JP2001038551A - ６自由度パラレルメカニズムを適用したワークテーブル機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】スライダにおける隙間が少なく、摩擦力が小さ
く、可動範囲が大きく、長大なスライダを必要とせず、
速度範囲が広く、駆動系の潤滑、密封が容易な６自由度
パラレルメカニズムによるワークテーブル。 【解決手段】ベース２に、左右一対の入力クランク機構
３を円周上の対向位置に３組構成すると共に、ワークテ
ーブル１に、左右一対の受け部４を円周上の対向位置に
３組構成して、入力クランク機構のクランク腕７と受け
部間に連結リンク８を連結する構成とし、この際、連結
リンクは、ベースの隣接する他の組の、離れた入力クラ
ンク機構が、ワークテーブルの同じ組の受け部に対応す
るように連結する構成とし、クランク腕と連結リンク及
び受け部と連結リンク間は、球面転がり軸受９を介して
連結した６自由度パラレルメカニズムを適用したワーク
テーブル機構を提案する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、６自由度パラレル
メカニズムを適用したワークテーブル機構に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】例えば、高速切削加工を行うための加工
機の運動機構として、６自由度パラレルメカニズムが注
目されている。このような６自由度のパラレルメカニズ
ムは、ベースとワークテーブル間に少なくとも６本のリ
ンクを連結して構成されるものであり、従来のもので
は、スライダを入力として動作させる構成、即ちスライ
ダ入力式として構成している。この場合、スライダは、
リンクを伸縮させる構成と、リンクのベース側を移動さ
せる構成のものとがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】スライダ入力式の従来
のパラレルメカニズムでは、以下に示すような課題があ
る。 ａ．スライダにおける隙間が大である。 ｂ．摩擦力が大である。 ｃ．可動範囲が狭く、必要な可動範囲をとるためには長
大なスライダが必要となる。 ｄ．速度範囲が狭い。 ｅ．駆動系の潤滑、密封が容易でない。 また、パラレルメカニズムを適用した従来の高速切削加
工機では、パラレルメカニズムの出力節に加工用のスピ
ンドルを取付けて天吊りとして、静止系の固定台に固定
されているワークを加工するものであり、パラレルメカ
ニズムの出力節にワークを固定し、静止系にスピンドル
を固定するものはない。本発明はこのような課題を解決
することを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本発明では、ベースに、左右一対の入力クランク
機構を円周上の対向位置に３組構成すると共に、ワーク
テーブルに、左右一対の受け部を円周上の対向位置に３
組構成して、入力クランク機構のクランク腕と受け部間
に連結リンクを連結する構成とし、この際、連結リンク
は、ベースの隣接する他の組の、離れた入力クランク機
構が、ワークテーブルの同じ組の受け部に対応するよう
に連結する構成とし、クランク腕と連結リンク及び受け
部と連結リンク間は、球面転がり軸受を介して連結した
６自由度パラレルメカニズムを適用したワークテーブル
機構を提案する。

【０００５】そして本発明では、上記の構成において入
力クランク機構はベースの円周上の角度１２０°毎に３
組構成すると共に、受け部はワークテーブル１の円周上
の角度１２０°毎に３組構成し、上記各組の配置が所望
の角度だけ位相をずらした状態でベースとワークテーブ
ルを配置して連結リンクで連結することを提案する。

【０００６】そして本発明では、上記の構成に適用する
球面転がり軸受は、棒の先端に球面体を設けた第１の部
材と、この球面体の外形よりも大きい球面凹部を設けた
第２の部材と、第１の部材の球面体を第２の部材の球面
凹部に嵌めた状態において形成される間隙に介装する多
数のボールを保持した第３の部材とから構成されるもの
とすることを提案する。

