JP2603167B2 - ピクチャーカム変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は各種機構を予め定められたように
作動させる装置に係り、より具体的には機構の作動に対
応するよう構成されたピクチャーカムの作動情報により
制御対象の作動を制御するように構成されたことを特徴
とするピクチャーカム変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種機構に対して所定の動作を行わせる
手段として、従来よりカムは重要な機能を果たしてきて
いる。作動対象機構の動作を正確に、かつ複雑に実現す
るためカム製造に於ける精度の要求は極めて高く、この
ため機構部品のうちでも最も製造が困難な高級部品とな
っている。しかし自動化の基本システムにおいて、カム
はシステムの巧妙性を実現するための最も有力な手段で
ある。

【０００３】例えばごく単純な例として図９に示すドリ
ル装置１００を用いてワーク１０３に対して径の小さい
孔を明ける孔明け作業を考える。この場合作業者は細い
ドリルの刃１０１の曲がりや折れに注意しながら作業を
進める必要があり、この結果レバー１０２を矢印の如く
細かく往復させて刃１０１の前進・後退を微妙に行いな
がら作業を進めることになる。

【０００４】この動作をカムを用いて実現すると図１０
の如くなる。即ち、作業者の手の動きに相当する曲線を
持ったカム１０４を作成し、このカム１０４をコントロ
ーラ１０５の制御の下に作動するモータ１０６により駆
動し、かつカム１０４の回動による曲線部分の変位をカ
ムフォロワ１０７で追従し、かつこのカムフォロワ１０
７の作動により前記ドリルの刃１０１を昇降させて孔明
けを行う。なお符号１０８はカム１０４の作動の開始・
停止を行うためのリッミトスイッチ、１０９はワーク１
０３を検出する近接センサである。

【０００５】以上の作動をブロック図として示すと図１
１の如くなる。

【０００６】即ち、イダンクションモータ等の等速型ア
クチュエータ１１０をリレーシーケンス回路等のオン・
オフ型のコントローラ１１１で制御し、かつこの制御部
に対してはカム１０４の一回転を検出するリミットスイ
チ１０７であるオン・オフ型センサの信号がフィードバ
ックされるように構成され、システムの動作特性は全て
カム１０４という不均等変換のメカニズムに任せられて
いる。より具体的にはカム１０４の有する曲線が機構動
作の「巧妙性代行の手段」として用いられ、作業者が注
意深く巧妙にドリルの進み具合を操作した場合と同様に
ドリルの前進・後退を司っている。

【０００７】然し、自動化が所謂ファクトリーオートメ
ーション（ＦＡ）から、より柔軟性のあるフレキシブル
ファクトリーオートメーション（ＦＦＡ）に移行するの
に伴って上記カムを用いたシステムでは不十分な面が多
くなってきた。例えば最近のように多品種少量生産が常
態化してくると生産ラインでは新品種投入の度にカムを
作り替えねばならずＦＦＡ化は事実上不可能となってし
まう。

【０００８】そこで、前記の図１０に示すシステムの代
わりに、例えば図１３に示すように送りねじ１１５のよ
うな均等変換のメカニズムと、サーボモータ１１２とマ
イクロコンピュータ程度の演算能力を有する制御装置１
１３を有する可変速型駆動機構を用い、パルスエンコー
ダのような計測型センサでフィードバック信号をとるよ
うに構成すれば、制御装置１１３のプログラム（以下
「ソフトウエア」と称する）を変更するだけで部品とし
てのカムを製作することなく任意の曲線のカムを使用し
た場合と同じ制御をすることが可能となり、非常に柔軟
なシステムを構築することができる。なお符号１１６は
制御装置１１３の命令を仲介してサーボモータ１１２を
直接制御するドライビングユニットである。

【０００９】図１２は上記の作動を示すブロック図であ
る。

【００１０】このシステムはそれ自体としては全く特徴
のない均等変換型のシステムであり、システムの作動特
性ではサーボモータ１１２等の可変アクチュエータとこ
の可変アクチュエータを制御するマイクロコンピュータ
１１３等の可変制御型制御装置とにその動作特性の全て
を頼っている。なお以下において、特に断りが無い場合
は「制御装置」の語はこの「可変制御型制御装置」を示
す。

