JP2009000800A - パラレルメカニズム及びこれを備えた工作機械 - Google Patents

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浩充 太田
Yoshio Wakazono
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Abstract

【課題】構成部品の破損等の発生を防止することと、リンクヘッドの移動・回動動作として所望の移動・回動動作を得ることと、機構全体の小型化を図ることとを可能としたパラレルメカニズム及びこれを備えた工作機械を提供する。
【解決手段】リンクヘッド301の3自由度の回動及び移動の少なくとも一方の制御が可能なパラレルメカニズム300であって、リンクヘッド301を駆動するための4個のアクチュエータと、これら4個のアクチュエータにそれぞれ接続される4個のリンク350A,350B,351A,351Bを含み、リンクヘッド301に接続されるリンク集合体350,351とを備え、これらリンク集合体350,351とリンクヘッド301との間に介在する回転ジョイント355を、リンクヘッド301に対して一軸線方向に可撓性を有する弾性ヒンジを有して形成された直動ジョイント370により接続する構成とした。
【選択図】図2

Description

本発明は、例えば被加工物(ワーク)を加工するための工具(加工ツール)を変位させる場合に駆動力伝達機構として用いるパラレルメカニズム及びこれを備えた工作機械に関する。
周知のように、工作機械には研削盤及び旋盤・フライス盤等があり、これら各種の工作機械はその加工内容に応じて選択的に用いられる。
このような工作機械においては、砥石,切削工具等の工具を支持する主軸頭や、ワークを支持するテーブル等を所望の位置に移動させたり、所望の角度で回動させたりすることにより、ワークと工具とを相対的に変位させて研削や切削等の加工が行われる。
近年、この種の工作機械には、高剛性・高精度・高速性を実現する機構として有効であることから、ベースからリンクヘッドまでが並列に連結されたリンクを有するパラレルメカニズム及びこれを備えた工作機械が知られている(例えば特許文献1)。
この工作機械のパラレルメカニズムは、リンクヘッドの3自由度の回動及び移動の少なくとも一方の制御が可能であって、リンクヘッドを駆動するための4個のアクチュエータと、これら4個のアクチュエータにそれぞれ接続される4個のリンクを含み、リンクヘッドに接続されるリンク集合体とを備え、これらリンク集合体とリンクヘッドとの間に介在する回転ジョイントを直動ジョイントを介して接続することにより、リンクヘッドに対して一軸線方向に相対移動可能とされている。
このように構成されたパラレルメカニズムにおいては、回転ジョイントがリンクヘッド上で移動可能であるため、各構成部品の加工精度や構成部品同士の組付精度が悪い場合や、またリンクが使用時等の熱変化によって伸縮する場合等の機構パラメータPに起因する各種誤差を吸収することができ、これら寸法誤差に起因する構成部品及びアクチュエータへの過負荷発生を防止することができる。
特開2007−144533号公報
しかし、特許文献1によると、直動ジョイントは、ジョイント案内用のレールを移動されるので、このレールの移動方向である一軸線方向以外、例えば、これに直交する方向にはレールのガタあるいは隙間により剛性が低く、位置決め精度または加工時の剛性が十分ではなかった。
従って、本発明の目的は、構成部品の破損等の発生を抑制し、機構全体の小型化を図りつつ、位置決め精度または加工時の剛性に優れたパラレルメカニズム及びこれを備えた工作機械を提供することにある。
[1]本発明は、上記目的を達成するために、リンクヘッドのN(N:自然数)自由度の回動及び移動の少なくとも一方の制御が可能なパラレルメカニズムであって、前記リンクヘッドを駆動するためのN+1個の駆動機構と、前記駆動機構にそれぞれ接続されるN+1個のリンクを含み、前記リンクヘッドに接続されるリンク機構と、前記リンク機構と前記リンクヘッドとの間に介在し、前記リンクヘッドに対して一軸線方向に相対移動可能に前記リンク機構と前記リンクヘッドを接続する1つの従動接続部とを有し、前記従動接続部は、前記一軸線方向に可撓性を有する弾性ヒンジを有して形成されていることを特徴とするパラレルメカニズムを提供する。
[2]本発明は、上記目的を達成するために、ベッドと、一端が第1の回動部を介して第1の軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第1の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第1の軸線と直交する第2の軸線に沿って移動可能に支持された1対のリンクから構成される第1のリンク機構と、一端が第2の回動部を介して前記第1の軸線と平行な軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第1の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第2の軸線に沿って移動可能に支持された1対のリンクから構成される第2のリンク機構と、前記各リンクの他端を前記ベッドに対して前記第2の軸線に沿ってそれぞれ移動させる駆動機構と、前記第1の回動部が前記第1の軸線と直交する一軸線方向に従動接続部により相対移動可能に接続され、前記第2の回動部が前記第1の回動部の接続位置とは前記第1の軸線と直交する方向にオフセットされた位置で相対移動不能に接続されたリンクヘッドとを有し、前記従動接続部は、前記一軸線方向に可撓性を有する弾性ヒンジを有して形成され、また、前記駆動機構を制御することにより、前記リンクヘッドが前記第1の軸線と直交する平面内での移動と前記第1の軸線と平行な軸回りの回動が可能であることを特徴とするパラレルメカニズムを提供する。
[3]前記従動接続部は、前記リンクヘッド側に固定されるハウジング部、前記ハウジング部に連なる複数の前記弾性ヒンジ、前記弾性ヒンジに連なるストレート部、前記ストレート部に連なり前記リンク機構と接続されるリング部とを、一枚板を厚さ方向に切り欠くことによって形成してなることを特徴とする上記[1]または[2]に記載のパラレルメカニズムであってもよい。
[4]また、前記弾性ヒンジは、支持リンクと、前記支持リンクの両端で前記ハウジング部および前記ストレート部にそれぞれ連なり前記支持リンクより薄肉のヒンジ部とを有して構成されることを特徴とする上記[3]に記載のパラレルメカニズムであってもよい。
