JP2007268681A - Space 3-degree-of-freedom parallel mechanism and multi-spindle control machine tool using the space 3-degree-of-freedom parallel mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械の主軸頭やテーブルを3自由度で移動位置決めさせるパラレル機構に関し、特に航空機部品を加工するミーリング機械に適用するに好適な空間3自由度パラレル機構に関する。 The present invention relates to a parallel mechanism for moving and positioning a spindle head and a table of a machine tool with three degrees of freedom, and more particularly to a spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism suitable for application to a milling machine that processes aircraft parts.
この種のパラレル機構としては、米国特許US6,431,802Bに開示された図10のようなものがある。これは、3本のボールスクリュー5でZ軸方向に駆動される3つのキャリッジ3により主軸頭12をパラレル駆動するものである。3つのキャリッジ3と主軸頭12は3つの連結ロッド(8、9)により連結されている。キャリッジ3と連結ロッド8との連結手段はZ軸に垂直なピン10により、主軸頭12と連結ロッド9との連結手段はユニバーサルジョイント11によりなされている。この機構は簡略であるという利点がある。しかし、主軸頭の位置、角度を主軸頭から離れた3つのキャリッジ3の位置で検出し制御するため、連結ロッド8,9などの部品寸法に加工誤差があると直接位置決め誤差に響いてしまう。また、連結ロッド8,9等の熱変形による誤差が補正できない、といった問題点があった。このような誤差が出たまま制御すると、位置決め誤差が悪くなる、位置制御の制御性(応答性)が悪くなるという問題点があった。また、ピン10による連結であるので、換言するとロッド8,9両端のジョイントの自由度の和が4であり5より少ないため、連結ロッド9に曲げ応力が掛かり機構としての剛性が弱くなる、という問題点があった。
An example of this type of parallel mechanism is shown in FIG. 10 disclosed in US Pat. No. 6,431,802B. In this case, the
また、ヨーロッパ特許EP1,245,349Bには、図11に示すようなものが開示されている。これは、Z方向の3本のガイドウエイ2にスライダ4を乗せ、各スライダ4にペアとなったアーム3を連結し6本のアーム3で主軸頭に相当するヘッドプラットホーム5を支承する。各アーム3とスライダ4及びヘッドプラットホーム5との連結には球面ジョイント6,7が用いられる。この装置は球面ジョイント6、7を使用しているのでアーム3に曲げ応力が掛からず剛性が高い。しかし、ヘッドプラットホーム5から離れたスライダ4の位置でヘッドプラットホーム5の位置姿勢を検出し制御するため、上記と同様に、アーム3などの部品寸法に加工誤差があると直接位置決め誤差に響いてしまう。また、アーム3等の熱変形による誤差が補正できない、といった問題点があった。このような誤差を残したまま制御すると、位置決め誤差が悪くなる、位置制御の制御性(応答性)が悪くなるという問題点がある。また、隣接したアーム3とスライダ4、ガイドウエイ2が干渉するため、ヘッドプラットホーム5の旋回範囲が小さくなるという問題点があった。
Further, European Patent EP1,245,349B discloses the one shown in FIG. In this method, sliders 4 are placed on three
日本特許、特開平11−10575号には、図12に示すようなものが開示されている。これは、エンドプレート6を駆動する3本のリンク7及びボールねじ19の他に、エンドプレート6の位置姿勢を検出するためのマスト1を設け、このマスト1のベースプレート3位置付近での位置姿勢を検出するようにしたものである。これも、位置検出精度は上記2件のものより良くなるものの、エンドプレート6から離れた位置で検出しているため、上記と同様に、マスト1の部品寸法に加工誤差があると直接位置決め誤差に響いてしまう。また、マスト1等の熱変形による誤差が補正できない、といった問題点があった。このような誤差を残したまま制御すると、位置決め誤差が悪くなる、位置制御の制御性(応答性)が悪くなるという問題点がある。また、この装置では、検出されたマスト1の3軸(l、θ、φ)を逆変換して各アクチュエーターの指令値にフィードバックをかけているが、逆変換関数の機構パラメータに製造誤差、熱変位等により実際の機械と誤差が生じた場合、いかんとも対処できないという問題点があった。
Japanese Patent No. 11-10575 discloses a device as shown in FIG. This is because the
また、出願人はかって、特開2002−263973号で、6本のロッドでトラベリングプレートを保持するパラレルリンク機構であって演算位置情報と測定位置情報から機構パラメータの校正を行うものを提案した。しかしながら、測定位置情報の基礎となる現在位置の検出器が6個のモータ位置検出用エンコーダと各ロッドの回転角を検出する6個の角度センサであるので、トラベリングプレートの位置を直接的に検出するものではない。このため、12個の検出器により位置を検出し5自由度のトラベリングプレートの機構パラメータを推定しようとするものであり、演算負荷が大きいという問題点があった。また、トラベリングプレートから離れた箇所で現在位置を検出しフィードバックをかけて制御することになるから、機構パラメータに誤差があると、位置決め誤差が悪くなる、位置制御の制御性(応答性)が悪くなる、という問題点があった。さらに、検出軸が12軸となって機構が複雑であるという問題点もあった。 In addition, the applicant has proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-263973 a parallel link mechanism that holds a traveling plate with six rods and calibrates mechanism parameters from calculated position information and measured position information. However, since the current position detector, which is the basis of the measurement position information, is six motor position detection encoders and six angle sensors that detect the rotation angle of each rod, the position of the traveling plate is directly detected. Not what you want. Therefore, the position is detected by 12 detectors and the mechanism parameter of the traveling plate having 5 degrees of freedom is to be estimated, and there is a problem that the calculation load is large. In addition, since the current position is detected at a location away from the traveling plate and feedback is used for control, if there is an error in the mechanism parameters, the positioning error will deteriorate, and the controllability (responsiveness) of the position control will deteriorate. There was a problem of becoming. Furthermore, there is a problem that the detection mechanism is 12 axes and the mechanism is complicated.
