JP2006098356A - Movable mechanism vibration analysis device, and input method of movable mechanism vibration analysis parameter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボットにおける柔軟な構成部材から成るアーム機構の振動や、物体の搬送機構の振動、更には、位置決めが必要な駆動機械が設置された架台機構の振動をシミュレーションする可動機構振動解析装置及び可動機構振動解析パラメータ入力方法に関する。 The present invention relates to a movable mechanism vibration analysis device for simulating vibration of an arm mechanism composed of flexible components in a robot, vibration of an object transport mechanism, and vibration of a gantry mechanism in which a driving machine that requires positioning is installed. Further, the present invention relates to a movable mechanism vibration analysis parameter input method.
従来、アーム機構等の可動機構系の設計では機構を構成しているリンク部材は剛体と考え、その挙動を解析していた。しかし、最近では機構系の軽量化を図るための要求からリンク部材の剛性が十分でなくなり、剛体と考えられない場合がでてきている。また、高速・高精度の位置決めを行うための要求も強く、これまで無視してきた微小振動を考慮しなければならなくなっている。 Conventionally, in designing a movable mechanism system such as an arm mechanism, the link member constituting the mechanism is considered to be a rigid body, and the behavior thereof is analyzed. However, recently, due to the demand for reducing the weight of the mechanism system, the rigidity of the link member has become insufficient, and there are cases where it cannot be considered a rigid body. In addition, there is a strong demand for high-speed and high-accuracy positioning, and micro vibrations that have been ignored so far must be taken into consideration.
このため、可動機構に組み込まれているモータを機構と切離して考えることは難しく、その一部として機構系と融合させて考えなければならない。つまり、現在、要求動作仕様を満足するモータ制御を考える際には、機構系の動特性を無視することはできなくなっている。このため、可動機構である機械システムをシミュレートできるシミュレーションプログラムが多く市販され、手離し難い有力な解析手段として定着しつつある。 For this reason, it is difficult to consider the motor incorporated in the movable mechanism separately from the mechanism, and it must be considered as a part of the mechanism system. In other words, when considering motor control that satisfies the required operation specifications, the dynamic characteristics of the mechanical system cannot be ignored. For this reason, many simulation programs that can simulate a mechanical system that is a movable mechanism are commercially available, and are becoming established as powerful analysis means that are difficult to release.
この種の従来の解析装置として、例えば非特許文献1に記載のものがある。
上述した従来の可動機構の振動を解析する市販プログラムツールは、より汎用性を持つと共に多機能なものとする点を重視しているため、プログラム自体が大きくなり、モデルの入力情報も複雑なものとなっている。例えば機構形状や材料物性、物理定数などの入力情報は、その項目数が非常に多く、更に、その入力項目が複雑で且つ難解である。また、物理的な意味合いも不明瞭である入力項目も多々ある。また、解析精度を重んじるばかりに解析時間も数時間かかる場合があり、そのことが、より現場等でのシミュレーションの活用を困難なものとしている。つまり、実際の設計者や現場での作業者(オペレータ)等の利用者にとって使いづらいという問題があった。 The above-mentioned commercially available program tools for analyzing the vibrations of the conventional moving mechanism emphasize the point of being more versatile and multifunctional, so the program itself becomes larger and the model input information is also complicated. It has become. For example, input information such as mechanism shape, material properties, and physical constants has a very large number of items, and the input items are complicated and difficult to understand. There are also many input items whose physical meaning is unclear. In addition, the analysis time may take several hours as much as the analysis accuracy is emphasized, which makes it more difficult to use the simulation in the field. That is, there is a problem that it is difficult for users such as actual designers and workers (operators) on the site.
そこで、利用者にとって、意味不明瞭な入力項目に対して気にしなくても解析が可能であるデータの取扱い容易さが求められているが、その反面、熟練者にとっては、モデル作成やモデル情報の変更などを迅速且つ簡単に実行できるシミュレーションプログラムが求められている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、利用者が可動機構の振動解析のための情報入力並びに操作を容易に行うことができ、また、熟練者が可動機構のモデル作成やモデル情報の変更などを迅速且つ簡単に行うことができる可動機構振動解析装置及び可動機構振動解析パラメータ入力方法を提供することを目的としている。
Therefore, users are required to be able to handle data that can be analyzed without worrying about unclear input items. On the other hand, for experienced users, model creation and model information are required. There is a need for a simulation program that can quickly and easily execute such changes.
The present invention has been made in view of such problems, and allows a user to easily input and operate information for vibration analysis of the movable mechanism, and allows a skilled person to create a model of the movable mechanism. It is an object of the present invention to provide a movable mechanism vibration analysis apparatus and a movable mechanism vibration analysis parameter input method that can quickly and easily change model information.
上記目的を達成するために、本発明の請求項1による可動機構振動解析装置は、振動を伴う可動機構の固有振動数を、当該固有振動数を求める数式に必要なパラメータ値を適用して演算する可動機構振動解析装置において、種々の可動機構のモデル形状を表示するための形状データと、前記パラメータ値の入力項目を表示するためのパラメータ項目データと、前記可動機構を構成する材料の物理定数及び材料特性を含む物性データとを記憶する記憶手段と、前記記憶手段から前記形状データを読み込んで各種可動機構のモデル形状を表示し、この表示中から操作により選択された可動機構に対応する前記パラメータ項目データを前記記憶手段から読み込んでパラメータ項目を表示すると共に、その選択された可動機構に対応する前記物性データを読み込んで該当パラメータ値として表示する制御手段とを備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a movable mechanism vibration analyzing apparatus according to
この構成によれば、種々の可動機構の形状を表示し、この表示中から利用者が操作選択した可動機構に対応するパラメータ項目データを記憶手段から読み込んでパラメータ項目を表示すると共に、その選択された可動機構に対応する物性データを読み込んで該当パラメータ値として表示するようにした。このように表示することによって、利用者は自分が固有振動数を求めて振動解析をしたい可動機構のパラメータ値を容易に入力することができる。 According to this configuration, the shape of various movable mechanisms is displayed, the parameter item data corresponding to the movable mechanism selected by the user from the display is read from the storage means, and the parameter items are displayed and selected. The physical property data corresponding to the movable mechanism was read and displayed as the corresponding parameter value. By displaying in this way, the user can easily input the parameter value of the movable mechanism for which he / she wants the natural frequency and wants to analyze the vibration.
