JP3811027B2

JP3811027B2 - パラレルメカニズム機械の制御装置

Info

Publication number: JP3811027B2
Application number: JP2001218662A
Authority: JP
Inventors: 哲也松下
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: JP2003025263A

Description

【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機械の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の機械として、従来、例えば図１に示すような空間６自由度のパラレルメカニズム工作機械が知られている。この工作機械においては、テーブル１上の工作物がエンドエフェクタ２の主軸８に取り付けた工具によって加工される。エンドエフェクタ２は自在継手３を介してアクチュエータとしての６本のボールネジ４に連結され、各ボールネジ４は自在継手５を介してフレーム７の天井部に支持されている。自在継手５にはボールネジ４を駆動するサーボモータ６が取り付けられ、自在継手３と自在継手５との間におけるボールネジ４の長さを変えることにより、エンドエフェクタ２が任意の姿勢で任意の位置に駆動される。
【０００３】
図２に示すように、自在継手３は３つの回転継手３１，３３，３５を組み合わせて構成されている。回転継手３１はエンドエフェクタ２に対しベース３２をＰａ軸周りで回転可能に結合している。回転継手３３はベース３２に対しロッド３４をＰｂ軸周りで回転可能に結合している。回転継手３５はボールネジ４に対しロッド３４をＰｃ軸周りで回転可能に結合している。そして、３つの回転継手３１，３３，３５はＰａ軸、Ｐｂ軸及びＰｃ軸が１点で交わるように組み付けられ、これによって自在継手３が球面継手と同様に回転３自由度の継手として機能するようになっている。
【０００４】
ところが、この種の自在継手３を用いた機械によると、例えば図３に示すように、ロッド３４を一定角度以上回転した場合に、ロッド３４がベース３２に接触するなど、自在継手３に干渉が発生するおそれがある。また、図４に示すように、Ｐａ軸とＰｃ軸とが同軸になった場合には、回転３自由度の継手として機能しなくなり、さらにこの状態でボールネジ４が伸縮した場合に、ロッド３４がＰｂ軸周りでどちらに回転してもボールネジ４の伸縮量が同じとなり、エンドエフェクタ２の位置及び姿勢が一義的に決まらないという制御不能を招く可能性もある。そこで、従来は、ＮＣプログラム上でサーボモータ６の指令値を予め制限することによって、エンドエフェクタ２の可動領域を画定し、もって干渉や制御不能を回避する方法を採っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１に示すようなパラレルメカニズム工作機械の場合は、エンドエフェクタ２の可動領域はＺ軸周りにほぼ対称となる。ここで、図８はエンドエフェクタ２の可動領域のＺ軸を含む断面を示す。領域１０１はエンドエフェクタ２の姿勢がＺ軸に対し平行な場合の仮想領域であり、エンドエフェクタ２とテーブル１及びフレーム７との干渉が考慮されていない。領域１０２はエンドエフェクタ２がＺ軸に対し全方向に２５°傾いた場合の仮想領域であり、自在継手３，５の干渉や制御不能が考慮されていない。領域１０３は干渉や制御不能の可能性を排除した可動領域であり、理論上はこの領域１０３内でエンドエフェクタ２が自由に動くことができる。
【０００６】
