JP2860801B2

JP2860801B2 - 三次元自由曲面制御用のリンク機構

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Publication number: JP2860801B2
Application number: JP23918589A
Authority: JP
Inventors: 義人篠原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPH03100416A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、完全な三次元自由曲面の測定や切削加工等
を行うことができる制御用のリンク機構に関する。

〔従来技術〕

精密な三次元測定や三次元加工の要望は最近ますます
増加している。例えば、家庭電気製品，自動車のボデ
ィ，航空機や船舶のプロペラ，タービンブレード等のよ
うに三次元自由曲面を要するものは多数存在する。従っ
てその三次元曲面の測定並びに加工が容易で且つ精密に
行えるものが求められている。従来の三次元測定装置は
その名称から三次元形状の全てが測定できるように思わ
れがちである。しかしながら、一般には三次元のうちXY
面,YZ面,ZX面の指定による任意の二次元測定しかでき
ず、三次元自由曲面の測定は一般に知られている三次元
測定機では実用上できない。

自由曲面の測定は曲面の部分毎にその曲面に最適な形
状のプローブを最適なプローブ軸の角度（姿勢）で接触
させながら、特徴線，輪郭線または流線に沿って流れる
ようにあるいは掃くようになぞり、三次元座標及びその
法線ベクトルを検出できることが理想である。

従来このような目的のため第13図に示す５軸制御測定
機が提案されている。この５軸制御測定機はX,Y,Zの各
直進軸（三次元直交直進軸）と、その３軸のうちの１軸
の回転軸及びその回転軸に直交する回転軸を持ってい
る。即ち、X,Y,Zの直進軸を有する三次元測定機25のＺ
軸下端にプローブの上端を取付けたものである。このプ
ローブはプローブ本体をＺ軸回りに回動させるパルスモ
ータ16と検出部５をこのＺ軸に直交する軸の回りに回動
させるパルスモータ17とを有する。そして、検出部５は
その先端部分が伸縮自在に設けられ、その伸縮シリンダ
部分に差動トランスを有する。なお、パルスモータ16に
よるＺ軸回りの回転角度はポテンショメータ26により検
出信号として出力され、又他のパルスモータ17による回
転角度はポテンショメータ27により出力され、それらが
図示しない制御装置に入力される。それと共に、検出部
５の伸縮を差動トランス28からの出力信号により制御装
置に入力するものである。このような５軸制御測定機に
より三次元自由曲面を測定するには、第14図に示す如く
被測定面11の表面に検出部５の先端を接触させる。この
接触点の法線方向と検出部５の軸線とが一致するように
パルスモータ16及びパルスモータ17を回動させる。それ
により、被測定面11の接触点における三次元座標及び法
線ベクトルを得ることができる。

〔解決しようとする課題〕

ところがこのような５軸測定機は極めて煩雑なプログ
ラムを用いてコンピュータで自動制御する必要がある。
なぜならば、X,Y,Z直進軸の直交３軸の移動を行う三次
元測定機25により自由曲面上の測定点にプローブを接近
させることについて考えると次のようになる。先ず、プ
ローブを曲面に最適なプローブ軸の角度で当てるために
は前述の二つの回転軸を回転させる必要がある。する
と、プローブの取付部の根元を振り回すことになり、プ
ローブ先端の座標は大きく変わる。すると、プローブが
目標とする測定点から外れてしまうことになる。そこ
で、再び測定点にプローブを接近させる。次いで測定点
の座標とそこに接触するプローブ軸の角度が満足するも
のであるか否かを検討し、これらの動作を何回も繰り返
す必要がある。しかも、第13図に示す従来技術の検出部
５の先端が三次元測定機25のＺ軸から大きく外れて首を
振ることになり、検出部５先端の接触点のX,Y,Zの各座
標の読みを三次元測定機25によって特定することができ
ず、複雑で高度な座標計算をして初めてその測定点の座
標位置を決定することができる。そして仮に曲面上の一
点を測定できたとしても、このような測定点を無数に連
続的に測定することは到底手動操作の制御では困難であ
る。従って結局コンピュータで自動制御する５軸CNC三
次元測定機によらなければならない。このような測定機
は任意曲面に対して測定プログラムを完成することが極
めて面倒である。しかもかかる測定機はソフトウェアが
複雑で高価にならざるを得ない。そのためこのような測
定機は現在のところ普及していない。

