JP2009116751A - Design tool of multi-axis control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多軸制御システムの設計を支援する設計ツールに関する。 The present invention relates to a design tool that supports the design of a multi-axis control system.
従来の多軸制御システムの設計の際には，用途に応じて専用にセンサ，アクチュエータ，支持機構等の構成を検討しており，アクチュエータの推力，センサの測定可能範囲や分解能，支持機構の剛性などが，求めている仕様を満足するかどうか試行錯誤的な計算を繰り返して決定していた。
図３は、従来の磁気浮上制御装置の全体構成図である。図において、１０は鉛直方向を磁気浮上支持され，推進方向に移動する制御対象であり，本実施例では，ユーザーが設計した多自由度ステージである。１１は推進モータ可動子であり，図示しない推進モータ固定子との間に推進方向の推力を発生する。図は，推進方向左右にモータを１つずつ配置した例である。１２は浮上モータ可動子であり，図は，制御対象１０の四隅に配置した例である。１３は浮上モータ固定子であり，４つの浮上モータ可動子とそれぞれ対になって浮上力を発生する。浮上アクチュエータとしては，ボイスコイルモータ，リラクタンス型のモータ，静電モータなど一般に知られている様々なアクチュエータが使用できる。１４はコントローラであり，図示しない位置センサによって検出された制御対象の位置および姿勢の情報を用いてフィードバック制御し，制御対象が磁気浮上支持されるように電流指令を決定する。コントローラは，３つ以上の浮上モータ可動子を配置することにより，浮上方向の位置や，ロール角，ピッチ角を制御できるため，常に一定のギャップで水平の状態を保っておくだけでなく，位置や姿勢それぞれの指令を与え，浮上位置やロール角，ピッチ角の姿勢を指令に追従させるように制御をしてもよい。１５は電流制御装置であり，コントローラ１４から電流指令を受け取って浮上モータ固定子１３に流れる電流を制御する。図示していないが，浮上方向と推進方向の両方に直交する左右方向位置についても，永久磁石の反発力を利用して非接触支持するか，他のアクチュエータを用意して制御するか，浮上モータ固定子ユニット１３を縦置きにした列を追加で配置して制御してもよい。あるいは，浮上方向のモータは，浮上力を発生させる際に左右方向の位置のずれを戻す作用もあるため，この作用を用いれば，左右方向位置を支持または制御するアクチュエータや永久磁石を配置しなくてもよい。
図７は，多自由度ステージ１０を正面から見た図である。２３は固定構造体であり，浮上モータ固定子１３が４つと推進モータ固定子２１が２つ固定されている。推進モータ固定子２１は左右に１つずつ配置され，推進モータ可動子１１とそれぞれ対になって推進力を発生する。２４はばね支持機構であり，多自由度ステージ１０の四隅に配置され，浮上方向のストローク中心付近で，ばねによる引き上げ力が多自由度ステージ１０の重量と釣り合うように設計する。この支持機構により，浮上モータ固定子１３に流す電流を最小限に抑えることができ，消費電力や発熱を小さくできる。
図４において，１１０は制御対象となる多自由度ステージであり，ステージの位置および姿勢を駆動するためのアクチュエータと，位置および姿勢を検出するためのセンサを備えており，センサ信号を出力する。１００は多自由度ステージ制御システムであり，多自由度ステージ１１０のセンサ信号を元にアクチュエータに流す電流を変化させ，多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を制御する。多自由度ステージ制御装置は，指令生成器１４０，制御演算器１５０，推力変換演算器１６０，電流指令器１７０，位置演算器１８０，センサ信号変換器１９０よりなる。１４０は指令生成器であり，多自由度ステージの位置および姿勢の指令を与える。位置指令は，Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の位置と，ロール，ピッチ，ヨーの姿勢とを合わせた６自由度で与える。それぞれ使用者が与える位置決めコマンドを元に制御周期ごとに補完して生成するか，あらかじめ決められた動作を制御周期ごとの位置指令として与える。１９０はセンサ信号変換器であり，センサ信号を受け取り，絶対座標で表したセンサ位置を算出する。１８０は位置演算器であり，センサ信号変換器１９０により算出されたセンサ位置情報を用いて，多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を演算する。位置演算器１８０での演算の内容は，多自由度ステージ１１０のセンサ構成によって異なる。各種センサ構成に対応した多自由度ステージの位置姿勢算出方法が考案されている。（例えば，特許文献１参照）。図１０は浮上方向のセンサ，図１１は水平方向のセンサの配置の一例である。このようにセンサが配置されているとき，制御対象の位置および姿勢は次式により求められる。
When designing a conventional multi-axis control system, the configuration of sensors, actuators, support mechanisms, etc., is being examined exclusively according to the application, and the thrust of the actuator, the measurable range and resolution of the sensor, and the rigidity of the support mechanism For example, it was determined by repeated trial and error calculations whether the required specifications were satisfied.
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a conventional magnetic levitation control device. In the figure, reference numeral 10 denotes a control object that is magnetically levitated in the vertical direction and moves in the propulsion direction. In this embodiment, a multi-degree-of-freedom stage designed by the user. Reference numeral 11 denotes a propulsion motor movable element, which generates a thrust in the propulsion direction with a propulsion motor stator (not shown). The figure shows an example in which one motor is arranged on each side of the propulsion direction. Reference numeral 12 denotes a levitating motor movable element, and FIG. Reference numeral 13 denotes a levitation motor stator that generates levitation force in pairs with the four levitation motor movable elements. As the levitation actuator, various generally known actuators such as a voice coil motor, a reluctance motor, and an electrostatic motor can be used. Reference numeral 14 denotes a controller, which performs feedback control using information on the position and orientation of the control target detected by a position sensor (not shown), and determines a current command so that the control target is supported by magnetic levitation. The controller can control the position in the levitation direction, the roll angle, and the pitch angle by arranging three or more levitation motor movers. It is also possible to give a command for each of the positions and postures, and control the flying position, roll angle, and pitch angle to follow the commands. Reference numeral 15 denotes a current control device that receives a current command from the controller 14 and controls the current flowing through the levitation motor stator 13. Although not shown, the horizontal position orthogonal to both the flying direction and the propulsion direction is also supported in a non-contact manner using the repulsive force of the permanent magnet, or is controlled by using another actuator, or a floating motor. Control may be performed by additionally arranging rows in which the stator units 13 are arranged vertically. Alternatively, the motor in the levitation direction also has an effect of returning the displacement in the left-right direction when generating the levitation force, so if this action is used, an actuator or permanent magnet that supports or controls the position in the left-right direction can be used. May be.
FIG. 7 is a view of the multi-degree-of-freedom stage 10 as viewed from the front. Reference numeral 23 denotes a fixed structure, in which four floating motor stators 13 and two propulsion motor stators 21 are fixed. The propulsion motor stators 21 are arranged one on each of the left and right sides, and generate propulsive force in pairs with the propulsion motor movable element 11. Reference numeral 24 denotes a spring support mechanism, which is arranged at the four corners of the multi-degree-of-freedom stage 10 and is designed so that the pulling force by the spring balances the weight of the multi-degree-of-freedom stage 10 near the center of the stroke in the flying direction. With this support mechanism, the current flowing through the levitation motor stator 13 can be minimized, and power consumption and heat generation can be reduced.
