WO2010103803A1

WO2010103803A1 - 直線移動装置

Info

Publication number: WO2010103803A1
Application number: PCT/JP2010/001651
Authority: WO
Inventors: 内田豊一
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2010-09-16
Also published as: US20110239795A1; EP2407690A1; EP2407690B1; EP2407690A4; US8522636B2; JP2010209975A; CA2744181A1; JP5371494B2; CN102149944A; CA2744181C; CN102149944B

Abstract

　本発明の直線移動装置１は、複数の歯１３Ｔが設けられた直線状のラック１３と、ラック１３の歯１３Ｔと噛み合う主動ピニオン２４と、主動ピニオン２４と離れた位置でラック１３の歯１３Ｔと噛み合う従動ピニオン２５と、主動ピニオン２４を回転駆動させる主動モータ２２と、従動ピニオン２５を回転駆動させる従動モータ２３と、主動モータ２２と従動モータ２３が固定され、主動モータ２２と従動モータ２３の回転駆動に伴ってラック１３に沿って移動する移動台車２０と、を備え、移動している移動台車２０を停止させる際に、移動中における主動モータ２２の駆動方向と逆方向に従動モータ２３を回転駆動させる。

Description

直線移動装置

　本発明は、回転運動を直線運動に変換することにより台車を移動させる直線移動装置に関する。

　回転運動と直線運動の変換装置として、ラックとピニオン（またはピニオンギア）とを噛合させたラック・アンド・ピニオンが知られている。ラック・アンド・ピニオンは、搬送装置、産業用ロボット、工作機械、精密機械など、高効率、高精度、長寿命、高駆動力伝達が要求される機械装置に使用される。

　ラック・アンド・ピニオンは通常、ラックの歯とピニオン歯の間にバックラッシュと称される隙間を設け、歯同士の食い込みを回避している。しかし、バックラッシュを設けると、ピニオンを停止させたとしてもバックラッシュの分だけ、慣性を持つピニオンは移動して停止時の位置精度が劣ることになる。
　特許文献１に、これを回避した回転運動と直線運動の変換装置１００が提案されている。この変換装置１００は、図１１に示すように、複数のトロコイド曲線からなる歯型の歯１０４を備えるラック１０５と、歯１０４に噛み合う複数のローラ１０６を備えるピニオン１０７とで、回転運動と直線運動の変換を行うものである。ラック１０５に噛み合うローラ１０６の中心軌跡がトロコイド曲線を描くように、歯１０４の歯型は歯底がローラ１０６の径より大きく略弧状を描くように設けられている。また、ラック１０５とピニオン１０７は、予圧が加えられて用いられる。さらに、歯１０４の歯末には、ローラ１０６の外形軌跡より徐々に離れるアプローチが形成されている。

特開平１０－１８４８４２号公報

　ところが、特許文献１は、ラック１０５の歯型をトロコイド曲線に加工する等、加工精度の問題から高コストになる。特に長距離搬送でコストの高いラックが長くなると加工精度と妥当なコストの両立が難しくなる。
　本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、コストの高い形の歯車を用いなくても、停止時に高い位置精度を得ることができる直線移動装置を提供することを目的とする。

　かかる目的のもと、本発明の直線移動装置は、ギア駆動用の１つのラックに対して、独立して駆動される一対のモータを設ける。各モータには、ピニオンが取り付けられている。一対のモータのうち、一方を主動モータとし、他方を従動モータとする。そして、移動時には、主動モータと従動モータは同一方向に回転し駆動されるが、停止する際には従動モータには主動モータと回転方向が逆の駆動力を与える。そうすることにより、バックラッシュによるピニオンの移動（ロストモーション）を低減し高精度な位置決めが可能となる。
　すなわち本発明の直線移動装置は、複数の歯が設けられた直線状のラックと、ラックの歯に噛み合う主動ピニオンと、主動ピニオンと離れた位置でラックの歯に噛み合う従動ピニオンと、主動ピニオンを回転駆動させる主動モータと、従動ピニオンを回転駆動させる従動モータと、主動モータと従動モータが固定され、主動モータと従動モータの回転駆動に伴ってラックに沿って直線移動する台車と、を備える。そして本発明の直線移動装置は、移動している台車を停止させる際に、移動中における主動モータの駆動方向と逆方向に従動モータを回転駆動させることを特徴とする。なお、本発明において、２台のモータのうち、逆方向に回転駆動されるモータが従動モータと定義される。

