JP2004314189A - Positioning device using parallel mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種工作機械などに応用できるパラレルメカニズム利用の位置決め装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
パラレルメカニズム利用の位置決め装置は、特許文献1〜4に開示されるように、ツールなどの位置決め制御対象物を支持するサポートを6本の伸縮リンクによって支持させ、これら6本の伸縮リンクの伸縮運動により、前記サポートを作業空間内で三次元方向に移動させると共に姿勢を任意に変更制御できるように構成されたものが一般的であるが、この6本の伸縮リンクでサポートを支持する構成は、高い剛性が得られるが、反面、前記サポートで支持されるツールなどを位置決めできる作業領域が非常に小さく、必要十分な大きさの作業領域を確保するためには機構全体を大型化する必要がある。このように機構全体を大型化すると、リンクの節や対偶部の弾性変形量が増大し、位置決め精度が安定しない。このため、現在工作機械として実用化されているものについても、高い加工精度を必要としない部材の加工にしか使用できないという問題点があった。
【0003】
【特許文献1】
GB2083795A
【特許文献2】
USP3288421
【特許文献3】
USP4988244
【特許文献4】
USP5987726
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような従来の問題点を解消し得るパラレルメカニズム利用の位置決め装置を提供することを目的とするものであって、その手段を後述する実施形態の参照符号を付して示すと、第一サポート1と、当該第一サポート1に作業空間Sを隔てて対向する第二サポート5と、前記第一サポート1を第二サポート5に対して平面上の二次元方向に相対的に位置調整する二次元位置調整機構4と、前記第二サポート5を三次元空間運動させる3自由度のパラレルメカニズム6とから成り、当該パラレルメカニズム6は、前記作業空間Sの周囲を取り囲むように配置されてそれぞれ一端が固定フレーム(基台3)に支軸8の周りに揺動自在に支承された3本の可動アーム7a〜7cと、この各可動アーム7a〜7cに設けられて前記第二サポート5をそれぞれ自在継ぎ手手段14を介して支持する支持部材12と、各可動アーム7a〜7cの前記支持部材12と前記支軸8との間の可動アーム長さ方向の距離を調整する可動アーム有効長さ調整手段23とを備えた構成となっている。
【0005】
上記構成の本発明を実施する場合、前記第一サポート1は、前記二次元位置調整機構4を介して基台3上に支持し、前記3本の可動アーム7a〜7cは、その下端を前記基台3の周辺に前記支軸8により支承させることができる。
【0006】
又、前記パラレルメカニズム6の各支持部材12は、各可動アーム7a〜7cにその長さ方向移動可能に支持し、前記可動アーム有効長さ調整手段23は、各可動アーム7a〜7cの長さ方向と平行に支承された螺軸10と、前記支持部材12に設けられて前記螺軸10に螺合する雌ねじ体13と、前記可動アーム7a〜7cの遊端部に支持されて前記螺軸10と連動連結されたモーター11とから構成することができる。
【0007】
本発明の位置決め装置を工作機械として応用する場合、第一サポート1で加工用ツールTを支持させると共に、第二サポート5で被加工ワークWを支持させることも可能であるが、パラレルメカニズム6で制御される第二サポート5で加工用ツールTを支持させ、二次元位置調整機構4で制御される第一サポート1を被加工ワークWの支持台2から構成する方が、被加工ワークWが重量物であっても位置決め精度に悪影響が及ぶことが少ないので望ましい。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適実施形態を添付図に基づいて説明すると、図1において、1は例えば被加工ワークWの支持台2から構成された第一サポートであって、水平に設置される基台3上に当該第一サポート1を水平面上の二次元方向に位置調整する二次元位置調整機構4を介して支持されている。5は前記第一サポート1に作業空間Sを隔てて対向する第二サポートであって、例えば加工用ツールTを把持するツールクランプを備えており、当該第二サポート5を三次元空間運動させる3自由度のパラレルメカニズム6を介して前記基台3上に支持されている。