そこで本発明者は５軸制御測定機からこれらのわずら
わしい動作を不要とする三次元自由曲面制御用のリンク
機構を案出し、このリンク機構の被制御体としてプロー
ブを用いるものとし、或いはその被制御体に曲面加工用
の切削工具や塗装用の作業端部を取付けられるようにす
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の三次元自由曲面制御用のリンク機構は、軸線
Ｎの回りに回動自在に取付けられる基部１と、夫々の枢着点間を結ぶ直線が平行四辺形となる互いに
対をなす少なくとも二対の第１リンク2,2および第２リ
ンク3,3を有し、前記軸線Ｎに直交する一対の第１直交
軸線L₁，L₂の回りに回動するように一対の前記第１リン
ク2,2を前記基部１に夫々枢着した平行リンク機構４
と、を具備し、被制御体が、一対の前記第１直交軸線L₁，L₃に平行な
一対の第２直交軸線L₃，L₄の回りに回動するように一対
の前記第２リンク3,3に夫々枢着し且つ、その制御端Ａ
が前記軸線Ｎの延長線と一対の前記第２直交軸線L₃，L₄
が含まれる仮想平面Ｓと一対の前記第１直交軸線L₁，L₂
が含まれる仮想平面Ｒとの交点上に位置されるように取
付けられるものである。

また、本発明のリンク機構の好ましい実施の態様は、
被制御体が曲面の位置検出用プローブである。

さらに、他の好ましい実施の態様は、被制御体が曲面
の加工用または作業用の作業端部である。

〔作用〕

本発明の三次元自由曲面制御用のリンク機構は、その
被制御体の制御端Ａが被制御体の姿勢の変化に関わら
ず、基部１に対して常に一定点にある。そのため、被制
御体の制御端ＡのX,Y,Z座標を従来の直交三軸型三次元
制御機により制御することができる。例えば、被制御体
に位置検出用プローブを取付けた場合、一般に広く知ら
れているX,Y,Z各直進軸を有する三次元測定機によりプ
ローブ先端の座標値を直接読み取ることができる。この
制御端である検出点Ａが検出部５の姿勢に関わらず、基
部１に対して相対移動しない理由は次のとおりである。
そのプローブの検出点Ａは、第９図において軸線Ｎと平
面Ｒと平面Ｓとの交点上にあるから、平面四辺形の性質
上、第１リンク２及び検出部５がいかなる姿勢に変化し
ても検出点Ａの位置は同一の点となる。

なお、第１図では第９図における平面Ｒと軸線Ｎとが
一致する。ここに軸線Ｎは基部１の回転軸であり、平面
Ｒは軸線L₁，L₂によって形成される平面であり、平面Ｓ
は軸線L₃，L₄によって形成される平面である。

又、本発明のリンク機構の被制御体として加工部６ま
たは作業部を配置し、その作業端が前記検出点Ａに位置
するようにした場合、その制御が極めて容易となる。

〔実施例〕

次に、図面に基づいて本発明の三次元自由曲面制御用
のリンク機構を用いた好ましい実施例として、被制御体
が曲面の位置検出用のプローブであるもの、及び被制御
体が曲面の加工用または作業用の作業端部である場合に
つき説明する。

第１図は本発明の第１実施例の正面図であり、第２図
は同側面図、第３図〜第６図は同実施例のプローブをそ
の背面図により、その使用状態を夫々示す説明図であ
る。また第７図は本発明のプローブの第２実施例を示
し、第８図（ａ）は本発明の作業端部構造の加工部６の
実施例を示す正面図、第８図（ｂ）は同側面図、第８図
（ｃ）は同使用状態を示す説明図である。また、第９図
は本発明のプローブの第３実施例を示す説明図、第10図
は本発明のプローブの第４実施例の正面図であり、第11
図はその斜視図、第12図は同側面図である。