本発明は、上記の問題点を解決するためなされたものであり、その目的とするところは、簡易な機構で本質的に剛性が高く、可動体(主軸頭)の旋回角度可動範囲が広く、位置決めの絶対精度が本質的に高い空間3自由度パラレル機構を提供することにある。そして、機構パラメータの校正が行い易くフィードバック制御の制御性(応答性)を高めるのが容易な空間3自由度パラレル機構を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide a simple mechanism with essentially high rigidity and a wide range of rotation angle of the movable body (spindle head), An object of the present invention is to provide a spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism having an essentially high positioning accuracy. Another object of the present invention is to provide a spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism in which mechanism parameters can be easily calibrated and the controllability (responsiveness) of feedback control can be easily improved.
上記の目的を達成するため、第1の態様の発明では、相対的に静止した系であるハウジングに固定された直線ガイドと、可動体と、前記直線ガイドに案内され直線ガイドの方向(以下Z軸方向という)に移動自在であると共に、互いに略直交する回転軸2軸(以下A軸及びB軸という)で回転可能に前記可動体を支承する可動体サポート体と、一端が前記ハウジングに連結され他端がロッド等を介して前記可動体に連結され可動体を移動可能にする3つのアクチュエーターと、を備えることを特徴とする空間3自由度パラレル機構が提供される。 In order to achieve the above object, in the first aspect of the invention, a linear guide fixed to a housing which is a relatively stationary system, a movable body, and a direction of the linear guide guided by the linear guide (hereinafter referred to as Z). And a movable body support body that supports the movable body so as to be rotatable about two rotation shafts (hereinafter referred to as A-axis and B-axis) that are substantially orthogonal to each other, and one end connected to the housing. And a three-degree-of-freedom parallel mechanism characterized in that the other end is connected to the movable body via a rod or the like and is movable.
上記のように構成すると、ロッドの一端はアクチュエーターの出力端に連結され、ロッドの他端は可動体に連結される。このため、3本のロッドには伸縮力と圧縮力しか働かず、曲げ応力が発生しないので駆動機構の剛性が高くなるという効果を奏する。さらに、3本のみのロッドが直接可動体に連結されているので、直線ガイドとの干渉も起こらず、可動体(主軸頭)の旋回角度可動範囲が広くなるという効果がある。さらに、可動体がZ軸.A軸及びB軸に移動可能に可動体サポート体に支承されているから、各軸の動きを殆ど直接的に位置検出器(エンコーダ)で検出することができ、変換演算の殆どいらない位置検出値を検出することができる。このため、位置決めの絶対精度が本質的に高く、機構パラメータの校正も容易であるという効果を奏する。 If comprised as mentioned above, the end of a rod will be connected with the output end of an actuator, and the other end of a rod will be connected with a movable body. For this reason, only the expansion and contraction force and the compression force are applied to the three rods, and no bending stress is generated, so that the rigidity of the drive mechanism is increased. Further, since only three rods are directly connected to the movable body, there is no interference with the linear guide, and there is an effect that the movable angle range of the movable body (spindle head) is widened. Furthermore, the movable body is the Z-axis. Since it is supported by the movable body support body so as to be movable along the A axis and the B axis, the movement of each axis can be detected almost directly by the position detector (encoder), and the position detection value that requires almost no conversion calculation. Can be detected. For this reason, the absolute accuracy of positioning is essentially high, and the mechanism parameters can be easily calibrated.
ここで、第2の態様の発明として、前記可動体の位置を検出する3つの可動***置検出器を備え、その可動***置検出器が、可動体のZ軸位置を検出するZ軸位置検出器とA軸姿勢を検出するA軸位置検出器とB軸姿勢を検出するB軸位置検出器である、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、可動体の位置姿勢(Z軸、A軸、B軸)をより直接的に検出することができ、位置決め精度が向上すると共に制御性(応答性)が良くなるという効果がある。 Here, as a second aspect of the invention, there are provided three movable body position detectors for detecting the position of the movable body, and the movable body position detector detects the Z-axis position of the movable body. And an A-axis position detector for detecting the A-axis posture and a B-axis position detector for detecting the B-axis posture. With this configuration, the position and orientation (Z-axis, A-axis, B-axis) of the movable body can be detected more directly, and the positioning accuracy is improved and controllability (responsiveness) is improved. is there.
そして、第3の態様の発明として、前記可動体サポート体が、前記直線ガイドに案内されZ軸方向に移動自在にされた第1の可動サポート体と、前記第1の可動サポート体にB軸方向に回転自在に支承された第2の可動サポート体とからなり、前記第2の可動サポート体にA軸方向に回転自在に前記可動体が支承されている、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、第1の可動サポート体と第2の可動サポート体とでユニバーサルジョイントを構成し、そのユニバーサルジョイントがZ軸方向に移動自在にされているから、3軸(Z軸、A軸、B軸)方向には移動自在に、他の方向には剛性を強く、機構を構成することができる。また、可動体の3軸(Z軸、A軸、B軸)の位置を直接的に検出するのが容易になるという効果を奏する。 As a third aspect of the invention, the movable body support body is guided by the linear guide and made movable in the Z-axis direction, and the first movable support body has a B-axis. And a second movable support body supported rotatably in the direction. The movable body is supported on the second movable support body so as to be rotatable in the A-axis direction. . With this configuration, the first movable support body and the second movable support body constitute a universal joint, and the universal joint is movable in the Z-axis direction. The mechanism can be configured to be movable in the (axis, B axis) direction and rigid in the other directions. Further, there is an effect that it is easy to directly detect the positions of the three axes (Z axis, A axis, B axis) of the movable body.
第4の態様の発明として、前記3つのアクチュエーターが、Z軸方向に3つの駆動スライダを移動させる直線アクチュエーターであり、前記3つの駆動スライダと前記可動体が3本のロッドで連結され、その連結手段が、いずれか一方の連結手段が3自由度を有するジョイントであり、他方の連結手段が2自由度以上を有するジョイントであることと、からなることを特徴とすることができる。このように構成すると、各ロッドの両端が合わせて5自由度以上の自由度で連結されるので、各ロッドには伸縮力と圧縮力しか働かず、曲げ応力が全く発生しないので駆動機構の剛性が高くなるという効果を奏する。このため、ロッドの曲げ変形による機構パラメータの変動ということが全くなく、空間3自由度パラレル機構の制御性(応答性)が向上するという効果を奏する。 As a fourth aspect of the invention, the three actuators are linear actuators that move three drive sliders in the Z-axis direction, the three drive sliders and the movable body are connected by three rods, and the connection The means may be characterized in that any one of the connecting means is a joint having three degrees of freedom and the other connecting means is a joint having two or more degrees of freedom. With this configuration, since both ends of each rod are joined together with a degree of freedom of 5 degrees or more, each rod can only operate with expansion and contraction force and compression force, and no bending stress is generated. Has the effect of becoming higher. For this reason, there is no change in the mechanism parameters due to bending deformation of the rod, and the controllability (responsiveness) of the spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism is improved.
