JPH1173098A - シュミレーション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電気制御トレーニングユニットはワンボード化
されているため、操作性はよいが、個々の部品の動作は
単調で、実際の生産設備の状態を再現できず、このユニ
ットを十分操作できても技術的知識や経験の浅いオペレ
ータには実際の生産設備に対応することはできない。ま
た訓練用シュミレータも操作方法の習得には向いている
が、設備の修理を目的とした訓練には不向きであった。 【解決手段】生産設備の構成要素を電気的、機械的に複
数のグループに分割し、各グループ毎に、電気信号に基
づいて作動する作動部１２と、作動部１２を制御する制
御部１４と、制御部１４に作動信号を与える操作部２５
と、操作部２５、制御部１４、作動部１２に適宜接続さ
れた入出力信号端子３、４を含む複数の端子とを組み込
んで機能ユニットを構成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は生産設備を操作する
オペレータに対して自ら操作する設備の構造や動作を理
解させるのに有効なシュミレーション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】製造現場では材料の移動経路に沿って生
産設備を配置し、投入された材料に対して移動ポジショ
ン毎に所定の作業を行い製品に仕上げている。この生産
設備にはオペレータが配置されて、日常的には動作開始
前に各設備毎に初期設定し、異常発生時には障害を取り
除いて再起動させ生産に支障を生じないようにしてい
る。また長期間にわたって安定動作できるように定期的
に設備を止めて清掃や注油、摩耗部品の交換などの点
検、整備を行っている。このように生産設備を操作する
オペレータはその状態を監視し設備の性能を最大限に発
揮できるようにしているが、さらには異常を予知し保全
し得る能力が求められている。さらには、技術変化が著
しく、製品ユーザの要求も多様化している状況で、同一
設備でも製品毎に最良の条件が設定でき、多様な機種に
も対応して新製品に最適なように設備の設計変更ができ
るなど、従来、生産設備に関わる技術者の業務領域まで
分担し得る能力も望まれるようになっている。そのた
め、製造現場では新規配置されたオペレータに対して基
礎的な教育と担当設備に対する訓練とを行い、操作に習
熟することにより担当設備を理解し、異常予知の能力を
高めるようにしている。しかしながら、技術の変化が急
激な分野では経験の積み重ねによる能力向上には限界が
あるため、経験年数や理解の進捗度に応じて、段階的に
高度な技術が身に付けられるように技能研修が行われて
いる。このような技能研修のうち、一般知識に関するも
ので日常の業務に関係が薄い内容では習得した知識を直
ちに担当設備に適用し役立てることができず、時間の経
過とともに忘れ易いため、研修効果の確認も困難である
という問題があった。一方、新しい生産設備の導入時に
行われる研修では、具体的な設備を対象とするため、研
修内容が直ちに具体的な形で確認でき、不慣れな操作も
繰り返し操作することにより短期間で習熟することがで
き、著しい研修効果が得られる。また具体的な設備を用
いた研修では通常動作に関わる操作だけでなく疑似的な
障害を発生させ、発生した障害に対する対応も知識とし
て理解でき、障害を取り除き復旧させる技能も向上させ
ることができる。しかしながら、生産設備は通常は隣接
する生産設備と連動しており、一つの設備を停止させる
と周辺の設備にも影響がでるため、稼働を開始すると一
つの設備に対して疑似的な障害を発生させることができ
ない。そのため、稼働中の生産設備に実際に障害が発生
した機会を利用して障害への対応を習得し、頻繁に発生
する障害についてはその種類や対応を操作マニュアルに
記載して次回に同様の障害が発生した時にはマニュアル
を参照し短時間で対応できるようにし、この繰り返しに
よって習熟させるようにしている。また定期点検時には
生産に関わりなく設備の動作を停止できるため、この機
会を利用して研修可能であるが、点検時間が短いと、研