【０００７】以上の本発明によれば、機構内にスライダ
を構成せず、クランクを入力とする６自由度のパラレル
メカニズムを実現することができ、隙間は予圧により実
質的になくすことができると共に、摩擦力を小さくする
ことができる。また、本発明では、スライダではなく、
クランクを用いたことで、速度範囲が拡大され、長大な
スライダを用いる必要がなくなり、駆動系の潤滑、密閉
が容易となる。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図を参
照して説明する。図中、符号１はワークテーブルであ
り、また図中斜線により示す２はベースである。本発明
では、まずベース２に、左右一対の入力クランク機構３
ａｌ，３ａｒ；３ｂｌ，３ｂｒ；３ｃｌ，３ｃｒを円周
上の対向位置、この例の場合、円周上の角度１２０°毎
に３組構成している。またワークテーブル１には、左右
一対の受け部４ａｌ，４ａｒ；４ｂｌ，４ｂｒ；４ｃ
ｌ，４ｃｒを円周上の対向位置、この例の場合、円周上
の角度１２０°毎に３組構成している。尚、符号におけ
る添字ａ，ｂ，ｃ，ｄは夫々の組を区別するものであ
り、添字ｌ，ｒは夫々左，右を区別するものである。従
って入力クランク機構及び受け部の個々を区別する必要
がない場合には、夫々符号３，４により総称すると共
に、必要に応じて一方の添字により区別を行う。この実
施の形態では、入力クランク機構３は、モータ５と減速
機６とクランク腕７とから構成しており、これらの回転
軸は一線上に配置している。この場合、減速機６として
は、例えば遊星歯車減速機を適用する。しかしながら減
速機６を適宜に選択することにより、モータ４の回転軸
とクランク腕６の回転軸が直交するように配置すること
もできる。即ち、減速機６としてウォーム減速機等を適
用することによりこのような構成を実現できる。

【０００９】本発明では、以上の構成において、ベース
２の入力クランク機構３のクランク腕７とワークテーブ
ル１の受け部４間に連結リンク８を連結する構成であ
り、この際、連結リンク８は、ベース２の隣接する他の
組ａ，ｂ；ｂ，ｃ；ｃ，ｄ；ｄ，ａの、離れた入力クラ
ンク機構３ａｒ，３ｂｌ；３ｂｒ，３ｃｌ；３ｃｒ，３
ａｌが、ワークテーブル１の同じ組の受け部４ａｌ，４
ａｒ；４ｂｌ，４ｂｒ；４ｃｌ，４ｃｒに対応するよう
に連結する構成とする。このことから、ワークテーブル
１とベース２は、入力クランク機構３の組ａ，ｂ，ｃと
受け部４の組ａ，ｂ，ｃが、所望の角度だけ位相がずれ
た状態で配置される。

【００１０】本発明では、以上の構成において、クラン
ク腕７と連結リンク８及び受け部４と連結リンク８間
は、球面転がり軸受９を介して連結することを特徴とす
るものである。図４、図５は球面転がり軸受９の部分を
拡大して構成と動作を示すもので、この球面転がり軸受
９は、棒１０の先端に球面体１１を設けた第１の部材１
２と、この球面体１１の外形よりも大きい球面凹部１３
を設けた第２の部材１４と、第１の部材１２の球面体１
１を第２の部材１４の球面凹部１３に嵌めた状態におい
て形成される間隙に介装する多数のボール１５を保持し
た第３の部材１６とから構成されるものである。かかる
構成においては、球面対偶により図４から図５に示され
る各方向への揺動運動と、棒１０の軸の回りの回転運動
の３自由度の運動が行える。またこのような球面転がり
軸受９においては揺動角に制限があり、図中に記載した
φＳは最大揺動角を示すもので、例えば４５°程度であ
る。