In FIG. 4, reference numeral 110 denotes a multi-degree-of-freedom stage to be controlled, which includes an actuator for driving the position and orientation of the stage and a sensor for detecting the position and orientation, and outputs a sensor signal. Reference numeral 100 denotes a multi-degree-of-freedom stage control system, which controls the position and orientation of the multi-degree-of-freedom stage 110 by changing the current passed through the actuator based on the sensor signal of the multi-degree-of-freedom stage 110. The multi-degree-of-freedom stage control device includes a command generator 140, a control arithmetic unit 150, a thrust conversion arithmetic unit 160, a current command unit 170, a position arithmetic unit 180, and a sensor signal converter 190. Reference numeral 140 denotes a command generator which gives a command for the position and orientation of the multi-degree-of-freedom stage. The position command is given with six degrees of freedom by combining the positions in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions with the roll, pitch, and yaw postures. Each is generated by complementing each control cycle based on a positioning command given by the user, or a predetermined operation is given as a position command for each control cycle. A sensor signal converter 190 receives the sensor signal and calculates a sensor position expressed in absolute coordinates. A position calculator 180 calculates the position and orientation of the multi-degree-of-freedom stage 110 using the sensor position information calculated by the sensor signal converter 190. The content of the calculation by the position calculator 180 differs depending on the sensor configuration of the multi-degree-of-freedom stage 110. A multi-degree-of-freedom stage position / orientation calculation method corresponding to various sensor configurations has been devised. (For example, refer to Patent Document 1). FIG. 10 shows an example of the arrangement of sensors in the flying direction, and FIG. 11 shows an example of the arrangement of sensors in the horizontal direction. When the sensor is arranged in this way, the position and orientation of the controlled object can be obtained by the following equation.
この演算で，多自由度ステージの位置および姿勢を算出可能な範囲は，使用している各センサの測定可能な距離と配置されている位置によって決まる。また，多自由度ステージの位置および姿勢の測定分解能は，使用している各センサの分解能と配置されている位置によって決まる。したがって，設計時にはストロークや分解能などの仕様を満足するかどうかを計算しながらセンサの配置や型式を決定しなければならない。ステージ座標系での１５０は制御演算器であり，位置演算器１８０により算出された位置および姿勢を，指令生成器１４０が生成した指令に追従させるように操作量を決定する。操作量とは，具体的には重心位置の並進推力と重心まわりのモーメントなどとする。指令生成器１４０の生成する指令を速度指令とし，制御演算器１５０は，位置および姿勢の微分に相当する量を算出して，位置および姿勢の微分相当量を指令に追従させるように操作量を決定する速度制御系としてもよい。制御演算器１５０の詳細については後述する。位置制御であっても速度制御であっても，推力指令を算出するためには，制御対象の質量とロール，ピッチ，ヨーそれぞれの慣性モーメントが必要である。１６０は推力変換演算器であり，制御演算器１５０が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。この演算で，多自由度ステージの最大並進推力および最大回転モーメントは，使用しているアクチュエータの数と各アクチュエータの最大推力と配置されている位置によって決まる。したがって，設計時にはステージ推力やステージ加速度の仕様を満足するかどうかを計算しながらアクチュエータの配置や型式を決定しなければならない。推力変換演算器の詳細については後述する。１７０は電流変換演算器であり，推力変換演算器１６０から受け取った推力指令通りの推力を発生するように多自由度ステージ１１０のアクチュエータの電流指令を生成する。 In this calculation, the range in which the position and orientation of the multi-degree-of-freedom stage can be calculated is determined by the measurable distance and the position where each sensor is used. The measurement resolution of the position and orientation of the multi-degree-of-freedom stage is determined by the resolution of each sensor used and the position where it is arranged. Therefore, the sensor layout and model must be determined while calculating whether the stroke and resolution specifications are satisfied. Reference numeral 150 in the stage coordinate system denotes a control calculator, which determines an operation amount so that the position and orientation calculated by the position calculator 180 follow the command generated by the command generator 140. Specifically, the manipulated variable is a translational thrust at the center of gravity and a moment around the center of gravity. The command generated by the command generator 140 is a speed command, and the control calculator 150 calculates an amount corresponding to the derivative of the position and orientation, and sets the manipulated variable so that the differential equivalent of the position and orientation follows the command. It is good also as a speed control system to determine. Details of the control arithmetic unit 150 will be described later. Regardless of position control or speed control, in order to calculate the thrust command, the mass to be controlled and the moments of inertia of the roll, pitch, and yaw are required. Reference numeral 160 denotes a thrust conversion calculator that calculates the thrust to be generated by each actuator in order to realize the operation amount calculated by the control calculator 150. In this calculation, the maximum translational thrust and the maximum rotational moment of the multi-degree-of-freedom stage are determined by the number of actuators used, the maximum thrust of each actuator and the position where it is arranged. Therefore, when designing, it is necessary to determine the arrangement and model of the actuator while calculating whether the specifications of stage thrust and stage acceleration are satisfied. Details of the thrust conversion calculator will be described later. Reference numeral 170 denotes a current conversion calculator that generates a current command for the actuator of the multi-degree-of-freedom stage 110 so as to generate a thrust according to the thrust command received from the thrust conversion calculator 160.
次に，図５を用いて制御演算器１５０の詳細を説明する。図５は制御演算器１５０の一例である。図５に示す従来例の制御演算器１５０は， Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，θｘ軸（ピッチ軸），θｙ軸（ロール軸），θｚ軸（ヨー軸）の６自由度を制御する。指令は６自由度の位置指令であり，位置および姿勢は同じ６自由度の位置フィードバックである。５０乃至５５は６自由度それぞれの制御演算であり，６自由度の位置指令と位置フィードバックより６自由度の推力指令を生成する。位置Ｘ，Ｙ，Ｚの指令およびフィードバックを多自由度ステージ１１０の重心で与えることにより，それぞれの制御演算は干渉することなく独立して演算することができる。６自由度各軸の制御演算は同じ演算内容とすればよく，図６はその演算内容の一例を示す。６０は，図５の５０乃至５５に相当する６自由度各軸の制御演算を表す。６１はフィードフォワード制御部であり，位置指令よりフィードフォワード操作量を算出する。この演算は，例えば位置指令を二階微分したものをフィードフォワード操作量とすればよい。６２はフィードバック制御部であり，位置指令と位置フィードバックを用いてフィードバック操作量を算出する。演算の内容は，従来より知られている位置ＰＩＤ制御や，位置ＰＩ制御・速度Ｐ制御のカスケード制御，位置Ｐ制御・速度ＰＩ制御のカスケード制御などとすればよい。６３は加算器であり，フィードフォワード操作量とフィードバック操作量を足してフィルタ前操作量を生成する。６４はフィルタであり，高周波成分をカットする一次遅れフィルタや，制御対象の共振周波数などの特定の周波数のみをカットするノッチフィルタなどを組み合わせたものを用いればよい。６５は慣性であり，加速度指令に慣性をかけて推力指令を生成する。ここで，加速度指令にかける慣性の値は，Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の制御演算５０乃至５２では制御対象の質量であり，θｘ軸の制御演算５３の場合は制御対象のＸ軸周り慣性モーメント，θｙ軸の制御演算５４の場合は制御対象のＹ軸周り慣性モーメント，θｚ軸の制御演算５５の場合は制御対象のＺ軸周り慣性モーメントである。従来技術ではこれらの値はあらかじめパラメータとして与えておく必要があり，ＣＡＤによる設計値を用いるか，測定する必要がある。 Next, details of the control arithmetic unit 150 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an example of the control arithmetic unit 150. The conventional control arithmetic unit 150 shown in FIG. 5 controls six degrees of freedom of the X axis, Y axis, Z axis, θx axis (pitch axis), θy axis (roll axis), and θz axis (yaw axis). The command is a 6-DOF position command, and the position and orientation are the same 6-DOF position feedback. Reference numerals 50 to 55 denote control calculations of 6 degrees of freedom, and a 6 degrees of freedom thrust command is generated from the position command of 6 degrees of freedom and position feedback. By giving commands and feedback of the positions X, Y, and Z at the center of gravity of the multi-degree-of-freedom stage 110, each control calculation can be performed independently without interference. The control calculation for each axis with six degrees of freedom may be the same calculation content, and FIG. 6 shows an example of the calculation content. Reference numeral 60 represents a control calculation of each axis with 6 degrees of freedom corresponding to 50 to 55 in FIG. Reference numeral 61 denotes a feedforward control unit that calculates a feedforward operation amount from a position command. For this calculation, for example, a second-order differentiation of the position command may be used as the feedforward manipulated variable. A feedback control unit 62 calculates a feedback operation amount using a position command and position feedback. The contents of the calculation may be conventionally known position PID control, cascade control of position PI control / speed P control, cascade control of position P control / speed PI control, and the like. Reference numeral 63 denotes an adder, which generates a pre-filter operation amount by adding the feedforward operation amount and the feedback operation amount. Reference numeral 64 denotes a filter, which may be a combination of a first-order lag filter that cuts high-frequency components and a notch filter that cuts only a specific frequency such as a resonance frequency to be controlled. Reference numeral 65 denotes inertia, which generates a thrust command by applying inertia to the acceleration command. Here, the value of inertia applied to the acceleration command is the mass to be controlled in the X-axis, Y-axis, and Z-axis control calculations 50 to 52, and in the case of the θx-axis control calculation 53, the inertia around the X axis of the control object. In the case of the control calculation 54 for the moment and θy axis, the moment of inertia around the Y axis of the controlled object, and in the case of the control calculation 55 of the θz axis, the moment of inertia around the Z axis of the controlled object. In the prior art, these values need to be given as parameters in advance, and it is necessary to use design values by CAD or measure them.
