JP2005103720A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脱着可能な基準点を有する支持ユニットで構成されたジグを用いることによってエンドエフェクタの位置及び姿勢を制御する機械のエンドエフェクタの位置及び姿勢の測定装置、及びその誤差を補正する誤差補正方法を提供する。
【解決手段】測定基準となるジグプレート８の上に複数の穴を持つスリーブ９が設けられており、着脱可能な固定球１０を先端に取り付けた支持ユニット１１を嵌め込む。支持ユニット１１は、ジグプレート８に設けられたスリーブ９へのはめ込み部に工具ホルダ用に用いられるテーパ面と端面の２面拘束の状態となっている。他の部材に支えられたエンドエフェクタ１２にホルダー１４が取り付けられ、測長装置は１５は固定球１０と移動球１３との間に取り付けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定物の正確な位置を把握するための測定装置及び測定方法に関するものである。

工作機械やロボットなどアクチュエータによって、主軸、工具、ハンド、その他（以下それらを一括してエンドエフェクタという）の位置及び姿勢を制御する機械において、その機構の位置や姿勢を測定したり、幾何学的な誤差をゼロにすることは非常に困難であって、エンドエフェクタの位置及び姿勢の測定値には誤差が含まれていた。
このエンドエフェクタの位置及び姿勢の誤差を補正するものとして、特許文献１（特開平４−２１１８０６号公報）には、複数の既知の基準点を有するジグにロボットのエンドエフェクタを位置合わせし、ロボットに付設した位置検出器によってその時の位置を検出し、検出した位置と予め測定されている基準位置とのずれより前記ロボットの機構の幾何学的な誤差を推定し、この誤差を補正することにより前記エンドエフェクタの位置及び姿勢の誤差を補正する技術が開示されている。

前記の補正技術は、ジグやそのジグの位置合わせに高い精度が要求されると共に、大型化してしまう不具合があることから、出願人は、特許文献２（特開２０００−２８８９６５号公報）に記載の如く、測定基準となるジグプレートに、鋼球を備えた自在継ぎ手固定部材を３以上設ける一方、他の部材に支えられた被測定物に、鋼球を備えた自在継ぎ手固定部材を取り付け、前記固定部材に備えられた鋼球と鋼球とに跨って架け渡したいわゆるダブルボールバー（ＤＢＢ）測長装置によって、鋼球間の距離を測定し、その測定値を基に機械における機構の幾何学的誤差を推定し、エンドエフェクタの位置及び姿勢の誤差を補正する装置を提案した。

特開平４−２１１８０６号公報 特開２０００−２８８９６５号公報

ところで、ＤＢＢ測長装置を用いた測定をパラレルメカニズム型工作機械のキャリブレーションに利用するには根本的な問題がある。
ＤＢＢ測定において得られるのは二球間の相対距離である。
即ち、キャリブレーションは固定球の位置を基準とした相対的な座標系での運動誤差に基づいて行われ、テーブルを基準とした絶対的な座標系上での位置決め誤差が評価されているわけではない。
その結果として、キャリブレーション後の運動精度も、作業領域全体を網羅する絶対的な座標系上での位置決め精度は必ずしも保証されていない。
前記特許文献１に記載の装置は、ジグプレートに複数の自在継手固定部材が取り付けられているので、測定の際に、測長装置が自在継ぎ手固定部材と干渉して測定できなくなる問題があった。
又、複数の自在継ぎ手固定部材の制作や取り付けには高精度が要求されるので、装置全体が高価なものとなってしまう。

本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、測長装置が自在継ぎ手固定部材と干渉することをなくし、他の部材に支えられた被測定物であるエンドエフェクタの位置もしくは位置及び姿勢の測定をすることができる高精度でコンパクトな測定装置を提供することにある。
又、本発明は、より高精度なキャリブレーションを行うために、ＤＢＢ測長装置の固定球を再現性良く取り付けられるジグプレートを用いて、円弧補間運動誤差軌跡を絶対座標系で評価可能とすることを目的とする。

本発明は、固定球を備えた支持ユニットと、その支持ユニット取り付け用の取り付け座が複数設けられているジグプレートと、被測定物に装着可能な移動球付きのホルダと、前記ジグプレートに取り付けられた支持ユニットの固定球と、前記被測定物に装着されたホルダに付いている移動球との間へ着脱自在に架設される測長装置とを備え、前記測長装置により固定球と移動球との距離を測定することによってジグプレートに対する被測定物の位置を算出可能とした測定装置と、その測定装置を用い、支持ユニットを複数の前記取り付け座のいずれか一つに選択的に取り付けて、ホルダが装着されている被測定物の位置を測定することを、複数の取り付け座に支持ユニットを付け替えて行う測定方法とにある。
前記取り付け座には、外周をジグプレートに形成された嵌め込み穴に合致させた嵌合部の中心にテーパ穴を有した筒状のスリーブを採用することができ、支持ユニットは、高さの異なる複数種を用意しておくことが望ましい。