修としての時間を十分とれないという問題があった。ま
た、発生頻度が極めて希でこれまで経験したことがない
障害に対しては熟練したオペレータでも障害発生の原因
究明、処置に時間を要し、長期間にわたって設備を停止
させなければならないという問題があった。このような
問題に対応するには担当設備の電気的、機械的構造を熟
知する必要があるが、電気的、機械的な構造は生産設備
毎に相違しており、同一設備でも、改良が重ねられると
内部の電気的、機械的構造は全く相違していることがあ
り、どのような状況下でも適確に対応できるためには電
気と機械とを一体にした技能を有する人材の育成が望ま
れていた。このように電気的、機械的に設備の理解を補
助するものとして一つのボードにＣＰＵ、メモリ、入出
力インターフェースを組み込み、入出力装置としてのキ
ーボードや表示装置を接続したワンボードマイクロコン
ピュータに、光センサ、音響センサ、感温センサなどの
各種センサ、電磁リレーやパワートランジスタ、パワー
ＦＥＴなどの駆動素子、モータ、アクチュエータ、発光
ダイオードなどの作動素子を接続したものが用いられて
いる。また、一つのボードにプログラマブル・コントロ
ーラ（ＰＣ）、基本論理素子などの制御素子と、電磁リ
レー、電子リレー、タイマ、電磁弁などの駆動素子と、
空気圧シリンダ、ステッピングモータなどの作動素子な
どを配列して、各素子を変更可能に接続し、所定の順序
で各素子が作動するのを確認できるようにしたユニット
も用いられており、さらにはこのユニットにマイクロコ
ンピュータやパーソナルコンピュータを外部接続したも
のも用いられている。また電気部品や機械部品を新規に
採用する場合に、その部品の性能や機能を評価し、新規
部品を用いた装置の設計開発を容易にするために電気制
御トレーニングユニットが部品メーカーから提供される
が、このユニットも技能研修の教材として用いられてい
る。また、誤操作の結果、重大事故を生じるような石油
化学プラントや原子力発電所などでは、コンピュータ等
を用いた訓練用シュミレータを用い、ディスプレイ上に
表示したプラント装置に仮想的な異常を発生させ、オペ
レータの訓練をしている。（例えば特開昭５９−６８０
０８号公報参照）このコンピュータ等を用いた訓練用の
シュミレータは、設備の通常の運転状態で適切な操作を
した場合だけでなく、実際に発生させると極めて危険な
状況でも任意に設定できるため、誤操作した場合に生じ
る現象や複雑な異常状態に対応するための訓練にも好都
合である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これらのユ
ニットは一つのボードに集約されているため操作性がよ
く、モータやアクチュエータなどの作動部が外部から設
定した条件によってどのように動作するのかが直ちに確
認できるため、電気的、機械的な理解がし易く、教材と
しても有効である。しかしながら、このようなユニット
は作動部であるモータやアクチュエータを与えた命令に
対応して正逆回転や往復移動、停止などの単純な動作を
させるもので、ユニット内の個々の部品の働きは十分理
解できても、各部品が有機的に接続されて動作する実際
の生産設備の状態を再現させることはできないという問
題が残されていた。そのため、このようなユニットは機
械工学の分野で優れたオペレータが電気的な知識を習得
するのに好都合であっても、技術的知識や経験が浅いオ
ペレータにとっては具体的な製造装置に直ちに対応でき
るものではなかった。また、コンピュータを用いた訓練
用シュミレータは設備の操作の訓練が主で、生産設備の
異常状態を表示できても、その内部の状態まで具体的に
示すわけではないため、設備の修理を目的とした訓練に
は不向きであった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題の解決
を目的として提案されたもので、生産設備の構成要素を
電気的、機械的に複数のグループに分割し、各グループ
毎に、電気信号に基づいて作動する作動部と、作動部を
制御する制御部と、制御部に作動信号を与える操作部
と、操作部、制御部、作動部に適宜接続された入出力信
号端子を含む複数の端子とを組み込んで機能ユニットを