　本発明の直線移動装置において、台車が移動を開始するときから停止するときまで主動モータと従動モータをともに駆動させることもできるが、これに限らない。つまり、本発明は、台車が移動を開始してから等速度運動に至った後には従動モータの駆動を停止させることができる。この場合も、台車を停止させる際には、移動中における主動モータの駆動方向と逆方向に従動モータを回転駆動させる。そうすることにより、主動モータ、従動モータの制御を簡易なものとすることができる。

　本発明の直線移動装置において、台車が移動を開始するときから停止するときまで主動モータと従動モータをともに駆動させる場合には、スライディングモード制御により主動モータと従動モータを制御することが、高精度で高保持力な位置決めをするために好ましい。スライディングモード制御では、最終的な到達位置までの偏差位置と速度で超平面を与えるので、任意の制御力で位置決めすることができる。この場合に、位置決め後の保持力を高めるには、発振しない程度の可制御範囲内でモータ制御力を切り替えればよい。

　本発明の直線移動装置において、台車が移動を開始するときから停止するときまで主動モータと従動モータをともに駆動させる場合には、スライディングモード制御により主動モータと従動モータを制御することが、高精度な位置決めをするために好ましいことは上述の通りである。しかし、全域でスライディングモードを働かせるとモータに対する負荷が大きくなるので、モータ起動時の起動特性（例えば、モータ駆動時の立ち上がり時間）でモータ負荷を予測し、モータ負荷に合わせた適切な超平面若しくは切り替え直線の傾きを与えることにより、各モータの駆動力を制御することが望ましい。

　本発明の直線移動装置によれば、移動している台車を停止させる際に、移動中の主動モータとは逆方向に従動モータを回転駆動させることができる。そうすることにより、バックラッシュによるロストモーションを低減し高精度な台車の位置決めが可能となる。しかも本発明の直線移動装置によれば、バックラッシュを前提としながらも高精度な台車の位置決めが可能であるから、汎用的なインボリュート平歯車やはすば歯車をピニオンに用いることができるので、装置のコストを低減できる。さらに本発明の直線移動装置は、２台のモータを備えているので、大駆動力を発生しながらも、高精度な位置決めが可能となる。

本実施形態における直線移動装置の斜視図である。本実施形態における直線移動装置の正面図である。本実施形態における直線移動装置の側面図である。本実施形態における直線移動装置の制御ブロック図である。本実施形態における直線移動装置において、位置Ｓから位置Ｅまで移動台車を移動させる際の主動モータおよび従動モータの位置－速度曲線を示す。本実施形態における直線移動装置のラックおよびピニオンの部分拡大図である。本実施形態における直線移動装置において、位置Ｓから位置Ｅまで移動台車を移動させる際の主動モータおよび従動モータの位置－速度曲線を示す。スライディングモードを説明する数式を示す。スライディングモードを説明する他の数式を示す。適応スライディングモード制御の実例を示す図である。特許文献１に開示された回転運動と直線運動の変換装置を示す図である。

　以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
　本実施の形態における直線移動装置１は、ラック・アンド・ピニオンを基本的な構成とするものである。
　直線移動装置１は、ステージ１０上を移動台車２０が直線往復運動し、かつ任意の位置で停止することができるようになっている。
　ステージ１０は、矩形な基板１１と、基板１１上であって移動台車２０が直線往復運動する方向に延びるラック１３と、ラック１３と平行に延びるレール１４と、レール１４と平行に延びるリニアエンコーダ１５とを備えている。
　ラック１３にはその長手方向に複数の歯１３Ｔが連続して設けられている。ラック１３の歯１３Ｔは、歯型が直線である。
　レール１４は、移動台車２０のスライダ２７と摺動自在に嵌合され、スライダ２７を介して移動台車２０の荷重を支持する。

　リニアエンコーダ１５としては、光学式のリニアエンコーダ１５を用いることができる。光学式のリニアエンコーダ１５は、例えばガラススケール１５ａと、ガラススケール１５ａを走査して位置情報を得るスライダユニット１５ｂを備える。得られた位置情報は、後述するコントローラ３０に送られる。ガラススケール１５ａはリニアエンコーダ１５内に敷設され、スライダユニット１５ｂは移動台車２０と一体化されガラススケール１５ａ上を走査する。リニアエンコーダ１５は、移動台車２０の位置を認識するためのものであり、磁気式のリニアエンコーダを用いることもできる。また、直線的に移動する移動台車２０の位置を認識できる機器をリニアエンコーダ１５に替えて用いることができる。例えば、主動モータ２２、従動モータ２３の回転数を用いて位置情報を得るロータリエンコーダ、レーザ変位計、ターゲットマークの画像処理法など、必要な精度で位置を認識できるものを広く適用できる。