また、本発明の請求項2による可動機構振動解析装置は、請求項1において、前記制御手段は、前記物性データを読み込んで表示したパラメータ値を、操作変更可能なように表示し、表示中のパラメータ値の変更操作が行われた際に変更操作後のパラメータ値を新たに表示して用いることを特徴とする。
この構成によれば、利用者が物性データに対応するパラメータ値を任意に入力することができるので、熟練者に対して、より詳細な解析や、種々のケースの解析等を行う場合に有用なシミュレーションツールとすることができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the movable mechanism vibration analyzing apparatus according to the first aspect, wherein the control means displays the parameter value displayed by reading the physical property data so that the operation can be changed, When the parameter value changing operation is performed, the parameter value after the changing operation is newly displayed and used.
According to this configuration, since the user can arbitrarily input parameter values corresponding to the physical property data, it is useful for more detailed analysis, analysis of various cases, and the like for the expert. It can be a simulation tool.
また、本発明の請求項3による可動機構振動解析装置は、請求項1または2において、前記制御手段は、操作入力されたパラメータ値と、前記物性データを読み込んだパラメータ値とを一覧表示することを特徴とする。
この構成によれば、利用者が初心者であっても全てのパラメータ値を容易に確認することができるので、固有振動数を求める際のパラメータ値の入力ミスを低減させることができる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided the movable mechanism vibration analyzing apparatus according to the first or second aspect, wherein the control means displays a list of the parameter values inputted by operation and the parameter values read from the physical property data. It is characterized by.
According to this configuration, since all parameter values can be easily confirmed even if the user is a beginner, it is possible to reduce input mistakes in parameter values when obtaining the natural frequency.
また、本発明の請求項4による可動機構振動解析装置は。請求項1から3の何れか1項において、前記制御手段は、表示中の可動機構のパラメータ項目の説明及び表示内容に対する操作指示を文字及び図柄で記述したガイダンスを表示することを特徴とする。
この構成によれば、利用者が初心者であってもパラメータ値を容易に入力して固有振動数を求めることができる。
A movable mechanism vibration analyzer according to claim 4 of the present invention. The control means according to any one of
According to this configuration, even if the user is a beginner, the natural frequency can be obtained by easily inputting parameter values.
また、本発明の請求項5による可動機構振動解析装置は、請求項1から4の何れか1項において、前記制御手段によって一覧表示されたパラメータ値と、このパラメータ値で固有振動数が解析される可動機構のモデル形状を表示する形状データとを、ファイル記憶手段に記憶すると共に、その記憶されたパラメータ値及び形状データを前記制御手段へ入力するファイル入出力手段を更に備えたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the movable mechanism vibration analyzing apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the natural frequency is analyzed using the parameter values listed by the control means and the parameter values. And further comprising file input / output means for inputting the stored parameter values and shape data to the control means. To do.
この構成によれば、利用者が各種可動機構の中から選択し、この選択された可動機構に対して操作入力及び記憶手段から読み出されたパラメータ値と、当該可動機構のモデル形状を表示するための形状データとを記憶できるようにしたので、利用者が再度同じ可動機構の固有振動数をパラメータ値を変更して求める場合などの操作を行う場合に容易に対応することができる。 According to this configuration, the user selects from among various movable mechanisms, and displays the parameter value read from the operation input and storage means for the selected movable mechanism and the model shape of the movable mechanism. Therefore, it is possible to easily cope with the case where the user performs an operation such as obtaining the natural frequency of the same movable mechanism by changing the parameter value again.
また、本発明の請求項6による可動機構振動解析装置は、請求項5において、前記ファイル入出力手段は、前記データファイルを汎用エディタで変更可能なフォーマット形式のテキストファイルで入出力する処理を行うことを特徴とする。
この構成によれば、可動機構のパラメータ値を直接テキストファイルで作成し、シミュレーションプログラムに読み込ませることが可能となる。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the movable mechanism vibration analyzing apparatus according to the fifth aspect, wherein the file input / output means performs a process of inputting / outputting the data file as a text file in a format that can be changed by a general-purpose editor. It is characterized by that.
According to this configuration, the parameter value of the movable mechanism can be directly created in the text file and can be read by the simulation program.
