KR20200097783A - 설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램 - Google Patents

설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램 Download PDF

Info

Publication number
KR20200097783A
KR20200097783A KR1020207020337A KR20207020337A KR20200097783A KR 20200097783 A KR20200097783 A KR 20200097783A KR 1020207020337 A KR1020207020337 A KR 1020207020337A KR 20207020337 A KR20207020337 A KR 20207020337A KR 20200097783 A KR20200097783 A KR 20200097783A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mechanical device
mechanical
design support
parameters
transfer function
Prior art date
Application number
KR1020207020337A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102308282B1 (ko
Inventor
류타 사토
아츠시 나가오
다케시 하시모토
다이치 사사키
Original Assignee
미키풀리주식회사
고쿠리츠다이가쿠호진 고베다이가쿠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 미키풀리주식회사, 고쿠리츠다이가쿠호진 고베다이가쿠 filed Critical 미키풀리주식회사
Publication of KR20200097783A publication Critical patent/KR20200097783A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102308282B1 publication Critical patent/KR102308282B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/38—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a proportional characteristic
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/40—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining an integral characteristic
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
    • G05D3/20—Control of position or direction using feedback using a digital comparing device
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q30/00—Commerce
    • G06Q30/06—Buying, selling or leasing transactions
    • G06Q30/0601—Electronic shopping [e-shopping]
    • G06Q30/0621—Item configuration or customization
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/04—Manufacturing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)
  • Stored Programmes (AREA)
  • Mirrors, Picture Frames, Photograph Stands, And Related Fastening Devices (AREA)

Abstract

(과제) 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계에 있어서, 그 기계 요소의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 유저가 용이하게 파악할 수 있도록 한다. (해결 수단) 기계 장치의 설계를 지원하는 처리를 실행하는 설계 지원 장치(1)에 있어서, 프로세서(11)가, 기계 장치(21, 51)를 구성하는 하나 이상의 기계 요소(24, 56, 58) 중 해석 대상 요소의 수학 모델에 있어서의 복수의 파라미터를 각각 설정하고, 그들 복수의 파라미터에 근거하여, 기계 장치(21, 51)의 하나 이상의 진동 모드에 대하여 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하고, 그 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는 구성으로 한다.

