JP3939935B2

JP3939935B2 - パラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置

Info

Publication number: JP3939935B2
Application number: JP2001159894A
Authority: JP
Inventors: 孝彰大岩
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: JP2002346959A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リンク機構を並列に連結した、いわゆるパラレルメカニズムを用いた機械のフレームの変形挙動を計測して、工作物とツール間等の精度向上を図るパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業用ロボットや工作機械の分野において、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムの研究が盛んに行われている。従来の積重ね構造からなる直交座標型工作機械やアーム型ロボット等のシリアルメカニズムと比較して、梁構造でなく剛性の高いトラス構造であり、各軸の質量が累積せず移動速度も高く、各軸の位置決め誤差が累積せず精度の平均化が可能で、精密機械の基本であるアッベの原理（三次元座標測定機における測定点を測長ユニット（スケール）の延長線上として、測定値を機構の姿勢変化の影響を受けにくくして測定誤差を少なくできる。）を満たすことができる、等の特長があり、剛性、精度、運動速度等の面で有利であるからである。そして、測定機器や工作機械の運動精度向上のためには、ツールと工作物の相対位置関係が安定していることが重要であり、そのために、各々の構成要素の運動精度の向上のみならず、それらを保持するベースやコラム等の静的な構造物つまり機械のフレーム側が静的にも動的にも安定していることが不可欠である。
【０００３】
そのようなパラレルメカニズム型工作機械の代表的な例として図１１に示したようなものがある。これは一般的な６自由度のもので、ベース１とフレーム２によって６個の球面ジョイント３が支持されているが、負荷や工作時の熱的なフレームの変形により、これら球面ジョイント３の位置は稼働中に変位する。ツール４を搭載したエンドエフェクタ５は、ユニバーサルジョイント６およびアクチュエータ８により伸縮する直動ジョイント７（パラレルメカニズムの閉リンク機構を構成する）を介して球面ジョイント３に接続される。前記ユニバーサルジョイント６、直動ジョイント７、球面ジョイント３およびアクチュエータ８はそれぞれ６組配設され、エンドエフェクタ５を中心に並列的に配置される。６個のアクチュエータ８によって６本の直動ジョイント７をそれぞれ伸縮させることによって、エンドエフェクタ５は３次元空間内を並進３方向および回転３方向に６自由度の運動を行う。また、ワーク９は定盤１０を介してベース１上に固定され、一般的な６自由度のパラレルメカニズム型機械では、図示のように球面ジョイント３が２個ずつ対となり、円周上１２０°間隔で配置されることが多い。
【０００４】
しかしながら、このようなパラレルメカニズム型機械や一般の直交座標型機械等においては、実際には、図１２に示すように、基礎部側から伝わる外乱や切削抵抗等の加工負荷によりフレーム（ベース、コラムおよびビーム等）は変形し、その結果、工作物とツールとの間の相対的位置に誤差を生じる。さらには、室温変動や加工時に発生する熱等によりフレームが熱変位を引き起こして、同様に工作物とツールとの間の相対位置精度が低下する虞れがあった。従来の技術では、このような力学的変形を最小限に抑制するために、フレーム部の断面積を増大させたり、剛性を高くして対処してきた。あるいは、熱変位を抑制するために、フレームとしてコンクリートのような熱膨張率の小さな材料を用いたり、フレーム部に温度センサや室温センサ等を設置して熱変形を補償することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の解決手段では、フレームの剛性を高くしようとすればする程、機械構造物が重厚長大化する傾向にあり、装置自体の質量が大きくなって、自重による基礎部の変形や部材自体の変形を招く虞れがあった。さらに慣性質量の増加によって、運動精度が低下する弊害も生じている。また、有限個の温度センサによる熱変形予測では、構造物のごく一部の局所的な温度しか計測できないため、全体の変形を高精度にて予測することは困難であった。しかも、一般的な梁構造のフレームの場合、熱変形は部材の長さ方向だけでなく、撓みとしても発生するため、梁構造が積み重なった複雑な構造物の熱変形挙動の把握はさらに複雑で、その予測は著しく困難となっている。また、熱膨張率の低い材料は一般に熱伝達率が小さいため、急激な室温変動があった際には、部材の内外および部材間での温度差が生じて熱変形の予測は困難を究めた。したがって、温度センサによる変形補償は、温度の時間的変化の勾配が比較的緩やか場合に限定されてしまっていた。