第5の態様の発明として、前記アクチュエーターの位置を検出するアクチュエーター位置検出器を備え、前記3つの可動***置検出器がそれぞれ前記アクチュエーター位置検出器よりも前記可動体の近傍に配置され、その3つの可動***置検出器からの情報に基づき前記3つのアクチュエーターをフィードバック制御するフィードバック制御手段を備える、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、前記3つの可動***置検出器が可動体の近傍に配置されることになるから、可動体から可動***置検出器に至る部材が小さくなり、それだけ正確に可動体の3軸位置を検出できる。したがって、正確な3軸(Z軸、A軸、B軸)の位置情報に基づきアクチュエーターが制御され3本のロッドが制御されるから、正確で制御性の良い3軸(Z軸、A軸、B軸)フィードバック制御が行われるという優れた効果を奏する。 As a fifth aspect of the invention, an actuator position detector for detecting the position of the actuator is provided, and the three movable body position detectors are arranged closer to the movable body than the actuator position detector, respectively. Feedback control means for feedback-controlling the three actuators based on information from two movable body position detectors may be provided. If comprised in this way, since the said 3 movable body position detector will be arrange | positioned in the vicinity of a movable body, the member from a movable body to a movable body position detector will become small, and the 3 of a movable body will be exactly that much. Axis position can be detected. Therefore, since the actuator is controlled based on the accurate position information of the three axes (Z axis, A axis, B axis) and the three rods are controlled, the three axes (Z axis, A axis, B axis) An excellent effect is achieved in that feedback control is performed.
第6の態様の発明として、前記Z軸位置検出器が前記第1の可動サポート体のZ軸位置を検出する位置検出器であり、前記B軸位置検出器が前記第2の可動サポート体の回転位置を検出する回転位置検出器であり、前記A軸位置検出器が前記第2の可動サポート体に対する前記可動体の回転位置を検出する回転位置検出器である、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、可動体の3軸(Z軸、A軸、B軸)をそれぞれの軸上で直接的に検出することができるという効果がある。 As a sixth aspect of the invention, the Z-axis position detector is a position detector that detects the Z-axis position of the first movable support body, and the B-axis position detector is a position detector of the second movable support body. A rotational position detector for detecting a rotational position, wherein the A-axis position detector is a rotational position detector for detecting a rotational position of the movable body with respect to the second movable support body. it can. If comprised in this way, there exists an effect that three axes | shafts (Z-axis, A-axis, B-axis) of a movable body can be detected directly on each axis | shaft.
第7の態様の発明として、前記直線ガイドが、3本の平行な直線ガイドからなり、前記3つのアクチュエーターが、前記3つの直線ガイドと一体に構成され前記直線ガイド上を摺動する駆動スライダを、駆動するものである、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、直線ガイドが可動体サポート体をZ軸方向に案内するものと、駆動スライダをZ軸方向に案内するものが共有化され、空間3自由度パラレル機構の構造が簡略化されるという効果を奏する。 As a seventh aspect of the invention, the linear guide is composed of three parallel linear guides, and the three actuators are configured integrally with the three linear guides and slide on the linear guide. It can be characterized by being driven. With this configuration, the linear guide that guides the movable body support body in the Z-axis direction and the one that guides the drive slider in the Z-axis direction are shared, and the structure of the spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism is simplified. There is an effect that.
第8の態様の発明として、前記直線ガイドが、前記Z軸に垂直な平面上の円周で120°毎に配置された3本の平行な直線ガイドからなり、前記第1の可動サポート体が、前記3本の直線ガイドに案内された3つの直線スライダに固定された環状の部材であり、前記第2の可動サポート体が、前記第1の可動サポート体に半径中心方向に突出して設けられた2本の軸により回転自在に支承された環状の部材であり、前記可動体が、前記第2の可動サポート体に半径中心方向に突出して設けられた軸により回転自在に支承されたブロック状の部材である、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、可動体の3軸(Z軸、A軸、B軸)には移動自在で、他の軸方向には剛性が強い簡易な機構を提供することができるという効果がある。また、120°毎に配置されているから、3本の直線スライダに掛かる力が平均化し、均整のとれた空間3自由度パラレル機構とすることができるという効果がある。 As an invention according to an eighth aspect, the linear guide includes three parallel linear guides arranged every 120 ° on a circumference on a plane perpendicular to the Z-axis, and the first movable support body includes The annular movable member is fixed to three linear sliders guided by the three linear guides, and the second movable support body is provided to protrude in the radial center direction from the first movable support body. A ring-shaped member that is rotatably supported by two shafts, and the movable body is rotatably supported by a shaft that protrudes in the radial center direction from the second movable support body. It is the member of this. With this configuration, there is an effect that it is possible to provide a simple mechanism that is movable on the three axes (Z axis, A axis, and B axis) of the movable body and strong in the other axial directions. In addition, since they are arranged every 120 °, the force applied to the three linear sliders is averaged, and there is an effect that it is possible to provide a balanced three-degree-of-freedom parallel mechanism.
第9の態様の発明として、前記3つの直線アクチュエーター及び前記3本のロッドが、前記Z軸に垂直な平面上の円周で120°毎に配置されている、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、120°毎に配置されているから、3本のロッドに掛かる力が平均化し、均整のとれた空間3自由度パラレル機構とすることができるという効果がある。 As a ninth aspect of the invention, the three linear actuators and the three rods may be arranged every 120 ° on a circumference on a plane perpendicular to the Z axis. . When configured in this manner, since the arrangement is made every 120 °, the force applied to the three rods is averaged, and there is an effect that it is possible to provide a well-balanced space three-degree-of-freedom parallel mechanism.