【0009】
3自由度のパラレルメカニズム6は、前記基台3の周辺で前記作業空間Sを取り囲むように周方向等間隔おきに配置された3本の可動アーム7a〜7cを備えている。各可動アーム7a〜7cは、その下端が、前記作業空間Sの垂直中心線と同心の一水平仮想円に対する接線方向に沿った水平支軸8の周りで起伏揺動自在に軸支され、内側には、図4にも示すように、可動アーム長さ方向に沿って固着された2本のスライドガイドレール9a,9bと、両スライドガイドレール9a,9b間で可動アーム長さ方向に沿って支承された1本の自転可能な螺軸10とが配設され、当該螺軸10を正逆回転駆動するモーター11が各可動アーム7a〜7cの上端(遊端)に、モーター軸心が可動アーム長さ方向と平行になるように取り付けられている。
【0010】
尚、前記螺軸回転駆動用モーター11は、可動アーム7a〜7cの上端部の外側に軸心が可動アーム長さ方向と平行になるように並設し、モーター出力軸と螺軸10とをタイミングベルトや歯車機構により連動連結させても良い。又、前記螺軸回転駆動用モーター11は、可動アーム7a〜7cの下端部の内側又は外側に並設することも可能である。
【0011】
各可動アーム7a〜7cの内側には、前記スライドガイドレール9a,9bによって可動アーム長さ方向に移動可能に支持部材12が支持され、当該支持部材12の内側に突設された雌ねじ体13が前記螺軸10に螺嵌している。各支持部材12は、前記第二サポート5の周辺等間隔おきの3カ所に自在継ぎ手手段14を介して連結されている。この実施形態における前記自在継ぎ手手段14は、図4にも示すように、支持部材12側に取り付けられた受け部材15に把持された球体16と、第二サポート5側に取り付けられて前記球体16を保持する軸部17が突設されたブラケット18とから成る球継ぎ手19を使用しているが、如何なる構造の自在継ぎ手手段14であっても良い。例えば図5に示すように、2本の軸部材20,21を互いに直交する十字形中継軸22でそれぞれ揺動自在に連結し、2本の軸部材20,21の少なくとも一方を、支持部材12又は第二サポート5に対してその軸中心軸線の周りで回転自在にした回転軸継ぎ手23を利用することもできる。
【0012】
上記構成の位置決め装置では、各可動アーム7a〜7cの前記支持部材12と前記支軸8との間の可動アーム長さ方向の距離を調整する可動アーム有効長さ調整手段23が、螺軸10と支持部材12側の雌ねじ体13、及び螺軸回転駆動用モーター11によって構成されているが、可動アーム有効長さ調整手段23は、他の如何なる構成のものでも良い。例えば、リニアモーターを利用して支持部材12を可動アーム長さ方向に駆動することもできる。又、可動アーム7a〜7cに対し支持部材12を可動アーム長さ方向に移動可能に支持するのではなく、可動アームとしてそれ自体が伸縮駆動可能な伸縮部材を利用し、当該伸縮部材の下端を前記水平支軸8で基台3の周辺に軸支すると共に、当該伸縮部材の上端に前記支持部材12を固着することも可能である。
【0013】
基台3上に第一サポート1(ワーク支持台2)を水平面上の二次元方向に位置調整する二次元位置調整機構4は、図2及び図3にも示すように、基台3上に敷設された並列スライドガイドレール24a,24bによってX軸方向(左右方向)に移動可能に支持された第一可動台25と、前記並列スライドガイドレール24a,24bの中間位置でX軸方向(左右方向)向きに第一可動台25に支承され且つ前記第一可動台25の底部に突設された雌ねじ体に螺合貫通する第一螺軸26と、当該第一螺軸26を正逆回転駆動するモーター27と、前記第一可動台25上に敷設された並列スライドガイドレール28a,28bによってY軸方向(前後方向)に移動可能に支持されたワーク支持台(第二可動台)2と、前記並列スライドガイドレール28a,28bの中間位置でY軸方向(前後方向)向きに第一可動台25上に支承され且つ前記ワーク支持台2の底部に突設された雌ねじ体に螺合貫通する第二螺軸29と、当該第二螺軸29を正逆回転駆動するモーター30とから構成されたものであり、モーター27による第一螺軸26の正逆回転駆動により第一可動台25をX軸方向(左右方向)に往復移動させることと、モーター30による第二螺軸29の正逆回転駆動によりワーク支持台(第二可動台)2をY軸方向(前後方向)に往復移動させることとの組み合わせにより、ワーク支持台2を水平面上X−Y二次元方向の任意の位置に移動させることができる。