JP2004025380A - エッフェルメカニズム（Ｅｉｆｆｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ） - Google Patents

Abstract

【課題】従来一般の４節リンク機構とは異なる新たなリンク機構を提供する。
【解決手段】４節リンク機構は互いに回転自在に結合された４本のリンクからなる。４節リンク機構における２本の対角線の一方又は双方に伸縮可能なリンクを付加し、前記リンクを伸縮させることによって、中間節上に設けられた工具点の位置及び姿勢を制御する。このモデル化された機構を応用すると、一定の運動をすことによって予期したような仕事をなし得る装置が得られる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに回転自在に結合された４本のリンクを有するリンク機構及び該リンク機構を含む研削又は切削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般の４節リンク機構は図８に示すように、互いに回転自在に結合された４本のリンクを有する。この４節リンク機構では、４本のリンクがすべて回り対偶によって連鎖をなし、すなわち４本のリンクが互いに回転可能に結合されている。
【０００３】
４本のリンクの内、一つの節が固定系に固定された固定節１となる。固定節１に隣接する２本のリンクのうち、一方が入力節２、他方が出力節３と呼ばれ、固定節１に向かい合って入力節２と出力節３とを繋いでいる節が中間節４と呼ばれる。入力節２を回転させると、出力節３が回転し、これにより出力節３から動力が取り出せる。また入力節２を回転させると、中間節４上に設けた制御対象５の位置及び姿勢を制御できる。
【０００４】
このように従来一般の４節リンク機構では、固定節１に回転可能に結合された２つの揺動回転可能な節２及び３のどちらか一方を、例えばモータ、減速機を取付けて駆動させる。これにより４節リンク機構が連鎖運動し、全体の形が変わる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来一般の４節リンク機構とは異なる新たなリンク機構及びこのリンク機構を用いた研削又は切削装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものでない。
【０００７】
本発明者は、構造物を構成する４節の対角線上に伸縮可能な原動節を加えて、中間節に属する出力点の位置及び姿勢を制御可能にした。
【０００８】
すなわち請求項１の発明は、互いに回転自在に結合された４本のリンク（１５〜１８）からなるリンク機構において、前記リンク機構における２本の対角線の一方又は双方に伸縮可能なリンク（２３）を付加し、前記リンク（２３）を伸縮させることによって、中間節上に設けられた工具点の位置及び姿勢を制御可能にする。
【０００９】
ここで工具点とは、本来ロボットに用いられる用語であり、通常は工具としてのハンドの中心点を意味するが、ここでは広く制御対象となる出力点という意味で工具点という用語を用いる。そして工具には、加工に用いる道具、刃物の他、加工対象となるワーク、測定工具、検査工具等も含まれる。
【００１０】
本発明では原動節となるのは、対角線上に斜めに追加した斜辺リンクであり、この斜辺リンクを伸縮させることによってリンク機構の各リンクを運動させる。これに対して従来の一般的な４節リンク機構では、固定節に隣接する原動節となるリンクを回転させることによって４節リンク機構を運動させる。この点が本発明のエッフェルメカニズムと従来一般の４節リンク機構とで相違する。このモデル化された機構を応用すると、一定の運動をすることによって予期したような仕事をなし得る装置が得られる。
【００１１】
