JP6846929B2 - 負荷応答電動ツール - Google Patents
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Description
初期速度設定は、固定又はオペレータによって事前に設定され、ゼロ速度を含むことができる。最大速度の設定は、固定、オペレータによる事前設定、又はモーションアクチュエータの最大トルクによって管理することもできる。
この例では、オペレータ12が自由に感度曲線の形状を操作することができる。オペレータ12は、LCDディスプレイ等のディスプレイ上に一般的な速度−負荷、又は速度−応力感度プロファイル曲線を提示される。傾斜遷移点を移動するカーソルを使用して、オペレータが傾斜遷移負荷値を自由に選択でき、感度プロファイルの急速に増加する部分を拡大又は圧縮することができる。更に、オペレータは最大及び最小のモーター速度も選択することができ、速度−負荷又は速度−力感度プロファイルの垂直方向の範囲を変更できる。このように、電動ツール10の実施例は有利には、電動ツールモーションアクチュエータ14の速度を直ちに及び容易に調整して特定のワークの成形操作に合わせる技術を提供する。
T=測定されたトルク
Tmax=最大トルク
R=おおよその(未測定)RPM
Rmax=最大(未測定)RPM
P=出力パワー
初期速度=ゼロワークトルク(設定された、プログラムされた、又は物理的に組み込まれた定数)でのRPM
M=設計によって、あるいはユーザーの選択による正倍率
ゼロトルク及び初期速度の点から最大トルク及び最大速度までの、所定の傾きM=(Rmax−初期速度)/Tmaxを有する直線を規定するパワー制御の例は:
一般的なパワー方程式:
P=T*R
望ましいRPM/トルクの関係:
R=M*T+初期速度
P=T*(M*T+初期速度)
パワー制御の実施例は、ゼロトルクの点からのトルクと初期速度との、スケーリングされた2乗されたRPMの関係、望ましいスケーリング係数M、M=(Rmax−初期速度)/Tmax2を有する、を規定する。最後の式においてTの代わりに、(K*T+J)、式中KとJが最適な定数、で置換して使用することによりトルク値はスケーリングされることもできる。
P=T*R
望ましいRPM/トルクの関係は、
R=M*T2+初期速度
方程式を結合して得たパワー制御式は、
P=T*(M*T2+初期速度)
ツール10は、1000RPM及び1A(1,000mA)で定常状態にある。そして次の0.5秒かけて、オペレータ12はワーク力33を50のN*cm又は前のトルク負荷の1/2に減少させる。本実施例では、コントローラ20によって実行される制御ループは100ミリ秒間隔であるが、より一般的には10ms間隔であってもよい。しかし、発生する変化をより良く例示し、説明のために時間間隔の数を合理的に維持するために、より長い間隔が選択されている。本実施例における物理的システムは、サンプリングされた又は個別のステップで応答するように示されており、発生する変化を説明するのに役立つ非常に低い慣性を仮定している。本実施例では、いくつかの物理的効果は単純化され、数学は丸められた。モーター負担94(モーター負荷)はコントローラによって測定されず、むしろオペレータ制御に由来する条件として与えられる。モーター負荷94はN*cmで表され、時間(t)91は100ms間隔であり、モーターへの測定された電流95はmA(1/1000A)で、モーターに適用されるパワーは完全(100%)の百分率として示された負荷サイクルにおけるパルス幅変調(PWM)96で表わされる。イベント92は、時間(t)91に関連したワーク28の作用を説明する。コントローラの注釈97はペレータ力の変化によりコントローラ20が実行したアクションの結果を示している。その他の注釈98は、コントローラのアクションに基づいて速度の期待RPM93を示している。
1.オペレータがすぐに負荷を下げる、
2.大きな慣性モーメントツール、
3.高いツール速度、
4.ワーク派生力の損失は、選択された感度プロファイルの急勾配を横断して発生する、
5.RKE損失(即ち回転の低い摩擦係数、これはほとんどのシステムでも同様である、しかし、非効率により速度が自然に遅くなり、多くの場合、考慮される必要がないため、RKEの損失に比べて低効率を持つシステムはより少ない制動を必要とする)に対する高いシステム効率、及びに
6.オペレータが、負荷の大幅な減少を実行する、
である。
RKE=1/2*I*w2
式中、
RKEは回転運動エネルギー
Iはツールの固定部分に対する慣性モーメント