Description

설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램
본 발명은, 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치의 설계를 지원하는 설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램에 관한 것이다.
예컨대, 피드백 제어계에 의해 제어되는 서보 모터의 회전 운동을, 볼나사 및 너트를 통해서 테이블의 직진 운동으로 변환하는 이송 구동 기구에서는, 서보 모터의 회전 운동은, 그 이득 상수를 크게 설정할수록, 높은 응답 및 높은 정밀도의 운동이 실현되는 것이 알려져 있다. 한편, 이득 상수를 과도하게 크게 설정하면, 이송 구동 기구의 각 부의 질량이나 강성 등의 관계로 정해지는 고유 진동수로 이상 진동이 발생하는 경우가 있다.
종래, 적절한 제어계의 특성을 구하는 기술에 관하여, 기계계의 특성에 근거하여 근궤적도를 작성하는 방법이 알려져 있다(비특허문헌 1 참조). 또한, 기계 장치의 성능을 종합적으로 향상시키기 위해, 기계 요소의 관성 모멘트 및 강성과, 기계 장치의 성능을 나타내는 지표의 하나인 서보 강성의 관계를 해석하여 각 요소의 설계를 행하는 방법이 알려져 있다(비특허문헌 2 참조). 또한, 기계 장치의 모델에 근거하여 그 특성을 시뮬레이션하고, 최적의 설계를 지원하는 방법이 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2008-102714호 공보
비특허문헌 1 : 마츠바라 아츠시, 정밀 위치 결정ㆍ이송계 설계를 위한 제어 공학, 모리키타출판(2008). 비특허문헌 2 : 가키노 요시아키, 마츠바라 아츠시, 우에다 다이스케, 나카가와 히데오, 다케시타 도라오, 마루야마 히사이치, NC 공작 기계에 있어서의 이송 구동계의 토털 튜닝에 관한 연구(제3보) -기구 파라미터의 튜닝-, 정밀공학회지, Vol.62, No.3, (1996), pp.423-427.
그렇지만, 상기 비특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 최종적으로 얻어지는 기계 장치의 성능은 기계계의 특성에 의해 제한되게 되지만, 그 기술은 제어계에 관한 것이기 때문에, 기계 장치 및 그것을 구성하는 기계 요소의 설계에 대해서는 고려되어 있지 않다. 또한, 상기 비특허문헌 2에 기재된 종래 기술에서는, 1차의 고유 진동수에 대해서만 고려되기 때문에, 유저는, 기계 장치에서 발생할 수 있는 진동을 적절하게 파악할 수 없는 경우가 있다. 또한, 상기 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 복수의 이송 구동계를 동시에 움직이게 하여 소망하는 형상을 구성하는 경우에, 서보 이득을 최적화하는 설계를 실현하지만, 기계 장치의 성능을 향상시키기 위해 기계계의 특성을 어떻게 설계하면 되는지에 대해서는 개시되어 있지 않다.
특히, 유저가 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계(기계 요소의 선정을 포함한다)를 행할 때에는, 대상의 기계 요소의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 유저가 용이하게 파악할 수 있도록 하는 것이 바람직하지만, 상술한 종래 기술에서는, 그와 같은 유저의 편리성에 대해서는 고려되어 있지 않았다.
본 발명은, 이와 같은 종래 기술의 과제를 감안하여 안출된 것이고, 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계에 있어서, 그 기계 요소의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 유저가 용이하게 파악할 수 있도록 하는 설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램을 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명의 제 1 측면은, 피드백 제어되는 모터(23, 57)에 의해 구동되는 기계 장치(21, 51)의 설계를 지원하는 처리를 실행하는 프로세서(11)를 구비한 설계 지원 장치(1)이고, 상기 프로세서는, 상기 기계 장치를 구성하는 하나 이상의 기계 요소(24, 56, 58) 중 해석 대상 요소의 수학 모델에 있어서의 복수의 파라미터를 각각 설정하고, 상기 복수의 파라미터에 근거하여, 상기 기계 장치의 하나 이상의 진동 모드에 대하여 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하고, 상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 유저는, 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계(기계 요소의 선정을 포함한다)에 있어서, 그 기계 요소의 특성(파라미터)이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 유저는, 기계 장치에 있어서의 이상 진동의 발생을 미연에 방지하는 것이 가능하게 되고, 또한, 이상 진동이 발생하고 있는 기계 장치에 있어서는, 그 진동의 발생을 억제하기 위한 기계 요소의 특성에 관한 구체적인 개선 지침을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에서는, 상기 안정성 판별선도(41, 71)를 표시하는 표시 장치를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 유저는, 표시 장치에 표시된 안정성 판별선도에 의해, 기계 요소의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 시각적으로 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 3 측면에서는, 상기 프로세서는, 상기 진동 모드가 복수 설정된 경우에, 그 복수의 진동 모드의 각각에 관한 상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 하나의 상기 안정성 판별선도를 작성하는 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 유저는, 표시 장치에 표시된 복수의 진동 모드에 근거하는 안정성 판별선도에 의해, 기계 요소의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 보다 확실하게 파악하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 4 측면에서는, 상기 복수의 파라미터는, 상기 기계 요소의 강성 및 감쇠 특성에 관한 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 유저는, 기계 요소의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 적절하게 파악하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 5 측면에서는, 상기 프로세서는, 상기 전달 함수의 극을 그 허수부의 절대치가 큰 순서로 늘어놓은 경우에, 상기 허수부의 절대치의 크기가 가장 큰 것을 기점으로 하여, 상기 수학 모델의 자유도와 상기 진동 모드의 수의 차분만큼 하위의 극의 실수부의 값에 대한 등치선을 작성하는 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 적절하게 작성하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 6 측면에서는, 상기 프로세서는, 상기 기계 요소의 후보인 하나 이상의 대상 제품에 관한 상기 파라미터의 값을 나타내는 기호를 포함하도록 상기 안정성 판별선도를 작성하는 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 유저는, 기계 요소의 선정에 있어서, 그 후보가 되는 대상 제품의 특성(파라미터)이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 파악하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 유저는, 기계 장치에 있어서의 이상 진동의 발생을 미연에 방지하기 위한, 또는, 이상 진동이 발생하고 있는 기계 장치의 그 진동의 발생을 억제하기 위한 기계 요소를 대상 제품 중에서 용이하게 선택하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 7 측면은, 피드백 제어되는 모터(23, 57)에 의해 구동되는 기계 장치(21, 51)의 설계를 지원하는 설계 지원 방법이고, 상기 기계 장치를 구성하는 하나 이상의 기계 요소(24, 56, 58) 중 해석 대상 요소의 수학 모델에 있어서의 복수의 파라미터를 각각 설정하고, 상기 복수의 파라미터에 근거하여, 상기 기계 장치의 하나 이상의 진동 모드에 대하여 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하고, 상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 