JPH0252806B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、例えば水車ランナやポンプインペラ
等の大物製品における自由曲面の計測作業或は研
削作業等の自動化を行ない得るようにした曲面倣
い作業装置に関する。

〔発明の技術的景背およびその問題点〕

一般に、水車ランナやポンプインペラのように
ワーク表面が自由曲面を呈する大物製品において
は、そのワーク表面上の法線方向と位置が連続的
に三次元に変化するため、そのワーク表面の計測
或は研削作業を機械化・自動化するには、設計か
ら出て来る最終形状を基に大形計算機で各々の法
線方向と位置を計算するとともに、その結果を実
現する複雑な機構とその制御装置が必要であり、
膨大な費用と高度な技術が要求される。

そこで、従来上記水車ランナやポンプインペラ
等の如き大物製品における自由曲面の計測作業や
研削作業等は、多数の熟練作業者による手作業に
よつて行なわれていた。すなわち、上記自由曲面
の計測作業においては、設計から出て来る最終形
状を基に計測断面に添つたゲージを作成し、対象
ワークにその計測断面に合わせてゲージを当て
て、そのゲージとワーク間の隙間を等ピツチでワ
ークに倣いながら作業者自身によつて測定してい
た。また、研削作業においては、ハンドグライン
ダ等を手に持ち適当な押付力と送り速度でワーク
に倣いながら少しづつ研削していた。

したがつて、このような作業には高度の技術を
有する熟練者が必要となる。すなわち、上記計測
作業においては、計測姿勢が良く視力があるとと
もに熟練技術をもち、単調な作業に耐え得る人が
要求され、また研削作業においては、粉塵、騒
音、振動等の悪環境下で重労働で単調な作業に耐
え、かつ熟練した技術をもつた人が要求される。

しかしながら、最近特に上述の如き要望にかな
つた技術労働者の維持確保が非常に困難であり、
上述の如き作業を機械的にかつ自動的に行ない得
るとともに、安価で機構が簡単な装置が要望され
ていた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、従来手作業によ
つていた自由曲面の計測作業或は研削作業等の機
械化・自動化を可能とするとともに、安価でかつ
操作が簡単な曲面倣い作業装置を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、先端にボール軸受を設けるとともに
途中に接触検出器を設けた同一長さの３本の支持
足からなり、その各支持足の基端部或はその延長
線を一点に集めてその一点を頂点とし、先端のボ
ール軸受中心間を等間隔に保持せしめて上記ボー
ル軸受中心間を結んでできる正三角形を底面とす
る直角三角錐状の三点支持部と、互いに直交する
２つの軸線まわりに上記三点支持部を揺動自在に
軸支する揺動部と、三角錐状部の頂点を通りかつ
上記両軸線の少なくとも一方の軸線に直交する軸
線方向に前記揺動部を移動可能に支持する伸縮部
と、前記三角錐状部の頂点を通りその底面に直交
する線上に配設され、前記三点支持部に固定され
た作業機具とを有することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明をその一実施
例について説明する。

第１図は本発明の曲面倣い作業装置の概略系統
図であつて、ロボツトアーム先端またはNC工作
機主軸ヘツド部１（以下ヘツド部１という）に、
そのヘツド部１に直交する矢印α方向に伸縮自在
な伸縮部１０の一端が固着されている。この伸縮
部１０の先端には上記伸縮部１０の伸縮方向αに
直交する矢印β方向およびγ方向とにそれぞれ揺
動自在で、かつ両揺動軸線が一点Ｏで交差するよ
うに構成した揺動部３０が固定され、さらにこの
揺動部３０の上記一点Ｏ部に先端が対象ワーク表
面Ｓに三点Ａ，Ｂ，Ｃにて接触する三点支持部５
０が取り付けられている。

