と前記二つのバネ状支持腕のうちの一つとが、移動体または基体に対し前記移動体の移動方向と交差する方向に摺動可能に支持されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項６記載のバランス機構の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記移動体支持部と、前記二つのバネ状支持腕とが異なるばね特性を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、移動体の自重は、移動体支持部を介して二つのバネ状支持腕に伝達され、他端側で基体に支持されている該バネ状支持腕の捩り反力によって支持されて相殺される。これにより移動体の移動は容易になり、高速かつ大きなストロークでの移動が可能になる。
前記移動体は、移動体の重量を相殺するバランス機構を必要とするものが対象とされ、本発明としては特定のものに限定されないが、特に高速での移動がなされる工作機械の主軸ヘッドへの適用が好適である。
【００１２】
上記移動体を支持する移動体支持部と、これに連なる二つのバネ状支持腕では、バネ状支持腕が前記移動体の移動方向と交差する方向に伸張しつつ移動体支持部に連なっている。この伸張方向は、通常は二つのバネ状支持腕で同方向側となる。これにより必要な設置スペースが小さくなる。したがって、上記移動体支持部とこれに連なる二つのバネ状支持腕は、全体形状として、例えばコ字形状やＣ型形状のばねにより構成することができる。ただし、本発明としてはこれら形状に限定されるものではなく、その他の全体形状を有するものであってもよい。
【００１３】
また、移動体支持部と二つのバネ状支持腕構成は一体に構成されたものとすることができ、その他に例えば移動体支持部とバネ状支持腕とを適宜の連結構造によって連結したものであってもよい。これら部材は線状や長板形状を有することによって少なくともバネ状支持腕において弾性力が得られることが必要である。二つのバネ状支持腕によって得られる弾性力に差が生じることで捩り反力を発生させて移動体に伝えることができる。
【００１４】
捩り反力は、二つのバネ状支持腕の横方向での長さを変えて基体に支持させたり、縦方向での高さ位置を変えて基体に支持したり、これらを複合させたりしてオフセット支持することで、二つのバネ状支持腕で移動体移動時における回転半径に差を設けることで発生させることができる。
二つのバネ状支持腕の横方向での長さを変えて基体に支持させる場合、支持点を略同一水平面上において設定することができる。ただし、本発明としてはこれに限定されない。
支持点を略同一水平面上ではなく、上下方向で異なる平面上において支持することもできる。また、縦方向での高さ位置を変えて基体に支持する場合、二つのバネ状支持腕の長さは両側で略同一寸法とする際にも、同様に異なる支持腕の長さとすることもできる。
【００１５】
前記バネ状支持腕の寸法差、支持面の差は、装置の夫々に適合するように適宜決定される。一般的には、短い側のバネ状支持腕は、長い側のバネ状支持腕の長さに対し、５〜１０％短尺にすることが望ましい。
なお、ばねの捩り部分は、強度、精度、制御性の点で、移動体が支持されている移動体支持部が望ましく、このため、移動体支持部と両バネ状支持腕とでは、ばね定数を変えることができる。その場合、断面形状を変えるか、両バネ状支持腕部に補強材を添えても良く、更には前記のように別体とした組立体としたり、材質を変更することも可能である。
【００１６】
上記移動体支持部と二つのバネ状支持腕の設置位置としては、例えば工作機械ではヘッドの下部スペースなどを利用できる。ただし、本発明としては、上記設置位置が特に限定されるものではなく、移動体の支持と基体への支持がなされて捩り反力が得られるものであればよい。
【００１７】
なお、移動体及び基体での支持においては、移動体の移動に伴って各支持部分に回転力が作用するので、少なくとも二つのバネ状支持腕では、前記移動体の移動方向に回転可能に支持するのが望ましい。また、同様に移動体支持部を移動体に対し前記移動方向に回転可能に支持することも可能である。
【００１８】
また、上記のように二つのバネ状支持腕で移動体移動時の回転半径が異なる場合、これらバネ状支持腕の回転を円滑にするために、前記移動体支持部と前記二つのバネ状支持腕のうちの一つとは、移動体または基体に対し前記移動体の移動方向と交差する方向に摺動可能に支持するのが望ましい。特に二つのバネ状支持腕のうち短尺側は、長尺側に比べて回転半径が小さくなるので、上記摺動を可能にして回転に際しての歪み発生を回避するのが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