【００１１】図６は本発明に係るパラレルメカニズムの
構成要素の連結状態を概念的に表した平面図であり、ワ
ークテーブル１とベース２の図示は省略している。図６
においては、ワークテーブル１自体の図示に代えて、ワ
ークテーブル１に設けた各受け部４（又は球面転がり軸
受９）を白丸で表示し、そして各受け部４（又は球面転
がり軸受９）が１２０°毎に設置されている配置を表し
た円１７を、その半径ｒと共に示している。従って、こ
の円１７は、楕円に変化した場合にワークテーブル１が
平面に対して傾いたことを示すものである。同様に図６
においては、ベース２自体の図示に代えて、ベース２に
設けた入力クランク機構３のクランク腕７の回転軸側端
部１８を黒点で示すと共に、それらが１２０°毎に設置
されている配置を表した円１９を、その半径Ｒと共に示
しており、また回転軸２０を一点鎖線で示している。更
に、図中には、本発明にかかるパラレルメカニズムの機
構定数を表すパラメータとして角度β1，β2，β3を表
している。この角度パラメータβ1は、図に示すように
１組の左右の入力クランク機構３の左右のクランク腕７
の回転軸側端部１８の拡がり角度の半分を示すものであ
る。また角度パラメータβ2は、図に示すように左右の
クランク腕７の回転軸側端部１８を結ぶ直線２１に対し
ての夫々の回転軸１８の方向の角度を示すものである。
更に角度パラメータβ3は、図に示すように１組の左右
の受け部４の拡がり角度の半分を示すものである。

【００１２】尚、図１中、符号２２はワークテーブル１
に支持したワークであり、２３はワーク加工用のスピン
ドルである。

【００１３】以上の構成において、図２中の右側の入力
クランク機構３を動作させてクランク腕７を反時計回り
に回転させて図３の２点鎖線から実線の状態へと運動さ
せると、クランク腕７の先端は、連結リンク８の球面転
がり軸受９を介してワークテーブル１の受け部４を押し
動かす。そこで、図中左側の入力クランク機構（図示は
省略している。）を動作させ、その球面転がり軸受９を
介して右側と同様に受け部４を押し動かすと、ワークテ
ーブル１の、これらの左右の受け部４の個所は、図中で
傾斜せずに上昇する。そして以上と逆の動作ではワーク
テーブル１の、これらの左右の受け部４の個所は、図中
で傾斜せずに下降する。そしてこれらの動作を、他の組
の受け部４についても同様に行わせることにより、ワー
クテーブル１は水平を保持したまま昇降することにな
る。

【００１４】また上述したように、図２中の右側の入力
クランク機構３を動作させて、クランク腕７の先端によ
り、連結リンク８の球面転がり軸受９を介してワークテ
ーブル１の受け部４を押し動かす際、左側の入力クラン
ク機構３は逆に動作させて、図２中左側に移動させるよ
うにすると、ワークテーブル１の、これらの左右の受け
部４の個所は、昇降しないで図中左側に移動する。従っ
てこれらの動作を、他の組の受け部４についても同様に
行わせることにより、ワークテーブル１は水平状態と高
さを維持したまま横方向に移動することになる。以上の
ようにして全ての入力クランク機構３を合目的的に動作
させることにより、図６の状態から図７の状態に示すよ
うに、ワークテーブル１を水平状態と高さを維持したま
ま縦横方向に移動させることができる。

【００１５】一方、図６において、各組の全ての入力ク
ランク機構３を合目的的に運動させ、例えば夫々の組の
右側の入力クランク機構３ｒについては、連結リンク８
の球面転がり軸受９を介してワークテーブル１の受け部
４を押し動かす方向の運動を行わせると共に、左側の入
力クランク機構３ｌについては、連結リンク８の球面転
がり軸受９を介してワークテーブル１の受け部４を逆方
向に運動を行わせるようにすれば、図８に示すようにワ
ークテーブル１を図中反時計回りに旋回させることがで
きる。そして以上と逆の動作によりワークテーブル１を
図中時計回りに旋回させることができる。

【００１６】さらに図６において、全ての入力クランク
機構３を合目的的に動作させることにより、図９に示す
ようにワークテーブル１を傾斜させることができる。

【００１７】以上の動作説明に示すように、本発明によ
れば、機構内にスライダを構成せず、入力クランク機構
の動作だけで６自由度のパラレルメカニズムを実現する
ことができ、機構の対偶部分における隙間は予圧により
実質的になくすことができると共に、摩擦力を小さくす
ることができる。

