(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材と、
前記固定部材から伸張した複数の可変長脚によって支持され、加工工具が取り付けられる可動部材と、を有するパラレルメカニズム工作機械を含み、
加工プログラムに従って、加工軌跡上の補間位置を計算し、この補間位置を、固定部材と可変長脚の結合点である固定部材の支点の絶対座標と、可動部材と可変長脚の結合点である可動部材の支点の加工工具の加工点を原点とする相対座標とから成る機構パラメータを用いて脚の長さに変換して前記パラレルメカニズム工作機械を制御する数値制御装置において、
前記支点に関する静的位置誤差情報を記憶する手段と、
前記補間位置における各可変長脚の方向を、理想的な機構パラメータを用いて算出する手段と、
前記可変長脚の方向の変化によって変化する各支点の位置誤差を、前記可変長脚の方向と、前記静的位置誤差情報とに基づき算出し、算出結果に基づき機構パラメータを補正する手段と、
を含むことを特徴とする数値制御装置。
【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工作機械を制御する数値制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
並列に配置された６本の脚を可動部材にボールジョイントで連結し、固定部材からの脚の長さを制御して可動部材の傾き、位置を調整し、可動部材に取り付けた加工ヘッドで工作を行う、いわゆるパラレルメカニズムを応用した工作機械が知られている。このような工作機械については、「GEODETICS社のHEXAPOD」（武野仲勝著），工業調査会から刊行されている「機械と工具」，１９９５年２月号に詳しく記載されているので、ここでの詳細な説明を省略する。
【０００３】
このようなパラレルメカニズムを応用した工作機械を数値制御する装置では、直交座標系（以降、デカルト座標系と記す）で与えられた指令に従って可動部材の位置、姿勢を制御する。この制御を図２に示すようなパラレルメカニズムを応用した工作機械を例にして説明する。図２に示す工作機械は、固定部材２１と、可動部材２２と、固定部材２１に取り付けられた６個の第１の継ぎ手２３と、可動部材２２に取り付けられた６個の第２の継ぎ手２４と、６本の脚２５と、固定部材側の継ぎ手２３に隣接し、各脚ごとに設けられた駆動装置２６とから構成されている。
【０００４】
この工作機械では、固定部材２１の６個の継ぎ手２３をそれぞれ脚２５が貫通し、可動部材２２の６個の継ぎ手２４に各脚２５が取り付けられている。また、この各脚２５には、駆動装置２６が取り付けられており、これにより固定部材２１と脚２５との結合点である固定部材２１の支点と、可動部材２２と脚２５との結合点である可動部材２２の支点との間の距離（以降、脚の長さと記す）を長くしたり短くしたりできるようになっている。
【０００５】
ところで、可動部材２２の位置や姿勢を制御するためには、先ず加工軌跡の座標に基づいて、可動部材２２の所望の位置、姿勢に対する可動部材２２の各支点の座標を求め、これから各脚２５の長さを求めることになる。固定部材２１の各支点の座標は固定されているので、可動部材２２の各支点の座標から各脚２５の長さを求めることができる。そして、ここで求めた脚２５の長さになるように駆動装置２６を制御することにより、可動部材２２が所望の位置、姿勢に制御される。このように、パラレルメカニズム工作機械では、固定部材２１と可動部材２２との支点の座標によって制御がなされる。
【０００６】
図３は、従来のパラレルメカニズム工作機械の数値制御装置の一例を示すブロック図である。従来のパラレルメカニズム工作機械の数値制御装置は、図３に示すように、プログラム解釈部１と、補間座標計算部２と、機構パラメータ記憶部３と、逆機構変換部７′と、駆動装置制御部８とから構成されている。
【０００７】
以下、各部の動作を説明する。プログラム解釈部１は、加工プログラムを１ブロックずつ解釈し、ブロック情報ＢＩを生成する。補間座標計算部２は、ブロック情報ＢＩからデカルト座標での加工軌跡の補間位置ＣＰを求める。機構パラメータ記憶部３は、設計上の機構パラメータ（以降、理想的な機構パラメータと記す）を記憶している。ここで、機構パラメータとは固定部材２１の各支点の絶対座標及び、可動部材２２の各支点の、加工位置（例えば刃先位置）を原点とする相対座標を指す。逆機構変換部７′は、理想的な機構パラメータＩＰを用いて、デカルト座標での補間位置ＣＰを脚の長さＬＰに変換する。駆動装置制御部８は、各脚の長さＬＰに従って脚に取り付けられた駆動装置を駆動する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来の数値制御装置では、逆機構変換部７′において、理想的な機構パラメータＩＰを用いて、デカルト座標での補間位置ＣＰを脚の長さＬＰに変換しているが、工作機械自体の製造上の誤差のために固定部材の支点及び可動部材の支点が理想的な機構パラメータＩＰからずれているため、正確な脚の長さが求められず、実際の刃先位置は、デカルト座標で与えられた指令から外れ、軌跡誤差が発生するという問題点があった。
