(57)【要約】  多軸機械装置シミュレータは、要素モデル間の接続関係を示す接続情報を入力する接続情報設定手段と、要素モデルごとの物理パラメータを設定する物理パラメータ設定手段と、シミュレーション用途を設定する用途設定手段と、シミュレーション用途に基づき、個別シミュレーションモデルの入出力関係を示す入出力設定を出力するモデル入出力設定保持手段と、入出力設定と、機械要素モデルの数式と、接続情報と、物理パラメータとから、個別シミュレーションモデルを構築するシミュレーションモデル構築手段と、制御対象を選択する制御対象選択手段と、入出力設定に基づき、複数の個別シミュレーションモデルを接続した複合シミュレーションモデルを出力するモデル結合手段と、複合シミュレーションモデルにより制御対象のシミュレーションを実行するシミュレーション実行手段とを有する。
2016185590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械装置を構成する機械要素の特性を数式で表す要素モデルを保持する要素ライブラリと、
前記要素ライブラリから前記要素モデルを配置し、前記要素モデル間の接続関係を示す接続情報を入力する接続情報設定手段と、
前記要素モデルごとの物理パラメータを設定する物理パラメータ設定手段と、
シミュレーション用途を設定する用途設定手段と、
前記シミュレーション用途に基づき、個別シミュレーションモデルの入出力関係を示す入出力設定を出力するモデル入出力設定保持手段と、
前記入出力設定と、前記機械要素モデルの数式と、前記接続情報と、前記物理パラメータとから、前記機械装置の運動学及び力学特性を模擬した個別シミュレーションモデルを構築するシミュレーションモデル構築手段と、
制御対象を選択する制御対象選択手段と、
前記入出力設定に基づき、少なくとも一つの個別シミュレーションモデルを接続した複合シミュレーションモデルを出力するモデル結合手段と、
前記複合シミュレーションモデルにより制御対象のシミュレーションを実行するシミュレーション実行手段と、
シミュレーション結果を表示するシミュレーション結果表示手段とを有することを特徴とする多軸機械装置シミュレータ。
【請求項２】
前記制御対象の制御パターンを入力する制御パターン入力手段を有し、
前記シミュレーション実行手段は、前記制御パターン入力手段から入力された制御パターンに従って前記制御対象のシミュレーションを実行することを特徴とする請求項１に記載の多軸機械装置シミュレータ。
【請求項３】
電動機制御装置又は運転指令装置の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定手段と、
上位制御装置の座標系を選択する座標系選択手段と、
個別シミュレーションモデルを制御装置の実行コードにエクスポートする実行コード出力手段とを有し、
前記上位制御装置の座標系と容量選定で選定した電動機及び電動機制御装置に基づき、前記電動機制御装置又は運転指令装置の座標系、軸指令正方向、指令正方向、軸フィードバック正方向の少なくとも一つを前記制御パラメータ設定手段により前記制御パラメータに設定することを特徴とする請求項１に記載の多軸機械装置シミュレータ。
【請求項４】
出力モデルをエクスポートした実行コードをサーバに送信するか確認する送信確認手段と、実行コードをサーバに送信する送信手段を有することを特徴とする請求項３に記載の多軸機械装置シミュレータ。
【請求項５】
前記送信手段は、前記実行コードを暗号化して前記サーバへ送信することを特徴とする請求項４に記載の多軸機械装置シミュレータ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の多軸機械装置シミュレータを備えた運転指令装置の設計支援装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載の多軸機械装置シミュレータを備えた電動機制御装置の設計支援装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１項に記載の多軸機械装置シミュレータを備えた電動機の容量選定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機で駆動される複数の駆動軸を持つ多軸機械装置の動作を模擬する多軸機械装置シミュレータ、運転指令装置の設計支援装置、電動機制御装置の設計支援装置及び電動機の容量選定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置、工作機械又は産業用ロボットにおいて、加工対象と相互作用する装置先端の位置、姿勢及び力を高精度かつ高品位に制御するために、複数の駆動軸を協調駆動する多軸機械装置が数多く存在する。【０００３】
各軸に必要とされる駆動力は、装置先端の位置、速度、加速度及び外力により複雑に変化するため、必要な電動機の容量を算出するためには、機械装置の動特性を模擬したシミュレーションを実施する必要があった。【０００４】
従来の多軸機械の動特性を考慮したシミュレーションを容易化する機械装置シミュレータには、多軸機械の構成要素ごとに数式で表した要素モデルをライブラリにして保持しておき、利用者が機械装置の構成要素間の接続関係と構成要素ごとの物理パラメータとを設定するだけで、機械装置全体の動特性を模擬するシミュレーションモデルを構築できるようにして、利用者が数式を記述しなくても迅速に機械装置のモデリングとシミュレーションとを実施可能としたものがある。【０００５】
また、利用者に負担をかけずに電動機制御装置を選定できるようにするとともに、動作を模擬演算し、電動機制御装置の選定時に用いた条件に従って、利用用途に合致したパラメータ設定することができるようにして、電動機制御装置の選定とパラメータ調整を一括してできるようにすることが特許文献１に開示されている。【０００６】
また、多軸機械の機械選定装置及び機器選定処理方法において、各被駆動機構が負担する負荷質量の変動を加味しつつ、各被駆動機構に適した電動機及び電動機制御装置を含む周辺機器を選定することが特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１８７４６４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／０５４１４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の機械装置シミュレータは、入出力設定が固定であったため、ある用途に適合した入出力設定の機械装置モデルを他の用途のシミュレーションに適用することができなかった。【０００９】
また、特許文献１の発明は、複数の駆動軸が協調動作するような多軸機械の選定に関しては、特に考慮されていない。【００１０】