wはラジアン毎秒における作業面回転速度
RPMはモーターの1分当たりの回転数で、そして1回転当たり2πラジアン及び毎分60秒である。
w=(2*π)/60)*RPM=(π/30)*RPM
RKE=1/2*I*w2=1/2*I*((π/30)*RPM)2=(I*π2/1800)*RPM2
ΔRKE=(I*π2/1800)*(RPM12−RPM22)
Claims (23)
- ワーク上で作動するツールであって、前記ツールは、
アセンブリをもって前記ワークと係合する回転する作業面に結合されるように構成されたモーションアクチュエータと、
前記モーションアクチュエータに結合されたコントローラとを備え、
該コントローラは、前記モーションアクチュエータの速度及び前記回転する作業面の作動速度を初期速度及び最高速度の範囲内に素早く応答して変化させ、並びにオペレータが前記ワークと前記作業面との間に適用する力の量を表す派生力に反応するように構成され、該派生力は、前記オペレータにより発揮され、前記回転する作業面上の前記ワークの圧力及び位置を管理可能に調整してある作業速度を達成する、適用される力の関数であり、前記コントローラは更に、加速及び減速の両方の下で、前記オペレータが適用した力で前記ワーク上の作業速度及び前記回転する作業面の前記作動速度の両方を、力の前記派生力と前記回転する作業面の前記作動速度との関係を表す感度プロファイルであって、実質的に単調に増加する正の傾きを含める感度プロファイルに従って初期速度及び最高速度の範囲内で、同時に管理可能に変更させることを可能にし、前記コントローラは、派生力を前の測定値と比較して、前記回転する作業面の前記作動速度を変化させる前に、派生力が所定の閾値よりも増加しているか減少しているかを判定するように構成されており、前記所定の閾値の設定により、前記感度プロファイルからの時間的なオフセットを有するヒステリシスの状態として、前記ツールの安定性を高め、かつ、前記オペレータにより適用される力をわずかに変更させることが可能になる、ツール。 - 前記コントローラに結合され、前記派生力を表す信号、及び派生力の変化が発生している速度である、派生力の変化率を出力するように構成された力検出器を更に備え、前記コントローラは前記力検出器からの前記信号を受信し、前記オペレータが前記適用する力を除去したことを前記派生力が表した際に前記モーションアクチュエータの速度を前記初期速度に変更するように更に構成されている、請求項1に記載のツール。
- 前記力検出器は、前記オペレータが前記ワークに加える力の検出方法とは無関係に、標準化されたフォーマットの所定の力−出力関数を出力するように構成されており、前記コントローラはさらに、前記標準化されたフォーマットの出力を受信して複数のツールと共に該コントローラを使用することを可能にする、請求項2記載のツール。
- 前記コントローラは、前記力検出器が第1の所定量だけ力の増加を表す場合には、モーションアクチュエータを加速するように、かつ、前記力検出器が第2の所定量だけ力の減少を示す場合には、前記モーションアクチュエータにブレーキをかけるように構成されており、前記コントローラは、制動及び加速に応答する第1の追加の感度プロファイルを含む、請求項2記載のツール。
- 前記モーションアクチュエータはブレーキを含み、前記コントローラは前記力検出器が前記第2の所定量だけ力の減少を示す場合、必要に応じて前記ブレーキを適用するように構成されており、前記コントローラは、制動にさらに応答する第2の追加の感度プロファイルを含む、請求項4記載のツール。
- 前記コントローラは、初期速度及び最大速度の少なくともいずれかがオペレーターにより調整された時、前記初期速度及び前記最大速度の範囲内で前記感度プロファイルを調整するように構成されている、請求項5記載のツール。
- 前記感度プロファイルは、力が検出されない初期速度と検出された可能な最大の派生力が存在する最大速度との間に制限された制御範囲に、単調に減少する領域と、派生力の範囲において速度が一定となる階段状のプロファイルとのうちの少なくとも一方を含む、請求項1記載のツール。
- 前記感度プロファイルは、最大速度まで弧を描いて上昇し、派生力の増大と共に弧を描いて降下する曲線を有する、請求項7記載のツール。
- 前記コントローラは、派生力がゼロである初期速度と、前記派生力の変化率の所定のヒステリシス閾値の範囲内にある最大の派生力での選択された最大速度との間の制御範囲においてのみ応答するように構成されている、請求項2記載のツール。