以上、説明したように、本発明のバランス機構は、移動体の重量に見合った外力により、前記重量を相殺するバランス機構において、前記移動体を支持する移動体支持部と、該移動体支持部の両端側にそれぞれ一端部が連なり前記移動体の移動方向と交差する方向側に伸張してそれぞれ他端部が前記移動体を移動可能に支持している基体に支持されて捩り反力を生じさせる二つのバネ状支持腕とを備えるので、簡単な構造によって移動体のバランスを取ることが可能になり、捩り動作によって、大きな移動ストローク、高速ストロークにも対応することが可能となる。また、捩り反力を利用するので、移動体の大きな移動距離においてもバネ力の変化が少なく、安定したバランス機能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、移動体支持部２は線状に形成され、その各両端に同一方向側に線状のバネ状支持腕３、４が一体に連なって、Ｃ型バネ材１が構成されている。前記バネ状支持腕３、４は、長さを異にしており、バネ状支持腕３は短尺、バネ状支持腕４は長尺に形成されている。これらバネ状支持腕３、４は、端部側に内側に折れ曲がった支持軸３ａ、４ａが設けられている。なお、この実施形態では、上記のように、移動体支持部２とバネ状支持腕３、４とを一体にしたＣ型バネ材１について説明をしたが、これらを一体とすることなく別部材として連結したものであってもよい。
【００２１】
図１（ｂ）に示すものでは、バネ状支持腕３、４の連結側端部にフランジ３ｂ、４ｂを横向きに取り付け、一方、移動体支持部２の両端には該支持部２が中心軸に位置するようにフランジ２ａ、２ａを取り付け、上記フランジ２ａとフランジ３ｂおよびフランジ２ａとフランジ４ｂとを連結固定してＣ型バネ材１ａを得ている。また、図１（ｃ）で示すものでは、バネ状支持腕３、４の連結側端部に外周面に軸方向に沿ってキー溝が形成された固定軸３ｃ、４ｃを同軸に取り付け、一方、移動体支持部２の両端には、内周面に軸方向に沿って溝が形成された固定筒部２ｂ、２ｂを、前記支持部２が外周側径方向に位置するように取り付けて、前記固定軸３ｃ、４ｃを前記固定筒部２ｂ、２ｂに内挿してスプライン結合してＣ型バネ材１ｂを得ている。
【００２２】
この実施形態における上記Ｃ型バネ材１は、図２に示すように、移動体支持部２の略中央部、バネ状支持腕３の支持軸３ａ、バネ状支持腕４の支持軸４ａで、それぞれの軸心を回転軸とする転がり軸受５、７、９を組み込む。また、短尺側のバネ状支持腕３の転がり軸受け７では、該軸受け７を摺動可能とする直動ガイド８を取り付ける。また、移動体の重量を支える移動体支持部２では、前記転がり軸受け５を摺動可能とする直動ガイド６を取り付ける。
【００２３】
上記したバランス機構を工作機械に組み付けた例を図３に基づいて説明する。
この例では、主軸頭１４がコラム１３に対し上下移動する立形マシニングセンタ１０に上記バランス機構を組み込む。なお、主軸頭１４は、モータや駆動力伝達機構などを備える適宜の駆動機構によってコラム１３に対し上下に移動可能となっている。該駆動機構は既知のものを用いることができ、本発明としては特定のものに限定されるものではない。
移動体支持部２は、直動ガイド６を介して主軸頭１４に取り付ける。一方、バネ状支持腕３は、直動ガイド８を介してコラム１３に取り付け、バネ状支持腕４は、転がり軸受け９を介して同じくコラム１３に取り付ける。なお、この取り付けに際しては、前記主軸頭１４がストロークの上死点位置にある時に、Ｃ型バネ材１の反力が主軸頭１４の質量とバランスするように取り付け、下死点位置で捩り反力を最大とする。この例では、無負荷時にＣ型バネ材１が略水平に位置するように取り付けられている。
【００２４】
次に、上記バランス機構の作用について説明する。
主軸頭１４の重量が直動ガイド６を介して移動体支持部２に加わると、その重みによって主軸頭１４とともに移動体支持部２が下降する。この下降に伴って移動体支持部２に連なるバネ状支持腕３、４が回転させられる。この回転に際しては、移動体支持部２、バネ状支持腕３、４がそれぞれ転がり軸受け５、７、９で主軸頭１４またはコラム１３に支持されているので、円滑な回転がなされる。また、この回転においてバネ状支持腕３、４は長さが異なるため回転半径が相違しており、この回転半径の相違によって捩り反力が発生する。この捩り反力は移動体支持部２を介して主軸頭１４に伝達され、主軸頭１４の重量と相殺される。なお、上記回転半径の相違によって生じる歪みは、バネ状支持腕３および移動体支持部２が取り付けられている直動ガイド６、８によってそれぞれの支持点Ｂ、Ｃが摺動することで解消され、ばね全体がねじれ変形するのを防止する。なお、バネ状支持腕４は、支持点Ａで回転するのみで摺動はしない。