尚、第一可動台25とワーク支持台(第二可動台)2の駆動機構は、図示の螺軸利用のものに限定されるものではない。例えば、リニアモーターを利用したものや、ラックピニオンギア機構利用のものなどでも良い。
【0014】
上記構成のパラレルメカニズム利用の位置決め装置においては、例えば第一サポート1であるワーク支持台2上にセットされたワークWは、先に説明した通り、二次元位置調整機構4の2つの螺軸26,29の正逆回転駆動により、水平面上X−Y二次元方向の任意の位置に移動させることができる。一方、ツールTを支持する第二サポート5は、3自由度のパラレルメカニズム6の各可動アーム7a〜7cごとの第二サポート5の支持高さ(支軸8から支持部材12までの可動アーム長さ方向の距離)を、各可動アーム7a〜7cごとの可動アーム有効長さ調整手段23のモーター11による螺軸10の正逆回転駆動により調整することにより、垂直方向(Z軸方向)の位置とその姿勢(ツールTの向き)を自在に変えることができる。このとき各可動アーム7a〜7cは、水平支軸8の周りでの起伏運動のみ可能であるから、第二サポート5の周囲3カ所と各可動アーム7a〜7cとの接合点が決まることにより、第二サポート5の位置と姿勢が確定することになる。従って、第一サポート1であるワーク支持台2の水平面上X−Y二次元方向の運動と、ツールTを支持する第二サポート5の三次元空間運動との組み合わせにより、ツールTによるワークWの表面全域に対する所要の加工が行えることになる。
【0015】
尚、本発明の実施形態は、上記の構成に限定されるものではない。例えば、第一サポート1に加工用ツールTを支持させ、第二サポート5で被加工ワークWを支持させるように構成することも可能である。又、上記実施形態では、第二サポート5を三次元空間運動させる3自由度のパラレルメカニズム6を構成する3本の可動アーム7a〜7cは、その下端を支軸8の周りに揺動自在に固定フレーム(第一サポート1(ワーク支持台2)を支持する基台3を利用)に軸支したが、理論的には、第二サポート5に対して第一サポート1のある側とは反対側、即ち、第二サポート5の上方に3本の可動アーム7a〜7cの支軸8を配置することも可能である。具体的には、作業空間Sを取り囲む門形の固定フレームを配設し、この門形固定フレームの上部に支軸8で各可動アーム7a〜7cの上端を軸支することになる。
【0016】
又、第一サポート1は、二次元位置調整機構によって第二サポート5に対して平面上の二次元方向に相対的に位置調整することができるものであれば良いから、理論的には、第一サポート1を位置固定し、第二サポート5を支持する3自由度のパラレルメカニズム6そのものを二次元位置調整機構によって支持することも可能である。具体的には、パラレルメカニズム6を介して第二サポート5を支持している基台3を二次元位置調整機構4によって固定面上に支持し、当該基台3に設けられた中央開口部を通じるなどして前記固定面上で支持された第一サポート1を基台3の上側に配設することができる。
【0017】
【発明の効果】
本発明は以上のように実施し且つ使用することが出来るものであって、係る本発明によれば、次のような理由により、作業領域が広いにもかかわらず装置全体を小型化することができ、しかも位置決め精度が高い位置決め装置、換言すれば、従来のパラレルメカニズム利用の位置決め装置では応用することができなかった高精度が要求される工作機械にも活用することができる位置決め装置を容易に構成することができる。
【0018】
