(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に固定されるベースプレートと、ベースプレートに取り付けられる複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータによって支えられるエンドプレートを備えたパラレルメカニズムを用いた工作機械の誤差補正方法であって、エンドプレート上の点と固定部上の点との距離を測定することにより、機械の位置決め精度を測定し、１軸ずつの誤差情報を抽出し、１軸ずつ機械の機械寸法を推定し、１軸ずつ誤差を補正して全ての軸の誤差を補正し、エンドプレートの位置決め誤差を補正することを特徴とするパラレルメカニズムを用いた工作機械の誤差補正方法。
【請求項２】
外部に固定されるベースプレートと、ベースプレートに取り付けられる複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータによって支えられるエンドプレートを備えたパラレルメカニズムを用いた工作機械の誤差補正方法であって、エンドプレート上の点と固定部上の点とを相対円運動させたときの各前記アクチュエータの動作方向が反転する位置における両点間の距離を測定し、測定値の大きいアクチュエータから順に、測定値から前記アクチュエータの誤差を推定するステップと、１軸ずつ機械の機械寸法を推定するステップと、１軸ずつ誤差を補正するステップにより、全ての軸の誤差を補正し、エンドプレートの位置決め誤差を補正することを特徴とするパラレルメカニズムを用いた工作機械の誤差補正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パラレルメカニズムを用いた工作機械における、外部に固定されるベースプレートに複数のアクチュエータにより移動可能に支持されるエンドプレートの位置決め誤差の補正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パラレルメカニズムにおけるリンクの長さ、ジョイントの取り付け位置などの機械寸法は機械パラメータと呼ばれる。複数のアクチュエータであるリンクでエンドプレートを支え、エンドプレートを位置決めできるパラレルメカニズムを用いた工作機械においては、これらの機械パラメータの誤差が工作機械の運動精度に影響を及ぼす。そして、この機械パラメータの誤差を補正することが工作機械の運動誤差を補正することになる。
【０００３】
1998年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集p616の「パラレルメカニズムの静的精度向上のための検討（第２報）仮想の順変換式による機構パラメータのキャリブレーション」には、DBB(ダブルボールバー)の測定を行い、仮想の順変換式を想定して最小二乗法を適用して数値計算を行い、DBBのデータから機械パラメータを求める方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、パラレルメカニズムを用いた工作機械では、エンドプレートの位置決め誤差は、各機械パラメータの誤差が複数組合わさったものであり、各機械パラメータ各々の誤差を求めるには多元の連立方程式を解かなければならないなど、各機械パラメータの誤差を求めることは容易ではないという問題を有していた。
【０００５】
前述の1998年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集に開示されたDBBのデータから機械パラメータを求める方法においても、パラレルメカニズムを用いた工作機械の機械パラメータの数は非常に多く、全ての機械パラメータについて計算しにくく、数値計算を行う場合収束しにくく、また、値によっては収束せず計算ができない可能性があるという問題を有していた。
【０００６】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とすることろはパラレルメカニズムを用いた工作機械において、各アクチュエータに関する機械パラメータを誤差の大きいと思われるアクチュエータより順に１つずつ推定していくことで、比較的容易に全ての機械パラメータを推定して補正し、そのエンドプレートの位置決め誤差を補正する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の誤差補正方法は、外部に固定されるベースプレートと、ベースプレートに取り付けられる複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータによって支えられるエンドプレートを備えたパラレルメカニズムを用いた工作機械の誤差補正方法であって、エンドプレート上の点と固定部上の点との距離を測定することにより、機械の位置決め精度を測定し、１軸ずつの誤差情報を抽出し、１軸ずつ機械の機械寸法を推定し、１軸ずつ誤差を補正して全ての軸の誤差を補正し、エンドプレートの位置決め誤差を補正するものである。