【０００９】
具体的に工作機械の製造上の誤差は、固定部材２１と脚２５とのジョイント部分（第１の継ぎ手２３）や可動部材２２と脚２５とのジョイント部分（第２の継ぎ手２４）で発生し、固定部材側の支点や可動部材側の支点が理想的な支点から変動してしまう。以下に一例として固定部材２１側の支点が理想的な機構パラメータからずれる様子を、図４に示すような固定部材と脚を結合する第１の継ぎ手２３の具体的形状の例を挙げて説明する。第１の継ぎ手２３は、第１の回転軸４１と、第１の支持部材４２と、第２の回転軸４３と、第２の支持部材４４とから構成され、円柱状の第１の回転軸４１は、固定部材２１に取り付けられ、この第１の回転軸４１には、筒状の第１の支持部材４２が固定されている。この第１の支持部材４２の内側には円柱状の第２の回転軸４３が取り付けられ、第２の回転軸４３には筒状の第２の支持部材４４が固定されている。さらに、第２の支持部材４４には脚２５が貫通するように取り付けられ、第１の回転軸４１及び第２の回転軸４３が自由に回転して脚の方向を任意に変えられるようになっている。理想的には、第１の回転軸４１と第２の回転軸４３と脚とが１点で交わり、この点が固定部材の支点となる。このとき、可動部材の位置、姿勢の変化に伴って脚の方向が変化しても固定部材の支点の座標は固定されている。しかし、製造上の誤差のため、第１の回転軸４１、第２の回転軸４３、及び脚２５は、それぞれ固定部材、第１の支持部材４２、および第２の支持部材４４にずれて取り付けられている。そのため、固定部材側の支点は、通常、第２の回転軸４３にのらず、脚の方向が変化して第２回転軸４３が回転すると、それに連れて第２の回転軸４３の回りを移動する。同様に、通常、第１の回転軸４１にものらず、第１の回転軸４１が回転すると、それに連れて第１の回転軸４１の回りを移動する。このように、実際の固定部材の支点の座標は固定でなく、理想的な機構パラメータＩＰからずれる。
【００１０】
また、実際の可動部材側の支点が理想的なパラメータＩＰからずれることを、図５に示すような可動部材と脚を結合する第２の継ぎ手２４の一例を用いて説明する。図５に示す第２の継ぎ手２４は、第３の回転軸５１と、第３の支持部材５２と、第４の回転軸５３と、第４の支持部材５４と、第５の回転軸５５とから構成されている。可動部材２２には円柱状の第３の回転軸５１が取り付けられ、この第３の回転軸５１にはコの字状の第３の支持部材５２が固定されている。この第３の支持部材５２の内側には円柱状の第４の回転軸５３が取り付けられ、第４の回転軸５３には第４の支持部材５４が固定されている。第４の支持部材５４には円柱状の第５の回転軸５５が取り付けられている。第５の回転軸には脚２５が取り付けられ、第３の回転軸５１と、第４の回転軸５３と、第５の回転軸５５とが回転して脚２５の方向を任意に変えられるようになっている。理想的には、第４の支持部材５４と第５の回転軸５５と脚２５とが同一直線上にのり、第３の回転軸５１と第４の回転軸５３と脚２５とが一点で交わり、それが可動部材側の支点となる。このとき、可動部材の位置、姿勢の変化に伴って脚の方向が変化しても、可動部材側の支点の相対座標は固定である。しかし、製造上の誤差のため、第３の回転軸５１、第４の回転軸５３、第５の回転軸５５、及び脚２５は、それぞれ可動部材２２、第３の回転軸５１、第４の回転軸５３、及び第５の回転軸５５に対してずれて取り付けられる。そのため、可動部材側の支点は、通常、第４の回転軸５３にのらず、脚２５の方向が変化して第４の回転軸５３が回転すると、それに連れて第４の回転軸５３の回りを移動する。同様に、通常、第回転軸５１にものらず、第３の回転軸５１が回転すると、それに連れて第３の回転軸５１の回りを移動する。このように実際の可動部材の支点の座標は固定でなく、理想的な機構パラメータから外れる。
