JP6283249B2 - 並進機構及び三次元測定機 - Google Patents

Description

本発明は、並進機構及び三次元測定機に関する。

並進機構は、種々の工作機械や測定機等に広く用いられている。その中で、例えば被測定対象物の三次元的輪郭形状を測定するための三次元測定機（例えば特許文献１を参照）に用いられる並進機構は、プローブを高い精度で移動させることができる構成であることが望ましい。

ここで、図８（ａ）は、図８（ｂ）のVIII−VIII矢視断面図である。図８（ｂ）は、一般的な並進機構を示す側面図を示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、並進機構１００は、ガイド１０１、ガイド１０１と略平行に配置され、図示を省略した駆動源によって回転駆動するボールねじ１０２、ボールねじ１０２から回転駆動力がガイドブロック１０３を介して伝達され、ガイド１０１に沿って移動するスライダ１０４、ガイド１０１とスライダ１０４との間に配置され、ボールねじ１０２に対してスライダ１０４の側部における上方の領域に設けられた第１のエアーベアリング１０５、及びガイド１０１とスライダ１０４との間に配置され、ボールねじ１０２に対してスライダ１０４の側部における下方の領域に設けられた第２のエアーベアリング１０６を備えている。また、並進機構１００は、ガイド１０１とスライダ１０４との間に配置され、スライダ１０４の上部に設けられた第３のエアーベアリング１０７、及びガイド１０１とスライダ１０４との間に配置され、スライダ１０４の下部に設けられた第４のエアーベアリング１０８等を備えている。このような並進機構のボールねじ１０２は、搭載される例えば三次元測定機の重心位置に配置されている。

特開２０１２−３２３１９号公報

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す並進機構１００は、ボールねじ１０２の振れに起因する微小な変位がスライダ１０４に伝達される。このとき、図８（ａ）の矢印方向に力が作用するが、第１のエアーベアリング１０５に作用する力と、第２のエアーベアリング１０６に作用する力と、が異なり、スライダ１０４がボールねじ１０２まわりに回転しようとする。

そこで、第１のエアーベアリング１０５及び第２のエアーベアリング１０６のいずれか一方のエアーベアリングが、他方のエアーベアリングに比べて、大きく抵抗する。今度は、他方のエアーベアリングは、一方のエアーベアリングの抵抗によってスライダ１０４がボールねじ１０２まわりに回転しないように、大きく抵抗する。結果として、このような動作を交互に繰り返し、スライダ１０４が微小にボールねじ１０２まわりに回転する課題を有する。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ボールねじまわりのスライダの回転を抑制することができる並進機構及び三次元測定機を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る並進機構は、ガイドと、前記ガイドと略平行に配置され、駆動源によって回転駆動するボールねじと、前記ボールねじからの回転駆動力が伝達され、前記ガイドに沿って移動するスライダと、前記ガイドと前記スライダとの間に配置され、前記ボールねじに対して前記スライダにおける一方の領域に設けられた第１のエアーベアリングと、前記ガイドと前記スライダとの間に配置され、前記ボールねじに対して前記スライダにおける他方の領域に設けられた第２のエアーベアリングと、を備え、前記第１のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力と前記第２のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力とが略等しい状態で、前記スライダの前記ボールねじまわりの回転が抑制される。

上述の並進機構において、前記第１のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力と前記第２のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力とが略等しく、且つ前記スライダの前記ボールねじまわりの回転が抑制される位置に、前記ボールねじが配置されていることが好ましい。

上述の並進機構において、前記第１のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力と前記第２のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力とが略等しく、且つ前記スライダの前記ボールねじまわりの回転が抑制される位置に、バランサーが配置されていることが好ましい。

上述の並進機構において、前記第１のエアーベアリング及び前記第２のエアーベアリングは、前記ガイドを挟んで対向するように配置されていることが好ましい。

上述の並進機構において、前記第１のエアーベアリング及び前記第２のエアーベアリングは、前記スライダの重心を通る、前記ボールねじの回転軸に対する垂線を中心とする線対称に配置されていることが好ましい。

本発明の一形態に係る三次元測定機は、被測定対象物が載置されるテーブルと、前記被測定対象物に接触するプローブと、前記プローブと前記テーブルとをＸ方向に相対的に移動させるＸ方向駆動機構と、前記プローブと前記テーブルとをＹ方向に相対的に移動させるＹ方向駆動機構と、前記プローブと前記テーブルとをＺ方向に相対的に移動させるＺ方向駆動機構と、を備え、前記Ｘ方向駆動機構は、上述の並進機構を有する。

