特開 2024-80339 空気回路及び工作機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024080339

(43)【公開日】2024-06-13

(54)【発明の名称】空気回路及び工作機械

(51)【国際特許分類】

   G05D 16/16 20060101AFI20240606BHJP

   B23Q 1/72 20060101ALI20240606BHJP

   B23Q 5/26 20060101ALI20240606BHJP

【ＦＩ】

G05D16/16 J

B23Q1/72 A

B23Q5/26 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022193442

(22)【出願日】2022-12-02

(71)【出願人】

【識別番号】391003668

【氏名又は名称】トーヨーエイテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青木 省二

(72)【発明者】

【氏名】宮島 貴彦

(72)【発明者】

【氏名】森分 勇磨

(72)【発明者】

【氏名】谷川 恵太

(72)【発明者】

【氏名】木邑 達男

【テーマコード（参考）】

3C048

5H316

【Ｆターム（参考）】

3C048BC03

3C048DD01

3C048EE10

5H316AA18

5H316BB02

5H316CC04

5H316DD17

5H316EE12

5H316GG01

5H316JJ01

5H316LL01

5H316LL03

(57)【要約】

【課題】１次側を流れているエアに、変化を生じさせることなく、レギュレータからリリーフするエアを１次側に戻す。
【解決手段】空圧源から空圧シリンダ１０に高圧エアを送り込むメイン配管２０中に設けられた、空圧レギュレータ３０からリリーフされるエアを、逆止弁２２を有する戻し配管２１内へ溜めることで、１次圧よりも高い圧力が形成された後、逆止弁２２が開き、空圧レギュレータ３０の１次側３１に戻す空気回路５０において、戻し配管２１からメイン配管２０との交わる合流部及び合流部から空圧レギュレータの１次側に戻す配管で、メイン配管２０中の空圧レギュレータ３０の１次側３１へ向かうエアの流れに意図的に圧力損失を生じさせ、空圧レギュレータ３０に高圧のエアが流れ込むのを防止する、圧力損失部５１を設ける。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空圧源から空圧シリンダに高圧エアを送り込むメイン配管中に設けられた、空圧レギュレータからリリーフされるエアを、逆止弁を有する戻し配管内へ溜めることで、１次圧よりも高い圧力が形成された後、前記逆止弁が開き、前記空圧レギュレータの１次側に戻す空気回路であって、
前記戻し配管から前記メイン配管との交わる合流部及び前記合流部から前記空圧レギュレータの１次側に戻す配管において、前記メイン配管中の前記空圧レギュレータの１次側へ向かうエアの流れに意図的に圧力損失を生じさせ、前記空圧レギュレータに高圧のエアが流れ込むのを防止する、圧力損失部が設けられている
ことを特徴とする空気回路。

【請求項2】

前記圧力損失部が、
前記戻し配管と前記メイン配管との交わる部分に設けた折れ曲がり継手と、
前記戻し配管と前記メイン配管との交わる部分よりも前記空圧レギュレータ側に設けた前記メイン配管の内径よりも内径が小さく、部分的に前記メイン配管の内径を小さくする縮径継手と、
を有し、
前記折れ曲がり継手は、Ｔ型継手の対向する開口の一方が閉鎖されたＴ型継手又は、Ｌ型継手である
ことを特徴とする請求項１に記載の空気回路。

【請求項3】

前記圧力損失部が、
前記折れ曲がり継手と前記縮径継手の間に、前記メイン配管から分岐する少なくとも１つの分岐継手を含み、
前記分岐継手は、前記メイン配管と反対側が閉鎖されている
ことを特徴とする請求項２に記載の空気回路。

【請求項4】

前記メイン配管が、上下作動軸の中立を保つ前記空圧シリンダの上昇側にエアを送り込む配管である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の空気回路。

【請求項5】

請求項１に記載の圧力損失部と、メイン配管と、前記メイン配管に接続される空圧レギュレータと、前記空圧レギュレータから前記メイン配管にエアを戻す戻し配管と、
上下作動軸とを備え、
前記メイン配管が、前記上下作動軸の中立を保つ空圧シリンダに接続されている
ことを特徴とする工作機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空圧レギュレータを有する空気回路及び工作機械に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、工作機械における主軸などの、上下を移動する上下作動軸は、その重さが動作に影響を及ぼすため、上下移動時に同等の力になるように中立の力を得た上で、作動させるようにしている。この力を得る手段に空圧シリンダを用い、バランスさせる空圧回路が知られている。このような空圧回路において、圧力を調整可能な空圧レギュレータが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