次に，図８のようなアクチュエータ構成の場合について，推力変換演算器１６０の詳細を説明する。推力変換演算器１６０では，各アクチュエータの推力指令を以下のように算出する。図８において，３１乃至３３は推進モータ可動子，３４乃至３６は浮上モータ可動子であり，Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ，Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ，Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを３つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度とアクチュエータの数が一致しているため，この場合の推力変換演算式は以下のように求められる。重心位置を（ｘＧ,ｙＧ,ｚＧ），Ｘ軸アクチュエータの位置を（ｘｘ１,ｙｘ１,ｚｘ１），２つのＹ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｙ１,ｙｙ１,ｚｙ１），（ｘｙ２,ｙｙ２,ｚｙ２），３つのＺ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｚ１,ｙｚ１,ｚｚ１），（ｘｚ２,ｙｚ２,ｚｚ２），（ｘｚ３,ｙｚ３,ｚｚ３）とする。Ｘ軸アクチュエータの推力をＦｘ１，２つのＹ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｙ１，Ｆｙ２，３つのＺ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｚ１，Ｆｚ２，Ｆｚ３とする。重心位置の並進推力のＸ軸成分，Ｙ軸成分，Ｚ軸成分をそれぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとし，重心まわりのモーメントのＸ軸成分，Ｙ軸成分，Ｚ軸成分をそれぞれＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚする。このとき（２）式が成り立つ。 Next, details of the thrust conversion computing unit 160 will be described in the case of the actuator configuration as shown in FIG. The thrust conversion calculator 160 calculates a thrust command for each actuator as follows. In FIG. 8, reference numerals 31 to 33 are propulsion motor movable elements, and 34 to 36 are levitation motor movable elements. One actuator generates a force in the X-axis direction, two actuators generate a force in the Y-axis direction, The actuator has three actuators that generate a force in the Z-axis direction. Since the degree of freedom to control and the number of actuators match, the thrust conversion equation in this case can be obtained as follows. The position of the center of gravity is (xG, yG, zG), the position of the X-axis actuator is (xx1, yx1, zx1), the positions of the two Y-axis actuators are (xy1, yy1, zy1), (xy2, yy2, zy2), The positions of the three Z-axis actuators are (xz1, yz1, zz1), (xz2, yz2, zz2), and (xz3, yz3, zz3), respectively. The thrust of the X-axis actuator is Fx1, the thrust of the two Y-axis actuators is Fy1, Fy2, and the thrust of the three Z-axis actuators is Fz1, Fz2, Fz3, respectively. The X-axis component, Y-axis component, and Z-axis component of the translational thrust at the center of gravity position are Fx, Fy, and Fz, respectively, and the X-axis component, Y-axis component, and Z-axis component of the moment around the center of gravity are Tx, Ty, and Tz, respectively. . At this time, equation (2) holds.
（２）式は正方行列となっており逆行列を求めることができるため，それをＧとおけば（３）式が得られる。 Since equation (2) is a square matrix and an inverse matrix can be obtained, if it is set to G, equation (3) is obtained.
推力変換演算器１６０で，（３）式の演算をすることにより多自由度ステージの操作量から各アクチュエータの推力指令を算出できる。この計算の際，重心位置が必要になるが，従来技術では，重心位置はあらかじめパラメータとして与えておく必要があり，ＣＡＤによる設計値を用いるか，測定する必要がある。
冗長なアクチュエータを持つ図９のようなアクチュエータ構成の場合についても，推力指令を分配する方法が考案されている（例えば，特許文献２参照）。図９において，３１乃至３３は推進モータ可動子，３４乃至３７は浮上モータ可動子であり，Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ，Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ，Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを４つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度が６であるのに対し，アクチュエータの数が７つあるため，この場合の推力変換演算式は何らかの拘束条件を与えて求める。例えば特許文献２では，無理な力が作用しないようにする拘束条件を与えている。この他に，疑似逆行列を用いる方法も知られている。
上記のような多軸制御システムを設計する際，従来は，専用の設計ツールが存在しないため，用途に応じて専用にセンサ，アクチュエータ，支持機構等の構成を検討しており，アクチュエータの推力，センサの測定可能範囲や分解能，支持機構の剛性などが，求めている仕様を満足するかどうか試行錯誤的な計算を繰り返して決定していた。
Also in the case of an actuator configuration as shown in FIG. 9 having redundant actuators, a method of distributing a thrust command has been devised (see, for example, Patent Document 2). In FIG. 9, reference numerals 31 to 33 are propulsion motor movers, and 34 to 37 are levitation motor movers. One actuator generates a force in the X-axis direction, two actuators generate a force in the Y-axis direction, The actuator has four actuators that generate a force in the Z-axis direction. Since the number of degrees of freedom to be controlled is 6 and the number of actuators is 7, the thrust conversion equation in this case is obtained by giving some constraint condition. For example, in Patent Document 2, a constraint condition that prevents an excessive force from acting is given. In addition, a method using a pseudo inverse matrix is also known.
When designing a multi-axis control system as described above, there has been no dedicated design tool in the past, so we are investigating the configuration of sensors, actuators, support mechanisms, etc. according to the application. It was determined by repeated trial and error calculations whether the measurable range, resolution, and support mechanism rigidity of the sensor satisfied the required specifications.
従来技術では，専用の設計ツールが存在しないため，用途に応じて専用にセンサ，アクチュエータ，支持機構等の構成を検討しており，アクチュエータの推力，センサの測定可能範囲や分解能，支持機構の剛性などが，求めている仕様を満足するかどうか試行錯誤的な計算を繰り返して決定していたため，設計に時間がかかるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり，ユーザーが多軸制御システムのセンサ，アクチュエータ，支持機構等の全体構成を迅速かつ容易に決定することができるよう支援する多軸制御システム設計ツールを提供することを目的とする。
In the prior art, there is no dedicated design tool. Therefore, the configuration of sensors, actuators, support mechanisms, etc. is examined according to the application. Actuator thrust, sensor measurable range and resolution, rigidity of the support mechanism However, there was a problem that it took a long time to design because it was determined by repeating trial and error calculations whether or not the required specifications were satisfied.
The present invention has been made in view of such problems, and multi-axis control that assists the user in quickly and easily determining the overall configuration of sensors, actuators, support mechanisms, etc. of the multi-axis control system. The purpose is to provide system design tools.