- 前記コントローラは、複数の時間間隔に渡って個別のステップで前記モーションアクチュエータへのパワーを制御して前記回転する作業面の前記作動速度を設定し、派生力の変化が、設計された閾値に一旦合致すると、前記感度プロファイルからの前記時間的なオフセットを含む十分な時間内にモーションアクチュエータの速度を適合させる、請求項1に記載のツール。
- コントローラにより電動ツールを制御する方法であって、前記方法は、
第1の時間間隔の間、アセンブリに結合された回転する作業面上のワークに、オペレータによって適用される第1の力を導出する工程と、
所定の連続応答プロファイルに基づいて、モーションアクチュエータに結合された回転する作業面の第1の作動速度を設定する工程と、
第2の時間間隔の間に、前記電動ツールの前記回転する作業面に対して前記ワーク上に適用される第2の力を導出する工程と、
前記第2の力が前記第1の力よりも第1の所定量だけ大きい場合、所定の連続応答プロファイル及び前記第2の力に基づいて第2の作動速度を調整する工程と、
前記第2の力が前記第1の力よりも第2の所定量だけ小さい場合、前記所定の連続応答プロファイル及び第2の力に基づいて、第3の作動速度を調整する工程と、
前記第2の力は、前記第1の所定量を加えた前記第1の力よりも小さく、前記第2の所定量を引いた前記第1の力よりも大きいと判断された場合、前記所定の連続応答プロファイル及び前記第2の力に基づいて、前記電動ツールに第4の作動速度を調整する工程と、を備え、
前記所定の連続応答プロファイルは、派生力と前記回転する作業面の速度との関係であって、初期速度及び最高速度の範囲内で、実質的に単調に増加する正の傾きを含める前記関係を表すものであり、前記派生力は、前記オペレータにより発揮され、前記回転する作業面上の前記ワークの圧力及び位置を管理可能に調整して、初期速度及び最高速度の範囲内の作動速度を達成する、前記オペレータが前記ワークと前記回転する作業面との間に適用する力の関数であり、また加速及び減速の両方の下で、前記オペレータが前記適用する力で前記ワーク上の作業速度及び前記回転する作業面の前記作動速度の両方を同時に管理可能に変更することが可能になる、オペレータが前記ワークと回転する作業面との間に適用する力の量を表すものであり、
前記第1の所定量及び前記第2の所定量に基づくことにより、前記所定の連続応答プロファイルからの時間的なオフセットを有するヒステリシスの状態として、前記電動ツールの安定性を高め、かつ、前記オペレータにより適用される力をわずかに変更させることが可能になる、方法。 - 前記ワークに適用される力が検出される方法とは無関係に、所定の力−出力関数を表す標準化されたフォーマットの力検出器を利用する工程と、
前記標準化されたフォーマットの出力を受信して複数のツールと共に前記コントローラを使用することを可能にする工程と
を更に備える、請求項11記載の方法。 - 前記第2の時間間隔又は該第2の時間間隔とは別の第3の時間間隔の少なくとも一部の間にブレーキを適用する工程を更に備え、前記コントローラは、制動に十分に応答するようになされた感度プロファイルを含む、請求項11記載の方法。
- 交互に、ブレーキを適用する及びモーションアクチュエータへのパワーを調整する工程を更に備え、前記コントローラは、制動及び加速に十分に応答するようになされた追加の感度プロファイルを含む、請求項13記載の方法。
- 初期速度及び最大速度についてのオペレータによる選択を決定する工程を更に備え、前記所定の連続応答プロファイルは、派生力がゼロである選択された初期速度と、前記派生力の変化率の所定のヒステリシス閾値の範囲内にある最大の派生力となる選択された最大速度との間の制御範囲においてだけ応答するように構成されており、
前記第2の力が導出され、オペレータにより適用された前記第1の力が除去されたと決定された際に、第5の作動速度が初期速度に調整される、請求項11記載の方法。 - 力が検出されない初期速度と検出された可能な最大の派生力が存在する最大速度との間に制限された制御範囲における、前記所定の連続応答プロファイルを表す2つ以上の連続応答プロファイルのうちの1つの選択を決定する工程と、
前記初期速度及び前記最大速度の少なくとも1つがオペレータにより選択された際、所定の連続応答プロファイルを前記初期速度及び前記最大速度の間で調整する工程と
を更に備え、
少なくとも1つの感度プロファイルは、派生力の範囲において速度が一定である階段状プロファイルと、単調に減少する領域とのうちの少なくとも1つを含む、