【００１１】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、製造上の誤差を考慮して各脚の長さを求めることにより、加工精度を向上できる数値制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、固定部材と、前記固定部材から伸張した複数の可変長脚によって支持され、加工工具が取り付けられる可動部材と、を有するパラレルメカニズム工作機械を含み、加工プログラムに従って、加工軌跡上の補間位置を計算し、この補間位置を、固定部材と可変長脚の結合点である固定部材の支点の絶対座標と、可動部材と可変長脚の結合点である可動部材の支点の、加工工具の加工点を原点とする相対座標とから成る機構パラメータを用いて脚の長さに変換して前記パラレルメカニズム工作機械を制御する数値制御装置において、前記支点に関する静的位置誤差情報を記憶する手段と、前記補間位置における各可変長脚の方向を、理想的な機構パラメータを用いて算出する手段と、前記可変長脚の方向の変化によって変化する各支点の位置誤差を、前記可変長脚の方向と前記各支点の静的位置誤差情報とに基づき算出し、算出結果に基づき機構パラメータを補正する手段と、を含むことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るパラレルメカニズム工作機械の数値制御装置の構成ブロック図である。本実施の形態に係るパラレルメカニズム工作機械の数値制御装置は、図１に示すように、プログラム解釈部１と、補間座標計算部２と、機構パラメータ記憶部３と、脚方向計算部４と、静的誤差（支点位置誤差）情報記憶部５と、機構パラメータ補正部６と、逆機構変換部７と、駆動装置制御部８とから構成されている。ここで、プログラム解釈部１と、補間座標計算部２と、機構パラメータ記憶部３と、駆動装置制御部８とは、従来のパラレルメカニズム工作機械の数値制御装置を示す図３と同じものであるので、詳細な説明を省略する。尚、補間座標計算部２が補間位置を計算する手段に、脚方向計算部４が脚の方向を計算する手段に、静的誤差情報記憶部５が各脚の支点位置誤差情報を記憶する手段に、機構パラメータ補正部６が機構パラメータを補正する手段に、逆機構変換部７が補間位置を脚の長さに変換する手段にそれぞれ対応している。
【００１４】
脚方向計算部４は、補間座標計算部２が出力するデカルト座標での補間座標ＣＰと、機構パラメータ記憶部３に記憶されている理想的な機構パラメータＩＰとを用いて、各脚２５の方向ＬＤ（各脚２５の向きを表すベクトル）を出力する。
【００１５】
静的誤差情報記憶部５は、固定部材２１側の支点と可動部材２２側の支点に関する静的な誤差情報ＰＥを記憶している。ここで固定部材２１側の支点の静的な誤差情報としては、固定部材２１側の継ぎ手２３の第１の回転軸４１と第２の回転軸４３との回転角が共に０であるときの、固定部材２１側の支点の座標と、第１の回転軸４１の位置情報と、第２の回転軸４３の位置情報とがある。可動部材２２側の支点について、第４の回転軸５３と第４の支持部材５４の交点を支点として説明したが、現実には第４の回転軸５３から先の第４の支持部材５４と、第５の回転軸５５、及び脚２５にも製造上の誤差が発生することから、第５の回転軸５５と脚２５の結合点を可動部材２２側の支点として、正確な脚の長さを求めるようにするのが好ましい。従って、可動部材２２側の支点の静的な誤差情報としては、可動部材２２に取り付けられた継ぎ手２４の第３の回転軸５１と第４の回転軸５３と第５の回転軸５５との回転角が全て０であるときの、可動部材２２側の支点の座標と、第５の回転軸５５の位置情報と、第４の回転軸５３の位置情報と、第３の回転軸５１の位置情報とがある。ここで、各回転軸の回転角が０になる位置は適当に定めればよい。各回転軸の位置情報は、例えば回転軸の軸線上の１点の座標と軸線の方向ベクトルとで表現できる。
【００１６】
機構パラメータ補正部６は、静的な誤差情報ＰＥと、各脚の方向ＬＤに基づき、実際の機構パラメータＲＰを求める。以下のようにして実際の固定部材の支点を求める。前述のように脚方向計算部４は、加工プログラムを解釈して得られた補間座標ＣＰと、理想的な機構パラメータＩＰとから、前記補間座標ＣＰに加工位置が一致するように、各支点の絶対座標を求め、この絶対座標から各脚２５の方向を算出する。このときの脚の方向が、前述の静的な誤差情報を得たときの基準となる方向（回転角０）に対して変化した角度を算出する。固定部材の支点に関しては、図４に示すように二つの回転軸を有するから、脚の方向の変化は、この二つの回転軸の各軸線回りの回転角として表すことができ、以降、第１の回転軸４１の軸線回りの回転角をα、第２の回転軸４３の軸線回りの回転角をβとする。また、第１の回転軸４１に関する回転角がＡ１、第２の回転軸４３に関する回転角がＡ２であることを（Ａ１，Ａ２）と表記する。