【０００６】
そこで、本発明では、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムでは、そのメカニズムを支持するフレーム部が、有限個（通常３〜６個）の取付部を介してメカニズムのジョイントと接続されていることに着目して、ジョイント取付部相互間と工作物を固定する定盤側間との力学的および熱的変形による相対的変位・姿勢変化を計測、補正することによって、構造物の形状、剛性に関わりなく、工作物とツールとの間の相対的位置・姿勢精度を向上させることを可能にしたパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
パラレルメカニズムを支持するフレーム変形の影響を排除するためのパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法であって、前記フレーム上に前記パラレルメカニズムを支持するための少なくとも３個のジョイント取り付け部を設け、前記フレーム上にある定盤上に少なくとも３個の基準点を設け、前記取り付け部同士間の距離及び前記取り付け部と前記基準点間の距離をセンサで測定し、前記センサからの測定結果をもとにフレームの位置・姿勢の変化を求めることを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法である。
また、パラレルメカニズムを支持するフレーム変形の影響を排除するためのパラレルメカニズムのフレーム変形補正装置であって、前記フレーム上に前記パラレルメカニズムを支持するための少なくとも３個のジョイント取り付け部を設け、前記フレームを支持する定盤上に少なくとも３個の基準点を設け、前記取り付け部同士間の距離及び前記取り付け部と前記基準点との距離を測定するセンサを配置したことを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置である。
また、前記距離を測定するセンサは、前記取り付け部と前記基準点間との間に配設した熱膨張係数がほぼ０の材料からなるロッドの軸方向の変位を検出する変位センサであり、前記変位センサから得られた軸方向の変位をもとにフレームの位置・姿勢の変化を求めることを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置である。
また、前記ロッドは、フレームにおけるジョイント取付部と定盤側との間の最短距離を結んで配設されたことを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置である。また、前記ロッドが、フレームにおけるジョイント取付部と定盤側との間を他の部材と干渉せぬように迂回形態に結んで配設されたことを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置である。
また、前記センサはレーザー干渉測長器であることを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置である。
【０００８】
【実施の形態】
以下、本発明におけるパラレルメカニズムのフレーム変形補正方法およびその装置の実施の形態について詳細に説明する。図１および図２は本発明の第１実施の形態を示すもので、図１（Ａ）は工作物を固定する定盤と球面ジョイントの位置関係図、図１（Ｂ）は本発明におけるパラレルメカニズムのフレーム変形補正装置の要部斜視図、図２は各球面ジョイント取付部の座標位置およびその位置ベクトルを説明する図である。本発明は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、有限個の取付部１４を介してジョイント（対偶）３と接続されて静的なフレーム２に支持され、閉リンク機構（後述するリンク部分：直動ジョイント７）を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記ジョイント取付部１４相互間と工作物を固定する定盤１０間の相対的変位・姿勢変化を複数個の変位センサ１７を用いてインプロセス計測するとともに、前記工作物とジョイント３間の相対位置関係を修正することによって、工作物とツール間の相対的位置・姿勢精度を向上させることを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法にある。
【０００９】