邪魔になる支持ユニットを外した状態にしておくことによって、測定を妨げる要因を取り除くことができる。
そして取り付け座をスリーブとすることで、支持ユニットの正確な取り付けが可能となるばかりか、着脱操作を容易に行うことができる。
又、高さの異なる複数種の支持ユニットを用意しておけば、測定条件に応じて使い分けできる。

先ず、本発明の測定装置を使用して測定するにあたり、被測定物であるエンドエフェクタの位置及び姿勢を制御する具体的な装置を例示する。
図１は空間６自由度スチュワートプラットフォーム型パラレルメカニズム工作機械を示したもので、この工作機械は、工具取り付け部を有するエンドエフェクタ１は自在継ぎ手２を介してボールねじ３に取り付けられ、そのボールねじ３は、自在継ぎ手４を介してフレーム５に取り付けられている。
自在継ぎ手４に取り付けられたサーボモータ６によってボールねじ３のナットを回転させ、自在継ぎ手２，４の間のボールねじ３の長さを変えることにより、エンドエフェクタ１の位置と姿勢が制御される。
エンドエフェクタ１に工具を取り付け、テーブル７に加工物を乗せて加工を行う。

この種の工作機械には、エンドエフェクタ１の基準点に対する自在継ぎ手２，４の回転中心の位置、自在継ぎ手２，４間のボールねじ３の長さなどには、設計値に対して幾何学的な誤差があるため、その誤差が、エンドエフェクタ１の位置や姿勢の精度に影響を与えている。
そこでその幾何学的な誤差を推定しエンドエフェクタの位置及び姿勢を補正しようとするのが本発明の装置である。

図２は実施形態を示す測定装置の１例を示した斜視図であり、図３は支持ユニットの取り付けを示した断面図である。
テーブルに固定されるジグプレート８には、嵌め込み穴に合致させた嵌合部の中心にテーパ穴を有した筒状のスリーブ９を嵌め込むことにより、後述する支持ユニット取り付け用の取り付け座が、同一平面上に複数設けられており、前記スリーブ９には、先端に固定球１０を備えた支持ユニット１１が着脱自在に取り付け可能となっている。
そしてその支持ユニット１１は、高さの異なる複数が用意されている。
被測定物であるエンドエフェクタ１２には、移動球１３付きのホルダ１４を装着し、前記固定球１０と移動球１３との間には、測長装置１５が架設される。

測長装置１５としては、例えば、両端に、磁気を帯びた球受け部材を備えていて、それらの球受け部材で固定球１０と移動球１３とをホールドさせることによって、固定球１０と移動球１３との間に架設するダブルボールバー測長装置（ＤＢＢ）が好適利用される。
支持ユニット１１は、スリーブ９のテーパ穴に嵌め込むことによって、工作機械で採用されている工具ホルダと同様に、テーパにより支持ユニット１１を繰り返し精度良く取り付けることができる。
特に近年の二面拘束工具のように、テーパ面と端面の二面で確実に拘束されるようにしたのものが図３に示されている。

本発明の装置によるキャリブレーションの手順について説明する。
先ず、ジグプレート８を、工作機械のテーブル７上に、中央の取り付け座が、ほぼ機械原点と重なるように位置決めし、固定する。
そして、ジグプレート８の中央に位置する座としてのスリーブ９のテーパ穴に、支持ユニット１１を取り付ける。
エンドエフェクタ１２の座標は、ＸＹ座標を原点、Ｚ座標を固定球位置と同じ高さにセッティングした後、半径分移動し、測長装置１５を固定球１１と移動球１３との間に架設し、測定作業を実行する。
前記エンドエフェクタのセッティングする際、高さの異なる複数の支持ユニットから、最適な高さのものを選択できるようにすることが望ましい。
次に、測長装置１２を一旦外し、取り付け位置を変更した支持ユニットに付け代え、再度測長作業を実行する。
このような作業を複数回繰り返し、円弧補間運動誤差軌跡を収集する。

円弧中心への位置決めは、予め三次元測定機で測定した固定球位置に基づいて行う。
最後に、得られた円弧補間運動誤差軌跡は、中心補正を行わず、そのままのデータをキャリブレーションの計算に用いる。
キャリブレーション後の座標系は測定用ジグプレート上の固定球位置を基準として定義されるため、ジグプレートをテーブル上のT 字溝などを基準として固定すれば、テーブルに対する平面度・真直度なども十分な精度が得られる。