上記問題を解決するため，本発明は，次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記アクチュエータの数およびそれぞれの位置および方向およびアクチュエータ最大推力を入力するためのアクチュエータ構成入力手段と，前記アクチュエータ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象に発生可能な最大並進推力および最大モーメントを算出する推力算出手段と，前記推力算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのアクチュエータ能力出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項２に記載の発明は，前記アクチュエータ構成入力手段は，アクチュエータデータベースと，アクチュエータの型式を入力するアクチュエータ型式入力手段とを備え，前記アクチュエータ型式入力手段により入力された型式のアクチュエータを前記アクチュエータデータベースより検索して前記アクチュエータ最大推力を求めるとするものである。
また，請求項３に記載の発明は，前記アクチュエータは，アクチュエータの型式を示すＩＤタグを備え，前記アクチュエータ構成入力手段は，アクチュエータデータベースと，接続されているアクチュエータの数を認識するアクチュエータ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるアクチュエータ型式識別手段とを備え，前記アクチュエータ型式識別手段により識別された型式のアクチュエータを前記アクチュエータデータベースより検索して前記アクチュエータ最大推力を求めるとするものである。
また，請求項４に記載の発明は，前記アクチュエータ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記アクチュエータに相当するかを入力するアクチュエータ指定手段とを備え，入力された情報から前記アクチュエータの数またはそれぞれの位置または方向またはアクチュエータ最大推力または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項５に記載の発明は，前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の重心位置を入力する重心位置入力手段を備え，前記推力算出手段は，前記制御対象の姿勢を維持したまま発生できる最大並進推力および前記制御対象の位置を維持したまま発生できる最大モーメントを算出するとするものである。
また，請求項６に記載の発明は，前記重心位置入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから重心位置を求めるとするものである。
また，請求項７に記載の発明は，前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の質量を入力する質量入力手段と，前記制御対象の姿勢を維持したまま発生できる最大並進加速度を算出する最大並進加速度算出手段を備えたとするものである。
また，請求項８に記載の発明は，前記質量入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから質量を求めるとするものである。
また，請求項９に記載の発明は，前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の慣性モーメントを入力する慣性モーメント入力手段と，前記制御対象の位置を維持したまま発生できる最大回転加速度を算出する最大回転加速度算出手段を備えたとするものである。
また，請求項１０に記載の発明は，前記慣性モーメント入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから慣性モーメントを求めるとするものである。
また，請求項１１に記載の発明は，前記コントローラは，前記最大並進加速度および前記最大回転加速度をもとに位置および姿勢の指令プロファイルを生成するとするものである。
また，請求項１２に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ測定可能範囲を入力するためのセンサ構成入力手段と，前記センサ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の測定可能な最大範囲である制御対象測定可能範囲を算出する測定可能範囲算出手段と，前記測定可能範囲算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定可能範囲出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項１３に記載の発明は，前記センサ構成入力手段は，センサデータベースと，センサの型式を入力するセンサ型式入力手段とを備え，前記センサ型式入力手段により入力された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ測定可能範囲を求めるとするものである。
また，請求項１４に記載の発明は，前記位置センサは，センサの型式を示すＩＤタグを備え，前記センサ構成入力手段は，センサデータベースと，接続されているセンサの数を認識するセンサ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるセンサ型式識別手段とを備え，前記センサ型式識別手段により識別された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ測定可能範囲を求めるとするものである。
また，請求項１５に記載の発明は，前記センサ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記位置センサに相当するかを入力するセンサ指定手段とを備え，入力された情報から前記センサの数またはそれぞれの位置または方向またはセンサ測定可能範囲または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項１６に記載の発明は，前記測定可能範囲出力手段は，横軸を並進位置，縦軸を回転姿勢としたグラフまたは縦軸を並進位置，横軸を回転姿勢としたグラフで表示するとするものである。
また，請求項１７に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ分解能を入力するためのセンサ分解能入力手段と，前記センサ分解能入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の分解能である制御対象測定分解能を算出する測定分解能算出手段と，前記測定分解能算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定分解能出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項１８に記載の発明は，前記センサ分解能入力手段は，センサデータベースと，センサの型式を入力するセンサ型式入力手段とを備え，前記センサ型式入力手段により入力された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ分解能を求めるとするものである。
また，請求項１９に記載の発明は，前記位置センサは，センサの型式を示すＩＤタグを備え，前記センサ分解能入力手段は，センサデータベースと，接続されているセンサの数を認識するセンサ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるセンサ型式識別手段とを備え，前記センサ型式識別手段により識別された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ分解能を求めるとするものである。
また，請求項２０に記載の発明は，前記センサ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記位置センサに相当するかを入力するセンサ指定手段とを備え，入力された情報から前記センサの数またはそれぞれの位置または方向またはセンサ分解能または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項２１に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラと，前記制御対象を支える支持機構とを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記支持機構の数およびそれぞれの位置および方向およびばね剛性を入力するためのばね剛性入力手段と，前記ばね剛性入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢のばね剛性である制御対象ばね剛性を算出するばね剛性算出手段と，前記ばね剛性算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのばね剛性出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項２２に記載の発明は，前記ばね剛性入力手段は，支持機構データベースと，支持機構の型式を入力する支持機構型式入力手段とを備え，前記支持機構型式入力手段により入力された型式の支持機構を前記支持機構データベースより検索して前記ばね剛性を求めるとするものである。
また，請求項２３に記載の発明は，前記支持機構は，支持機構の型式を示すＩＤタグを備え，前記ばね剛性入力手段は，支持機構データベースと，接続されている支持機構の数を認識する支持機構数認識手段および前記ＩＤタグを読みとる支持機構型式識別手段とを備え，前記支持機構型式識別手段により識別された型式の支持機構を前記支持機構データベースより検索して前記ばね剛性を求めるとするものである。
また，請求項２４に記載の発明は，前記ばね剛性入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記支持機構に相当するかを入力する支持機構指定手段とを備え，入力された情報から前記支持機構の数またはそれぞれの位置または方向またはばね剛性または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項２５に記載の発明は，前記支持機構は，前記制御対象を圧縮空気により非接触支持するエアベアリングであるとするものである。
また，請求項２６に記載の発明は，前記支持機構は，前記制御対象を永久磁石の反発力または吸引力により非接触支持する磁気軸受であるとするものである。
また，請求項２７に記載の発明は，前記支持機構は，ばねであるとするものである。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is an actuator for generating a force for moving a controlled object, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting a position of the controlled object, and the position sensor. A multi-axis control system design tool for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller using position information detected by the number of actuators and Actuator configuration input means for inputting position and direction and actuator maximum thrust, and thrust calculation for calculating the maximum translational thrust and maximum moment that can be generated in the control target based on information input by the user through the actuator configuration input means Means and the information calculated by the thrust calculation means It is to that an actuator capacity output means for communicating to.
According to a second aspect of the present invention, the actuator configuration input means includes an actuator database and an actuator type input means for inputting an actuator type, and the actuator of the type input by the actuator type input means is stored in the actuator type input means. It is assumed that the actuator maximum thrust is obtained by searching from the actuator database.
According to a third aspect of the present invention, the actuator includes an ID tag indicating an actuator type, and the actuator configuration input means is an actuator database and actuator number recognition means for recognizing the number of connected actuators. And an actuator type identification means for reading the ID tag, and the actuator type identified by the actuator type identification means is searched from the actuator database to obtain the maximum actuator thrust.
According to a fourth aspect of the present invention, the actuator configuration input means includes CAD data reading means for reading CAD data, and actuator designation means for inputting which part of the design drawing corresponds to the actuator. .., And any or all of the number of actuators or their respective positions or directions, or the maximum thrust force or model of the actuator, from the inputted information.
In the invention according to claim 5, the multi-axis control system design tool includes a center-of-gravity position input means for inputting a center-of-gravity position of the control object, and the thrust calculation means maintains the posture of the control object. The maximum translational thrust that can be generated and the maximum moment that can be generated while maintaining the position of the control target are calculated.
According to a sixth aspect of the present invention, the center-of-gravity position input means includes CAD data reading means for reading CAD data, and the center-of-gravity position is obtained from the input CAD data.
According to a seventh aspect of the present invention, the multi-axis control system design tool includes a mass input means for inputting a mass to be controlled, and a maximum translational acceleration that can be generated while maintaining the attitude of the controlled object. It is assumed that translation acceleration calculation means is provided.
According to an eighth aspect of the present invention, the mass input means includes CAD data reading means for reading CAD data, and obtains the mass from the input CAD data.
According to a ninth aspect of the present invention, the multi-axis control system design tool calculates an inertia moment input means for inputting an inertia moment of a controlled object and a maximum rotational acceleration that can be generated while maintaining the position of the controlled object. It is assumed that a maximum rotational acceleration calculating means is provided.