【００１１】このシステムにおいて特徴的なことは、制
御装置のソフトウエアがカム曲線に相当する情報を有し
ていることである。即ち機械部品としてのカムはこの
「情報」と「力の伝達能力」の両方を有しているわけで
あるが、このソフトウエアはこのうち前者の「情報」の
みを有する一種のカムと考えることができる。この情報
としてのカムを以下「インフォーメーショナル・カム」
（情報カム／「インフォーメーション・カム」と称され
ることもある）と称する。

【００１２】現在、産業用ロボットと称される自動装置
の殆どがこのインフォーメーショナル・カムの一種であ
るソフトウエアカムにより駆動されている。

【００１３】ここで、インフォーメーショナル・カムは
情報としてのカムであるから、情報の入力対象としては
切り型（テンプレート）であっても、また絵（ピクチャ
ー）であっても、更にはコンピュータのメモリーとして
入力され人間の視覚には訴えない情報であってもよい。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した如く、
今日ではソフトウエアカムは自動化システムを構築する
上で欠くことができないものとなっている。ソフトウエ
アカムの構成の手順の一例を、ステッピングモータやデ
ジタルサーボモータを用いる機構の場合を例に説明す
る。

【００１５】例えばステッピングモータをサインカーブ
に沿った速度特性で駆動させる場合には次の如くなる。

【００１６】（１）ステッピングモータは１パルス当た
りの進み量が一定であるから、速度制御はパルス間隔を
変えることでしか実現できない。そこで先ず速度−時間
特性を積分することによって時間−変位特性を算出す
る。

【００１７】（２）時間に対する変位を表す式が求めら
れたならば、この式の逆関数を求める。この逆関数が求
まれば一定距離を移動する時間を求めることが出来る。

【００１８】（３）ステッピングモータに１パルス送っ
たときの進み量を例えばΔｘとしてパルス数Ｎでフルス
トローク動くと設定する。

【００１９】（４）ｉ回パルスを送ったとの進み量ｘｉ
を求める。

【００２０】（５）ｉ番目の時刻Ｔｉを求める。

【００２１】（６）ｉ番めのパルスを出してから次の
（ｉ＋１）番目のパルスを発生するまでの待ち時間ΔＴ
_ｉ（パルス間隔）を求める。

【００２２】（７）（１）〜（６）によりサインカーブ
の速度特性を実現するパルス発生間隔ΔＴ_ｉの一覧表を
作成する式を求める。

【００２３】（８）（７）で求めた式を用いて演算し、
一覧表を作成する。この一覧表が即ちソフトウエアカム
である。

【００２４】（９）算出した値に従って順次パルスを発
生してステッピッグモータを駆動することによりサイン
カーブの速度特性を持った作動を実現する。

【００２５】以上（１）〜（９）に示す如くソフトウエ
アカムの作成に当たっては比較的単純な計算式に乗るも
のでもかなり複雑な手順を経る必要があり、かつ各手順
で行う計算も結果的には複雑なものとなる。まして手作
業の巧妙性のような微妙な動作を必要とする場合には近
似式を用いる等極めて厄介である。

【００２６】図８は発明者が構成したソフトウエアカム
確認装置である。

【００２７】この装置においてソフトウエアカム計算用
のパーソナルコンピュータ１１７からのパルスはインタ
ーフェイスボード１１８、ドライブユニット１１９を経
てステッピングモータ１１６に伝えられる。ステッピン
グモータ１１６の作動により送りねじ１２０が駆動し、
これに連結された制御対象である直進テーブル１２１が
駆動される。ステッピングモータ１１６に対するパルス
間隔が前記パーソナルコンピュータ１１７内のメモリー
にあるΔＴｉの表に比例した値で与えられれば直進テー
ブル１２１の移動特性は正確なサインカーブの移動特性
を示すことになる。この直進テーブル１２１の移動をポ
テンショメータ１２２で検出しかつ検出信号は変位・速
度特性表示用のパーソナルコンピュータ１２３に出力さ
れ、同パーソナルコンピュータ１２３において、制御対
象である前記直進テーブル１２１の移動特性を解析し、
制御対象が目的どおりの作動特性をもって作動している
か否かを検査する。