構成したことを特徴とするシュミレーション装置を提供
する。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明によるシュミレーション装
置は、具体的な生産設備をもとにその構成要素を電気
的、機械的に複数のグループに分割して機能ユニットを
構成したもので、機能ユニット内の作動部を間接的に制
御するプログラム可能な第２の制御部と、第２の制御部
に適宜接続された入出力端子を含む複数の端子とを組み
込んだ周辺ユニットを備え、機能ユニットと周辺ユニッ
トのそれぞれの端子を接続ケーブルを介して接続するこ
ともできる。上記作動部は水平動または上下動するアク
チュエータで、このアクチュエータの移動経路に沿って
複数のスイッチを配置し、各スイッチにそれぞれのスイ
ッチを識別する識別手段を接続することにより、アクチ
ュエータの作動状態を容易に識別することができる。こ
の識別手段として音響発生手段や発光装置を用いること
ができる。また、アクチュエータの移動経路に沿ってワ
ークを収容し位置決めする凹部を形成することにより、
簡単な構造で疑似的な生産設備を実現できる。

【０００６】

【実施例】以下に本発明によるシュミレーション装置の
実施例を図１及び図２から説明する。先ず、ある生産設
備をモデル化し、モデル化された装置の構成要素を電気
的、機械的にグループ分けして機能ユニットとする。例
えば生産設備としてある材料を所定のポジションに供給
し、所定の作業を行い、次のポジションに送る装置を想
定し、このような機能ユニットとしてＡＣサーボモータ
ユニットを構成する。図において、１はシャーシで、マ
ウントした可動部が動作しても振動や変形を生じにくい
材料が選定され、十分な強度を保てるように厚みが設定
され、寸法、形状が規格化されている。２はコントロー
ルパネルで、外部から信号を受け、外部に信号を供給す
る入出力端子３、４が配列され、パネル２には各端子
３、４の名称が表示され、各端子３、４はそれぞれの機
能別に色分けされている。このコントロールパネル２は
シャーシ１の一端部に固定されている。６はシャーシ１
の中央部に配置されたガイドレール、７は両端がプーリ
８、９に装架され、ガイドレール６に沿って配置された
タイミングベルト、１０はガイドレール６にガイドされ
て、タイミングベルト７に連結された可動ブロック、１
１ａ、１１ｂ、１１ｃは可動ブロック１０の位置を検出
するセンサで、センサ１１ａ、１１ｂは移動限界を検出
し、センサ１１ｃは原点位置を検出する。１２は一方の
プーリ８に連結されてタイミングベルト７を回転させる
ＡＣサーボモータで、回転量を検出するロータリエンコ
ーダ１３を内蔵している。１４はＡＣサーボモータ１２
を回転駆動するＡＣサーボモータドライバ、１５はガイ
ドレール７の一側方に沿って複数列、互いに離隔して形
成されたの凹部で、シャーシ１を直接切削して形成され
ている。１６は可動ブロック１０に固定され、一端がガ
イドレール６と交差方向に突出退入し凹部１５上を移動
する第１のシリンダで、一端には上下方向に第２のシリ
ンダ１７が固定され、さらにこの第２のシリンダ１７に
パイプ１８が上下方向に配置されて固定され、このパイ
プ１８の下端には吸着パッド１９が装着されている。２
０は詳細は略すが複数の白鍵と黒鍵とを２列配置した鍵
盤２０ａをガイドレール６に沿って配置し、鍵盤２０ａ
毎に異なる音階の音を発生する電子ピアノ（音響発生手
段）、２１は可動ブロック１０の延長部より下方に延
び、下端が電子ピアノ２０の鍵盤２０ａの白鍵上を移動
する第３のシリンダで、２２は第３のシリンダ２１と平
行配置され、下端が黒鍵上を移動する第４のシリンダ
で、それぞれの下端には緩衝性を有するロッド２３が固
定されている。２４は各シリンダ１６、１７、２１、２
２とパイプ１８に対応して設けられたエア供給用の接続
端子で、図示しないがシャーシ１の内部に配置された制
御弁を介してそれぞれに接続されている。２５はシャー
シ１に装着された電気部品と、コントロールパネル２の
各端子やスイッチと適宜接続されたデータメモリ型コン
トローラを示す。また、２６は多数のワーク２７が収容
されるトレイで、図示例ではガイドレール６に沿う両端