しかしながら、加工時におけるエンドエフェクタ２の動きは非常に複雑であるから、加工空間のどの領域でどんな姿勢をとったときに干渉や制御不能が発生するかを正確に予知することは複雑な計算が必要となり、容易ではない。このため、従来の制御方法によると、こうした異常事態の蓋然性を高く見積もり、サーボモータ６の指令値を幅広く制限する必要があった。この結果、エンドエフェクタ２の実際の可動領域１０４が理論上の可動領域１０３と比べかなり狭くなり、パラレルメカニズム機械が本来の能力を充分に発揮できなくなるという問題点があった。また、直交３軸の指令値を制限する従来方法によると、可動領域１０４が立方体形となるため、本来Ｚ軸周りの回転対称であるはずの領域がそれ以下に狭められるという不具合もあった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、パラレルメカニズムを用いた機械において、エンドエフェクタの実際の可動領域を拡張して、機械本来の能力を充分に発揮できる制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明による制御装置は、複数のアクチュエータにより自在継手を介しエンドエフェクタを駆動するパラレルメカニズム機械において、エンドエフェクタの複数の姿勢に夫々対応した複数の可動領域を記憶する記憶部と、エンドエフェクタの現在の姿勢及び位置を演算する演算部と、演算部で演算された現在の姿勢に対応して記憶部から読み出される可動領域と演算部で演算された現在位置とを比較する比較部と、比較部において現在位置が可動領域内にあるとの比較結果が出された場合にはエンドエフェクタを駆動させ、比較部において現在位置が可動領域を越えているとの比較結果が出された場合にはエンドエフェクタを停止させるようにアクチュエータを制御する制御部とを備えたことを特徴とする。また、請求項２の発明による制御装置は、前記記憶部に円柱形の可動領域を画定する制限値を記憶したことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図５はパラレルメカニズム工作機械における制御装置の一実施形態を示すものである。この工作機械は、エンドエフェクタ２がアクチュエータとしての６本のボールネジ４により自在継手３を介して駆動される（図１参照）。各ボールネジ４のナットはサーボモータ６ａ〜６ｆによりそれぞれ別個に回転され、ボールネジ４の継手間長さに関連する信号が各モータ６ａ〜６ｆに付設の位置検出器１４ａ〜１４ｆから制御装置１１の制御部１２に送られる。
【００１０】
制御部１２はＮＣプログラムを解析し、それに従ってサーボモータ６ａ〜６ｆを制御する。そして、サーボモータ６ａ〜６ｆによりボールネジ４の継手間長さを変化させることで、エンドエフェクタ２が任意の姿勢で任意の位置に駆動される。なお、ＮＣプログラムは、エンドエフェクタ２の位置を直交３軸（図６のＸ，Ｙ，Ｚ軸）の座標値として、エンドエフェクタ２の姿勢を各軸周り（図６のＡ，Ｂ，Ｃ方向）の回転角度として指令する。
【００１１】
また、制御装置１１には記憶部２１、演算部２２及び比較部２３が設けられている。記憶部２１にはエンドエフェクタ２の姿勢毎に複数の可動領域が記憶されている。可動領域とは、自在継手３，５の干渉や制御不能を回避するために、エンドエフェクタ２の移動範囲を制限する領域であって、図７に示すように、エンドエフェクタ２の姿勢つまりＺ軸に対する傾斜角度に応じて、それぞれ異なる大きさの円柱形の領域１０５，１０６として画定される。
【００１２】
図７において、領域１０５はエンドエフェクタ２の姿勢がＺ軸に対し平行な場合の可動領域を示し、領域１０６はエンドエフェクタ２の姿勢がＺ軸に対し全方向に２５°傾いた場合の可動領域を示す。いずれの領域１０５，１０６もＺ軸周りで回転対称をなす円柱形である。なお、図８と同様、領域１０１はテーブル１やフレーム７との干渉を考慮しない仮想領域であり、領域１０３は干渉や制御不能の可能性を排除した理論上の可動領域である。
【００１３】
記憶部２１には円柱形の可動領域１０５，１０６を画定する制限値が記憶されている。制限値には、図６に領域１０６を例示するように、Ｚ軸に対するエンドエフェクタ２の傾斜角度θの最大値と、可動領域１０６の半径Ｒと、基準位置Ｏ（例えばテーブル１の中心点）からＺ軸方向の最大値Ｚｍａｘ及び最小値Ｚｍｉｎとが含まれ、これらが１セットに組み合わされて、傾斜角度θの最大値が異なる複数のセットが記憶部２１に記憶される。
【００１４】