次に、本発明の原理について説明する。図１（Ａ）は工作物を固定する定盤１０と球面ジョイント３の位置関係を示すもので、これらの球面ジョイント３の位置を３個の基準点１１で代表させる。さらに、定盤の位置と姿勢を表すために定盤１０上の３か所の基準点１２を設置する。このようにすれば、定盤１０から見た３つの球面ジョイント取付部基準点１１の座標位置は、図１（Ａ）中の３本の破線で示した各ジョント取付部基準点１１間の距離、６本の一点鎖線で示したジョイント取付部基準点１１と定盤１０上の各基準点１２との距離および３本の二点鎖線で示した定盤１０上の各基準点１２間の距離の合計によって一義に決定される。以上の幾何学的関係は、図２に示す８面体として表される。
【００１０】
したがって、パラレルメカニズムとしての機械の稼働中の負荷変動等や温度変動に起因するフレーム２の変形による球面ジョイント取付部４の３次元的な変位は、以上の合計１２本の破線、一点鎖線および二点鎖線で示した１２の距離の微小な変化を、１２個の変位センサ等で稼働中計測、すなわちインプロセスで計測することによって求めることができる。球面ジョイント３の正しい座標位置が求められれば、パラレルメカニズムの運動学式中の球面ジョイント３の座標位置のパラメータを修正することにより、切削等工具であるツール位置およびその姿勢の補正制御を容易に行うことが可能となる。
【００１１】
以下に、球面ジョイント３の座標位置を求める数学的な式について説明する。図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、３つの球面ジョイント取付部基準点１１を含む平面をｘ_S−ｙ_S面とする座標系をΣ_Sとし、３つの定盤基準点１２を含む平面をｘ_B−ｙ_B面とした座標系をΣ_Bとする。座標系Σ_Sから見た３つの球面ジョイント取付部基準点１１を位置ベクトル^SＰ_Si＝｛ｘ_Si，ｙ_Si，０｝^T（但しｉ＝１、２、３）で表し、座標系Σ_Bから見た３つの定盤基準点１２を位置ベクトル^BＰ_Bi＝｛ｘ_Bi，ｙ_Bi，０｝^T（但しｉ＝１、２、３）で表わすものとする。定盤座標系Σ_Bから見た座標系Σ_Sの位置を表す位置ベクトルと姿勢を表す回転変換行列をそれぞれ、^BＰ_Sおよび^BＲ_Sとすると、定盤座標系Σ_Bから見た球面ジョイント取付部基準点１１の座標を示すベクトル^BＰ_Siは以下の式で表される。
^BＰ_Si＝^BＰ_S＋^BＲ_S ^SＰ_Si
【００１２】
また、３つの球面ジョイント取付部基準点１１間の距離をｌ_Si（但しｉ＝１、２、３）、定盤基準点１２間の距離をｌ_Bi（但しｉ＝１、２、３）とし、各座標系の原点を基準点からなる三角形の重心に設定すれば、辺の長さｌ_Siおよびｌ_Biから各基準点の座標^SＰ_Siおよび^BＰ_Biは容易に算出できる。これらの球面ジョイント取付部基準点１１から定盤基準点１２までの距離をｌ_i（但しｉ＝１〜６）とすると、以下の６個の方程式が得られる。
l₁＝｜^BＰ_S1−^BＰ_B1｜, l₂＝｜^BＰ_S1−^BＰ_B3｜, l₃＝｜^BＰ_S2−^BＰ_B1｜, l₄＝｜^BＰ_S2−^BＰ_B2｜, l₅＝｜^BＰ_S3−^BＰ_B2｜, l₆＝｜^BＰ_S3−^BＰ_B3｜
【００１３】
距離ｌ_iを用いて定盤座標系Σ_Bから見たΣ_Sの位置^BＰ_Sと姿勢^BＲ_Sを求める。つまり、６個の未知数を求めるためには、以上の非線形連立方程式を数値解法で解く必要があるが、これは代表的な６自由度のパラレルメカニズムの運動学の式と同一である。あるいは、以上の球面ジョイント取付部基準点１１から定盤基準点１２までの距離ｌ_iの変化Δｌ_iが微小であることを利用し、ヤコビ行列を用いた微小運動学を用いて、Δｌ_iが発生したときの位置と姿勢の変化ΔＸ＝｛Δｘ，Δｙ，Δｚ，Δα，Δβ，Δγ｝^Tを求めることも可能である。すなわち、距離の変化Δｌ_iと位置と姿勢の変化ΔＸの関係は、ヤコビ行列Ｊを用いて以下の式で表される。
Δｌ_i＝ＪΔＸ
この６×６行列であるＪは容易に求めることができる。このヤコビ行列の逆行列Ｊ^-1を用いれば、
ΔＸ＝Ｊ^-1Δｌ_i
となり、距離の変化Δｌ_iから位置、姿勢の変化ΔＸは容易に求められる。
【００１４】
以上では、球面ジョイントは６個あり、２個ずつ計３組の位置を基準点３個で近似させている。したがって、２個の球面ジョイントの位置と基準点１１は互いに接近させる方が都合がよい（図１（Ａ）参照）。あるいは、２個ずつ球面ジョイント３を取り付ける部材１４を、スーパーインバーのような熱膨張係数がほぼ０の材料として、充分な剛性を持たせて製作すれば、球面ジョイント３の座標位置の移動量は基準点１１の座標位置の移動量と殆ど一致させることができる。さらに、定盤基準点１２間の距離は他の距離と比較して小さいため、同様に熱変形の殆どないスーパーインバー等で定盤基準点を強固に連結すれば、定盤基準点間の距離をセンサで測定する必要がなくなる。この場合、必要な変位センサの数は９となる。
【００１５】
