JP2007144542A - パラレルメカニズム及びそのキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリブレーションの実施に費やす作業時間を短縮すること及び機構パラメータの良好な同定精度を得ることを可能としたパラレルメカニズム及びそのキャリブレーション方法を提供する。
【解決手段】直交座標系で与えられるリンクヘッの回動位置及び移動位置に対応する指令値を機構パラメータに基づいてアクチュエータ３５６〜３５９に対する指令値に変換し、アクチュエータ３５６〜３５９を制御する制御部３を備え、この制御部３は、リンクヘッドに所定の回動量及び移動量で動作させたときのアクチュエータ３５６〜３５９に対する指令値とそのときの検出器３８０の出力値とに基づいて機構パラメータを補正する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば被加工物（ワーク）を加工するための工具（加工ツール）を変位させる場合に駆動力伝達機構として用いるパラレルメカニズム及びそのキャリブレーション方法に関する。

周知のように、工作機械には研削盤及び旋盤・フライス盤等があり、これら各種の工作機械はその加工内容に応じて選択的に用いられる。

このような工作機械においては、砥石，切削工具等の工具を支持する主軸頭や、ワークを支持するテーブル等を所望の位置に移動させたり、所望の角度で回動させたりすることにより、ワークと工具とを相対的に変位させて研削や切削等の加工が行われる。

近年、この種の工作機械には、高剛性・高精度・高速性を実現する機構として有効であることから、ベースからリンクヘッドまでが並列に連結されたリンクを有するパラレルメカニズムを備えたものが注目されてきており、例えば図１５に示すような工作機械（一部）が知られている（例えば特許文献１）。

この工作機械につき、図１５を用いて説明すると、図１５において、符号１１で示す工作機械は、天井５０に支持柱５１を介して吊持されたパラレルメカニズム１２と、このパラレルメカニズム１２の下方に位置するテーブル１３とを備えている。

パラレルメカニズム１２のリンクヘッドには加工ツール（図示せず）や測定器４０が選択的に取り付けられ、一方テーブル１３にはワーク（図示せず）や測定治具６０が同じく選択的に搭載される。

また、従来の工作機械には、図１６に示すようなものも知られている（例えば特許文献２）。これは、パラレルメカニズムの一部を構成する回転ジョイント１６ｂにその回転角度を測定可能な角度センサ４０Ｖを取り付けてなる工作機械２０である。

ところで、この種の工作機械においては、直交座標系で与えられる工具の先端位置情報等に対応する指令値をアクチュエータの出力値に変換（逆変換）し、アクチュエータを駆動制御することが行われる。この場合、指令値から出力値への変換には、各構成部品の傾斜角度や長さ等の機構パラメータが用いられる。これら機構パラメータは、各構成部品の製造誤差や組付誤差によって設計値とは必ずしも一致しない。また、工作機械の稼動状況や周囲環境の温度変化によるパラレルメカニズムの熱膨張・収縮等の変位によって変動する。このため、工作機械の出荷時にあるいは出荷後（稼動前の現場調整時や稼動後のメンテナンス時等）に、工具の位置及び姿勢の実測値から演算によって実際の機構パラメータの値を求め、その値を設計値に代えてアクチュエータの出力値への変換に用いる、いわゆるキャリブレーションが実施される。
特開平１１−１１４７７７号公報（図１） 特開２００２−２６３９７３号公報（図４）

しかし、特許文献１によると、キャリブレーションの実施時に工作機械１１から工具を取り外した後、工作機械１１に測定器４０や測定治具６０を取り付けるものであるため、キャリブレーションの実施に多大の作業時間を費やすという問題があった。

一方、特許文献２によると、角度センサ４０Ｖによる回転ジョイント１６ｂの僅かな角度誤差を検出して機構パラメータを補正するものであるため、角度誤差の検出精度が悪くなり、機構パラメータの良好な同定精度を得ることができないという問題があった。

従って、本発明の目的は、キャリブレーションの実施に費やす作業時間を短縮することができるとともに、機構パラメータの良好な同定精度を得ることができる工作機械の制御装置を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、リンクヘッドのＮ（Ｎ：自然数）の回動及び移動の少なくとも一方の動作が制御可能なパラレルメカニズムであって、前記リンクヘッドを駆動するためのＮ＋１個の駆動機構と、前記駆動機構と前記リンクヘッドとを接続するリンク機構と、前記リンク機構と前記リンクヘッドとの接続部のうち１つの接続部を前記リンクヘッドに対して一軸線方向に相対移動可能に接続する従動接続部と、前記従動接続部と前記リンクヘッドとの相対移動量を検出する検出器と、直交座標系で与えられる前記リンクヘッドの回動位置及び移動位置のうち少なくとも一方に対応する指令値を、パラレルメカニズム全体の構成を規定する機構パラメータに基づいて前記駆動機構に対する指令値に変換し、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記リンクヘッドに所定の回動量及び移動量で動作させたときの前記駆動機構に対する指令値とそのときの前記検出器の出力値とに基づいて前記機構パラメータを補正することを特徴とするパラレルメカニズムを提供する。

