JP5303455B2 - 座標位置決め機械 - Google Patents

Description

本発明は、複数の部材によって２つの構造体が結合し、それらの部材によって囲まれた空間へのアクセスが必要となる機械に関する。例えば座標測定機械や工作機械などの機械において、２つの構造体間で運動が生じ得る。あるいは、２つの構造体および複数の部材は剛構造であってもよい。

公知の座標位置決め機械は「直交座標（Cartesian）」構造を有しており、ここには作動モジュール（例えばプローブを組み込むことができる）が支持されてベース（例えばテーブル）に対して移動し、「直列に（serially）」（すなわち１つのものが他のものの頂部に）取り付けられて相互に直交する３つの直線状案内路により３並進自由度をもつものとなっている。この種の機械には、各案内路の上に他のものを支持させなければならないので、重力に起因した撓みが生じるという不都合がある。さらに、各レベルに駆動モータが必要となるので、各案内路に大質量が加わることになる。この種の機械には、機械の作動空間（working volume）へのアクセスが容易であるという利点がある。

他の支持構造においては、ベースに対する移動を行うために、作動モジュールが複数の関節構造リンク（articulating linkage）によって支持される。各関節構造リンクは、作動モジュールとベースの一部を形成する支持部材との間に直接結合する。かかる「平行（parallel）取り付け構造においては、重量がリンク間に均等に分散されるので、重量に起因した撓みを最小限にすることができる。

特許文献１は、工具またはプローブなどの作動部（operator）をワークピースに対して位置決めするための機械を開示している。図８に示すように、機械は第１構造体２を有し、ここに作動部および第２構造体４が取り付けられる。２つの構造体には、それらが有するジョイント８ａ〜８ｆを介して６本の支柱が結合している。駆動手段が支柱に組み合わされ、２つの構造体上のジョイント間の支柱の長さを調節することで、構造体間の相対移動が生じるようになっている。

欧州特許第０６９２０８８号明細書 米国特許第５，６０４，５９３号明細書 国際公開第９０／０７０９７号公開パンフレット

この種の平行座標機械には、機械の内部空間（すなわち第１構造、第２構造および支柱によって画成されるもの）へのアクセスが支柱によって阻害されるという不都合がある。

本発明は、
ベースと、
構造体と、
前記ベースおよび前記構造体を結合する６以上の支柱と、
前記支柱を前記ベースおよび前記構造体に結合するために、前記ベースおよび前記構造体に配設された複数のジョイントであって、それぞれに１以上の前記支柱が結合している複数のジョイントと、
前記ベース、前記構造体および前記支柱によって画成され、作動モジュールを取り付けるための作動空間と、
該作動空間内への少なくとも１つのアクセス領域であって、該アクセス領域は隣接する２つの前記支柱間に形成され、前記アクセス領域の範囲は、２つの支柱、それらの前記ベースへの結合ポイント間の直線および前記構造体への結合ポイント間の直線によって画成される当該アクセス領域と、
を具え、前記少なくとも１つのアクセス領域の前記範囲は、隣接する他の支柱のセット間の領域よりも大きく、
前記ベースと前記構造体とで前記ジョイントの構造幾何学的配置の形状が異なっており、前記ベースおよび前記構造体の一方における前記ジョイントの幾何学的配置が三角形状であることを特徴とする座標位置決め装置を提供する。

この構成は、機械の作動空間へのアクセスを改善する。

アクセス領域は四辺形とすることができる。隣接する他の支柱のセット間の領域は実質的に三角形状であり得る。

支柱をベースおよび支持構造体に結合するために、複数のジョイントを配設することができる。１以上の支柱が各ジョイントに結合していてもよい。ジョイントにより、支柱と、ジョイントに結合される１つの構造体またはベースとの相対的な回転移動が可能となる。ジョイントは、ピボットジョイント、例えばボールジョイントを具えることができる。