例えば、図４に示すような空圧レギュレータ３０により必要な圧力（上下動するユニットの重さ）を空圧シリンダ片側に供給し、上下動ユニットの上下作動時に、空圧シリンダが動作に追従していくことで、工作機械のモータ負荷をバランスさせた動作を行っている。

【0004】

そして、上下作動軸が動作する度に下記（１）、（２）のエア供給と排気が行われる。

【0005】

（１）空圧シリンダの供給側に上下作動軸が動作する場合、空圧レギュレータ３０の１次側３１から２次側３２へのエアの流れが起こる。

【0006】

（２）空圧シリンダの排出側に上下作動軸が動作する場合、空圧レギュレータ３０の２次側３２からエアが戻り、２次側３２の圧力が高まるため、空圧レギュレータ３０内部のダイヤフラム３４を作動させ、ダイヤフラム３４を通し、空圧シリンダから戻ってきたエアをリリーフポート３３から大気へ逃がしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特公平５－３５８８７号公報

【特許文献2】実開昭６３－１０４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

（１）の動作時は、空圧レギュレータ３０の１次側３１から２次側３２、空圧シリンダ内にエアが充満し、圧力変動がなければ、動作への影響は少ない。しかし、１次側３１で圧力変動が起こると、空圧レギュレータ３０の応答により、２次側３２に圧力変動が起こる。

【0009】

（２）の動作時は、空圧レギュレータ３０の弁体３７とダイヤフラム３４の開度に変化を生じることで、
・加減速時に空圧レギュレータ３０のダイヤフラム３４を押す力が変化し、ダイヤフラム３４の変動が影響し、軸とエア圧に応差（ヒステリシス）が発生する。これにより、軸動作に影響する。
・ダイヤフラム３４から大気開放するため、圧力降下が大きくなる。ダイヤフラム３４への力が変動し、エア圧が変化し、振動変動する。これにより、軸動作に影響する。
・ダイヤフラム３４から開放に入るため、異音を伴う。管路がラッパ状であることが多く、このために音が増幅されやすい。
・圧縮エアが消滅する。
というような問題が発生し、このような問題を解決するために、ダイヤフラム３４からのエアを１次側へ戻すことが考えられる。

【0010】

しかしながら、１次側３１にエアを戻すことで、
・１次側３１から逆流する。
・空圧レギュレータ３０の１次側３１の圧力が高まると、空圧レギュレータ３０は、２つのバネ力の差でリリーフ量を定めていることから、小さな変動（例えば、０．０１ＭＰａ程度）であれば、２次圧には変化はないが、大きめの変動（例えば、０．０２ＭＰａを超える変動）が起きた場合は、１次圧の高まりにより、比例ほどではないが、２次圧も高まってしまう。さらに、２次側３２がリリーフ中にある場合、流量は、重み変動が加算され、さらに大きな変動を起こす。
・動作速度が速くなると配管だけでは対処できない。
というような新たな問題が発生する。

【0011】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、１次側を流れているエアに、変化を生じさせることなく、空圧レギュレータからリリーフするエアを１次側に戻すことを可能にすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記の目的を達成するために、この発明では、空圧レギュレータから１次側に戻す配管構造に工夫を加えた。

【0013】

具体的には、第１の発明では、空圧源から空圧シリンダに高圧エアを送り込むメイン配管中に設けられた、空圧レギュレータからリリーフされるエアを、逆止弁を有する戻し配管内へ溜めることで、１次圧よりも高い圧力が形成された後、前記逆止弁が開き、前記空圧レギュレータの１次側に戻す空気回路を対象とし、
前記空気回路では、前記戻し配管から前記メイン配管との交わる合流部及び前記合流部から前記空圧レギュレータの１次側に戻す配管において、前記メイン配管中の前記空圧レギュレータの１次側へ向かうエアの流れに意図的に圧力損失を生じさせ、前記空圧レギュレータに高圧のエアが流れ込むのを防止する、圧力損失部が設けられている。

【0014】

上記の構成によると、空圧レギュラーを介してエアを送り込む場合、空圧レギュレータからリリーフされるエアを、逆止弁を有する戻し配管内へ溜めることで、１次圧よりも高い圧力が形成された後、逆止弁が開き、空圧レギュレータの１次側に戻すことで、空圧シリンダの動作を安定させることができる。このリリーフされるエアを１次側へ戻した点で、レギュレータ側へ続く配管内の圧力変動を防ぐことが必要となる。圧力損失部により、メイン配管中の空圧レギュレータの１次側へ向かうエアの流れに意図的に圧力損失を生じさせ、空圧レギュレータに高圧のエアが流れ込むのを防止する。これにより、空圧シリンダの動作が安定する。

