JP4882352B2 - パラレルメカニズム及びこれを備えた工作機械 - Google Patents

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これを備えた工作機械に関する。

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）。

この工作機械のパラレルメカニズムにつき、図１５を用いて説明すると、図１５において、符号１５０で示すパラレルメカニズムは、工作機械におけるベースとしての基台（図示せず）に摺動台１５１を介して移動・回動可能に配設されたリンクヘッド１５２と、このリンクヘッド１５２と基台（レール）との間にアクチュエータ（図示せず）によって駆動可能に介在する４つの作動杆１５３〜１５６とを備えている。

リンクヘッド１５２は、作動杆１５３〜１５６の一方側端部（反レール側端部）に保持され、作動杆１５３〜１５６の駆動によって基台上を摺動台１５１と共に移動・回動し得るように構成されている。リングヘッド１５２には、砥石等の加工ツール１７０が回転自在に保持されている。

作動杆１５３，１５４は、リンク挿通部１５３Ａ，１５４Ａを有し、各一方側端部がリンクヘッド１５２上で共通の軸支部１５７を介して互いに回動可能に連結され、各他方側端部がレール１５８上のスライダ１５９，１６０に軸支部１６１，１６２を介して回動可能にそれぞれ連結されている。

作動杆１５５，１５６は、それぞれリンク挿通部１５３Ａ，１５４Ａに挿通され、作動杆１５３，１５４にそれぞれ交差するように構成されている。そして、各一方側端部がリンクヘッド１５２上で共通の軸支部１６３を介して互いに回動可能に連結され、各他方側端部がレール１５８と平行なレール１６４上のスライダ１６５，１６６に軸支部１６７，１６８を介して回動可能にそれぞれ連結されている。

軸支部１５７はリンクヘッド１５２上で砥石側に接近する位置に、また軸支部１６３はリンクヘッド１５２上で軸支部１５７から反砥石側に所定の寸法をもって離間する位置にそれぞれ配置されている。

このように構成されたパラレルメカニズム１５０においては、各アクチュエータの駆動によってスライダ１５９，１６０がレール１５８上を、またスライダ１６５，１６６がレール１６４上をそれぞれ摺動すると、作動杆１５３〜１５６が駆動し、この駆動動作に伴いリンクヘッド１５２が基台上を摺動台１５１と共に移動したり、あるいは回動したりすることが可能となる。
特開２００３−２９１０４２号公報（図１）

しかし、特許文献１によると、次の（１）〜（３）に示す問題があった。
（１）軸支部１５７，１６３がリンクヘッド１５２上で移動不能に配置されているため、軸支部１５７の位置がスライダ１５９，１６０の摺動位置で、また軸支部１６３の位置がスライダ１６５，１６６の摺動位置でそれぞれ決定されていた。この結果、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と、また作動杆１５３〜１５６が使用時等の熱変化によって伸縮すると、両軸支部１５７，１６３間の設計寸法と実測寸法とに寸法差が生じ、構成部品が破損したり、アクチュエータに過負荷が生じたりする。

（２）作動杆１５５，１５６がそれぞれリンク挿通部１５３Ａ，１５４Ａに挿通して作動杆１５３，１５４に交差する構造であるため、作動杆同士の干渉を回避する必要上、作動杆１５３，１５４及び作動杆１５５，１５６の回動角を十分に大きい角度に設定することができず、リンクヘッド１５２の移動・回動動作として所望の移動・回動動作を得ることができない。

（３）作動杆１５３，１５４及び作動杆１５５，１５６が同一の仮想面上で加工ツール１７０の回転軸線と直角な仮想軸線に関して対称な位置に配置されているため、作動杆１５３〜１５６及びレール１５８，１６４の設置スペースとして広いスペースを確保する必要が生じ、機構全体が大型化する。