ジョイントの構造は、ベースの部位と構造体の部位とで異なっていてもよい。

一実施形態では、ベースおよび構造体の他方におけるジョイントの幾何学的配置は四辺形状である。好ましくは、三角形における各ジョイントは２つの支柱を支持する一方、四辺形における２つのジョイントは２つの支柱を支持し、四辺形支持部における他の２つのジョイントは単一の支柱を支持する。

他の実施形態では、上部構造体には６つのジョイントが、ベースにも６つのジョイントがあり、各々のジョイントが単一の支柱を支持している。

構造体のジョイントおよびベースのジョイント間の支柱の長さは調節可能であり、これにより構造体をベースに対して移動可能とすることができる。あるいは、支柱の長さが固定されているものでもよい。

２つのアクセス領域を設け、作動空間を通って２つのアクセス領域間を直線状に通路が延在するよう、アクセス領域が配置されていてもよい。

座標位置決め機械は座標測定機械を具えることができる。

作動モジュールの向きは、１以上の軸のまわりに、例えば２または３軸のまわりに調節可能であってもよい。

作動モジュールはセンサまたはプローブアセンブリを具えることができる。

ベースに４つのボールジョイントを、上部構造体に３つのボールジョイントを有する機械を具えた本発明の第１の実施形態の斜視図である。 ベースに６つのボールジョイントを、上部構造体に６つのボールジョイントを有する機械を具えた本発明の第２の実施形態の斜視図である。 ベースに４つのボールジョイントを、上部構造体に６つのボールジョイントを有する機械を具えた本発明の第３の実施形態の斜視図である。 ベースに３つのボールジョイントを、上部構造体に４つのボールジョイントを有する機械を具えた本発明の第４の実施形態の斜視図である。 ベースに６つのボールジョイントを、上部構造体に６つのボールジョイントを有する機械を具えた本発明の第５の実施形態の斜視図である。 ベースに５つのボールジョイントを、上部構造体に３つのボールジョイントを有する機械を具えた本発明の第５の実施形態の斜視図である。 支柱を不動とした別の構成の斜視図である。 ベースに３つのジョイントを、上部構造体に３つのジョイントを有する従来の機械の斜視図である。 ベースに５つのボールジョイントを、上部構造体に５つのボールジョイントを有する機械を具えた本発明の第７の実施形態の斜視図である。

添付の図面を参照しながら、本発明の諸実施形態を以下に説明する。

図１は本発明の第１の実施形態を示している。機械１０はベース１２および上部構造体１４を有している。ベース１２は堅く、例えば花崗岩で作られている。上部構造体は、好ましくはより軽量であり、互いに接続された剛性のあるロッドで作製されている。本実施形態においては、剛性のあるロッドが接続されることで、逆四面体１５を形成している。上部構造体１４は、四面体の頂点１８から支持部材（例えばアーム１６）を支持し、これはベースに向けて下方に延在する。測定プローブ２０またはその他の作動モジュールをアームに取り付けることができる。ここでは「アーム」という用語を使用しているが、Ｚコラムおよび軸（quill）を含め、一般的な他の用語も用いられる。

６本の支柱２２〜３２がベース１０を上部構造体１４に結合させており、これらの支柱は回転移動を許容するピボットジョイント３４ａ〜３４ｄ，３６ａ〜３６ｃによって取り付けられている。本実施形態ではボールジョイントが用いられるが、例えばフックジョイント（Hook's joint）などのユニバーサルジョイントを用いることもできる。支柱２２〜３２は伸縮自在（telescopic）であり、駆動部が設けられ、支柱の長さを変化させることで、上部構造体がベースに対して移動できるようになっている。上部構造がベースに対して移動すると、これに取り付けられたアームおよび測定プローブ（またはその他の作動モジュール）もベースに対して移動する。各支柱に組み合わされた読み取りヘッドおよびスケールなどの測定システムは、各支柱のジョイント間の距離ひいてはベースに対する上部構造体を位置決めし、これによって測定プローブが位置決めされる。

