JP2021163322A - 産業機械の制御システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者が産業機械を操作する際に、手元の表示を確認せずに、直感的に操作できるようにする。【解決手段】動作指令を発生させる操作装置３０と、操作装置３０により発生した動作指令に基づいて産業機械１０を制御する制御装置２０とを備え、産業機械１０が、水平方向に動作する複数の水平直動機構を備え、操作装置３０が、長手軸Ｌを備えるとともに、長手軸Ｌを水平面に投影した第１方向を検出する地磁気センサと、長手軸に沿う方向への動作量を変位によって入力する可動スイッチ３１とを備え、制御装置２０が、地磁気センサにより検出された第１方向に対応する水平方向に、可動スイッチ３１に入力された動作量だけ、少なくとも１つの水平直動機構を動作させる制御システム１００。【選択図】図１

Description

本開示は、産業機械の制御システムおよび制御方法に関するものである。

作業者によって傾けられた教示器の回転方向を検出し、その回転方向に対応した方向にロボットを動作させるロボットの操作・教示入力装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平７−１６０３２２公報

特許文献１に記載のロボットの操作・教示入力装置においては、教示器が操作される位置や教示器の姿勢等が変更されることにより、教示器の座標系とロボットの座標系とがずれる場合がある。この場合、作業者は教示器の表示部に表示されたロボットの座標の方向を示す表示をスイッチ操作によって動かして、実際のロボットの座標の方向に一致させる操作を行う必要がある。また、このような操作により座標の方向が一旦一致した場合であっても、ロボットを動作させるために教示器の姿勢を変更すると、一致した座標系の方向が再びずれてしまうことも考えられる。

この操作においては、作業者が、産業機械の可動部と、手元の教示器の表示とを頻繁に確認しながら教示器を操作しなければならず、作業効率が悪い。
したがって、作業者が、産業機械を操作する際に、手元の表示を確認せずに、直感的に操作できることが望まれている。

本開示の一態様は、動作指令を発生させる操作装置と、該操作装置により発生した動作指令に基づいて産業機械を制御する制御装置とを備え、前記産業機械が、水平方向に動作する複数の水平直動機構を備え、前記操作装置が、長手軸を備えるとともに、該長手軸を水平面に投影した第１方向を検出する地磁気センサと、前記長手軸に沿う方向への動作量を変位によって入力する可動スイッチとを備え、前記制御装置が、前記地磁気センサにより検出された第１方向に対応する水平方向に、前記可動スイッチに入力された前記動作量だけ、少なくとも１つの前記水平直動機構を動作させる産業機械の制御システムである。

本発明の一実施形態に係る産業機械の制御システムを示す全体構成図である。 図１の制御システムの構成を示すブロック図である。 図１の制御システムの工作機械の長手軸の方向の一例を示す図である。 図１の制御システムの工作機械の水平直動機構と地磁気の方向を示す図である。 図１の制御システムの制御方法を示すフローチャートである。

本開示の一実施形態に係る産業機械の制御システム１００および制御方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る制御システム１００は、図１に示されるように、工作機械（産業機械）１０の制御システムであって、工作機械１０の動作を制御する制御装置２０と、操作装置３０とを備えている。

工作機械１０は、図１に示される例では、第１水平直動機構１１と、第２水平直動機構１２と、鉛直直動機構１３とを備えている。第１水平直動機構１１は、床面に設置された第１ベース１１ａと、第１ベース１１ａに対してＸ方向（水平方向）に移動可能に支持された第１スライダ１１ｂとを備えている。また、第２水平直動機構１２は、第１スライダ１１ｂに固定された第２ベース１２ａと、第２ベース１２ａに対してＹ方向（水平方向）に移動可能に支持された第２スライダ１２ｂとを備えている。

また、鉛直直動機構１３は、第２スライダ１２ｂに固定された第３ベース１３ａと、第３ベース１３ａに対してＺ方向（鉛直方向）に移動可能に支持された第３スライダ１３ｂとを備えている。第３スライダ１３ｂには、工具を装着可能な主軸１４が固定されている。
また、工作機械１０は、ワークを搭載するテーブル１５と、テーブル１５を鉛直軸線回りに回転させる第１回転機構１６と、テーブル１５を水平軸線回りに傾斜させる第２回転機構１７とを備えている。

操作装置３０は、図１に示されるように、長手軸Ｌを有し、作業者によって把持される装置本体３０ａに、作業者が指で回転させるダイヤル（可動スイッチ）３１を備えている。ダイヤル３１の回転角度（変位）は、工作機械１０のいずれかの直動機構１１〜１３の動作量に対応している。

