JP2009289058A

JP2009289058A - 電子カム制御装置

Info

Publication number: JP2009289058A
Application number: JP2008141370A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Mizogami; 悟史溝上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: JP5121578B2

Abstract

【課題】位置指令値の急激な変動を抑えて、速度超過によるエラーが発生、機械機構への衝撃を防止すること。
【解決手段】カム角度とストローク比との関係が設定されるカムテーブルと、ストローク量が設定されるストローク量設定部と、入力軸の位置情報をカム角度に変換し、カムテーブルの設定内容およびストローク量設定部のストローク設定値に基づき、変換したカム角度に対応するカム位置決め量を求め、カム位置決め量を出力軸に対する位置指令値として出力する制御部とを備え、制御部は、ストローク設定部の設定変更要求がストローク比の最大位置時点より以前に入力された場合は、ストロークの変更を設定変更要求時点とストローク比の最大位置時点との間で徐々に実行し、設定変更要求がストローク比の最大位置時点より以後に入力された場合は、ストロークの変更を前記ストローク比の最小位置時点で実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、入力軸の位置情報をカム角度に変換し、変換したカム角度に対応する位置決め量を求め、求めた位置決め量にストローク下死点を加算することによって駆動軸に対する位置指令値を算出し、カム機構相当の動作を行う電子カム制御装置に関するものである。

電子カム制御装置は、機械的なカム機構を実装することなく、ソフトウェアにて設定したカムパターンとカムストローク量に基づき、サーボモータが位置決め制御を行う装置である。この種の電子カム制御装置では、カムパターンを決定するために、ストローク下死点と、ストローク量設定値と、一回転を等間隔に分割したカム角度に対応するストローク比とを設定した電子カム形状データテーブル（以下、カムパターンテーブルと呼ぶ）を作成する。

設定したストローク下死点と入力軸の位置情報からカム角度を算出し、算出したカム角度に対応するストローク比とストローク量設定値とを用いて位置決め量を求める。この位置決め量とストローク下死点を加算し、サーボモータへの位置指令値を算出する。カムパターンテーブルにおけるストローク比は、カム動作のストローク下死点を０として、ストローク上死点を１とする。カム動作の開始点、終了点を０、カム動作一回転内の任意の点を１と設定することにより往復カム動作を行うことができ、カム動作の開始点を０、終了点を１として設定することにより一方向への位置送りカム動作を行うことができる。（例えば、特許文献１の実施例１６、１７参照）。

特許第２６９７３９９号公報

特許文献１では、往復カム運動を連続して行なう位置決め量は、仮想カムシャフトの回転位置情報に対応するカムの動作量（ストローク比）Ｄと、あらかじめ変数領域に格納されたストローク量設定値ｈ１と、ストローク下限位置設定値ｈ２から、
（ｈ１×Ｄ）＋ｈ２
として算出され、下限位置ｈ２と、上限位置（ｈ１＋ｈ２）の間を往復する往復カム動作を実現するすることができる。また、ストローク量設定値（ｈ１）を外部の周辺装置から書き換えることによりカム動作のストローク量を変更することができる。

しかしながら、特許文献１では、ストローク量を変更した場合のカム動作は、カム運動の下限位置のポイントで変更を実施した時と、それ以外のポイントで実施した時では挙動が異なってくる。下限位置のポイントで変更を実施した時には、カム動作の１周期中に、ストローク量の変更に伴うカムストロークの変化は無い。しかし、下限位置以外のポイントで変更を実施した時には、カム動作の１周期中にカムストロークに変化が発生する。そして、カムストロークの変化が大きい場合は、カム動作を実現するサーボモータへの位置指令値が大きく変化する。そして、指令値の大きな変化は、サーボモータの急激な動作変化となり、速度超過によるエラーが発生したり、サーボモータに接続されている機械機構への衝撃を発生させる。

このように、カム運動の下限位置ポイントを通過後で、且つカム運動の上限位置ポイント到達前にカムストロークを最上位位置を変更するように変更する場合においては、前述のように速度超過によるエラーが発生したり、サーボモータに接続されている機械機構への衝撃を発生させる可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位置指令値の急激な変動を抑えて、速度超過によるエラーが発生、機械機構への衝撃を防止する電子カム制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、カム角度とストローク比との関係が設定されるカムテーブルと、ストローク量が設定されるストローク量設定部と、入力軸の位置情報をカム角度に変換し、前記カムテーブルの設定内容およびストローク量設定部のストローク設定値に基づき、前記変換したカム角度に対応するカム位置決め量を求め、求めたカム位置決め量を出力軸に対する位置指令値として出力する制御部とを備え、前記制御部は、前記ストローク設定部の設定変更要求が前記ストローク比の最大位置時点より以前に入力された場合は、ストロークの変更を設定変更要求時点と前記ストローク比の最大位置時点との間で徐々に実行し、前記設定変更要求が前記ストローク比の最大位置時点より以後に入力された場合は、ストロークの変更を前記ストローク比の最小位置時点で実行することを特徴とする。

