JP6262706B2 - カム形状データ作成装置及び同期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、カム形状データ作成装置及び同期制御装置に関し、特にカム形状データに定義された従動軸の動作と、実際の従動軸への指令動作と、の誤差を調整する技術に関する。

従来より、機械カムと同様の動作を電気的に実現する、電子カムが使用されている。電子カムの制御にあたっては、まずカム形状データ作成装置が、駆動軸の位相と従動軸の変位との対応関係を定義したテーブル（カム形状データと称する）を予め定義しておく。そして、同期制御装置が、カム形状データに基づき、駆動軸の位相に同期する従動軸の変位を求め、従動軸を位置決めする。これにより、ある形状を有する機械カムと同等の動作を電気的に再現できる。

このような電子カム制御において、駆動軸の回転速度を大きくすると位置決めに使用されない定義点（カム形状データに含まれる、駆動軸の位相と従動軸の変位との対データのこと）が発生することがある。カム形状データでは通常、駆動軸の位相をある一定の間隔θ_０で設計する。ここで、同期制御装置が実際に従動軸へ指令動作を行う周期（制御周期という）をτとする。この制御周期τごとの駆動軸の位相変化量を位相間隔θとする。位相間隔θは、駆動軸の回転速度に応じて決まる。図８に示すように、カム形状データに定義された駆動軸の位相の間隔θ_０と、駆動軸の実際の位相間隔θが一致する場合、各定義点は必ず指令され、カム形状データ作成時に想定されたとおりに電子カムは動作する。一方、駆動軸の回転速度がこれより速くなり、カム形状データにおける駆動軸の位相の間隔θ_０よりも位相間隔θが大きくなった場合は、指令されない定義点が発生する。この場合の従動軸の実際の動作は、図８の右側のグラフにおいて実線で示すようなものとなるであろう。これにより、カム形状データに定義された従動軸の動作と、実際の従動軸への指令動作に誤差が発生し、例えば電子カムが最大ストロークを出せなくなるなどの問題が生ずる。この誤差は、特に変位の変化が大きい箇所では発生しやすい。

従来は、同期制御装置が実際に従動軸への指令動作を行って電子カムを動作させ、その際の位置偏差、すなわち実際の従動軸の変位とカム形状データに定義された従動軸の変位との誤差を確認し、その誤差を補正する制御をさらに行うことで上記問題を解決していた。例えば特許文献１には、位置指令に従ってサーボ系を制御する電子カム制御方法において、位置指令に対するサーボ系の追従遅れによる位相遅れ量が生じたならば、位相遅れ量を考慮した位置指令の先出しを行うことによって、位相遅れを補償することが記載されている。

特開平７−１０４８５５号公報

特許文献１では、制御装置が実際に機械を動作させて、位置偏差を確認している。しかしながら、実機の動作で確認する方法は、機械が誤動作する可能性もあるので、安全上好ましくない。また、電子カムの指令動作は、カム形状データと駆動軸の回転速度との関係によって決まってくるが、実機による調整ではこれらの関係を視覚的に確認する手段がなく、試行錯誤に頼らざるをえないため、多くの手間と時間を要する。よって、駆動軸の回転速度と、カム形状データに定義された定義点と、の誤差の発生状況を、実機を動作させる前に確認できることが望ましい。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、カム形状データに定義された従動軸の動作と、実際の従動軸への指令動作と、の誤差を容易に調整することができるカム形状データ作成装置及び同期制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかるカム形状データ作成装置は、駆動軸の位相と、従動軸の変位である設定変位と、を対応付けたカム形状データを設定するカム形状データ設定手段と、前記駆動軸の回転速度を設定する駆動軸回転速度設定手段と、前記従動軸の変位にかかる許容誤差を設定する許容誤差設定手段と、前記カム形状データに基づいて、前記駆動軸が前記回転速度で回転する場合の前記従動軸の変位である予測変位を求める従動軸変位予測手段と、前記設定変位及び前記予測変位を比較可能に表示するとともに、前記設定変位と前記予測変位との誤差が前記許容誤差以内であるか否かによって前記表示の形態を変える表示手段と、を有するものである。