対角線状に筋交いのように伸縮可能なリンクを追加することで、２つの三角形が形成され、リンク機構の剛性が高くなる。また２本の対角線の双方に×印のように伸縮可能なリンクを追加すると、一方のリンクが伸び、リンク機構の形が潰れてくると、一方のリンクのみでは剛性を調節できなくなるが、他方のリンクが効果的に剛性を調節することができる。２本の対角線の双方に伸縮可能なリンクを追加する場合、一方のリンクを延ばすと、他方のリンクを縮める必要がある。
【００１２】
本発明の好ましい一態様は、リンク機構（４１，４２，５１，５２，５３）を複数段重ねることを特徴とする。ここで、下階のリンク機構の中間節が上階のリンク機構の固定節に結合するようにリンク機構は複数段重ねられる。
【００１３】
リンク機構の全体の形状が三角形になるまで斜辺リンクが伸縮したときが、工具点のストロークが最大、最小となる。リンク機構が１階層では工具点の動きもある範囲に限られてしまう。リンク機構を２階、３階と複数階層重ねると、工具点の動きの範囲を拡張することができ、工具点のストロークを大きくすることができる。また複数階層重ねると、単に工具点のストロークを大きくするだけでなく、工具点を８の字形状あるいは縦長の８の字形状の軌跡に沿って運動させることもできる。
【００１４】
本発明の好ましい一態様は、前記中間節（１６）上の工具点の位置を瞬間回転中心（Ｐ１）の付近に置くことによって位置の変化を比較的小さくしたことを特徴とする。
【００１５】
固定節に隣接する２本リンクを延長してできる交点は、中間節の瞬間回転中心となっており、この瞬間、中間節全体はこの点を中心として回転する。この点を工具点の付近に設定すれば、この付近ではワーク等の工具が変位せずに回転だけを行なう。例えばワークのＲ部を砥石で研削する場合、瞬間回転中心を加工対象となるワークのＲ部の中心に設定すれば、ワークは瞬間回転中心を中心として回転するので、ワークをＲ部に沿って研削することができる。なお瞬間回転中心は、リンク機構の形が変わると若干ずれてくるので、ワークも若干変位することになる。このワークの若干の変位に対しては砥石を動かして補正してもよい。
【００１６】
本発明のリンク機構は、台形形状が望ましく、具体的には、固定節（１５）の長さが中間節（１６）よりも長く、固定節（１５）に隣接する２本のリンク（１７，１８）の長さが実質的に等しいことが望ましい。
【００１７】
本発明のリンク機構を応用すると、上記リンク機構を用い、前記工具点にワーク（２０）を保持し、前記ワーク（２０）を回転砥石（２２）又は切削工具に押し付けることによってワーク（２０）を研削又は切削する研削又は切削装置が得られる。
【００１８】
この発明によれば、例えば切削工具等のワークの弧状の曲面、すなわちＲ部を研削することができる。また数値制御加工によって、精度の高い加工面を得ることができる。
【００１９】
本発明の研削装置では、前記ワークが切削工具（２０）であり、前記ワークとしての切削工具（２０）のＲ部（２１）の研削を可能としてもよい。
【００２０】
本発明の研削装置では、前記ワークが砥石成形工具であってもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施形態におけるリンク機構を用いた研削装置について説明する。まず機構、機械、構造物及びエッフェルメカニズムの定義について説明する。機構（ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）とは抽象化した機械（ｍａｃｈｉｎｅ）のことで、機構の一つのリンクは一つの太さのない線で表すことができる。機械（ｍａｃｈｉｎｅ）は、物体の組合せであり、その運動はある拘束された運動であり、しかもある仕事をするものである。物体の組合せであっても相互の間に運動のない場合は、機械とはいわず構造物（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）である。エッフェル搭は構造物であるが、これを動かすようにしたものが本発明のエッフェルメカニズム（Ｅｉｆｆｅｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）である。
【００２２】