また、本発明の請求項7による可動機構振動解析パラメータ入力方法は、振動を伴う可動機構の固有振動数を求める数式を用いて当該固有振動数を演算する可動機構振動解析装置に対して前記数式に必要なパラメータ値を入力する可動機構振動解析パラメータ入力方法において、種々の可動機構のモデル形状を表示するための形状データと、前記パラメータ値の入力項目を表示するためのパラメータ項目データと、前記可動機構を構成する材料の物理定数及び材料特性を含む物性データとを記憶する第1のステップと、前記第1のステップにて記憶された形状データを読み込んで各種可動機構のモデル形状を表示する第2のステップと、前記第2のステップにて表示された各種可動機構のモデル形状の中から操作により選択された可動機構に対応するパラメータ項目データを、前記第1のステップで記憶されたデータ中から読み込んでパラメータ項目を表示すると共に、その選択された可動機構に対応する物性データを前記記憶されたデータ中から読み込んで該当パラメータ値として表示する第3のステップとを含むことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a movable mechanism vibration analysis parameter input method for calculating a natural frequency of a movable mechanism with vibration using a mathematical expression for calculating the natural frequency. In the movable mechanism vibration analysis parameter input method for inputting parameter values necessary for the above, shape data for displaying model shapes of various movable mechanisms, parameter item data for displaying input items of the parameter values, A first step of storing physical property data including physical constants and material characteristics of materials constituting the movable mechanism, and reading shape data stored in the first step to display model shapes of various movable mechanisms. The second step and the movable mechanism selected by operation from the model shapes of the various movable mechanisms displayed in the second step. The corresponding parameter item data is read from the data stored in the first step to display the parameter item, and the physical property data corresponding to the selected movable mechanism is read from the stored data. And a third step of displaying as a parameter value.
この方法によれば、種々の可動機構の形状を表示し、この表示中から利用者が操作選択した可動機構に対応するパラメータ項目データを事前に記憶したデータ中から読み込んでパラメータ項目を表示すると共に、その選択された可動機構に対応する物性データを読み込んで該当パラメータ値として表示するようにした。このように表示することによって、利用者は自分が固有振動数を求めて振動解析をしたい可動機構のパラメータ値を容易に入力することができる。 According to this method, the shape of various movable mechanisms is displayed, and parameter item data corresponding to the movable mechanism selected and operated by the user is read from the data stored in advance, and the parameter items are displayed. The physical property data corresponding to the selected movable mechanism is read and displayed as the corresponding parameter value. By displaying in this way, the user can easily input the parameter value of the movable mechanism for which he / she wants the natural frequency and wants to analyze the vibration.
以上説明したように本発明の可動機構振動解析装置によれば、利用者が可動機構の振動解析のための情報入力並びに操作を容易に行うことができ、また、熟練者が可動機構のモデル作成やモデル情報の変更などを迅速且つ簡単に行うことができるという効果がある。 As described above, according to the movable mechanism vibration analysis apparatus of the present invention, a user can easily input information and perform operations for vibration analysis of the movable mechanism, and an expert can create a model of the movable mechanism. And the model information can be changed quickly and easily.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る可動機構振動解析装置の構成を示すブロック図である。
図1に示す可動機構振動解析装置10は、可動機構の振動特性を解析するシミュレーションツールであり、モデルDB(データベース)11及び物性DB(データベース)12を有する記憶部13と、モデル作成部14と、モデルデータ表示制御部15と、解析ソルバ部16と、解析結果保持部17と、ファイル入出力部18と、表示部22とを備えて構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a movable mechanism vibration analyzer according to an embodiment of the present invention.
A movable mechanism
また、このような構成要素を有する可動機構振動解析装置10には、外付け装置として、モデル作成部14に入力装置21が接続され、ファイル入出力部18にファイル記憶装置23が接続されている。
モデルDB11は、可動機構のモデルの形状を表示するための形状データと、その形状の寸法や質量等のパラメータの項目を表示するためのパラメータ項目データとを記憶するものである。物性DB12は、可動機構の固有振動数の解析を行う上で必要となる当該可動機構を構成する材料の物理定数や材料特性などの物性データを記憶するものである。
Further, in the movable mechanism
The model DB 11 stores shape data for displaying the shape of the model of the movable mechanism and parameter item data for displaying parameter items such as dimensions and mass of the shape. The
入力装置21は、実際の設計者や現場の作業者(オペレータ)などの利用者が、解析対象となる可動機構のモデルのパラメータ値及び物性データ並びに他の命令等を入力するものである。