　移動台車２０は、台車下板２１と、台車下板２１上に載せられ、かつ適宜の手段で固定される主動モータ２２、従動モータ２３と、主動モータ２２の出力軸２２Ｓに固定される主動ピニオン２４と、従動モータ２３の出力軸２３Ｓに固定される従動ピニオン２５とを備えている。主動モータ２２及び従動モータ２３としては、例えばダイレクトドライブ・サーボモータ（ＤＤモータ）を使用できる。主動モータ２２及び従動モータ２３は、同じ特性を持つことが制御の簡易化の点から好ましい。主動ピニオン２４及び従動ピニオン２５はともに歯型がインボリュート曲線からなる歯車（インボリュート歯車）であり、ステージ１０のラック１３と噛み合う。
　主動モータ２２、従動モータ２３の上面には台車上板２６が載せられるとともに、台車上板２６は主動モータ２２と従動モータ２３の双方と固定される。これにより、台車下板２１、主動モータ２２、従動モータ２３及び台車上板２６が一体的に構成される。

　台車下板２１の下面には、ステージ１０のレール１４に対応する位置にスライダ２７が固定される。スライダ２７は移動台車２０の移動方向に平行に延びる嵌合溝２７ｈを下面に備えており、この嵌合溝２７ｈとレール１４の先端部とが嵌合される。スライダ２７は、レール１４の先端部と嵌合された状態で、レール１４に沿って摺動自在である。

　以上の直線移動装置１は、図４に示すように、移動台車２０（主動モータ２２、従動モータ２３）の動作を制御するコントローラ３０を備えている。
　コントローラ３０は、リニアエンコーダ１５から移動台車２０の位置情報を入手し、入手した位置情報に基づいて、移動台車２０に設けられた主動モータ２２、従動モータ２３の回転駆動を制御することにより、移動台車２０の移動、停止を制御する。
　移動台車２０を移動させるには、コントローラ３０より、主動モータ２２、従動モータ２３に対して同方向に回転するように指示する。そうすると、主動モータ２２に取り付けられている主動ピニオン２４、従動モータ２３に取り付けられている従動ピニオン２５が同方向に回転し、移動台車２０はレール１４に案内されながら直線運動する。なお、移動台車２０は、主動モータ２２、従動モータ２３が時計回りに回転すると右向きに移動し、主動モータ２２、従動モータ２３が反時計回りに回転すると左向きに移動する。

　図５は、レール１４上の位置Ｓから位置Ｅまで移動台車２０を移動させる際の主動モータ２２、従動モータ２３の位置－速度曲線を示す。図５において、実線は主動モータ２２および従動モータ２３が駆動されていることを示し、点線は従動モータ２３が駆動されていないことを示している。
　コントローラ３０が駆動指示を発すると、主動モータ２２および従動モータ２３は同時に回転（この回転方向を正回転とする）を開始し、それに伴って移動台車２０は移動を始める。移動当初には大きな駆動力が必要なため、主動モータ２２および従動モータ２３、つまり２台のモータを駆動させる。

　移動台車２０が速度Ｖｃに達して位置Ｉ_１に到達したならば、以後は速度Ｖｃで移動台車２０が等速度運動するように、コントローラ３０は主動モータ２２、従動モータ２３を駆動制御する。コントローラ３０は、リニアエンコーダ１５から受信する移動台車２０の位置情報に基づいて移動台車２０の位置を認識する。コントローラ３０は、従動モータ２３については位置Ｉ_２に達したならば駆動を停止させ、移動台車２０を１台の主動モータ２２で移動させる。移動当初と比べると小さな駆動力で移動台車２０を速度Ｖｃで等速度運動させることができるからである。従動モータ２３は、駆動力が無くなるとバックラッシュ分ずれ、従動ピニオン２５がラック１３の歯１３Ｔと駆動時とは反対側の面で噛み合っているので、移動台車２０の移動に伴って空転する。

　移動台車２０が位置Ｉ_３に達したならば、コントローラ３０は、位置Ｅで移動台車２０が停止するように、駆動している主動モータ２２に対して減速を指示する。位置Ｉ_３、減速の度合いを示す傾きＣ_Ｅ１は、移動台車２０が移動を開始してから速度Ｖｃに達する位置Ｉ_１、加速の度合いを示す傾きＣ_Ｓに基づいて設定される。