図１は研削装置の平面図を示す。本実施形態のリンク機構は、互いに回転自在に結合された４本のリンクを有する。この４本のリンクはすべて回り対偶、すなわち回転関節１１〜１４によって連鎖をなしている。４本のリンクの内、一つの節が固定系に固定された固定節１５となる。固定節１５に向かい合うリンクが中間節１６（あるいは連結節、カプラー）と呼ばれる。この実施形態では、固定節１５の長さが中間節１６よりも長く、固定節１５に隣接する２本のリンク１７，１８の長さが実質的に等しい。これによりリンク機構の全体の形状が台形形状に形成される。
【００２３】
中間節１６には棒状の桿からなるワークホルダ１９が結合され、これにより中間節１６は全体がＴ字形状に形成される。ワークホルダ１９の先端にはワークとしての切削工具２０が保持される。ワークホルダ１９は必ずしも棒状の桿である必要はなく、ワーク２０を保持できる構造のものなら中間節１６に取付けられたブロック等であってもよい。
【００２４】
ここで節という用語は、一まとめに動く部品のことを意味し、例えば細長い棒状のリンクだけでなく、細長い棒状のリンクに結合されている棒状の桿も含めて中間節１６という。対偶とは節と節との繋ぎ方をいい、これには回転関節も含まれる。固定系はすべて固定節であり、一つの部品のように扱う。構造上２本のリンクが使われていても、あるいは板であっても平面図として重なるときは一つの節として扱う。
【００２５】
図２は切削工具２０の一例を示す。切削工具２０は例えば菱形形状であり、４隅それぞれに弧状の曲面、すなわちＲ部２１・・・を有する。Ｒ部２１・・は曲率半径が一定の円弧であり、このＲ部２１・・・を研削加工するのに本実施形態の研削装置が使用される。
【００２６】
図１に示すように、切削工具２０の上方には回転砥石２２が配置される。回転砥石２２の中心線は固定節と略平行である。回転砥石２２は略円筒形状に形成され、その外周面を切削工具２０に押し付けることにより、切削工具２０のＲ部２１を研削する。また回転砥石２２は後述する切削工具２０の変位に伴って、図１中Ｘ方向（左右方向）、及びＹ方向（上下方向）に動けるようになっている。
【００２７】
台形の側面のリンク１７，１８を延長してできる交点Ｐ１はこのリンク機構の瞬間回転中心となっており、この瞬間、中間節１６はこの点Ｐ１を中心として回転する。この実施形態では、切削工具２０のＲ部２１の中心点が工具点であり、工具点を交点Ｐ１の近傍に配置している。
【００２８】
リンク機構における２本の対角線の一方には、原動節として伸縮可能なリンク２３が付加される。リンク２３を伸縮させることによって、中間節１６上に設けられた工具点の位置及び姿勢が制御可能になる。具体的にはリンク２３を伸縮させると、固定節１５に隣接する一組のリンク１６，１７それぞれが回転関節を中心にして回転し、また中間節１６も瞬間回転中心Ｐ１を中心として回転する。切削工具２０のＲ部２１の中心（すなわち工具点）は瞬間回転中心上に配置されるので、切削工具２０がＲ部２１の中心を中心として回転する。切削工具２０には回転砥石２２が押し付けられているので、Ｒ部２１に沿って切削工具を研削することができる。また数値制御加工することによって、精度の高い加工面を得ることができる。伸縮可能なリンク２３は例えば、シリンダ、ボールねじ機構等によって構成される。
【００２９】
対角線状に筋交いのようにリンク２３を追加することで、２つの三角形が形成され、リンク機構の剛性が高くなる。本実施形態では、２本の対角線の一方にのみ伸縮可能なリンク２３を付加しているが、２本の対角線の双方に×印のようにリンクを追加してもよい。この場合、一方のリンクを伸ばすと、他方のリンクを縮める必要がある。一方のリンクが伸び、リンク機構の形が潰れてくると、一方のリンクのみでは剛性を調節できなくなるが、他方のリンクが効果的に剛性を調節することができる。
【００３０】
なおリンク機構の全体の形状が変わると、瞬間回転中心も変位するが、瞬間回転中心の変位分は回転砥石２２をＸ方向及びＹ方向に動かして補正する。
【００３１】