表１に従来のＤＢＢ法と本実施形態による円弧補間運動による円弧中心の位置誤差測定結果の一例を示す。
ａ〜ｈはＸ，Ｙ，Ｚの座標が各々異なる各測定位置を示し、測定結果に対し位置ａを基準としてｂ〜ｈの各点の相対誤差を示したものである。
表１から、一例として本発明による治具を用いることによりキャリブレーション後の中心位置決め誤差が平均４７．９μｍから平均８．６μｍまで改善されたことが確認でき、これは、作業領域の全体で治具を基準とした座標系上の位置決め精度が大きく向上したことを示している。

又、作業領域全体での位置決め精度を検証するため、主軸位置決めのテーブルに対する平面度及びＸ軸方向の平行度を測定した。
具体的には、Ｘ＝−２６０ｍｍ〜２６０ｍｍ、Ｙ＝−２６０ｍｍ〜２６０ｍｍの範囲内の計８点において、Ｚ座標を一定値に位置決めしたときのテーブルからの実際の距離をマイクロメータを用いて測定した。
（Ｘ，Ｙ）＝（２６０，２６０）ｍｍの位置を基準として、テーブルに対する平面度誤差をプロットしたものを図４の（ａ）に示す。
又、主軸をＸ軸方向に移動させたときの平行度誤差をマイクロメータで測定した結果を図４の（ｂ）に示す。
両図において、従来のＤＢＢ法では平面度誤差がＸ３８０ｍｍ×Ｙ３８０ｍｍの平面上で、１８６μｍ、平行度誤差がＸ３８０ｍｍの範囲で７８μｍと非常に大きいが、本発明の装置を使用して行ったキャリブレーションにより、平面度誤差２０μｍ、平行度誤差１９μｍと大きく改善されている。

前記実施例の測定装置は、取り付け座をスリーブで構成することにより、着脱容易で、高精度にて位置決め固定することが可能となっているが、着脱可能且つ高精度にて位置決め固定可能であれば、取り付け座の形態は任意に設計して差し支えない。
本発明の装置は、ジグプレートに支持ユニットを複数取り付けて、前掲した特許文献２に記載の測定形態を採ることも可能であって、その場合、高さの異なる支持ユニットを混在させることで、測長装置と支持ユニットとの干渉を回避することができる。

尚、支持ユニットを複数取り付けて測定するキャリブレーションの手順については、特許文献２に詳しく説明されているので、ここでは重複説明を省略する。
又、本発明に係わる装置は、空間６自由度スチュワートプラットフォーム型パラレルメカニズム工作機械に限定されるものではなく、６自由度未満のスチュワートプラットフォーム型パラレルメカニズム工作機械、ロボット、産業機械、測定機なども対象となる。
更に、パラレルメカニズムとしてはスチュワートプラットフォーム型に限らず屈曲型、スライド型、更には、シリアルメカニズムでもよい。

本発明の誤差補正の対象である機械の一例としてのパラレルメカニズム工作機械を示す。 実施形態を示す測定装置の一例を示す斜視図。 支持ユニットの固定部の断面図。 従来例と本実施形態による実験結果を示すもので、（ａ）は平面度誤差、（ｂ）は平行度誤差を示す説明図である。

符号の説明

１・・エンドエフェクタ、 ２・・自在継ぎ手、３・・ボールねじ、４・・自在継ぎ手、５・・フレーム、６・・サーボモータ、７・・テーブル、８・・ジグプレート、９・・スリーブ、 １０・・固定給、１１・・支持ユニット、１２・・エンドエフェクタ、１３・・移動球、１４・・ホルダ、１５・・測長装置。

Claims (4)

1. 固定球を備えた支持ユニットと、その支持ユニット取り付け用の取り付け座が複数設けられているジグプレートと、被測定物に装着可能な移動球付きのホルダと、前記ジグプレートに取り付けられた支持ユニットの固定球と前記被測定物に装着されたホルダに付いている移動球との間へ着脱自在に架設される測長装置とを備え、前記測長装置により固定球と移動球との距離を測定することによってジグプレートに対する被測定物の位置を算出可能としたことを特徴とする測定装置。
2. 取り付け座は、外周をジグプレートに形成された嵌め込み穴に合致させた嵌合部の中心にテーパ穴を有した筒状のスリーブである請求項１に記載の測定装置。
3. 支持ユニットは、高さの異なる複数種が用意されている請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の測定装置を用い、支持ユニットを複数の前記取り付け座のいずれか一つに選択的に取り付けて、ホルダが装着されている被測定物の位置を測定することを、複数の取り付け座に支持ユニットを付け替えて行うことを特徴とする測定方法。

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