（２）本発明は、上記目的を達成するために、リンクヘッドを第１の軸線の回りに回動させるとともに、前記第１の軸線と直交する平面内で移動させることにより、前記リンクヘッドの３自由度の動作が制御可能なパラレルメカニズムであって、前記リンクヘッドを駆動するための４つの駆動機構と、前記リンクヘッドに相対移動可能な従動接続部に接続された第１の回動部を介して一端が互いに前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能に接続され、他端が前記駆動機構のうちそれぞれ対応する駆動機構に接続された１対のリンクから構成される第１のリンク機構と、前記リンクヘッドの前記第１の回動部の接続位置とは前記第１の軸線と直交する方向にオフセットされた位置に相対移動不能に接続された第２の回動部を介して一端が互いに第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能に接続され、他端が前記駆動機構のうちそれぞれ対応する駆動機構に接続された１対のリンクから構成される第２のリンク機構と、前記従動接続部と前記リンクヘッドとの相対移動量を検出する検出器と、直交座標系で与えられる前記リンクヘッドの回動位置及び移動位置に対応する指令値を、パラレルメカニズム全体の構成を規定する機構パラメータに基づいて前記駆動機構に対する指令値に変換し、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記リンクヘッドに所定の回動量及び移動量で動作させたときの前記駆動機構に対する指令値とそのときの前記検出器の出力値とに基づいて前記機構パラメータを補正することを特徴とするパラレルメカニズムを提供する。

（３）本発明は、上記目的を達成するために、上記（１）又は（２）に記載されたパラレルメカニズムのキャリブレーション方法であって、ｋ（ｋ：自然数）個の前記機構パラメータに対して、前記リンクヘッドの少なくともｋ回の異なる位置及び姿勢への回動及び移動の少なくとも一方の動作を実行させてそのときのｋ個の前記検出器の出力値を取得し、前記ｋ回の前記リンクヘッドの回動及び移動の際の前記駆動機構に対する指令値と前記ｋ個の前記検出器の出力値とに基づいて前記ｋ個の機構パラメータの補正値を同定することを特徴とするパラレルメカニズムのキャリブレーション方法を提供する。

本発明によると、キャリブレーションの実施に費やす作業時間を短縮することができるとともに、機構パラメータの良好な同定精度を得ることができる。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る工作機械の全体を説明するために示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る工作機械の要部を説明するために示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る工作機械の制御装置を説明するために示すブロック図である。なお、以下の説明においては、互いに直交する３つの方向をそれぞれｚ軸（第２の軸線）方向（図１における主軸方向）及びｘ軸（第３の軸線）方向（図１における紙面に平行かつｚ軸に直交する方向）・ｙ軸（第１の軸線）方向（図１における紙面に垂直でｚ軸に直交する方向）とする。

〔工作機械の全体構成〕
図１及び図３において、符号１で示す工作機械は、例えば円筒研削盤からなり、工作機械本体２及び制御装置３・付属装置（図示せず）から大略構成されている。

（工作機械本体２の構成）
工作機械本体２は、図１に示すように、ワークＷを回転駆動可能に支持するワーク支持駆動ユニット１００と、砥石等の加工ツール５０１が着脱可能に装着されるホイール回転主軸ユニット２００と、リンクヘッド３０１をツール取付側に保持するパラレルメカニズム３００とを備えている。

<ワーク支持駆動ユニット１００の構成>
ワーク支持駆動ユニット１００は、主軸台ベース１０１及び左右２つの主軸台１０３を有し、ベッド（基台）１０上の前方端部（図１では下側）に載置されている。主軸台ベース１０１の背面部（図１では上側）には、左右（ｚ軸）方向に所定の間隔をもって並列し、かつｚ軸方向に延在する左右２つの主軸台スライドガイド１０２が配設されている。左右２つの主軸台１０３は、それぞれが対応する主軸台スライドガイド１０２上にｚ軸方向に沿って移動自在に配設されている。そして、各主軸台スライドガイド１０２上における所定の位置に位置決めされ、その両中心部間でワークＷを挟持するように構成されている。左右２つの主軸台１０３には、それぞれ主軸１０５を所定の回転数で回転駆動する主軸駆動モータ１０４が搭載されている。

<ホイール回転主軸ユニット２００の構成>
ホイール回転主軸ユニット２００は、加工ツール５０１の被把持部を把持可能なホイール回転主軸２０１及びこのホイール回転主軸２０１を回転駆動するホイール回転主軸駆動モータ（図示せず）を有し、リンクヘッド３０１に搭載されている。そして、ホイール回転主軸駆動モータの回転駆動力をホイール回転主軸２０１に伝達し、さらにホイール回転主軸２０１上の加工ツール５０１を所定の回転数で回転駆動するように構成されている。

<パラレルメカニズム３００の構成>
パラレルメカニズム３００は、図２に示すように、１対のリンク集合体（リンク機構）３５０，３５１を有する多自由度（直線２軸及び回転１軸の３自由度）リンク機構からなり、ワーク支持駆動ユニット１００の後方に配設され、かつベッド１０の立ち上がり部（図示せず）にスライダ案内用のレール（ガイドレール）３６０，３６３を介して片持ち支持されている。そして、前述したようにツール取付側にリンクヘッド３０１を保持するように構成されている。