請求項11記載の方法。 - 第1の力を導出する工程及び第2の力を導出する工程は、派生力の変化が設計された閾値に合致しない限り、前記回転する作業面の作動速度の変化に対して不必要な変化を妨げる、ヒステリシスの状態を用いて複数の時間間隔に渡って個別の工程で発生する、請求項11記載の方法。
- 前記所定の連続応答プロファイルの使用により、モーションアクチュエータ、コントローラ、及び力検出器についての、電気的又は機械的な公差又は変動が、オペレータが前記力検出器を介するコントローラへのフィードバックに寄与することが可能になることによる前記オペレータの巧妙な制御及び前記所定の連続応答プロファイルからの前記時間的なオフセットを含む十分な時間内にモーションアクチュエータの速度を適合させるように構成されたコントローラによって補償されることを可能にする、請求項11に記載の方法。
- コントローラにより電動ツールを制御する方法であって、前記方法は、
ワークから、アセンブリに結合された、前記電動ツールの回転する作業面上に第1の時間間隔の間に、オペレータによって適用される第1の力を導出する工程と、
前記電動ツールへ第1のパワーを設定する工程と、
前記ワークから前記電動ツールの回転する作業面上に第2の時間間隔の間に、オペレータによって適用される第2の力を導出する工程と、
前記第2の力が第1の所定量だけ第1の力よりも大きい場合、感度プロファイル及び前記第2の力に基づいて、前記電動ツールへの第2のパワーを調整する工程と、
前記第2の力が第2の所定量だけ前記第1の力よりも小さい場合、前記感度プロファイル及び前記第2の力に基づいて、前記電動ツールへの第3のパワーを調整する工程と、
前記第2の力は、前記第1の所定量を加えた前記第1の力より小さく、前記第2の所定量を引いた前記第1の力より大きいと判断された場合、前記感度プロファイル及び前記第2の力に基づいて、前記電動ツールへ第4のパワーを適用する工程と、を備え、
前記電動ツールへ第1のパワーを設定する前記工程は、初期速度及び最高速度の範囲内で、派生力と前記回転する作業面の速度との関係を表す所定の連続応答プロファイルであって、実質的に単調に増加する正の傾きである所定の連続応答プロファイルに基づいて設定されるものであり、前記派生力は、前記回転する作業面上の前記ワークの圧力及び位置を管理可能に調整して、初期速度及び最高速度の範囲内の作業速度と、前記電動ツールに送達しようとする力の量とを達成して、加速及び減速の両方の下で、前記オペレータが前記ワーク上の作業速度及び前記回転する作業面の作動速度の両方を同時に管理可能に変更することを可能にする、前記オペレータにより発揮された適用される力の関数であり、
前記第1の所定量及び第2の所定量に基づくことにより、前記連続応答プロファイルからの時間的なオフセットを有するヒステリシスの状態として、前記電動ツールの安定性を高め、かつ、前記オペレータにより適用される力をわずかに変更させることが可能になる、
方法。 - ワーク上でツールを操作するための制御システムであって、前記制御システムは、
モーションアクチュエータに結合するように構成され、前記モーションアクチュエータによって、アセンブリをもって前記ツールの回転する作業面に供給されたパワーの量を素早く応答して変化させ、オペレータが前記ワークと前記回転する作業面との間に適用する力の派生力を表わす信号を出力するように構成された力検出器に結合するように更に構成されたコントローラを備え、ここで、前記派生力は、前記オペレータにより発揮され、前記回転する作業面上の前記ワークの圧力及び位置を調整して初期速度及び最高速度の範囲内で作動速度を達成する、オペレータが適用する力の関数であり、前記コントローラは加速及び減速の両方の下で、前記力検出器からの前記信号を受信し、前記オペレータが適用した力で前記ワーク上の作業速度及び前記回転する作業面の作動速度の両方を、前記派生力と前記回転する作業面の前記作動速度との関係を表す感度プロファイルであって初期速度及び最高速度の範囲内で実質的に単調に増加する正の傾きの前記関係を表す感度プロファイルに従って、同時に管理可能に変更させることを可能にするようにさらに構成されており、前記コントローラは、派生力を前の測定値と比較して、前記回転する作業面の前記作動速度を変化させる前に、派生力が閾値よりも増加しているか減少しているかを判定するように構成されており、また所定の前記閾値の設定により、前記感度プロファイルからの時間的なオフセットを有するヒステリシスの状態として、前記ツールの安定性を高め、かつ、前記オペレータにより適用される力をわずかに変更させることを可能にする、制御システム。 - コンピュータで命令を実行するための有形非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記媒体は、