図１に示す実施形態では、三角形状に配置された３つのボールジョイント３６ａ〜３６ｃが上部構造体に設けられている。その三角形状としては正三角形とすることもできるし、またその他の形態の三角形を用いることもできる。ベースには四辺形状に配置された４つのボールジョイント３４ａ〜３４ｄが設けられ、これは例えば矩形状とされる。支柱２２〜３２は、２本の支柱が上部構造体におけるボールジョイント３６ａ〜３６ｃの各々に結合し、２本の支柱がベースにおける２つのボールジョイント３４ｂ，３４ｃに結合し、１本の支柱がベースにおける残りのボールジョイント３４ａ，３４ｄのそれぞれに結合するよう配置されている。この配置においては、ベース上に対応する個々のボールジョイント３４ａ，３４ｂをもつ２本の支柱２２，３２間に開口が生成される。この空間が機械の内部へのアクセスを提供し、部品を容易にベース１２上に配置すること、およびベース１２上から除去することを可能にする。

図１はベース上の４つのボールジョイント３４ａ〜３４ｄが矩形状に配置されているものを示しているが、他のボールジョイント配置を行うことも可能である。例えば、ボールジョイントを台形（すなわち対向する１対の辺が平行である四辺形）または不等辺四辺形（すなわち平行な辺を持たない四辺形）に配置することもできる。しかしながら、ベースが矩形である場合には、ボールジョイントをベースの４つの角に偏倚して取り付けることが、支柱内の作動空間を最大化する上で有利である。

本実施形態は、支柱の回転対称性を崩し、内部空間へのアクセスを改善した点で、図８に示したものと異なっている。内部すなわち作動空間２は、ベース、上部構造体および支柱によって画成される。本実施形態では、単一のジョイント（図８におけるボールジョイント８ｃ参照）を離隔した一対のジョイント３４ａ，３４ｄで置換することでこれを実現している。よって、２本の支柱およびベースの間の三角形エリアは、当該２本の支柱、ベースおよび上部構造体の間の四辺形エリアに置換されている。本実施形態において、当該２本の支柱は互いに実質的に平行である。従って、隣接する一対の支柱間のエリアを増大させることで、隣接する他の一対の支柱に比べて、アクセス性が改善される。このようにして、作動空間内へ突入するアクセスが実現される。図１からわかるように、２本の支柱２２，３２と、ベースへの支柱の結合ポイント間の直線部８と、上部構造体への支柱の結合ポイント間の直線部６とで画成されるアクセス領域４の面積は、隣接する他の対の支柱間の面積よりも大きい。

これからわかるように、２本の支柱２２，３２を上部構造体１４に結合させるジョイント３６ａ，３６ｃ間の距離と、２本の支柱２２，３２をベース１２に結合させるジョイント３４ａ，３４ｄ間の距離との合計は、他の対の支柱について対応する値よりも大きい。

図８に示した例は、支柱の回転対称性に起因して高い剛性を有している。この対称性を崩してアクセスを改善することにより、システムの剛性は、低下はするもののなお十分である。

図２は本発明の第２の実施形態を示している。本実施形態においては、上部構造体１４およびベース１２の双方に、６つのボールジョイント３８ａ〜３８ｆ，４０ａ〜４０ｆが設けらているとともに、支柱２２〜３２のそれぞれが、各端において個々のボールジョイントに結合している。従って、図１に示したような共通のボールジョイントに代えて、ここでは一対の支柱に対し一対のボールジョイントが用いられている。一対のボールジョイントは支柱に沿ったベクトルが交差するよう配置されている。図２において、３８ｂｃは支柱２４および２６に沿ったベクトルの交点である。従って、３対のボールジョイント４０ａおよび４０ｂと、４０ｃおよび３０ｄと、４０ｅおよび４０ｆとが、上部構造において三角形状に配置される。ベースには２対のボールジョイント３８ｂおよび３８ｃと、３８ｄおよび３８ｅとが設けられるとともに２つの個別のジョイント３８ａ，３８ｆが設けられ、四辺形、例えば矩形に配置されている（図１を参照して詳述したように他の形状でもよい）。