【００１８】こうして本発明では、図１に示すように、
パラレルメカニズムの出力節にワークを固定し、静止系
に加工用にスピンドルを固定する加工機械を実現するこ
とができる。

【００１９】次に、本発明にかかるパラレルメカニズム
における機構定数を表すパラメータの範囲の例を示すと
次のとおりである。尚、距離又は半径の単位はmmであ
る。 クランク腕の回転軸側端部の配置を示す円の半径 Ｒ：［100,700］ 受け部の配置を示す円の半径 ｒ：［100,700］ クランク腕の長さｌ1と連結リンクの 球面転がり軸受間距離ｌ2の和 ｌ1＋ｌ2：［200,2200］ 比 ｌ1／ｌ2：［0.01,0.99］ ワークテーブル上の全球面転がり軸受回転中心を通る平面とワークの取り付け 部の距離 lＰ： 100.0 左右一対の入力クランク機構上の球面転がり軸受中心間の最小距離 ｄc： 100.0 角度パラメータβ1 ：［0,60°］ 角度パラメータβ2 ：［-30,30°］ 角度パラメータβ3 ：［0,60°］ クランク腕の、水平面に対する下限角度 θ1,L：−30° クランク腕と連結リンクの成す下限角度 θ2,L： 45° 連結リンクとワークテーブルのなす下限角度 θ3,L： 90° 球面転がり軸受の最大揺動角 φＳ： 45°

【００２０】また本発明を適用したパラレルメカニズム
の性能例を示すと次のとおりである。但し、ＶＥ，ＲＥ
及びφＥは、夫々下記の内容を表すものである。 ＶＥ：ワークテーブルの実用作業領域の体積の機構全体
占有体積に対する比（実用作業領域の大きさを表す無次
元量） ＲＥ：ワークテーブルの実用作業領域の鉛直方向最大変
位の水平方向最大変位に対する比（実用作業領域の形状
を表す無次元量） φＥ：ワークテーブルの全方向最大揺動角 例１．回転軸を一線上に配置した入力クランク機構 ＶＥ：0.122 ＲＥ：0.520 φＥ：64.9° 例２．回転軸を一線上に配置した入力クランク機構 ＶＥ：0.098 ＲＥ：0.617 φＥ：44.9° 例３．回転軸が直交配置された入力クランク機構 ＶＥ：0.102 ＲＥ：0.650 φＥ：45.9° 例４．回転軸が直交配置された入力クランク機構 ＶＥ：0.095 ＲＥ：0.508 φＥ：58.0° 例５．回転軸が直交配置された入力クランク機構 ＶＥ：0.086 ＲＥ：0.397 φＥ：61.8°

【００２１】次に、本発明を適用したパラレルメカニズ
ムの最適例の諸元及びその性能例を示すと次のとおりで
ある。 ［諸元］ Ｒ［mm］：324.0 ｒ［mm］：244.3 β1［°］：25.0 β2［°］：17.3 β3［°］：46.2 ｌ1［mm］：291.9 ｌ2［mm］：565.6 ｌP［mm］：-100 ［性能］ 制御分解能 最良：0.338μｍ 最悪：0.440μｍ 発生力 最良：3500Ｎ 最悪：1900Ｎ 発生モーメント 最良：830Ｎ・ｍ 最悪：430Ｎ・ｍ 発生速度 最良：0.78 m/s 最悪：0.46 m/s 発生角速度 最良：3.5 rad/s 最悪：2.0 rad/s 作業領域の最大変位 並進 Ｘ軸：702 mm Ｙ軸：687 mm Ｚ軸：364 mm 回転 Ｘ軸：70.4° Ｙ軸：64.9° Ｚ軸：95.1°

【００２２】

【発明の効果】本発明は以上のとおりであるので、次の
ような効果がある。 ａ．機構内にスライダを構成せず、クランクを入力とす
る６自由度のパラレルメカニズムを実現することがで
き、隙間は予圧により実質的になくすことができると共
に、摩擦力を小さくすることができる。 ｂ．速度範囲が拡大され、長大なスライダを用いる必要
がなくなり、駆動系の潤滑、密閉が容易となる。 ｃ．パラレルメカニズムの出力節にワークを固定し、静
止系に加工用にスピンドルを固定する加工機械を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のパラレルメカニズムを適用した加工
機械の例を示す斜視図である。