本発明の第１実施例のプローブは第１図及び第２図に
示す如く基部１と平行リンク機構４及び検出部５とを有
する。基部１の一端にはフランジ部が形成され、その中
心に回転軸９が回動自在に固定されている。また基部１
のフランジ部には回転目盛板８が固定され、その中心が
回転軸９の軸線Ｎと一致するように取付けられている。
次に平行リンク機構４は互いに平行に位置される一対ず
つの第１リンク2,2と第２リンク3,3とを、夫々のリンク
の中間部及び一端で枢着する。そして、一対の第１リン
ク2,2の他端部を基部１に軸線L₁，L₂で枢着すると共
に、一対の第２リンク3,3の他端部を検出部５に軸線
L₃，L₄で枢着する。このとき、検出部５の先端の検出点
Ａが次に関係にあるようにする。即ち、枢着の軸線L₃，
L₄がつくる平面Ｓと軸線L₁，L₂がつくる平面Ｒと回転軸
９の軸線Ｎとの三者の交点に検出点Ａが位置するように
する。またこの実施例では回転目盛板７が第１リンク２
に固定ビス10を介して固定され、該回転目盛板７が軸線
L₁の回りに第１リンク２と共に回転するように構成す
る。また、夫々の第１リンク2,第２リンク３の枢着部は
それが各リンクの幅の中央を通る中心線位置から外れて
側方に突出され、全体がＥ字状をなす。そして第２図に
示す如く基部１に対して一対の第１リンク2,2及び一対
の第２リンク3,3が夫々基部１の厚み方向に順次配置さ
れている。なお、これらの第１リンク2,第２リンク３を
第１図に示す如くＥ字状に形成し且つ、各枢着点間の長
さを単純に同一としないのは、各リンクを回動させたと
き、各リンクの幅及び枢着点が互いに干渉しないように
するためである。即ち、各リンクを裏面側から見た第５
図の状態から第６図の状態に変化させても、各リンクが
互いに干渉し合わないようにするためである。逆にいえ
ば、各リンクの枢着点がそのリンクの中心線上に位置す
ると、第１リンク2,2及び第２リンク3,3は互いに干渉し
合い、ぶつかり合って第６図に示すように各枢着点を一
直線上に配置することができない。そのため、検出部５
の姿勢を同図に示す方向には配置できない。なぜなら
ば、第２図において第１リンク2,2及び第２リンク3,3は
基部１に対して厚み方向に同一レベルで配置されている
から、両リンクの枢着点を重ね合わせることができない
からである。

次に、このようにしてなるプローブで三次元曲面をな
す被測定面11の任意点を測定するには次のようにすれば
よい。

先ず、第３図において基部１を図示しない直交３軸三
次元測定機に取付ける。そしてその直交３軸三次元測定
機のX,Y,Zを移動させ、検出部５先端が被測定面11の検
出点A₁に接触するようにする。それと共に検出部５の軸
線が検出点Ａの法線方向に一致するように基部１を軸線
Ｎの回りに回動させると共に、第１リンク２を軸線L₁の
回りに回動する。このときの直交３軸三次元測定機のX,
Y,Zの読みが検出点A₁の測定値であると共に、回転目盛
板7,8の回転角度の読みが夫々検出点A₁の法線方向を表
す。同様に被測定面11上の各点A₂，A₃，A₄を第４図〜第
６図の如く順次測定する。すると第６図の状態から、各
リンクはこれ以上右方へ回転することはできない。そこ
で、基部１を180°回転させれば、同図においてより右
側に位置する被測定面11上の各点を測定することができ
る。先端が尖ったプローブ又は小さなボールプローブを
用いて位置測定のみを行えばよい場合（法線ベクトルの
測定を不要とする場合）には基部１の回転角度設定及び
第１リンク２の回転角度設定による三次元測定誤差は殆
どない。しかし、大きな球面を持つプローブでは曲面に
対してプローブ軸が正しく法線方向にあるようにしなけ
ればならない。