図１（Ｂ）は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第１実施の形態を示すもので、スーパーインバーロッド１３を用いてジョイント取付部と定盤基準点間の距離ｌi （ｉ＝１〜６）の変動を測定するものである。簡単のため、図１（Ａ）における一点鎖線１本の場合について描いてある。２個１組の球面ジョイントはスーパーインバー製のジョイント取付部１４に固定され、２個の球面ジョイント間の相対的な変位を最小にしておく。同様に、定盤側の基準点１２も定盤に取り付けたスーパーインバー製の定盤基準プレート１５上に設置して、基準点間の相対的な熱変位等を最小としておく。次に、スーパーインバーロッド１３の一端をジョイント取付部１４に固定する。端部に曲げモーメント等が作用しないように、弾性ヒンジ等の対偶を介して取り付けることが望ましい。さらに、他端がロッドホルダ１６を介して定盤基準プレート１５に接続される。
【００１６】
スーパーインバーロッド１３の定盤側の端部はロッドホルダ１６内で軸方向に移動可能であるため、このロッドホルダ１６に取り付けられた変位センサ１７を用いてロッド１３の軸方向変位を計測できる。このとき、ジョイント取付部１４のロッド軸に直角方向の変位成分は変位センサ１７では検出されない。また、機械稼働中において、ロッド１３を変形させるような力は作用しないため、ロッドの長さは変化しない。さらに、室温や機械温度が変動した場合もロッド１３は伸縮しないため、ジョイント取付部１４と基準プレート１５との間の直線距離の変動を正確に変位センサ１７で測定することができる。本実施の形態では、変位センサ１７は定盤基準プレート１５側に設置したが、ジョイント取付部１４側に設置した場合も、全く同一の測定が可能であることは言うまでもない。また、機械稼働中に風圧や切削液、切り屑等の付着等が予想される場合には、ロッド１３に対してカバーを設置することもできる。さらに、ロッド１３自体の自重によりロッドが静的に撓む場合があるが、この場合のロッドの全長の長さの変化は一般的に僅少で、その量は一定であるためこれは無視できる。
【００１７】
図３は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第２実施の形態を示すもので、ロッドのジョイント取付部１４側において、球面ジョイント３やパラレルメカニズムのリンク部分と干渉する虞れのある場合には、パラレルメカニズムのリンク機構部分を回避させる迂回形態にて、スーパーインバーロッド１３を配設したものである。この場合においても、ロッド１３のジョイント取付側固定部のａ方向（軸方向）の変位のみがロッド下部に現れ、ｒ方向（軸に直交）の変位は現れないため、球面ジョイント取付部１４と定盤基準点１２との間の直線距離の変動を変位センサ１７にて正確に測定することができる。以上、第１および第２実施の形態では、スーパーインバーロッド１３と変位センサ１７を用いて距離の変動を測定する方法を示したが、直線距離の変動を測定する形態は種々の方法が採用され得る。
【００１８】
図４は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第３実施の形態を示すもので、本実施の形態では、前記フレーム２における球面ジョイント取付部１４と工作物を固定する定盤１０側とのいずれかに、これらの間の距離を計測するレーザー干渉測長器８を設置したことを特徴とするものである。つまり、図示の例では、球面ジョイント取付部１４側にレーザー干渉測長器８を設置するとともに、ベース１上における定盤１０の基準プレート１５上にコーナーキューブミラー１９を設置し、前記レーザー干渉測長器８から照射されたレーザー光をコーナーキューブミラー１９にて反射させて、再びレーザー干渉測長器８にて受光することにより、球面ジョイント取付部１４と定盤１０側との距離の変動を測定するものである。
【００１９】
図５は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第４実施の形態を示すもので、本実施の形態では、球面ジョイント取付部基準点１４間の距離ｌSi（ｉ＝１〜３）の変動を計測する。図はフレーム部分２を上方から見た平面図で、フレーム２における複数のジョイント取付部１４における隣接する一対のジョイント取付部１４相互間にスーパーインバーロッド１３を配設するとともに、前記一対のジョイント取付部１４のいずれか一方にスーパーインバーロッド１３の変位を検出する変位センサ１７を設置したことを特徴とする。つまり、スーパーインバー製ジョイント取付部１４にスーパーインバーロッド１３の一端を固定するとともに、他端をロッドホルダ１６を介して他のジョイント取付部１４に設置する。スーパーインバーロッド１３にはフレーム２にかかる負荷等の力は加わらず、熱膨張率もほぼ０であるため、フレーム２の伸縮等によってジョイント取付部１４が変位する際の変形量を変位センサ１７で正確に測定できるものである。前述の定盤基準点１４間の距離ｌBi（ｉ＝１、２、３：図１（Ａ）の二点鎖線）の変動も図５の本実施の形態の方法によって正確に測定できることは言うまでもない。また、このような基準点間の距離ｌSiおよびｌBiの変動の測定においても、図４に示したレーザー干渉測長器のような光学的測定機を用いることができることは言うまでもない。