従って、本発明の目的は、構成部品の破損等の発生を防止することと、リンクヘッドの移動・回動動作として所望の移動・回動動作を得ることと、機構全体の小型化を図ることとを可能としたパラレルメカニズム及びこれを備えた工作機械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）自由度の回動及び移動の少なくとも一方の制御が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、前記駆動機構にそれぞれ接続されるＮ＋１個のリンクを含み、前記リンクヘッドに接続されるリンク機構とを備え、前記リンク機構と前記リンクヘッドとの間に介在する接続部のうちの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した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、ベッドと、一端が第１の回動部を介して第１の軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第１の軸線と直交する第２の軸線に沿って移動可能に支持された１対のリンクから構成される第１のリンク機構と、一端が第２の回動部を介して前記第１の軸線と平行な軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第２の軸線に平行な軸線に沿って移動可能に支持された１対のリンクから構成される第２のリンク機構と、前記各リンクの他端を前記ベッドに対して前記第２の軸線及び前記第２の軸線に平行な軸線に沿ってそれぞれ移動させる駆動機構と、前記第１の回動部が、当該第１の回動部を前記第１の軸線と直交する一軸線方向に相対移動可能に接続する従動接続部によって接続され、前記第２の回動部が前記第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で相対移動不能に接続されたリンクヘッドとを備え、前記駆動機構を制御することにより、前記リンクヘッドが前記第１の軸線と直交する平面内での移動と前記第１の軸線の回りの回動が可能であ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（２）に記載のパラレルメカニズムを備えた工作機械であって、工具又はワークの一方が前記リンクヘッドに、他方が前記ベッドにそれぞれ取り付けられることを特徴とする工作機械を提供する。

本発明によると、構成部品の破損等の発生を防止することと、リンクヘッドの移動・回動動作として所望の移動・回動動作を得ることと、機構全体の小型化を図ることとが可能となる。

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１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、本発明の第１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、本発明の第１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ｚ軸方向に延びる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。ガイドレール３６０，３６３は、ｚ軸方向に延び、ｙ軸方向に互いに所定の間隔をもって並列する位置に配置されている。

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ｙ軸と直交する同一の仮想面（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（ｙ軸と直交する一軸線方向）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３５０Ａは、一方側のリンク端部がベッド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３５０Ｂは、一方側のリンク端部がレール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３５１Ａは、一方側のリンク端部がレール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３５１Ｂは、一方側のリンク端部がレール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>
ＣＰＵ７１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に基づき各アクチュエータ３５６〜３５９への駆動指令値に変換してサーボモータユニット８０へ出力する。

<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加工プログラムや機構パラメータ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、本発明の第１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、本発明の第１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、本発明の第１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、本発明の第１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。なお、図４〜図７においては、直動ジョイントが省略されている。

「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。

[第１の実施の形態の効果]
以上説明した第１の実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）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。

（２）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。

（３）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。

[第２の実施の形態]
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図１０において、図２と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、第２の実施の形態に示すパラレルメカニズム２１は、リンク集合体３５０，３５１がリンクヘッド３０１の移動・回動仮想面を水平面とする位置に配置され、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂの重力（ｙ軸）方向寸法が幅広の寸法に設定されている（リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂがｙ軸方向に厚さをもつ板状部材である）点に特徴がある。

このため、レール３６０，３６３は、重力方向に並設され、スライダ３６１，３６２，３６４，３６５を水平方向に案内するように構成されている。リンク３５１Ａ，３５１Ｂのヘッドリンク側端部はリンクヘッド３０１を挟み込むようにして回転ジョイント３５４に回動可能に連結され、そのレール側端部はレール３６３にスライダ３６４，３６５及び回転ジョイント３８３，３８４を介して移動・回動可能に連結されている。また、リンク３５０Ａ，３５０Ｂのヘッドリンク側端部はヘッドリンク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、そのレール側端部はレール３６０にスライダ３６１，３６２及び回転ジョイント３８１，３８２（回転ジョイント３８１のみ図示）を介して移動・回動可能に連結されている。

[第２の実施の形態の効果]
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（３）に加え、次に示す効果が得られる。

リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂの重力（ｙ軸）方向寸法が幅広の寸法に設定されているため、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂの重力方向の撓みを抑制することができ、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂの撓みによる位置決め誤差等を小さくすることができる。

なお、本実施の形態では、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂがｙ軸方向に厚さをもつ板状部材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３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂのうち少なくとも１つがｙ軸方向に厚さをもつ板状部材であればよい。