モデル作成部14は、各種の可動機構の形状を表示するための形状データをモデルDB11から読み込んで表示部22に各種の可動機構のモデルを表示し、入力装置21の選択操作によって表示中のモデルから選択されたモデルのパラメータ項目データをモデルDB11から読み込んでパラメータ項目を表示し、この表示されたパラメータ項目に従って操作入力されたパラメータ値と、物性DB12から読み込んだ選択モデルに対応する物性データによるパラメータ値とからモデルデータを作成するものである。
The
The
但し、物性データの選択は、物性DB12からではなく、利用者が入力装置21から直接入力することも可能となっている。
モデルデータ表示制御部15は、モデル作成部14で作成されたモデルデータに基づき、全てのパラメータ値の一覧を表示部22に表示するものである。この表示されたパラメータ値は利用者が入力装置21を操作して修正可能となっている。
However, the physical property data can be selected directly from the
The model data
解析ソルバ部16は、モデル作成部14で作成されたモデルデータの全パラメータ値に基づき解析対象である可動機構の運動や振動特性を計算し、この解析結果を表示部22に表示するものである。
解析結果保持部17は、解析ソルバ部16で得られた解析結果を保持するものである。
ファイル入出力部18は、解析結果保持部17に保持された解析結果を読み出してファイル記憶装置23へ出力すると共に、ファイル記憶装置23に記憶された解析結果を読み出して解析結果保持部17へ出力する。また、モデル作成部14で作成されたモデルデータをファイル記憶装置23へ出力すると共にファイル記憶装置23に記憶されたモデルデータをモデル作成部14へ出力するようになっている。
The
The analysis
The file input /
また、ファイル入出力部18は、ファイル記憶装置23との間で入出力するデータファイルを、汎用エディタで変更可能なフォーマット形式のテキストファイルで構成する処理を行う。これによって、可動機構のモデルのパラメータ入力値を直接テキストファイルで作成し、シミュレーションプログラムに読み込ませることも可能としている。
なお、モデル作成部14、モデルデータ表示制御部15及び表示部22にて制御手段が構成されている。
In addition, the file input /
The
また、解析ソルバ部16での可動機構の運動や振動特性の計算には、例えば次の(1)〜(4)のような4通りの方法がある。
(1)可動機構が図2に示すようなアーム機構30であるとする。このアーム機構30は、ベース31に矢印Y1で示すように移動自在に取り付けられたステージ32と、このステージ32に一端が可動自在に取り付けられた柔軟な棒状の構成部材から成るアーム33と、このアーム33の先端に取り付けられたコ字形状の負荷34とから構成され、ベース31に対するステージ32の移動によってアーム33が作業空間を移動できるようになっている。
In addition, for example, the following four methods (1) to (4) can be used to calculate the motion and vibration characteristics of the movable mechanism in the
(1) Assume that the movable mechanism is an arm mechanism 30 as shown in FIG. The arm mechanism 30 includes a
このアーム機構30は、ステージ32によって、アーム33を矢印Y1方向に移動させた場合にアーム33の剛性が十分でない場合には、図3に示すように、仮想的な点35を回転中心として微小振動Y2が発生する。そこで、そのアーム33のモデルを、図4に示すように1つのバネ36で剛体33a,33bを連結して構成し、このバネ特性によってアーム機構30の振動特性のモデル化を図っている。
When the
このモデルの場合は、図5にその記号を示す下式(1)によって、柔軟な構成部材から成るアーム33を有するアーム機構30の固有振動数f1を正確に計算することができる。
固有振動数f1=(1/2π)√(kθ/JaLL) …(1)
バネ定数kθ=4EI/3L
等価質量JaLL=J0+Ja+mL2+ma(L/2)2
ここで、
E:アームのヤング率
I:アームの断面2次モーメント(アーム断面の形状によって変わる曲げ・たわみ等の変形し易さの度合を数値的に表現したもの)
L:アーム長
J0:負荷の重心37回りの慣性モーメント
Ja:アームの重心38回りの慣性モーメント
m:負荷の質量
ma:アームの質量
である。
In the case of this model, the natural frequency f1 of the arm mechanism 30 having the
Natural frequency f1 = (1 / 2π) √ (k θ / J aLL ) (1)
Spring constant k θ = 4EI / 3L
Equivalent mass J aLL = J 0 + J a + mL 2 + m a (L / 2) 2
here,
E: Young's modulus of the arm I: Second moment of inertia of the arm (a numerical expression of the degree of ease of deformation such as bending and deflection that changes depending on the shape of the arm cross section)
L: Arm length J 0 : Moment of inertia about center of
このアーム機構30の固有振動数f1を計算するために、アーム機構材料特性(アーム33のヤング率E)と、アーム機構断面形状特性(アーム33の断面2次モーメントI)と、アーム機構長さ(アーム長L)と、アーム負荷質量(アーム33の先端負荷34の質量m及びアーム33の質量ma)とを、パラメータとして入力することによって、固有振動数f1を計算する。即ち、上式(1)の等価質量が、JaLL=mL2+ma(L/2)2となるように入力パラメータを制限する。
In order to calculate the natural frequency f1 of the arm mechanism 30, the arm mechanism material characteristic (Young's modulus E of the arm 33), the arm mechanism cross-sectional shape characteristic (cross-sectional secondary moment I of the arm 33), and the arm mechanism length The natural frequency f1 is calculated by inputting (arm length L) and arm load mass (mass m of
この制限された各パラメータからバネ定数のkθ=4EI/3Lと、等価質量のJaLL=mL2+ma(L/2)2とを計算し、この計算されたkθとJaLLとを上式(1)に当てはめることによって、アーム機構30の固有振動数f1を計算する。これによって、計算負荷(計算時間)、解析誤差ともに実用的なレベルを満足しながら固有振動数f1が求められるようになっている。 From each of these limited parameters, the spring constant k θ = 4EI / 3L and the equivalent mass J aLL = mL 2 + m a (L / 2) 2 are calculated, and the calculated k θ and J aLL are calculated. By applying the above equation (1), the natural frequency f1 of the arm mechanism 30 is calculated. As a result, the natural frequency f1 can be obtained while satisfying practical levels of both calculation load (calculation time) and analysis error.