유저는, 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계(기계 요소의 선정을 포함한다)에 있어서, 그 기계 요소의 특성(파라미터)이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 유저는, 기계 장치에 있어서의 이상 진동의 발생을 미연에 방지하는 것이 가능하게 되고, 또한, 이상 진동이 발생하고 있는 기계 장치에 있어서는, 그 진동의 발생을 억제하기 위한 기계 요소의 특성에 관한 구체적인 개선 지침을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 8 측면은, 피드백 제어되는 모터(23, 57)에 의해 구동되는 기계 장치(21, 51)의 설계를 지원하는 처리를 실행하기 위한 설계 지원 프로그램이고, 컴퓨터(1)에, 상기 기계 장치를 구성하는 하나 이상의 기계 요소(24, 56, 58) 중 해석 대상 요소의 수학 모델에 있어서의 복수의 파라미터를 각각 설정하는 수순, 상기 복수의 파라미터에 근거하여, 상기 기계 장치의 하나 이상의 진동 모드에 대하여 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하는 수순, 상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는 수순을 실행시키는 것을 특징으로 한다.
이것에 따르면, 유저는, 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계(기계 요소의 선정을 포함한다)에 있어서, 그 기계 요소의 특성(파라미터)이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 유저는, 기계 장치에 있어서의 이상 진동의 발생을 미연에 방지하는 것이 가능하게 되고, 또한, 이상 진동이 발생하고 있는 기계 장치에 있어서는, 그 진동의 발생을 억제하기 위한 기계 요소의 특성에 관한 구체적인 개선 지침을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계에 있어서, 그 기계 요소의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 유저가 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 설계 지원 장치의 기능 블록도이다.
도 2는 설계 지원 장치의 하드웨어 구성도이다.
도 3은 설계 지원 장치에 의한 설계 지원 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 설계 지원 처리의 적용예로서의 제 1 기계 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 제 1 기계 장치의 역학 모델을 나타내는 도면이다.
도 6은 제 1 기계 장치에 있어서의 모터의 제어계의 블록도이다.
도 7은 제 1 기계 장치의 커플링에 관한 안정성 판별선도의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 제 1 기계 장치의 커플링의 후보인 대상 제품을 이용한 경우의 회전 속도의 변화를 나타내는 도면이다((a) 제 1 커플링, (b) 제 2 커플링).
도 9는 제 1 기계 장치의 설계에 관하여, 설계 지원 장치에서 실행되는 설계 지원 소프트웨어에 의한 GUI 화면의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 설계 지원 처리의 적용예로서의 제 2 기계 장치를 나타내는 도면이다.
도 11은 제 2 기계 장치의 역학 모델을 나타내는 도면이다.
도 12는 제 2 기계 장치의 서포트 베어링에 관한 안정성 판별선도의 일례를 나타내는 도면이다((a) 1차 진동 모드, (b) 2차 진동 모드).
도 13은 제 2 기계 장치의 서포트 베어링의 후보인 대상 제품을 이용한 경우의 회전 속도의 변화를 나타내는 도면이다((a) 제 1 서포트 베어링, (b) 제 2 서포트 베어링).
도 14는 제 2 기계 장치의 커플링에 관한 안정성 판별선도의 일례를 나타내는 도면이다((a) 1차 진동 모드, (b) 2차 진동 모드).
도 15는 제 2 기계 장치의 커플링의 후보인 대상 제품을 이용한 경우의 속도 변화를 나타내는 도면이다((a) 제 1 커플링, (b) 제 2 커플링).
도 16은 도 14에 나타낸 안정성 판별선도의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 17은 제 2 기계 장치의 설계에 관하여, 설계 지원 장치에서 실행되는 설계 지원 소프트웨어에 의한 GUI 화면의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 실시형태에 따른 설계 지원 장치(1)의 기능 블록도 및 하드웨어 구성도이다.
이 설계 지원 장치(1)는, 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치의 설계를 지원하기 위한 처리(이하, "설계 지원 처리"라고 한다)를 실행하고, 그 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계(기계 요소의 선정을 포함한다)에 관하여, 그 기계 요소의 특성(수학 모델의 파라미터)이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 유저가 용이하게 파악할 수 있도록 하는 것이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 설계 지원 장치(1)는, 기계 장치(도시하지 않음)의 특성을 모의한 수식으로 이루어지는 수학 모델로부터 그 기계 장치의 동적인 응답 특성을 나타내는 전달 함수를 계산하는 전달 함수 계산부(2)와, 해석 대상의 기계 요소(이하, "해석 대상 요소"라고 한다)의 수학 모델의 파라미터의 범위를 설정하는 해석 파라미터 설정부(3)와, 해석 대상 요소 이외의 다른 기계 요소의 수학 모델의 파라미터를 설정하는 고정 파라미터 설정부(4)와, 해석 대상 요소의 진동 모드를 설정하는 진동 모드 설정부(5)와, 설정된 하나 이상의 진동 모드에 관하여, 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하고, 그 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는 안정성 판별선도 작성부(6)와, 유저에 의한 각종 설정의 입력(예컨대, 후술하는 도 9 참조)이나, 이후에 상술하는 안정성 판별선도 등의 해석 결과의 출력에 이용되는 표시부(7)를 주로 구비한다.
설계 지원 장치(1)는, 공지의 하드웨어를 구비한 컴퓨터로 이루어지고, 도 2에 나타내는 바와 같이, 설계 지원 소프트웨어(제어 프로그램)에 근거하여 설계 지원 처리를 실행하는 하나 이상의 프로세서(11)와, 이 프로세서(11)의 워크 에리어 등으로서 기능하는 RAM(Random Access Memory)(12)과, 프로세서(11)가 실행하는 제어 프로그램이나 데이터 등을 저장하는 ROM(Read Only Memory)(13)과, 설계 지원 장치(1)를 공지의 통신 네트워크에 접속 가능하게 하기 위한 네트워크 어댑터로 이루어지는 네트워크 인터페이스(I/F)(14)가 각각 입출력 버스(15)에 접속된 구성을 갖고 있다.
또한, 설계 지원 장치(1)에는, 주변 기기로서, 유저가 설계 지원 장치(1)에 있어서의 각종 설정이나, 해석 결과의 표시 등의 때에 이용하는 키보드 및 마우스 등의 입력 디바이스인 입력 장치(16), 상술한 표시부(7)를 구성하는 액정 모니터 등으로 이루어지는 표시 장치(17), 및 HDD나 플래시 메모리 등의 스토리지로 이루어지는 외부 기억 장치(18) 등이 부설되어 있다. 도 1에 나타낸 설계 지원 장치(1)의 각 부의 기능은, 설계 지원 소프트웨어를 포함하는 소정의 제어 프로그램을 프로세서(11)가 실행하는 것에 의해 실현 가능하다.
또, 설계 지원 장치(1)의 하드웨어에 대해서는, 설계 지원 처리를 실행 가능한 한, 도 2에 나타낸 것에 한하지 않고 적당하게 변경이 가능하다. 예컨대, 설계 지원 장치(1)는, 복수의 컴퓨터에 의해 실현할 수도 있다.
도 3은 설계 지원 장치(1)(안정성 판별선도 작성부(6))에 의한 설계 지원 처리(설계 지원 방법)의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
설계 지원 장치(1)에 있어서, 유저는, 안정성 판별선도(예컨대, 후술하는 도 7 참조)의 가로축 및 세로축에 상당하는 기계 장치의 수학 모델 중 임의의 파라미터(여기서는, 2개의 파라미터 A, B로 한다)를 미리 설정하는 것이 가능하다.
설계 지원 처리가 개시되면, 우선, 그들 가로축 및 세로축의 분할 수 n, m이 유저에 의해 각각 설정되고(ST101), 이것에 의해, 파라미터 A의 해석 범위가 n분할되고(ST102), 파라미터 B의 해석 범위가 m분할된다(ST103). 또, 가로축 및 세로축의 분할은, 선형적으로 분할하더라도 좋고, 로그적으로 분할하더라도 좋다. 또한, 유저는 반드시 분할 수 n, m을 그때마다 설정할 필요는 없고, 미리 외부 기억 장치(18) 등에 기억된 분할 수 n, m을 이용할 수도 있다. 여기서, 분할 수가 많으면 보다 높은 분해능으로의 해석이 행하여지지만, 계산량이 증대되게 되기 때문에, 파라미터에 따라 가로축 및 세로축의 분할 수의 범위(예컨대, 상한치, 하한치)를 미리 정하더라도 좋다.