リンクヘッド３０１は、リンク集合体３５０，３５１のリンクヘッド側端部に保持され、ベッド１０に対し同一の仮想面（移動・回動仮想面）上でｙ軸回りに回動し、かつｘ軸・ｚ軸の２方向に移動し得るように構成されている。

リンクヘッド３０１の上面部には、加工ツール５０１の回転軸線Ｔと平行なジョイント案内用のレール３５２及びこのレール３５２上を矢印方向に移動可能な被検出部付きの直動ジョイント（変位機構）３５３が配設されている。直動ジョイント３５３の上面部には、回転ジョイント３５４にリンクヘッド３０１の移動・回動仮想面内で回転軸線Ｔに沿って並列する第１の回動部（接続部）であって、ｙ軸と平行な軸線の回りに回転する１自由度の回転ジョイント３５５が配設されている。これにより、回転ジョイント３５５が直動ジョイント３５３と共にレール３５２上を移動される。また、リンクヘッド３０１の上面部には、直動ジョイント３５３の被検出部（スリット）３５３Ａを検出し、両回転ジョイント３５４，３５５間の距離Ｌの誤差（両回転ジョイント３５４，３５５の位置ずれ）を検出するためのリニアスケール等の位置センサ３８０（図３に示す）が配設されている。

リンクヘッド３０１の下面部には、回転ジョイント３５５の配設位置とは直動ジョイント３５３の移動方向にオフセットされた位置で移動不能な第２の回動部（接続部）であって、ｙ軸と平行な軸線の回りに回転する１自由度の回転ジョイント３５４が配設されている。

１対のリンク集合体３５０，３５１は、ベッド１０（立ち上がり部）とリンクヘッド３０１との間に配設され、かつリンクヘッド３０１の移動・回動仮想面を水平面とする位置に保持されている。そして、アクチュエータ３５６〜３５９（図３に示す）の駆動によってリンクヘッド３０１を同一の移動・回動仮想面上でｘ軸及びｚ軸方向に移動させるとともに、ｙ軸回りに回動させてその位置及び姿勢を変更し得るように構成されている。アクチュエータ３５６〜３５９としては、各スライダ（後述）を移動させる送りねじ（図示せず）及びこれら送りねじを駆動するサーボモータからなる駆動機構が用いられる。アクチュエータ３５６〜３５９にはモータ回転検出用エンコーダ３１〜３４（図３に示す）が取り付けられている。なお、アクチュエータ３５６〜３５９としてはリニアモータ等の駆動機構を用いてもよい。

一方のリンク集合体（第２のリンク機構）３５０は、リンクヘッド３０１の移動・回動仮想面と平行な仮想面上で揺動可能な２つのリンク３５０Ａ，３５０Ｂを有し、リンクヘッド３０１の下方に配設されている。リンク３５０Ａ，３５０Ｂのリンク長は同一の寸法に設定されている。

リンク（第１のリンク）３５０Ａは、一方側のリンク端部（第２の端部）がベッド１０上におけるスライダ案内用のレール３６０にスライダ３６１及び回転ジョイント３８１を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部（第１の端部）が回転ジョイント３５４に回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ３５６によってレール３６０上を移動し得るように構成されている。ここで、回転ジョイント３８１は、ｙ軸と平行な軸線の回りに回転する１自由度のジョイントとして機能する。

リンク（第２のリンク）３５０Ｂは、一方側のリンク端部（第２の端部）がレール３６０にスライダ３６２及び回転ジョイント３８２を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部（第１の端部）が回転ジョイント３５４に回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ３５７によってレール３６０上を移動し、リンク３５０Ａ（回転ジョイント３８１）に対して接近・離間し得るように構成されている。ここで、回転ジョイント３８２は、ｙ軸と平行な軸線の回りに回転する１自由度のジョイントとして機能する。

他方のリンク集合体（第１のリンク機構）３５１は、ヘッドリンク３０１の移動・回動仮想面（リンク集合体３５１が配置される仮想面と平行な仮想面）と平行な仮想面上で揺動可能な２つのリンク３５１Ａ，３５１Ｂを有し、リンクヘッド３０１の上方に配設され、かつリンク集合体３５０に並設されている。リンク３５１Ａ，３５１Ｂのリンク長は、両リンク３５０Ａ，３５０Ｂのリンク長と同一の寸法に設定されている。

リンク（第１のリンク）３５１Ａは、一方側のリンク端部（第２の端部）がレール３６０と平行な位置でベッド１０上におけるスライダ案内用のレール３６３にスライダ３６４及び回転ジョイント３８３を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部（第１の端部）がリンクヘッド３０１に直動ジョイント３５３及び回転ジョイント３５５を介して移動・回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ３５８によってレール３６３上を、また直動ジョイント３５３及び回転ジョイント３５５を介してレール３５２上をそれぞれ移動し得るように構成されている。ここで、回転ジョイント３８３は、ｙ軸と平行な軸線の回りに回転する１自由度のジョイントとして機能する。