即ち、従来の6本の伸縮リンク(両端とも3軸方向の自由度が必要)で構成された空間パラレルメカニズムのみで全ての運動を実現させるものでは、固定された案内部が存在しないため、高精度な位置決めが期待できないのに対し、本発明の構成では、少なくとも平面運動を受け持たせる二次元位置調整機構としては、固定された案内部を備えたものを利用することができ、この固定された案内部を備えた二次元位置調整機構を採用するだけで、装置全体としての位置決め精度を高めることができる。又、空間運動を創生する3自由度のパラレルメカニズムを構成する3本の可動アームは、その一端が固定フレームに1軸の周りに揺動自在に支承されたものであって、各可動アームには、前記1軸周りの曲げモーメントが作用しない。従って、この可動アームの断面形状だけで容易に当該可動アームの弾性変形を抑制することができるので、この点でも位置決め精度の高い装置を容易に構成することができる。
【0019】
更に、本発明の構成では、平面運動と空間運動とをそれぞれ別の手段で分けて行わせるものであるから、広い作業領域を容易に得ることができると共に、装置全体を小型化することも容易である。又、平面運動は受け持たずに空間運動のみを受け持つパラレルメカニズム部分の質量も低減され、節や対偶部の弾性変形量も小さくなるので、この点でも位置決め精度を高めることができる。
【0020】
又、平面運動と空間運動とをそれぞれ別の手段で分けて行わせるものであるから、例えば被加工ワークの矩形の側縁を加工用ツールで面取り切削加工などを行う場合を想定すると、被加工ワークの各側縁に対する加工用ツールの姿勢を空間運動のみを受け持つパラレルメカニズムで保持し、被加工ワークの各側縁に沿った加工用ツールの相対移動は、平面運動のみを受け持つ二次元位置調整機構によって行わせることができ、この姿勢の保持と移動の両方を1つのパラレルメカニズムのみで行わせる従来の装置と比較して、加工用ツールを支持するパラレルメカニズム側の角変位を理想的な一定値に保って、高精度な加工が容易に行えることになる。
【0021】
尚、請求項2に記載の構成によれば、1つの固定基台上で第一サポートを支持する二次元位置調整機構と第二サポートを支持するパラレルメカニズムとを支持させることができ、大型の門形固定フレームが不要であり、装置全体を一層コンパクトに構成することができる。
【0022】
又、請求項3に記載の構成によれば、第二サポートを支持するパラレルメカニズムの主要部材である3本の可動アームとしてそれ自体が伸縮可能なものを採用する場合と比較して、機構がシンプルで且つ高剛性に構成することが容易であり、安価に実施することができる。又、各可動アームごとに併設されるモーターが可動アームの上端に配置されるので、第一第二両サポート間の作業空間からモーターが離れるので、防塵対策の面でも好都合である。
【0023】
更に、請求項4に記載の構成は、本発明による位置決め装置を各種工作機械に活用する場合に特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】A図は装置全体の平面図であり、B図は同正面図である。
【図2】基台上の第一サポートとその二次元位置調整機構とを示す平面図である。
【図3】図2の正面図である。
【図4】パラレルメカニズムの要部を示す横断平面図である。
【図5】同要部の変形例を示す側面図である。
【符号の説明】
1 第一サポート
2 被加工ワークWの支持台
3 基台
4 第一サポートの二次元位置調整機構
5 加工用ツールTを支持する第二サポート
6 3自由度のパラレルメカニズム
7a〜7c 可動アーム
8 水平支軸
9a,9b,24a,24b,28a,28b スライドガイドレール
10,26,29 螺軸
11,27,30 螺軸回転駆動用モーター
12 支持部材
13 雌ねじ体
14 自在継ぎ手手段
19 球継ぎ手
23 回転軸継ぎ手
25 第一可動台
S 作業空間[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a positioning device using a parallel mechanism applicable to various machine tools and the like.