다음으로, 해석 대상의 파라미터 Ai(i=1~n)와 Bj(j=1~m)(즉, 파라미터 A, B가 각각의 분할 수 n, m에 근거하여 변경된 값)가 기계 장치의 전달 함수에 대입되고, 각각의 극이 순차적으로 계산된다(ST104). 이때, 전달 함수의 극은, 전달 함수의 분모 다항식의 근으로서 구할 수 있다.
여기서, 기계 장치의 모델의 자유도를 DOF로 하면, 그 기계 장치의 진동 모드의 수는 DOF-1이 된다. 스텝 ST104에서 구하여진 극의 허수부의 절대치는 그 극에 의한 진동의 진동수에 대응하고, 해석 대상의 진동 모드를 N차로 한 경우, 허수부의 절대치가 DOF-N번째로 큰 극의 실수부의 값이 Cij로서 외부 기억 장치(18)에 기억된다(ST105). 이것에 의해, N차의 진동 모드를 해석 대상으로 하는 경우에는, 스텝 ST104에서 구하여진 극에 대하여, 그 허수부의 절대치가 DOF-N번째로 큰 것이 N차의 진동 모드에 대응하는 극이 된다. 또, 전달 함수의 극의 실수부는 기계 장치의 안정성에 관계되고, 그 실수부의 값이 음이면 안정이고, 양이면 불안정이 된다.
다음으로, 스텝 ST105에서 구하여진 실수부의 값 Cij에 대하여, 가로축을 A, 세로축을 B로 한 등치선이 산출되는 것에 의해, 그 등치선을 포함하는 안정성 판별선도(등치선을 포함하는 그래프 데이터)가 작성된다(ST106). 작성된 안정성 판별선도는, 외부 기억 장치(18)에 기억된다. 또, 안정성 판별선도는, 파라미터 Ai, Bj 및 실수부의 값 Cij에 근거하는 삼차원의 그래프로 하더라도 좋다.
이후에 상술하는 바와 같이, 유저는, 기계 장치를 구성하는 기계 요소의 설계(기계 요소의 선정을 포함한다)에 있어서, 상술한 안정성 판별선도를 참조하는 것이 가능하다. 유저에 의한 안정성 판별선도의 참조는, 바람직하게는, 안정성 판별선도를 포함하는 설계 지원 화면을 표시 장치(17)에 표시하는 것에 의해 행하여지지만, 이것에 한하지 않고 다른 형태(예컨대, 안정성 판별선도에 관한 음성의 출력 등)에 의해 실시하더라도 좋다.
이것에 의해, 유저는, 기계 요소의 특성(파라미터)이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 유저는, 신규 기계 장치에 있어서의 이상 진동의 발생을 미연에 방지하는 것이 가능하게 되고, 또한, 이상 진동이 발생하고 있는 기존의 기계 장치에 있어서는, 그 진동의 발생을 억제하기 위한 기계 요소의 특성에 관한 구체적인 개선 지침을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 설계 지원 장치(1) 및 그 설계 지원 방법에 대하여, 적합한 실시예를 설명한다.
도 4는 설계 지원 장치(1)에 의한 설계 지원 처리의 적용예로서의 제 1 기계 장치(21)를 나타내는 도면이고, 도 5는 제 1 기계 장치(21)의 역학 모델을 나타내는 도면이고, 도 6은 제 1 기계 장치(21)에 있어서의 모터(23)의 제어계의 블록도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 기계 장치(21)는, 인쇄기에 있어서의 롤러(22)의 회전 구동 기구로서 구성되고, 롤러(22)를 구동하는 모터(23)와, 롤러(22)의 일단 측의 축(22a) 및 모터(23)의 축(23a)을 연결하는 커플링(24)을 구비한다. 여기서는, 설계 지원 장치(1)에 의한 해석 대상 요소는 커플링(24)이다. 이 경우, 커플링(24)의 강성이나 감쇠 특성을 적절하게 설계하는 것에 의해, 구동 기구의 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 5에 나타내는 역학 모델은, 제 1 기계 장치(21)의 회전 구동 기구의 역학적인 특성을 모델화한 것이다. 또한, 모터(23)의 회전 속도는, 도 6에 나타내는 제어계의 블록도와 같이 피드백 제어되고 있다. 여기서, Tm은 모터(23)의 출력 토크, θm은 모터(23)의 회전 각도, θr은 롤러(22)의 회전 각도이다. 표 1에는, 도 5 및 도 6에 나타낸 파라미터를 해석에 이용한 수치예와 함께 나타낸다.
Figure pct00001
도 5에 나타내는 역학 모델로부터, 이하에 나타내는 운동 방정식이 얻어지고, 이 운동 방정식 및 도 6에 나타내는 블록도로부터 공지의 수법에 근거하여 제 1 기계 장치(21) 전체의 전달 함수를 계산할 수 있다.
Figure pct00002
도 7은 도 4에 나타낸 제 1 기계 장치(21)의 커플링(24)에 관한 안정성 판별선도의 일례를 나타내는 도면이고, 도 8(a), 도 8(b)는 각각 제 1 기계 장치(21)의 커플링(24)의 후보인 대상 제품(여기서는, 제 1 및 제 2 커플링)을 이용한 경우의 회전 속도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7에 나타내는 안정성 판별선도에서는, 파라미터로서 커플링(24)의 강성 및 감쇠 특성(비틀림 강성 및 모터-롤러간 점성 마찰 계수)이 이용되고, 각각 가로축 및 세로축으로서 나타나 있다. 도 7 중의 각 등치선에 부여된 수치는, 제 1 기계 장치(21)의 2차 진동 모드에 관한 전달 함수의 실수부의 값(여기서는, -50, 0, 50, 100)이다. 이 예에서는, 비틀림 강성이 비교적 작은 영역(예컨대, 2.0×105 미만의 영역)을 제외하면, 전달 함수의 실수부의 값이 음이 되는 안정 영역에서는, 제 1 기계 장치(21)에 이상 진동이 발생할 가능성은 낮고, 한편으로, 실수부의 값이 양이 되는 불안정 영역에서는, 제 1 기계 장치(21)에 이상 진동이 발생할 가능성이 높아진다. 또, 안정성 판별선도는, 도 7에 나타내는 것에 한하지 않고, 예컨대 도 7에 나타내는 가로축 및 세로축을 서로 바꾸더라도 좋다.
도 8(a), 도 8(b)에서는, 각각 커플링(24)에 제 1 및 제 2 커플링을 적용한 제 1 기계 장치(21)에 있어서, 모터(23)의 회전 속도를 제로로부터 100rpm으로 증대시킨 경우의 롤러(22)의 회전 속도의 변화를 나타내고 있다.
여기서, 제 1 커플링의 강성 및 감쇠 특성의 값은, 도 7 중에 삼각 표시(△)로 나타내는 바와 같이, 안정성 판별선도의 불안정 영역에 위치한다. 한편, 제 2 커플링의 비틀림 강성 및 점성 감쇠 특성의 값은, 도 7 중에 원 표시(○)로 나타내는 바와 같이, 안정성 판별선도의 안정 영역에 위치한다. 또, 본원 발명에 있어서의 "대상 제품"은, 시판품 등의 기존의 제품으로부터 선택하는 것이 가능하지만, 이것에 한하지 않고 새롭게 설계, 제조를 예정하고 있는 기계 요소이더라도 좋다.
도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 강성 및 감쇠 특성의 값이 불안정 영역에 위치하는 제 1 커플링을 제 1 기계 장치(21)에 적용한 경우에는, 롤러(22)의 회전 중에 이상 진동이 발생하기 때문에, 제 1 기계 장치(21)의 정상 사용이 어려운 것을 알 수 있다. 한편, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 강성 및 감쇠 특성의 값이 안정 영역에 위치하는 제 2 커플링을 제 1 기계 장치(21)에 적용한 경우에는, 제 1 기계 장치(21)에 있어서의 롤러(22)는, 정상 회전 동작을 행할 수 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 유저는, 상술한 바와 같은 안정성 판별선도로부터 커플링(24)의 특성(여기서는, 강성 및 감쇠 특성)이 제 1 기계 장치(21)의 진동에 미치는 영향을 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 유저는, 강성 및 감쇠 특성의 값이 안정 영역에 위치하도록, 커플링(24)을 설계(선정을 포함한다)하는 것에 의해, 제 1 기계 장치(21)에 있어서의 이상 진동의 발생을 미연에 방지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 유저는, 제 1 기계 장치(21)에 있어서 이상 진동이 발생하고 있는 경우는, 그 진동의 발생을 억제하기 위한 커플링(24)의 강성 및 감쇠 특성에 관한 구체적인 개선 지침을 얻을 수 있다. 본 발명을 사용하면, 커플링과 같은 기계 요소에 관한 이상 진동에 대한 안정성을, 한눈에 판단할 수 있는 지침을 표시할 수 있고, 그 효과는 크다.