リンク（第２のリンク）３５１Ｂは、一方側のリンク端部（第２の端部）がレール３６３にスライダ３６５及び回転ジョイント３８４を介して移動・回動可能に連結され、他方側のリンク端部（第１の端部）がリンクヘッド３０１に直動ジョイント３５３及び回転ジョイント３５５を介して移動・回動可能に連結されている。そして、アクチュエータ３５９によってレール３６３上を移動し、かつリンク３５１Ａ（回転ジョイント３８３）に対して接近・離間し得るように、また直動ジョイント３５３及び回転ジョイント３５５を介してレール３５２上を移動し得るようにそれぞれ構成されている。ここで、回転ジョイント３８４は、ｙ軸と平行な軸線の回りに回転する１自由度のジョイントとして機能する。

（制御装置３の構成）
制御装置３は、図３に示すように、ＣＰＵ（中央演算処理装置）７１及びメモリ７２・インターフェイス（Ｉ／Ｆ）７３〜７５を備え、直交座標系で与えられるリンクヘッド３０１の移動位置情報に対応する指令値Ｕを機構パラメータＰ（パラレルメカニズム全体の構成を規定するもの）に基づいてアクチュエータ３５６〜３５９の出力値に変換し、これら各アクチュエータ３５６〜３５９を駆動制御するように構成されている。

<ＣＰＵ７１の構成>
ＣＰＵ（制御部）７１は、メモリ７２あるいは外部記憶装置７８に記憶された加工プログラムを読み出して解析し、直交座標系で与えられるリンクヘッド３０１の移動位置・姿勢情報を機構パラメータＰを用いて各アクチュエータへの駆動指令値に変換しサーボモータユニット８０へ出力する。また、後述するキャリブレーションのための演算を行うのもこのＣＰＵ７１である。

<メモリ７２の構成>
メモリ７２には、加工ツール５０１による実加工処理を実行するためのプログラム、機構パラメータＰ等の各種情報が記憶されている。

<インターフェース７３〜７５の構成>
インターフェース７３には、アクチュエータ（サーボモータ）３５６〜３５９を駆動するサーボモータユニット８０（８１〜８４）が接続されている。サーボモータユニット８１〜８４は、ＣＰＵ７１からの指令値に基づいてアクチュエータ３５６〜３５９をそれぞれ駆動し、これら各アクチュエータ３５６〜３５９のモータ回転検出用エンコーダ３１〜３４からの出力によってフィードバック制御（速度制御）を実行する。インターフェース７４には、加工データ等を入力するためのキーボード（ＫＢ）７６及び加工データや工作機械１の状態等を表示する画像表示装置（ＣＲＴ）７７・加工データを記憶する外部記憶装置７８が接続されている。インターフェース７５には位置センサ３８０が接続されている。

（付属装置の構成）
付属装置は、オイル供給装置・冷却装置・エア供給装置・クーラント供給装置と、これら装置を工作機械本体２に接続するダクト装置等とから構成されている。

〔工作機械１の動作〕
次に、本実施の形態に係る工作機械の動作につき、図４〜図７を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのｘ軸平行動作を説明するために示す平面図である。図５は、本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドの回動動作を説明するために示す平面図である。図６は、本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのｘ−ｚ軸平行動作を説明するために示す平面図である。図７は、本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのｘ−ｚ軸平行・回動動作を説明するために示す平面図である。

「ｘ軸平行動作」
図４に２点鎖線で示す初期位置から回転ジョイント３８１，３８２（スライダ３６１，３６２）を同一の移動量ｚ１で互いに接近する方向にレール３６０に沿って移動させるとともに、回転ジョイント３８３，３８４（スライダ３６４，３６５）を同一の移動量ｚ２（ｚ１＝ｚ２）で互いに接近する方向にレール３６３に沿って移動させると、加工ツール５０１の回転軸線Ｔを基準線Ｏに合致させた状態でリンクヘッド３０１がｘ軸方向に移動して図４に実線で示す位置に配置される。

「回動動作」
図５に２点鎖線で示す初期位置から回転ジョイント３８１，３８２（スライダ３６１，３６２）を互いに異なる移動量ｚ１，ｚ２（ｚ２＞ｚ１）で同方向（左方）に移動させるとともに、回転ジョイント３８３，３８４（スライダ３６４，３６５）を互いに異なる移動量ｚ３，ｚ４（ｚ４＞ｚ２＞ｚ３＞ｚ１）で同方向（左方）に移動させると、リンクヘッド３０１がｙ軸を中心に反時計方向に回動して例えば加工ツール５０１の回転軸線Ｔを基準線Ｏと直角にした状態で図４に実線で示す位置に配置される。

「ｘ−ｚ軸平行動作」
図６に実線で示す初期位置から回転ジョイント３８１，３８２（スライダ３６１，３６２）を互いに異なる移動量ｚ１，ｚ２（ｚ２＞ｚ１）で同方向（右方）にそれぞれ移動させるとともに、回転ジョイント３８３，３８４（スライダ３６４，３６５）を互いに異なる移動量ｚ３，ｚ４（ｚ４＞ｚ２＞ｚ１＞ｚ３）で同方向（右方）にそれぞれ移動させると、リンクヘッド３０１が斜方に移動して図６に２点鎖線で示す位置に配置される。