(2)可動機構が図6に示すような搬送機構40であるとする。この搬送機構40は、ベース41に矢印Y3で示すように移動自在に取り付けられたステージ42と、このステージ42に一端が固定された柔軟な柱状の構成部材から成る2本の柱状構造体43と、これら柱状構造体43の先端に載置固定されたステージ44と、このステージ44の上に搬送物体45を載置固定するために当該ステージ44上に固定された取付部44aとから構成され、取付部44aに取り付けられた搬送物体45を、ステージ42の移動によって移動可能なようになっている。
(2) Assume that the movable mechanism is a transport mechanism 40 as shown in FIG. The transport mechanism 40 includes a
この搬送機構40は、図7に示す通り、ステージ42を矢印Y3方向に移動させた際に柱状構造体43の剛性が十分でない場合、仮想的な点46を回転中心として微小振動Y4が発生し、タクト時間の短縮や高精度な位置決めを行う場合に不都合となる。このため、搬送物体45が先端に取り付けられた柱状構造体43の振動解析が必要となっている。なお、図3中の破線描画部分は、微小振動16に伴う柱状構造体43、ステージ44、取付部44a及び搬送物体45の振動状態を表現したものである。
As shown in FIG. 7, when the
そこで、その柱状構造体43のモデルを、図8に示すように1つのバネ47で剛体48a,48bを連結して構成し、このバネ特性によって搬送機構40の振動特性のモデル化を図っている。
このモデルの場合は、図9にその記号を示す下式(2)によって、柔軟な構成部材から成る柱状構造体43を有する搬送機構40の固有振動数f2を正確に計算することができる。但し、式(2)では上式(1)と同記号を引用したが、当該式(2)以降の説明で出てくる記号は全て当該式(2)に引用されるものであるとする。
Therefore, a model of the
In the case of this model, the natural frequency f2 of the transport mechanism 40 having the
固有振動数f2=(1/2π)√(kθ/JaLL) …(2)
バネ定数kθ=32EI/3L
等価質量JaLL=J0+Ja+Jb+mL2+maLa 2+maLa 2
ここで、
E:柱状構造体のヤング率
I:柱状構造体の断面2次モーメント(柱状構造体断面の形状によって変わる曲げ・たわみ等の変形し易さの度合を数値的に表現したもの)
Lm:柱状構造体の回転中心48から搬送物体重心49までの距離
Lb:柱状構造体の回転中心48からステージ重心50までの距離
La:柱状構造体の回転中心48から柱状構造体重心51までの距離
J0:搬送物体の重心49回りの慣性モーメント
Jb:ステージの重心50回りの慣性モーメント
Ja:柱状構造体の重心51回りの慣性モーメント
m:搬送物体の質量
mb:ステージの質量
ma:柱状構造体(回転部分)の質量
である。
Natural frequency f2 = (1 / 2π) √ (k θ / J aLL ) (2)
Spring constant k θ = 32EI / 3L
Equivalent mass J aLL = J 0 + J a + J b + mL 2 + m a L a 2 + m a L a 2
here,
E: Young's modulus of the columnar structure I: Second moment of inertia of the columnar structure (numerical expression of degree of ease of deformation such as bending and deflection depending on the shape of the columnar structure cross section)
L m : Distance from the center of
また、上式(2)において、搬送機構40の振動特性を表す固有振動数f2を、柱状構造体材料と、柱状構造体断面形状と、柱状構造体長さと、負荷質量のみで計算するようにしてもよい。但し、負荷質量は、上式(2)のJaLL=mL2+maLa 2+maLa 2で計算する。ここでは、L=Lb=√{L2+(B/2)2},La=L/3と近似、L:柱状構造体の長さ、B:2本の柱状構造体間の間隔寸法とすることで、より現実に即したパラメータ入力方式を用いている。
つまり、入力パラメータから慣性モーメントJ0,Jb,Jaを削除して、入力パラメータを厳密解の場合より絞ることによって等価質量を、JaLL=mL2+maLa 2+maLa 2とした。この場合でも現実的にツールとして使用するに耐えうる解析誤差を満足している。
In the above equation (2), the natural frequency f2 representing the vibration characteristic of the transport mechanism 40 is calculated only by the columnar structure material, the columnar structure cross-sectional shape, the columnar structure length, and the load mass. Also good. However, the load mass is calculated by J aLL = mL 2 + m a L a 2 + m a L a 2 in the above formula (2). Here, L = L b = √ {L 2 + (B / 2) 2 }, approximate to L a = L / 3, L: length of the columnar structure, B: distance between the two columnar structures By adopting dimensions, a more realistic parameter input method is used.
That is, by removing the moments of inertia J 0 , J b , and J a from the input parameters and narrowing down the input parameters from the case of the exact solution, the equivalent mass can be calculated as J aLL = mL 2 + m a L a 2 + m a L a 2 It was. Even in this case, an analysis error that can be practically used as a tool is satisfied.
従って、柱状構造体43材料のヤング率Eと、柱状構造体43の断面2次モーメントIと、柱状構造体長Lと、柱状構造体間の間隔寸法Bと、搬送物体の質量mと、ステージの質量mbと、柱状構造体の質量maとの各パラメータをもとに、バネ定数のkθ=32EI/3Lと、等価質量のJaLL=mL2+maLa 2+maLa 2とを計算し、この計算されたkθとJaLLとを上式(2)に当てはめることによって、搬送機構40の固有振動数f2を計算する。これによって、上述のように計算負荷(計算時間)、解析誤差ともに実用的なレベルを満足しながら固有振動数f2が求められるようになっている。
Therefore, the Young's modulus E of the
(3)可動機構が図10に示すような架台機構60であるとする。この架台機構60は、棒状や板状の鋼材等で構成される脚部61と、脚部61に支えられ、その上に機械62が設置された天板63とを備えて構成されている。但し、脚部61は、床面に垂直に互いに所定間隔離して固定された2本の架台脚61aと、これらの架台脚61aを補強するために2本の脚61aの下方を固定するための筋交い64aとから構成されている。但し、機械62は、本例では図示せぬ物体を保持して運搬可能なアーム付き駆動体65であるとする。また、アーム付き駆動体65は、作業空間を移動可能とするためにステージ66等の移動手段を介して天板63の上に固定されている。
(3) It is assumed that the movable mechanism is a
この架台機構60は、図11に示すように、ステージ66によってアーム付き駆動体65のアームを矢印Y5の方向に移動させた際に、脚部61の剛性が十分でない場合は、架台脚61aと床面との固定点67を基準として微小振動Y6が発生し、アーム付き駆動体65が停止しても振動が残留する。このため、タクト時間の短縮や高精度なアーム付き駆動体65のアームの位置決めを行う場合に不都合となる。そこで、架台機構60の振動解析が必要となる。
As shown in FIG. 11, when the arm of the
このようなモデルの場合、通常、下式(3)によって、架台機構60の固有振動数f3を計算する。但し、式(3)では上式(2)と同記号を引用したが、当該式(3)以降の説明で出てくる記号は全て当該式(3)に引用されるものであるとする。
固有振動数f3=(1/2π)√{(1/M)×(12nEI/L3) …(3)
ここで、
E:架台脚のヤング率
I:架台脚の断面2次モーメント(架台脚断面の形状によって変わる曲げ・たわみ等の変形し易さの度合を数値的に表現したもの)
n:架台脚の本数
m:天板と天板上の機械の合計質量
である。
In the case of such a model, the natural frequency f3 of the
Natural frequency f3 = (1 / 2π) √ {(1 / M) × (12 nEI / L 3 ) (3)
here,
E: Young's modulus of the pedestal leg I: Second moment of section of the pedestal leg (a numerical expression of the degree of ease of deformation such as bending and deflection depending on the shape of the pedestal leg cross section)
n: Number of pedestal legs m: Total mass of the top plate and the machine on the top plate.