[5]本発明は、上記目的を達成するために、上記[1]乃至[4]のいずれかに記載のパラレルメカニズムを備えた工作機械であって、工具又はワークの一方が前記リンクヘッドに、他方が前記ベッドにそれぞれ取り付けられることを特徴とするパラレルメカニズムを備えた工作機械を提供する。前記従動接続部は、前記弾性ヒンジが、前記リンクヘッドに回転可能に装着される前記工具又は前記ワークの回転中心である前記一軸線方向に可撓性を有して支持されていることを特徴とする上記記載のパラレルメカニズムを備えた工作機械であってもよい。
本発明によると、構成部品の破損等の発生を防止することと、リンクヘッドの移動・回動動作として所望の移動・回動動作を得ることと、機構全体の小型化を図ることとが可能となる。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の全体を説明するために示す平面図である。
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の要部を説明するために示す斜視図である。
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の要部の1つであり、従動接続部としての直動ジョイント370の構成を示すもので、(a)は、図2のA−A断面図、(b)は、図2のB−B断面図、(c),(d)は、C部拡大図である。
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の制御装置を説明するために示すブロック図である。なお、以下の説明においては、互いに直交する3つの方向をそれぞれz軸(第2の軸線)方向(図1における主軸方向)及びx軸(第3の軸線)方向(図1における紙面に平行かつz軸に直交する方向)・y軸(第1の軸線)方向(図1における紙面に垂直でz軸に直交する方向)とする。
(工作機械の全体構成)
図1及び図2において、符号1で示す工作機械は、例えば円筒研削盤からなり、工作機械本体2及び制御装置3・付属装置(図示せず)から大略構成されている。
(工作機械本体2の構成)
工作機械本体2は、図1に示すように、ワークWを回転駆動可能に支持するワーク支持駆動ユニット100と、砥石等の加工ツール501が着脱可能に装着されるホイール回転主軸ユニット200と、リンクヘッド301をツール取付側に保持するパラレルメカニズム300とを備えている。
(ワーク支持駆動ユニット100の構成)
ワーク支持駆動ユニット100は、主軸台ベース101及び左右2つの主軸台103を有し、ベッド(基台)10上の前方端部(図1では下側)に載置されている。主軸台ベース101の背面部(図1では上側)には、左右(z軸)方向に所定の間隔をもって並列し、かつz軸方向に延在する左右2つの主軸台スライドガイド102が配設されている。左右2つの主軸台103は、それぞれが対応する主軸台スライドガイド102上にz軸方向に沿って移動自在に配設されている。そして、各主軸台スライドガイド102上における所定の位置に位置決めされ、その両中心部間でワークWを挟持するように構成されている。左右2つの主軸台103には、それぞれ主軸105を所定の回転数で回転駆動する主軸駆動モータ104が搭載されている。
(ホイール回転主軸ユニット200の構成)
ホイール回転主軸ユニット200は、加工ツール501の被把持部を把持可能なホイール回転主軸201及びこのホイール回転主軸201を回転駆動するホイール回転主軸駆動モータ(図示せず)を有し、リンクヘッド301に搭載されている。そして、ホイール回転主軸駆動モータの回転駆動力をホイール回転主軸201に伝達し、さらにホイール回転主軸201上の加工ツール501を所定の回転数で回転駆動するように構成されている。
(パラレルメカニズム300の構成)
パラレルメカニズム300は、図2に示すように、1対のリンク集合体(リンク機構)350,351を有する多自由度(直線2軸及び回転1軸の3自由度)リンク機構からなり、ワーク支持駆動ユニット100の後方に配設され、かつベッド10の立ち上がり部(図示せず)にz軸方向に延びるスライダ案内用のレール(ガイドレール)360,363を介して片持ち支持されている。そして、前述したようにツール取付側にリンクヘッド301を保持するように構成されている。ガイドレール360,363は、z軸方向に延び、y軸方向に互いに所定の間隔をもって並列する位置に配置されている。
リンクヘッド301は、リンク集合体350,351のリンクヘッド側端部に保持され、ベッド10に対しy軸と直交する同一の仮想面(移動・回動仮想面)上でy軸回りに回動し、かつx軸・z軸の2方向に移動し得るように構成されている。
リンクヘッド301の上面部には、回転軸線T方向、すなわち、図2の矢印方向(y軸と直交する一軸線方向)に移動可能な被検出部付きの直動ジョイント(変位機構)370が配設されている。直動ジョイント370の上面部には、回転ジョイント354にリンクヘッド301の移動・回動仮想面内で回転軸線Tに沿って並列する第1の回動部(接続部)であって、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度の回転ジョイント355が配設されている。また、リンクヘッド301の上面部には、直動ジョイント370のスケール部371dに設けられた被検出部(スリット)372を検出し、両回転ジョイント354,355間の距離Lの誤差を検出するためのリニアスケール等の位置センサ380(図3に示す)が配設されている。
リンクヘッド301の下面部には、回転ジョイント355の配設位置とは直動ジョイント370の移動方向にオフセットされた位置で移動不能な第2の回動部(接続部)であって、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度の回転ジョイント354が配設されている。
(直動ジョイント370の構成)
従動接続部としての直動ジョイント370は、図3に示すように、回転ジョイント355と回転可能に嵌合するための中心シャフト375が嵌合するリング部371b、リング部371bのそれぞれ対向する外周面に形成されたストレート部371cおよびスケール部371dが弾性ヒンジ371eでハウジング部371aの内部に一方向に可撓性を有してフローティング状態で支持されている。
弾性ヒンジ371eは、可撓性を有さない支持リンク371fと、この支持リンク371fとハウジング部371aとを可撓性を有した状態で連結するヒンジ部371gとで構成されている。すなわち、弾性ヒンジ371eは、支持リンク371fと、この支持リンク371fの両端でハウジング部371aおよびストレート部371cにそれぞれ連なり支持リンク371fより薄肉のヒンジ部371gとを有して構成されている。