また、操作装置３０は、図２に示されるように、地磁気の方向を検出する地磁気センサ３２と、重力方向を検出する加速度センサ３３とを備えている。
地磁気センサ３２は、装置本体３０ａに対する地磁気の方向を検出することにより、装置本体３０ａの長手軸Ｌの方向が地磁気の方向に対してどの方位にあるかを検出することができる。すなわち、地磁気センサ３２は、図３に示されるように、長手軸Ｌの方向を水平面（ＸＹ平面）に投影した方位を第１方向として検出する。地磁気センサ３２は、具体的には、図４に示されるように、地磁気のＮ方向に対する角度αとして第１方向を検出する。

加速度センサ３３は、装置本体３０ａに対する重力方向を検出することにより、装置本体３０ａの長手軸Ｌが、長手軸Ｌを含む鉛直面内においてどちらの方向にどれだけ傾いているのかを検出することができる。すなわち、加速度センサ３３は、図３に示されるように、長手軸Ｌを含む鉛直面内における長手軸Ｌの傾きβを検出する。

また、操作装置３０は、図２に示されるように、工作機械１０のいずれかの単一の直動機構１１〜１３のみを動作させる単軸モードと、全ての直動機構１１〜１３を動作させる複軸モードとを切り替える切替スイッチ３５を備えている。

また、操作装置３０は、ダイヤル３１の回転角度と、地磁気センサ３２により検出された第１方向（角度α）および加速度センサ３３により検出された傾きβと、モード情報とを含む動作指令を生成する動作指令生成部３６を備える。
そして、操作装置３０は、有線または無線により、動作指令生成部３６によって生成された動作指令を制御装置２０に送信する。

制御装置２０は、工作機械１０の第１水平直動機構１１、第２水平直動機構１２の地磁気のＮ方向に対する動作方向を記憶している。すなわち、制御装置２０は、図４に示されるように、地磁気のＮ方向と第１水平直動機構１１の動作方向Ｘとのなす角度θを記憶している。本実施形態においては、動作方向Ｘと動作方向Ｙとは直交しているので、制御装置２０は、地磁気のＮ方向と動作方向Ｘとのなす角度θのみを記憶している。

これにより、制御装置２０は、地磁気のＮ方向を基準とすることにより、動作指令に含まれる第１方向が、動作方向Ｘ，Ｙに対してどの方向に配置されているのかを正確に算出することができる。
つまり、図４に示すように、地磁気のＮ方向と第１方向との間の角度αから地磁気のＮ方向と第１水平直動機構１１の動作方向Ｘとの間の角度θを減算することにより、第１水平直動機構１１の動作方向Ｘに対して第１方向のなす角度γを求めることができる。

そして、制御装置２０は、操作装置３０から送られてきた動作指令に含まれているモード情報が単軸モードである場合には、動作指令に含まれている長手軸Ｌの傾きβから水平直動機構か鉛直直動機構かを判断する。制御装置２０は、傾きβが４５°よりも小さい場合には、鉛直直動機構１３を動作させず、水平直動機構のみを動作させる。

この場合、制御装置２０は、さらに、第１方向が第１水平直動機構１１の動作方向Ｘまたは第２水平直動機構１２の動作方向Ｙのいずれの方向に近いかによって第１水平直動機構１１と第２水平直動機構１２のいずれを動作させるのかを判断する。

例えば、図３に示す例では、長手軸Ｌの鉛直面内における傾きβが４５°よりも小さいので、鉛直直動機構１３を動作させず、第１水平直動機構１１または第２水平直動機構１２を動作させることが選択される。
次いで、角度γが４５°以下か否かが判定され、角度γが４５°よりも大きいため、第２水平直動機構１２を動作させることが選択される。

したがって、図３に示す例では、制御装置２０は、長手軸Ｌの方向に、最も近似する第２水平直動機構１２を選択し、第２水平直動機構１２のみを、ダイヤル３１の回転角度に対応した動作量だけ動作させる。

また、操作装置３０から送られてきた動作指令に含まれているモード情報が単軸モードである場合において、長手軸Ｌの傾きβが４５°よりも大きい場合には、鉛直直動機構１３のみを動作させることが選択される。この場合には、制御装置２０は、鉛直直動機構１３のみを、ダイヤル３１の回転角度に対応した動作量だけ動作させる。

一方、動作指令に含まれているモード情報が複軸モードである場合には、まず、制御装置２０は、動作指令に含まれている長手軸Ｌの方向を各直動機構１１〜１３の動作方向Ｘ，Ｙ，Ｚの成分に分解し、各成分の比率を算出する。そして、各直動機構１１〜１３は、夫々対応する各成分の比率をダイヤル３１の回転角度に乗じた動作量だけ、制御装置２０によって動作させられる。