【０００８】
また、外部に固定されるベースプレートと、ベースプレートに取り付けられる複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータによって支えられるエンドプレートを備えたパラレルメカニズムを用いた工作機械の誤差補正方法であって、エンドプレート上の点と固定部上の点とを相対円運動させたときの各前記アクチュエータの動作方向が反転する位置における両点間の距離を測定し、測定値の大きいアクチュエータから順に、測定値から前記アクチュエータの誤差を推定するステップと、１軸ずつ機械の機械寸法を推定するステップと、１軸ずつ誤差を補正するステップにより、全ての軸の誤差を補正し、エンドプレートの位置決め誤差を補正するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具現化した実施の一形態について図面を基に説明する。
なお、本発明は日本機械学会第１回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集のハイブリッドメカニズム型工作機械の精度検定法に基づいている。
【００１０】
図１は本発明に係わるパラレルメカニズムを用いた工作機械の１例としてのパラレルメカニズムとシリアルメカニズムを併用した構造を持つNC工作機械の斜視図である。固定部であるベースプレート１には３つのジョイント３を介してそれぞれにサーボモータ２が取り付けられ、それぞれのサーボモータ２にボールねじ４が取り付けられリンクの役割をしている。エンドプレート６は３つのジョイント５を介してボールねじ４に取り付けられる。ボールスプライン７はエンドプレート６に取り付けられ、ジョイント８を介してベースプレート１に取り付けられる。サーボモータ２によってボールねじ４のナットを回転させジョイント３とジョイント５の間のボールねじ４の長さを変えることにより、エンドプレート６を位置決めさせるが、ボールスプライン７によって拘束されるため、空間３自由度の位置決めのみを行うことができるパラレルメカニズムとなっている。エンドプレート６の先端には駆動モータ９と駆動モータ１０を介してエンドエフェクタ１１が取り付けられ、駆動モータ９と駆動モータ１０を回転させることにより空間２自由度の位置決めを行うことができるシリアルメカニズムになっている。上述のパラレルメカニズム部分とシリアルメカニズム部分を併せて、エンドエフェクタ１１を空間５自由度の位置決めをすることができる。
【００１１】
図２は本発明の測定に用いるDBB（ダブルボールバー）システムの斜視図である。測定対象であるエンドプレート６の中心に球面座２１を固定し、球面座２３は固定部であるテーブル２４に固定する。球面座２１と球面座２３の間に両端に球の付いたDBB２２を磁力によって取り付ける。DBB２２は長さの変位を測定可能であり、エンドプレート６を球面座２３を中心として円弧運動させた際にその運動誤差を測定することができる。
【００１２】
前記機械の測定を行う際には、図２の球面座２３を図１のエンドエフェクタ１１に取り付ける。なお、パラレルメカニズム部分の誤差の補正を行う場合、エンドプレート６の中心に取り付けるが、エンドエフェクタ１１はエンドプレート６に２つの駆動モータを介して取り付けられており、駆動モータを位置決めさせておけば、エンドプレート６の中心に取り付けることと等価である。
【００１３】
続いて本発明の実施形態での誤差補正方法の１例を図３を用いて説明する。パラレルメカニズムの各リンクを１軸、２軸、…、n（本実施形態では３）軸とする。パラレルメカニズムの機械パラメータの誤差としてはアクチュエータのオフセット誤差（ボールねじ長さの誤差）、エンドプレートにあるジョイントの取り付け位置誤差、ベースプレートにあるジョイントの取り付け位置誤差などがあげられる。
【００１４】
ステップＳ１において、上述のDBBによる測定を、エンドプレートを円弧運動させて、種々の測定半径Rで複数回行う。テーブル２４に対するDBB２２の角度を変えることにより、測定半径Rを変えることができる。
【００１５】
ステップＳ２において、ステップＳ１で測定したDBBの誤差を軌跡として描かせる。同時に、それぞれ（1,2,・・・,n軸）のボールねじの運動方向が反転する位相角度を求める。ボールねじの運動方向が反転する位相角度はあらかじめシミュレーションなどにより求めておくことができる。
【００１６】
ステップＳ３において、ボールねじの運動方向が反転する際のDBB誤差が最も大きい軸（i軸）に注目する。この理由に関しては後に詳しく説明する。
【００１７】
ステップＳ４において、i軸に関して、ボールねじの運動方向が反転する際のDBBのデータを読みとる。