本発明によれば、ボールねじまわりのスライダの回転を抑制することができる並進機構及び三次元測定機を提供することができる。

実施の形態１に係る三次元測定機を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る三次元測定機の制御系ブロック図である。 実施の形態１に係るＸ方向駆動機構周辺の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係るＸ方向駆動機構における、ボールねじとエアーベアリングとの配置関係を説明するための図である。 実施の形態１に係るＸ方向駆動機構における、ホールねじ周辺の構成を概略的に示す図である。 エアーベアリングの配置とスライダに作用するＹ方向の力との関係を一般化して示した図である。 （ａ）及び（ｂ）は、三次元測定機のＸ方向駆動機構におけるエアーベアリングの配置を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は、一般的な並進機構を示す概略的に図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の三次元測定機の基本構成を簡単に説明する。ここで、図１は、三次元測定機を概略的に示す斜視図である。図２は、三次元測定機の制御系ブロック図である。

図１及び図２に示すように、三次元測定機１は、基台２、テーブル３、門型フレーム４、プローブ５、Ｘ方向駆動機構６、Ｙ方向駆動機構７及びＺ方向駆動機構８等を備えている。なお、本実施の形態においては、テーブル３の上面で互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向（左右方向）、Ｙ方向（前後方向）とする。また、テーブル３の上面に垂直な方向をＺ方向（上下方向）とする。

基台２は、テーブル３及び門型フレーム４等を支持する。ここで、基台２は、積層ゴム等の除振台上に配置されていることが好ましい。テーブル３は、被測定対象物を載せるために精密平坦加工された上面を有する。このテーブル３は、基台２の上面にＹ方向に摺動可能に配置されている。門型フレーム４は、テーブル３をＸ方向に跨ぐように基台２に設けられている。

プローブ５は、例えばテーブル３上に載置された被測定対象物に接触し、接触信号をホストコンピュータ９に出力する。ホストコンピュータ９は、入力された接触信号に基づいて、被測定対象物の位置及び座標の一方又は両方を測定する。つまり、三次元測定機１とホストコンピュータ９とで三次元測定システムを構築する。

Ｘ方向駆動機構６は、プローブ５をＸ方向に移動させる。本実施の形態のＸ方向駆動機構６は、門型フレーム４内に収容されている。Ｙ方向駆動機構７は、テーブル３をＹ方向に移動させる。本実施の形態のＹ方向駆動機構７は、基台２内に収容されている。Ｚ方向駆動機構８は、プローブ５をＺ方向に移動させる。本実施の形態のＺ方向駆動機構８は、門型フレーム４内に収容されている。

次に、Ｘ方向駆動機構６の構成を具体的に説明する。なお、Ｙ方向駆動機構７及びＺ方向駆動機構８については、発明の本質的部分でないため、具体的な説明を省略する。ここで、図３は、図４のIII−III矢視断面図である。図４は、Ｘ方向駆動機構におけるボールねじとエアーベアリングとの配置関係を説明するための図である。図５は、ボールねじ周辺の構成を概略的に示す図である。

図３及び図４に示すように、Ｘ方向駆動機構６は、ガイド１０、ボールねじ１１、スライダ１２、第１のエアーベアリング１３、第２のエアーベアリング１４、第３のエアーベアリング１５及び第４のエアーベアリング１６等を備えている。

ガイド１０は、スライダ１２の案内部材であり、Ｘ方向に延在する。本実施の形態のガイド１０は、断面視が矩形状の長尺部材であって、両端部が門型フレーム４に支持されている。

ボールねじ１１は、ガイド１０と略平行に配置されている。つまり、ボールねじ１１は、Ｘ方向に延在する。なお、ボールねじ１１の具体的な配置については後述する。このボールねじ１１の両端部は、図５に示すフレーム固定用の固定冶具１７を介して門型フレーム４に支持されている。

ボールねじ１１の一方の端部には、図５に示すように、サーボモータ１８が設けられている。ボールねじ１１は、サーボモータ１８の回転駆動が伝達されて回転駆動する。サーボモータ１８は、パルスジェネレータ１９によって生成されたパルス信号に基づいて所定量回転する。パルスジェネレータ１９は、ホストコンピュータ９から出力される制御信号に基づいてパルス信号を生成する。但し、本実施の形態では、駆動源としてサーボモータ１８を用いたが、ボールねじ１１を回転駆動できればモータの種類は特に限定されない。