この発明によれば、ストロークの設定変更要求がストローク比の最大位置時点より以前に入力された場合は、ストロークの変更を設定変更要求時点とストローク比の最大位置時点との間で徐々に実行し、ストロークの設定変更要求がストローク比の最大位置時点より以後に入力された場合は、ストロークの変更をストローク比の最小位置時点で実行するようにしたので、位置指令値の急激な変動を抑えて、カム動作の目標位置を電子カムの動作中に変更することができる。

以下に、本発明にかかる電子カム制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明にかかる電子カム制御装置の実施の形態の構成を示す図である。図１において、電子カム制御装置としての電子カム制御部３０は、入力軸１０の位置情報に基づいた電子カム制御を実現する位置指令値を作成し、作成した位置指令値に従って出力軸（駆動軸）４０を駆動制御する。

図２は、電子カム制御部３０の内部構成を示すものである。電子カム制御部３０は、カムパターンテーブル３１、ストローク量設定部３２、カム位置決め量演算部３３、ストローク下死点設定部３４を備えている。

図３は、カムパターンテーブル３１の一例を示すもので、カムパターンテーブル３１にはカム角度とストローク比との対応が設定記憶されている。この場合は、カム動作の開始点、終了点におけるストローク比が０と設定され、カム動作一回転内の任意の点のストローク比が１と設定される往復カム動作用のカムパターンデータが記憶されている。カムパターンテーブル３１には、カム角度が入力され、入力されたカム角度に対応するストローク比が出力される。図３におけるＳmaxは、カムパターンテーブル３１内のストローク比の最大箇所を指し、そのポイントにおけるカム角度をθmaxとする。

ストローク量設定部３２には、カムパターンの目標最上位位置ポイントを決定するパラメータであるストローク量設定値が設定される。ストローク下死点設定部３４には、電子カムの往復動作または一方向送り動作の基準位置となり、カム動作におけるストロークの最下位位置ポイントを示すストローク下死点位置が設定される。カム位置決め量演算部３３は、ストローク量設定部３２からのストローク量設定値と、カムパターンテーブル３１からのストローク比と、ストローク下死点設定部３４からのストローク下死点に基づいて、各カム角度に対応するカム位置決め量を算出する。

図２において、電子カム制御部３０は、入力軸１０の位置情報およびストローク下死点の位置情報からカム角度を得る。電子カム制御部３０は、カムパターンテーブル３１を参照することによって、カム角度に対応するストローク比を導出する。カム位置決め量演算部３３は、ストローク量設定部３２に設定されたストローク設定値にストローク比を乗じ、さらにストローク下死点設定部３４に設定されたストローク下死点を加算し、この加算結果を位置指令値として出力軸４０に伝達する。

図４は、ストローク量設定部３２のストローク設定値が変更されたストローク設定変更要求が電子カム制御部３０に入力されたときの電子カム制御部３０（主にカム位置決め量演算部３３）の動作手順を示すフローチャートである。カム位置決め量演算部３３は、電子カム動作実行中に、ストローク量設定部３２の設定内容が変更された旨を示すストローク設定変更要求が入力されると、本処理を実行する。まず、カム位置決め量演算部３３は、ストローク量設定部３２の設定値が変更された旨を示すストローク設定変更要求が入力された時点（ストローク量変更ポイント）におけるカム角度θchangeと、カムパターンテーブル３１内のストローク比最大箇所におけるカム角度をθmaxとの大小比較を行い（ステップＳ１０００）、θchangeがθmax以上であった場合、すなわちストローク設定変更要求がストローク比の最大位置時点より以後に入力された場合は、ストローク量の変更処理は、ストローク比の最下位位置ポイント（最小位置ポイント）で且つ次のカムパターンのサイクル開始ポイントで実行する（ステップＳ１００６）。すなわち、θchangeがθmax以上であった場合には、カムストローク量はカムパターンの最下位位置ポイントまでは変更されず、最下位位置ポイントで変更される。

一方、ステップＳ１０００の判定で、θchangeがθmax未満であった場合は、ストローク量を徐々に変更するため、ストローク量が変更中のカム角度をθとすると、θがθchangeとθmaxの中心位置の以前と以降とでストローク量の算出処理を異ならせる。