部に配置されている。この機能ユニットでは、シャーシ
１上のＡＣサーボモータ１２などの作動部、ＡＣサーボ
モータ１２を駆動制御するＡＣサーボモータドライバ１
３などの制御部、制御部に信号を与えるデータメモリ型
コントローラ２５などの操作部とをコントロールパネル
２の各端子３、４に接続している。以下にこの機能ユニ
ットを用いたシュミレーションを説明する。先ず、オペ
レータにワーク２７をどのような経路で凹部１５に供給
し移動させなければならないかが示される。上記動作は
ワーク２７の移動制御のみであるため図１に示す機能ユ
ニットのみで対応でき、外部との接続もコントロールパ
ネル２を介してコントローラ２５にキーボードや表示装
置などのデータ入出力装置（図示せず）を接続するだけ
で良い。凹部１５は図３に示すように配列されており、
吸着パッド１９は第１のシリンダ１６が作動していない
状態で、凹部１５ａ、１５ｃ、・・上を移動し、作動し
た状態で凹部１５ｂ、１５ｄ・・上を移動するように、
凹部１５の配列間隔を第１シリンダ１６の移動量に合わ
せている。オペレータにはセンサ１１ｃによって検出さ
れる可動ブロック１０の原点位置からガイドレール６に
沿う供給側トレイ２６までの距離ａ、供給側トレイ２６
から最初の凹部１５ａの中心までの距離ｂ、凹部１５の
中心間のＸＹ方向の距離ｃ、ｄ、そして図示省略するが
配列方向最後の凹部と取出側トレイの距離などの情報と
ともにＡＣサーボモータ１２、ＡＣサーボモータドライ
バ１４などの電気的、機械的な情報が与えられる。オペ
レータはこれらの情報を基にプログラムを組み、組み上
げたプログラムをコントローラ２５に格納する。プログ
ラムの動作が正常に動作すると、可動ブロック１０は先
ず原点位置で停止し、この位置から距離ａ移動して停止
し、第１のシリンダ１６を停止させた状態で、第２のシ
リンダ１７を作動させ、トレイ２６内のワーク２７に吸
着パッド１９を当接させ、図外の制御弁を作動させてワ
ーク２７を吸着し、引き続き第２のシリンダ１７を停止
させて吸着パッド１９を上昇させ、ワーク２７を取り出
す。次に可動ブロック１０を距離ｂだけ移動させ、第１
のシリンダ１６の先端を先頭の凹部１５ａ上に位置さ
せ、引き続き第２のシリンダ１７を作動させて、吸着パ
ッド１９を降下させ、制御弁を閉じてワーク２７を解放
し、先頭の凹部１５ａに供給する。この後、第２のシリ
ンダ１７を停止して吸着パッド１９を上昇させ、可動ブ
ロック１０を原点位置に戻す。この間に実際には先頭の
凹部１５ａに収容されたワーク２７に対して所定の作業
が行われる。そして一定時間後、可動ブロック１０を距
離（ａ＋ｂ）だけ移動させ、第２のシリンダ１７、吸着
パッド１９を順次作動させてワーク２７を吸着し、第２
のシリンダ１７を停止して、吸着パッド１９を上昇させ
てワーク２７を先頭の凹部１５ａから取り出し、さらに
可動ブロック１０を距離ｃの１／２だけ移動させ、第１
のシリンダ１６を作動させて、吸着パッド１９を続く凹
部１５ｂ上に移動させ、第２のシリンダ１７を作動させ
て、吸着パッド１９を降下させ、吸引を停止してワーク
２７を続く凹部１５ｂに収容する。この作業が完了する
と、第２のシリンダ１７の動作を停止させて吸着パッド
１９を上昇させ、可動ブロック１０を原点位置に戻し、
上記動作を繰り返して続くワークをトレイ２６から先頭
の凹部１５ａに供給する。このプログラムが正しく各部
の動作が正常であることはワーク２７の移動状態を目視
することにより可能で、この機能ユニットだけでもサー
ボモータ、シリンダ、吸気弁の電気的、機械的な理解を
高めることができる。このユニットには鍵盤２０ａを有
し音階の異なる発音が可能な電子ピアノ２０が配置され
ており、可動ブロック１０の移動制御と連動して第３、
第４のシリンダ２１、２２を作動させ、ロッド２３にて
鍵盤２０ａを予め指定された順番で押圧し、押圧時間を
制御することにより聴覚だけでも制御が正常に行われた
かの判別ができる。 上記実施例ではＡＣサーボモータ
１２を主体とした機能ユニットを示したが、本発明によ
るシュミレーション装置はこれに限定されるものではな
く、パルスステッピングモータやインダクションモータ