【００１８】
ステップＳ５では、ステップＳ４で読みとったDBBデータをもとに最小二乗法を用いてi軸に関する機械パラメータを推定する。
【００１９】
ステップＳ６ではステップＳ５で推定した誤差を補正するように機械パラメータの値を変更する。
【００２０】
ステップＳ７では、これを全ての軸に対して、最も誤差の大きい軸から順次繰り返して行ったかを確認し、全ての軸の機械パラメータの誤差を補正する。
【００２１】
ステップＳ５の機械パラメータの推定方法について説明する。
DBBの基本式は数１である。
【数１】
0003727005.tif 000002
ただし、
R；DBB測定時の円弧補間半径
ΔR；エンドプレートの位置決め誤差
(X,Y,Z)；円弧補間軌跡上の位置の目標値
(Cx,Cy,Cz)；ある測定点におけるエンドプレートの誤差ベクトル
ここで、誤差ベクトル(Cx,Cy,Cz)はエンドプレートの実際の位置と位置の目標値の差である。
【００２２】
円弧補間半径Rと機械パラメータP(p11,…,p1k, p21,…,p2k, …,p1k,…,pnk)の関係を数２とする。
【数２】
R = f ( P )
ここで、機械パラメータは各軸k個、fはパラレルメカニズムの順運動学を表す関数である。
【００２３】
パラレルメカニズムのi軸のみに機械パラメータの誤差が存在すれば、エンドプレートの位置決め誤差は数３になる。
【数３】
0003727005.tif 000003
ここで、fの値を近似法により求められ、fの差分から∂f ／∂pijを近似計算できる。
【００２４】
したがって、数３に最小二乗法を適用することにより、i軸の機械パラメータの誤差Δpi1,Δpi2,…,Δpikを求めることができる。
１軸のみについて計算を行うため、全ての機械パラメータについて行うより求める機械パラメータの数が少なく、計算しやすいというメリットがある。数値計算で行う場合収束しやすくなる。
【００２５】
ステップＳ３において、ボールねじの運動方向が反転する際のDBB誤差が最も大きい軸に注目したのは、ボールねじの運動方向が反転する際にほとんどその軸に関する誤差情報しか現れないためであり、以下に述べることからわかる。
本発明の実施例である機械の３自由度パラレルメカニズム部分について、単一の機械パラメータの誤差（１軸の１つの誤差のみ）のみが存在する場合のDBB軌跡をシミュレーションした。
図４(a)、(b)、(c)はそれぞれ、ボールねじ長さの誤差Δp1、ベースプレートにあるジョイントの取り付け半径誤差Δp2、エンドプレートにあるジョイントの取り付け半径誤差Δp3がある場合のDBBの軌跡パターンである。各誤差のDBBの軌跡とも、ボールねじの軸方向（位相角90゜）に対して対称形であり、ボールねじが反転した際（位相角90゜、270゜）に、各誤差の特徴が顕著に現れている。
したがって、ボールねじの運動方向が反転した際のDBB測定データΔRを用いて機械パラメータの誤差を推定することができる。
【００２６】
なお、本発明に係わるパラレルメカニズムを用いた工作機械の１例として、パラレルメカニズムとシリアルメカニズムを併用した構造を持つNC工作機械をあげたが、本発明はこれに限定するものではなく、パラレルメカニズムのみの構造でもよく、ボールねじが３本ではなく６本でもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上記述したように本発明の請求項１及び２に記載された発明によれば、アクチュエータの１軸ずつの誤差情報を抽出し、１軸ずつ機械パラメータを推定することにより、比較的容易に全ての機械パラメータを推定することができ、機械パラメータの誤差を補正して、パラレルメカニズムを用いた工作機械のエンドプレートの位置決め精度を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に用いるパラレルメカニズムを用いた工作機械の１例を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に用いるDBBシステムの一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態の誤差補正方法の１例を示すフローチャートである。
【図４】３自由度パラレルメカニズムの１軸に誤差を与えた場合のDBB軌跡のシミュレーション結果である。
【符号の説明】
１・・ベースプレート
２・・サーボモータ
３，５・・ジョイント
４・・ボールねじ
６・・エンドプレート
２１，２３・・球面座
２２・・DBB（ダブルボールバー）
２４・・テーブル
【図１】
0003727005.tif 000004
【図２】
0003727005.tif 000005
【図３】
0003727005.tif 000006
【図４】
0003727005.tif 000007