[第３の実施の形態]
図１１は、本発明の第３の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図１１において、図２と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１１に示すように、第３の実施の形態に示すパラレルメカニズム３１は、リンク集合体３５０，３５１がリンクヘッド３０１の移動・回動仮想面を鉛直面（ｙ軸を水平線）とする位置に配置されている点に特徴がある。

このため、レール３６０，３６３は、水平（ｘ軸）方向に並設され、スライダ３６１，３６２、３６４，３６５（スライダ３６２は図示せず）を水平方向に案内するように構成されている。リンク３５１Ａ，３５１Ｂのヘッドリンク側端部がリンクヘッド３０１を挟み込むようにして回転ジョイント３５４に連結され、そのレール側端部がレール３６３にスライダ３６４，３６５及び回転ジョイント３８３，３８４を介して移動・回動可能に連結されている。また、リンク３５０Ａ，３５０Ｂのヘッドリンク側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、そのレール側端部がレール３６０にスライダ３６１，３６２（スライダ３６１のみ図示）及び回転ジョイント３８１，３８２（回転ジョイント３８１のみ図示）を介して移動・回動自在に連結されている。パラレルメカニズム３１の下方には、ｘ軸方向に移動可能なｘ軸直動テーブル３１１及びｚ軸回りに回転可能なＣ軸回転テーブル３１２が配設されている。

[第３の実施の形態の効果]
以上説明した第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（３）に加え、次に示す効果が得られる。

パラレルメカニズム３１の下方にはｘ軸直動テーブル３１１及びＣ軸回転テーブル３１２が配設されているため、パラレルメカニズム３１の高速性を活かしながら、Ａ軸及びＣ軸の角度稼動範囲の広い５軸加工機（加工ツール：エンドミル）を構成することができる。この場合、Ｃ軸回転テーブル３１２に代えてｙ軸回りに回転されるＢ軸回転テーブルとしてもよく、ｘ軸直動テーブル３１１に代えて、パラレルメカニズム３１全体をｘ軸方向に直動させる構造としてもよい。

[第４の実施の形態]
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図１２において、図２と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１２に示すように、第４の実施の形態に示すパラレルメカニズム４１は、リンク集合体３５０，３５１のリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂがリンク長手方向に伸縮可能である点に特徴がある。

このため、アクチュエータ３５６〜３５９は、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂの実効長を伸縮させる伸縮アクチュエータからなり、ベッド１０（図１に示す）上の立ち上がり部１０Ａに回転ジョイント４１１〜４１４を介して配設されている。

[第４の実施の形態の効果]
以上説明した第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（３）に加え、次に示す効果が得られる。

アクチュエータ３５６〜３５９としてリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂを伸縮させる伸縮アクチュエータを用いたものであるため、アクチュエータ３５６〜３５９を設置するための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。

[第５の実施の形態]
図１３は、本発明の第５の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図１３において、図２と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１３に示すように、第５の実施の形態に示すパラレルメカニズム５１は、リンク集合体３５０，３５１のリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂがそれぞれ１対のリンクエレメントａ，ｂからなり、これら１対のリンクエレメントａ，ｂが互いに回転ジョイント５１１〜５１４を介して回動可能に連結されている点に特徴がある。

このため、アクチュエータ３５６〜３５９は、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂのリンクエレメントａを旋回させる回転モータからなり、ベッド１０（図１に示す）上の立ち上がり部１０Ａに配設されている。

[第５の実施の形態の効果]
以上説明した第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（３）に加え、次に示す効果が得られる。

アクチュエータ３５６〜３５９としてリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂのリンクａを回動させる回転モータを用いたものであるため、アクチュエータ３５６〜３５９を設置するための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。

[第６の実施の形態]
図１４は、本発明の第６の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図である。図１４において、図２と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１４に示すように、第６の実施の形態に示すパラレルメカニズム６１は、リンクヘッド３０１とアクチュエータ３５６〜３５９（図３に示す）との間にリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂが１自由度あるいは２自由度・３自由度のジョイントを介して配設されている点に特徴がある。

このため、リンク３５１Ｂの両端部には、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の回転ジョイント３５４，３８４が配設されている。また、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａの一端（レール側端部）にはユニバーサルジョイントに代表される２自由度のジョイント３９０Ａ，３９０Ｂ，３９１Ａが、リンク３５０Ａ（３５０Ｂ），３５１Ａの他端（リンクヘッド側端部）には球面ジョイントに代表される３自由度のジョイント３９５，３９６がそれぞれ配設されている。