など他の形式のモータやエアシリンダなどにボールね
じ、リンク機構などの変位機構を組み合わせたアクチュ
エータを具えた機能ユニットにも適用できる。また、同
種あるいは異なる機工の機能ユニットを複数組、コント
ロールパネルを介して相互に接続し、生産設備の構成要
素を各機能ユニットに分担させることもできる。例えば
図１機能ユニットにて、図３における最初の凹部１５ａ
に収容されたワーク２７に対して行われる作業をこれと
連動して外部の他の機能ユニット（図示せず）上で行わ
せることにより、複数の機能ユニットで実際の生産装置
に近似した動作を行わせることができ、各部の動作を電
気的、機械的に理解することができる。この場合には、
センサなど付属部品は磁気吸着などの手段によりシャー
シ１の任意の位置に固定できるようにし、その高さ位
置、向きなども調整可能とし、コントロールパネル２を
介して、固定された機能ユニットあるいは外部の機能ユ
ニットに接続できるようにすることによって、機能ユニ
ットの汎用性を高め、現実の生産設備に近似したシュミ
レーション装置を実現できる。また、機能ユニットの各
部分に実際の生産設備と対応する名称や外観を表示した
ラベルを付けることにより、生産設備の具体的な動作の
理解を一層高めることができる。尚、上記実施例では、
ワークを収容する凹部をシャーシを直接切削することに
よって形成したが、ワークを平面的に配列するトレイを
交換可能に配置することもできる。これにより、寸法、
形状の異なるワークに対応でき、その配列間隔も変更で
きる。また、鍵盤（スイッチ）によって音階の異なる音
を発生させるだけでなく、発光装置を点滅させるように
して目視確認できるようにしても良く、さらには、予め
設定された動作条件に対して正常動作した場合の発音パ
ターンまたは発光パターンと比較して、異常動作が直ち
に分かるようにすることもできる。

【０００７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、生産設備
の構成要素を電気的、機械的に複数のグループに分割
し、各グループ毎にユニット化してシュミレーション装
置を構成したから、個々の機能ユニットの構成が簡単
で、電気信号に基づいて作動する作動部、作動部を制御
する制御部、制御部に作動信号を与える操作部の電気
的、機械的理解が容易で、具体的な生産設備の保守、点
検だけでなく修理や改造も可能な高度な技術を習得する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示す機能ユニットの平面図

【図２】 図１Ａ−Ａ断面図

【図３】 図１装置の動作を示す要部平面図

【符号の説明】

３ 端子 ４ 端子 １２ 作動部（ＡＣサーボモータ） １４ 制御部（ＡＣサーボモータドライバ） １６ 作動部（第１シリンダ） １７ 作動部（第２シリンダ） １９ 作動部（吸着パッド） ２１ 作動部（第２シリンダ） ２２ 作動部（第２シリンダ） ２５ 操作部（データメモリ型コントローラ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生産設備の構成要素を電気的、機械的に複
   数のグループに分割し、各グループ毎に、電気信号に基
   づいて作動する作動部と、作動部を制御する制御部と、
   制御部に作動信号を与える操作部と、操作部、制御部、
   作動部に適宜接続された入出力信号端子を含む複数の端
   子とを組み込んで機能ユニットを構成したことを特徴と
   するシュミレーション装置。
2. 【請求項２】作動部が水平動または上下動するアクチュ
   エータであることを特徴とする請求項１に記載のシュミ
   レーション装置。
3. 【請求項３】アクチュエータの移動経路に沿って複数の
   スイッチを配置し、各スイッチにそれぞれのスイッチを
   識別する識別手段を接続したことを特徴とする請求項２
   に記載のシュミレーション装置。
4. 【請求項４】識別手段が音響発生手段であることを特徴
   とする請求項３に記載のシュミレーション装置。
5. 【請求項５】識別手段が発光装置であることを特徴とす
   る請求項３に記載のシュミレーション装置。