第10の態様の発明として、前記A軸上に前記A軸位置検出器が配置され、前記B軸上に前記B軸位置検出器が配置され、前記A軸と前記B軸が直交して交差し、その交差点を含むZ軸に垂直な平面上に前記Z軸位置検出器が配設されており、前記交差点が前記可動体の中心付近にある、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、より直接的に3軸(Z軸、A軸、B軸)の位置を検出でき、制御が正確に、容易になるという効果がある。 As a tenth aspect of the invention, the A-axis position detector is disposed on the A-axis, the B-axis position detector is disposed on the B-axis, and the A-axis and the B-axis intersect at right angles. The Z-axis position detector is disposed on a plane perpendicular to the Z-axis including the intersection, and the intersection is in the vicinity of the center of the movable body. If comprised in this way, the position of three axes (Z-axis, A-axis, B-axis) can be detected more directly, and there exists an effect that control becomes easy easily.
第11の態様の発明として、前記3自由度を有するジョイントが、前記駆動スライダと前記ロッドを連結する球面ジョイントであり、前記2自由度以上を有するジョイントが、前記ロッドと前記可動体とを連結するユニバーサルジョイントである、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、ロッドの両端の結合自由度の合計が5とし、ロッドに掛かる曲げモーメントを0とすることが容易に実現できる。 As an invention of an eleventh aspect, the joint having the three degrees of freedom is a spherical joint connecting the drive slider and the rod, and the joint having the two degrees of freedom connects the rod and the movable body. A universal joint. If comprised in this way, it can implement | achieve easily that the sum total of the freedom degree of coupling | bonding of the both ends of a rod shall be 5 and the bending moment concerning a rod shall be 0.
第12の態様の発明として、前記3つのアクチュエーターが、前記ハウジングの3カ所に一端がユニバーサルジョイントで連結され、出力端が球面ジョイントで前記可動体に連結された3本の直線伸縮型アクチュエーターである、ことを特徴とすることができる。このように構成すると、駆動スライダを使用せず、直線伸縮型アクチュエーターにロッドの役割を果たさせることができるから、より簡易な構造の空間3自由度パラレル機構を提供できる。 As an invention of a twelfth aspect, the three actuators are three linear telescopic actuators having one end connected to three locations of the housing by a universal joint and an output end connected to the movable body by a spherical joint. , That can be characterized. If comprised in this way, since a linear expansion-contraction type actuator can be played the role of a rod, without using a drive slider, the space 3 freedom degree parallel mechanism of a simpler structure can be provided.
第13の態様の発明として、前記3つのアクチュエーターが、前記ハウジングの3カ所に固定された3つの回転アクチュエーターであり、前記3つの回転アクチュエーターの出力端に固定された3つの第1のリンクレバーと、前記3つの第1のリンクレバーに一端がユニバーサルジョイントにより連結され、他端が前記可動体に球面ジョイントにより連結された3つの第2のリンクレバーと、からなることを特徴とすることができる。このように構成すると、回転アクチュエーターを使用した空間3自由度パラレル機構が提供できる。 As an invention of a thirteenth aspect, the three actuators are three rotary actuators fixed at three positions of the housing, and three first link levers fixed to output ends of the three rotary actuators; , And three second link levers having one end connected to the three first link levers by a universal joint and the other end connected to the movable body by a spherical joint. . If comprised in this way, the space 3 freedom degree parallel mechanism which uses a rotation actuator can be provided.
第14の態様の発明として、請求項1乃至13のいずれかに記載の空間3自由度パラレル機構を用いた多軸数値制御工作機械であって、工作物を保持するワークテーブルと、前記ワークテーブルに対して1直線方向(以下X軸方向という)に相対移動可能なコラムと、前記コラムに対して前記X軸と垂直なY軸方向に移動可能なヘッドストックと、前記ヘッドストックに設けられ、該ヘッドストックに対して前記X軸及び前記Y軸と垂直なZ軸方向に移動可能であるとともに、直交2回転軸(以下A軸及びB軸という)回りに回転可能である主軸頭と、前記主軸頭に回転駆動可能に軸承され先端に工具を保持する主軸と、前記主軸頭の直交3軸方向(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)の直線移動および直交2回転軸回り(A軸回り、B軸回り)の回転移動を数値制御する数値制御装置と、を備え、前記空間3自由度パラレル機構の前記ハウジングは前記ヘッドストックであり、前記空間3自由度パラレル機構の前記可動体が前記主軸頭を形成することを特徴とする多軸数値制御工作機械が提供される。このように構成すると、多軸(X軸、Y軸、Z軸、A軸及びB軸)のパラレル機構を用いた多軸数値制御工作機械が実現でき、ミーリング機械等への適用が可能になるという効果がある。
As a fourteenth aspect of the invention, there is provided a multi-axis numerically controlled machine tool using the spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism according to any one of
以上述べたように、本発明の空間3自由度パラレル機構は、簡易な機構で本質的に剛性が高く、可動体(主軸頭)の旋回角度可動範囲が広く、位置決めの絶対精度が本質的に高いという効果がある。このため、機構パラメータの校正が行い易く、位置制御の制御性(応答性)を良くすることが容易であるという優れた効果を奏する。 As described above, the spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism of the present invention is a simple mechanism and inherently high in rigidity, has a wide range of movable angle of the movable body (spindle head), and essentially has absolute positioning accuracy. High effect. For this reason, it is easy to calibrate the mechanism parameters, and there are excellent effects that it is easy to improve the controllability (responsiveness) of the position control.