「ｘ−ｚ軸平行・回動動作」
図７に実線で示す移動位置から回転ジョイント３８１，３８２（スライダ３６１，３６２）を互いに異なる移動量ｚ１，ｚ２（ｚ２＞ｚ１）で同方向（右方）にそれぞれ移動させるとともに、回転ジョイント３８３，３８４（スライダ３６４，３６５）を互いに異なる移動量ｚ３，ｚ４（ｚ４＞ｚ２＞ｚ１＞ｚ３）で同方向（右方）にそれぞれ移動させると、リンクヘッド３０１が斜方に移動するとともに、ｙ軸を中心に時計方向に回動して図７に２点鎖線で示す位置に配置される。この場合、回転ジョイント３８４（スライダ３６５）の移動量は、「ｘ−ｚ軸平行動作」の場合における回転ジョイント３８４（スライダ３６５）の移動量より大きい移動量に設定されている。

このように、本実施の形態においては、リンクヘッド３０１をｘ軸及びｚ軸に沿って移動させるとともに、ｙ軸回りに回動させることにより、リンクヘッド３０１の位置及び姿勢を制御し、左右２つの主軸台１０３によって挟持されたワークＷに対する加工を行うことができる。

この場合、スライダ３６１，３６２，３６４，３６５を位置決めすると、リンクヘッド３０１上の回転ジョイント３５４，３５５の位置がそれぞれ決定されるため、リンクヘッド３０１の移動・回動位置（加工ツール５０１の先端位置）が決定される。このため、リンクヘッド３０１を所望の移動・回動位置に位置決めするには、これら移動・回動位置から特定の演算式（逆変換式）に基づいてスライダ３６１，３６２，３６４，３６５の位置を演算し、これら演算値に対応する位置にスライダ３６１，３６２，３６４，３６５を移動させる。

次に、特定の逆変換式を用いてスライダ３６１，３６２，３６４，３６５の位置（移動量）を求める手順について説明する。ここで、加工ツール５０１の先端位置の座標を（ｘ，ｚ，Ｂ）とすると、回転ジョイント３５４の座標（ｘ₁，ｚ₁）及び回転ジョイント３５５の座標（ｘ₂，ｚ₂）を求めると、次に示すようになる。

これより、アクチュエータ３５６〜３５９によるスライダ３６１，３６２，３６４，３６５の移動量（アクチュエータの座標）Ｕ＝（Ｕ₁，Ｕ₂，Ｕ₃，Ｕ₄）は、次のように求められる。

なお、スライド原点位置（ＳＬＯ１ｘ，ＳＬＯ１ｚ，ＳＬＯ２ｘ，ＳＬＯ２ｚ，ＳＬＯ３ｘ，ＳＬＯ３ｚ，ＳＬＯ４ｘ，ＳＬＯ４ｚ）及びスライド角度（ＳＬＡ１，ＳＬＡ２，ＳＬＡ３，ＳＬＡ４）・リンク長（ＲＬ１，ＲＬ２，ＲＬ３，ＲＬ４<但し、図９の例ではＲＬ１＝ＲＬ２＝ＲＬ３＝ＲＬ４>）は、図９に示すようなパラレルメカニズム３００の機構パラメータＰである。

このようにして求められるアクチュエータ座標Ｕにスライダ３６１，３６２，３６４，３６５を位置決めすることにより、リンクヘッド３０１の位置及び姿勢を制御することができる。この場合、直動ジョイント３５３（図２に示す）はリンクヘッド３０１に対して理論上は変位しない。その理由は次の通りである。本実施の形態においては、リンクヘッドがｘ軸平行動作・ｚ軸平行動作・ｙ軸回りの回動動作を行うことができる。すなわち、リンクヘッド３０１は３自由度をもって動作することが可能である。リンクヘッド３０１が３自由度の動作を達成するためには、図８（ａ）に示すように３つのリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａをそれぞれ駆動する３つの駆動機構（アクチュエータ）を備えることが必要十分条件である。これに対して、本実施の形態におけるパラレルメカニズム３００は、図８（ｂ）に示すように４つのリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂをそれぞれ駆動する４つの駆動機構（アクチュエータ３５６〜３５９）を備えている。これには冗長な駆動機構が存在するが、この冗長な駆動機構の存在によりアクチュエータ３５６〜３５９によって直動ジョイント３５３は直接変位しないのである。ところが、現実には、パラレルメカニズム３００を構成する各構成部品の製造誤差，組付誤差あるいは温度変化等の使用環境や長期使用による経年変化等により機構パラメータＰは理論値通りではなく誤差を含むため、直動ジョイント３５３は変位してこれら誤差を吸収する。

また、冗長な駆動機構を備えた他の理由を説明する。それは、パラレルメカニズムの課題である特異点が存在しないためである。冗長な自由度をもたない図８（ａ）の構成では、Ｕ１軸，Ｕ２軸を固定し、Ｕ３軸がリンクヘッド３０１を回動させようとした場合、２つの回転ジョイント３５４，３５５を結ぶ線分（延長線ｃ）にリンク３５１Ａが整列する状態においてＵ３軸を移動させることができない、いわゆる過可動特異点が存在する。これに対して、本実施の形態においては、図８（ｂ）に示すように冗長な駆動軸（この状態ではＵ４軸）を有するため、特異点が存在しない。

〔工作機械１のキャリブレーション方法〕
次に、本実施の形態に係る工作機械１のキャリブレーション方法につき、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態に係る工作機械のキャリブレーション方法を説明するために示す平面図である。図１０は、本発明の実施の形態に係る工作機械（パラレルメカニズム）のキャリブレーション方法を説明するために示すフローチャートである。