【００２５】
上記のようにバランスが取られた主軸頭１４は、マシニングセンタの稼働により上下にストロークすると、上記Ｃ型バネ材１によって与えられる捩り反力が常に加わって移動が円滑になされる。また、該捩り反力の発生においては、上記直動ガイド６、８による摺動によってＣ型バネ材に生じる歪みが解消されており、主軸頭のストローク範囲を大きくすることができるとともに、該ストローク範囲内において変化の小さい捩り反力を主軸頭に与えることができ、また、おもりのように大きな慣性力が発生してしまうこともない。
【００２６】
なお、上記バランス機構では、移動体である主軸頭のストローク範囲は、バネ状支持腕の寸法やそれぞれの寸法差によって制約される。図４は、上記バランス機構におけるバネ状支持腕間の寸法差に基づく振れ角を示すものである。この振れ角が概ね３０〜９０度となる範囲内においてバネ状支持腕の寸法設定が安全に許容される。好ましくは６０〜９０度である。また、両バネ状支持腕間でのねじれ角は図４に示すように、バネ状支持腕の全長（長尺側）、バネ状支持腕の支点間距離によって異なってくる。図は、バネ状支持腕の全長（長尺側）が１０００ｍｍで、振れ角６０度の場合、支点距離を変更した際のねじれ角を示すものである。好適なねじれ角を得るため、短尺側のバネ状支持腕の長さは、長尺側のバネ状支持腕の長さよりも５〜１０％短くすると、適度なねじれ角が得られる。
【００２７】
また、上記実施形態では、バランス機構を構成するバネ材を立形マシニングセンタに略水平に設置したものについて説明をしたが、バネ材の配置方向は、前記したように水平、垂直、または斜めのいずれであってもよい。図５では、立形マシニングセンタ１０にＣ型バネ材１を斜めに設置することで、バネ状支持腕の水平方向および縦方向での支持点（Ａ、Ｂ点）位置を異なるものにして、二つのバネ状支持腕の回転半径に差を設けている。この例においても、主軸頭１４の移動に伴って二つのバネ状支持腕で回転半径に差が出て主軸頭１４に捩り反力を作用させることができる。
【００２８】
また、図６では、Ｃ型バネ材１を横形マシニングセンタ２０に水平に設置することで、水平方向での支持点（Ａ、Ｂ点）位置を異なるものにして二つのバネ状支持腕の回転半径に差を設けている。この例においても、主軸頭２３の移動に伴って二つのバネ状支持腕で回転半径に差が出て主軸頭２４に捩り反力を作用させることができる。
【００２９】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明をしたが、本発明は上記実施形態の内容に限定をされるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態のバランス機構と変更例を示す図である。
【図２】同じく、バランス機構を示す平面図と正面図である。
【図３】同じく、バランス機構を組み付けた工作機械を示す概略図と、バランス機構の動作を説明する図である。
【図４】同じく、バランス機構におけるバネ状支持腕の寸法間の関係を示す図である。
【図５】同じく、バランス機構を組み付けた他の工作機械の概略を示す図である。
【図６】同じく、バランス機構を組み付けたさらに他の工作機械の概略を示す図である。
【図７】移動体としての主軸頭を備える工作機械を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    Ｃ型バネ材
２    移動体支持部
３    バネ状支持腕
４    バネ状支持腕
５    転がり軸受け
６    直動ガイド
７    転がり軸受け
８    直動ガイド
９    転がり軸受け
１０    立形マシニングセンタ
１３    コラム
１４    主軸頭
２０    横形マシニングセンタ
２３    コラム
２４    主軸頭
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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