このように構成された本実施形態に係る産業機械の制御システム１００を用いた制御方法について、図２および図５を用いて、以下に説明する。
本実施形態に係る制御システム１００を用いて工作機械１０を制御するには、作業者が、例えば、左手で操作装置３０の装置本体３０ａを把持して、右手で操作装置３０を操作する。作業者はまず、切替スイッチ３５を操作して、単軸モードか複軸モードかを切り替える（ステップＳ１）。

次いで、作業者は、右手を切替スイッチ３５からダイヤル３１に置き換えて、操作装置３０の長手軸Ｌを作動させたい直動機構１１〜１３の動作方向Ｘ，Ｙ，Ｚに近づける。これにより、操作装置３０に内蔵されている地磁気センサ３２によって、地磁気のＮ方向に対する第１方向（角度α）が検出され、加速度センサ３３によって、長手軸Ｌの鉛直面内における傾きβが検出される（ステップＳ２）。

この状態で、作業者がダイヤル３１を回転させることにより、ダイヤル３１の回転角度に対応する動作量が入力される（ステップＳ３）。そして、動作指令生成部３６によって、設定されたモード情報と、検出された角度αおよび傾きβと、入力された動作量とを含む動作指令が生成される（ステップＳ４）。

生成された動作指令が送られてくると、制御装置２０は、動作指令に含まれているモード情報を確認する（ステップＳ５）。モード情報が単軸モードである場合には、制御装置２０は、動作指令に含まれている傾きβが４５°以下か否かを判断する（ステップＳ６）。

傾きβが４５°以下である場合には、制御装置２０は、地磁気のＮ方向に対する第１方向の角度αから角度θを減算した角度γが４５°以下であるか否かを判断する（ステップＳ７）。角度γが４５°以下である場合には、第１水平直動機構１１のみを動作させることを選択する（ステップＳ８）。角度γが４５°よりも大きい場合には、第２水平直動機構１２のみを動作させることを選択する（ステップＳ９）。

また、制御装置２０は、選択された水平直動機構１１，１２の動作量を、動作指令に含まれているダイヤル３１の回転角度に基づいて算出し（ステップＳ１０）、選択された単一の水平直動機構１１，１２を算出した動作量だけ動作させる（ステップＳ１１）。

一方、ステップＳ６において、傾きβが４５°よりも大きい場合には、制御装置２０は、鉛直直動機構１３のみを動作させることを選択する（ステップＳ１２）。そして、選択された鉛直直動機構１３は、ダイヤル３１の回転角度に対応した動作量だけ動作させられる。

また、ステップＳ５において、動作指令に含まれているモード情報が複軸モードである場合には、制御装置２０は、全ての直動機構１１〜１３を動作させることを選択する。この場合には、制御装置２０は、地磁気のＮ方向に対する第１方向の角度α、長手軸Ｌの傾きβおよび地磁気のＮ方向に対する動作方向Ｘの角度θを用いて、長手軸Ｌの方向を各直動機構１１〜１３の動作方向Ｘ，Ｙ，Ｚの成分の比率を算出する（ステップＳ１３）。

制御装置２０は、算出された各成分の比率にダイヤル３１の回転角度を乗ずることにより各直動機構１１〜１３の動作量を算出する（ステップＳ１０）。そして、制御装置２０は、各直動機構１１〜１３に対応する動作量だけ、各直動機構１１〜１３を同時に動作させる（ステップＳ１１）。

このように本実施形態に係る産業機械の制御システム１００および制御方法によれば、作業者は、操作装置３０を所望の方向に向けてダイヤル３１を操作するだけで、所望の直動機構１１〜１３を動作させることができる。これにより、作業者は、手元の操作装置３０を見ることなく、産業機械１０を所望する動作方向に動作させることができる。
また、操作装置３０の長手軸Ｌの方向を変更するだけで、動作させる直動機構を切り替えることもできるため、常に産業機械１０の動作を確認しながら操作することができ、誤操作を防止することができる。

また、単軸モードをおいては、作業者は、長手軸Ｌを、所望する方向に厳密に一致させることなく、大まかに向けるだけで、所望する水平直動機構または鉛直直動機構を動作させることができるという利点がある。
また、単軸モードと複軸モードを任意に切り替えることにより、作業者は、作業の内容や環境に応じて、適宜、最適な動作モードで工作機械１０を操作することができる。

なお、本実施形態においては、工作機械１０の第１水平直動機構１１、第２水平直動機構１２および鉛直直動機構１３を動作させる場合を例示して説明したが、これに代えて、第１水平直動機構１１および第２水平直動機構１２のみを動作させる場合に適用してもよい。
この場合には、操作装置３０は、装置本体３０ａの長手軸Ｌが鉛直面内において、どちらに傾いているのかを検知する必要がないため、加速度センサ３３を省略してもよい。