According to a tenth aspect of the present invention, the inertia moment input means includes CAD data reading means for reading CAD data, and the inertia moment is obtained from the input CAD data.
According to an eleventh aspect of the present invention, the controller generates a position and orientation command profile based on the maximum translational acceleration and the maximum rotational acceleration.
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided an actuator for generating a force for moving a controlled object, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting a position of the controlled object, In a multi-axis control system design tool for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller using position information detected by a position sensor, the number of the position sensors And a sensor configuration input means for inputting each position, direction, and sensor measurable range, and a maximum range in which the position and orientation of the control target can be measured based on information input by the user through the sensor configuration input means. Calculated by a measurable range calculating means for calculating a certain control target measurable range and the measurable range calculating means The information is intended to have a measurable range output means for communicating to the user.
In the invention described in claim 13, the sensor configuration input means includes a sensor database and a sensor type input means for inputting a sensor type, and the sensor of the type input by the sensor type input means is stored in the sensor type input means. It is assumed that the sensor measurable range is obtained by searching from the sensor database.
According to a fourteenth aspect of the present invention, the position sensor includes an ID tag indicating a sensor type, and the sensor configuration input unit recognizes the number of sensors connected to a sensor database. And a sensor type identification unit that reads the ID tag, and searches for the type of sensor identified by the sensor type identification unit from the sensor database to determine the sensor measurable range.
In the invention described in claim 15, the sensor configuration input means includes CAD data reading means for reading CAD data, and sensor designation means for inputting which part of the design drawing corresponds to the position sensor. It is assumed that any or all of the number of the sensors or the respective positions or directions, the sensor measurable range, or the model is obtained from the input information.
In the invention described in claim 16, the measurable range output means is displayed as a graph with the horizontal axis as the translation position and the vertical axis as the rotation attitude, or as a graph with the vertical axis as the translation position and the horizontal axis as the rotation attitude. Then it is what you do.
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided an actuator for generating a force for moving a controlled object, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting a position of the controlled object, In a multi-axis control system design tool for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller using position information detected by a position sensor, the number of the position sensors And sensor resolution input means for inputting each position, direction, and sensor resolution, and a control object measurement resolution that is a resolution of the position and orientation of the control object based on information input by the user through the sensor resolution input means. Measurement resolution calculation means for calculating and information calculated by the measurement resolution calculation means It is an and a measurement resolution output means for communicating.
In the invention described in claim 18, the sensor resolution input means includes a sensor database and a sensor type input means for inputting a sensor type, and the sensor of the type input by the sensor type input means is stored in the sensor type input means. It is assumed that the sensor resolution is obtained by searching from a sensor database.
According to a nineteenth aspect of the present invention, the position sensor includes an ID tag indicating a sensor type, and the sensor resolution input unit recognizes the number of sensors connected to a sensor database. And a sensor type identification means for reading the ID tag, and the sensor type is identified by searching the sensor database for the type of sensor identified by the sensor type identification means.
According to a twentieth aspect of the present invention, the sensor configuration input means includes CAD data reading means for reading CAD data and sensor designation means for inputting which part of the design drawing corresponds to the position sensor. It is assumed that any or all of the number of sensors or the respective positions or directions, sensor resolutions or models are obtained from input information.
The invention according to claim 21 is an actuator for generating a force for moving a controlled object, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting a position of the controlled object, Multi-axis control system for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller using position information detected by a position sensor, and a support mechanism for supporting the controlled object In a design tool, the number and the position and direction of each of the support mechanisms and spring stiffness input means for inputting the spring stiffness, and the position and orientation of the control object based on information input by the user through the spring stiffness input means A spring stiffness calculating means for calculating a spring stiffness to be controlled that is a spring stiffness of It is an and a spring stiffness output means for transmitting the broadcast to the user.
According to a twenty-second aspect of the present invention, the spring stiffness input means includes a support mechanism database and a support mechanism type input means for inputting a type of the support mechanism, and the type input by the support mechanism type input means. The spring rigidity is obtained by searching the support mechanism database from the support mechanism database.
According to a twenty-third aspect of the present invention, the support mechanism includes an ID tag indicating a type of the support mechanism, and the spring stiffness input means recognizes the number of support mechanisms connected to the support mechanism database. And a support mechanism type identifying means for reading the ID tag. The support mechanism of the type identified by the support mechanism type identifying means is searched from the support mechanism database to obtain the spring stiffness. Is.
According to a twenty-fourth aspect of the present invention, the spring stiffness input means includes CAD data reading means for reading CAD data, and a support mechanism designating means for inputting which part of the design drawing corresponds to the support mechanism. The number of the support mechanisms or the respective positions or directions, the spring stiffness, or the type is determined from the input information.
According to a twenty-fifth aspect of the present invention, the support mechanism is an air bearing that supports the control target in a non-contact manner with compressed air.
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, the support mechanism is a magnetic bearing that supports the control target in a non-contact manner by a repulsive force or an attractive force of a permanent magnet.
According to a twenty-seventh aspect of the present invention, the support mechanism is a spring.
請求項１に記載の発明によると，あるアクチュエータ構成での制御対象の最大並進推力および最大モーメントを容易に知ることができるため，ユーザーが迅速にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項２に記載の発明によると，ユーザーがアクチュエータ最大推力を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項３に記載の発明によると，ユーザーがアクチュエータ数を入力したりアクチュエータ最大推力を調べる必要がなく，アクチュエータを接続するだけで自動的に入力できるため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項４に記載の発明によると，ユーザーがアクチュエータ位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項５に記載の発明によると，制御対象の実用的な最大並進推力および最大モーメントを容易に求めることができる。また，請求項６に記載の発明によると，ユーザーが重心位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤデータを読み込むだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項７に記載の発明によると，制御対象の実用的な最大並進加速度を容易に求めることができる。また，請求項８に記載の発明によると，ユーザーが質量を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤデータを読み込むだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項９に記載の発明によると，制御対象の実用的な最大回転加速度を容易に求めることができる。また，請求項１０に記載の発明によると，ユーザーが慣性モーメントを数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤデータを読み込むだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項１１に記載の発明によると，位置および指令のプロファイルを容易に生成することができる。請求項１２に記載の発明によると，あるセンサ構成での制御対象の測定可能範囲を容易に知ることができるため，ユーザーが迅速にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１３に記載の発明によると，ユーザーがセンサ測定可能範囲を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１４に記載の発明によると，ユーザーがセンサ数を入力したりセンサ測定可能範囲を調べる必要がなく，センサを接続するだけで自動的に入力できるため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１５に記載の発明によると，ユーザーがセンサ位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１６に記載の発明によると，ユーザーが制御対象のストロークを容易に把握することができる。請求項１７に記載の発明によると，あるセンサ構成での制御対象の測定分解能を容易に知ることができるため，ユーザーが迅速にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１８に記載の発明によると，ユーザーがセンサ測定分解能を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１９に記載の発明によると，ユーザーがセンサ数を入力したりセンサ測定分解能を調べる必要がなく，センサを接続するだけで自動的に入力できるため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項２０に記載の発明によると，ユーザーがセンサ位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にセンサ構成を設計することができる。請求項２１に記載の発明によると，ある支持機構構成での制御対象のばね剛性を容易に知ることができるため，ユーザーが迅速に支持機構構成を設計することができる。また，請求項２２に記載の発明によると，ユーザーがばね剛性を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易に支持機構構成を設計することができる。また，請求項２３に記載の発明によると，ユーザーが支持機構数を入力したりばね剛性を調べる必要がなく，支持機構を接続するだけで自動的に入力できるため，容易に支持機構構成を設計することができる。また，請求項２４に記載の発明によると，ユーザーが支持機構位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項２５に記載の発明によると，エアベアリング支持した場合のばね剛性が容易に求められる。また，請求項２６に記載の発明によると，磁気浮上支持した場合のばね剛性が容易に求められる。また，請求項２７に記載の発明によると，ばね支持した場合のばね剛性が容易に求められる。 