【００２８】以上の如くソフトウエアカムは従来、先に
示した如く数式により表現されるのが一般であるが、比
較的単純なサインカーブに即した速度特性を得るだけで
も前述の如く複雑な手順と複雑な演算を行う必要があ
る。このため人間による操作と同じような巧妙複雑な作
動は数式で表現できない場合も多く、数式で近似すると
しても極めて複雑な手順で大量かつ複雑な演算をする必
要が生じる。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の問題点に
鑑み構成されたものであり、絵または線図として表現さ
れたカム曲線、即ちピクチャーカムに基づいて上記のよ
うな複雑な演算を行うことなく目的とする制御対象が所
定の動作特性を実現するソフトウエアカムを生成するこ
とが可能な装置であることを特徴とする。

【００３０】即ちピクチャーカムを制御装置に対してソ
フトウエアカムとして取り込むよう構成された装置であ
って、目的とする制御対象を所定の方向に駆動する駆動
機構に加えて、ピクチャーカムをこの駆動方向と直交す
る方向に移動させる駆動機構と、このピクチャーカムの
輪郭を検出するセンサと、このセンサを前記移動方向と
直交する方向に移動させる駆動機構を独立に、或いはセ
ンサを前記制御対象に一体的に取り付けることにより当
該センサの駆動機構と制御対象の駆動機構を共有するよ
うにし、ピクチャーカムを移動させ、この移動量とカム
曲線の変位方向とを制御装置に記録してソフトウエアカ
ムとすることを特徴とする装置である。一般に、カムを
用いる自動化機構の設計に際しては、目標とする動作特
性を「時間に対する変位曲線」として設計作図するのが
通例であが、本発明では設計段階で描いた曲線そのもの
をソフトウエアカムとして制御装置のメモリーに取込む
ことによりカム曲線として直接利用するよう構成され
る。

【００３１】

【作用】上述のソフトウエアカムによりステッピングモ
ータやサーボモータが駆動される。この結果機械加工が
不要であること、数式による近似等の手続が不要である
こと、及び駆動源のステッピングモータやサーボモータ
から制御対処に至る伝達メカニズムの機構内容に関する
演算も全く不要とであることからカムの出力特性の実現
までの時間は極端に短縮される。また制御装置に対して
は基本的には複雑な演算は要求されない。

【００３２】

【実施例】先ず本発明装置を具体的に説明するのに先立
って本発明装置の読込対象となるピクチャーカムについ
て説明する

【００３３】ピクチャーカムは絵として表現されたカム
であり、例えば図１に示す如きものである。このピクチ
ャーカムＰの斜線部と余白部との境界線がカム曲線ＣＬ
であって、時間軸を横にとると縦方向の変化量が変位
を、その傾きが速度の特性を表していることになる。

【００３４】ピクチャーカムＰを時間−変位特性として
グラフ表示すれば図２の如くなる。この図を用いてピク
チャーカムの特性の再現方法を示す。

【００３５】ステッピングモータやサーボモータでピク
チャーカム曲線ＣＬの変位特性を再現する場合、１パル
ス入力する毎の回転量（変位量）が一定となるから、ｉ
番目のパルスを発生し終わったときの位置（変位）をＰ
_ｉとすると、Ｐ_ｉの位置に達する時刻は図のＴ_ｉに相当
する。次のパルスを発生してＰ_ｉ＋１の位置に達したと
きの時刻はＴ_ｉ＋１であるから、パルスの発生時間間隔
はＴ_ｉ＋１−Ｔ_ｉとなる。従って、このＴ_ｉ＋１−Ｔ_ｉ
に相当する時間を求めて、その時間間隔毎にパルスを発
生してステッピングモータまたはサーボモータ等のデジ
タル駆動機構を駆動させればピクチャーカムの特性を再
現することができる。

【００３６】図３はピクチャーカムからパルス発生間隔
を求めるシステムの構成例を示す。図中Ｐはピクチャー
カム、２はピクチャーカムＰを移動させるベルトコンベ
ヤ、３はベルトコンベヤ駆動用のサーボモータ、４はサ
ーボモータ３とベルトコンベヤ２との間に配置された減
速ギヤ、５はサーボドライバであってインターフェイス
盤６と接続している。７は光電センサである。