他の実施の形態にかかるカム形状データ作成装置は、前記駆動軸の前記回転速度を変化させる駆動軸回転速度調整手段をさらに有し、前記従動軸変位予測手段は、前記回転速度の変化に応じて前記予測変位を変化させるものである。

他の実施の形態にかかるカム形状データ作成装置において、前記駆動軸回転速度調整手段は、前記駆動軸の前記回転速度を自律的に変化させて、前記誤差が前記許容誤差以内となる前記回転速度の最大値を算出するものである。

他の実施の形態にかかるカム形状データ作成装置において、前記駆動軸回転速度調整手段は、前記駆動軸回転速度設定手段に設定された前記回転速度を漸次減速させることにより、前記誤差が前記許容誤差以内となる前記回転速度の最大値を算出するものである。

他の実施の形態にかかる同期制御装置は、上記カム形状データ作成装置と通信可能な同期制御装置であって、前記カム形状データ設定手段で設定された前記カム形状データを記録するカム形状データ記録手段と、前記駆動軸回転速度調整手段が算出した前記回転速度の最大値を記録する最大回転速度記録手段と、前記回転速度の最大値で前記駆動軸を回転させ、前記カム形状データに基づいて従動軸を制御する駆動軸回転速度制御手段と、を有するものである。

本発明により、カム形状データに定義された従動軸の動作と、実際の従動軸への指令動作と、の誤差を容易に調整することができるカム形状データ作成装置及び同期制御装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかるカム形状データ作成装置１００の動作を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかるカム形状データ作成装置１００に対する情報設定方法を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかるカム形状データ作成装置１００の動作を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかるカム形状データ作成装置１００の動作を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかるカム形状データ作成装置１００に対する情報設定方法を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかるカム形状データ作成装置１００の動作を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかるカム形状データ作成装置１００に対する駆動軸のクランプ回転速度を求めるフローチャートである。 従来のカム形状データ作成装置の動作を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかるカム形状データ作成装置１００の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかる同期制御装置２００の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
＜実施の形態１＞
図９は、本発明の実施の形態１にかかるカム形状データ作成装置１００の構成を示すブロック図である。カム形状データ作成装置１００は、従動軸変位予測手段１０１、駆動軸回転速度設定手段１０３、許容誤差設定手段１０５、表示手段１０７、駆動軸回転速度調整手段１０９、カム形状データ設定手段１１１を有する。

カム形状データ作成装置１００は、典型的にはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やマイクロコンピュータ等の情報処理装置である。カム形状データ作成装置１００は、ＣＰＵが、記憶領域に格納されたプログラムに従って所定の処理を実行することにより、種々の処理部を論理的に実現する。

カム形状データ設定手段１１１は、カム形状データの入力を受け付ける。カム形状データは、駆動軸の位相と、従動軸の変位と、を対応付けたデータである。カム形状データ設定手段１１１は、典型的には、図２に示すようなテーブルを表示手段１０７に表示させ、ユーザによるデータの入力を受け付け、入力結果を記憶する。

駆動軸回転速度設定手段１０３は、駆動軸回転速度の入力を受け付ける。駆動軸回転速度は、例えば、駆動軸の角速度ω（ｒａｄ／ｓ）、駆動軸の回転周期Ｔ（ｓ）、又は駆動軸の回転数Ｎ（ｒｐｍ）などで表される。駆動軸回転速度設定手段１０３は、典型的には、図２に示すようなテーブルを表示手段１０７に表示させ、ユーザによる数値入力を受け付け、入力結果を記憶する。

許容誤差設定手段１０５は、許容誤差の入力を受け付ける。許容誤差は、カム形状データとして定義された従動軸の変位と、実際の指令動作における従属軸の予測変位との差分を示す値である。許容誤差は、図２に示すように、駆動軸の各位相毎に異なる値を定義することとしてもよい。許容誤差設定手段１０５は、典型的には、図２に示すようなテーブルを表示手段１０７に表示させ、ユーザによる数値入力を受け付け、入力結果を記憶する。

従動軸変位予測手段１０１は、駆動軸回転速度設定手段１０３で設定された回転速度で駆動軸を回転させた場合の従動軸の変位を、カム形状データ設定手段１１１で設定したカム形状データに基づいて予測する処理を行う。例えば、従動軸変位予測手段１０１は、駆動軸の位相と、従動軸の変位と、を両軸とする座標平面上に、カム形状データ設定手段１１１で設定された定義点をプロットする。