【００２０】
図６は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第５実施の形態を示すもので、前述の各実施の形態では６自由度のパラレルメカニズムに適用した例を説明してきたが、本実施の形態では、少なくとも３自由度を有するリンク機構を並列に連結したことを特徴とするものである。図６の実施の形態のものでは、球面ジョイント３は原理上３個であるため、前述の図２における８面体そのものとなり、取付部基準点１か所当たりのジョイントが１個となり、構造的に簡略化している。
【００２１】
図７は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第６実施の形態を示すもので、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記パラレルメカニズムの閉リンク機構を構成するリンク部分（直動ジョイント７）の基部をワークを支持するベース１に球面ジョイント３により取着するとともに、前記リンク部分７の先端部分側に支持されたツール４を移動可能に構成し、前記ワークを支持する基準プレート１５とベース１との間に変位センサ１７を設置したスーパーインバーロッド１３を配設したことを特徴とする。つまり、球面ジョイント３をベース１面近くに配設したもので、ジョイント取付部（３）と定盤基準点（１５）間の距離ｌi （ｉ＝１〜６）の変動を測定する。
【００２２】
図８は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第７実施の形態を示すもので、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記パラレルメカニズムの閉リンク機構を構成するリンク部分（７）の基部をベース１に球面ジョイント３により取着するとともに、前記リンク部分（７）の先端部分側にワーク９を支持するエンドエフェクタ５を取着し、前記ベース１と静的なフレーム２との間に変位センサを設置したスーパーインバーロッド１３を配設したことを特徴とする。つまり、ツール４を支持している主軸にスーパーインバー製基準プレート１５を設置することで、球面ジョイント取付部基準点１１との距離の変動を測定するものである。本実施の形態ではワーク９が移動する。
【００２３】
図９は、本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第８実施の形態を示すもので、図９（Ａ）に示したものは、球面ジョイント取付部基準点を６点とし、スーパーインバーロッド１３を６本によって定盤上基準点１２間を連結することによっても、同様の効果を得ることができる。つまり、定盤に設置した座標系ΣB に対するジョイント取付部の座標系ΣS の位置と姿勢の微小な変化ΔＸは、６本のスーパーインバーロッドを用いて求めることができる６組の基準点間の距離ｌi の変化Δｌi から求めることができるからである。図９（Ｂ）に示したものは、定盤上基準点１２を６点としたもので、このように構成しても全く同様の効果が得られる。以上の実施例では、低熱膨張材料としてスーパーインバー（鉄−ニッケル系合金）を用いているが、その他の低熱膨張材料、例えば低膨張ガラス、低膨張鋳鉄等を用いても同様の効果が得られるものである。
【００２４】
最後に、パラレルメカニズムの３つの形態を図１０に示す。工作機械や測定機に用いられる場合、図１０（ａ）の伸縮型が一般的であるが、図１０（ｂ）の屈曲型や図１０（ｃ）の開閉型も使用される。ベースに対して（ａ）の伸縮型では３自由度の球面ジョイントが、（ｂ）の屈曲型では１自由度の回転ジョイントが、そして（ｃ）の開閉型では１自由度の直動ジョイントが取り付けられている。したがって、（ａ）の伸縮型の場合には本発明の手法を用いて球面ジョイントの取付位置の補正を行うのに最も適しているが、他の（ｂ）および（ｃ）の場合では、負荷や熱変位によるフレームの移動に伴い、回転ジョイントや直動ジョイントの位置の移動だけではなく、姿勢変化も生じてしまい、変位と同時に姿勢も測定するためには、変位センサの数を増加させて行う必要がある。
【００２５】