도 9는 제 1 기계 장치(21)의 설계 지원에 관하여, 설계 지원 장치(1)에 인스톨된 설계 지원 소프트웨어에 의한 GUI(Graphical User Interface) 화면(30)의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, GUI 화면(30)에 있어서, 해석 파라미터 설정 필드(31)는, 해석 파라미터 설정부(3)에 의해 설정되는 해석 대상 요소의 파라미터(여기서는, 커플링(24)의 강성 및 감쇠 특성 등)의 범위에 관하여, 유저에 의한 입력 조작을 가능하게 한다. 또한, 고정 파라미터 설정 필드(32)는, 고정 파라미터 설정부(4)에 의해 설정되는 해석 대상 요소 이외의 다른 기계 요소의 파라미터(여기서는, 속도 루프 비례 이득 Kvp, 속도 루프 적분 이득 Kvi, 모터의 점성 마찰 계수, 롤러 점성 마찰 계수, 모터-롤러간 점성 감쇠 계수 등)에 관하여, 유저에 의한 입력 조작을 가능하게 한다. 또한, 해석 결과 출력 필드(33)에는, 유저에 의한 소정의 조작에 따라, 도 7에 대응하는 안정성 판별선도(41)나, 그 삼차원 그래프(42)가 나타내어진다. 삼차원 그래프(42)는, GUI 화면 상의 "회전 ON"을 체크함으로써 임의의 시점에서 표시시킬 수 있다. "회전 ON"의 표시를 생략하고, 항상 회전이 가능하게 되도록 하더라도 좋고, 시점을 고정하더라도 좋다.
또, 상술한 전달 함수 계산부(2)는, 설계 지원 소프트웨어의 기능의 일부이고, 또한, 기계 요소의 파라미터 중 변경이 불필요한 것에 대해서는, 설계 지원 소프트웨어에 귀속하는 데이터로서 외부 기억 장치(18) 등에 미리 기억된다. 여기서는, 제 1 기계 장치(21)의 진동 모드가 하나인 것으로부터, 후술하는 도 17에 나타내는 바와 같은 진동 모드 설정 필드는 불필요하고, 상술한 진동 모드 설정부(5)를 생략할 수 있다.
설계 지원 장치(1)에서는, 이와 같은 GUI 화면(30)을 이용하는 것에 의해, 유저에 의한 각종 설정의 입력이나, 유저에 대한 해석 결과(안정성 판별선도 등)의 출력이 가능하다. 해석 결과의 출력에 관하여, 해석 결과 출력 필드(33)에는, 커플링(24)의 파라미터에 근거하여 공지의 수법에 의해 작성된 근궤적도(45)를 표시하는 것도 가능하다.
도 10은 설계 지원 장치(1)에 의한 설계 지원 처리의 적용예로서의 제 2 기계 장치(51)를 나타내는 도면이고, 도 11은 제 2 기계 장치(51)의 역학 모델을 나타내는 도면이다. 또, 제 2 기계 장치(51)에 관하여, 이하에서 특별히 언급하지 않는 사항에 대해서는, 상술한 제 1 기계 장치(21)에 관한 설명을 적당하게 참조하라.
도 10에 나타내는 바와 같이, 제 2 기계 장치(51)는, 제조 장치(예컨대, 공작 기계)에 있어서의 이송 구동 기구로서 구성되고, 볼나사(52)와, 볼나사(52)의 너트(53)에 달린 테이블(54)과, 볼나사(52)의 나사축(55)을 지지하는 서포트 베어링(56)과, 볼나사(52)를 구동하는 서보 모터(57)와, 나사축(55)의 단부(55a) 및 서보 모터(57)의 축(57a)을 연결하는 커플링(58)을 구비한다. 이와 같은 구성에 의해, 제 2 기계 장치(51)에서는, 서보 모터(57)의 회전 운동을 나사축(55) 및 너트(53)를 통해서 테이블(54)의 직진 운동으로 변환하는 것이 가능하다. 여기서는, 설계 지원 장치(1)에 의한 해석 대상 요소는, 커플링(58) 및 서포트 베어링(56)이다. 제 2 기계 장치(51)에서는, 커플링(58) 및 서포트 베어링(56)의 강성이나 감쇠 특성을 적절하게 설계하는 것에 의해, 이송 구동 기구의 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 11에 나타내는 역학 모델은, 제 1 기계 장치(21)의 구동 기구의 역학적인 특성을 모델화한 것이다. 도 11에 있어서, Tm은 서보 모터(57)의 출력 토크, θm은 서보 모터(57)의 회전 각도, θs는 나사축(55)의 회전 각도, xs는 나사축(55)의 축 방향 변위, xt는 테이블(54)의 축 방향 변위이다. 표 2에는, 도 11에 나타낸 파라미터를 해석에 이용한 수치예와 함께 나타낸다.
Figure pct00003
도 11에 나타내는 역학 모델로부터, 이하에 나타내는 운동 방정식이 얻어지고, 이 운동 방정식 및 도 6에 나타낸 것과 마찬가지의 블록도로부터 공지의 수법에 근거하여 제 2 기계 장치(51) 전체의 전달 함수를 계산할 수 있다.
Figure pct00004
도 12(a), 도 12(b)는 각각 도 10에 나타낸 제 2 기계 장치(51)의 기계 요소의 하나인 서포트 베어링(56)의 1차 진동 모드 및 2차 진동 모드에 관한 안정성 판별선도의 일례를 나타내는 도면이고, 도 13(a), 도 13(b)는 각각 제 2 기계 장치(51)의 서포트 베어링(56)의 후보인 대상 제품(제 1 및 제 2 서포트 베어링)을 이용한 경우의 속도 변화를 나타내는 도면이다.
도 12(a), 도 12(b)에 나타내는 안정성 판별선도에서는, 파라미터로서 서포트 베어링(56)의 강성 및 감쇠 특성(축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수)이 이용되고, 각각 가로축 및 세로축으로서 나타나 있다. 도 11에 나타낸 제 2 기계 장치(51)의 역학 모델은 4개의 자유도를 갖기 때문에, 그 진동 모드는 3가지가 되지만, 여기서는, 2가지의 진동 모드(도 12(a) 1차 진동 모드, 도 12(b) 2차 진동 모드)에 대해서만 안정성 판별선도를 나타내고 있다.
상술한 도 7의 경우와 마찬가지로, 도 12(a), 도 12(b)에 있어서, 전달 함수의 실수부의 값이 음이 되는 안정 영역에서는, 제 2 기계 장치(51)에 이상 진동이 발생할 가능성은 낮고, 한편으로, 실수부의 값이 양이 되는 불안정 영역에서는, 제 2 기계 장치(51)에 이상 진동이 발생할 가능성이 높다.
도 13(a), 도 13(b)에서는, 각각 서포트 베어링(56)에 제 1 및 제 2 서포트 베어링을 적용한 제 2 기계 장치(51)에 있어서, 서보 모터(57)의 속도 지령을 스텝 형상으로 변화시켰을 때의 응답(속도 변화)을 나타내고 있다.
여기서, 제 1 서포트 베어링의 축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수의 값은, 도 12 중에 삼각 표시(△)로 나타내고 있고, 도 12(a)의 1차 진동 모드에 대해서는 안정 영역에 위치하지만, 도 12(b)의 2차 진동 모드에 대해서는 불안정 영역에 위치한다. 또한, 제 2 서포트 베어링의 축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수의 값은, 도 12 중에 원 표시(○)로 나타내고 있고, 제 1 서포트 베어링과는 반대로, 도 12(a)의 1차 진동 모드에 대해서는 불안정 영역에 위치하지만, 도 12(b)의 2차 진동 모드에 대해서는 안정 영역에 위치한다.
도 13(a)에 나타내는 제 1 서포트 베어링에서는, 도 13(b)에 나타내는 제 2 서포트 베어링에 비하여 높은 주파수에서의 발진이 발생하고 있고, 이것은, 도 12(b)에 나타내는 2차 진동 모드의 안정성 판별선도에 있어서, 제 1 서포트 베어링의 축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수의 값이 불안정 영역에 위치하는 것과 대응하고 있다.
이와 같이, 유저는, 도 12(a), 도 12(b)와 같은 안정성 판별선도로부터 서포트 베어링(56)의 특성(여기서는, 축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수)이 제 2 기계 장치(51)의 1차 진동 모드와 2차 진동 모드에 대한 진동에 미치는 영향을 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 이와 같이 본 발명을 이용하면, 2가지 이상의 진동 모드를 갖는 기계 장치에 있어서, 기계 요소에 관한 안정성을, 기계 장치의 제조 후뿐만 아니라, 설계 시점에서, 용이하게 판단할 수 있는 사용을 제공할 수 있다.
도 14(a), 도 14(b)는 각각 도 10에 나타낸 제 2 기계 장치(51)의 기계 요소의 하나인 커플링(58)의 1차 진동 모드 및 2차 진동 모드에 관한 안정성 판별선도의 일례를 나타내는 도면이고, 도 15(a), 도 15(b)는 각각 제 2 기계 장치(51)의 커플링(58)의 후보인 대상 제품(제 1 및 제 2 커플링)을 이용한 경우의 속도 변화를 나타내는 도면이고, 도 16은 도 14(a), 도 14(b)에 나타낸 안정성 판별선도의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 14(a), 도 14(b)에 나타내는 안정성 판별선도에서는, 파라미터로서 커플링(58)의 강성 및 감쇠 특성이 이용되고, 각각 가로축 및 세로축으로서 나타나 있다. 여기서도, 도 12(a), 도 12(b)의 경우와 마찬가지로, 1차 진동 모드 및 2차 진동 모드에 대한 안정성 판별선도를 나타내고 있다.
이와 같이, 설계 지원 장치(1) 및 그 설계 지원 방법에서는, 안정성 판별선도를 작성할 때의 해석 대상이나, 진동 모드를 자유롭게 선택할 수 있다. 또한, 상술한 도 7의 경우와 마찬가지로, 도 14(a), 도 14(b)에 있어서, 전달 함수의 실수부의 값이 음이 되는 안정 영역에서는, 제 2 기계 장치(51)에 이상 진동이 발생할 가능성은 낮고, 한편으로, 실수부의 값이 양이 되는 불안정 영역에서는, 제 2 기계 장치(51)에 이상 진동이 발생할 가능성이 높다.