【００３７】ピクチャーカム変換装置を制御対象と独立
して構成し、前記直進テーブル１２１等の制御対象の制
御とは別にピクチャーカムのデータの取り込みのみを独
立して行い、当該データに基づいて後刻ことも当然可能
であるが、図示の如く当該光電センサ７を制御対象に一
体的に取り付ければＹ軸方向のセンサの移動はこの制御
対象と共に行うことになり制御対象用の駆動装置作動に
関する演算処理全く不要となる。

【００３８】８はこの制御対象である光電センサが載置
されいている直進テーブル、９は直進テーブル８を駆動
する送りねじ、１０はこの送りねじ９を駆動するステッ
ピングモータである。また１１は光電センサコントロー
ラであって前記インターフェイス盤６に接続されてい
る。１２はこれらの機構を制御する制御装置たるパーソ
ナルコンピュータである。

【００３９】ピクチャーカムＰのカム曲線ＣＬを読み取
る光電センサ７は前述の如く直進テーブル８上に載置固
定され、この直進テーブル８を、ステッピングモータ１
０により回動する送りねじ９を用いて前進・後退させ
る。なお図示の構成ではステッピングモータ１０の回転
出力を直線動作に変換する際に、このステッピングモー
タ１０の回転出力を減速させる意味も兼ねて送りねじ８
が用いられている。ステッピングモータ１０の駆動パル
ス信号はインターフェイス盤６を介して制御装置１２か
ら出力され、これにより光電センサ７は制御装置１２の
制御の下にカム曲線ＣＬの変位に追従可能に構成されて
いる。

【００４０】一方ピクチャーカムＰの時間方向への変位
（移動）はサーボドライバ５により制御されるサーボモ
ータ３により減速ギヤ４を介してベルトコンベヤ２を作
動させることによって行われる。即ち、ベルトコンベヤ
２に設けられたピクチャーカムＰはインターフェイス盤
６のサーボドライバ５のパルス入力端子に１パルス送る
毎に１ステップずつゆっくりと移動する。

【００４１】ここで、本装置はステッピングモータ１０
とサーボモータ３を適宜作動させることにより光電セン
サ７をカム曲線ＣＬに追従させ、かつこの追従に必要と
するステッピングモータ１０とサーボモータ３の作動か
らカム曲線ＣＬの特性を読み取るものである。このため
各モータ１０および３の作動に要したパルス数をカウン
トすることになる。

【００４２】ステッピングモータ１０により光電センサ
７を移動させる送り量は前記図２のΔＹに相当する。境
界線であるカム曲線ＣＬに極めて近接した位置でオンと
なっていた光電センサ７がΔＹだけ移動すると一旦はオ
フとなるので、今度はピクチャーカムＰの方を時間軸方
向に移動させ、光電センサ７が再びオンとなったならば
ピクチャーカムＰの移動を停止させる。この送り量Ｔ_ｉ
は図２にからも明らかなとおり下記式で示される量に相
当する。

【００４３】 ΔＴ_ｉ＝Ｔ_ｉ＋１−Ｔ_ｉ

【００４４】また移動量はサーボモータ３に与えたパル
ス数に比例するのでそのパルス数を前記ΔＴ_ｉのデータ
と見なすことができる。

【００４５】図４は上記したΔＴ_ｉの測定方法を示す。
先ずセクションＡにおいて光電センサ７は初期位置ａで
オンとなっいる。次にセクションＢにおいて光電センサ
７をΔＹだけステップ送りして新たな位置ｂ（Ｙ方向へ
の送り量は一定のであるのでこの位置をΔＹ１とする）
に変位させ、これにより光電センサ７はオフとなる。続
いてセクションＣにおいてピクチャーカムＰを時間軸方
向にΔＸだけ移動させてｂの位置にある光電センサ７が
境界線、つまりカム曲線ＣＬを検知することによって同
センサ７は再度オンとなるようにする。以上セクション
ＡないしＣの動作において、ピクチャーカムＰをΔＸだ
け移動するために前記サーボモータ３に送ったパルス数
をカウントし、このカウント値がΔＴ_ｉとなる。このよ
うにして光電センサ７をΔＹ２、ΔＹ３・・・と噴次移
動させ、これらΔＹ２、ΔＹ３・・・に対応するＴ軸方
向のパルス数ΔＴｉＮ１、ΔＴｉＮ２・・・をカウント
する。