ところで、実際の架台機構60は、図10に示した架台機構60のように単純な機構ではなく、図12に示す架台機構60−1のように、脚部61に更に斜めの筋交い64bを有する複雑な形状のものも有るので、上式(3)はそのまま適用できないことがある。
そこで、図13に示すように、架台脚10の各脚61aをバネ67と見做してそれらを連結し、天板63及び機械62の部分の質量の合計を、それらのバネ67の連結点の中で天板63と接する点、即ち天板63と見做したバネ68と接する点69に等価的な集中質量として与えるようにモデルを構築する。このモデルの各バネ67,68に対して剛性方程式を導出し、それらを合成することで固有振動数f3を算出する。
By the way, the
Therefore, as shown in FIG. 13, each
ここで、天板63を剛体と見なしても、脚61aの剛性が多く寄与するため、実機との誤差が少ないことから、天板63部分の剛性を脚61aに比べて十分に大きくして天板63部分の影響を無視するモデリングとする。このようなモデリングとすることで、脚部61の幅と、脚部61の奥行きと、脚部61の高さと、脚61aの材料と、脚61aの断面形状と、天板63と天板63の上の機械62との各々の質量と、脚61aの接地面での設置状態とを入力パラメータとして入力すれば、特に、複雑な機械62部分のモデリングを行わずに、解析精度を確保して、架台機構60の振動特性を表す固有振動数f3を計算することができるようになっている。
Here, even if the
更に、固有振動数f3の計算においては、計算モデルの固定条件の設定に応じて計算結果に相違が生じるため、計算モデルには、実機と整合した架台脚61aが完全固定の場合と、半固定の場合との各固定条件を設定するようになっている。
また、図12に示した筋交い64a,64bを有する複雑な形状の架台機構60−1に対しては、図14に示すように、架台機構60−1を筋交い64a,64bと脚61aとの各接合点36で分割される複数のバネ35,25で表してモデリングを行い、上記の架台機構60の場合と同様に算出を行う。従って、機構11が解析対象の場合には、上記の入力パラメータに追加して、筋交い64a,64bの材料と、断面形状と、長さと、設置位置とを入力パラメータとするようになっている。
Further, in the calculation of the natural frequency f3, the calculation results vary depending on the setting of the fixed condition of the calculation model. Therefore, the calculation model includes a case where the
Further, for the gantry mechanism 60-1 having a complicated shape having the
次に、可動機構振動解析装置10の動作を説明する。
まず、利用者が入力装置21において、可動機構の解析を行うための命令を行うと、モデル作成部14の制御によって、モデルDB11から各種の可動機構の形状を表示するための形状データが読み込まれ、この形状データに応じて表示部22に図15に一例を示す解析機構選択画面101が表示される。
Next, the operation of the movable
First, when a user issues an instruction for analyzing a movable mechanism in the
この解析機構選択画面101には、利用者への指示内容が記述表示されるガイダンスウィンドウ101aと、解析対象となる各種の可動機構のモデル101,102,103,104の外観形状が表示されたモデル表示ウィンドウ101bとが表示されている。
利用者は、そのガイダンスウィンドウ101aに記述されたガイダンスに従って、自分が解析したい可動機構のモデルを、モデル表示ウィンドウ101bに表示されたモデル101〜104の中から選択する。例えば、入力装置21において、一軸アーム機構のモデル102の選択操作が実行されたとする。
On this analysis
In accordance with the guidance described in the
これによって選択命令がモデル作成部14に入力されると、当該モデル作成部14の制御によって表示部22に図16に一例を示す一軸アーム機構パラメータ入力画面111が表示され、この画面111中のガイダンスウィンドウ111aに利用者への指示内容が記述表示され、また、パラメータ説明ウィンドウ111bに一軸アーム機構のモデル102の形状が表示されると共に、当該モデル102の寸法及び質量などのパラメータの説明が表示される。
As a result, when a selection command is input to the
これと同時に、モデル作成部14の制御によって、モデルDB11から一軸アーム機構のモデル102のパラメータ項目データと、物性DB12から一軸アーム機構のモデル102の物性データとが読み込まれ、パラメータ値の入力ウィンドウ111cと、物性データの選択ウィンドウ111dとが表示される。
選択ウィンドウ111dは、物性DB12からの物性データを用いることで、入力パラメータを数値でなく物性項目の選択だけでパラメータ入力ができるような表示形態となっている。
At the same time, the parameter item data of the
The
入力ウィンドウ111cは、直接、数値入力が可能となっているが、初期値として物性データを用いて入力値の標準的な数値が予め表示される。
ここで、利用者が選択ウィンドウ111dにて適切な物性項目を選択すると共に、入力ウィンドウ111cにて所定なパラメータ値を入力して、次の画面へ移行する操作を行うと、表示部22に図17に一例を示すアーム断面寸法入力画面121が表示される。
The
Here, when the user selects an appropriate physical property item in the
アーム断面寸法入力画面121には、ガイダンスウィンドウ121aに利用者への指示内容が記述表示され、また、パラメータ説明ウィンドウ121bに一軸アーム機構のモデル102のアーム断面の形状が表示されると共に、当該モデル102の寸法及び質量などのパラメータの説明が表示される。
更に、パラメータ値の入力ウィンドウ121cが表示される。この入力ウィンドウ121cにも上記同様、直接、数値入力が可能となっているが、初期値として物性データを用いて入力値の標準的な数値が予め表示される。
On the arm cross-sectional
Further, a parameter
ここで、利用者が入力ウィンドウ111cにて所定のパラメータ値を入力すると、モデル作成部14によって、入力された全てのパラメータ値と、選択又は入力された物性データによるパラメータ値とからモデルデータが作成される。
そして、モデルデータ表示制御部15によって、その作成されたモデルデータに応じて入力された全てのパラメータ値の一覧表が、図18に一例を示す入力パラメータ表示画面131に表示される。ここで、利用者は、その表示されたパラメータ値を入力装置21から修正することも可能である。
Here, when the user inputs a predetermined parameter value in the
Then, the model data
入力パラメータ表示画面131には、パラメータ説明ウィンドウ131bと、入力された全てのパラメータ値を一覧表示した入力パラメータ表示ウィンドウ131eとが表示される。また、操作ボタンの中に、入力パラメータ表示ウィンドウ131eに表示されているパラメータ値を用いた可動機構の固有振動数の計算を実行するための機械特性解析実施ボタン131fと、一覧表示されたパラメータ値のモデルデータを保存するための保存ボタン131gとが表示される。
On the input