すなわち、ヘツド部１の先端下面には、第２図
および第３図に示すように、取付板１１を介して
シリンダ１２が装着されており、そのシリンダ１
２内には上記ヘツド部１に対して直交する方向に
移動可能でかつスプリング１３によつて一方に附
勢されたピストン１４が内蔵せしめられている。
上記シリンダ１２内壁面にはその縦軸方向に延び
る溝１５が形成されており、その溝１５に前記ピ
ストン１４から突設されたピン１６が係合され、
ピストン１４がシリンダ１２の軸線方向（矢印
α）のみに移動可能としてある。ところで、上記
ピストン１４に固着された上部ピストンロツド１
７は前記取付板１１およびヘツド部１を貫通して
上方に延びており、その側面にはラツク１８が設
けられ、前記取付板１１上に支持台１９を介して
支承されたポテンシヨメータ２０によつて回転駆
動されるピニオン２１が上記ラツク１８に噛合せ
しめられている。また、ピストン１４に装着され
シリンダ１２の端壁を貫通する下部ピストンロツ
ド２２の先端には接続板２３が固着されている。

また、上記接続板２３に装着された取付板３１
には、前記ピスイン１４の移動方向αに直交する
第１の軸線を有する第１の軸３２が軸受３３，３
３によつて軸支されており、この第１の軸３２は
歯車３４，３５を介してポテンシヨメータ３６に
連結され、そのポテンシヨメータ３６によつて第
１の軸３２の軸線まわりの回転方向（矢印β方
向）の回転角度を検出し得るように構成されてい
る。上記第１の軸３２は、第４図に示すように、
その中間部が字状に屈曲せしめられており、そ
の屈曲部３２ａ内に上記第１の軸３２の軸線と直
交する第２の軸線を有する第２の軸３７が軸受３
８，３８によつて軸支され、さらに上記第１の軸
３２および第２の軸３７の両軸線、並びに前記ピ
ストン１４の移動軸線は一点Ｏで交差するように
配設されている。また、上記第２の軸３７も歯車
３９，４０を介してポテンシヨメータ４１に連結
されており（第５図）、このポテンシヨメータ４
１によつて第２の軸３７の軸線まわりの回転方向
（矢印γ方向）の回転角度を検出することができ
る。

ところで、上記第２の軸３７には前記第１の軸
３２の軸線との交点である点Ｏ部に、３方向に突
出し三点支持部５０を構成する３本の支持足５１
ａ，５１ｂ，５１ｃの基端が固着されている（第
６図、第７図）。上記３本の支持足５１ａ，５１
ｂ，５１ｃはそれぞれその先端に回転自在なボー
ル軸受５２ａ，５２ｂ，５２ｃを有し、途中に上
記ボール軸受５２ａ，５２ｂ，５２ｃが対象ワー
ク表面Ｓにそれぞれ接触したときその接触を検出
する接触検出器５３ａ，５３ｂ，５３ｃがそれぞ
れ設けられた同一長さを有し、各支持足５１ａ，
５１ｂ，５１ｃはその中間部を支持板５４によつ
て互いに連結固定され直角三角錐状に形成されて
いる。上記支持板５４は、前記ボール軸受５２
ａ，５２ｂ，５２ｃがそれぞれ対象ワーク表面Ｓ
と接触する３点Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた三角形平面
（直角三角錐状部の底面）に平行に設けられてお
り、さらに上記三角形平面の中心Ｇから垂直に延
びる中心線Ｈが前記一点Ｏと交差するとともに、
前記第２の軸３７に直交するように形成されてい
る。

一方、上記支持板５４に対象ワーク表面Ｓの計
測装置や研削装置等を装着し得るようにしてあ
る。すなわち、対象ワーク表面Ｓの計測に際して
は第６図に示すように、前記３点Ａ，Ｂ，Ｃで囲
まれた三角形平面の中心Ｇを通る中心線上の対象
ワーク表面Ｓからの垂直距離Ｌを測定する距離セ
ンサ５５がナツト５６によつて上記支持板５４に
締付固定される。