도 14(a)에 나타내는 바와 같이, 제 2 기계 장치(51)에서는, 커플링(58)의 특성을 바꾸더라도 1차 진동 모드의 안정성에는 거의 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 한편, 도 14(b)에 나타내는 바와 같이, 2차 진동 모드에 대해서는, 커플링(58)의 비틀림 강성 및 점성 감쇠 특성이 제 2 기계 장치(51)의 안정성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
도 15(a), 도 15(b)에서는, 각각 커플링(58)에 제 1 및 제 2 커플링을 적용한 제 2 기계 장치(51)에 있어서, 서보 모터(57)의 속도 지령을 스텝 형상으로 변화시켰을 때의 응답(속도 변화)을 나타내고 있다.
여기서, 제 1 커플링의 비틀림 강성 및 점성 감쇠 특성의 값은, 도 14 중에 삼각 표시(△)로 나타내고 있고, 도 14(a)의 1차 진동 모드에 대해서는 안정 영역에 위치하지만, 도 14(b)의 2차 진동 모드에 대해서는 불안정 영역에 위치한다. 또한, 제 2 커플링의 축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수의 값은, 도 14 중에 원 표시(○)로 나타내고 있고, 도 14(a)의 1차 진동 모드 및 도 14(b)의 2차 진동 모드에 대하여 함께 안정 영역에 위치한다.
도 15(a)에 나타내는 제 1 커플링에서는, 도 15(b)에 나타내는 제 2 서포트 베어링에 비하여 높은 주파수에서의 발진이 발생하고 있고, 이것은, 도 14(b)에 나타내는 2차 진동 모드의 안정성 판별선도에 있어서, 제 1 커플링의 축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수의 값이, 불안정 영역에 위치하는 것과 대응하고 있다. 한편, 도 15(b)에 나타내는 제 2 커플링에서는, 응답은 발진하지 않고, 제 2 기계 장치(51)를 정상으로 사용할 수 있는 것을 알 수 있다.
이와 같은 제 2 기계 장치(51)의 이송 구동 기구의 해석 결과에 따르면, 유저는, 예컨대, 1차 진동 모드에 대한 안정성 판별선도의 안정 영역에 위치하는 서포트 베어링(56)의 특성을 설계하고, 그 뒤에 2차 진동 모드에 대한 안정성 판별선도의 안정 영역에 위치하도록 커플링(58)을 선택하면, 이송 구동 기구의 성능을 종합적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 서포트 베어링(56)의 강성을 제 1 서포트 베어링의 값과 제 2 서포트 베어링의 값의 중간 정도로 취하면, 1차와 2차의 양쪽의 진동 모드에 대한 안정성 판별선도의 안정 영역에 위치시킬 수 있는 것도 알 수 있다. 서포트 베어링의 축 방향 강성은, 베어링의 예압량을 바꿈으로써 조정할 수 있는 것이 알려져 있다.
이와 같이, 유저는, 설계 지원 장치(1) 및 그 설계 지원 방법을 이용하는 것에 의해, 복수의 해석 대상 요소가 제 2 기계 장치(51)의 진동에 미치는 영향을 용이하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 또한, 유저는, 제 2 기계 장치(51)의 성능을 향상시키기 위한 최적의 요소의 강성이나 감쇠 특성을 파악할 수 있고, 기계 장치의 성능을 향상시키도록 기계 요소의 설계(기계 요소의 선정을 포함한다)를 행할 수 있다.
또, 도 12 및 도 14에서는, 각각 개별 기계 요소(서포트 베어링(56), 커플링(58))의 특성에 근거하여 안정성 판별선도를 작성했지만, 이것에 한하지 않고, 복수의 기계 요소의 특성에 근거하여 하나의 안정성 판별선도를 작성하는(예컨대, 가로축을 서포트 베어링(56)의 강성으로 하고, 세로축을 커플링(58)의 강성으로 하는) 것도 가능하다. 또한, 상술한 안정성 판별선도의 가로축 및 세로축 중 적어도 한쪽을 서보 모터(57)의 제어계의 서보 이득으로 하더라도 좋고, 또한, 볼나사(52)의 리드나 관성 모멘트, 질량 등을 해석 대상으로 할 수도 있다.
또한, 도 12(a), 도 12(b)에서는, 복수의 진동 모드에 대하여 각각 안정성 판별선도를 작성하는 예를 나타냈지만, 복수의 진동 모드의 각각에 관하여 작성한 안정성 판별선도를 겹친 태양의 하나의 안정성 판별선도를 작성하고, 이것을 표시부(7)에 표시하는 것도 가능하다.
예컨대, 도 16에 나타내는 안정성 판별선도에서는, 도 12(a), 도 12(b)에 나타낸 제 1 진동 모드 및 제 2 진동 모드에 관한 등치선이 포함되게 되고, 양 진동 모드를 고려하여 안정 영역(도 16 중 채색된 영역 참조) 및 불안정 영역이 획정된다. 유저는, 이와 같은 복수의 진동 모드에 근거하는 안정성 판별선도에 의해, 서포트 베어링(56)의 특성이 기계 장치의 이상 진동의 발생에 미치는 영향을 보다 확실하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 또, 설계 지원 장치(1) 및 그 설계 지원 방법에서는, 3가지 이상의 진동 모드의 각각에 관하여 작성한 안정성 판별선도를 겹친 태양의 하나의 안정성 판별선도를 작성할 수도 있다.
도 17은 제 2 기계 장치(51)의 설계 지원에 관하여, 설계 지원 장치(1)에서 실행되는 설계 지원 소프트웨어에 의한 GUI 화면(60)의 일례를 나타내는 도면이다.
도 17에 나타내는 바와 같이, GUI 화면(60)에 있어서, 해석 파라미터 설정 필드(61)는, 해석 파라미터 설정부(3)에 의해 설정되는 해석 대상 요소의 파라미터(여기서는, 서포트 베어링(56)의 축 방향 강성 및 축 방향의 점성 감쇠 계수)의 범위에 관하여, 유저에 의한 입력 조작을 가능하게 한다. 또, 유저는, 해석 파라미터 설정 필드(61)의 해석 대상 요소를 적당하게 변경하는 것이 가능하다. 또한, 고정 파라미터 설정 필드(62)는, 고정 파라미터 설정부(4)에 의해 설정되는 해석 대상 요소 이외의 다른 기계 요소의 파라미터(여기서는, 속도 루프 비례 이득 Kvp, 속도 루프 적분 이득 Kvi, 커플링(58)의 강성 및 비틀림 강성 및 점성 감쇠 계수, 베어링의 축 방향 강성 및 점성 감쇠 계수, 너트(53)의 축 방향 강성 및 점성 마찰 계수)에 관하여, 유저에 의한 입력 조작을 가능하게 한다. 또한, 진동 모드 설정 필드(64)는, 진동 모드 설정부(5)에 의해 설정되는 해석 대상 요소의 진동 모드에 관하여, 유저에 의한 입력 조작을 가능하게 한다. 여기서는, 진동 모드 설정 필드(64)에 있어서 2차 진동 모드가 입력(선택)되고 있지만, 유저는, 1차 진동 모드나, 도 16에 나타낸 복수 진동 모드를 입력할 수도 있다. 또한, 해석 결과 출력 필드(63)에는, 도 12(b)에 대응하는 안정성 판별선도(71) 및 그 삼차원 그래프(72)가 나타내어진다. 삼차원 그래프는, GUI 화면 상의 "회전 ON"을 체크함으로써 임의의 시점에서 표시시킬 수 있다. "회전 ON"의 표시를 생략하고, 항상 회전이 가능하게 되도록 하더라도 좋고, 시점을 고정하더라도 좋다. 또, 해석 결과 출력 필드(63)에는, 서포트 베어링(56)의 파라미터에 근거하여 공지의 수법에 의해 작성된 근궤적도(75)를 표시하는 것도 가능하다.
본 발명의 적용은, 적용하는 기계 장치가, 진동 모드를 1가지만 갖는 경우에도 적용할 수 있지만, 특히, 진동 모드를, 2가지 이상 갖는 경우에는, 각각의 진동 모드에서 안정하게 되도록, 기계 요소의 파라미터를 선정할 수 있고, 기계 장치를 제조한 후의 이상 진동에 대한 대책뿐만 아니라, 기계 장치를 제작하기 전에, 기계 요소에 필요한 파라미터를 설정할 수 있다고 하는 큰 메리트가 있다.
이상, 본 발명을 특정한 실시형태에 근거하여 설명했지만, 이들 실시형태는 어디까지나 예시이고, 본 발명은 이들 실시형태에 의해 한정되는 것이 아니다.
예컨대, 본 발명에 따른 설계 지원 장치 및 그 설계 지원 방법은, 상술한 예에 한하지 않고, 예컨대, 반도체 제조 장치, 파워 스티어링, 항공기의 양력 장치, 및 산업용 로봇 등의 여러 가지의 기계 장치의 구동 기구의 설계 지원에 이용하는 것이 가능하다. 또, 상기 실시형태에 나타낸 본 발명에 따른 설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램의 각 구성 요소는, 반드시 전부가 필수가 아니고, 적어도 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한 적당하게 취사선택하는 것이 가능하다.
1 : 설계 지원 장치
2 : 전달 함수 계산부
3 : 해석 파라미터 설정부
4 : 고정 파라미터 설정부
5 : 진동 모드 설정부
6 : 안정성 판별선도 작성부
7 : 표시부
11 : 프로세서
15 : 입출력 버스
16 : 입력 장치
17 : 표시 장치
18 : 외부 기억 장치
21 : 제 1 기계 장치
22 : 롤러
23 : 모터
24 : 커플링
30, 60 : GUI 화면
31, 61 : 해석 파라미터 설정 필드
32, 62 : 고정 파라미터 설정 필드
33, 63 : 해석 결과 출력 필드
41, 71 : 안정성 판별선도
42, 72 : 삼차원 그래프
45, 75 : 근궤적도
51 : 제 2 기계 장치
52 : 볼나사
53 : 너트
54 : 테이블
55 : 나사축
56 : 서포트 베어링
57 : 서보 모터
58 : 커플링