【0015】

第２の発明では、第１の発明において、
前記圧力損失部が、
前記戻し配管と前記メイン配管との交わる部分に設けた折れ曲がり継手と、
前記戻し配管と前記メイン配管との交わる部分よりも前記空圧レギュレータ側に設けた前記メイン配管の内径よりも内径が小さく、部分的に前記メイン配管の内径を小さくする縮径継手と、
を有し、
前記折れ曲がり継手は、Ｔ型継手の対向する開口の一方が閉鎖されたＴ型継手又は、Ｌ型継手である。

【0016】

上記の構成によると、少なくとも２種類の異なる継手を接続するという簡単な構成で、空圧レギュレータからリリーフされたエアの流れる方向を変えたり、衝突させたりすることにより、容易に意図的に圧力損失が生じる。

【0017】

第３の発明では、第２の発明において、
前記圧力損失部が、
前記折れ曲がり継手と前記縮径継手の間に、前記メイン配管から分岐する少なくとも１つの分岐継手を含み、
前記分岐継手は、前記メイン配管と反対側が閉鎖されている。

【0018】

上記の構成によると、閉鎖された部分が行き止まりとなり、簡単で接続しやすい圧力損失部が得られる。

【0019】

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、
前記メイン配管が、上下作動軸の中立を保つ前記空圧シリンダの上昇側にエアを送り込む配管である。

【0020】

上記の構成によると、空圧レギュレータに向かうメイン配管内に圧力変動を生じさせないので、空圧レギュレータの１次側が変動せず、安定した圧力供給を続けることができるため、空圧シリンダの動作が安定する。

【0021】

第５の発明の工作機械は、
第１から第４のいずれか１つの発明の圧力損失部と、メイン配管と、前記メイン配管に接続される空圧レギュレータと、前記空圧レギュレータから前記メイン配管にエアを戻す戻し配管と、
上下作動軸とを備え、
前記メイン配管が、前記上下作動軸の中立を保つ空圧シリンダに接続されている。

【0022】

上記の構成によると、空圧シリンダの動作が安定するので、上下作動軸の中立を安定して達成でき、機械加工を安定して高精度で行える。例えば、空圧シリンダの加減速時のエアの速度が低速となると、排出圧力も下がる。これにより、空圧レギュレータの位置に近い側へ排気する流れ（位置）を変えることが可能となる。このことは、空圧シリンダの反転時に起こる、排気から供給形態の変化に伴い起こる、空圧レギュレータから空圧シリンダへの供給動作に対し、空圧レギュレータに、より高い圧力でのエア供給を可能としており、動作に対する空圧シリンダの応答性が向上する。

【発明の効果】

【0023】

以上説明したように、本発明によれば、圧力損失部を設け、メイン配管中の空圧レギュレータの１次側へ向かうエアの流れに意図的に圧力損失を生じさせ、空圧レギュレータに高圧のエアが流れ込むのを防止することにより、１次側を流れているエアに、変化を生じさせることなく、レギュレータからリリーフするエアを１次側に戻すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施形態に係る空気回路を有する工作機械の概略を示す斜視図である。

【図2】工作機械の上下作動軸及びその周辺を拡大して示す側面図である。

【図3】本発明の実施形態に係る空気回路図である。

【図4】空圧レギュレータを拡大して示す断面図である。

【図5】本発明の実施形態に係る圧力損失部としてのＴ型継手、閉鎖分岐継手部及びその周辺を示す。

【図6】本発明の実施形態に係る圧力損失部としての縮径継手及びその周辺を示す。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0026】

図１に本発明の実施形態に係る、ＮＣ工作機械よりなる工作機械１を示す。例えば、この工作機械１は、ベッド２と、コラム３と、テーブル４と、ワークＷを掴むチャック５と、主軸モータ６と、これらを制御する制御部７とを備えている。そして図２にも示すように、本実施形態のチャック５の回転軸である上下作動軸８は、上下（Ｙ軸方向）に移動可能にコラム３に設けられており、ワークＷの位置を上下に微調整可能となっている。そして、コラム３には、上下作動軸８の中立を保つ空圧シリンダ１０が、例えば４本並べられている。なお、工作機械１の構成はこれに限定されず、ワーク形状、工具種類など特に限定されない。