また、研削作業に際しては、第７図に示すよう
に、上記中心線Ｈが対象ワーク表面Ｓと交わる点
Ｄを研削することができる研削面Ｆを有する研削
装置６０が上記支持板５４に装着される。上記研
削装置６０は、第８図に示すように、支持板５４
に装着し得るエアシリンダ６１を有し、そのエア
シリンダ６１内に装着され、支持板５４に直交す
る軸線方向に摺動し得るピストンロツド６２の先
端に、上記エアシリンダの軸線に直交する軸線回
りに回動し得る砥石６３を軸支した支持台６４が
取り付けられている。そして、上記支持台６４に
チエーン６５を介して上記砥石６３に回転力を与
える駆動モータ６６が装着されている。なお、こ
の場合上記エアシリンダ６１の軸線が、前記三点
支持部５０における三角形平面の中心Ｇからの垂
線に重なるように構成する。

次にその作用について説明する。

先ず、対象ワーク表面Ｓの目標スタート点近傍
にヘツド部１を近づけ、支持足５１ａ，５１ｂ，
５１ｃのいずれか２つ以下の先端がワーク表面Ｓ
に接触すると、接触検出器５３ａ，５３ｂ，５３
ｃの対応するものによつてその接触が検知され、
ヘツド部１の移動が停止せしめられる。（第９図
点線、なおこの場合説明をわかりやすくするため
支持足はその２本のみを示し、自由曲面を直線平
面とした時の状態を示す。） そこで、次に前記ヘツド部１をシリンダ１２の
軸線方向（矢印α方向）に移動せしめ、下部ピス
トンロツド２２を介して揺動部３０を押圧する。
しかして、この揺動部３０への押圧力によつて、
三点支持部５０が、揺動部３０の第１の軸線およ
び第２の軸線まわりに揺動し、全ての支持足５１
ａ，５１ｂ，５１ｃの先端が対象ワーク表面Ｓに
接触する方向に移動する。このようにして全ての
支持足が対象ワーク表面Ｓに接触すると（第９図
実線）、各接触検出器５３ａ，５３ｂ，５３ｃに
よつてその接触が確認され、それと同時にヘツド
部１の移動が停止される。これで、三点支持部５
０は、対象ワーク表面Ｓに倣つて安定した状態と
なり、その三点支持部５０の中心線Ｈすなわち底
面の中心Ｇを通る垂線が対象ワーク表面Ｓ上の接
触点Ａ，Ｂ，Ｃ内の法線（対象ワーク表面に直交
する垂線）と一致する。

そこで、上記三点支持部５０の支持板５４に設
けられた距離センサ５５によつて、対象ワーク表
面Ｓからの距離Ｌを求めるとともに、伸縮部１０
と揺動部３０のポテンシヨメータ２０，３６，４
１によつて得られるピストンロツド２２の移動量
（矢印α方向）と、第１および第２の軸３２，３
７の回転角度（矢印β方向、矢印γ方向）によ
り、対象ワーク表面上の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４点
位置を求めることができる。なお、ヘツド部１の
位置は予め移動することからその位置は検出する
ことができる。このようにして４点Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄが求まれば対象ワーク表面の当該部分の曲率半
径Ｒおよびその方向を求めることができる。以
下、この動作を順次繰り返すことによつて対象ワ
ーク表面に倣いながら自動的にワーク表面の形状
を測定することができる。

また、これで求まつた曲率半径Ｒの方向を基
に、ロボツト本体またはNC工作機械を制御して
ヘツド部１の方向を修正することにより、対象ワ
ーク表面への曲面倣い範囲を拡大することができ
る。

さらに、三点支持部５０の中心線Ｈ上に研削装
置６０を装着し、エアシリンダ６１によつて砥石
６３を対象ワーク表面に一定圧で押付けるととも
に、駆動モータ６６を駆動することによつて、対
象ワーク表面Ｓの点Ｄを研削することができる。
このとき砥石６３の研削面Ｆは、三点支持部５０
の中心線Ｈに直交しているとともに、対象ワーク
表面Ｓ上の法線が中心線Ｈと一致していることか
ら、対象ワーク表面Ｓの接線方向と一致すること
になり、目標研削深さの管理を高精度に行なうこ
とができる。このようにして、自由曲面の対象ワ
ーク表面を曲面に倣いながら順次目標の研削深さ
で自動的に研削することができる。