静的な誤差情報ＰＥの固定部材２１側の支点の座標を、静的な誤差情報ＰＥの第２の回転軸４３の位置情報として記憶された軸線の回りにβだけ回転して、（０，β）のときの固定部材２２側の支点の座標を求める。この（０，β）のときの固定部材２１側の支点の座標を、静的な誤差情報ＰＥの第１の回転軸４１の位置情報として記憶された軸線の回りにαだけ回転して、（α，β）のときの固定部材２１側の支点の座標を求める。すなわち、静的誤差情報ＰＥとしての（０，０）のときに測定した支点位置の座標差を、理想的な機構パラメータを用いて計算された脚の方向ＬＤに基づいて、各軸の回りにそれぞれ（α，β）だけ回転させることで、実際の固定部材２１の支点の座標が求まるのである。
【００１７】
次に、同様にして実際の可動部材の支点を求める。すなわち、前述した理想的な機構パラメータＩＰと補間位置ＣＰに基づく各脚の方向ＬＤが、静的な誤差位置情報を得たときの基準となる方向から変化した角度を算出する。可動部材の支点は、図５に示すように三つの回転軸を有するから、脚の方向の変化は、このこれらの回転軸の各軸線回りの回転角として表すことができ、第３の回転軸５１の軸線回りの回転角をγ、第４の回転軸５３の軸線回りの回転角をδ、第５の回転軸５５の軸線回りの回転角をεとする。また、第３の回転軸５１に関する回転角がＡ３、第４の回転軸５３に関する回転角がＡ４、第５の回転軸５５に関する回転角がＡ５であることを（Ａ３，Ａ４，Ａ５）で表わす。静的な誤差情報ＰＥの可動部材２２の支点の座標を、静的な誤差情報ＰＥの第５の回転軸５５の位置情報として記憶された軸線の回りにεだけ回転して、（０，０，ε）のときの可動部材２２の支点の座標を求める。前記（０，０，ε）のときの可動部材２２の支点の座標を、静的な誤差情報ＰＥの第４の回転軸５３の位置情報として記憶された軸線の回りにδだけ回転して、（０，δ，ε）のときの可動部材２２の支点の座標を求める。前記（０，δ，ε）のときの可動部材２２の支点の座標を、静的な誤差情報ＰＥの第３の回転軸５１の位置情報として記憶された軸線の回りにγだけ回転して、（γ，δ，ε）のときの可動部材２２の支点の座標、すなわち実際の可動部材２２の支点の座標を求める。このようにして、誤差を考慮した各支点の座標が求められる。前述のように、各支点の座標によって機構パラメータが定められるから、この誤差を考慮した各支点の座標から求められた機構パラメータは、誤差を考慮した機構パラメータである。このようにして、理想的な機構パラメータを補正することにより、実際の機構パラメータＲＰが求められる。
【００１８】
逆機構変換部７は、実際の機構パラメータＲＰを用いて、デカルト座標での補間位置ＣＰを脚２５の長さＬＰに変換する。
【００１９】
尚、ここでは、脚方向計算部４が脚の方向を計算により得ているが、各脚２５の方向は、実際にセンサ等を用いて測定しても構わない。
【００２０】
【発明の効果】
このように、本発明のパラレルメカニズム工作機械の数値制御装置によれば、工作機械の製造上の誤差を考慮して機構パラメータを補正しているため、正確な脚の長さを求めることができ、加工精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における構成の一例を示すブロック図である。
【図２】  パラレルメカニズムを応用した工作機械の一例を示す説明図である。
【図３】  従来の技術における構成の一例を示すブロック図である。
【図４】  固定部材と脚を結合する継ぎ手の一例を示す説明図である。
【図５】  可動部材と脚を結合する継ぎ手の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  プログラム解釈部、２  補間座標計算部、３  機構パラメータ記憶部、４脚方向計算部、５  静的誤差情報記憶部、６  機構パラメータ補正部、７  逆機構変換部、８  駆動装置制御部、２１  固定部材、２２  可動部材、２３  第１の継ぎ手、２４  第２の継ぎ手、２５  脚、２６  駆動装置、４１  第１の回転軸、４２  第１の支持部材、４３  第２の回転軸、４４  第２の支持部材、５１  第３の回転軸、５２  第３の支持部材、５３  第４の回転軸、５４  第４の支持部材、５５  第５の回転軸。
【図１】
0003636952.tif 000002
【図２】
0003636952.tif 000003
【図３】
0003636952.tif 000004
【図４】
0003636952.tif 000005
【図５】
0003636952.tif 000006