第10図〜第12図は本プローブの先端部にダイヤルゲー
ジを用いた好ましい実施例である。この実施例は一対の
平行リンク機構4,4の中間に検出部５を支持させ、基部
１を門型に形成すると共に、その両脚に夫々平行リンク
機構４の第１リンク２を夫々枢着する。そして、第１リ
ンク２の回転角度をエンコーダ22により出力する。そし
て基部１の回転角度をその上端に歯合する歯車31,歯車3
2を介してエンコーダ22により出力する。そしてこのプ
ローブ全体は取付部材21を介し図示しない直交３軸三次
元測定機に取付けられる。このように検出部５にダイヤ
ルゲージを用いて測定を行うには次のようにすればよ
い。先ず、回転軸９に固定された回転目盛板８の周縁部
にブレーキ19を接触させると共に、第１リンク２と共に
回転する回転目盛板７の周縁部にブレーキ18先端部を接
触させる。次に、目標とする測定点に検出部５先端を接
触させる。このとき、ダイヤルゲージの軸線が測定点の
ほぼ法線方向にあるように位置させる。そして、基部１
をわずかに正転及び逆転させる。すると、ダイヤルゲー
ジの軸線が被測定面の法線方向に正確に一致しない場合
には、その回転によりダイヤルゲージの読みが増大す
る。なお、その理論的解析は本発明者の他の出願に係る
特公平１−12326号に譲る。そこで、ダイヤルゲージの
読みが最小のところで基部１の回転角度をブレーキ19に
より固定する。次に、各リンクを軸線L₁，L₂の回りにわ
ずかに回動させ、前記同様にしてダイヤルゲージの読み
が最小のところで、ブレーキ18を介し回転目盛板７を固
定する。そこで、三次元座標と基部１及び第１リンク２
の回転角度を夫々読み取る。基部１の回転角度は回転目
盛板８が読みとることができると共に、それをエンコー
ダ22を介して電気信号に変換することもできる。同様
に、第１リンク２の回転角度は回転目盛板７の角度目盛
により読みとることができると共に、それをエンコーダ
22を介して電気信号に変換することができる。

また、ダイヤルゲージはディジタルダイヤルゲージを
用いてもよい。なお、このとき、ダイヤルゲージの読み
の最小値と検出点Ａを測定状態でセットしたダイヤルゲ
ージの読み、即ち、ダイヤルゲージの原点値との差は被
測定面の理想座標値からの法線方向成分誤差を表わす。

更に、被測定面のXY座標を定めてＺ座標を測定すると
きは、前述のままでダイヤルゲージの読みが前述の原点
値になるようにわずかにＺ座標を移動させ、そのＺ座標
を読み取ればよい。そのＺ座標と理想Ｚ座標との差は理
想座標値からのＺ方向成分誤差を表わす。

〔変形例〕

第10図〜第12図においてダイヤルゲージ23の代わり
に、タッチシグナルプローブを用いたり、切削用のカッ
タを用いることができる。タッチシグナルプローブを用
いて測定を行うには次のようにすればよい。

先ず目標とする測定点にプローブ先端の接触部をその
軸が曲面にほぼ法線方向になるように接近させる。そし
て、軸線Ｎの回りを正転及び逆転させ、プローブが正転
側で接触した角度と逆転側で接触した角度の平均角度で
基部１の回転角度を固定する。次に、軸線L₁及びL₂の回
りに回動する平行リンク機構４についても同様に平均角
度でその回転角を固定する。そこで初めて目標とする測
定点にプローブを接触させそのときの直交三次元測定機
の三次元座標と、Ｎ軸回りの角度及びL₁軸の回りの角度
を読みとればよい。