[第６の実施の形態の効果]
以上説明した第６の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様の効果が得られる。特に、誤差の影響がｙ軸方向（ｘ軸回りの回転・ｚ軸回りの回転）に出る場合に有効である。

なお、本実施の形態においては、リンクヘッド３０１のｙ軸方向への自由度を規制するために、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（回転ジョイント３５４，３８４）をリンク３５１Ｂの両端に配設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、他のリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂのいずれかのリンクの両端に配設してもよく、またリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂのうち２つのリンクあるいは３つのリンクの両端に配設してもよい。すなわち要するに、リンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂのうち少なくとも１つのリンクの両端は、ｙ軸と平行な軸線の回りに回動可能な１自由度のジョイントが配設されていればよい。この場合、１自由度のジョイントを備える少なくとも１つのリンク以外のリンクの両端には、少なくともｙ軸と平行な軸線の回りに回動可能な２自由度及び３自由度のジョイントのいずれかのジョイントを適宜選択して配設することが可能である。

以上、本発明の工作機械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）各実施の形態では、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）各実施の形態では、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）各実施の形態では、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）各実施の形態では、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）各実施の形態では、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）各実施の形態では、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にそれぞれ接続される４つのリンク３５０Ａ，３５０Ｂ，３５１Ａ，３５１Ｂを含むリンク集合体（リンク機構）３５０，３５１と、リンクヘッド３０１上を直動ジョイント（従動接続部）３５３によって移動可能なリンクヘッド・リンク機構間接続部としての回転ジョイント３５５（第６の実施の形態では３自由度のジョイント３９５）とを備えた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、リンクヘッドのＮ（Ｎ：自然数）の回動及び移動の少なくとも一方の制御が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、これら駆動機構にそれぞれ接続されるＮ＋１個のリンクを含みリンクヘッドに接続されるリンク機構とを備え、このリンク機構とリンクヘッドとの間に介在する接続部のうちの１つの接続部を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したものであればよい。

本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１の実施の形態に係る工作機械におけるスライダの位置を求める手順を説明するために示す平面図。 本発明の第２の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図。 本発明の第３の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図。 本発明の第４の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図。 本発明の第５の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図。 本発明の第６の実施の形態に係るパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図。 従来のパラレルメカニズムを説明するために示す斜視図。

符号の説明

１…工作機械
２…工作機械本体
３…制御装置
１０…ベッド
１０Ａ…立ち上がり部
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
１５０，３００…パラレルメカニズム
１５１…ホルダ
１５２，３０１…リンクヘッド
１５３〜１５６…作動杆
１５３Ａ，１５４Ａ…リンク挿通部
１５７，１６３，１６１，１６２，１６７，１６８…軸支部
１５８，１６４…レール
１５９，１６０，１６５，１６６，３６１，３６２，３６４，３６５…スライダ
１７０，５０１…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
３５４，３５５，３８１〜３８４，４１１〜４１４，５１１〜５１４…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
３１１…ｘ軸直動テーブル
３１２…Ｃ軸回転テーブル
３８０…位置センサ
３９０Ａ，３９０Ｂ，３９１Ａ…２自由度のジョイント
３９５，３９６…３自由度のジョイント
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 (13)