演算部２２は、位置検出器１４ａ〜１４ｆの出力に基づき幾何学的演算式を用いて、エンドエフェクタ２の現在の姿勢、すなわち、Ｚ軸に対するエンドエフェクタ２の傾斜角度θを演算するとともに、エンドエフェクタ２の現在の位置、すなわち、エンドエフェクタ２のＺ軸方向の座標値Ｚ、及びＺ軸からエンドエフェクタ２までの距離Ｌ（円柱形運動領域の半径）を演算する。比較部２３は、現在の姿勢に対応する可動領域を記憶部２１から読み出し、その可動領域と現在位置とを比較する。
【００１５】
そして、制御部１２は比較部２３の比較結果に基づき６本のボールネジ４を制御する。具体的には、エンドエフェクタ２の現在位置が可動領域内にある場合に、制御部１２はサーボモータ６ａ〜６ｆに駆動信号を出力する。また、現在位置が可動領域を越えた場合に、制御部１２は干渉又は制御不能のおそれありと判断し、サーボモータ６ａ〜６ｆに停止信号を出力するか、又はサーボモータ６ａ〜６ｆへの通電を遮断する等の処理を実行して、エンドエフェクタ２を直ちに停止させる。
【００１６】
上記構成の制御装置１１によれば、パラレルメカニズム工作機械の動作中に、エンドエフェクタ２の姿勢毎にその可動領域をリアルタイムでチェックするので、図７に示すように、エンドエフェクタ２の実際の可動領域１０５，１０６を理論上の可動領域１０３近くまで拡張することができ、機械本来の機能を充分に発揮することが可能となる。また、円柱形領域を画定する制限値でエンドエフェクタ２の現在位置をチェックするので、パラレルメカニズム工作機械の特性を活かし、可動領域１０５，１０６を回転対称をなす形状でより広く設定できる利点もある。
【００１７】
なお、上記実施形態では、パラレルメカニズム機械として空間６自由度の工作機械を例示したが、自由度は６に限定されず、それ以上又は以下の自由度を備えた工作機械に適用することもできる。また、工作機械以外に、ロボット、建設機械、アミューズメント機械、医療機械等、パラレルメカニズムを用いた各種機械に応用してもよい。その他、自在継手に図２とは異なる組み合わせの回転継手や球面継手を用いるなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１の発明によれば、エンドエフェクタの複数の姿勢に夫々対応した可動領域に基づいてアクチュエータを制御するので、エンドエフェクタの実際の可動領域を拡張して、機械本来の能力を充分に発揮できるという優れた効果を奏する。
【００１９】
請求項２の発明によれば、円柱形の可動領域を記憶したので、パラレルメカニズム機械の特性を活かし、可動領域を回転対称をなす形状でより広く設定できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】パラレルメカニズム工作機械の斜視図である。
【図２】自在継手を例示する機構図である。
【図３】自在継手の干渉を説明する機構図である。
【図４】エンドエフェクタの制御不能を説明する機構図である。
【図５】本発明の一実施形態を示す制御装置のブロック図である。
【図６】エンドエフェクタの制限値を説明する概略図である。
【図７】本発明によるエンドエフェクタの可動領域を示す模式図である。
【図８】従来技術によるエンドエフェクタの可動領域を示す模式図である。
【符号の説明】
２・・エンドエフェクタ、３，５・・自在継手、４・・ボールネジ、６・・サーボモータ、１１・・制御装置、１２・・制御部、２１・・記憶部、２２・・演算部、２３・・比較部。

Claims

複数のアクチュエータにより自在継手を介しエンドエフェクタを駆動するパラレルメカニズム機械において、エンドエフェクタの複数の姿勢に夫々対応した可動領域を記憶する記憶部と、エンドエフェクタの現在の姿勢及び位置を演算する演算部と、演算部で演算された現在の姿勢に対応して記憶部から読み出される可動領域と演算部で演算された現在位置とを比較する比較部と、比較部において現在位置が可動領域内にあるとの比較結果が出された場合にはエンドエフェクタを駆動させ、比較部において現在位置が可動領域を越えているとの比較結果が出された場合にはエンドエフェクタを停止させるようにアクチュエータを制御する制御部とを備えたことを特徴とする制御装置。
前記記憶部に円柱形の可動領域を画定する制限値を記憶した請求項１記載のパラレルメカニズム機械の制御装置。