次に、従動軸変位予測手段１０１は、駆動軸回転速度設定手段１０３で設定された回転速度を用いて、実際に指令動作の対象となる定義点を抽出する。例えばいま、カム形状データが１５°間隔で定義されており、駆動軸の回転速度が毎秒３６０°であり、同期制御装置２００の制御周期τが１／８秒であるものとする。この場合、位相間隔は３６０／８＝４５°である。換言すれば、指令動作は駆動軸の位相が４５°変化する毎に実行されることになる。すると、本来、駆動軸の位相１５°毎に定義されている定義点は、実のところ１／３しか指令動作に利用されないことになる。従動軸変位予測手段１０１は、位相間隔が進む毎に、指令動作に利用できる定義点を抽出し、抽出した定義点を結ぶ近似曲線を算出する。この近似曲線は、実際の指令動作に伴う従動軸の動きを表している。

そして、従動軸変位予測手段１０１は、カム形状データ設定手段１１１で設定された定義点と、上記近似曲線と、を上記座標平面上に重畳して、表示手段１０７に表示する（図１）。図１において、縦方向の直線の間隔は位相間隔を示している。この例では、位相間隔に応じて、全体の１／３の定義点が近似曲線の生成に使われたことが、視覚的に把握できる。

ここで、従動軸変位予測手段１０１は、表示されている定義点それぞれについて、近似曲線との誤差すなわち変位量の差分を計算する。そして、従動軸変位予測手段１０１は、その誤差が、許容誤差設定手段１０５で設定された許容誤差を超えている場合とそうでない場合とで、定義点の表示形態を変えることができる。例えば、図１の例では、誤差が許容誤差を超えている場合は白抜き、許容誤差以内である場合は塗りつぶしの丸印で定義点を表示している。

駆動軸回転速度調整手段１０９は、駆動軸回転速度設定手段１０３で設定された駆動軸の回転速度を変更する入力を受け付ける。例えば、駆動軸回転速度調整手段１０９は、図４に示すように、縦方向の直線の間隔すなわち位相間隔を変動させる入力を受け付ける。位相間隔を狭くすることは、駆動軸の回転速度を減速させることを意味する。あるいは、駆動軸回転速度調整手段１０９は、図５に示すように、直接数値入力を受け付けることにより、駆動軸の回転速度を更新できるようにしてもよい。

図３に、駆動軸の回転速度を減速させた場合の近似曲線の変化を示す。一般に、駆動軸の回転速度を下げると、位相間隔は狭まり、指令動作に利用される定義点が増えるので、定義点と近似曲線との誤差は小さくなる。そこで、通常、駆動軸の回転速度を徐々に下げていくことにより、カム形状データと同様の指令動作、すなわち変位の誤差が許容誤差以下となる従動軸の動作を実現できる回転速度を探っていくことになる。図３の例では、駆動軸の回転速度をＳ１から下げていくと、Ｓ２の時点で、全ての定義点と近似曲線との差が許容誤差以下となる。画面上では、Ｓ１ではいくつかの定義点が色分け（白抜き）されているところ、Ｓ２の時点では、すべての定義点が同色で表示されるようになる。このとき、近似曲線はカム形状データとほぼ同様の形状となっている。つまり、駆動軸の回転速度Ｓ２が、このカム形状データと同様な指令動作を行える最大回転速度ということになる。

本実施の形態によれば、カム形状データ作成装置１００は、指定された駆動軸の回転速度における従動軸への指令動作と、カム形状データで定義された従動軸の変位と、の形状誤差を視覚的に表示する。これにより、実機を動かすことなく、安全にかつ短時間で駆動軸の回転速度を調整し、最適な回転速度を求めることができる。

また、本実施の形態によれば、駆動軸回転速度調整手段１０９が、グラフ上で駆動軸の回転速度を調整する手段を提供する。また、数値入力により駆動軸の回転速度を調整する手段も提供できる。これにより、駆動軸の最適な回転速度、好ましくは誤差が許容範囲内となる最大回転速度を容易に求めることができる。これにより、指令動作の調整作業を効率よく実施することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２では、駆動軸回転速度調整手段１０９が、定義点と近似曲線との誤差が許容範囲内となる駆動軸の最大回転速度を自動的に求める点に特徴を有する。