図1は、本発明の第1の実施の形態を示す空間3自由度パラレル機構の斜視図である。円筒状のハウジング(図示せず)に3本の直線ガイド21が固定されている。図示しないハウジングは相対的に静止した系である。3本の直線ガイド21は互いに平行でZ軸方向を向き120°毎に配置されている。その3本の直線ガイド21上に案内されZ軸方向に移動自在に3つの従動スライダ22が設けられている。その3つの従動スライダ22に環状の第1の可動サポート体23が固定されている。従って、第1の可動サポート体23はZ軸方向にのみ移動自在である。3つのうち1つの従動スライダ22にリニアエンコーダ45が組み込まれており、第1の可動サポート体23のZ軸位置を検出するZ軸位置検出器45をなしている。
FIG. 1 is a perspective view of a parallel three-degree-of-freedom parallel mechanism showing a first embodiment of the present invention. Three
その第1の可動サポート体23に半径中心方向に突出して設けられた軸24により、B軸方向に回転自在に第2の可動サポート体25が支承されている。第2の可動サポート体25は環状の部品である。第2の可動サポート体25の回転位置は軸24に設けられたロータリエンコーダ47により検出される。このロータリエンコーダ47は第2の可動サポート体25の回転軸であるB軸位置を検出するB軸位置検出器47をなしている。
A second
第2の可動サポート体25上の上記B軸と垂直な方向に、中心を通る中心軸26がロータリージョイント27,27により回転自在に第2の可動サポート体25に支承されている。一方のロータリージョイント27にはロータリエンコーダ46が組み込まれ中心軸26の回転位置すなわちA軸位置を検出する。ロータリージョイント27に組み込まれたロータリエンコーダ46はA軸位置を検出するA軸位置検出器46をなしている。上記の第1の可動サポート体23、第2の可動サポート体25、中心軸26により可動体サポート体を構成する。
A
中心軸26の中央部には主軸頭30が一体に固定されている。主軸頭30は可動体を成すものであり、Z軸方向に移動可能であり、A軸、B軸の回りを回転可能である。換言すれば、X軸、Y軸方向の移動、C軸回りの回転を拘束されている。主軸頭30には主軸モータが搭載され主軸に装着された工具31を回転駆動し加工物を切削加工する。A軸とB軸との交差点32が主軸頭30の回転中心である。
A
一方、3本の直線ガイド21には従動スライダ22とは別に駆動スライダ33が配設され直線移動自在に支持されている。各駆動スライダ33は、各直線ガイド21に一端が固定された直線アクチュエーター34の出力端に連結され、Z軸方向に直線駆動され移動される。各直線アクチュエーター34にはアクチュエーター軸モータ38が内蔵されている。各駆動スライダ33、33、33と主軸頭30の底部は各ロッド35、35、35により連結されている。すなわち、各駆動スライダ33と各ロッド35とは3自由度を有する球面ジョイント36により連結され、各ロッド35と主軸頭30とは2自由度を有するユニバーサルジョイント37により連結されている。
On the other hand, in addition to the driven
ここで、3つの駆動スライダ33、33、33のZ軸位置座標をそれぞれU1 、U2 、U3 とし、その位置座標を検出するリニアエンコーダ41、42、43はそれぞれの駆動スライダ33、33、33に組み込まれている。また、主軸頭30のZ軸位置を検出するリニアエンコーダ45は1つの従動スライダ22の中に、A軸の位置座標を検出するロータリエンコーダ46はロータリージョイント27の中に、B軸の位置座標を検出するロータリエンコーダ47は軸24の中に、それぞれ組み込まれていることは前述の通りである。このように、主軸頭30の位置(z,A,B)を直接的にエンコーダからなる各位置検出器45、46、47で検出できる点が、本実施の形態の利点である。このため主軸頭30の現在位置検出精度が本質的に高くなる。
Here, the Z-axis position coordinates of the three
従って、3つの直線アクチュエーター34,34,34を駆動し、3つの駆動スライダ33,33,33のZ軸上の位置(U1 、U2 、U3 )を制御することにより主軸頭30のZ軸、A軸、B軸の位置を制御することができる。例えば、3つの駆動スライダ33,33,33(U1 、U2 、U3 )を同時に同じ距離だけ負方向へ移動させると主軸頭30はその姿勢を保ったまま−Z軸方向に移動する。また、図面で上の直線ガイド21上の駆動スライダ33(U1 )を前進させ、下の2本の直線ガイド21,21上の駆動スライダ33,33(U2 、U3 )を後退させると、主軸頭30はB軸の回りを回転する。3つの駆動スライダ33,33,33の位置(U1 、U2 、U3 )により主軸頭30の位置姿勢がどのように変わるかは、ロッド35の長さ、主軸頭30での連結の位置、等で決定される機構パラメータPにより決定される。換言すれば、主軸頭30のZ軸、A軸、B軸位置は3つの駆動スライダ33,33,33の位置(U1 、U2 、U3 )と機構パラメータPの関数として表現される。
Therefore, by driving the three linear actuators 34, 34, 34 and controlling the positions (U 1 , U 2 , U 3 ) of the three
次に、主軸頭30の座標(z、A、B)から3つの直線アクチュエーター34,34,34つまり3つの駆動スライダ33,33,33のZ軸上の位置(U1 、U2 、U3 )を求める逆変換式について説明する。
図2は、図面上方の駆動スライダ33の位置U1 を求める逆変換式を説明する空間3自由度パラレル機構の斜視図である。主軸頭30には工具31が装着されている。主軸頭30の回転中心の座標がOである。ロッド35のジョイント位置は、トラベリングプレート座標系から見るとSOTであり、グローバル座標系から見るとSO である。直線ガイド21の前端の座標がS1 、後端の座標がS2 、駆動スライダ33の座標がU1 である。ロッド35の長さをRLとする。
Next, the positions (U 1 , U 2 , U 3 ) of the three linear actuators 34, 34, 34, that is, the three
Figure 2 is a perspective view of a space 3 DOF Parallel mechanism to explain the inverse transform formula for determining the position U 1 of the drawing above the
主軸頭30の回転中心の座標Oは、数式1で表される。
A coordinate O of the rotation center of the
数式5をアクチュエーター座標U1 について解けば数式6が得られる。
Solving
主軸頭位置Xi におけるアクチュエーター座標U1 、U2 、U3 への逆変換式は、数式10で表現することができる。
An inverse conversion formula to the actuator coordinates U 1 , U 2 , U 3 at the spindle head position X i can be expressed by
これにより、1回目の機構パラメータの推定値P1が、数式16のように求められる。
As a result, the estimated value P1 of the first mechanism parameter is obtained as in
図3は、主軸頭位置(z,A、B)をアクチュエーター位置(U1 、U2 、U3 )に逆変換しフィードバック制御をする制御装置のブロック図である。主軸頭位置指令位置X(z,A、B)と、各エンコーダ51(図1の45、46、47)からの主軸頭位置エンコーダ値X’(z’,A’、B’)をそれぞれの逆変換手段52、53でアクチュエーター座標U(U1 、U2 、U3 )、U’( U1’、U2’、U3’)に逆変換する。逆変換された指令位置Uとエンコーダ値U’は各軸毎に加算器54に入れられ減算されて差分が取られ(フィードバックされ)、位置誤差として出力される。位置誤差は位置比例ゲイン増幅器55で位置ループゲインKpp倍されて出力される。位置比例ゲイン増幅器55の出力は加算器56に送られ、軸の速度出力との差分が取られ速度フィードバックがかけられる。加算器56の出力は速度比例ゲイン増幅器57で速度ループゲインKvp倍されて図示しないサーボアンプに送られ、アクチュエーター軸モータ58(図1で38、38、38)を駆動する。アクチュエーター軸モータ58の速度出力は加算器56にフィードバックされる。アクチュエーター軸モータ58の出力により各軸が動きアクチュエーター軸エンコーダ値U1 が変化する。つまり、速度出力の積分処理59である。