According to the first aspect of the present invention, since the maximum translational thrust and the maximum moment of the controlled object in a certain actuator configuration can be easily known, the user can quickly design the actuator configuration. According to the second aspect of the present invention, it is not necessary for the user to check the maximum actuator thrust, and it is only necessary to input the model, so that the actuator configuration can be easily designed. Further, according to the invention described in claim 3, it is not necessary for the user to input the number of actuators or to check the maximum actuator thrust, and it is possible to input automatically by simply connecting the actuators. Can do. According to the fourth aspect of the present invention, it is not necessary for the user to obtain and input the actuator position numerically, and it is only necessary to designate it on the CAD drawing, so that the actuator configuration can be easily designed. In addition, according to the fifth aspect of the present invention, the practical maximum translational thrust and maximum moment to be controlled can be easily obtained. According to the sixth aspect of the present invention, it is not necessary for the user to obtain and input the position of the center of gravity numerically, and it is only necessary to read the CAD data, so that the actuator configuration can be easily designed. Further, according to the seventh aspect of the invention, the practical maximum translational acceleration of the controlled object can be easily obtained. According to the eighth aspect of the present invention, it is not necessary for the user to calculate and input the mass numerically, and it is only necessary to read the CAD data, so that the actuator configuration can be designed easily. In addition, according to the ninth aspect of the invention, the practical maximum rotational acceleration of the controlled object can be easily obtained. According to the tenth aspect of the present invention, it is not necessary for the user to obtain and input the moment of inertia numerically, and it is only necessary to read the CAD data, so that the actuator configuration can be easily designed. According to the eleventh aspect of the present invention, the position and command profiles can be easily generated. According to the twelfth aspect of the present invention, since the measurable range of the control target in a certain sensor configuration can be easily known, the user can quickly design the sensor configuration. According to the invention described in claim 13, it is not necessary for the user to check the sensor measurable range, and it is only necessary to input the model, so that the sensor configuration can be easily designed. In addition, according to the invention described in claim 14, it is not necessary for the user to input the number of sensors or to check the sensor measurable range, and the sensor configuration can be easily designed because it can be automatically input only by connecting the sensor. be able to. According to the fifteenth aspect of the present invention, it is not necessary for the user to obtain and input the sensor position numerically, and it is only necessary to designate it on the CAD drawing, so that the sensor configuration can be easily designed. According to the sixteenth aspect of the present invention, the user can easily grasp the stroke to be controlled. According to the seventeenth aspect of the present invention, since the measurement resolution of the controlled object in a certain sensor configuration can be easily known, the user can quickly design the sensor configuration. Further, according to the invention described in claim 18, since the user does not need to check the sensor measurement resolution and only needs to input the model, the sensor configuration can be easily designed. According to the invention described in claim 19, it is not necessary for the user to input the number of sensors or to check the sensor measurement resolution, and it can be automatically input simply by connecting the sensor, so that the sensor configuration can be easily designed. Can do. According to the twentieth aspect of the present invention, it is not necessary for the user to obtain and input the sensor position numerically, and it is only necessary to designate it on the CAD drawing, so that the sensor configuration can be easily designed. According to the twenty-first aspect of the present invention, it is possible to easily know the stiffness of the spring to be controlled in a certain support mechanism configuration, so that the user can quickly design the support mechanism configuration. According to the invention described in claim 22, it is not necessary for the user to check the spring rigidity, and it is only necessary to input the model, so that the structure of the support mechanism can be easily designed. Further, according to the invention described in claim 23, since it is not necessary for the user to input the number of support mechanisms or to check the spring rigidity, it can be automatically input simply by connecting the support mechanism, so that the structure of the support mechanism can be easily designed. can do. According to the invention described in claim 24, it is not necessary for the user to obtain and input the support mechanism position numerically, and it is only necessary to designate it on the CAD drawing, so that the sensor configuration can be easily designed. According to the invention as set forth in claim 25, the spring rigidity when the air bearing is supported is easily obtained. According to the invention described in claim 26, the spring rigidity when the magnetic levitation is supported is easily obtained. According to the twenty-seventh aspect of the present invention, the spring rigidity when the spring is supported is easily obtained.
以下，本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の第１実施例を示す多軸制御システム設計ツールのブロック図である。１はキーボードおよびマウスであり，ユーザーがアクチュエータ数，位置，方向，アクチュエータ型式，質量，慣性モーメント，センサ数，位置，方向，センサ型式を入力するための入力手段である。２はディスプレイであり，最大並進加速度，最大回転加速度，制御対象測定可能範囲，制御対象測定分解能などの計算結果をユーザーが確認するために表示する装置である。３はパーソナルコンピュータであり，各種演算を実行したりデータベースに情報を記録しておき，検索したりするための装置である。４は推力算出手段であり，ユーザーが入力した情報から最大並進加速度および最大回転加速度を算出する。ここでは，図８のように浮上アクチュエータ数が３，推進アクチュエータ数が３，計６個の場合を例として算出方法を説明する。まずユーザーが入力したアクチュエータ数の各アクチュエータについて，それぞれアクチュエータ最大推力を求める。これはユーザーが直接入力するか，ユーザーが入力した型式をもとにアクチュエータデータベース７から検索して求める。次に，求めたアクチュエータ最大推力を，（２）式のアクチュエータ推力に代入し，制御対象最大並進推力を求める。ただし，モーメントを求める際には各項の符号を一致させる。最後に，求めた制御対象最大並進推力を多自由度ステージ１０の質量で割れば制御対象最大並進加速度を求められ，制御対象最大モーメントを各軸まわりの慣性モーメントで割れば制御対象最大回転加速度を求められる。しかし，このようにして求めた制御対象最大並進加速度および制御対象最大回転加速度を実際に発生させると，並進時に回転方向の姿勢を維持したり，回転時に並進方向の位置を維持したりすることができない場合がある。そこで，演算方法を以下のようにしても良い。まず，（３）式で，制御対象のＸ方向推力Ｆｘ，Ｙ方向推力Ｆｙ，モーメントのＸ軸成分Ｔｘ，Ｙ軸成分Ｔｙ，Ｚ軸成分Ｔｚを全て０とおき，Ｚ方向推力Ｆｚに適当な値を代入する。このとき，（３）式で求められる各アクチュエータの推力が全てそれぞれの最大並進推力より小さければＦｚを大きくし，逆に大きければＦｚを小さくし，再度計算する。これを繰り返すことにより，全てのアクチュエータ推力が最大推力以下という条件の下で最大のＦｚを探索する。Ｘ方向推力Ｆｘ，Ｙ方向推力Ｆｙ，モーメントのＸ軸成分Ｔｘ，Ｙ軸成分Ｔｙ，Ｚ軸成分Ｔｚについても，同様にして求めることができる。この探索では，２分探索法を用いても良い。
図１に戻り，５は測定可能範囲算出手段であり，ユーザーが入力した情報から制御対象測定可能範囲を算出する。ここでは，まずユーザーが入力したセンサ数の各センサについて，それぞれセンサ測定可能範囲を求める。これはユーザーが直接入力するか，ユーザーが入力した型式をもとにセンサデータベース８から検索して求める。ここで，センサ測定可能範囲とは，そのセンサで測定可能なセンサヘッドとセンサターゲットの距離の範囲を意味する。次に，求めた各センサのセンサ測定可能範囲から制御対象測定可能範囲を求める。ここで，制御対象測定可能範囲とは，センサにより測定可能な制御対象の位置および姿勢の範囲を意味する。この演算方法を以下に説明する。まず始めに，静止している絶対座標系と，多自由度ステージ１０とともに動くステージ座標系を定義しておく。ステージ座標系の原点位置（ｘ０，ｙ０，ｚ０），および姿勢角θｘ（ピッチ），θｙ（ロール），θｚ（ヨー）が与えられたとき，多自由度ステージ１０上の点のステージ座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を絶対座標（ｘ，ｙ，ｚ）に変換する変換式は以下のように与えられる。
FIG. 1 is a block diagram of a multi-axis control system design tool showing a first embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a keyboard and mouse, which are input means for a user to input the number of actuators, position, direction, actuator type, mass, moment of inertia, number of sensors, position, direction, and sensor type. Reference numeral 2 denotes a display, which is a device for displaying calculation results such as maximum translational acceleration, maximum rotational acceleration, control target measurable range, control target measurement resolution and the like for the user to confirm. Reference numeral 3 denotes a personal computer, which is a device for executing various operations and recording information in a database for searching. 4 is a thrust calculation means, which calculates the maximum translational acceleration and the maximum rotational acceleration from information input by the user. Here, the calculation method will be described by taking as an example a case where the number of floating actuators is 3, the number of propulsion actuators is 3, and a total of 6 as shown in FIG. First, for each actuator with the number of actuators entered by the user, the maximum actuator thrust is obtained. This is obtained directly by the user or by searching from the actuator database 7 based on the model entered by the user. Next, the obtained maximum actuator thrust is substituted into the actuator thrust of equation (2) to obtain the maximum translational thrust to be controlled. However, when obtaining the moment, the signs of the terms are matched. Finally, the maximum translational acceleration to be controlled can be obtained by dividing the calculated maximum translational thrust by the mass of the multi-degree-of-freedom stage 10, and the maximum rotational acceleration to be controlled can be obtained by dividing the maximum moment to be controlled by the moment of inertia around each axis. Desired. However, if the control object maximum translation acceleration and control object maximum rotation acceleration obtained in this way are actually generated, the orientation in the rotation direction may be maintained during translation, or the position in the translation direction may be maintained during rotation. There are cases where it is not possible. Therefore, the calculation method may be as follows. First, in equation (3), the X-direction thrust Fx, Y-direction thrust Fy, X-axis component Tx, Y-axis component Ty, and Z-axis component Tz of the moment to be controlled are all set to 0, and the Z-direction thrust Fz is appropriate. Assign a value. At this time, if the thrusts of the actuators obtained by the equation (3) are all smaller than the respective maximum translational thrusts, Fz is increased, and if larger, Fz is decreased and the calculation is performed again. By repeating this, the maximum Fz is searched under the condition that all actuator thrusts are equal to or less than the maximum thrust. The X-direction thrust Fx, the Y-direction thrust Fy, the moment X-axis component Tx, the Y-axis component Ty, and the Z-axis component Tz can be obtained in the same manner. In this search, a binary search method may be used.
