[論文レビュー] Design of a 3 Axis Parallel Machine Tool for High Speed Machining: The Orthoglide

Félix Majou, Philippe Wenger+1 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2007

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 13被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、高速切削を目的とした高精度加工に最適化された3軸並列運動学機械工作機械「Orthoglide」の設計を提示する。等方性および操縦性の制約を適用することにより、直動アクチュエータと被動的回転自由度ジョイントを備えた運動学的最適な構造が得られ、特異点を最小限に抑え、剛性および動的性能を向上させ、高精度加工用途に適した設計が実現された。

ABSTRACT

The Orthoglide project aims at designing a new 3-axis machine tool for High Speed Machining. Basis kinematics is a 3 degree-of-freedom translational parallel mechanism. This basis was submitted to isotropic and manipulability constraints that allowed the optmization of its kinematic architecture and legs architecture. Thus, several leg morphologies are convenient for the chosen mechanism. We explain the process that led us to the choice we made for the Orthoglide. A static study is presented to show how singular configurations of the legs can cause stiffness problems.

研究の動機と目的

• 高速切削に特化した高精度および高い動的性能を実現する3軸並列運動学工作機械の開発を目的とする。
• ワークスペース全体にわたり一様で最適な性能を確保するため、等方性および操縦性の制約を満たすことを目的とする。
• 剛性および動的挙動に悪影響を及げる特異的構成を特定し、排除することを目的とする。
• 運動学的および機械的性能基準に基づき、複数の実現可能な構成の中から最適な脚の形状を選定することを目的とする。
• 産業用加工用途に適した、高剛性、広いワークスペース、高速能力のバランスの取れた設計を達成することを目的とする。

提案手法

• 本設計は、移動平台と基盤を直動アクチュエータと被動的回転自由度ジョイントを介して接続する3本の同一な脚を持つ3自由度並列移動機構に基づく。
• ワークスペース全体にわたり一様な性能と高い機動性を確保するため、運動学的構造に等方性および操縦性の制約を適用する。
• 脚の構成が剛性に与える影響を分析するため、静的解析を実施し、特に構造的剛性を低下させる特異的構成に注目する。
• 複数の脚の形状を運動学的および機械的性能の観点から評価し、特異点を最小限に抑え、剛性を最大化する構成を選定する。
• 幾何学的、運動学的、静的解析を統合した最適化プロセスにより、耐久性があり高性能な工作機械の構造を実現する。
• 最終的な設計は運動学的および静的モデリングにより検証され、高速・高精度加工に適した設計であることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3軸並列運動学工作機械は、いかにワークスペース全体にわたり等方的性能と高い操縦性を達成できるか？
• RQ2 複数の候補から選べる脚の形状の中で、どの形状が3自由度並列移動機構において最適な剛性を発揮し、特異的構成を最小限に抑えるか？
• RQ3 高速切削用途における高い動的性能と精度を確保するため、満たすべき運動学的制約は何か？
• RQ4 脚の構成における特異的構成は、工作機械の構造的剛性および全体的な性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ワークスペースの大きさ、等方性、剛性の間にはどのような設計的トレードオフが存在し、並列運動学的構造においてそれらをどのように解決できるか？

主な発見

• 最適化されたOrthoglideの設計は、高い等方性および操縦性を達成し、ワークスペース全体にわたり一貫した性能を発揮する。
• 選定された脚の構成は、特異点を効果的に回避し、他の代替構成と比較して構造的剛性を顕著に向上させる。
• 静的解析により、一部の脚の構成が特異点の影響を受けて剛性が低下することが確認され、幾何学的最適化によりこれが解消された。
• 最終的な設計は、広いワークスペース、高剛性、および高速動的性能の良好なバランスを示し、高速切削用途に適している。
• 直動アクチュエータと被動的回転自由度ジョイントの統合により、バックlashおよび摩耗を最小限に抑え、高精度で高速な運動が可能になった。
• 本手法により、高速高精度切削の厳しい要件を満たす運動学的最適な構造が成功裏に同定された。