　移動台車２０が位置Ｉ_４に達したならば、コントローラ３０は、空転しているが駆動は停止されている従動モータ２３に対して主動モータ２２とは逆回転の駆動力を与えるよう指示する。このときの位置Ｉ_４、加速の度合いを示す傾きＣ_Ｅ２は、位置Ｉ_３、Ｃ_Ｅ１に基づいて定められるが、Ｃ_Ｅ２については典型的にはＣ_Ｅ２≦－Ｃ_Ｅ１である。もし停止後のガタツキを許せば、主動モータ２２でラフに位置決めした後、従動モータ２３を動かし最終位置決めを行なうことも可能である。

　従動モータ２３に逆回転の駆動力を与えたときの、主動ピニオン２４および従動ピニオン２５の状態を図６に示している。
　主動ピニオン２４は正回転（時計周りの矢印）の駆動力Ｄ１が与えられ、従動ピニオン２５は逆回転（反時計周りの矢印）の駆動力Ｄ２が与えられている。よって、主動ピニオン２４（主動モータ２２）は、ラック１３より図中右向きの力Ｆ１を受け、従動ピニオン２５（従動モータ２３）は、ラック１３より図中左向きの力Ｆ２を受ける。力Ｆ１と力Ｆ２は逆向きである。
　ここで主動ピニオン２４だけを考えると、主動モータ２２の駆動力を停止して主動ピニオン２４の回転を止めたとしても、主動ピニオン２４とラック１３の間にバックラッシュが設けられているので、バックラッシュの分だけ移動台車２０は慣性により動いてしまい、位置Ｅに高精度に位置決めすることができない。これは、従動モータ２３を主動モータ２２とともに正回転させていても同じである。

　これに対して、本実施形態による移動台車２０の場合、主動ピニオン２４とラック１３の間、さらに従動ピニオン２５とラック１３の間にバックラッシュが設けられていても、主動ピニオン２４と従動ピニオン２５は逆向きの力を受けることにより、停止後に移動台車２０が動くことがない。したがって、直線移動装置１は、汎用的なインボリュート歯車を主動ピニオン２４および従動ピニオン２５に用いても、移動台車２０を位置Ｅに高精度に位置決めすることができる。しかも、直線移動装置１は、移動台車２０が２台のモータを備えているので、駆動力が大きく、かつ高精度な位置決めを行うことができる。

　以上では、位置Ｉ_２から位置Ｉ_４まで従動モータ２３に駆動力を与えないように制御している。この制御は、従動モータ２３に対して正回転から逆回転への駆動力の制御を伴わないので、制御が簡易なもので足りる利点がある。もっとも本発明は、図５に示す形態の制御に限定されない。例えば、図７に示すように、位置Ｓから位置Ｅまでの全工程にわたって主動モータ２２とともに従動モータ２３に駆動力を与えることもできる。この場合の制御は、スライディングモードによることが高精度な位置決めを行なう上で好ましい。以下、スライディングモード制御について説明する。

　パラメータの変動に対してロバストである可変構造制御（Variable Structure System：ＶＳＳ）は、制御構造を不連続に切り替えることによって希望する特性を得ることができる。このＶＳＳ理論に基づいてスライディングモード制御を行うことができ、その特徴として、制御系が簡易にもかかわらず、制御対象の特性の変化に対して、ロバストであるとともに低次元化の手法であることが掲げられる。このスライディングモード制御を主動モータ２２、従動モータ２３の位置決めに応用することにより、負荷の変動に対してロバストでかつオーバーシュートの少ない高精度な位置決め制御ができる。

　ＤＤモータの制御構造を考えると、式（１）が与えられる。なお、式（１）～式（９）は図８に示す。
　式（１）におけるｕは、モータの制御入力で、式（２）で与えられる。超平面を式（３）で表わすと、スライディングモード制御の存在条件である式（４）を満たすためには、式（５）を満たす必要がある。ここで、式（６）を式（５）に導入すると、超平面ｓ＝０に到達する条件とスライディングモードの存在条件を同時に満足させることができる。
　ＤＤモータに対しては速度入力をするので、制御としては式（７）に従って位置の比例制御を行えばよい。

　ここで、本発明者等の検討によれば、切り替え直線ｓの傾きｃを適切に設定すればオーバーシュートが少なく、かつ残留振動の少ない位置決めができる。ここでは傾きｃと負荷との関係を簡単に一次関数に近似し、負荷同定によりｃを決定する。負荷と傾きｃとの関係を式（８）、（９）のようにする。式（８）、（９）は、適応スライディングモードと呼ぶことができる。負荷と傾きｃとの関係を一次関数に近似したため、近似誤差は生ずるものの、図１０に例を示すようにオーバーシュートすることなく位置決めできる。しかも位置ゲインは１０倍でも位置決めができ、高い剛性を持たせることができる。このように切り替え直線の傾きを適切に選ぶことによって、負荷変動に対して、より影響されにくい制御を行うことができる。