上記示した直動ジョイント370は、ハウジング部371a、リング部371b、ストレート部371c、スケール部371d、支持リンク371f、および、ヒンジ部371gとが一体として形成され、図示したx方向には可撓性を有し、x軸と直交するz軸またはy軸方向には可撓性を有しない。ここで、可撓性とは、ハウジング部371aに対してフローティング状態で支持されているリング部371b、ストレート部371c、スケール部371d等の可動部の剛性が小さいことをいう。この可撓性あるいは可動部の剛性は、弾性ヒンジ371eの個数を変更することや、ヒンジ部371gの厚さ等の形状を変更することで所望の値に設定可能である。
直動ジョイント370は、図3(a)に示すy方向の所定の厚さの板厚部材、例えば、鋼材、銅合金、アルミニウム合金等の板材を、例えば、ワイヤ放電加工により製作することが可能である。その他の加工法、例えば、金属または樹脂によるモールド成形も可能であり、また、上記示したような一体に形成せず、一部を別部材で形成した後に一体化して組立てることで製作することも可能である。
本実施の形態では、図示した空隙部371hをワイヤ放電加工により除去して加工することで、ハウジング部371a、リング部371b、ストレート部371c、スケール部371d、支持リンク371f、および、ヒンジ部371gとを一体として形成している。
ヒンジ部371gは、図3(c),(d)に示すように、所定の幅wと厚さtで規定される薄板状に形成してもよく、また、所定のRと厚さtで規定される円弧の組合せ形状で形成してもよい。尚、図示のy方向の厚さは、略、所定の厚さの板厚部材で規定される。
この直動ジョイント370により、回転ジョイント355がリンクヘッド301に対して、x軸方向に相対移動可能とされ、z軸方向およびy軸方向には相対移動不能(高剛性)とされる。
1対のリンク集合体350,351は、ベッド10(立ち上がり部)とリンクヘッド301との間に配設され、かつリンクヘッド301の移動・回動仮想面を水平面とする位置に保持されている。そして、アクチュエータ356〜359(図4に示す)の駆動によってリンクヘッド301を同一の移動・回動仮想面上でx軸及びz軸方向に移動させるとともに、y軸回りに回動させてその位置及び姿勢を変更し得るように構成されている。アクチュエータ356〜359としては、各スライダ(後述)を移動させる送りねじ(図示せず)及びこれら送りねじを駆動するサーボモータからなる駆動機構が用いられる。アクチュエータ356〜359にはモータ回転検出用エンコーダ31〜34(図3に示す)が取り付けられている。なお、アクチュエータ356〜359としてはリニアモータ等の駆動機構を用いてもよい。
(第1のリンク機構)
第1のリンク機構であるリンク集合体351は、ヘッドリンク301の移動・回動仮想面(リンク集合体351が配置される仮想面と平行な仮想面)と平行な仮想面上で揺動可能な2つのリンク351A,351Bを有し、リンクヘッド301の上方に配設され、かつリンク集合体350に並設されている。リンク351A,351Bのリンク長は、両リンク350A,350Bのリンク長と同一の寸法に設定されている。
リンク351Aは、一方側のリンク端部がレール360と平行な位置でベッド10上におけるスライダ案内用のレール363にスライダ364及び回転ジョイント383を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部がリンクヘッド301に直動ジョイント370及び回転ジョイント355を介して移動・回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ358によってレール363上を、また直動ジョイント370及び回転ジョイント355を介してリンクヘッド301の一軸線方向(回転軸線T方向)をそれぞれ移動し得るように構成されている。ここで、回転ジョイント383は、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度のジョイントとして機能する。
リンク351Bは、一方側のリンク端部がレール363にスライダ365及び回転ジョイント384を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部がリンクヘッド301に直動ジョイント370及び回転ジョイント355を介して移動・回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ359によってレール363上を移動し、かつリンク351A(回転ジョイント383)に対して接近・離間し得るように、また直動ジョイント370及び回転ジョイント355を介してリンクヘッド301の一軸線方向(回転軸線T方向)を移動し得るようにそれぞれ構成されている。ここで、回転ジョイント384は、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度のジョイントとして機能する。
(第2のリンク機構)
第2のリンク機構であるリンク集合体350は、リンクヘッド301の移動・回動仮想面と平行な仮想面上で揺動可能な2つのリンク350A,350Bを有し、リンクヘッド301の下方に配設されている。リンク350A,350Bのリンク長は同一の寸法に設定されている。
リンク350Aは、一方側のリンク端部がベッド10上におけるスライダ案内用のレール360にスライダ361及び回転ジョイント381を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部が回転ジョイント354に回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ356によってレール360上を移動し得るように構成されている。ここで、回転ジョイント381は、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度のジョイントとして機能する。
リンク350Bは、一方側のリンク端部がレール360にスライダ362及び回転ジョイント382を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部が回転ジョイント354に回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ357によってレール360上を移動し、リンク350A(回転ジョイント381)に対して接近・離間し得るように構成されている。ここで、回転ジョイント382は、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度のジョイントとして機能する。