ここで、利用者によって機械特性解析実施ボタン131fがクリックされると、解析ソルバ部16において、そのモデルデータの全パラメータ値に基づき解析対象である一軸アーム機構のモデル102の固有振動数が前述したf1のように計算され、この解析結果が表示部22に表示される。また、その解析結果は、解析結果保持部17に保持され、ファイル入出力部18を介してファイル記憶装置23に記憶される。
Here, when the mechanical property
以上説明したように本実施の形態の可動機構振動解析装置10によれば、モデル作成部14によって種々の可動機構のモデル形状を表示し、この表示中から利用者が操作選択した可動機構モデルに対応するパラメータ項目データをモデルDB11から読み込んでパラメータ項目を、モデルデータ表示制御部15の制御によって表示部22に表示すると共に、その選択された可動機構モデルに対応する物性データを物性DB12から読み込んで該当パラメータ値として表示するようにした。このように表示することによって、利用者は自分が固有振動数を求めて振動解析をしたい可動機構のパラメータ値を容易に入力することができる。
As described above, according to the movable mechanism
また、モデルデータ表示制御部15が、物性データのパラメータ値を操作変更可能なように表示し、表示中のパラメータ値の変更操作が行われた際に変更操作後のパラメータ値を新たに表示して用いるようにした。これによって、利用者が物性データに対応するパラメータ値を任意に入力することができるので、熟練者に対して、より詳細な解析や、種々のケースの解析等を行う場合に有用なシミュレーションツールとすることができる。
Further, the model data
また、モデルデータ表示制御部15が、操作入力されたパラメータ値と、物性データを読み込んだパラメータ値とを一覧表示するようにした。これによって、利用者が初心者であっても全てのパラメータ値を容易に確認することができるので、固有振動数を求める際のパラメータ値の入力ミスを低減させることができる。
また、モデル作成部14が、表示中の可動機構モデルのパラメータ項目の説明及び表示内容に対する操作指示を文字及び図柄で記述したガイダンスを表示するようにした。これによって、利用者が初心者であってもパラメータ値を容易に入力して固有振動数を求めることができる。
In addition, the model data
In addition, the
また、ファイル入出力部18が、一覧表示されているパラメータ値と、このパラメータ値で固有振動数が解析される可動機構モデル形状を表示する形状データとを、ファイル記憶装置23に記憶すると共に、その記憶されたパラメータ値及び形状データをモデル作成部14へ入力するようにした。
これによって、利用者が各種可動機構モデルの中から選択し、この選択された可動機構モデルに対して操作入力及び記憶部13から読み出されたパラメータ値と、当該可動機構モデル形状を表示するための形状データとを記憶することができる。従って、利用者が再度同じ可動機構モデルの固有振動数をパラメータ値を変更して求める場合などの操作を行う場合に容易に対応することができる。
In addition, the file input /
Accordingly, the user selects from among various movable mechanism models, and displays the operation input and parameter values read from the
また、ファイル入出力部18が、モデル作成部14とファイル記憶装置23との間で入出力されるデータファイルを、汎用エディタで変更可能なフォーマット形式のテキストファイルで入出力する処理を行うようにした。これによって、可動機構モデルのパラメータ値を直接テキストファイルで作成し、シミュレーションプログラムに読み込ませることが可能となる。
Further, the file input /
10 可動機構振動解析装置
11 モデルDB(データベース)
12 物性DB(データベース)
13 記憶部
14 モデル作成部
15 モデルデータ表示制御部
16 解析ソルバ部
17 解析結果保持部
18 ファイル入出力部
21 入力装置
22 表示部
23 ファイル記憶装置
30 アーム機構
31 ベース
32 ステージ
33 アーム
33a,33b 剛体
34 負荷
35 仮想的な点
36 バネ
37 負荷の重心
38 アームの重心
40 搬送機構
42 ステージ
43 柱状構造体
44 ステージ
44a 取付部
45 搬送物体
46 仮想的な点
47 バネ
48a,48b 剛体
48 柱状構造体の回転中心
49 搬送物体重心
50 ステージ重心
51 柱状構造体重心
60 架台機構
61 脚部
61a 架台脚
62 機械
63 天板
64a 筋交い
65 アーム付き駆動体
66 ステージ
67 固定点
68 バネ
69 接点
101 解析機構選択画面
101,102,103,104 可動機構のモデル
101a ガイダンスウィンドウ
101b モデル表示ウィンドウ
102 一軸アーム機構のモデル
111 一軸アーム機構パラメータ入力画面
111a ガイダンスウィンドウ
111b パラメータ説明ウィンドウ
111c 入力ウィンドウ
111d 選択ウィンドウ
121 アーム断面寸法入力画面
121a ガイダンスウィンドウ
121b パラメータ説明ウィンドウ
121c 入力ウィンドウ
131 入力パラメータ表示画面
131b パラメータ説明ウィンドウ
131e 入力パラメータ表示ウィンドウ
131f 機械特性解析実施ボタン
131g 保存ボタン
10 Movable
12 Physical property DB (database)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
種々の可動機構のモデル形状を表示するための形状データと、前記パラメータ値の入力項目を表示するためのパラメータ項目データと、前記可動機構を構成する材料の物理定数及び材料特性を含む物性データとを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段から前記形状データを読み込んで各種可動機構のモデル形状を表示し、この表示中から操作により選択された可動機構に対応する前記パラメータ項目データを前記記憶手段から読み込んでパラメータ項目を表示すると共に、その選択された可動機構に対応する前記物性データを読み込んで該当パラメータ値として表示する制御手段と
を備えたことを特徴とする可動機構振動解析装置。 In the movable mechanism vibration analysis device that calculates the natural frequency of the movable mechanism with vibration by applying a parameter value necessary for the mathematical formula for obtaining the natural frequency,
Shape data for displaying model shapes of various movable mechanisms, parameter item data for displaying input items of the parameter values, physical property data including physical constants and material characteristics of materials constituting the movable mechanisms, Storage means for storing
The shape data is read from the storage means to display model shapes of various movable mechanisms, and the parameter item data corresponding to the movable mechanism selected by the operation is read from the storage means to display parameter items. And a control means for reading the physical property data corresponding to the selected movable mechanism and displaying it as a corresponding parameter value.