この配置は、図１に示した配置と同様の効果を有する。

図３は本発明の第３の実施形態を示している。本実施形態においては、上部構造体１４におけるボールジョイント４０ａ〜４０ｆが図２の実施形態のようにグループ化されている一方、ベース１２上のボールジョイント３４ａ〜３４ｄは図１の実施形態と同様にグループ化されていない。この配置を逆にすること、すなわち上部構造について図１と同様の配置を行い、ベースについて図２と同様の配置を行ってもよいことは勿論である。

図４は本発明の第４の実施形態を示している。本実施形態は、図１に示した配置構成と逆の配置構成である。この配置構成においては、上部構造体１４は逆ピラミッド構造５８を有しており、これは矩形の上面５９と、そこから延在するアーム１６を有する。

図４においては、上面５９の角に偏倚して設けた４つのボールジョイント５６ａ〜５６ｄと、ベース１２上の３つのボールジョイント５４ａ〜５４ｃが存在している。前述した実施形態と同様、上部構造体１４とベース１２との間に支柱４２〜５２が延在しており、ボールジョイント５４ａ〜５４ｃおよび５６ａ〜５６ｄを介して各端部でベース１２および上部構造体１４とそれぞれ結合している。

ベース１２の部位では、２本の支柱がボールジョイント５４ａ〜５４ｃのそれぞれと結合している。上部構造体１４の部位では、２つのボールジョイント５６ｂ，５６ｃがそれぞれ２本の支柱と結合している。

他の２つのボールジョイント５６ａ，５６ｄは、それぞれと結合する１本の支柱のみを有している。前述した実施形態と同様、この配置は、上部構造体１４においてそれぞれボールジョイント５６ａ，５６ｄを個別に有する２本の支柱４２，５２間に空間を生成し、これにより機械の内部への容易なアクセスを提供する。

図５は本発明の第５の実施形態を示している。これは、第２実施形態のいくつかの特徴を含んだ第４実施形態の変形例である。

図５に示すように、上部構造体１４およびベース１２の双方に、６つのボールジョイント６２ａ〜６２ｆ，６４ａ〜６４ｆが設けらているとともに、支柱のそれぞれが、各端において個々のボールジョイントに結合している。従って、図４に示したような共通のボールジョイントに代えて、ここでは一対のボールジョイントが用いられている。図２を参照して説明したように、これらは支柱に沿ったベクトルが交差するよう配置されている。この配置構成は図４に示した配置構成と同様の効果を有する。

図４および図５に示された実施形態の組合せを有することも可能である。例えば、頂部に４つのボールジョイント、底部に６つのボールジョイント（２つずつの３グループをなす）が存在するようにしてもよい。あるいは、頂部に６つのボールジョイント（２つずつの２グループと、１つずつの２グループとをなす）、底部に３つのボールジョイントが存在するようにしてもよい。

図６は本発明の第６の実施形態を示し、ここではベースに５つのボールジョイント６６ａ〜６６ｅ、上部構造体に３つのボールジョイント６８ａ〜６８ｃが設けらている。上部構造体１４におけボールジョイント６８ａ〜６８ｃの各々には支柱７０〜８０の２つが結合する一方、ベースにおける１つのジョイント６６ｃには２つの支柱７４，７６が結合し、４つのジョイント６６ａ，６６ｂ，６６ｄ，６６ｅにはそれぞれ１つの支柱７０，７２，７８，８０が結合している。この配置は、アクセスを改善する２つのエリア（支柱７０と７２との間および支柱７８と７８との間）を有し、これにより一側部を介して内部空間に部品を挿入し、他方の側部を介して内部空間から部品を除去することができる。

図９は本発明の第７の実施形態を示し、ここではベース１２に５つのボールジョイント９２ａ〜９２ｅ、上部構造体１４に５つのボールジョイント６８ａ〜６８ｅが設けらている。

上部構造体におけるジョイントの配置は、ジョイント９４ａがそれに結合する１つの支柱９６を有し、ジョイント９４ｂがそれに結合する支柱９８，１００を有し、ジョイント９４ｃ〜９４ｅの各々がそれに結合する支柱１０２，１０４，１０６を有したものとなっている。ジョイントは三角形状に配置され、ジョイント９２ａが１つの角に、ジョイント９２ｂが第２の角に、そしてジョイント９２ｃ〜９２ｅが第３の角にある。

