JP4249530B2 - パラレルメカニズム利用の位置決め装置 - Google Patents

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に対し前記支持部材１２を可動アーム７ａ〜７ｃ長さ方向に移動可能に支持することによって前記支持部材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とを備えてなり、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により支承されている構成となっている。
【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。
【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。
【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】
更に又、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】
請求項２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】
又、請求項３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

Claims (3)

1. 第一サポートと、当該第一サポートに作業空間を隔てて対向する第二サポートと、前記第一サポートを第二サポート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と、前記第二サポート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とから成り、当該パラレルメカニズムは、前記作業空間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に支軸の周りに揺動自在に支承された３本の可動アームと、この各可動アームに設けられて前記第二サポートをそれぞれ自在継ぎ手手段を介して支持する支持部材と、各可動アームに対し前記支持部材を可動アーム長さ方向に移動可能に支持することによって前記支持部材と前記支軸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とを備えてなり、前記第一サポートは、前記二次元位置調整機構を介して基台上に支持され、前記３本の可動アームは、その下端が前記基台の周辺に前記支軸により支承されている、パラレルメカニズム利用の位置決め装置。
2. 前記パラレルメカニズムの各支持部材は、各可動アームにその長さ方向移動可能に支持され、前記可動アーム有効長さ調整手段は、各可動アームの長さ方向と平行に支承された螺軸と、前記支持部材に設けられて前記螺軸に螺合する雌ねじ体と、前記可動アームの遊端部に支持されて前記螺軸と連動連結されたモーターとから成る、請求項１に記載のパラレルメカニズム利用の位置決め装置。
3. 前記第一サポートは、被加工ワークの支持台から成り、前記第二サポートは、加工用ツールを支持する、請求項１又は２に記載のパラレルメカニズム利用の位置決め装置。

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