FIG. 3 is a block diagram of a control device that performs feedback control by inversely converting the spindle head positions (z, A, B) to actuator positions (U 1 , U 2 , U 3 ). The spindle head position command position X (z, A, B) and the spindle head position encoder value X ′ (z ′, A ′, B ′) from each encoder 51 (45, 46, 47 in FIG. 1) Inverse conversion means 52 and 53 perform inverse conversion to actuator coordinates U (U 1 , U 2 , U 3 ), U ′ (U 1 ′, U 2 ′, U 3 ′). The inversely converted command position U and encoder value U ′ are put into an
図4は、制御装置の第2の実施例を示すブロック図である。図3と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。上記の図3の例では、速度ループのフィードバック情報をアクチュエーター軸モータ58の速度出力から取ったが、ここでは主軸頭位置エンコーダ値X’の逆変換値U’を微分器60で微分することにより速度情報を得、速度フィードバック値として加算器56に返している。
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the control device. The same members as those in FIG. In the example of FIG. 3 described above, the feedback information of the speed loop is taken from the speed output of the
上記図3、図4のブロック図において加算器、増幅器等がハードとして存在するかのように記載して説明したが、これらの機能は全てMPUの処理として実現されることは云うまでもない。 In the block diagrams of FIGS. 3 and 4, the adder, the amplifier, etc. are described as if they exist as hardware, but it goes without saying that these functions are all realized as MPU processing.
図5は、機構パラメータPの同定作業を行う処理を示したフローチャートである。処理が始まると、まずステップS01で、そのときの指令位置を記憶する。同時に、ステップS02で、そのときのエンコーダ測定位置を記憶する。次に、ステップS03で、現在が機構パラメータの同定を行う時機か否かが判断される。同定を行う時機か否かの判断は、使用する工作機械、工作物により異なるが、例えば、ある程度のデータが記憶蓄積されたとき、あるいは、数個の加工物の加工が終了したとき、等が考えられる。NOであればステップS01に戻り情報の収集を続け、YESであればステップS04に進み機構パラメータの同定作業を実行する。 FIG. 5 is a flowchart showing a process of performing identification work of the mechanism parameter P. When the process starts, first, in step S01, the command position at that time is stored. At the same time, in step S02, the encoder measurement position at that time is stored. Next, in step S03, it is determined whether or not the present time is the timing for identifying the mechanism parameter. Judgment of whether or not it is time to perform identification differs depending on the machine tool and workpiece to be used. Conceivable. If NO, the process returns to step S01 to continue collecting information, and if YES, the process proceeds to step S04 to perform mechanism parameter identification work.
ステップS04では、数式14にしたがってパラメータ誤差dPが計算される。パラメータ誤差dPを計算する際に、冗長度の高い情報から演算するため最小2乗法の手順が用いられる。次に、ステップS05では、従前の機構パラメータPに算出されたパラメータ誤差dPを加えて機構パラメータPの補正、キャリブレーションを行う。数式16の作業である。次に、ステップS06で、パラメータ誤差dPが許容値εより小さいか否かが判断される。所定値εより大きくNOであればステップS04に戻り、補正された機構パラメータPに基づいて新たなパラメータ誤差dPを算出する。そして、ステップS05では、従前の機構パラメータPに算出されたパラメータ誤差dPを加えて機構パラメータPの再補正、再キャリブレーションを行う。ステップS04からステップS06を何度も繰り返し、パラメータ誤差dPが許容値εより小さくなるのを待つ。数式17の収束計算の作業である。
In step S04, the parameter error dP is calculated according to
収束計算の結果、パラメータ誤差dPが許容値εより小さくなると、ステップS07に進み、収束計算された新しい機構パラメータPを記憶する。次に、ステップS08で現在加工中の加工物の加工の終了を待つ。これは、1つの加工物の加工中に機構パラメータPが変更されると、加工面に小さな段差が付いたりするおそれがあるので加工の終了を待つのである。加工が終了すると、ステップS09に進み、機構パラメータPを置き換え更新する。そして、処理を終了する。この処理は、工作機械の加工中も同定情報の収集が行われるから、加工中の熱変位等も機構パラメータに取り入れることができるという利点がある。 If the parameter error dP is smaller than the allowable value ε as a result of the convergence calculation, the process proceeds to step S07, and the new mechanism parameter P calculated for convergence is stored. Next, in step S08, the end of machining of the workpiece currently being machined is awaited. This is because if the mechanism parameter P is changed during processing of one workpiece, there is a possibility that a small step is formed on the processing surface, so that the end of the processing is awaited. When the machining is completed, the process proceeds to step S09, where the mechanism parameter P is replaced and updated. Then, the process ends. This process is advantageous in that identification information is collected even during machining of the machine tool, so that thermal displacement during machining can be taken into the mechanism parameters.