以上本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、パラレルメカニズムとしてのベースの形状、リンク部を構成する直動ジョイント等の形状、形式、本数およびそのベースとの位置関係、球面ジョイントの形状、形式、球面ジョイントのベースおよびフレームへの設置形態、フレームの形状、形式、球面ジョイント等取付部基準点とベース側定盤等との間の距離の計測形式（スーパーインバーロッドと変位センサによるもの、レーザー干渉測長器によるものの他に適宜のものが採用され得る）、フレームの変形測定方式（パラレルメカニズムの運動学式中の球面ジョイントの座標位置のパラメータを修正するものとして、リンク部を構成する直動ジョイント等における伸縮制御を補正する他、適宜の別途の制御手段を設置することもできる）、変位センサーの形式および設置位置および設置形態等については適宜選定できるものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、有限個の取付部を介してジョイントと接続されて静的なフレームに支持され、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記ジョイント取付部相互間と工作物を固定する定盤間の相対的変位・姿勢変化を複数個の変位センサを用いてインプロセス計測するとともに、前記工作物とジョイント間の相対位置関係を修正することによって、工作物とツール間の相対的位置・姿勢精度を向上させるように構成したことにより、パラレルメカニズムを支持する静的なフレームがパラレルメカニズム稼働時に発生する力学的、熱的変形が生じても、工作物側から見たジョイント取付部の変形量（座標値）を、構造物の形状、剛性に関わりなく正確に把握して、フレームに対するパラレルメカニズムの取付部基準点である球面ジョイントの座標位置のパラメータを修正できるので、工作物とツール間の相対的位置・姿勢精度を向上させて、高精度にて工作物の加工が可能となる。
【００２７】
また、有限個の取付部を介してジョイントと接続されて静的なフレームに支持され、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記フレームにおけるジョイント取付部と工作物を固定する定盤側との間にスーパーインバーロッドを配設するとともに、定盤側にスーパーインバーロッドの変位を検出する変位センサを設置した場合は、熱膨張係数がほぼ０で熱変形の殆どないスーパーインバー等で定盤基準点を強固に連結して、簡素な構造にて正確にフレームと定盤間の距離を測定できる。さらに、前記スーパーインバーロッドは、フレームにおけるジョイント取付部と定盤側との間の最短距離を結んで配設された場合は、これらの間の直線距離の変動を正確に変位センサで測定することができる。さらにまた、前記スーパーインバーロッドが、フレームにおけるジョイント取付部と定盤側との間を迂回形態にて結んで配設された場合は、ロッドのジョイント取付部側等において、球面ジョイントやパラレルメカニズムのリンク部分と干渉する虞れのある場合でも、スーパーインバーロッドが配設でき、配設設計の自由度が向上する。
【００２８】
また、有限個の取付部を介してジョイントと接続されて静的なフレームに支持され、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記フレームにおけるジョイント取付部と工作物を固定する定盤側とのいずれかに、これらの間の距離を計測するレーザー干渉測長器を設置した場合は、機械的な測定部材自身の力学的、熱的変形の影響が皆無となり、測定精度が向上する。さらに、前記フレームにおける複数のジョイント取付部における隣接する一対のジョイント取付部相互間にスーパーインバーロッドを配設するとともに、前記一対のジョイント取付部のいずれか一方にスーパーインバーロッドの変位を検出する変位センサを設置した場合は、フレーム側における伸縮等によってジョイント取付部が変位する際の変形量を正確に測定して、これを補正することができるので、加工精度がより向上する。さらにまた、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記パラレルメカニズムの閉リンク機構を構成するリンク部分の基部をワークを支持するベースに球面ジョイントにより取着するとともに、前記リンク部分の先端部分側に支持されたツールを移動可能に構成し、前記ワークを支持する基準プレートとベースとの間に変位センサを設置したスーパーインバーロッドを配設した場合は、球面ジョイントをベース面近くに配設して、ベース側におけるジョイント取付部と定盤基準点間の距離の変動を測定して、加工精度をさらに向上させることが可能となる。
【００２９】
また、リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムにおいて、前記パラレルメカニズムの閉リンク機構を構成するリンク部分の基部をベースに球面ジョイントにより取着するとともに、前記リンク部分の先端部分側にワークを支持するエンドエフェクタを取着し、前記ベースと静的なフレームとの間に変位センサを設置したスーパーインバーロッドを配設した場合は、フレームとベース間の距離の変動を測定しつつ、ワーク側をパラレルメカニズムにて移動加工させる形式に適用できる。さらに、少なくとも３自由度を有するリンク機構を並列に連結した場合は、８面体そのものとなり、取付部基準点１か所当たりのジョイントが１個となり、構造的に簡略化している。かくして、本発明によれば、ジョイント取付部相互間と工作物を固定する定盤側間との力学的および熱的変形による相対的変位・姿勢変化を計測することによって、構造物の形状、剛性に関わりなく、工作物とツールとの間の相対的位置・姿勢精度を向上させることを可能にしたパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は工作物を固定する定盤と球面ジョイントの位置関係図、図１（Ｂ）は本発明におけるパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置の要部斜視図である。