Returning to FIG. 1, reference numeral 5 denotes a measurable range calculation unit that calculates the control target measurable range from information input by the user. Here, first, a sensor measurable range is obtained for each sensor of the number of sensors input by the user. This is obtained directly by the user or by searching from the sensor database 8 based on the model entered by the user. Here, the sensor measurable range means the range of the distance between the sensor head and the sensor target that can be measured by the sensor. Next, the controllable measurable range is obtained from the obtained sensor measurable range of each sensor. Here, the controllable measurable range means the range of the position and orientation of the controlled object that can be measured by the sensor. This calculation method will be described below. First, a stationary absolute coordinate system and a stage coordinate system that moves with the multi-degree-of-freedom stage 10 are defined. When the origin position (x0, y0, z0) of the stage coordinate system and the posture angles θx (pitch), θy (roll), θz (yaw) are given, the stage coordinates (X , Y, Z) is given by the following equation for converting absolute coordinates (x, y, z).
ステージ座標系原点位置および姿勢が与えられたとき，ユーザーが入力したステージ座標センサ位置を上式の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に代入して絶対座標センサ位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出すれば，そのセンサが測定可能範囲にあるかどうかを判定できる。ステージ座標系原点位置および姿勢が与えられたとき，それが制御対象測定可能範囲内であるかどうかは，測定に用いるセンサ全てが測定可能範囲内にあるかどうかで判定することができる。様々なステージ座標系原点位置および姿勢について，制御対象測定可能範囲内であるかどうかの判定を繰返し，境界を探索することで，図２のようなグラフを得ることができる。この図をディスプレイ２に表示することより，ユーザーは所望のストロークを満たしているかを判断することができる。
図１に戻り，６は測定分解能算出手段であり，ユーザーが入力した情報から制御対象分解能を算出する。ここでは，まずユーザーが入力したセンサ数の各センサについて，それぞれセンサ分解能を求める。これはユーザーが直接入力するか，ユーザーが入力した型式をもとにセンサデータベース８から検索して求める。次に，求めた各センサのセンサ分解能から制御対象測定分解能を求める。ここで，制御対象測定分解能とは，センサにより測定される制御対象の位置および姿勢の分解能を意味する。制御対象測定分解能は，（１）式の右辺のθｘ，θｙ，θｚを０とし，絶対座標センサ位置がセンサ分解能だけ変化したときの制御対象位置および姿勢の変化量より，以下の式で求める。
When the stage coordinate system origin position and orientation are given, the absolute coordinate sensor position (x, y, z) can be calculated by substituting the stage coordinate sensor position input by the user into (X, Y, Z) in the above equation. For example, it can be determined whether the sensor is within the measurable range. When the stage coordinate system origin position and orientation are given, whether or not they are within the controllable measurable range can be determined by whether or not all the sensors used for measurement are within the measurable range. A graph as shown in FIG. 2 can be obtained by repeatedly determining whether or not the origin and position of various stage coordinate systems are within the controllable measurable range and searching for the boundary. By displaying this figure on the display 2, the user can determine whether a desired stroke is satisfied.
Returning to FIG. 1, reference numeral 6 denotes a measurement resolution calculation means for calculating the control target resolution from information input by the user. Here, first, the sensor resolution is obtained for each sensor of the number of sensors input by the user. This is obtained directly by the user or by searching from the sensor database 8 based on the model entered by the user. Next, the control object measurement resolution is obtained from the obtained sensor resolution of each sensor. Here, the control object measurement resolution means the resolution of the position and orientation of the control object measured by the sensor. The control target measurement resolution is obtained by the following formula from the amount of change in the control target position and orientation when the absolute coordinate sensor position changes by the sensor resolution, with θx, θy, and θz on the right side of the formula (1) set to 0.
図１にもどり，９はばね剛性算出手段であり，ユーザーが入力した支持機構数および各支持機構の位置・方向・ばね剛性より制御対象ばね剛性を計算する。この部分も支持機構のデータベースを用意し，支持機構の型式からばね剛性を検索するようにしても良い。 Returning to FIG. 1, reference numeral 9 denotes spring stiffness calculation means, which calculates the control target spring stiffness from the number of support mechanisms input by the user and the position / direction / spring stiffness of each support mechanism. In this part, a support mechanism database may be prepared, and the spring stiffness may be retrieved from the type of the support mechanism.
実施例１ではアクチュエータ型式およびセンサ型式をユーザーが入力していたが，型式を入力せず，アクチュエータ最大推力，センサ測定可能範囲，センサ分解能を入力するようにしても良い。この場合，アクチュエータデータベース７およびセンサデータベース８は不要となる。 In the first embodiment, the user inputs the actuator type and the sensor type. However, instead of inputting the type, the actuator maximum thrust, sensor measurable range, and sensor resolution may be input. In this case, the actuator database 7 and the sensor database 8 are not necessary.
実施例１および実施例２ではアクチュエータ数と各アクチュエータの位置および方向，センサ数と各センサの位置および方向，支持機構の数と各支持機構の位置および方向を直接入力していたが，設計にＣＡＤを用いている場合，その図面データファイルを読み込む手段を設け，ディスプレイに表示された設計図面の中からアクチュエータ，センサ，支持機構に相当する部分をマウス等の入力デバイスで指定するようなインターフェースとしても良い。このようにすることで，ユーザーはＣＡＤ図面からアクチュエータ位置，センサ位置等を読みとって数値で入力するという作業をしなくてもよくなり，迅速に設計を進めることができる。 In Example 1 and Example 2, the number of actuators and the position and direction of each actuator, the number of sensors and the position and direction of each sensor, the number of support mechanisms and the position and direction of each support mechanism were directly input. When CAD is used, a means for reading the drawing data file is provided, and an interface for designating the parts corresponding to the actuator, sensor, and support mechanism from the design drawing displayed on the display with an input device such as a mouse. Also good. In this way, the user does not need to read the actuator position, sensor position, etc. from the CAD drawing and input them numerically, and the design can proceed quickly.