実施の形態２における駆動軸回転速度調整手段１０９は、カム形状データの１つ以上の定義点について、近似曲線との誤差が許容誤差を越えている場合、駆動軸の回転速度を、駆動軸回転速度設定手段１０３で設定された回転速度から一定の比率で順次下げていく。換言すれば、位相間隔θをｄθずつ狭めていく。従動軸変位予測手段１０１は、駆動軸の回転速度が減少する毎に、換言すれば位相間隔θがｄθずつ小さくなる毎に、定義点と近似曲線との誤差を評価する。そして、カム形状データの全ての定義点が許容誤差以内に初めて収まったとき、駆動軸回転速度調整手段１０９は、そのときの駆動軸の回転速度をクランプ回転速度として出力する。

図７のフローチャートを用いて、実施の形態２における駆動軸回転速度調整手段１０９がクランプ回転速度を求めるアルゴリズムについて説明する。

Ｓ１０１：
駆動軸回転速度調整手段１０９は、駆動軸回転速度設定手段１０３で設定された駆動軸の回転速度に対応する位相間隔θ１をθ_ｂｕｆとする。ここで、θ_ｂｕｆは位相間隔を一時的に保存する変数である。

Ｓ１０２：
位相間隔をθ_ｂｕｆとしたとき、近似曲線との誤差が許容誤差を超える定義点が１点以上発生するか否かを判断する。発生する場合ステップＳ１０３に遷移し、発生しなければステップＳ１０６に遷移する。

Ｓ１０３：
近似曲線と定義点との誤差が許容誤差を超えているので、位相間隔を狭めてゆく。位相間隔をθ_ｂｕｆ-ｄθを新たなθ_ｂｕｆとする。ここで、ｄθは位相間隔の下げ幅を示す。

Ｓ１０４：
ここで、位相間隔θ_ｂｕｆが、カム形状データに定義された駆動軸の位相の間隔θ_０以下であるかどうかをチェックする。θ_０以下であればＳ１０５に遷移し、それ以外の場合はＳ１０２に遷移して、新たなθ_ｂｕｆを用いて再度誤差を評価する。

Ｓ１０５：
位相間隔θ_ｂｕｆが、カム形状データに定義された駆動軸の位相の間隔θ_０以下であれば、θ_０をθ_ｂｕｆとする。θ_ｂｕｆがθ_０と同じであれば、すべての定義点が指令されるので誤差は０となるはずだからである。

Ｓ１０６：
θ_ｂｕｆを、θ_{ｃｌａｍｐ}として出力する。ここで、θ_{ｃｌａｍｐ}は、駆動軸のクランプ回転速度に対応する位相間隔である。
なお、カム形状データ作成装置１００は、位相間隔θ_{ｃｌａｍｐ}に基づいて、クランプ回転速度を算出、出力することも可能である。その算出方法は次式のとおりである。
角速度ω_{ｃｌａｍｐ}（ｒａｄ／ｓ）＝θ_{ｃｌａｍｐ}／τ
周期Ｔ_{ｃｌａｍｐ}（ｓ）＝２π／ω_{ｃｌａｍｐ}＝２πτ／θ_{ｃｌａｍｐ}
回転数Ｎ_{ｃｌａｍｐ}（ｒｐｍ）＝１／Ｔ_{ｃｌａｍｐ}×６０＝θ_{ｃｌａｍｐ}／２πτ×６０

本実施の形態によれば、駆動軸回転速度調整手段１０９が、従動軸への指令動作と、カム形状データで定義された従動軸の変位と、の誤差が許容誤差以内となる駆動軸の最大回転速度を算出する。これにより、指令動作の調整作業の効率を著しく向上させることができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３は、実施の形態１のカム形状データ作成装置１００によって設定したカム形状データ、及び実施の形態２で算出した駆動軸のクランプ回転速度に応じて動作する同期制御装置２００に関する。

図１０に示すように、同期制御装置２００は、カム形状データ記録手段２０１、最大回転速度記録手段２０３、駆動軸回転速度制御手段２０５を有する。同期制御装置２００は、好ましくは、カム形状データ作成装置１００と通信可能に接続される。