又、第11図において検出部５の代わりに駆動モータ付
カッタを取付けることができる。そして、この場合に
は、予め定められた作業手順により直交３軸の位置制御
を行うと共に、第10図のパルスモータ16,17を介して基
部１を軸線Ｎの回りに回動すると共に、第１リンク２を
軸線L₁の回りに回動しつつ、加工部の刃先を最適な角度
に保持して被加工物を切削加工することができる。

次に第７図は本発明の他の実施例であり、この実施例
が前記第１実施例と異なる点は、夫々一対の第一リンク
2,2,第２リンク3,3の内、一方のリンク2,3が他方のそれ
のほぼ半分の長さに形成されると共に、一対の第１リン
ク2,2が基部１に枢着する枢着部に夫々一対の歯車が設
けられ、該歯車がアイドラを介して互いに歯合されてい
る点である。

次に第８図（ａ）は前記実施例の検出部５の代わりに
加工部６を用いた他の実施例であり、回転刃36の軸線が
加工部６の枢着されている軸線L₃，L₄を含む平面Ｓから
偏心している例である。この回転刃36の切削加工の作業
点Ｂは平面Ｓと軸線Ｎとの交点にある。また、第８図
（ｂ）は第８図（ａ）の側面図である。又、測定におい
てもプローブ軸が曲面に対し法線方向から接近できない
狭い空間では、第８図（ａ）のような砲弾型プローブの
側面当りを用いるとよい。測定と加工のデータの互換性
からこのような測定も必要である。なお、基部１の回転
軸Ｎは各種工作機械等に取付ける場合必ずしもＺ軸上に
位置する必要はなく、水平なＸ軸又はＹ軸上に配置する
ことも可能である。

次に第９図は本発明のプローブの他の実施例であっ
て、この実施例が前記第１実施例と異なる点は、軸線Ｎ
が一対の軸線L₁，L₂を含む平面Ｒ上に存在しないことで
ある。

次に、第11図の実施例において一対の平行リンク機構
4,4の上端に位置する第２リンク3,3間を連結してもよ
い。そしてその連結用の梁を上下動自在に吊り下げて各
リンクや検出部５の重量を支持するように構成してもよ
い。

次に、各実施例において、平行リンク機構４の各枢着
部は、第１図（ａ）のように両端鍔付ピンで形成されて
いるが、比較的大きなピンにおいてはネジとナットの手
段により枢着することもできる。また、小さなものでは
その緩み止めを取付け難いので、組立て時にピンの一端
をカシメて一体化するように構成することができる。

〔応用例〕

本発明は上記実施例でプローブとして用いる場合と切
削加工に用いる場合につき説明したが、本構造の検出部
５の代わりに、次のものを取付けることができる。即
ち、非接触プローブ，切削工具，研削工具，研磨工具，
加工電極，レーザガン，ウォータジェットガン，砥粒ジ
ェットガン，オイルジェットガン，溶接トーチ，スポッ
ト溶接電極，スプレーガン，ブラシ，筆，鉛筆，ペン，
ナイフ，電動鋏，ミシンを取付け得る。それにより機械
加工や芸術彫刻，清掃作業，塗装作業，立体製図，立体
裁断等として用いることができる。さらにはマシンハン
ドを取付け作業用ロボットとして用いてもよい。

又、三次元自由曲面のCAD（Computer Aided Design）
において三次元座標入力ペンとして使用できる。つま
り、検出部５をペンのように手で持ち三次元空間に立体
図を画くと、形状をコンピュータに概略入力できる。モ
デルが既にあれば、これを検出部５でペンのように曲面
の特徴線や流線に沿ってなぞればよい。すると、プロー
ブや切削工具等の経路情報も含めて三次元座標を入力す
ることができる。