スライダ１２は、ボールねじ１１から回転駆動力が伝達され、ガイド１０に沿って移動する。詳細には、スライダ１２は、図３及び図５に示すように、ガイドブロック２０を介してボールねじ１１に連結されており、当該ガイドブロック２０を介してボールねじ１１の回転駆動力が伝達される。

ちなみに、ガイドブロック２０は、フローティング機構を介してボールねじ１１に螺合されていると、当該フローティング機構によってボールねじ１１の振れを吸収することができる。

本実施の形態のスライダ１２は、図３に示すように、Ｘ方向から見てガイド１０を囲む形状とされている。つまり、スライダ１２は、ガイド１０の各面と略平行に配置された内周面を有する、中空の矩形状（筒状）に形成されている。但し、スライダ１２の形状は、ガイド１０に沿って良好に移動できれば良く、特に限定されない。

スライダ１２におけるボールねじ１１側の側部１２ａの外方面には、ガイドブロック２０が連結されている。スライダ１２の側部１２ａに対して向かい合う側部１２ｂの外方面には、Ｚ方向駆動機構８のエアーベアリング２１が設けられている。

このエアーベアリング２１を介してスライダ１２にプローブ５がＺ方向に移動可能に支持されている。ちなみに、図４に示すように、スライダ１２のＸ方向の中央を通る垂線Ｌ１上にプローブ５の中心軸が配置されていることが好ましい。

第１のエアーベアリング１３は、図３及び図４に示すように、ガイド１０とスライダ１２との間に配置され、ボールねじ１１に対してスライダ１２の側部の一方の領域（図３及び図４では上側、Ｚ軸方向の＋側の領域）に設けられている。

本実施の形態の第１のエアーベアリング１３は、図３に示すように、Ｘ方向から見てガイド１０を挟んで向かい合うように配置されている。そして、Ｙ方向の＋側に配置された第１のエアーベアリング１３は、スライダ１２の側部１２ａの内方面に設けられている。一方、Ｙ方向の−側に配置された第１のエアーベアリング１３は、スライダ１２の側部１２ｂの内方面に設けられている。

ガイド１０を挟んでＹ方向の＋側に配置された第１のエアーベアリング１３及びガイド１０を挟んでＹ方向の−側に配置された第１のエアーベアリング１３は夫々、Ｙ方向から見てＸ方向に２個間隔を開けて配置されている。

また、ガイド１０におけるＹ方向の両側に設けられた第１のエアーベアリング１３は、図４に示すように、スライダ１２のＸ方向の中心を通る垂線Ｌ１から略等しい距離で、Ｘ軸方向に２個配置されていることが好ましい。また、第１のエアーベアリング１３は、相互の間隔が広くなるように、スライダ１２におけるＸ方向の両端部に設けられていることが好ましい。これにより、スライダ１２におけるＹ方向に延在する軸まわりの回転を抑制することができる。

第２のエアーベアリング１４は、図３及び図４に示すように、ガイド１０とスライダ１２との間に配置され、ボールねじ１１に対してスライダ１２の側部の他方の領域（図３及び図４では下側の領域）に設けられている。

本実施の形態の第２のエアーベアリング１４は、ガイド１０を挟んで向かい合うように配置されている。そして、ガイド１０を挟んでＹ方向の＋側に配置された第２のエアーベアリング１４は、スライダ１２の側部１２ａの内方面に設けられている。一方、ガイド１０を挟んでＹ方向の−側に配置された第２のエアーベアリング１４は、スライダ１２の側部１２ｂの内方面に設けられている。

ここで、第２のエアーベアリング１４の中心は、スライダ１２のＸ方向の中心を通る垂線Ｌ１上に配置されていることが好ましい。これにより、第１のエアーベアリング１３及び第１４のエアーベアリング１４は、スライダ１２のＸ方向の中心を通る垂線Ｌ１を中心とする線対称に配置される。そのため、スライダ１２におけるＹ方向に延在する軸まわりの回転を抑制することができる。

第３のエアーベアリング１５は、図３及び図４に示すように、ガイド１０とスライダ１２との間に配置され、スライダ１２のＺ方向の＋側に配置された側部１２ｃ（図３及び図４では上側の側部）の内方面に設けられている。

第４のエアーベアリング１６は、図３及び図４に示すように、ガイド１０とスライダ１２との間に配置され、スライダ１２のＺ方向の−側に配置された側部１２ｄ（図３及び図４では下側の側部）の内方面に設けられている。