本実施の形態に示す工作機械１の制御装置３においては、直交座標系で与えられるリンクヘッド３０１の移動位置情報に対応する指令値（Ｘ，Ｚ，Ｂ）をアクチュエータ３５６〜３５９の出力値に機構パラメータＰ（スライド原点位置：ＳＬＯ１ｘ，ＳＬＯ１ｚ，ＳＬＯ２ｘ，ＳＬＯ２ｚ，ＳＬＯ３ｘ，ＳＬＯ３ｚ，ＳＬＯ４ｘ，ＳＬＯ４ｚ、スライド角度：ＳＬＡ１，ＳＬＡ２，ＳＬＡ３，ＳＬＡ４、リンク長：ＲＬ１，ＲＬ２，ＲＬ３，ＲＬ４）に基づいて変換してアクチュエータ座標Ｕ（Ｕ１〜Ｕ４）を求め、アクチュエータ３５６〜３５９を駆動制御する。この場合、次に示す手順を経て機構パラメータＰのキャリブレーションが一定周期毎あるいは任意のタイミングで実施される。

本実施の形態におけるキャリブレーションは、機構パラメータＰの誤差を吸収する機能を有する直動ジョイント３５３の変位、すなわち両回転ジョイント３５４，３５５間の距離Ｌの誤差ｄＬを位置センサ３８０で測定し、この誤差ｄＬを用いて機構パラメータＰの誤差を求めることにより実施される。

先ず、アクチュエータ３５６〜３５９を駆動し、リンクヘッド３０１を任意の位置に位置決めする（図１０のステップＳ１）。次に、このリンクヘッド３０１の位置決め状態において位置センサ３８０から出力値を測定し、両回転ジョイント３５４，３５５間の距離Ｌの誤差ｄＬを求める（図１０のステップＳ２）。これをｋ回繰り返してｋ個の異なる位置にリンクヘッド３０１を位置決めし、ｋ個の誤差ｄＬを得る（図１０のステップＳ３）。この場合、ｋの回数としては、機構パラメータＰの数、すなわち本実施の形態においては１６個の機構パラメータがあるので、１６回が最低限必要な回数である。ここで、精度を高める上では、これ以上の回数を繰り返して多数の誤差ｄＬを得ることが好ましい。また、リンクヘッド３０１の位置・姿勢については、ｘ軸方向・ｚ軸方向・ｙ軸回りの広い範囲にリンクヘッド３０１を位置決めして誤差ｄＬを得ることが精度を高める上では好ましい。一方、例えばリンクヘッド３０１のｘ軸方向の位置，ｙ軸回りの姿勢が同じで、単にｚ軸方向に移動しただけの２点での誤差ｄＬは、後述する機構パラメータＰを同定するためのデータとしては不適である。

このようにして得られたｋ個の誤差ｄＬとそのときのアクチュエータ座標（スライダ３６１，３６２，３６４，３６５への位置指令値）Ｕとを用いて機構パラメータＰを同定する（図１０のステップＳ４）。以下、機構パラメータＰの同定の仕方を説明する。

アクチュエータ座標（指令値）ＵをＵ＝（Ｕ₁，Ｕ₂，Ｕ₃，Ｕ₄）とするとともに、そのときのスライダ３６１，３６２，３６４，３６５の座標をそれぞれ（Ｘ₁，Ｚ₁）・（Ｘ₂，Ｚ₂）・（Ｘ₃，Ｚ₃）・（Ｘ₄，Ｚ₄）とし、回転ジョイント３５４の座標（ｘ₁，ｚ₁）及び回転ジョイント３５５の座標（ｘ₂，ｚ₂）とすると、スライダ３６１，３６２の座標（Ｘ₁，Ｚ₁）・（Ｘ₂，Ｚ₂）は次のように行列表記できる。

リンク長ＲＬ１，ＲＬ２は座標（ｘ₁，ｚ₁）・（Ｘ₁，Ｚ₁）・（Ｘ₂，Ｚ₂）を用いて次のように表すことができる。

（３），（４）よりｚ₁を求めると、次のようになる。

（５）を（３）に代入すると、次のようになる。

これを次のように置き換える。

これを整理すると、次に示すようになる。

これより、ｘ₁が次のように求まる。

ここで、ｘ₁は小さい方の解をとる。

（６）を（５）に代入すれば、ｚ₁が得られる。同様に、ｘ₂，ｚ₂についても求められる（図１０のステップＳ１）。これより、両回転ジョイント３５４，３５５間の距離Ｌは次のようになる。

上式Ｌは、機構パラメータＰ及び指令値Ｕの関数とすると、次のように表せる。

式（７）を機構パラメータＰについて全微分すると、次のようになる。

ここで、ｋ個の位置Ｕ（Ｕ＝Ｕ₁，Ｕ₂，…，Ｕ_k）についての距離誤差ｄＬ（ｄＬ＝ｄＬ₁，ｄＬ₂，…ｄＬ_k）を考えると、次のようになる。

これを行列表記すると、次のようになる。

従って、パラメータ誤差は、次のように表せる。

関数ｆは非線形であるため、求められた機構パラメータを新たなパラメータ値として上記計算を繰り返し、パラメータ誤差が許容値以下になるまで収束計算を行い、機構パラメータＰを補正する（図１０のステップＳ４）。