【0027】

そして、図３に示すように、これらの空圧シリンダ１０には、元圧（空圧源Ｐ）からのメイン配管２０が接続されている。メイン配管２０は、例えば、内径１０ｍｍの配管が使用されているが、内径などの構成は、それに限定されない。

【0028】

本実施形態の工作機械１では、コラム３のチャック５に掴んだワークＷを回転させながら、上下にワークＷの位置を微調整すると共に、テーブル４上の主軸モータ６の位置を微調整して工具（図示せず）の位置を移動させながら機械加工が行えるようになっている。なお、上下作動軸８は、工具が設けられる軸でもよい。

【0029】

そして、本実施形態の空気回路５０は、コンプレッサなどの元圧である空圧源Ｐからメイン配管２０が延びており、このメイン配管２０は、工作機械１の他系統にも分岐している。そのうちの１つの分岐が、空圧レギュレータ３０を介して空圧シリンダ１０の上下作動軸８を上昇させる空圧シリンダ１０の上昇側圧力室１１に接続されている。

【0030】

図４に拡大して示すように、詳しい説明は省略するが、空圧レギュレータ３０には、１次側３１のポートと、２次側３２のポートと、リリーフポート３３とを有し、内部にダイヤフラム３４と、調圧バネ３５と、調圧ハンドル３６と、弁体３７と、弁バネ３８とが設けられている。

【0031】

そして、本実施形態では、図３に示すように、リリーフポート３３からの戻し配管２１が逆止弁２２を介してメイン配管２０における空圧レギュレータ３０の１次側３１に接続されている。逆止弁２２は、この１次側３１からの逆流を防ぐ役割を果たす。

【0032】

このようにして、空圧源Ｐから空圧シリンダ１０に高圧エアを送り込むメイン配管２０中に設けられた、空圧レギュレータ３０からリリーフされるエアを、逆止弁２２を有する戻し配管２１内へ溜めることで、１次圧よりも高い圧力が形成された後、逆止弁２２が開き、空圧レギュレータ３０の１次側３１に戻す空気回路５０が得られる。

【0033】

そして、本実施形態の特徴として、図５に示すように、メイン配管２０中の１次側から２次側へ流れるエアの流れに逆らう流れを生じさせ、空圧レギュレータ３０に高圧のエアが流れ込むのを防止する、圧力損失部５１が設けられている。

【0034】

図５に示すように、本実施形態の圧力損失部５１は、戻し配管２１とメイン配管２０との交わる部分に設けた、折れ曲がり継手としてのＴ型継手４０と、図６に示すように、戻し配管２１とメイン配管２０との交わる部分よりも空圧レギュレータ３０側に設けたメイン配管２０の内径よりも内径が小さく、部分的にメイン配管２０の内径を小さくする縮径継手４１とを有する。

【0035】

Ｔ型継手４０の直管の一方４０ａに戻し配管２１が接続され、Ｔ型継手４０の直管の他方４０ｂは塞がれ、直管に直行する直交管４０ｃにはメイン配管２０が接続されている。なお、この折れ曲がり継手としてのＴ型継手４０は、Ｌ型継手（エルボー）で構成してもよい。その場合には、他方４０ｂでの対面に衝突する効果はないが、適度な圧力損失効果はある。

【0036】

本実施形態では、さらに、Ｔ型継手４０と縮径継手４１の間に、メイン配管２０から分岐する２つの分岐継手４２，４３を含む。これらの分岐継手４２，４３は、メイン配管２０と反対側が閉鎖されている。具体的には、Ｔ型継手の直交管を塞いで直管部分をメイン配管２０に直列に接続するような簡易な構造が考えられる。

【0037】

図５に示すように、Ｔ型継手４０では、対面側でエアが一杯となり開口部側へ流れ込む、開口部では、流速を伴うため、矢印の傾斜した流れが形成される。壁４０ｄに当たったエアは、その反動で反対側へ矢印で示すような流れを作る。

【0038】

また、図６に示すように、縮径継手４１では、縮径部を構成する縮径壁４１ａに当たった部分で、渦流４１ｂを形成する。この渦流４１ｂは管中央の流れの速い高流速部分２０ａと干渉し、逆側へ作用する。このように管路の内径を意図的に縮小することで、配管内端面にある抵抗渦流と合わさり、流れを逆向きにする構成ができる。