　適応スライディングモードにおいて、サーボドライバがＰＩ制御系（ＰＩ制御：比例動作と積分動作を組み合わせた制御方法）の場合、慣性モーメントをＩ_ｘ、粘性係数η、ＤＣゲインをＧ_ＤＣ、ＡＣゲインをＧ_ＡＣ、入力速度をＶ_ＩＮとすると、式（１０）となる。なお、式（１０）以降は図９に示してある。
　モータの回転角をωとおき、ωについて一回微分すると、式（１１）が得られる。
　ここで、式（１２）とおくと、式（１３）が得られる。
　この式（１３）をラプラス変換してω（ｔ）について求めると、式（１４）となる。なお、Ｌ^-１はラプラス変換を示す。
　式（１４）の解のうち、式（１５）の場合で、速度が目標速度の１／２になる時間を求めてみると、式（１６）の通りである。
　式（１６）を解き近似すると、式（１７）が得られる。つまり入力速度の１／２になる時間は慣性モーメントＩ_ｘに比例するといえる。よって、式（８）、式（９）で示すとおり、モータ立ち上がり時間を測定し、その時間に応じて慣性負荷を予測し、最適な超平面の切り替え直線条件を与えることは簡単な方法であるが最適制御を行なう上では重要であるといえる。

　以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、主動モータ２２と従動モータ２３は同特性を有することとしているが、主動モータ２２と従動モータ２３が異なる特性を有していても、異なる特性を考慮した制御を各々に対して行なうことにより、本発明の効果を享受することができる。例えば主動モータ２２側には高分解能のエンコーダを用いたり、従動モータ２３側には主動モータ２２側より高減速比の減速機を用いたり、その構成は必要な位置決め分解能や特性でいろいろ選択することが可能である。またその逆で従動モータ２３側に減速機を用いないモータでのダイレクトドライブ方式を採用することも可能である。
　直線移動装置１の利用形態は限定されず、搬送装置、産業用ロボット、工作機械、精密機械等に広く適用できる。その際、２つの直線移動装置１を、各々の移動台車２０の移動方向を直交するように重ねて、直交する２軸に移動可能な装置を構成することができる。
　その他、本発明の趣旨を逸脱しない限り、上記実施形態の構成を適宜変更し、または削除できる。例えばモータを３台以上使用し、駆動力を使用しているモータの台数分倍増することも容易であり、駆動力と精度を両立することが可能である。

１…直線移動装置
　１０…ステージ、１３…ラック、１３Ｔ…歯、１５…リニアエンコーダ
　２０…移動台車、２２…主動モータ、２３…従動モータ
　２４…主動ピニオン、２５…従動ピニオン
　３０…コントローラ

Claims

　複数の歯が設けられた直線状のラックと、
　前記ラックと噛み合う主動ピニオンと、
　前記主動ピニオンと離れた位置で前記ラックと噛み合う従動ピニオンと、
　前記主動ピニオンを回転駆動させる主動モータと、
　前記従動ピニオンを回転駆動させる従動モータと、
　前記主動モータと前記従動モータが固定され、前記主動モータと前記従動モータの回転駆動に伴って前記ラックに沿って直線移動する台車と、を備え、
　移動している前記台車を停止させる際に、移動中における前記主動モータの駆動方向と逆方向に前記従動モータを回転駆動させることを特徴とする直線移動装置。
　前記台車が移動を開始してから等速度運動に至った後には前記従動モータの駆動が停止される請求項１に記載の直線移動装置。
　前記主動モータおよび前記従動モータは、スライディングモード制御により駆動力が制御される請求項１に記載の直線移動装置。
　前記主動モータおよび前記従動モータは、その駆動時の立ち上がり時間に基づき前記各モータに接続されているモータ負荷を予測し、スライディングモード制御で条件判別するための超平面若しくは切り替え直線の傾きを与えることにより駆動力が制御される請求項３に記載の直線移動装置。
　前記主動ピニオンおよび前記従動ピニオンは、インボリュート平歯車である請求項１に記載の直線移動装置。
　前記直線移動装置は、
　前記ラックと平行に延びるレールと、
　前記レールと平行に延び、前記台車の位置を認識するためのリニアエンコーダと、
をさらに備える請求項１に記載の直線移動装置。
　前記直線移動装置はコントローラをさらに備え、
　前記コントローラは、前記リニアエンコーダから入手した前記台車の位置情報に基づき、前記主動モータおよび前記従動モータの移動および停止を制御する請求項６に記載の直線移動装置。