図３は、図１に示される平面的な研削装置を立体的に示した斜視図である。研削装置は、台形形状のリンク機構３１，３１を一組備える。ワークホルダ１９は一組の中間節１６，１６間に掛け渡された連結棒３２に固定されている。また伸縮可能なリンク２３も、一組の回転関節１１，１１間に掛け渡された連結棒３３、並びに回転関節１１，１１の対角に位置する一組の回転関節１３，１３間に掛け渡された連結棒３４の間に配置されている。
【００３２】
図４はリンクの伸縮に伴ってワークホルダが傾斜した状態を示す。この図はリンク２３が最も伸びた状態を示している。ワークホルダが左側に最も傾く最大傾き角度ψｍａｘは、リンク機構の全体の形状が三角形になるまで伸縮可能なリンクが伸びたときであり、このとき伸縮可能なリンクの最大長さｌ_３ｍａｘは下記式で表される。
【００３３】
【数１】
ｌ_３ｍａｘ＝ｌ_２＋ｄ
ｌ_２：リンク１７の長さ
ｄ：中間節１６の長さ
【００３４】
一方ワークホルダが右側に最も傾く最大傾き角度ψｍａｘは、リンク機構の全体の形状が三角形になるまで斜辺リンクが縮んだときであり、このときこのとき伸縮可能なリンクの最小長さｌ_３ｍｉｎは図中に示される長さになる。
【００３５】
また最大傾き角度ψｍａｘまでのワークホルダ１９の傾斜角ψは固定節１５の長さｌ_１、リンク１７の長さｌ_２及び伸縮リンクの長さｌ_３から求めることができる。
【００３６】
リンク機構が１階層の場合、最大傾き角度ψｍａｘが±９０°未満の範囲で可能であるが、最大傾き角度ψｍａｘを大きくするにつれて機構の剛性が減少したり、リンクが極端に長くなったりするという問題が発生するので現実的ではない。またリンク機構が１階層では、最大傾き角度ψｍａｘ＝±９０°を達成することができない。このためリンク機構を２階層、３階層と複数階層重ねる必要がある。
【００３７】
図５はリンク機構４１，４２を２階層にした例を示す。この例ではリンク機構４１，４２が上下２層に重ねられ、それぞれのリンク機構の対角線に伸縮可能なリンク４３，４４が互い違いに付加される。１階のリンク機構４１の中間節４５が２階のリンク機構４２の固定節４５と共用される。１階のリンク機構４１の固定節４６と固定節４６に隣接するリンク４７のなす角度βは、２階のリンク機構４２の固定節４５と固定節４５に隣接するリンク４８のなす角度βとで等しい。このため１階及び２階のリンク機構４１，４２が台形形状の状態で、１階及び２階の固定節４６，４５に隣接するリンク４７，４８は１直線上に位置する。そして固定節４５に隣接する１組のリンク４８，４８を延長させた交点Ｐ２、すなわち２階の中間節４８の回転中心にワークが配置される。
【００３８】
２階層にすると、図中（ｂ）に示すようにψｍａｘをψｍａｘ＝ψ_１ｍａｘ＋ψ_２ｍａｘまで拡張することができる。ここでリンク機構の剛性を考慮するとψ_１及びψ_２を最大角度まで大きくしないことが望ましい。このため図中（ｃ）に示すように、ψｍａｘ＝ψ_１＋ψ_２，ψ_１＜ψ_１ｍａｘ，ψ_２＜ψ_２ｍａｘとするのが望ましい。
【００３９】
図６はリンク機構５１，５２，５３を３階層にした例を示す。この例ではリンク機構５１，５２，５３が上下３層に重ねられ、それぞれのリンク機構の対角線に互い違いに伸縮可能なリンク５４，５５，５６が付加される。リンク機構５１，５２，５３の重ね方は上記２階層の場合と略同様である。３階層にすると、図中（ｂ）に示すようにψｍａｘをψｍａｘ＝ψ_１ｍａｘ＋ψ_２ｍａｘ＋ψ_３ｍａｘまで拡張することができる。リンク機構の剛性を考慮するとψ_１，ψ_２，ψ_３を最大角度まで大きくしないことが望ましい。このため図中（ｃ）に示すように、ψｍａｘ＝ψ_１＋ψ_２＋ψ_３，ψ_１＜ψ_１ｍａｘ，ψ_２＜ψ_２ｍａｘ，ψ_３＜ψ_３ｍａｘとするのが望ましい。
【００４０】
図７はリンク機構を２階層にした場合の工具点Ｐ３の軌跡を示す。図中左振りはワークホルダ１９が右に傾斜した場合のリンク機構４１，４２の形状を示し、図中右振りはワークホルダ１９が左に傾斜した場合のリンク機構４１，４２の形状を示す。傾斜角度の最大値はψｍａｘ＝±９０°に設定されている。図中中央における縦長の８の字形状はワークホルダ１９の先端に保持されるワークの軌跡Ｔを示す。この図に示すように、リンク機構４１，４２を複数段重ねると、単にワークのストロークを大きくするだけでなく、ワークを８の字形状あるいは縦長の８の字形状の軌跡に沿って運動させることができる。