Claims (8)

  1. 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치의 설계를 지원하는 처리를 실행하는 프로세서를 구비한 설계 지원 장치로서,
    상기 프로세서는,
    상기 기계 장치를 구성하는 하나 이상의 기계 요소 중 해석 대상 요소의 수학 모델에 있어서의 복수의 파라미터를 각각 설정하고,
    상기 복수의 파라미터에 근거하여, 상기 기계 장치의 하나 이상의 진동 모드에 대하여 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하고,
    상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는
    것을 특징으로 하는 설계 지원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안정성 판별선도를 표시하는 표시 장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 설계 지원 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 진동 모드가 복수 설정된 경우에, 그 복수의 진동 모드의 각각에 관한 상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 하나의 상기 안정성 판별선도를 작성하는 것을 특징으로 하는 설계 지원 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 파라미터는, 상기 기계 요소의 강성 및 감쇠 특성에 관한 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 설계 지원 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 전달 함수의 극을 그 허수부의 절대치가 큰 순서로 늘어놓은 경우에, 상기 허수부의 절대치의 크기가 가장 큰 것을 기점으로 하여, 상기 수학 모델의 자유도와 상기 진동 모드의 수의 차분만큼 하위의 극의 실수부의 값에 대한 등치선을 작성하는 것을 특징으로 하는 설계 지원 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 기계 요소의 후보인 하나 이상의 대상 제품에 관한 상기 파라미터의 값을 나타내는 기호를 포함하도록 상기 안정성 판별선도를 작성하는 것을 특징으로 하는 설계 지원 장치.
  7. 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치의 설계를 지원하는 설계 지원 방법으로서,
    상기 기계 장치를 구성하는 하나 이상의 기계 요소 중 해석 대상 요소의 수학 모델에 있어서의 복수의 파라미터를 각각 설정하고,
    상기 복수의 파라미터에 근거하여, 상기 기계 장치의 하나 이상의 진동 모드에 대하여 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하고,
    상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는
    것을 특징으로 하는 설계 지원 방법.
  8. 피드백 제어되는 모터에 의해 구동되는 기계 장치의 설계를 지원하는 처리를 실행하기 위한 설계 지원 프로그램으로서,
    컴퓨터에,
    상기 기계 장치를 구성하는 하나 이상의 기계 요소 중 해석 대상 요소의 수학 모델에 있어서의 복수의 파라미터를 각각 설정하는 수순,
    상기 복수의 파라미터에 근거하여, 상기 기계 장치의 하나 이상의 진동 모드에 대하여 그 기계 장치의 전달 함수의 극을 산출하는 수순,
    상기 전달 함수의 극의 실수부의 등치선을 포함하는 안정성 판별선도를 작성하는 수순
    을 실행시키는 것을 특징으로 하는 설계 지원 프로그램.
KR1020207020337A 2017-12-19 2018-12-17 설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램 KR102308282B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2017-242589 2017-12-19
JP2017242589A JP6731666B2 (ja) 2017-12-19 2017-12-19 設計支援装置、設計支援方法、及び設計支援プログラム
PCT/JP2018/046419 WO2019124324A1 (ja) 2017-12-19 2018-12-17 設計支援装置、設計支援方法、及び設計支援プログラム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200097783A true KR20200097783A (ko) 2020-08-19
KR102308282B1 KR102308282B1 (ko) 2021-10-01