上記S01〜S09の処理では、加工物を加工中に位置情報等を収集することとしたが、加工をしていない状態で工作機械を所定の特別な複数の位置に位置決めし、そのときの位置情報等から機構パラメータPの同定を行っても良い。特別な複数の位置としては、たとえば、Z=0、−100、−200、(単位はmm)、A=−30、−15、0、+15、+30、(単位は度)、B=−30、−15、0、+15、+30、(単位は度)、の組合せで、3×5×5=75の座標ができ、逆変換式が75×3=225組の位置情報が収集できる。これらの式から機構パラメータの同定を行う。通常、機構パラメータの数より式の数を多くし、最小2乗法により測定誤差の影響を最小化する。 In the processing of S01 to S09, position information and the like are collected during machining of the workpiece, but the machine tool is positioned at a plurality of predetermined special positions without machining, and the position at that time The mechanism parameter P may be identified from information or the like. For example, Z = 0, −100, −200 (unit is mm), A = −30, −15, 0, +15, +30 (unit is degree), B = −30. , -15, 0, +15, +30 (unit is degree), 3 × 5 × 5 = 75 coordinates can be obtained, and 75 × 3 = 225 sets of position information can be collected by the inverse transformation formula. The mechanism parameters are identified from these equations. Usually, the number of equations is larger than the number of mechanism parameters, and the influence of measurement error is minimized by the least square method.
図6は、機構パラメータPの同定に必要な特別な複数の位置に機械を位置決めし、そのときのエンコーダ位置情報から機構パラメータPの同定を行う処理を示すフローチャートである。特別な複数の位置としては上記の75個の座標を採用するものとする。ステップS11では、機構パラメータの同定時機を待つ。同定時機としては工作機械を動作させる最初の時期、同じ工作物の加工が終わって次の種類の工作物を加工する前、等が考えられる。ステップS12では、75個の座標のうち次に測定する座標に各軸を移動させる。そして、ステップS13で、指令位置を記憶し、ステップS14で、各軸エンコーダによる測定位置を記憶する。そして、ステップS15で、75の同定座標位置を全て終了したか否かを調べ、未だ終了していなければステップS12に戻り、同定情報収集を繰り返す。同定情報収集が終了したら、ステップS15からステップS16に移る。 FIG. 6 is a flowchart showing a process of positioning the machine at a plurality of special positions necessary for identifying the mechanism parameter P and identifying the mechanism parameter P from the encoder position information at that time. The above 75 coordinates are adopted as the special plural positions. In step S11, a mechanism parameter identification timing is awaited. The identification time may be the first time the machine tool is operated, before the same workpiece is processed and before the next type of workpiece is processed. In step S12, each axis is moved to the coordinates to be measured next among the 75 coordinates. In step S13, the command position is stored, and in step S14, the measurement position by each axis encoder is stored. In step S15, it is checked whether or not all 75 identification coordinate positions have been completed. If not, the process returns to step S12 to repeat identification information collection. When the identification information collection is completed, the process proceeds from step S15 to step S16.
ステップS16からステップS19は、図5のステップS04からステップS07と全く同じである。すなわち、機構パラメータPの誤差dPを計算し、機構パラメータPの補正、キャリブレーションを行い、誤差dPが許容値ε以下になるまで収束計算を行う。そして、補正された新しい機構パラメータPを記憶する。最後に、ステップS20で、従前の機構パラメータPを新しい機構パラメータPと置き換え、処理を終了する。この処理は、通常の切削加工ではめったに移動しない位置まで機械を移動位置決めし、バランスのとれた位置で同定情報を収集するから、収束計算が速いという利点がある。 Steps S16 to S19 are exactly the same as steps S04 to S07 in FIG. That is, the error dP of the mechanism parameter P is calculated, the mechanism parameter P is corrected and calibrated, and the convergence calculation is performed until the error dP is equal to or less than the allowable value ε. Then, the corrected new mechanism parameter P is stored. Finally, in step S20, the previous mechanism parameter P is replaced with a new mechanism parameter P, and the process ends. This process has the advantage that convergence calculation is fast because the machine is moved and positioned to a position where it rarely moves in normal cutting and identification information is collected at a balanced position.
図7は、本発明の第2の実施の形態を示す斜視図である。図1と同じ部材には同じ符号を付け説明を省略する。ここでは、ロッド35ではなく、3本の直線伸縮型アクチュエーター73により主軸頭30の位置姿勢が制御される。静止系のプラットフォーム71に2自由度のユニバーサルジョイント72により直線伸縮型アクチュエーター73が3本取り付けられている。直線伸縮型アクチュエーター73はエンコーダ付き駆動モータ74を有し、エンコーダ付き駆動モータ74の回転位置にしたがって出力ロッド75が伸縮する。直線伸縮型アクチュエーター73の出力ロッド75は、3自由度の球面ジョイント76により主軸頭30の底部に連結されている。3本の直線伸縮型アクチュエーター73を伸縮させることにより、主軸頭30はその位置姿勢を制御される。この実施の形態は、空間3自由度パラレル機構を構成する部品点数が少なくなるという利点がある。
FIG. 7 is a perspective view showing a second embodiment of the present invention. The same members as those in FIG. Here, the position and orientation of the
図8は、本発明の第3の実施の形態を示す斜視図である。図1と同じ部材には同じ符号を付け説明を省略する。静止系のプラットフォーム81に、3つの回転型アクチュエーター82が取り付けられている。回転型アクチュエーター82はその回転位置を検出するロータリエンコーダが組み込まれている。回転型アクチュエーター82の出力端には第1のレバー83が固定され一体に回転する。第1のレバー83の先端には2自由度のユニバーサルジョイント84が連結され、そのユニバーサルジョイント84に第2のレバー85が連結されている。第2のレバー85は球面ジョイント86により主軸頭30の底部に連結されている。3つの回転型アクチュエーター82を駆動し3本の第1のレバー83を旋回させることにより、主軸頭30はその位置姿勢を制御される。この実施の形態は、回転型のアクチュエーターを用いて空間3自由度パラレル機構を構成することができるという利点がある。
FIG. 8 is a perspective view showing a third embodiment of the present invention. The same members as those in FIG. Three
図9は、図1で説明した第1の実施の形態の空間3自由度パラレル機構を横フライス盤に適用した例を、一部を透視して示す斜視図である。基台91にコラム92が立設されている。そのコラム92のY軸方向の案内93、93に案内されてヘッドストック94がY軸方向に摺動自在である。ヘッドストック94はY軸モータ95により駆動制御される。相対的に静止した系であるヘッドストック94に、図1で説明した空間3自由度パラレル機構が組み込まれている。すなわち、ヘッドストック94に3本の直線ガイド21が固定されている。その直線ガイド21に案内され直線アクチュエーターにより駆動される駆動スライダに連結された3本のロッド35により、主軸頭30の位置(z,A、B)及び工具31の先端位置が制御される。