θchangeとθmaxの中心位置は（θmax＋θchange）／２で算出できる。カム位置決め量演算部３３は、カム角度θが中心位置より大きいか小さいかを判定し（ステップＳ１００１）、カム角度θが中心位置以前の場合（θ＜中心位置）には、カム角度θに対するストローク量Ｓは以下の式（１）により求める。ここで、ストローク量設定部３２の変更前の設定値をＳａとし、変更後の設定値をＳｂとする。
Ｓ＝｛２(Ｓｂ−Ｓａ)×(θ−θchange)^２｝／(θmax−θchange)^２｝＋Ｓａ
…（１）

カム角度θが中心位置以降の場合（θ≧中心位置）には、更にカム角度θがθmaxの以前と以降とでストローク量の算出処理を異ならせる（ステップＳ１００３）。カム角度θがθmaxの以前の場合は、ストローク量Ｓは以下の式（２）により求める（ステップＳ１００４）。
Ｓ＝Ｓｂ−｛２(Ｓｂ−Ｓａ)×(θmax−θ)^２｝／(θmax−θchange)^２
…（２）

また、カム角度θがθmaxの以降の場合、ストローク量ＳはＳｂとする（ステップＳ１００５）。

このように、カムストローク変更時の変化率を、変更要求ポイントとストロークの最上位位置ポイントの中間を基準にし、中間より前半を増加領域、中間より後半を減少領域としている。

図５は、カムストローク量Ｓの変更タイミングと変更後の軌跡を示す図で、１はストローク量設定Ｓａのカムパターン、２はストローク量設定がＳａからＳｂに途中で変更されたカムパターン、３はストローク量設定Ｓｃのカムパターンである。また、４はストローク量設定部３２の設定内容、５はカムパターン２のサイクル開始ポイント、６はカムパターン２のストローク量変更ポイントθchangeであり、ストローク量設定部３２の設定内容の変更タイミングと一致する。６´はカムパターン３のストローク量変更ポイントθchangeである。また、７はカムパターン３のサイクル開始ポイントである。８はカムパターン２のストローク量変更前領域で、本領域８のカムパターン軌跡はストローク量設定Ｓａのカムパターン１と同一軌跡である。９はカムパターン２のストローク量変更後領域を示すものである。

図５では、ストローク量設定部３２の設定内容がＳａからＳｂに変更されたストローク量変更ポイント６（θchange）がカムパターンの最上位位置ポイント（θmax）より以前であるため、カムストローク量が図４のステップＳ１００２、Ｓ１００４、Ｓ１００５を用いた演算によって徐々にＳａからＳｂに変更されていることを示している。また、ストローク量設定部３２の設定内容がＳｂからＳｃに変更されたポイント６´（θchange）は、カムパターン２の最上位位置ポイントθmax以後であるため、図４のステップＳ１００６に示した手順にしたがって、カムパターン３のサイクル開始ポイント７で、カムストローク量がＳｂからＳｃに変更されていることを示している。

図６は、図４のステップＳ１００２、Ｓ１００４を用いた演算に基づくカムストローク量の変更タイミングと変更ストローク量の推移を示す図である。１は前述のストローク量設定Ｓａのカムパターン、２はストローク量設定ＳａからＳｂに途中で変更されたカムパターンである。２１はストローク量変更に伴うストローク量変移を示すもので、２２はストローク量変更に伴うΔストローク量（ストローク量の時間微分）の変移を示すものである。

図６では、ストローク量は、θchangeからθmaxの間で、徐々にストロークＳａからＳｂまで増加させる。ストロークの増加は、Δストローク量２２として示されるように、カム角度θchangeとθmaxの中間時点を基準に、中間時点より前半が増加領域、中間時点より後半が減少領域となる。

図７は、ストローク量が変更された際に、カム位置決め量演算部３３によって作成される、ストローク（位置）のカムパターンテーブル５０と、速度のカムパターンテーブル５１と、加速度のカムパターンテーブル５２と、許容速度格納メモリ６０、許容加速度格納メモリ６１を示すものである。

カムパターンテーブル(位置)５０は、図４に示した変更カムストローク量の算出結果と、図３に示したカムパターンテーブル３１のストローク比を掛け合わせ、カム角度(θ０〜θｎ)毎の位置を算出した結果であり、最高位置であるＳmaxはＳｂとなる。

カムパターンテーブル(速度)５１は、カムパターンテーブル(位置)５０において、ストロークＳをカム角度微分(ΔＳ／Δθ)し、カム角度(θ０〜θｎ)毎の速度を算出した結果であり、最高速度をＶmaxとする。

カムパターンテーブル(加速度)５２は、カムパターンテーブル(速度)５１において、速度をカム角度微分(ΔＶ／Δθ)し、カム角度(θ０〜θｎ)毎の加速度を算出した結果であり、最高加速度をＡmaxとする。