〔発明の効果〕

本発明のリンク機構は、被制御体が対象曲面に応じて
姿勢を変化しても、制御端Ａと基部１との相対位置に変
化はない。なぜならば、制御端ＡはL₁，L₂により形成す
る平面と、L₃，L₄による平面と、基部１の軸線Ｎの交点
上に存在するから、被制御体のいかなる姿勢において
も、基部１に対して常に制御端Ａは特定点となる。その
ため、制御の容易なリンク機構を提供できる。

次に、被制御体として位置検出用プローブを用いた場
合、そのリンク機構に直交三軸型の三次元測定機を取付
け、その測定機の読みから三次元自由曲面のZ,Y,Z座標
を極めて容易に測定できる。それと共に、第１リンク２
の回転角度と基部１の回転角度とから検出点Ａの法線方
向を求め得る。従って極めて取り扱い易い位置検出用プ
ローブを提供できる効果がある。

さらには、被制御体として三次元自由曲面の加工用等
の作業端部を取付けた場合には、前記検出部５の代わり
に加工部６等が設けられるものであり、測定と加工のデ
ータの互換性があり、測定プログラムと加工プログラム
とを一度に作成することができる。それにより、制御の
容易な加工その他の作業を行い得る。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明のリンク機構を用いた第１実施例のプロ
ーブを示す正面図、第１図（ａ）は第１図のＩ−Ｉ矢視
断面略図、第２図は第１図を側面から見た図、第３図〜
第６図は本機構を有するプローブにより三次元自由曲面
である被測定面11上のA₁〜A₄の各点を測定するときの説
明図、第７図は本発明の他の実施例の正面図、第８図
（ａ）は前記各実施例において検出部５の代わりに加工
部６を用いた実施例を示す正面図、第８図（ｂ）はその
側面図、第８図（ｃ）はその切削加工の説明図、第９図
は本発明の他の実施例を示す正面図、第10図〜第12図は
本発明のプローブの他の実施例であって、第10図は検出
部５にダイヤルゲージを取付けた状態を示す正面図、第
11図はその斜視図、第12図は同側面図、第13図は従来型
三次元自由曲面位置検出用プローブの一例を示す斜視
図、第14図はその使用状態を示す説明図。１…基部、２…第１リンク３…第２リンク、４…平行リンク機構５…検出部、６…加工部Ａ…検出点、L₁，L₂…第１直交軸線 L₃，L₄…第２直交軸線 L₅〜L₈…軸線 7,8…回転目盛板９…回転軸、10…固定ビス 11…被測定面、12,24…スペーサ 13,14…ベアリングボール 15…リテーナ、16,17…パルスモータ 18,19…ブレーキ 20…アーム、21…取付部材 22…エンコーダ、23…ダイヤルゲージ 25…三次元測定機 26,27…ポテンショメータ 28…差動トランス 30…ピン、31,32,33,34,35…歯車 36…回転刃、Ｂ…作業点

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸線Ｎの回りに回動自在に取付けられる基
部１と、夫々の枢着点間を結ぶ直線が平行四辺形となる互いに対
をなす少なくとも二対の第１リンク2,2および第２リン
ク3,3を有し、前記軸線Ｎに直交する一対の第１直交軸
線L₁，L₂の回りに回動するように一対の前記第１リンク
2,2を前記基部１に夫々枢着した平行リンク機構４と、を具備し、被制御体が、一対の前記第１直交軸線L₁，L₂に平行な一
対の第２直交軸線L₃，L₄の回りに回動するように一対の
前記第２リンク3,3に夫々枢着し且つ、その制御端Ａが
前記軸線Ｎの延長線と一対の前記第２直交軸線L₃，L₄が
含まれる仮想平面Ｓと一対の前記第１直交軸線L₁，L₂が
含まれる仮想平面Ｒとの交点上に位置されるように取付
けられる三次元自由曲面制御用のリンク機構。
【請求項２】被制御体が曲面の位置検出用プローブであ
る特許請求の範囲第１項記載の三次元自由曲面制御用の
リンク機構。
【請求項３】被制御体が曲面の加工用または作業用の作
業端部である特許請求の範囲第１項記載の三次元自由曲
面制御用のリンク機構。