第1の時間間隔の間、アセンブリに結合された回転する作業面上に、ワークからオペレータにより適用される第1の力に応答し、前記第1の力を表す第1の派生力を作り出すルーチンと、
モーションアクチュエータに結合される前記回転する作業面の第1の作動速度を設定するルーチンと、
第2の時間間隔の間に電動ツールの前記回転する作業面上に前記ワークから適用される第2の力に応答し、前記第2の力を表す第2の派生力を作り出すルーチンと、
前記第2の派生力が前記第1の派生力よりも第1の所定量だけ大きい場合、所定の連続応答プロファイル及び前記第2の力に基づいて第2の作動速度を調整するルーチンと、
前記第2の派生力が前記第1の派生力よりも第2の所定量だけ小さい場合、前記所定の連続応答プロファイル及び前記第2の力に基づいて第3の作動速度を調整するルーチンと、
前記第2の派生力が前記第1の所定量を加えた前記第1の派生力より少ない、及び前記第2の所定量を引いた前記第1の力より大きい場合、前記所定の連続応答プロファイル及び第2の力に基づいて第4の作動速度を前記電動ツールに適応するルーチンと、を含み、
前記回転する作業面の第1の作動速度を設定する前記ルーチンは、前記派生力と前記作業面の作動速度が、初期速度及び最高速度の範囲内の関係であって実質的に単調に増加する正の傾きである前記関係を表す所定の連続応答プロファイルに基づいて設定され、前記派生力は、前記オペレータにより発揮され、前記作業面上の前記ワークの圧力及び位置を管理可能に調整して、初期速度及び最高速度の範囲内で作業速度を達成して、加速及び減速の両方の下で、前記オペレータが適用した力で前記ワーク上の作業速度及び前記回転する作業面の前記作動速度の両方を同時に管理可能に変更する、前記オペレータにより適用される力の関数であり、
前記第1の所定量及び第2の所定量に基づくことにより、前記連続応答プロファイルからの時間的なオフセットを有するヒステリシスの状態として、前記電動ツールの安定性を高め、かつ、前記オペレータにより適用される力をわずかに変更させることが可能になる、
媒体。 - ワーク上で作動するための電動ツールであって、前記電動ツールは、
アセンブリをもって前記ワークと係合する回転する作業面に結合されるモーションアクチュエータと、
前記モーションアクチュエータに結合され、前記ワークが前記回転する作業面に及ぼす、オペレータにより適用される作業負荷力を表す派生力の信号を受信するように構成されるコントローラと、を備え、
前記派生力の信号は、回転する作業面上の前記ワークの圧力及び位置を管理可能に調整して、初期速度及び最高速度の範囲内で作動速度を制御する、前記オペレータにより適用される力の関数である派生力の信号であり、
前記コントローラは、更に
a)第1の力での初期速度と第2の力での最大速度との間で前記回転する作業面の機能的速度を設定するように構成され、
b)前記第1の力よりも大きく前記第2の力よりも小さい範囲にある全ての作業負荷力において、ある同等の作業負荷力での前記ツールの最大速度に相当するある作業速度と比較して、前記機能的速度にある第1の作業速度を低下させるように構成され、
前記a)は、前記オペレータにより適用される作業負荷力と前記回転する作業面の速度との関係を表す所定の連続応答プロファイルであって、初期速度及び最高速度の範囲内で実質的に単調に増加する正の傾きである所定の連続応答プロファイルに基づいて前記機能的速度が設定され、加速及び減速の両方の下で、前記オペレータが前記ワーク上の作業速度及び前記回転する作業面の前記作動速度の両方を同時に管理可能に変更することが可能になり、
c)派生力を前の測定値と比較して、前記回転する作業面の前記作動速度を変化させる前に、派生力が所定の閾値よりも増加しているか減少しているかを判定するようにさらに構成されており、
前記所定の閾値の設定により、前記連続応答プロファイルからの時間的なオフセットを有するヒステリシスの状態として、前記電動ツールの安定性を高め、かつ、前記オペレータにより適用される力をわずかに変更させることを可能にする、
前記ツール。 - 前記第1の力と前記第2の力との間の力の範囲の少なくとも10%に対して、前記機能的速度における前記第1の作業速度が少なくとも1/2に削減する、請求項22記載のツール。
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