本発明が従来技術と異なる部分は、アクチュエータやセンサなどの構成を入力する手段と，制御対象の最大並進加速度，最大回転加速度，制御対象測定可能範囲，制御対象測定分解能，制御対象ばね剛性などの，設計の際に有用な種々の情報を算出する手段と，型式を入力する手段と，型式から必要な情報を検索することができるデータベースと，ＣＡＤデータから必要な情報を入力する手段と，ＩＤタグから情報を入力する手段と，計算結果を表示する手段を備えた部分である。 The present invention is different from the prior art in that it includes means for inputting the configuration of actuators and sensors, and the maximum translational acceleration, maximum rotational acceleration, controllable measurable range, controlled object measurement resolution, controlled object spring stiffness, etc. , Means for calculating various information useful in design, means for inputting a model, database capable of retrieving necessary information from the model, means for inputting necessary information from CAD data, ID It is a part provided with a means for inputting information from a tag and a means for displaying a calculation result.
このように、種々の情報を算出する手段をあらかじめ用意しておき，必要な情報を容易に入力できるようにしているので，システム構成を試行錯誤的に迅速に検討することができる。 As described above, means for calculating various information is prepared in advance so that necessary information can be easily input, so that the system configuration can be quickly examined by trial and error.
１ キーボードおよびマウス
２ ディスプレイ
３ パーソナルコンピュータ
４ 推力算出手段
５ 測定可能範囲算出手段
６ 測定分解能算出手段
７ アクチュエータデータベース
８ センサデータベース
９ ばね剛性算出手段
１０ 多自由度ステージ
１１ 推進モータ可動子
１２ 浮上モータ可動子
１３ 浮上モータ固定子
１４ コントローラ
１５ 電流制御装置
１００ 多自由度ステージ制御システム
１１０ 多自由度ステージ
１４０ 指令生成器
１５０ 制御演算器
１６０ 推力変換演算器
１７０ 電流変換演算器
１８０ 位置演算器
１９０ センサ信号変換器
５０ Ｘ軸制御演算
５１ Ｙ軸制御演算
５２ Ｚ軸制御演算
５３ θｘ軸制御演算
５４ θｙ軸制御演算
５５ θｚ軸制御演算
６１ フィードフォワード制御部
６２ フィードバック制御部
６３ 加算器
６４ フィルタ
６５ 慣性
２１ 推進モータ固定子
２３ 固定構造体
２４ ばね支持機構
３１ 推進モータ可動子
３２ 推進モータ可動子
３３ 推進モータ可動子
３４ 浮上モータ可動子
３５ 浮上モータ可動子
３６ 浮上モータ可動子
３７ 浮上モータ可動子
４１ Ｚ方向センサ
４２ Ｚ方向センサ
４３ Ｚ方向センサ
４４ Ｘ方向センサ
４５ Ｘ方向センサ
４６ Ｙ方向センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Keyboard and mouse 2 Display 3 Personal computer 4 Thrust calculation means 5 Measurable range calculation means 6 Measurement resolution calculation means 7 Actuator database 8 Sensor database 9 Spring rigidity calculation means 10 Multi-degree-of-freedom stage 11 Propulsion motor movable element 12 Levitation motor movable element 13 levitation motor stator 14 controller 15 current control device 100 multi-degree-of-freedom stage control system 110 multi-degree-of-freedom stage 140 command generator 150 control arithmetic unit 160 thrust conversion arithmetic unit 170 current conversion arithmetic unit 180 position arithmetic unit 190 sensor signal converter 50 X-axis control calculation 51 Y-axis control calculation 52 Z-axis control calculation 53 θx-axis control calculation 54 θy-axis control calculation 55 θz-axis control calculation 61 Feedforward control unit 62 Feedback control unit 63 Adder 64 Filter 65 Inertia 21 Propulsion motor stator 23 Fixed structure 24 Spring support mechanism 31 Propulsion motor mover 32 Propulsion motor mover 33 Propulsion motor mover 34 Levitation motor mover 35 Levitation motor mover 36 Levitation motor mover 37 Levitation motor mover 41 Z Direction sensor 42 Z direction sensor 43 Z direction sensor 44 X direction sensor 45 X direction sensor 46 Y direction sensor
Claims (27)
前記アクチュエータの数およびそれぞれの位置および方向およびアクチュエータ最大推力を入力するためのアクチュエータ構成入力手段と，前記アクチュエータ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象に発生可能な最大並進推力および最大モーメントを算出する推力算出手段と，前記推力算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのアクチュエータ能力出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。 Using an actuator for generating a force for moving the control target, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting the position of the control target, and position information detected by the position sensor A multi-axis control system design tool for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller.
Actuator configuration input means for inputting the number of actuators, their respective positions and directions, and the maximum actuator thrust, and the maximum translational thrust that can be generated in the controlled object based on information input by the user through the actuator configuration input means, and A multi-axis control system design tool comprising: thrust calculation means for calculating a maximum moment; and actuator capability output means for transmitting information calculated by the thrust calculation means to a user.
前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ測定可能範囲を入力するためのセンサ構成入力手段と，前記センサ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の測定可能な最大範囲である制御対象測定可能範囲を算出する測定可能範囲算出手段と，前記測定可能範囲算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定可能範囲出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。 Using an actuator for generating a force for moving the control target, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting the position of the control target, and position information detected by the position sensor A multi-axis control system design tool for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller.
Sensor configuration input means for inputting the number of the position sensors, their respective positions and directions, and sensor measurable ranges, and measurement of the position and orientation of the controlled object based on information input by the user through the sensor configuration input means A measurable range calculating means for calculating a controllable measurable range, which is the maximum possible range, and a measurable range output means for communicating information calculated by the measurable range calculating means to a user Multi-axis control system design tool.
前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ分解能を入力するためのセンサ分解能入力手段と，前記センサ分解能入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の分解能である制御対象測定分解能を算出する測定分解能算出手段と，前記測定分解能算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定分解能出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。 Using an actuator for generating a force for moving the control target, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting the position of the control target, and position information detected by the position sensor A multi-axis control system design tool for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller.
Sensor resolution input means for inputting the number of the position sensors, their respective positions and directions, and sensor resolution, and the resolution of the position and orientation of the control object based on information input by the user through the sensor resolution input means A multi-axis control system design tool comprising measurement resolution calculation means for calculating a control target measurement resolution and measurement resolution output means for transmitting information calculated by the measurement resolution calculation means to a user.
前記支持機構の数およびそれぞれの位置および方向およびばね剛性を入力するためのばね剛性入力手段と，前記ばね剛性入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢のばね剛性である制御対象ばね剛性を算出するばね剛性算出手段と，前記ばね剛性算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのばね剛性出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。 Using an actuator for generating a force for moving the control target, a current control device for controlling a current flowing through the actuator, a position sensor for detecting the position of the control target, and position information detected by the position sensor In a multi-axis control system design tool for designing a multi-axis control system comprising a controller for determining a current command to the current controller and a support mechanism for supporting the controlled object,
A spring stiffness input means for inputting the number of the support mechanisms, their respective positions and directions, and the spring stiffness, and the spring stiffness of the position and posture of the controlled object based on information input by the user by the spring stiffness input means. A multi-axis control system design tool comprising spring stiffness calculation means for calculating a certain control object spring stiffness, and spring stiffness output means for transmitting information calculated by the spring stiffness calculation means to a user.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2007291186A JP2009116751A (en) | 2007-11-08 | 2007-11-08 | Design tool of multi-axis control system |
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|---|---|---|---|---|
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| CN113263921A (en) * | 2021-05-28 | 2021-08-17 | 同济大学 | Dynamic suspension control method of magnetic-levitation train combined with vibration identification |
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2007
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| CN113263921B (en) * | 2021-05-28 | 2022-07-15 | 同济大学 | Dynamic suspension control method of magnetic-levitation train combined with vibration identification |
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