Family

ID=66993658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207020337A KR102308282B1 (ko) 2017-12-19 2018-12-17 설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11669651B2 (ko)
EP (1) EP3731035A4 (ko)
JP (1) JP6731666B2 (ko)
KR (1) KR102308282B1 (ko)
CN (1) CN111492319A (ko)
BR (1) BR112020012223A2 (ko)
TW (1) TWI770334B (ko)
WO (1) WO2019124324A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7390643B2 (ja) * 2019-10-30 2023-12-04 ブラザー工業株式会社 振動抑制方法及び振動抑制装置
CN112985530B (zh) * 2021-02-01 2022-04-22 南京航空航天大学 一种基于特征方程根轨迹的燃油计量装置设计参数调整方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008102714A (ja) 2006-10-18 2008-05-01 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology 多軸工作機械の送り駆動系用最適設計支援装置およびその装置用プログラム

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09218703A (ja) * 1996-02-09 1997-08-19 Sony Corp 設計方法
JP4272750B2 (ja) * 1998-06-23 2009-06-03 キヤノン株式会社 露光装置及び除振装置、システム同定装置及びその方法
US6144181A (en) * 1998-09-21 2000-11-07 Rockwell Technologies, Llc Method and apparatus for reducing resonance in a dual inertia system
US6198246B1 (en) * 1999-08-19 2001-03-06 Siemens Energy & Automation, Inc. Method and apparatus for tuning control system parameters
JP3962527B2 (ja) * 2000-03-30 2007-08-22 株式会社東芝 フィードバック制御装置及び制御方法と、磁気ディスク装置及びその制御方法
US8060340B2 (en) 2002-04-18 2011-11-15 Cleveland State University Controllers, observers, and applications thereof
GB0329206D0 (en) * 2003-12-17 2004-01-21 Univ Southampton Inertial actuator
JP2005234952A (ja) * 2004-02-20 2005-09-02 Japan Science & Technology Agency 制振方法
US7633839B2 (en) * 2004-08-20 2009-12-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Self-sensing active-damping voice coil
TWI295529B (en) * 2004-12-03 2008-04-01 Mitsubishi Electric Corp Motor controller
JP4577107B2 (ja) * 2005-06-17 2010-11-10 三菱電機株式会社 機械位置制御装置
JP5322710B2 (ja) * 2009-03-06 2013-10-23 特許機器株式会社 サーボ型振動センサ及び振動制御装置
US8606375B2 (en) * 2010-06-04 2013-12-10 The Mathworks, Inc. Interactive control of multiple input multiple output control structures
WO2012024802A1 (en) * 2010-08-25 2012-03-01 Socovar, S.E.C. System and method for feedback control
JP5622626B2 (ja) * 2011-03-22 2014-11-12 オークマ株式会社 回転速度表示装置
WO2014156164A1 (ja) * 2013-03-29 2014-10-02 パナソニック株式会社 モータ駆動装置のサーボ調整方法
US9907722B2 (en) * 2014-08-15 2018-03-06 Honda Motor Co., Ltd. Admittance shaping controller for exoskeleton assistance of the lower extremities
CN106560816B (zh) * 2016-02-02 2020-02-21 梁明轩 滚动轴承动刚度的影响因素分析方法
CN106094518B (zh) * 2016-06-22 2018-12-21 北京航空航天大学 一种基于非概率可靠性优化的结构振动极点配置控制方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008102714A (ja) 2006-10-18 2008-05-01 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology 多軸工作機械の送り駆動系用最適設計支援装置およびその装置用プログラム

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Guillaume Ducard 외 1명, Stability Analysis of a Dynamic Inversion Based Pitch Rate Controller for an Unmanned Aircraft(2008.09.) 1부.* *
비특허문헌 1 : 마츠바라 아츠시, 정밀 위치 결정ㆍ이송계 설계를 위한 제어 공학, 모리키타출판(2008).
비특허문헌 2 : 가키노 요시아키, 마츠바라 아츠시, 우에다 다이스케, 나카가와 히데오, 다케시타 도라오, 마루야마 히사이치, NC 공작 기계에 있어서의 이송 구동계의 토털 튜닝에 관한 연구(제3보) -기구 파라미터의 튜닝-, 정밀공학회지, Vol.62, No.3, (1996), pp.423-427.

Also Published As

Publication number Publication date
TW201933009A (zh) 2019-08-16
US11669651B2 (en) 2023-06-06
EP3731035A4 (en) 2021-09-08
WO2019124324A1 (ja) 2019-06-27
TWI770334B (zh) 2022-07-11
CN111492319A (zh) 2020-08-04
BR112020012223A2 (pt) 2020-11-24
JP6731666B2 (ja) 2020-07-29
JP2019109736A (ja) 2019-07-04
EP3731035A1 (en) 2020-10-28
US20210012043A1 (en) 2021-01-14
KR102308282B1 (ko) 2021-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6359210B1 (ja) 制御パラメータ調整装置
JPWO2010067651A1 (ja) 機械運動軌跡測定装置、数値制御工作機械および機械運動軌跡測定方法
JP5657633B2 (ja) 移動体が反転するときの位置誤差を補正するサーボ制御装置
KR102308282B1 (ko) 설계 지원 장치, 설계 지원 방법, 및 설계 지원 프로그램
Zhang et al. Minimax optimization strategy for process parameters planning: toward interference-free between tool and flexible workpiece in milling process
Alansari et al. Calculating the natural frequency of hollow stepped cantilever beam
Chao et al. Dynamic analysis of the optical disk drives equipped with an automatic ball balancer with consideration of torsional motions
Tavari et al. Nonlinear analysis of chatter in turning process using dimensionless groups
JP4576530B2 (ja) サーボゲイン算出方法、サーボゲイン算出プログラム及びサーボゲイン算出装置
JP6880322B2 (ja) 数値制御装置
JP2003157114A (ja) ロストモーション補正方法およびロストモーション補正装置
JP2008206331A (ja) 電動機制御装置のパラメータ設定装置
WO2023153446A1 (ja) 提案装置、提案システム、提案方法、及び、プログラム
Vladimír et al. Application of INS to mechatronic systems control and regulation using virtual dynamic models
KSICA et al. POSITION-DEPENDENT RESPONSE SIMULATION OF MACHINE TOOL USING STATE-SPACE MODELS.
Karkoub Robust control of the elastodynamic vibrations of a flexible rotor system with discontinuous friction
Popescu et al. Regarding the Optimization of Measurement Systems for Grinding Forces in Case of High Speed Industrial Robots
Helfrich et al. Integrated System Simulation of a Milling Machine
Rippere et al. Modeling and analysis of fixel designs for micromanufacturing active fixturing
Raju et al. Experimental chatter process stability using end milling process on Al6061 alloy with multiple bearing span conditions
Harib et al. On robust control of a class of nonlinear mechanical systems with parametric uncertainty
Jantz Development of a multi-mode adaptive controller and investigation of gain variations with speed and balance changes
Gaber et al. Effects of Machine Tool Spindle Decay on the Stability Lobe Diagram: An Analytical‐Experimental Study
CN116442220A (zh) 机器人关节摩擦模型的参数辨识方法和装置、力矩估计方法和装置
TW202222478A (zh) 工具機

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant