治具設計／#2 位置決めの基礎 自由度の拘束

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位置決めは位置を決めるだけではない？

製造現場では位置決めと簡単に言われていますが、そもそも位置決めとはどのようなことを言うのでしょうか。

位置決めをするとき、まずはじめに対象ワークを前後（x）左右（y）上下（z）のどこに固定するのかを決める必要があります。しかし、それだけではワークを完全に固定することができません。回転方向の自由度が（a b c軸）残っています。つまり位置決めを確定するには「位置要素3つ」と「回転要素3つ」の合計6つの自由度が固定すること必要となります。

位置決め順序

6自由度を拘束することで、ものの位置が決まることがわかりましたので、理論的に位置決めを考えて見ます。

「3点固定」まず平面を出す

ワークの底面に3点があればものは3点平面上で固定され、残り前後（x） 左右（y）回転（c軸）の自由度が残ります。

※この3点について、3点重心からの距離が遠くなるように、かつ一直線上にならないよう配置するとより平面が出しやすくなります。

「2点固定」次に側面を当てる

追加で側面にプラス2点があれば、先程残った左右（y）回転（c軸）の自由度がなくなり前後（x）のみがのこります。

「1点固定」最後にもう一点

最後にもう一点を押さえれば最後の前後自由度もなくなり位置決めが完了します。

実際の位置決め

重要なのはあくまで6自由度を固定することです。

例としてバイスで直方体と円柱を固定してみます。

ただしこのバイスは底面やクランプ部、ワークの各平面は精密に平面が出ていてかつそれぞれが完全に平行垂直が出ている。そして、バイスは正確に固定されているとします。

直方体を固定

バイスの平面部にのせます。この時点で以下のように3自由度が決まります。

平面部に乗せること＝平面が決まる≒底面の3点に当てている＝3自由度が決まる

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次にのせたワークをバイスの固定平面側に当てます。この時点で以下のように2自由度が決まります。

固定平面に当てる＝側面が決まる≒側面の2点に当てている＝2自由度が決まる

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最後にこのままバイスを締めると1自由度分（x）余らせたままになるので、固定の仕方が1つに決まりません。その１つの自由度分を固定するためにボルトの頭などのあてを使い残りの1自由度を決めます。

ボルトの頭に当てる＝前後が決まる≒前後の1点に当てている＝1自由度をが決まる

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以上すべて合わせると6自由度分を決めることができたので、この状態でバイスを閉じることで位置が確定します。

円柱を固定（上下平面）

バイスの平面部にのせます。この時点で先ほどと同様に3自由度が決まります。

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次にVブロックを用いてのバイスの固定平面に当てます。この時点でVブロックは固定平面上を動かすことができますので、先ほどと同様に2自由度が決まります。

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最後にVブロックが動かせないようにボルトの頭などをVブロックに当てれ最後の1自由度が決まります位置が決まります。

まとめ

6自由度を拘束することによって位置決めが完全に完了します。実際に使用する際は6点ではなく面を当てて位置決めをした後にバイスのクランプなどの固定要素が必要になります。