【0039】

意図的に配置したこれらの継手４０，４１，４２，４３により、空圧レギュレータ３０側への供給が滞る現象が起き、意図的な圧力損失が生じる。

【0040】

このように、複数の継手の配置と、空圧レギュレータ３０の１次側への管路長さとの組み合わせで、リリーフポート３３から出たエアを１次側３１へ戻すことが可能となる。

【0041】

本実施形態の構成で、１次側３１へのエアの戻しを行った場合、送り速度４０００ｍｍ／ｍｉｎまで、問題なく１次側３１へエアを戻すことができた。

【0042】

送り速度４０００ｍｍ／ｍｉｎ動作時の流量は、
４×４×π×(４０００／６０／１０）＝３３４．７７ｃｍ^３／ｓｅｃ
である。

【0043】

このような継手と管路長さの組み合わせだけで、実使用範囲の送り速度において、１次側を流れているエアに、変化を生じさせることなく、レギュレータからリリーフするエアを１次側に戻すことができることが分かった。

【0044】

また、メイン配管２０や戻し配管２１の管路長さを適切に設定することにより、圧力損失の度合いを調整することもできる。

【0045】

－実施例－
本実施例では、上述した実施形態の構成において、圧力差により１次側へ戻ったエアを空圧レギュレータ３０に到達するまでの間で、配管形態の損失を利用して空圧レギュレータ３０の供給圧力を安定させるようにした。

【0046】

流入する流量は、ダイヤフラム３４から逆止弁２２までの管容積に対し、流入前後の圧力差により、流入した量を特定し定めた。

【0047】

ダイヤフラム３４から逆止弁２２までの管容積が０．００８６２ｍ^３の場合、圧力降下２７．１％にある圧力比より、０．００８６２×０．２７１とし、０．４２ＭＰａで吐出１回当たりの流量Ｑ＝０．００２３３６ｍ^３とする。開放時ゲージ圧は０．０２ＭＰａを示すことから、開放時の大気圧換算値圧力は、０．００２３３６×０．４２／０．０２より流れる流量を０．０４９０５６ｍ^３と定義する。

【0048】

上記実施形態におけるＴ型継手４０、縮径継手４１、分岐継手４２，４３及び管路長さで圧力損失が生じると仮定した場合、それぞれの揚程損失がＴ型継手４０の他方４０ｂで０．１０６２ｍ、直交管４０ｃとメイン配管２０の合流部で０．６７５ｍ、縮径継手４１の縮径部で０．２１４５ｍ、出口側の拡径部で０．２１４５ｍ、管路全町損失で０．００１４６９ｍ、分岐継手４２，４３で０．１４１６ｍとなった。

【0049】

これらの揚程損失を圧力損失に換算すると、およそ０．０２１ＭＰａとなった。すなわち、本実施例では、逆止弁２２から吐出されるエアに対して０．０２１ＭＰａの圧力損失を意図的に発生できることが分かった。このため、リリーフポート３３から出た０．４２ＭＰａのエアは、０．４２－０．０２１＝０．３９ＭＰａとなるが、メイン配管２０には、０．４ＭＰａのエアが供給されるので、空圧レギュレータ３０の１次側３１は、０．４ＭＰａに保たれる。これにより、空圧レギュレータ３０の１次側３１の圧力を安定した圧力に保つことができることが分かった。

【0050】

したがって、本実施形態に係る空気回路５０において、１次側を流れているエアに、変化を生じさせることなく、空圧レギュレータ３０からリリーフするエアを１次側に戻すことができる。

【0051】

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

【符号の説明】

【0052】

１ 工作機械
２ ベッド
３ コラム
４ テーブル
５ チャック
６ 軸モータ
７ 制御部
８ 作動軸
１０ 空圧シリンダ
１１ 昇側圧力室
２０ メイン配管
２０ａ 高流速部分
２１ 戻し配管
２２ 逆止弁
３０ 空圧レギュレータ
３１ １次側
３２ ２次側
３３ リリーフポート
３４ ダイヤフラム
３５ 調圧バネ
３６ 調圧ハンドル
３７ 弁体
３８ 弁バネ
４０ Ｔ型継手
４０ａ 一方
４０ｂ 他方
４０ｃ 直交管
４０ｄ 壁
４１ 縮径継手
４１ａ 縮径壁
４１ｂ 渦流
４２，４３ 分岐継手
５０ 空気回路
５１ 圧力損失部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】