【図２】 図１の要部の一部断面説明図である。

【図３】 入力クランク機構の動作を示す一部断面説明
図である。

【図４】 球面転がり軸受の構成を示す断面図である。

【図５】 球面転がり軸受の構成を図４とは異なる動作
状態において示す断面図である。

【図６】 本発明に係るパラレルメカニズムを概念的に
示す平面図である。

【図７】 本発明に係るパラレルメカニズムを図６とは
異なる動作状態において概念的に示す平面図である。

【図８】 本発明に係るパラレルメカニズムを図６、図
７とは異なる動作状態において概念的に示す平面図であ
る。

【図９】 本発明に係るパラレルメカニズムを図６〜図
８とは異なる動作状態において概念的に示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１ ワークテーブル ２ ベース ３（３ａｌ，３ａｒ；３ｂｌ，３ｂｒ；３ｃｌ，３ｃ
ｒ；３ｄｌ，３ｄｒ）入力クランク機構 ４（４ａｌ，４ａｒ；４ｂｌ，４ｂｒ；４ｃｌ，４ｃ
ｒ；４ｄｌ，４ｄｒ）受け部 ５ モータ ６ 減速機 ７ クランク腕 ８ 連結リンク ９ 球面転がり軸受 １０ 棒 １１ 球面体 １２ 第１の部材 １３ 球面凹部 １４ 第２の部材 １５ ボール １６ 第３の部材 １７ 受け部の配置を示す円 １８ クランク腕の回転軸側端部 １９ クランク腕の回転軸側端部の配置を示す
円 ２０ 回転軸 ２１ 直線 ２２ ワーク ２３ スピンドル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 599109951 武田 行生 東京都大田区南千束３−17−12 ブエナス エルテ201 (72)発明者 舟橋 宏明 神奈川県横浜市都筑区大棚町244 (72)発明者 武田 行生 東京都大田区南千束３−17−12 ブエナス エルテ201 (72)発明者 廣瀬 和也 東京都新宿区弁天町82番２号 Ｆターム(参考） 3C048 AA01 BB20 BC01 DD00 3J101 AA02 AA32 AA54 AA65 AA81 BA02 BA73 CA11 FA13 FA32 FA41 FA55 GA31

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースに、左右一対の入力クランク機構
   を円周上の対向位置に３組構成すると共に、ワークテー
   ブルに、左右一対の受け部を円周上の対向位置に３組構
   成して、入力クランク機構のクランク腕と受け部間に連
   結リンクを連結する構成とし、この際、連結リンクは、
   ベースの隣接する他の組の、離れた入力クランク機構
   が、ワークテーブルの同じ組の受け部に対応するように
   連結する構成とし、クランク腕と連結リンク及び受け部
   と連結リンク間は、球面転がり軸受を介して連結したこ
   とを特徴とする６自由度パラレルメカニズムを適用した
   ワークテーブル機構。
2. 【請求項２】 入力クランク機構はベースの円周上の角
   度１２０°毎に３組構成すると共に、受け部はワークテ
   ーブル１の円周上の角度１２０°毎に３組構成し、上記
   各組の配置が所望の角度だけ位相をずらした状態でベー
   スとワークテーブルを配置して連結リンクで連結したこ
   とを特徴とする請求項１に記載の６自由度パラレルメカ
   ニズムを適用したワークテーブル機構
3. 【請求項３】 球面転がり軸受は、棒の先端に球面体を
   設けた第１の部材と、この球面体の外形よりも大きい球
   面凹部を設けた第２の部材と、第１の部材の球面体を第
   ２の部材の球面凹部に嵌めた状態において形成される間
   隙に介装する多数のボールを保持した第３の部材とから
   構成されるものであることを特徴とする請求項１又は２
   に記載の６自由度パラレルメカニズムを適用したワーク
   テーブル機構。