図８は、カムストローク量を変更した際の、許容速度および許容加速度のチェック手順を示すものである。ストローク量設定部３２の設定値が変更されて、実際にストローク量を変更する前に、本処理を実行する。まず、カム位置決め量演算部３３は、カムパターンテーブル(速度)５０で算出された最高速度Ｖmaxと許容速度格納メモリ６０の内容と比較する（ステップＳ１０１０）。比較した結果、最高速度Ｖmaxが許容速度を超過する場合は許容速度超過警告を出力する（ステップＳ１０１３）。

次に、最高速度Ｖmaxが許容速度の範囲内である場合は、カムパターンテーブル(加速度)５２で算出された最高加速度Ａmaxと許容加速度格納メモリ６１の内容と比較する（ステップＳ１０１１）比較した結果、最高加速度Ａmaxが許容加速度を超過する場合は、許容加速度超過警告を出力する（ステップＳ１０１３）。

最高速度Ｖmaxが許容速度の範囲内であって、且つ最高加速度Ａmaxが許容加速度の範囲内であった場合、ストローク変更処理を実際に行う（ステップＳ１０１２）。最高速度Ｖmaxが許容速度を超過するか、もしくは最高加速度Ａmaxが許容加速度を超過した場合でも、警告時の変更許可状態にユーザ設定されていれば（ステップＳ１０１４）、ストローク変更処理を行う（ステップＳ１０１２）。

このように本実施の形態によれば、カムストローク変更要求が目標最上位位置ポイント以前であれば、カムストロークの変更を変更要求ポイントである変更カム角度ポイントと目標最上位位置ポイントの間で徐々に実行し、変更要求が目標最上位位置ポイント以後であれば、カムストロークの変更は最下位位置ポイントで実行するようにしているので、位置指令値の急激な変動を抑えて、カム動作の目標位置を電子カムの動作中に変更することができる。また、カムストローク変更時の変化率を、変更要求ポイントとストロークの最上位位置ポイントの中心を基準に前半を増加領域、後半を減少領域として実行しているので、カムストローク量変更前のカムパターンの軌跡と、変更後のカムパターンの軌跡の誤差を最小に抑えつつ、目標最上位位置ポイントの変更が可能となる。

以上のように、本発明に係る電子カム制御装置は、装置動作中にストローク量設定値が変更可能な電子カム制御装置に用いて好適である。

電子カム制御装置の入出力を示すブロック図である。実施の形態の電子カム制御装置の内部構成を示すブロック図である。カムパターンテーブルのメモリ構成を示す図である。実施の形態の電子カム制御装置による変更カムストローク量の算出手順を示すフローチャートである。カムストローク量の変更タイミングと変更後の軌跡を示す図である。カムストローク量の変更タイミングと変更ストローク量の推移を示す図である。ストローク量を変更した位置のカムパターンテーブルと速度のカムパターンテーブルと加速度のカムパターンテーブルと、許容速度、許容加速度のメモリ構成を示す図である。カムストローク量を変更した場合の許容速度、許容加速度のチェック手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０入力軸
３０電子カム制御部
３１カムパターンテーブル
３２ストローク量設定部
３３カム位置決め量演算部
３４ストローク下死点設定部

Claims

カム角度とストローク比との関係が設定されるカムテーブルと、
ストローク量が設定されるストローク量設定部と、
入力軸の位置情報をカム角度に変換し、前記カムテーブルの設定内容およびストローク量設定部のストローク設定値に基づき、前記変換したカム角度に対応するカム位置決め量を求め、求めたカム位置決め量を出力軸に対する位置指令値として出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記ストローク設定部の設定変更要求が前記ストローク比の最大位置時点より以前に入力された場合は、ストロークの変更を設定変更要求時点と前記ストローク比の最大位置時点との間で徐々に実行し、前記設定変更要求が前記ストローク比の最大位置時点より以後に入力された場合は、ストロークの変更を前記ストローク比の最小位置時点で実行することを特徴とする電子カム制御装置。
前記制御部は、前記ストローク設定部の設定変更要求が前記ストローク比の最大位置時点より以前に入力された場合、ストローク変更時の変化率を、設定変更要求時点と前記ストローク比の最大位置時点との中間時点より前半を増加領域、前記中間時点より後半を減少領域とすることを特徴とする請求項１に記載の電子カム制御装置。
前記制御部は、ストローク変更の際、前記位置指令値に対応する速度指令が予め設定された許容速度を超える場合、または前記位置指令値に対応する加速度指令が予め設定された許容加速度を超える場合は、警告を通知することを特徴とする請求項１または２に記載の電子カム制御装置。