[0002]
[Prior art]
As disclosed in
[0003]
[Patent Document 1]
GB2083795A
[Patent Document 2]
USP3288421
[Patent Document 3]
USP 4,988,244
[Patent Document 4]
USP59887726
[0004]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a positioning device using a parallel mechanism that can solve the conventional problems as described above, and the means are denoted by reference numerals in the embodiments described below. , A
[0005]
When carrying out the present invention having the above configuration, the
[0006]
Each
[0007]
When the positioning device of the present invention is applied as a machine tool, it is possible to support the processing tool T by the
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In FIG. 1,
[0009]
The three-degree-of-freedom
[0010]
In addition, the screw shaft
[0011]
Inside the
[0012]
In the positioning device having the above configuration, the movable arm effective length adjusting means 23 for adjusting the distance in the length direction of the movable arm between the
[0013]
A two-dimensional
[0014]
In the positioning device using the parallel mechanism having the above-described configuration, for example, the work W set on the
[0015]
The embodiment of the present invention is not limited to the above configuration. For example, the
[0016]
Further, the
[0017]
【The invention's effect】
The present invention can be implemented and used as described above. According to the present invention, it is possible to reduce the size of the entire apparatus despite the large working area for the following reasons. A positioning device that can be used and has high positioning accuracy, in other words, a positioning device that can be applied to a machine tool that requires high accuracy, which cannot be applied with a positioning device using a conventional parallel mechanism, easily. Can be configured.
[0018]
That is, in the case where all the movements are realized only by the spatial parallel mechanism composed of the conventional six telescopic links (both ends need a degree of freedom in three axial directions), since there is no fixed guide portion, the height is high. While accurate positioning cannot be expected, in the configuration of the present invention, at least a two-dimensional position adjusting mechanism for providing the plane movement can be provided with a fixed guide portion. Only by employing the two-dimensional position adjustment mechanism having the guide unit provided, the positioning accuracy of the entire apparatus can be improved. Each of the three movable arms, which constitutes a three-degree-of-freedom parallel mechanism for creating spatial motion, is supported at one end by a fixed frame so as to be swingable around one axis. Does not act on the bending moment about the one axis. Therefore, since the elastic deformation of the movable arm can be easily suppressed only by the cross-sectional shape of the movable arm, an apparatus having high positioning accuracy can be easily configured also in this regard.
[0019]
Further, in the configuration of the present invention, since the plane motion and the spatial motion are separately performed by different means, a wide working area can be easily obtained, and the size of the entire apparatus can be easily reduced. It is. In addition, since the mass of the parallel mechanism portion that performs only the spatial motion without performing the planar motion is reduced, and the elastic deformation of the node or the pair is reduced, the positioning accuracy can be improved also in this respect.
[0020]
In addition, since the plane motion and the space motion are performed separately by different means, for example, assuming a case where a rectangular side edge of a work to be processed is chamfered by a processing tool, a Two-dimensional position adjustment that holds the attitude of the processing tool with respect to each side edge of the workpiece by a parallel mechanism that only performs spatial motion, and the relative movement of the processing tool along each side edge of the workpiece to be processed is only plane motion In comparison with a conventional device in which both the holding and movement of this posture are performed by only one parallel mechanism, the angular displacement on the side of the parallel mechanism that supports the processing tool is an ideal constant. By keeping the value, high-precision processing can be easily performed.
[0021]
According to the configuration of the second aspect, it is possible to support the two-dimensional position adjustment mechanism that supports the first support and the parallel mechanism that supports the second support on one fixed base. Since a gate-shaped fixed frame is not required, the entire apparatus can be configured more compactly.
[0022]
Further, according to the configuration of the third aspect, the mechanism is more compared with a case where the three movable arms, which are main members of the parallel mechanism supporting the second support, are capable of expanding and contracting themselves. It is simple and easy to configure with high rigidity, and can be implemented at low cost. In addition, since the motor provided for each movable arm is arranged at the upper end of the movable arm, the motor is separated from the working space between the first and second supports, which is advantageous in terms of dust prevention measures.
[0023]
Furthermore, the configuration described in
[Brief description of the drawings]
1A is a plan view of the entire apparatus, and FIG. 1B is a front view of the same.
FIG. 2 is a plan view showing a first support on a base and a two-dimensional position adjusting mechanism thereof.
FIG. 3 is a front view of FIG. 2;
FIG. 4 is a cross-sectional plan view showing a main part of the parallel mechanism.
FIG. 5 is a side view showing a modification of the main part.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
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