【図２】同、各球面ジョイント取付部の座標位置およびその位置ベクトルを説明する図である。
【図３】本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第２実施の形態を示す図である。
【図４】本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第３実施の形態を示す図である。
【図５】本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第４実施の形態を示す図である。
【図６】本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第５実施の形態を示す図である。
【図７】本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第６実施の形態を示す図である。
【図８】本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第７実施の形態を示す図である。
【図９】本発明のパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法およびその装置の第８実施の形態を示す図である。
【図１０】パラレルメカニズムの３つの形態を示す図である。
【図１１】代表的なパラレルメカニズム型工作機械の構造図である。
【図１２】一般的な機械の変形要因を示す図である。
【符号の説明】
１ベース
２フレーム
３球面ジョイント
４ツール
５エンドエフェクタ
６ユニバーサルジョイント
７直動ジョイント
８アクチュエータ
９ワーク
１０定盤
１１球面ジョイント取付部基準点
１２定盤基準点
１３スーパーインバーロッド
１４ジョイント取付部
１５基準プレート
１６ロッドホルダ
１７変位センサ
１８レーザー干渉測長器
１９コーナーキューブミラー

Claims

パラレルメカニズムを支持するフレーム変形の影響を排除するためのパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法であって、前記フレーム上に前記パラレルメカニズムを支持するための少なくとも３個のジョイント取り付け部を設け、前記フレーム上にある定盤上に少なくとも３個の基準点を設け、前記取り付け部同士間の距離及び前記取り付け部と前記基準点間の距離をセンサで測定し、前記センサからの測定結果をもとにフレームの位置・姿勢の変化を求めることを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定方法。
パラレルメカニズムを支持するフレーム変形の影響を排除するためのパラレルメカニズムのフレーム変形補正装置であって、前記フレーム上に前記パラレルメカニズムを支持するための少なくとも３個のジョイント取り付け部を設け、前記フレームを支持する定盤上に少なくとも３個の基準点を設け、前記取り付け部同士間の距離及び前記取り付け部と前記基準点との距離を測定するセンサを配置したことを特徴とするパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置。
前記距離を測定するセンサは、前記取り付け部と前記基準点間との間に配設した熱膨張係数がほぼ０の材料からなるロッドの軸方向の変位を検出する変位センサであり、前記変位センサから得られた軸方向の変位をもとにフレームの位置・姿勢の変化を求めることを特徴とする請求項２に記載のパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置。
前記ロッドは、フレームにおけるジョイント取付部と定盤側との間の最短距離を結んで配設された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のフレーム変形測定装置。
前記ロッドが、フレームにおけるジョイント取付部と定盤側との間を他の部材と干渉せぬように迂回形態に結んで配設された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のフレーム変形測定装置。
前記センサはレーザー干渉測長器であることを特徴とする請求項２に記載のパラレルメカニズムのフレーム変形測定装置。