(制御装置3の構成)
制御装置3は、図4に示すように、CPU(中央演算処理装置)71及びメモリ72・インターフェイス(I/F)73〜75を備え、直交座標系で与えられるリンクヘッド301の移動位置情報に対応する指令値Uを機構パラメータPに基づいてアクチュエータ356〜359の出力値に変換し、これら各アクチュエータ356〜359を駆動制御するように構成されている。
(CPU71の構成)
CPU71は、メモリ72あるいは外部記憶装置78に記憶された加工プログラムを読み出し解析し、直交座標系で与えられるリンクヘッド301の移動位置・姿勢情報を機構パラメータPに基づき各アクチュエータ356〜359への駆動指令値に変換してサーボモータユニット80へ出力する。
(メモリ72の構成)
メモリ72には、加工ツール501による実加工処理を実行するための加工プログラムや機構パラメータP等の各種情報が記憶されている。
(インターフェース73〜75の構成)
インターフェース73には、アクチュエータ(サーボモータ)356〜359を駆動するサーボモータユニット80(81〜84)が接続されている。サーボモータユニット81〜84は、CPU71からの指令値に基づいてアクチュエータ356〜359をそれぞれ駆動し、これら各アクチュエータ356〜359のモータ回転検出用エンコーダ31〜34からの出力によってフィードバック制御を実行する。インターフェース74には、加工データ等を入力するためのキーボード(KB)76及び加工データや工作機械1の状態等を表示する画像表示装置(CRT)77・加工データを記憶する外部記憶装置78が接続されている。インターフェース75には位置センサ380が接続されている。
(付属装置の構成)
付属装置は、オイル供給装置・冷却装置・エア供給装置・クーラント供給装置と、これら装置を工作機械本体2に接続するダクト装置等とから構成されている。
(工作機械1の動作)
次に、本実施の形態に係る工作機械の動作につき、図5〜図8を用いて説明する。図5は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのx軸平行動作を説明するために示す平面図である。図6は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドの回動動作を説明するために示す平面図である。図7は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのx−z軸平行動作を説明するために示す平面図である。図8は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのx−z軸平行・回動動作を説明するために示す平面図である。なお、図5〜図8においては、直動ジョイントが省略されている。
(x軸平行動作)
図5に2点鎖線で示す初期位置から回転ジョイント381,382(スライダ361,362)を同一の移動量z1で互いに接近する方向にレール360に沿って移動させるとともに、回転ジョイント383,384(スライダ364,365)を同一の移動量z2(z1=z2)で互いに接近する方向にレール363に沿って移動させると、加工ツール501の回転軸線Tを基準線Oに合致させた状態でリンクヘッド301がx軸方向に移動して図5に実線で示す位置に配置される。
(回動動作)
図6に2点鎖線で示す初期位置から回転ジョイント381,382(スライダ361,362)を互いに異なる移動量z1,z2(z2>z1)で同方向(左方)に移動させるとともに、回転ジョイント383,384(スライダ364,365)を互いに異なる移動量z3,z4(z4>z2>z3>z1)で同方向(左方)に移動させると、リンクヘッド301がy軸を中心に反時計方向に回動して例えば加工ツール501の回転軸線Tを基準線Oと直角にした状態で図6に実線で示す位置に配置される。
(x−z軸平行動作)
図7に実線で示す初期位置から回転ジョイント381,382(スライダ361,362)を互いに異なる移動量z1,z2(z2>z1)で同方向(右方)にそれぞれ移動させるとともに、回転ジョイント383,384(スライダ364,365)を互いに異なる移動量z3,z4(z4>z2>z1>z3)で同方向(右方)にそれぞれ移動させると、リンクヘッド301が斜方に移動して図7に2点鎖線で示す位置に配置される。
(x−z軸平行・回動動作)
図8に実線で示す移動位置から回転ジョイント381,382(スライダ361,362)を互いに異なる移動量z1,z2(z2>z1)で同方向(右方)にそれぞれ移動させるとともに、回転ジョイント383,384(スライダ364,365)を互いに異なる移動量z3,z4(z4>z2>z1>z3)で同方向(右方)にそれぞれ移動させると、リンクヘッド301が斜方に移動するとともに、y軸を中心に時計方向に回動して図8に2点鎖線で示す位置に配置される。この場合、回転ジョイント384(スライダ365)の移動量は、(x−z軸平行動作)の場合における回転ジョイント384(スライダ365)の移動量より大きい移動量に設定されている。
このように、本実施の形態においては、リンクヘッド301をx軸及びz軸に沿って移動させるとともに、y軸回りに回動させることにより、リンクヘッド301の位置及び姿勢を制御し、左右2つの主軸台103によって挟持されたワークWに対する加工を行うことができる。
この場合、スライダ361,362,364,365を位置決めすると、リンクヘッド301上の回転ジョイント354,355の位置がそれぞれ決定されるため、リンクヘッド301の移動・回動位置(加工ツール501の先端位置)が決定される。このため、リンクヘッド301を所望の移動・回動位置に位置決めするには、これら移動・回動位置から特定の演算式(逆変換式)に基づいてスライダ361,362,364,365の位置を演算し、これら演算値に対応する位置にスライダ361,362,364,365を移動させる。
次に、特定の逆変換式を用いてスライダ361,362,364,365の位置(移動量)を求める手順について説明する。ここで、加工ツール501の先端位置の座標を(x,z,B)とすると、回転ジョイント354の座標(x1,z1)及び回転ジョイント355の座標(x2,z2)を求めると、次に示すようになる。
Figure 2009000800
これより、アクチュエータ356〜359によるスライダ361,362,364,365の移動量(アクチュエータの座標)U=(U1,U2,U3,U4)は、次のように求められる。