ベースにおけるジョイントの配置は、ジョイント９２ａがそれに結合する２つの支柱９６，９８を有し、ジョイント９２ｂ〜９４ｅの各々がそれに結合する支柱１０２〜１０６を有したものとなっている。ジョイントは五角形状に配置され、それぞれの角に１つのジョイントがある。

図９に示すように、この配置は、アクセスを改善する２つのエリア（支柱９６と１０６との間および支柱１００と１０２との間）を有する。これにより、図６の配置と同様、矢印で示すように一側部を介して内部空間に部品を挿入し、他方の側部を介して内部空間から部品を除去することができる。図９の実施形態は、２つのアクセスエリアが互いに対向していることで、内部空間に対する部品の搬入および搬出が容易になるという利点を有する。この配置により、作動空間を通し２つのアクセス領域間で直線的に対象物を移動できる。

これらの実施形態では、３〜６個のジョイントを用いる変形が可能である。例えば、ボールジョイント９４ｃ、９４ｄおよび９４ｆを組み合わせて単一のボールジョイントまたは２つのボールジョイントを形成し、１本の支柱を１つのボールジョイントに結合させ、２本の支柱を第２のボールジョイントに結合させるようにすることもできる。

図１〜図６および図９に示した実施形態はすべて、各端部でボールジョイントに取り付けられた支柱を例示している。図２〜図８においては、説明の簡略化のために支柱を線で示している。図１および図９に示すように、支柱は伸縮自在の支柱であってもよい。あるいは、特許文献２に開示されているように、支柱が剛性のあるラム部材（ram member）を具え、ジョイントが自在に回転可能な（universally rotatable）ボールを有する球状ベアリングを具え、このボールがそれを通って延在するボアをもち、そこを摩擦駆動により管状のラム部材が伸縮自在に摺動できるようにしたものであってもよい。従って、ラム部材が球状ベアリングを通して摺動するよう駆動されることで、上部構造体およびベース上のジョイント間でラム部材の長さが調節される。

支柱の配置は静的なシステムに対しても好適である。図７は機械の他の配置構成を示している。この配置構成では、ベース８２および上部構造体８４は互いに固定した位置にあり、６本の支柱８６ａ〜８６ｆは固定の上部構造体８４をベース８２に対して支持するために用いられる。測定デバイス９０を支持するための機構８８が上部構造体８４に取り付けられ、固定の構造体に対して移動可能となっている。例えば動力付きの連結部を設けて、固定の上部構造体８４と測定デバイス８０とを連結することができる。前述した実施形態と同様、支柱内部の空間へのアクセスが容易となるように６本の支柱が取り付けられている。

本発明は、剛性または６自由度があり、内部の作動空間内へ突出する少なくとも１つの方向のアクセス性のあるプラットフォームを提供する。

すべての実施形態では６本の支柱を例示したが、ベースおよび上部構造体間に付加的な支柱が設けられていてもよい。

上述の実施形態では座標測定機械について説明したが、本発明は他の応用に対しても好適である。機械は、例えば内部空間に部品が取り付けられ、６自由度をもって移動可能な作動モジュールにより部品が作動させられるようにした座標位置決め機械を具えるものでもよい。かかる応用には、座標測定機械（ＣＭＭ）、工作機械、高速プロトタイピング（rapid prototyping）、物質の付着／除去（material deposition / removal）、印刷、目視検査、部品の操作および組み立て、並びに表面分類（surface categorisation）が含まれる。