【００４６】図５は上述の動作を自動的に実行する工程
を示すフロー図である。このフローからも分かるとお
り、この工程では光電センサ等のセンサの応答特性のヒ
ステリシスや、機構のバックラッシ等を考慮して、常に
同じ方向に移動させる状態でカム曲線を検出するように
なっている。

【００４７】図５の工程を採用することによりカム曲線
の読み取りは基本的には可能となる。しかしこの工程で
は一方増加型のカム曲線以外の読み取りはできず汎用性
に欠ける。図６はこの点を考慮して任意の曲線を読み取
ることが可能なように構成されている。即ち、この工程
はΔＴ側を最小ピッチでピッチ毎に前進させ、その前進
の都度ピクチャーカムの境界位置をセンサのＹ方向移動
により検出し、これが所定のΔＹになったところでΔＴ
のステップを記録することにより任意の曲線を読み取
り、ピクチャーカムに示されるカム曲線をソフトウエア
カムとして取込み記憶するよう構成される。

【００４８】このようにピクチャーカムに示されるカム
曲線に基づいてΔＴ_ｉの一覧表を構成しコンピュータの
メモリ内に格納したものがソフトウエアカムであり、こ
のソフトウエアカムをカムとしての移動特性で実働させ
るために先に示した図８や図１３の装置を用いる。

【００４９】この装置を駆動する駆動用プログラムは、
例えば一覧表のうちＴ_ｉのデータをとり、その数値分だ
けタイマ（例えばプログラムされているソフトウエアタ
イマ）で時間待ちした後、前記一覧表に記録されている
方向指示データに従って正転または逆転のパルスを出力
して機構の駆動装置を作動させる。続いて次のデータＴ
_ｉ＋１に進み、同じ手順で正転または逆転のパルスを出
力する。この工程を繰り返すことによりソフトウエアカ
ムに沿った動作を機構に行わせる。

【００５０】以上の方法により図１に示すピクチャーカ
ムＰに基づいて構成されたソフトウエアカムを用いて図
８の機構を駆動させた結果を図７に示す。この図７から
も明らかなように位置データの特性が図１に示すピクチ
ャーカムＰのカム曲線ＰＬと良く一致していることが分
かる。

【００５１】以上に示した如く、本発明はピクチャーカ
ムに示された曲線を、Ｙ軸側に等分割し、等分割した際
のＴ軸の変動を読み、この変動をソフトウエアカム構成
のためのタイマーの基本データとすることに特徴を有す
るものである。従って本発明装置の具体的構成例は図３
に示すものであるが、もとよりこの構成に限定されるも
のではなく例えば次のような構成であってもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上に示したように、本発明は図形とし
て表示されたピクチャーカムの変位を読み取ることによ
りソフトウエアカムを構築することが可能な装置である
ので、ソフトウエアカムを構築する際に複雑な手順で複
雑な演算をする必要がなくなる比較的小容量の演算装置
であっても装置として素早くカムの変更に対応すること
が可能となる。

【００５３】またセンサを制御対象と一体化することが
可能であるため、センサの作動と制御対象の作動とが一
体化し、制御対象の作動を行う機構に対して特別に制御
信号を発する必要がなく従ってこの点からも演算の簡素
化が可能である。

【００５４】さらに制御対象の機構作動の洗練性を得る
ための試行錯誤過程を極めて効率良く実施することが可
能となり、特にＦＦＡを構成する機構の作動変更等を短
時間で実現でき大きな効果を発揮することができる。

【００５５】またさらに従来演算不能であったような手
作業による巧妙性等も自動化システムに取り込み自動化
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピクチャーカムの一例を示す図である。