また、本実施形態においては、可動スイッチ３１はダイヤル式を例示したが、これに限定されるものではなく、スライド式やローラー式など任意の態様でよい。
また、産業機械１０として、５軸工作機械を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、直動機構を有するロボットなど任意の産業機械１０を採用してもよい。

また、本実施形態においては、第１方向の傾きβ＝４５°の場合には、鉛直直動機構１３のみを動作させ、角度γ＝４５°である場合には、第２水平直動機構１２のみを動作させることとした。これに代えて、β＝４５°±Δβ、およびγ＝４５°±Δγ（Δβ、Δγは任意。）の領域に不感帯を設定してもよい。

第１方向が不感帯の領域内にある場合には、制御装置２０は、直動機構１１，１２，１３を全て停止させる。これにより、作業者は、いずれかの直動機構１１〜１３の動作方向に、操作装置３０の長手軸Ｌをより近づけて不感帯から離脱させることにより、動作させたい直動機構１１〜１３を明確に選択することができる。

また、本実施形態においては、第１水平直動機構１１の動作方向Ｘと第２水平直動機構１２の動作方向Ｙとが直交している場合を例示したが、直交していなくてもよい。この場合には、第１水平直動機構１１の動作方向と第２水平直動機構１２の動作方向との相対角度をさらに記憶しておけばよい。そして、第１方向と各動作方向とのなす角度の小さい方を動作させる直動機構として選択すればよい。

１０ 産業機械（工作機械）
２０ 制御装置
３０ 操作装置
３１ ダイヤル（可動スイッチ）
３２ 地磁気センサ
３３ 加速度センサ
１００ 制御システム
Ｌ 長手軸

Claims (8)

1. 動作指令を発生させる操作装置と、
   該操作装置により発生した動作指令に基づいて産業機械を制御する制御装置とを備え、
   前記産業機械が、水平方向に動作する複数の水平直動機構を備え、
   前記操作装置が、長手軸を備えるとともに、該長手軸を水平面に投影した第１方向を検出する地磁気センサと、前記長手軸に沿う方向への動作量を変位によって入力する可動スイッチとを備え、
   前記制御装置が、前記地磁気センサにより検出された第１方向に対応する水平方向に、前記可動スイッチに入力された前記動作量だけ、少なくとも１つの前記水平直動機構を動作させる産業機械の制御システム。
2. 前記産業機械が、鉛直方向の動作成分を有する１つ以上の鉛直直動機構を備え、
   前記操作装置が、前記長手軸を含む鉛直面内おける該長手軸の方向の傾きを検出する加速度センサを備え、
   前記制御装置が、前記加速度センサにより検出された傾きに対応する鉛直方向に、前記可動スイッチに入力された前記動作量だけ、少なくとも１つの前記鉛直直動機構を動作させる請求項１に記載の産業機械の制御システム。
3. 前記制御装置が、地磁気に対する各前記水平直動機構の動作方向を記憶し、前記第１方向に最も近似する動作方向を有する単一の前記水平直動機構を動作させる請求項１に記載の産業機械の制御システム。
4. 前記制御装置が、地磁気に対する各前記水平直動機構の動作方向を記憶し、各前記水平直動機構および前記鉛直直動機構の内、前記長手軸の方向に最も近似する動作方向を有する単一の前記水平直動機構または前記鉛直直動機構を動作させる請求項２に記載の産業機械の制御システム。
5. 前記制御装置が、地磁気に対する各前記水平直動機構の動作方向を記憶し、前記第１方向を各前記水平直動機構の動作方向の成分に分解し、分解された前記成分に応じた比率を前記動作量に乗じた量だけ、各前記水平直動機構を動作させる請求項１に記載の産業機械の制御システム。
6. 前記制御装置が、地磁気に対する各前記水平直動機構の動作方向を記憶し、前記長手軸の方向を各前記水平直動機構および前記鉛直直動機構の動作方向の成分に分解し、分解された前記成分に応じた比率を前記動作量に乗じた量だけ、各前記水平直動機構および前記鉛直直動機構を動作させる請求項２に記載の産業機械の制御システム。
7. 複数の水平直動機構を備える産業機械を制御する制御方法であって、
   作業者により所望の方向に向けられた操作装置の長手軸を水平面に投影した第１方向を検出し、
   前記作業者により入力された、前記長手軸に沿う方向への可動スイッチの変位を検出し、
   前記第１方向に対応する少なくとも１つの前記水平直動機構を、前記変位に対応する動作量だけ動作させる産業機械の制御方法。
8. 産業機械が、１つ以上の鉛直直動機構を備え、
   前記操作装置の前記長手軸を含む鉛直面内における該長手軸の傾きを検出し、
   検出された前記傾きに対応する少なくとも１つの鉛直直動機構を、前記変位に対応する前記動作量だけ動作させる請求項７に記載の産業機械の制御方法。

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