Figure 2009000800
なお、スライド原点位置(SLO1x,SLO1z,SLO2x,SLO2z,SLO3x,SLO3z,SLO4x,SLO4z)及びスライド角度(SLA1,SLA2,SLA3,SLA4)・リンク長(RL1,RL2,RL3,RL4<但し、図10の例ではRL1=RL2=RL3=RL4>)は、図10に示すようなパラレルメカニズム300の機構パラメータPである。
このようにして求められるアクチュエータ座標Uにスライダ361,362,364,365を位置決めすることにより、リンクヘッド301の位置及び姿勢、すなわち、(x、z、B)を制御することができる。この場合、回転ジョイント354と回転ジョイント355のx−z平面での距離Lを逆変換式の中で定数としているため、直動ジョイント370(図2に示す)はリンクヘッド301に対して理論上は変位しない。ところが、現実には、パラレルメカニズム300を構成する各構成部品の製造誤差,組付誤差あるいは温度変化等の使用環境や長期使用による経年変化等により機構パラメータPは理論値通りではなく誤差を含むため、直動ジョイント370は変位してこれら誤差を吸収する。
本実施の形態においては、リンクヘッドがx軸平行動作・z軸平行動作・y軸回りの回動動作を行うことができる。すなわち、リンクヘッド301は3自由度をもって動作することが可能である。リンクヘッド301が3自由度の動作を達成するためには、図9(a)に示すように3つのリンク350A,350B,351Aをそれぞれ駆動する3つの駆動機構(アクチュエータ)を備えることが必要十分条件である。これに対して、本実施の形態におけるパラレルメカニズム300は、図9(b)に示すように4つのリンク350A,350B,351A,351Bをそれぞれ駆動する4つの駆動機構(アクチュエータ356〜359)を備えている。これには冗長な駆動機構が存在する。冗長な駆動機構を備えた他の理由は、パラレルメカニズムの課題である特異点が存在しないためである。冗長な自由度をもたない図9(a)の構成では、U1軸,U2軸を固定し、U3軸がリンクヘッド301を回動させようとした場合、2つの回転ジョイント354,355を結ぶ線分にリンク351Aが整列する状態においてU3軸を移動させることができない、いわゆる過可動特異点が存在する。これに対して、本実施の形態においては、図9(b)に示すように冗長な駆動軸(この状態ではU4軸)を有するため、特異点が存在しない。
(第1の実施の形態の効果)
以上説明した第1の実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。
(1)回転ジョイント355がリンクヘッド301上で移動可能であるため、各構成部品の加工精度や構成部品同士の組付精度が悪い場合や、またリンク350A,350B,351A,351Bが使用時等の熱変化によって伸縮する場合等の機構パラメータPに起因する各種誤差を吸収することができ、これら寸法誤差に起因する構成部品及びアクチュエータへの過負荷発生を防止することができる。
(2)各リンク集合体350,351がリンクヘッド301を介して互いに並設されているため、リンク350A,350Bとリンク351A,351Bとが互いに交差することがない。これにより、リンク350A,350B及びリンク351A,351Bの回動角を十分に大きい角度に設定することができ、リンクヘッド301の移動・回動動作として所望の移動・回動動作(回動範囲は360°以上)を得ることができる。
(3)リンクヘッド301がリンク集合体350,351によってベッド10(立ち上がり部)に片持ち支持されているため、リンク集合体350,351及びレール360,363の設置スペースを縮小することができ、機構全体の小型化を図ることができる。
(4)直動ジョイント370を、弾性ヒンジ371eを用いた構成としたので、リンクヘッド301の一軸線方向(回転軸線T方向)にのみ移動可能(可撓性)であり、他の直交する2方向には高剛性でリンクヘッド301が支持される。
図11は、加工時等に直動ジョイント370に作用する力F、f11〜f42、変位角度θの関係を示す図である。弾性ヒンジ371eは、x方向には剛性が低く、y軸およびz軸方向には剛性が高いので、図示したθが小さい範囲では、リング部371bが小さい力でx方向に移動可能である。また、x方向の比較的大きな変位に対しても、z方向およびy方向に変位を生じない。
加工時等に作用する力をF、各弾性ヒンジ371eに作用する反力をf11〜f42とすると、F=f+f+f+fであり、f=f11+f12、f=f21+f22、f=f31+f32、f=f41+f42であるから、x方向に変位した場合でも、z軸方向には複数の弾性ヒンジ371eで並列に支持しているので、各弾性ヒンジ371eには軸方向にしか力がかからない。よって、研削等の加工時に図示したF方向に荷重が作用しても、x方向には可撓性を有し、他のz軸またはy軸方向には高剛性を有するパラレルメカニズムおよびこれを備えた工作機械が可能となる。
(第2の実施の形態)
図12は、本発明の第2の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図12において、図2と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図12に示すように、第2の実施の形態に示すパラレルメカニズム21は、リンク集合体350,351がリンクヘッド301の移動・回動仮想面を水平面とする位置に配置され、リンク350A,350B,351A,351Bの重力(y軸)方向寸法が幅広の寸法に設定されている(リンク350A,350B,351A,351Bがy軸方向に厚さをもつ板状部材である)点に特徴がある。
このため、レール360,363は、重力方向に並設され、スライダ361,362,364,365を水平方向に案内するように構成されている。リンク351A,351Bのヘッドリンク側端部はリンクヘッド301を挟み込むようにして回転ジョイント354に回動可能に連結され、そのレール側端部はレール363にスライダ364,365及び回転ジョイント383,384を介して移動・回動可能に連結されている。また、リンク350A,350Bのヘッドリンク側端部はヘッドリンク301に直動ジョイント370及び回転ジョイント355を介して移動・回動可能に連結され、そのレール側端部はレール360にスライダ361,362及び回転ジョイント381,382(回転ジョイント381のみ図示)を介して移動・回動可能に連結されている。
(第2の実施の形態の効果)