ここで、第３のエアーベアリング１５の中心及び第４のエアーベアリング１６の中心が、スライダ１２のＹ方向の中央を通る垂線Ｌ２上に配置されていることが好ましい。これにより、スライダ１２のＸ方向に延在する軸まわりの回転を抑制することができる。

このような第１〜第４のエアーベアリング１３〜１６は、一般的なエアーベアリングを備えている。つまり、既に公知であるので具体的な説明は省略するが、第１〜第４のエアーベアリング１３〜１６は、ガイド１０側にエアーを噴出することで、スライダ１２が所定の姿勢を維持するように、ガイド１０とスライダ１２との継手として機能する。

以上の構成により、本実施の形態のＸ方向駆動機構８は、サーボモータ１８の回転駆動力がボールねじ１１、ガイドブロック２０を介してスライダ１２に伝達され、スライダ１２は、第１〜第４のエアーベアリング１３〜１６によって所定の姿勢に維持されつつ、ガイド１０によってＸ方向に移動する。

次に、ボールねじ１１と第１〜第４のエアーベアリング１３〜１６との配置関係を説明する。本実施の形態においては、第１のエアーベアリング１３に作用するボールねじ１１の振れまわりの力と第２のエアーベアリング１４に作用するボールねじ１１の振れまわりの力とが略等しい状態で、スライダ１２のボールねじ１１まわりの回転が抑制されるように、ボールねじ１１が配置されている。

ここで、エアーベアリングの配置とスライダに作用するＹ方向の力（ボールねじ１１まわりの力）との関係を説明する。図６は、エアーベアリングの配置とスライダに作用するＹ方向の力との関係を一般化して示した図である。

図６に示すように、エアーベアリングの配置とスライダに作用するＹ方向の力との関係を、バネ付き三脚におけるプレートに見立てて考察する。バネによって支持された３本の脚Ａ、Ｂ、Ｃによって水平に支持されたプレートの上面に、質量Ｍ（ｋｇ）の物体を置くとき、物体をどこに配置すれば、プレートはモーメントを受けず水平を維持するかを考える。ここで、脚Ａ、Ｂ、Ｃを支持するバネは、それぞれ異なり、それぞれのバネ定数（Ｎ／ｍ）がｋ_ａ、ｋ_ｂ、ｋ_ｃであるとき、プレートを支持する剛性の中心（剛心）位置Ｘ_ｍ、Ｚ_ｍは以下の式１、式２で求められる。

但し、ｋ_ａ＋ｋ_ｂ＋ｋ_ｃ＝ｋ_ｇは合成されたバネ定数を表す。

また、推定されるプレートの変位δ（ｍ）は式３で求められる。

但し、Ｇは重力加速度：９．８ｍ／ｓ^２

ちなみに、脚Ａ、Ｂ、Ｃを支持するバネのバネ定数が全て等しく、ｋ_ａ＝ｋ_ｂ＝ｋ_ｃのとき、剛性の中心の位置（Ｘ_ｍ、Ｚ_ｍ）は、脚Ａ、Ｂ、Ｃを直線で結んで得られる三角形の重心位置に一致する。

図７（ａ）及び（ｂ）は、上述の内容を三次元測定機のＸ方向駆動機構におけるエアーベアリングの配置に置き換えた場合に対応する寸法を示した図である。詳細には、図７（ａ）は、図７（ｂ）のVII−VII位置でのスライダ周辺の矢視断面図であり、Ｘ方向から見た当該エアーベアリングの配置を示している。また、図７（ｂ）は、Ｙ方向から見た当該エアーベアリングの配置を示している。本実施の形態の第１のエアーベアリング１３及び第２のエアーベアリング１４の剛性及び配置は、スライダ１２のＸ方向の中心を通る垂線Ｌ１を中心とする線対称に配置されているため、Ｘ_ａ＝Ｘ_ｂ、Ｚ_ａ＝Ｚ_ｂ、及びｋ_ａ＝ｋ_ｂである。したがって、Ｘ_ｍ＝０であり、Ｘ_ｚは式４で求められる。

以上の考えによれば、ボールねじ１１のＺ方向における位置をＺ_ｍにすればスライダ１２はボールねじ１１の振れまわりの力によっても傾くことなく並進移動を行い、３個のエアーベアリングの合成した剛性を有効に生かすことができる。このとき、プローブ５の先端のＺ方向の変位量δを最も小さくすることができる。

例えば、本実施の形態では、Ｘ方向から見て２個の第１のエアーベアリング１３それぞれの中心と１個の第２のエアーベアリング１４の中心とを結んで形成される二等辺三角形の重心位置を、ボールねじ１１の回転軸が通過するように、ボールねじ１１が配置されている。