1. リンクヘッドのＮ（Ｎ：自然数）自由度の回動及び移動の少なくとも一方の制御が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、
   前記駆動機構にそれぞれ接続されるＮ＋１個のリンクを含み、前記リンクヘッドに接続されるリンク機構とを備え、
   前記リンク機構と前記リンクヘッドとの間に介在する接続部のうちの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したことを特徴とするパラレルメカニズム。
2. ベッドと、
   一端が第１の回動部を介して第１の軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第１の軸線と直交する第２の軸線に沿って移動可能に支持された１対のリンクから構成される第１のリンク機構と、
   一端が第２の回動部を介して前記第１の軸線と平行な軸線の回りに互いに回動可能に接続され、他端が前記ベッドに対してそれぞれ前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能かつ前記第２の軸線に平行な軸線に沿って移動可能に支持された１対のリンクから構成される第２のリンク機構と、
   前記各リンクの他端を前記ベッドに対して前記第２の軸線及び前記第２の軸線に平行な軸線に沿ってそれぞれ移動させる駆動機構と、
   前記第１の回動部が、当該第１の回動部を前記第１の軸線と直交する一軸線方向に相対移動可能に接続する従動接続部によって接続され、前記第２の回動部が前記第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で相対移動不能に接続されたリンクヘッドとを備え、
   前記駆動機構を制御することにより、前記リンクヘッドが前記第１の軸線と直交する平面内での移動と前記第１の軸線の回りの回動が可能であることを特徴とするパラレルメカニズム。
3. 請求項２に記載のパラレルメカニズムにおいて、
   前記第１及び第２のリンク機構は、前記第１の軸線と直交する平面内にそれぞれ配置され、
   前記リンクヘッドは、前記第１のリンク機構が配置された平面と前記第２のリンク機構が配置された平面との間に配置されることを特徴とするパラレルメカニズム。
4. 請求項２又は３に記載のパラレルメカニズムにおいて、
   前記第１の軸線は鉛直線であり、
   前記各リンクの少なくとも１つは、前記第１の軸線の方向に厚さをもつ板状部材であることを特徴とするパラレルメカニズム。
5. 請求項２又は３に記載のパラレルメカニズムにおいて、
   第１の軸線は水平線であることを特徴とするパラレルメカニズム。
6. 請求項２乃至５のいずれかに記載のパラレルメカニズムにおいて、
   前記駆動機構は、前記各リンクの他端をそれぞれ回動可能に接続し、前記第２の軸線及び前記第２の軸線に平行な軸線に沿って駆動させる直動アクチュエータからなることを特徴とするパラレルメカニズム。
7. 請求項６に記載のパラレルメカニズムにおいて、
   前記直動アクチュエータは、前記ベッド上に固定された各リンク機構毎に共通のガイドレールと、このガイドレールに沿って各リンク毎に移動するスライダとを含み、
   前記第１のリンク機構に対応する前記共通のガイドレールと前記第２のリンク機構に対応する前記共通のガイドレールとは、前記第２の軸線に平行に延び、前記第１の軸線方向に所定の間隔をもって並列する位置に配置されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
8. 請求項６に記載のパラレルメカニズムにおいて、
   前記第１のリンク機構に対応する前記共通のガイドレールと前記第２のリンク機構に対応する前記共通のガイドレールとは、前記第１の軸線及び前記第２の軸線のいずれもと直交する第３の軸線方向に所定の間隔をもって並列する位置に配置されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
9. 請求項２乃至５のいずれかに記載のパラレルメカニズムにおいて、
   前記駆動機構は、前記リンクの他端をそれぞれ回動可能に接続し、前記リンクの実効長を伸縮させる伸縮アクチュエータからなることを特徴とするパラレルメカニズム。
10. 請求項２乃至５のいずれかに記載のパラレルメカニズムにおいて、
    前記駆動機構は、前記リンクの他端をそれぞれ回動可能に接続し、前記リンクの他端を旋回させる回転アクチュエータからなることを特徴とするパラレルメカニズム。
11. 請求項２乃至１０のいずれかに記載のパラレルメカニズムにおいて、
    前記第１及び第２のリンク機構を構成する各リンクの両端は、前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能な１自由度の回転ジョイントを介して前記リンクヘッド及び前記駆動機構にそれぞれ接続されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
12. 請求項２乃至１０のいずれかに記載のパラレルメカニズムにおいて、
    前記第１及び第２のリンク機構を構成する各リンクのうち少なくとも１つのリンクの両端は、前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能な１自由度の回転ジョイントを介して前記リンクヘッド及び前記駆動機構にそれぞれ接続され、
    他のリンクの両端は、少なくとも前記第１の軸線と平行な軸線の回りに回動可能な２自由度又は３自由度の回転ジョイントを介して前記リンクヘッド及び前記駆動機構にそれぞれ接続されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
13. 請求項２乃至１２のいずれかに記載のパラレルメカニズムを備えた工作機械であって、
    工具又はワークの一方が前記リンクヘッドに、他方が前記ベッドにそれぞれ取り付けられることを特徴とする工作機械。

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