この後、補正後の機構パラメータを新たな機構パラメータＰとして置換し（図１０のステップＳ５）、作業が終了される。その後のリンクヘッド３０１の制御においては、ここで求められた補正後の機構パラメータＰを用い、リンクヘッド３０１の位置及び姿勢の指令値からアクチュエータ座標が演算される。

このようにして、機構パラメータＰのキャリブレーションを実施することができる。このキャリブレーション作業において、従来必要とした測定器や測定治具の取り付け・取り外し作業が不要になるので、任意のタイミングでキャリブレーションを実施することが可能である。すなわち、機械出荷時のみならず機械の始動開始直後と機械の暖気後にキャリブレーションを実施することにより機械の暖気運転を不要なものとすることができる。また、定期的にキャリブレーション作業を行うことにより、経年変化による機構部品の磨耗により生じる機構パラメータＰの誤差にも対応可能となる。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）機構中の位置センサ３８０を用いて機構パラメータＰのキャリブレーションを実施することができるため、キャリブレーションの実施時に従来必要とした測定器４０や測定治具６０の取り付け・取り外しが不要になり、キャリブレーションの実施に費やす作業時間を短縮することができる。

（２）位置センサ３８０による両回転ジョイント３５４，３５５間距離の誤差を検出して機構パラメータＰを補正するため、角度センサによって回転ジョイントの角度誤差を検出して機構パラメータを補正する場合と比べて誤差の検出分解能が高くなり、機構パラメータの良好な同定精度を得ることができる。

（３）機構パラメータＰのキャリブレーションが一定周期毎あるいは任意のタイミングで実施されるため、機構パラメータＰの熱変位による変動の影響を小さくすることができる。

（４）回転ジョイント３５５がリンクヘッド３０１上で移動可能であるため、各構成部品の加工精度や構成部品同士の組付精度が悪い場合や、またリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂが使用時等の熱変化によって伸縮する場合等の機構パラメータＰに起因する各種誤差を吸収することができ、これら寸法誤差に起因する構成部品及びアクチュエータへの過負荷発生を防止することができる。

（５）各リンク集合体３５０，３５１がリンクヘッド３０１を介して互いに並設されているため、リンク３５０Ａ，３５０Ｂとリンク３５１Ａ，３５１Ｂとが互いに交差することがない。これにより、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ及びリンク３５１Ａ，３５１Ｂの回動角を十分に大きい角度に設定することができ、リンクヘッド３０１の移動・回動動作として所望の移動・回動動作（回動範囲は３６０°以上）を得ることができる。

（６）リンクヘッド３０１がリンク集合体３５０，３５１によってベッド１０（立ち上がり部）に片持ち支持されているため、リンク集合体３５０，３５１及びレール３６０，３６３の設置スペースを縮小することができ、機構全体の小型化を図ることができる。

以上、本発明の工作機械（パラレルメカニズム）を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）実施の形態では、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂのリンク長を同一の寸法にして部品の共通化を図るために、各スライダ案内用のレール３６０，３６５をｙ軸方向のみならずｘ軸方向にも離間させて平行に配置する場合について説明したが、本発明はｘ軸方向には離間させる必要はなく、ベッド１０（立ち上がり部）の同一平面状に両スライダ案内用のレール３６０，３６５を取り付けるようにしてもよい。

（２）実施の形態では、回転ジョイント３５４，３５５がリンクヘッド３０１の各側部（上下側部又は左右側部）に配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、リンクヘッドの片側部に両回転ジョイントを配置してもよい。

（３）実施の形態では、制御対象としての加工ツール５０１がリンクヘッド３０１にホイール回転主軸ユニット２００を介して保持されるパラレルメカニズム３００である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、リンクヘッドにワークを保持するパラレルメカニズムであってもよい。

（４）実施の形態では、各リンク集合体３５０，３５１が互いに平行な２つの仮想面上に配置される場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、共通の仮想面上に配置してもよい。

（５）実施の形態では、砥石又はエンドミルを加工ツール５０１とする工作機械１に適用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば旋削用電着ホイール等の旋削工具あるいはレーザ焼入れヘッド等の熱処理工具・表面仕上げ工具等を加工ツールとする他の工作機械に適用し得ることは勿論である。

（６）実施の形態では、直線２軸，回転１軸の３自由度をもつ（ｘ−ｚ軸移動動作及びｙ軸回動動作が可能な）リンクヘッド３０１と、このリンクヘッド３０１を駆動するための４つのアクチュエータ（駆動機構）３５６〜３５９と、これらアクチュエータ３５６〜３５９とヘッドリンク３０１とを接続するリンク集合体（リンク機構）３５０，３５１とを備えたパラレルメカニズム３００を対象とする場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、リンクヘッドのＮ（Ｎ：自然数）の回動及び移動の少なくとも一方の動作が制御可能なパラレルメカニズムであって、リンクヘッドを駆動するためのＮ＋１個の駆動機構と、これら駆動機構とヘッドリンクとを接続するリンク機構とを備えたパラレルメカニズムを対象とすることができる。