以上説明した第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果(1)〜(3)に加え、次に示す効果が得られる。
リンク350A,350B,351A,351Bの重力(y軸)方向寸法が幅広の寸法に設定されているため、リンク350A,350B,351A,351Bの重力方向の撓みを抑制することができ、リンク350A,350B,351A,351Bの撓みによる位置決め誤差等を小さくすることができる。
なお、本実施の形態では、リンク350A,350B,351A,351Bがy軸方向に厚さをもつ板状部材である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、リンク350A,350B,351A,351Bのうち少なくとも1つがy軸方向に厚さをもつ板状部材であればよい。
(第3の実施の形態)
図13は、本発明の第3の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図13において、図2と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図13に示すように、第3の実施の形態に示すパラレルメカニズム31は、リンク集合体350,351がリンクヘッド301の移動・回動仮想面を鉛直面(y軸を水平線)とする位置に配置されている点に特徴がある。
このため、レール360,363は、水平(x軸)方向に並設され、スライダ361,362、364,365(スライダ362は図示せず)を水平方向に案内するように構成されている。リンク351A,351Bのヘッドリンク側端部がリンクヘッド301を挟み込むようにして回転ジョイント354に連結され、そのレール側端部がレール363にスライダ364,365及び回転ジョイント383,384を介して移動・回動可能に連結されている。また、リンク350A,350Bのヘッドリンク側端部がリンクヘッド301に直動ジョイント370及び回転ジョイント355を介して移動・回動可能に連結され、そのレール側端部がレール360にスライダ361,362(スライダ361のみ図示)及び回転ジョイント381,382(回転ジョイント381のみ図示)を介して移動・回動自在に連結されている。パラレルメカニズム31の下方には、x軸方向に移動可能なx軸直動テーブル311及びz軸回りに回転可能なC軸回転テーブル312が配設されている。
(第3の実施の形態の効果)
以上説明した第3の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果(1)〜(3)に加え、次に示す効果が得られる。
パラレルメカニズム31の下方にはx軸直動テーブル311及びC軸回転テーブル312が配設されているため、パラレルメカニズム31の高速性を活かしながら、A軸及びC軸の角度稼動範囲の広い5軸加工機(加工ツール:エンドミル)を構成することができる。この場合、C軸回転テーブル312に代えてy軸回りに回転されるB軸回転テーブルとしてもよく、x軸直動テーブル311に代えて、パラレルメカニズム31全体をx軸方向に直動させる構造としてもよい。
(第4の実施の形態)
図14は、本発明の第4の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図14において、図2と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図14に示すように、第4の実施の形態に示すパラレルメカニズム41は、リンク集合体350,351のリンク350A,350B,351A,351Bがリンク長手方向に伸縮可能である点に特徴がある。
このため、アクチュエータ356〜359は、リンク350A,350B,351A,351Bの実効長を伸縮させる伸縮アクチュエータからなり、ベッド10(図1に示す)上の立ち上がり部10Aに回転ジョイント411〜414を介して配設されている。
(第4の実施の形態の効果)
以上説明した第4の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果(1)〜(3)に加え、次に示す効果が得られる。
アクチュエータ356〜359としてリンク350A,350B,351A,351Bを伸縮させる伸縮アクチュエータを用いたものであるため、アクチュエータ356〜359を設置するためのスペースを縮小することができ、機構全体の小型化を図ることができる。
(第5の実施の形態)
図15は、本発明の第5の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図15において、図2と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図15に示すように、第5の実施の形態に示すパラレルメカニズム51は、リンク集合体350,351のリンク350A,350B,351A,351Bがそれぞれ1対のリンクエレメントa,bからなり、これら1対のリンクエレメントa,bが互いに回転ジョイント511〜514を介して回動可能に連結されている点に特徴がある。
このため、アクチュエータ356〜359は、リンク350A,350B,351A,351Bのリンクエレメントaを旋回させる回転モータからなり、ベッド10(図1に示す)上の立ち上がり部10Aに配設されている。
(第5の実施の形態の効果)
以上説明した第5の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果(1)〜(3)に加え、次に示す効果が得られる。
アクチュエータ356〜359としてリンク350A,350B,351A,351Bのリンクaを回動させる回転モータを用いたものであるため、アクチュエータ356〜359を設置するためのスペースを縮小することができ、機構全体の小型化を図ることができる。
(第6の実施の形態)
図16は、本発明の第6の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図16において、図2と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図16に示すように、第6の実施の形態に示すパラレルメカニズム61は、リンクヘッド301とアクチュエータ356〜359(図3に示す)との間にリンク350A,350B,351A,351Bが1自由度あるいは2自由度・3自由度のジョイントを介して配設されている点に特徴がある。