FIG. 9 is a perspective view showing a part of an example in which the spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism according to the first embodiment described in FIG. 1 is applied to a horizontal milling machine. A
また、基台91上にはテーブル96が設置され、X軸方向の案内97、97によりテーブル96はX軸方向に摺動自在である。テーブル96はX軸モータ98により駆動制御される。したがって、この工作機械は、X、Y、Z、A、B、の5軸制御の工作機械となる。
A table 96 is installed on the
21 直線ガイド
22 従動スライダ
23 第1の可動サポート体(可動体サポート体)
25 第2の可動体サポート体(可動体サポート体)
26 中心軸(可動体サポート体)
30 主軸頭(可動体)
31 工具
33 駆動スライダ
34 直線アクチュエーター
35 ロッド
36 球面ジョイント
37 ユニバーサルジョイント
21
25 Second movable body support body (movable body support body)
26 Central axis (movable support body)
30 Spindle head (movable body)
31
Claims (14)
可動体と、
前記直線ガイドに案内され直線ガイドの方向(以下Z軸方向という)に移動自在であると共に、互いに略直交する回転軸2軸(以下A軸及びB軸という)で回転可能に前記可動体を支承する可動体サポート体と、
一端が前記ハウジングに連結され他端がロッド等を介して前記可動体に連結され可動体を移動可能にする3つのアクチュエーターと、
を備えることを特徴とする空間3自由度パラレル機構。 A linear guide fixed to the housing which is a relatively stationary system;
A movable body,
The movable body is supported by the linear guide so as to be movable in the direction of the linear guide (hereinafter referred to as the Z-axis direction) and to be rotatable about two rotation axes (hereinafter referred to as A-axis and B-axis) that are substantially orthogonal to each other. A movable body support body,
Three actuators having one end connected to the housing and the other end connected to the movable body via a rod or the like, the movable body being movable;
A spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism characterized by comprising:
前記第1の可動サポート体が、前記3本の直線ガイドに案内された3つの直線スライダに固定された環状の部材であり、
前記第2の可動サポート体が、前記第1の可動サポート体に半径中心方向に突出して設けられた2本の軸により回転自在に支承された環状の部材であり、
前記可動体が、前記第2の可動サポート体に半径中心方向に突出して設けられた軸により回転自在に支承されたブロック状の部材である、
ことを特徴とする請求項3乃至7のいずれかに記載の空間3自由度パラレル機構。 The linear guide comprises three parallel linear guides arranged every 120 ° on a circumference on a plane perpendicular to the Z axis,
The first movable support body is an annular member fixed to three linear sliders guided by the three linear guides;
The second movable support body is an annular member that is rotatably supported by two shafts provided to protrude in the radial center direction on the first movable support body,
The movable body is a block-like member that is rotatably supported by a shaft that protrudes in the radial center direction from the second movable support body.
The spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism according to any one of claims 3 to 7.
前記3つの回転アクチュエーターの出力端に固定された3つの第1のリンクレバーと、
前記3つの第1のリンクレバーに一端がユニバーサルジョイントにより連結され、他端が前記可動体に球面ジョイントにより連結された3つの第2のリンクレバーと、
からなることを特徴とする請求項1、2または3のいずれかに記載の空間3自由度パラレル機構。 The three actuators are three rotary actuators fixed at three positions of the housing;
Three first link levers fixed to the output ends of the three rotary actuators;
Three second link levers having one end connected to the three first link levers by a universal joint and the other end connected to the movable body by a spherical joint;
The space three-degree-of-freedom parallel mechanism according to any one of claims 1, 2, and 3, characterized by comprising:
工作物を保持するワークテーブルと、
前記ワークテーブルに対して1直線方向(以下X軸方向という)に相対移動可能なコラムと、
前記コラムに対して前記X軸と垂直なY軸方向に移動可能なヘッドストックと、
前記ヘッドストックに設けられ、該ヘッドストックに対して前記X軸及び前記Y軸と垂直なZ軸方向に移動可能であるとともに、直交2回転軸(以下A軸及びB軸という)回りに回転可能である主軸頭と、
前記主軸頭に回転駆動可能に軸承され先端に工具を保持する主軸と、
前記主軸頭の直交3軸方向(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)の直線移動および直交2回転軸回り(A軸回り、B軸回り)の回転移動を数値制御する数値制御装置と、
を備え、
前記空間3自由度パラレル機構の前記ハウジングは前記ヘッドストックであり、前記空間3自由度パラレル機構の前記可動体が前記主軸頭を形成することを特徴とする多軸数値制御工作機械。 A multi-axis numerically controlled machine tool using the spatial three-degree-of-freedom parallel mechanism according to any one of claims 1 to 13,
A work table for holding workpieces;
A column movable relative to the work table in one linear direction (hereinafter referred to as X-axis direction);
A headstock movable in a Y-axis direction perpendicular to the X-axis with respect to the column;
It is provided on the headstock and can move in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and Y-axis with respect to the headstock, and can rotate around two orthogonal rotation axes (hereinafter referred to as A-axis and B-axis). The spindle head,
A spindle that is rotatably supported on the spindle head and holds a tool at the tip;
A numerical controller that numerically controls linear movement of the spindle head in the three orthogonal directions (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction) and rotational movement about the two orthogonal rotation axes (around the A-axis and B-axis); ,
With
The multi-axis numerically controlled machine tool, wherein the housing of the space three-degree-of-freedom parallel mechanism is the headstock, and the movable body of the space three-degree-of-freedom parallel mechanism forms the spindle head.
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