このような並進機構及び三次元測定機は、第１のエアーベアリング１３に作用するボールねじ１１の振れまわりの力と第２のエアーベアリング１４に作用するボールねじ１１の振れまわりの力とが略等しい状態で、スライダ１２のボールねじ１１まわりの回転が抑制されるように、各エアーベアリングとボールねじとが配置されている。これにより、従来のようにボールねじを挟んで配置された第１のエアーベアリングと第２のエアーベアリングとが交互に強く抵抗することがなく、それ故にスライダ１２のボールねじ１１まわりの回転を抑制することができる。そのため、スライダ１２の並進精度を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１の並進機構は、第１のエアーベアリング１３に作用するボールねじ１１の振れまわりの力と第２のエアーベアリング１４に作用するボールねじ１１の振れまわりの力とが略等しい状態で、スライダ１２のボールねじ１１まわりの回転が抑制されるように、ボールねじの配置を工夫したが、この限りでない。

即ち、図示は省略するが、第１のエアーベアリング１３に作用するボールねじ１１の振れまわりの力と第２のエアーベアリング１４に作用するボールねじ１１の振れまわりの力とが略等しい状態で、スライダ１２のボールねじ１１まわりの回転が抑制されるように、スライダ１２にバランサーを設けてもよい。

本発明は上述の実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、上述の実施の形態では、テーブル３がＹ方向に移動することで、プローブ５と被測定対象物とがＹ方向に相対的に移動しているが、門型フレーム４がＹ方向に移動することで、プローブ５と被測定対象物とがＹ方向に相対的に移動する構成としてもよい。

例えば、上述の実施の形態では、並進機構を三次元測定機のＸ方向駆動機構に用いたが、一般的に並進機構が用いられる装置であれば、本発明の並進機構を広く適用することができる。

１ 三次元測定機
２ 基台
３ テーブル
４ 門型フレーム
５ プローブ
６ Ｘ方向駆動機構
７ Ｙ方向駆動機構
８ Ｚ方向駆動機構
９ ホストコンピュータ
１０ ガイド
１１ ボールねじ
１２ スライダ、１２ａ〜１２ｄ 側部
１３ 第１のエアーベアリング
１４ 第２のエアーベアリング
１５ 第３のエアーベアリング
１６ 第４のエアーベアリング
１７ 固定冶具
１８ サーボモータ
１９ パルスジェネレータ
２０ ガイドブロック
２１ エアーベアリング

Claims (6)

1. ガイドと、
   前記ガイドと略平行に配置され、駆動源によって回転駆動するボールねじと、
   前記ボールねじからの回転駆動力が伝達され、前記ガイドに沿って移動するスライダと、
   前記ガイドと前記スライダとの間に配置され、前記ボールねじに対して一方の領域に設けられた第１のエアーベアリングと、
   前記ガイドと前記スライダとの間に配置され、前記ボールねじに対して他方の領域に設けられた第２のエアーベアリングと、
   を備え、
   前記第１のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力と前記第２のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力とが略等しい状態で、前記スライダの前記ボールねじまわりの回転が抑制される並進機構。
2. 前記第１のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力と前記第２のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力とが略等しく、且つ前記スライダの前記ボールねじまわりの回転が抑制される位置に、前記ボールねじが配置されている請求項１に記載の並進機構。
3. 前記第１のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力と前記第２のエアーベアリングに作用する前記ボールねじの振れまわりの力とが略等しく、且つ前記スライダの前記ボールねじまわりの回転が抑制される位置に、バランサーが配置されている請求項１に記載の並進機構。
4. 前記第１のエアーベアリング及び前記第２のエアーベアリングは、前記ガイドを挟んで対向するように配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の並進機構。
5. 前記第１のエアーベアリング及び前記第２のエアーベアリングは、前記スライダの重心を通る、前記ボールねじの回転軸に対する垂線を中心とする線対称に配置されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の並進機構。
6. 被測定対象物が載置されるテーブルと、
   前記被測定対象物に接触するプローブと、
   前記プローブと前記テーブルとをＸ方向に相対的に移動させるＸ方向駆動機構と、
   前記プローブと前記テーブルとをＹ方向に相対的に移動させるＹ方向駆動機構と、
   前記プローブと前記テーブルとをＺ方向に相対的に移動させるＺ方向駆動機構と、
   を備え、
   前記Ｘ方向駆動機構は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の並進機構を有する三次元測定機。

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