【００４１】
本発明の実施形態は上記に記載したものに限られず、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々変更可能である。特に本発明のリンク機構は上記研削装置に限られず、例えば回転するボールエンドミル等の研削工具を用いてワークを切削する切削装置等、工具点の位置及び姿勢を制御する様々な機械に応用することができる。さらに研削装置の研削対象としてのワークはＲ部を有するものであれば切削工具に限られることはなく、砥石成形工具、すなわちドレッサーのようなものでもよい。
【００４２】
また、リンク機構は二次元的に作動する平面機構であってもよいが、リンクを増やして３次元的に作動する空間的な機構とすることもできる。空間的な機構とすると、球面状部分を有するワークの球面部を研削することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構造物を構成する４節の対角線上に伸縮可能な入力節を加えて、中間節に属する出力点の位置及び姿勢を制御可能にするので、従来一般の４節リンク機構とは異なる新たなリンク機構を得ることができる。このモデル化された機構を応用すると、一定の運動をすることによって予期したような仕事をなし得る装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるリンク機構を用いた研削装置を示す平面図。
【図２】ワークとしての切削工具の一例を示す図（図中（Ａ）は平面図を示し、図中（Ｂ）は断面図を示す）。
【図３】研削装置を立体的に示した斜視図。
【図４】図４はリンクの伸縮に伴ってワークホルダが傾斜した状態を示す平面図。
【図５】リンク機構を２階層にした例を示す平面図。
【図６】リンク機構を３階層にした例を示す平面図。
【図７】リンク機構を２階層にした場合の工具点の軌跡を示す平面図。
【図８】従来の４節リンク機構を示す平面図。
【符号の説明】
１５・・・固定節
１６・・・中間節
１７，１８・・・固定節に隣接する２本のリンク
２０・・・ワーク
２１・・・Ｒ部
２２・・・回転砥石
２３・・・伸縮可能なリンク
４１，４２，５１，５２，５３・・・リンク機構
Ｐ１・・・瞬間回転中心

Claims (7)

1. 互いに回転自在に結合された４本のリンクからなるリンク機構において、
   前記リンク機構における２本の対角線の一方又は双方に伸縮可能なリンクを付加し、
   前記リンクを伸縮させることによって、中間節上に設けられた工具点の位置及び姿勢を制御可能にするリンク機構。
2. 前記リンク機構を複数段重ねたことを特徴とする請求項１に記載のリンク機構。
3. 前記中間節上の工具点の位置を、中間節の瞬間回転中心の付近に置くことによって位置の変化を比較的小さくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のリンク機構。
4. 固定節の長さが中間節よりも長く、固定節に隣接する２本のリンクの長さが実質的に等しいことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のリンク機構。
5. 請求項１ないし４のいずれか一つに記載のリンク機構を用い、
   前記工具点にワークを保持し、
   前記ワークを回転砥石又は切削工具に押し付けることによってワークを研削又は切削する研削又は切削装置。
6. 前記ワークが切削工具であり、前記ワークとしての切削工具のＲ部の研削を可能とすることを特徴とする請求項５に記載の研削装置。
7. 前記ワークが砥石成形工具であることを特徴とする請求項５に記載の研削装置。

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