なお、上記実施例においては３本の支持足５１
ａ，５１ｂ，５１ｃの頂を一点Ｏに集中せしめた
ものを示したが、３本の支持足５１ａ，５１ｂ，
５１ｃの基端側を中心線Ｈに平行に延ばし、それ
らを結ぶ新たな支持板の支持足５１ａ，５１ｂ，
５１ｃと第２の軸３７間に設け、その支持板の中
心部を上記第２の軸３７の点Ｏに接続してもよ
い。この場合、支持足５１ａ，５１ｂ，５１ｃで
囲まれた空間の体積を大きく取ることができ、そ
の空間へ設ける研削機構等の作業能力を拡大する
ことができる。

また、曲率半径Ｒの計算等が少し複雑になる
が、揺動部の両軸線は必ずしも互いに一点で交差
する必要はない。さらに、前記三点支持部の支持
板中心線上には研削機構等以外に溶接トーチや非
破壊検査用の探触子等を取り付け、計測作業や研
削作業だけでなく、溶接作業等にも応用すること
もできる。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように構成したので、従来高度
の熟練を要した作業者による手作業で行なつてい
た例えば水車ランナ、ポンプインペラ等の大物製
品の自由曲面上の計測作業あるいは研削作業等
を、本発明装置によつて簡単に且つ自動的に行な
うことができる。また装置の構成も簡単なため小
形化することができ、挾隘部をもつ対象ワークに
も適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略構成斜視図、第２図
は本発明装置の側面図、第３図は伸縮部の縦断側
面図、第４図は揺動部の側面図、第５図は上記揺
動部の底面図、第６図は三点支持部の側面図、第
７図は研削装置を取り付けた三点支持部の側面
図、第８図は研削装置を取り付けた状態を示す３
点支持部の側面図、第９図は作動原理説明図であ
る。 １……ヘツド部、１０……伸縮部、１２……シ
リンダ、２０……ポテンシヨメータ、３０……揺
動部、３２……第１の軸、３６……ポテンシヨメ
ータ、３７……第２の軸、４１……ポテンシヨメ
ータ、５０……三点支持部、５１ａ，５１ｂ，５
１ｃ……支持足、５３ａ，５３ｂ，５３ｃ……接
触検出器、５４……支持板、６０……研削装置、
Ｓ……対象ワーク表面、Ｈ……中心線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 先端にボール軸受を設けるとともに途中に接
   触検出器を設けた同一長さの３本の支持足からな
   り、その各支持足の基端部或はその延長線を一点
   に集めてその一点を頂点とし、先端のボール軸受
   中心間を等間隔に保持せしめて上記ボール軸受中
   心間を結んでできる正三角形を底面とする直角三
   角錐状の三点支持部と、互いに直交する２つの軸
   線まわりに上記三点支持部を揺動自在に軸支する
   揺動部と、三角錐状部の頂点を通りかつ上記両軸
   線の少なくとも一方の軸線に直交する軸線方向に
   前記揺動部を移動可能に支持する伸縮部と、前記
   三角錐状部の頂点を通りその底面に直交する線上
   に配設され、前記三点支持部に固定された作業機
   具とを有することを特徴とする、曲面倣い作業装
   置。 ２ 互いに直交する２つの軸線は、三角錐状部の
   頂点を通る第１の軸線と、その第１の軸線に直交
   し、三角錐状部の頂点を通るとともに前記三点支
   持部の底面に平行な第２の軸線とからなることを
   特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の曲面倣
   い作業装置。 ３ 作業機具は、接触式或は非接触式の距離セン
   サーであることを特徴とする、特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の曲面倣い作業装置。 ４ 作業機具は、三点支持部の底面に平行な平面
   内に研削面を有する研削装置であることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   曲面倣い作業装置。 ５ 作業機具は、溶接トーチであることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   曲面倣い作業装置。 ６ 伸縮部はロボツトアーム先端部に取り付けら
   れていることを特徴とする、特許請求の範囲第１
   項乃至第５項のいずれかに記載の曲面倣い作業装
   置。 ７ 伸縮部は、工作機械の主軸ヘツド部に取り付
   けられていることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項乃至第５項のいずれかに記載の曲面倣い作
   業装置。