同期制御装置２００は、典型的には数値制御装置である。同期制御装置２００は、ＣＰＵが、記憶領域に格納されたプログラムに従って所定の処理を実行することにより、種々の処理部を論理的に実現する。

カム形状データ記録手段２０１は、カム形状データ作成装置１００から、カム形状データ設定手段１１１が設定したカム形状データを取得し、記録する。最大回転速度記録手段２０３は、カム形状データ作成装置１００から、駆動軸回転速度調整手段１０９が算出したクランプ回転速度を取得し、記録する。

駆動軸回転速度制御手段２０５は、駆動軸の回転速度を最大回転速度記録手段２０３が記録しているクランプ回転速度に設定し、指令動作を実行する。

本実施の形態によれば、同期制御装置２００は、カム形状データ作成装置１００において計算した駆動軸の最大回転速度を使用し、自身の駆動軸の指令回転速度をクランプすることができる。これにより、指令動作の調整作業の効率を著しく向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１では、カム形状データ作成装置１００が、駆動軸の回転速度の指定に応じて、その回転速度における、従動軸への指令動作とカム形状データで定義された従動軸の変位との形状誤差を視覚的に表示する構成について説明した。一方、実施の形態２は、カム形状データ作成装置１００が、最適な駆動軸の回転速度を自動的に算出する。そのため、実施の形態２においては、形状誤差を視覚的に表示する構成は必ずしも備えなくとも良い。

また、上述の実施の形態では、カム形状データ設定手段１１１で設定された定義点と、従動軸変位予測手段１０１が算出した近似曲線と、を表示手段１０７にグラフ表示する例を示した。しかしながら、このグラフ表示の代わりに、定義点及び近似曲線が示す変位、位相、又は誤差などを単に数値表示することとしてもよい。

１００ カム形状データ作成装置
１０１ 従動軸変位予測手段
１０３ 駆動軸回転速度設定手段
１０５ 許容誤差設定手段
１０７ 表示手段
１０９ 駆動軸回転速度調整手段
１１１ カム形状データ設定手段
２００ 同期制御装置
２０１ カム形状データ記録手段
２０３ 最大回転速度記録手段
２０５ 駆動軸回転速度制御手段

Claims (5)

1. 駆動軸の位相と、従動軸の変位である設定変位と、を対応付けたカム形状データを設定するカム形状データ設定手段と、
   前記駆動軸の回転速度を設定する駆動軸回転速度設定手段と、
   前記従動軸の変位にかかる許容誤差を設定する許容誤差設定手段と、
   前記カム形状データに基づいて、前記駆動軸が前記回転速度で回転する場合の前記従動軸の変位である予測変位を求める従動軸変位予測手段と、
   前記設定変位及び前記予測変位を比較可能に表示するとともに、前記設定変位と前記予測変位との誤差が前記許容誤差以内であるか否かによって前記表示の形態を変える表示手段と、を有する
   カム形状データ作成装置。
2. 前記駆動軸の前記回転速度を変化させる駆動軸回転速度調整手段をさらに有し、
   前記従動軸変位予測手段は、前記回転速度の変化に応じて前記予測変位を変化させる
   請求項１記載のカム形状データ作成装置。
3. 前記駆動軸回転速度調整手段は、前記駆動軸の前記回転速度を自律的に変化させて、前記誤差が前記許容誤差以内となる前記回転速度の最大値を算出する
   請求項２記載のカム形状データ作成装置。
4. 前記駆動軸回転速度調整手段は、前記駆動軸回転速度設定手段に設定された前記回転速度を漸次減速させることにより、前記誤差が前記許容誤差以内となる前記回転速度の最大値を算出する
   請求項３記載のカム形状データ作成装置。
5. 請求項３又は４記載のカム形状データ作成装置と通信可能な同期制御装置であって、
   前記カム形状データ設定手段で設定された前記カム形状データを記録するカム形状データ記録手段と、
   前記駆動軸回転速度調整手段が算出した前記回転速度の最大値を記録する最大回転速度記録手段と、
   前記回転速度の最大値で前記駆動軸を回転させ、前記カム形状データに基づいて従動軸を制御する駆動軸回転速度制御手段と、を有する
   同期制御装置。

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