作動モジュールはカメラや温度センサなどのセンサを具えていてもよい。あるいは、作動モジュールはプローブアセンブリを具えていてもよい。プローブアセンブリと言う用語は、表面の分散した測定ポイントを取るタッチトリガプローブや、スタイラスの撓みの量を測定して表面の走査を行うのに使用することができる走査プローブを含む。プローブアセンブリはまた、光学式、容量型またはインダクタンスプローブなどの非接触プローブも含む。プローブアセンブリはまた、取り付けられたプローブの１以上の軸のまわりの回転を提供するプローブヘッドなどのデバイスも含み得る。例えば、特許文献３は電動走査ヘッドを開示し、当該電動走査ヘッドに取り付けられたスタイラスを直交する２軸のまわりに回転させることができるようになっている。プローブまたはセンサは、それ自身の軸のまわりに回転するものであってもよい。同様に、プローブアセンブリ以外の作動モジュールも１以上の軸のまわりに回転するものであってもよい。

Claims (19)

1. ベースと、
   構造体と、
   前記ベースおよび前記構造体を結合する６以上の支柱と、
   前記支柱を前記ベースおよび前記構造体に結合するために、前記ベースおよび前記構造体に配設された複数のジョイントであって、それぞれに１以上の前記支柱が結合している複数のジョイントと、
   前記ベース、前記構造体および前記支柱によって画成され、作動モジュールを取り付けるための作動空間と、
   該作動空間内への少なくとも１つのアクセス領域であって、該アクセス領域は隣接する２つの前記支柱間に形成され、前記アクセス領域の範囲は、２つの支柱、それらの前記ベースへの結合ポイント間の直線および前記構造体への結合ポイント間の直線によって画成される当該アクセス領域と、
   を具え、前記少なくとも１つのアクセス領域の前記範囲は、隣接する他の支柱のセット間の領域よりも大きく、
   前記ベースと前記構造体とで前記ジョイントの幾何学的配置の形状が異なっており、前記ベースおよび前記構造体の一方における前記ジョイントの幾何学的配置が三角形状であることを特徴とする座標位置決め装置。
2. 前記アクセス領域が四辺形であることを特徴とする請求項１に記載の座標位置決め装置。
3. 前記隣接する他の支柱のセット間の領域が実質的に三角形状であることを特徴とする請求項２に記載の座標位置決め装置。
4. 前記ジョイントが、前記支柱と、前記ジョイントに結合される前記構造体または前記ベースとの相対的な回転移動を可能にしていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の座標位置決め装置。
5. 前記ジョイントはピボットジョイントを具えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の座標位置決め装置。
6. 前記ベースおよび前記構造体の他方における前記ジョイントの幾何学的配置は四辺形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の座標位置決め装置。
7. 前記三角形状におけるそれぞれの前記ジョイントは２つの支柱を支持する一方、前記四辺形状における２つのジョイントは２つの支柱を支持し、前記四辺形状における他の２つのジョイントは単一の支柱を支持することを特徴とする請求項６に記載の座標位置決め装置。
8. 前記構造体には６つのジョイント、前記ベースには６つのジョイントがあり、各々の前記ジョイントが単一の支柱を支持していることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の座標位置決め装置。
9. 前記構造体の前記ジョイントおよび前記ベースの前記ジョイント間の前記支柱の長さは調節可能であり、これにより前記構造体が前記ベースに対して移動可能となることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の座標位置決め装置。
10. 前記支柱が伸縮自在であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の座標位置決め装置。
11. 前記支柱の長さが固定であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の座標位置決め装置。
12. 前記アクセス領域として２つのアクセス領域が具えられることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の座標位置決め装置。
13. ２つのアクセス領域が設けられ、前記作動空間を通って当該２つのアクセス領域間を直線状に通路が延在するよう、前記２つのアクセス領域が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の座標位置決め装置。
14. 座標測定装置を具えていることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の座標位置決め装置。
15. 前記作動モジュールの向きが少なくとも１軸のまわりに調節可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の座標位置決め装置。
16. 前記作動モジュールの向きが２軸のまわりに調節可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載の座標位置決め装置。
17. 前記作動モジュールの向きが３軸のまわりに調節可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の座標位置決め装置。
18. 前記作動モジュールがセンサであることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれかに記載の座標位置決め装置。
19. 前記作動モジュールがプローブアセンブリであることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれかに記載の座標位置決め装置。

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