本発明の実施の形態に係る工作機械の全体を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る工作機械の要部を説明するために示す斜視図。 本発明の実施の形態に係る工作機械の制御装置を説明するために示すブロック図。 本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのｘ軸平行動作を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドの回動動作を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのｘ−ｚ軸平行動作を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る工作機械におけるリンクヘッドのｘ−ｚ軸平行・回動動作を説明するために示す平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、リンクが３つである場合と比べてリンクが４つである場合の利点について説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る工作機械のキャリブレーション方法を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る工作機械のキャリブレーション方法を説明するために示すフローチャート。 従来の工作機械（１）を説明するために示す斜視図。 従来の工作機械（２）を説明するために示す斜視図。

符号の説明

１，１１，２０…工作機械
２…工作機械本体
３，７０…制御装置
１０…ベッド
１０Ａ…立ち上がり部
１２，３００…パラレルメカニズム
１３…テーブル
１６ｂ…回転ジョイント
４０…測定器
４０Ｖ…角度センサ
６０…測定治具
３１〜３４…モータ回転検出用エンコーダ
７１…ＣＰＵ
７２…メモリ
７３〜７５…インターフェース
７６…キーボード
７７…画像表示装置
７８…外部記憶装置
８０〜８４…サーボモータユニット
１００…ワーク支持駆動ユニット
１０１…主軸台ベース
１０２…主軸台スライドガイド
１０３…主軸台
１０４…主軸駆動モータ
１０５…主軸
３０１…リンクヘッド
５０１…加工ツール
２００…ホイール回転主軸ユニット
２０１…ホイール回転主軸
３５０，３５１…リンク集合体
３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂ…リンク
３５２…ジョイント案内用のレール
３５３…直動ジョイント
３５３Ａ…被検出部
３５４，３５５，３８１〜３８４…回転ジョイント
３５６〜３５９…アクチュエータ
３６０，３６３…スライダ案内用のレール
３６１，３６２，３６４，３６５…スライダ
３８０…位置センサ
Ｏ…基準線
Ｔ…回転軸線
ａ，ｂ…リンクエレメント
ｃ…延長線
Ｗ…ワーク

Claims (3)

1. リンクヘッドのＮ（Ｎ：自然数）の回動及び移動の少なくとも一方の動作が制御可能なパラレルメカニズムであって、
   前記リンクヘッドを駆動するためのＮ＋１個の駆動機構と、
   前記駆動機構と前記リンクヘッドとを接続するリンク機構と、
   前記リンク機構と前記リンクヘッドとの接続部のうち１つの接続部を前記リンクヘッドに対して一軸線方向に相対移動可能に接続する従動接続部と、
   前記従動接続部と前記リンクヘッドとの相対移動量を検出する検出器と、
   直交座標系で与えられる前記リンクヘッドの回動位置及び移動位置のうち少なくとも一方に対応する指令値を、パラレルメカニズム全体の構成を規定する機構パラメータに基づいて前記駆動機構に対する指令値に変換し、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記リンクヘッドに所定の回動量及び移動量で動作させたときの前記駆動機構に対する指令値とそのときの前記検出器の出力値とに基づいて前記機構パラメータを補正することを特徴とするパラレルメカニズム。
2. リンクヘッドを第１の軸線の回りに回動させるとともに、前記第１の軸線と直交する平面内で移動させることにより、前記リンクヘッドの３自由度の動作が制御可能なパラレルメカニズムであって、
   前記リンクヘッドを駆動するための４つの駆動機構と、
   前記リンクヘッドに相対移動可能な従動接続部に接続された第１の回動部を介して一端が互いに前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能に接続され、他端が前記駆動機構のうちそれぞれ対応する駆動機構に接続された１対のリンクから構成される第１のリンク機構と、
   前記リンクヘッドの前記第１の回動部の接続位置とは前記第１の軸線と直交する方向にオフセットされた位置に相対移動不能に接続された第２の回動部を介して一端が互いに第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能に接続され、他端が前記駆動機構のうちそれぞれ対応する駆動機構に接続された１対のリンクから構成される第２のリンク機構と、
   前記従動接続部と前記リンクヘッドとの相対移動量を検出する検出器と、
   直交座標系で与えられる前記リンクヘッドの回動位置及び移動位置に対応する指令値を、パラレルメカニズム全体の構成を規定する機構パラメータに基づいて前記駆動機構に対する指令値に変換し、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記リンクヘッドに所定の回動量及び移動量で動作させたときの前記駆動機構に対する指令値とそのときの前記検出器の出力値とに基づいて前記機構パラメータを補正することを特徴とするパラレルメカニズム。
3. 請求項１又は２に記載されたパラレルメカニズムのキャリブレーション方法であって、
   ｋ（ｋ：自然数）個の前記機構パラメータに対して、前記リンクヘッドの少なくともｋ回の異なる位置及び姿勢への回動及び移動の少なくとも一方の動作を実行させてそのときのｋ個の前記検出器の出力値を取得し、
   前記ｋ回の前記リンクヘッドの回動及び移動の際の前記駆動機構に対する指令値と前記ｋ個の前記検出器の出力値とに基づいて前記ｋ個の機構パラメータの補正値を同定することを特徴とするパラレルメカニズムのキャリブレーション方法。

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