このため、リンク351Bの両端部には、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度のジョイントとしての回転ジョイント354,384が配設されている。また、リンク350A,350B,351Aの一端(レール側端部)にはユニバーサルジョイントに代表される2自由度のジョイント390A,390B,391Aが、リンク350A(350B),351Aの他端(リンクヘッド側端部)には球面ジョイントに代表される3自由度のジョイント395,396がそれぞれ配設されている。
(第6の実施の形態の効果)
以上説明した第6の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果(1)〜(3)と同様の効果が得られる。特に、誤差の影響がy軸方向(x軸回りの回転・z軸回りの回転)に出る場合に有効である。
なお、本実施の形態においては、リンクヘッド301のy軸方向への自由度を規制するために、y軸と平行な軸線の回りに回転する1自由度のジョイント(回転ジョイント354,384)をリンク351Bの両端に配設する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、他のリンク350A,350B,351A,351Bのいずれかのリンクの両端に配設してもよく、またリンク350A,350B,351A,351Bのうち2つのリンクあるいは3つのリンクの両端に配設してもよい。すなわち、リンク350A,350B,351A,351Bのうち少なくとも1つのリンクの両端は、y軸と平行な軸線の回りに回動可能な1自由度のジョイントが配設されていればよい。この場合、1自由度のジョイントを備える少なくとも1つのリンク以外のリンクの両端には、少なくともy軸と平行な軸線の回りに回動可能な2自由度及び3自由度のジョイントのいずれかのジョイントを適宜選択して配設することが可能である。
以上、本発明の工作機械を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。
(1)各実施の形態では、リンク350A,350B,351A,351Bのリンク長を同一の寸法にして部品の共通化を図るために、各スライダ案内用のレール360,365をy軸方向のみならずx軸方向にも離間させて平行に配置する場合について説明したが、本発明はx軸方向には離間させる必要はなく、ベッド10(立ち上がり部)の同一平面状に両スライダ案内用のレール360,365を取り付けるようにしてもよい。
(2)各実施の形態では、回転ジョイント354,355がリンクヘッド301の各側部(上下側部又は左右側部)に配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、リンクヘッドの片側部に両回転ジョイントを配置してもよい。
(3)各実施の形態では、制御対象としての加工ツール501がリンクヘッド301にホイール回転主軸ユニット200を介して保持されるパラレルメカニズム300である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、リンクヘッドにワークを保持するパラレルメカニズムであってもよい。
(4)各実施の形態では、各リンク集合体350,351が互いに平行な2つの仮想面上に配置される場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、共通の仮想面上に配置してもよい。
(5)各実施の形態では、砥石又はエンドミルを加工ツール501とする工作機械1に適用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば旋削用電着ホイール等の旋削工具あるいはレーザ焼入れヘッド等の熱処理工具・表面仕上げ工具等を加工ツールとする他の工作機械に適用し得ることは勿論である。
(6)各実施の形態では、直線2軸,回転1軸の3自由度をもつ(x−z軸移動動作及びy軸回動動作が可能な)リンクヘッド301と、このリンクヘッド301を駆動するための4つのアクチュエータ(駆動機構)356〜359と、これらアクチュエータ356〜359にそれぞれ接続される4つのリンク350A,350B,351A,351Bを含むリンク集合体(リンク機構)350,351と、リンクヘッド301上を直動ジョイント(従動接続部)370によって移動可能なリンクヘッド・リンク機構間接続部としての回転ジョイント355(第6の実施の形態では3自由度のジョイント395)とを備えたパラレルメカニズム300である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、リンクヘッドのN(N:自然数)の回動及び移動の少なくとも一方の制御が可能なパラレルメカニズムであって、リンクヘッドを駆動するためのN+1個の駆動機構と、これら駆動機構にそれぞれ接続されるN+1個のリンクを含みリンクヘッドに接続されるリンク機構とを備え、このリンク機構とリンクヘッドとの間に介在する接続部のうちの1つの接続部をリンクヘッドに対して一軸線方向に相対移動可能に接続する従動接続部としたものであればよい。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の全体を説明するために示す平面図である。 図2は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の要部を説明するために示す斜視図である。 図3は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の要部の1つである直動ジョイント370の構成を示すもので、(a)は、図2のA−A断面図、(b)は、図2のB−B断面図、(c),(d)は、C部拡大図である。 図4は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械の制御装置を説明するために示すブロック図である。 図5は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのx軸平行動作を説明するために示す平面図である。 図6は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドの回動動作を説明するために示す平面図である。 図7は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのx−z軸平行動作を説明するために示す平面図である。 図8は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのx−z軸平行・回動動作を説明するために示す平面図である。 