ことを特徴とする請求項1に記載の可動機構振動解析装置。 The control means displays the parameter value displayed by reading the physical property data so that the operation can be changed, and newly displays the parameter value after the changing operation when the changing operation of the parameter value being displayed is performed. The movable mechanism vibration analyzer according to claim 1, wherein the movable mechanism vibration analyzer is used.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の可動機構振動解析装置。 The movable mechanism vibration analysis apparatus according to claim 1, wherein the control unit displays a list of parameter values input by operation and parameter values read from the physical property data.
ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の可動機構振動解析装置。 The said control means displays the guidance which described the instruction | indication of the parameter item of the movable mechanism being displayed, and the operation instruction with respect to the display content by the character and the pattern. Movable mechanism vibration analyzer.
を更に備えたことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の可動機構振動解析装置。 The parameter values displayed as a list by the control means and the shape data for displaying the model shape of the movable mechanism whose natural frequency is analyzed based on the parameter values are stored in the file storage means, and the stored parameter values 5. The movable mechanism vibration analysis apparatus according to claim 1, further comprising: file input / output means for inputting shape data to the control means.
ことを特徴とする請求項5に記載の可動機構振動解析装置。 6. The movable mechanism vibration analyzing apparatus according to claim 5, wherein the file input / output means performs a process of inputting / outputting the data file as a text file in a format that can be changed by a general-purpose editor.
種々の可動機構のモデル形状を表示するための形状データと、前記パラメータ値の入力項目を表示するためのパラメータ項目データと、前記可動機構を構成する材料の物理定数及び材料特性を含む物性データとを記憶する第1のステップと、
前記第1のステップにて記憶された形状データを読み込んで各種可動機構のモデル形状を表示する第2のステップと、
前記第2のステップにて表示された各種可動機構のモデル形状の中から操作により選択された可動機構に対応するパラメータ項目データを、前記第1のステップで記憶されたデータ中から読み込んでパラメータ項目を表示すると共に、その選択された可動機構に対応する物性データを前記記憶されたデータ中から読み込んで該当パラメータ値として表示する第3のステップと
を含むことを特徴とする可動機構振動解析パラメータ入力方法。 In a movable mechanism vibration analysis parameter input method for inputting a parameter value required for the mathematical expression to a movable mechanism vibration analysis apparatus that calculates the natural frequency using a mathematical expression for obtaining the natural frequency of the movable mechanism with vibration,
Shape data for displaying model shapes of various movable mechanisms, parameter item data for displaying input items of the parameter values, physical property data including physical constants and material characteristics of materials constituting the movable mechanisms, A first step of storing
A second step of reading the shape data stored in the first step and displaying model shapes of various movable mechanisms;
The parameter item data corresponding to the movable mechanism selected by the operation from the model shapes of the various movable mechanisms displayed in the second step is read from the data stored in the first step and the parameter item is read. And a third step of reading physical property data corresponding to the selected movable mechanism from the stored data and displaying it as a corresponding parameter value. Method.
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