【図２】ピクチャーカムの時間−変位特性を示す線図で
ある。

【図３】ピクチャーカム曲線を再現するためのパルス間
隔の測定システムを示す図である。

【図４】ピクチャーカムの移動とセンサの移動との関係
の変遷を示す図である。

【図５】一方増加型のカム曲線の読込動作を示すフロー
図である。

【図６】任意のカム曲線の読込動作を示すフロー図であ
る。

【図７】ピクチャーカムの読み取りデータから再現した
サーボモータの作動試験結果を示す線図である。

【図８】ソフトウエアカムによるステッピングモータ駆
動実験装置の斜視図である。

【図９】人手によるドリル装置の操作状態を示す概略図
である。

【図１０】機械部品たるカムを用いてドリル装置を作動
させるうよう構成した装置の機構図である。

【図１１】機械部品たるカムを用いて機構を制御する場
合の制御ブロック図である。

【図１２】インフォーメンションカム用いて機構を制御
する場合の制御ブロック図である。

【図１３】インフォーメンションカム用いた制御機構を
有するドリル装置の概略図である。

【符号の説明】

２ ベルトコンベア ３ サーボモータ ６ インターフェイス盤 ７ 光電センサ ８ 直進テーブル ９ 送りねじ １０ ステッピングモータ １２ パーソナルコンピュータ Ｐ ピクチャーカム ＣＬ カム曲線

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象の変位量を示すＹ軸と当該Ｙ軸
   に直交する時間軸であるＴ軸とにより制御対象の変位を
   カム曲線として表示したピクチャーカムにおける当該カ
   ム曲線をソフトウエアカムとして取り込み制御対象を制
   御する装置であって、前記制御対象はＹ軸方向に駆動す
   る駆動機構を供え、ピクチャーカムをＴ軸方向に駆動す
   る駆動機構と、ピクチャーカムに表示されたカム曲線を
   検出するセンサとを有し、これらＹ軸方向の駆動機構と
   Ｔ軸方向の駆動機構とはその駆動方向が相互に直交する
   よう配置され、かつ当該センサは前記制御対象に一体的
   に取り付けられることにより当該制御対象と共にＹ軸方
   向に移動可能に構成され、当該センサ及び制御対象をＹ
   軸方向へ微小単位ΔＹをもって変位させ、かつピクチャ
   ーカムをＴ軸方向に駆動することにより当該微小単位変
   位量ΔＹに対応するカム曲線のＹ軸方向変位と一致する
   点を当該センサによって検出することにより、制御対象
   をソフトウエアカムに対応してセンサと共に直接作動さ
   せるよう構成したことを特徴とするピクチャーカム変換
   装置。
2. 【請求項２】 変位量を示すＹ軸と、Ｙ軸に直交する時
   間軸たるＴ軸を有し、これらＹ軸とＴ軸とにより構成さ
   れた平面は余白領域とこの余白領域よりも明度が低い着
   色領域とに分けられ、両領域の境界線をカム曲線とする
   ピクチャーカムに示されたカム曲線により制御対象の作
   動を制御する装置であって、ピクチャーカムをＴ軸方向
   に所定量ΔＴｉを以て順次ステップ移動させる手段と、
   制御対象に取り付けられピクチャーカムにおける余白領
   域と着色領域とをオン信号及びオフ信号として検出する
   センサと、このセンサおよび制御対象をＹ軸方向に順次
   所定量ΔＹを以てステップ移動させる駆動手段と、記憶
   手段とを有し、ΔＹを以て予めセンサをΔＹ１にステッ
   プ移動させ、次にピクチャーカムをΔＴｉを以て順次移
   動させ、センサがオン信号を発した時点のＴ軸方向移動
   量ΔＴｉＮ１をΔＹ１におけるデータとして記憶手段に
   取り込み、同様にしてセンサをΔＹを以て次のΔＹ２に
   移動させ、センサが再度オン信号となった移動量ΔＴｉ
   Ｎ２をΔＹ２におけるデータとして取り込み、ΔＹ毎の
   センサの移動量に対応するピクチャ ーカムの移動量を順
   次取り込むことにより制御対象をセンサと共にソフトウ
   エアカムに対応して直接作動させ、かつ前記ピクチャー
   カムのカム曲線をセンサ所定量の移動に対応するピクチ
   ャーカムの移動量として記憶手段に記憶するよう構成し
   たことを特徴とするピクチャーカム変換装置。