図9(a)及び(b)は、リンクが3つである場合と比べてリンクが4つである場合の利点について説明するために示す平面図である。 図10は、本発明の第1の実施の形態に係る工作機械におけるスライダの位置を求める手順を説明するために示す平面図である。 図11は、加工時等に直動ジョイント370に作用する力F、f11〜f42、変位角度θの関係を示す図である。 図12は、本発明の第2の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。 図13は、本発明の第3の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。 図14は、本発明の第4の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。 図15は、本発明の第5の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。 図16は、本発明の第6の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。
符号の説明
1…工作機械
2…工作機械本体
3…制御装置
10…ベッド
10A…立ち上がり部
31〜34…モータ回転検出用エンコーダ
71…CPU
72…メモリ
73〜75…インターフェース
76…キーボード
77…画像表示装置
78…外部記憶装置
80〜84…サーボモータユニット
100…ワーク支持駆動ユニット
101…主軸台ベース
102…主軸台スライドガイド
103…主軸台
104…主軸駆動モータ
105…主軸
150,300…パラレルメカニズム
151…ホルダ
152,301…リンクヘッド
153〜156…作動杆
153A,154A…リンク挿通部
157,163,161,162,167,168…軸支部
158,164…レール
159,160,165,166,361,362,364,365…スライダ
170,501…加工ツール
200…ホイール回転主軸ユニット
201…ホイール回転主軸
311…x軸直動テーブル
312…C軸回転テーブル
350,351…リンク集合体
350A,350B,351A,351B…リンク
354,355,381〜384,411〜414,511〜514…回転ジョイント
356〜359…アクチュエータ
360,363…スライダ案内用のレール
370…直動ジョイント
371a…ハウジング部、371b…リング部、371c…ストレート部
371d…スケール部、371e…弾性ヒンジ、371f…支持リンク
371g…ヒンジ部、371h…空隙部
372…被検出部、373…上プレート
375…中心シャフト、380…位置センサ
390A,390B,391A…2自由度のジョイント
395,396…3自由度のジョイント
O…基準線
T…回転軸線
a,b…リンクエレメント
c…延長線
W…ワーク

Claims (6)

  1. リンクヘッドのN(N:自然数)自由度の回動及び移動の少なくとも一方の制御が可能なパラレルメカニズムであって、
    前記リンクヘッドを駆動するためのN+1個の駆動機構と、
    前記駆動機構にそれぞれ接続されるN+1個のリンクを含み、前記リンクヘッドに接続されるリンク機構と、
    前記リンク機構と前記リンクヘッドとの間に介在し、前記リンクヘッドに対して一軸線方向に相対移動可能に前記リンク機構と前記リンクヘッドを接続する1つの従動接続部とを有し、
    前記従動接続部は、前記一軸線方向に可撓性を有する弾性ヒンジを有して形成されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
  2. ベッドと、
    一端が第1の回動部を介して第1の軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第1の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第1の軸線と直交する第2の軸線に沿って移動可能に支持された1対のリンクから構成される第1のリンク機構と、
    一端が第2の回動部を介して前記第1の軸線と平行な軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第1の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第2の軸線に沿って移動可能に支持された1対のリンクから構成される第2のリンク機構と、
    前記各リンクの他端を前記ベッドに対して前記第2の軸線に沿ってそれぞれ移動させる駆動機構と、
    前記第1の回動部が前記第1の軸線と直交する一軸線方向に従動接続部により相対移動可能に接続され、前記第2の回動部が前記第1の回動部の接続位置とは前記第1の軸線と直交する方向にオフセットされた位置で相対移動不能に接続されたリンクヘッドとを有し、
    前記従動接続部は、前記一軸線方向に可撓性を有する弾性ヒンジを有して形成され、また、前記駆動機構を制御することにより、前記リンクヘッドが前記第1の軸線と直交する平面内での移動と前記第1の軸線と平行な軸回りの回動が可能であることを特徴とするパラレルメカニズム。
  3. 前記従動接続部は、前記リンクヘッド側に固定されるハウジング部、前記ハウジング部に連なる複数の前記弾性ヒンジ、前記弾性ヒンジに連なるストレート部、前記ストレート部に連なり前記リンク機構と接続されるリング部とを、一枚板を厚さ方向に切り欠くことによって形成してなることを特徴とする請求項1または2に記載のパラレルメカニズム。
  4. 前記弾性ヒンジは、支持リンクと、前記支持リンクの両端で前記ハウジング部および前記ストレート部にそれぞれ連なり前記支持リンクより薄肉のヒンジ部とを有して構成されることを特徴とする請求項3に記載のパラレルメカニズム。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載のパラレルメカニズムを備えた工作機械であって、
    工具又はワークの一方が前記リンクヘッドに、他方が前記ベッドにそれぞれ取り付けられることを特徴とするパラレルメカニズムを備えた工作機械。
  6. 前記従動接続部は、前記弾性ヒンジが、前記リンクヘッドに回転可能に装着される前記工具又は前記ワークの回転中心である前記一軸線方向に可撓性を有して支持されていることを特徴とする請求項5に記載のパラレルメカニズムを備えた工作機械。
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