また、特許文献２の発明は、複数駆動軸が互いの運動によりコリオリ力のような干渉力又は反力を受ける影響を考慮しておらず、多軸機械に対して間違った選定結果を出力してしまう場合があった。【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、用途に適合した入出力設定のモデルを用いて多軸機械装置を模擬できる多軸機械装置シミュレータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、機械装置を構成する機械要素の特性を数式で表す要素モデルを保持する要素ライブラリを有する。また、本発明は、要素ライブラリから要素モデルを配置し、要素モデル間の接続関係を示す接続情報を入力する接続情報設定手段を有する。また、本発明は、要素モデルごとの物理パラメータを設定する物理パラメータ設定手段を有する。また、本発明は、シミュレーション用途を設定する用途設定手段を有する。また、本発明は、シミュレーション用途に基づき、個別シミュレーションモデルの入出力関係を示す入出力設定を出力するモデル入出力設定保持手段を有する。また、本発明は、入出力設定と、機械要素モデルの数式と、接続情報と、物理パラメータとから、機械装置の運動学及び力学特性を模擬した個別シミュレーションモデルを構築するシミュレーションモデル構築手段を有する。また、本発明は、制御対象を選択する制御対象選択手段を有する。また、本発明は、入出力設定に基づき、複数の個別シミュレーションモデルを接続した複合シミュレーションモデルを出力するモデル結合手段を有する。また、本発明は、複合シミュレーションモデルにより制御対象のシミュレーションを実行するシミュレーション実行手段を有する。また、本発明は、シミュレーション結果を表示するシミュレーション結果表示手段を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる多軸機械装置シミュレータは、用途に適合した入出力設定のモデルを用いて多軸機械装置を模擬できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの構成図
【図２】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータに適用されるコンピュータの構成を示す図
【図３】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータを備えた装置の構成を示す図
【図４】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの三次元形状表示手段に表示された二軸マニピュレータの機構概略図
【図５】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの動作の流れを示すフローチャート
【図６】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの機械要素ライブラリに保持される機械要素の一覧を示す図
【図７】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの接続情報設定手段による接続情報の設定例を示す図
【図８】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの機械要素の物理パラメータ設定手段の一例を示す図
【図９】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの三次元形状表示手段の一例を示す図
【図１０】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータにおいてシミュレーション用途選択手段が提供する用途の一覧を示す図
【図１１】実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータが詳細容量選定に使用する個別シミュレーションモデルと接続関係とを示した図
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータの構成を示す図
【図１３】実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータの動作の流れを示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施の形態にかかる多軸機械装置シミュレータ、運転指令装置の設計支援装置、電動機制御装置の設計支援装置及び電動機の容量選定装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの構成図である。多軸機械装置の動作を模擬する多軸機械装置シミュレータ１は、多軸機械装置を構成する機械要素の特性を数式で表す要素モデルを保持する機械要素ライブラリ１０、機械要素ライブラリ１０から選択した複数の機械要素モデル間の接続情報を設定する接続情報設定手段１１、要素固有の物理パラメータを設定する物理パラメータ設定手段１３、要素モデルと、接続情報と、物理パラメータとから機械装置の全体構成を三次元で表示する三次元形状表示手段１４、入出力設定と、機械要素モデルの数式と、接続情報と、物理パラメータとから、機械装置の運動学及び力学特性を模擬した個別シミュレーションモデルを構築するシミュレーションモデル構築手段１５、制御対象を選択する制御対象選択手段１６、選択した制御対象の時系列パターンを入力する制御パターン入力手段１７、実施したいシミュレーション用途を指定するシミュレーション用途指定手段１８、複合シミュレーションモデルを実行するシミュレーション実行手段１９、シミュレーション用途に即したシミュレーション結果を表示するシミュレーション結果表示手段２０、用途に対応した入出力設定を出力するモデル入出力設定保持手段２１及びシミュレーション用途と入出力設定とに基づき複合シミュレーションモデルを出力するモデル結合手段２２を備える。
【００１７】
物理パラメータの例には、機械要素モデルの寸法、剛性、ばね定数及び粘性定数を挙げることができる。制御対象の例には、少なくとも一つの機械要素の位置、速度及び加速度のいずれかを挙げることができる。
【００１８】
なお、用途に即したシミュレーションを個別シミュレーションモデル一つで行える場合には、シミュレーションモデル構築手段１５からモデル結合手段２２に入力された一つの個別シミュレーションモデルは、そのまま複合シミュレーションモデルとなる。
【００１９】
図２は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータに適用されるコンピュータの構成を示す図である。コンピュータ３６は、プログラムを実行する演算装置３６１と、演算装置３６１がワークエリアに用いるメモリ３６２と、ファームウェアが格納される不揮発性メモリ３６３と、情報を記憶する記憶装置３６４と、情報入力用の入力装置３６５と、情報を表示する表示装置３６６とを備える。演算装置３６１には、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）を適用できる。メモリ３６２には、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）を適用できる。不揮発性メモリ３６３には、フラッシュメモリを適用できる。記憶装置３６４には、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブを適用できる。入力装置３６５には、キーボード及びマウスを適用できる。表示装置３６６には液晶表示装置を適用できる。
【００２０】
図１に示した機械要素ライブラリ１０及びモデル入出力設定保持手段２１は、記憶装置３６４によって実現される。図１に示した接続情報設定手段１１、物理パラメータ設定手段１３、シミュレーションモデル構築手段１５、モデル結合手段２２及びシミュレーション実行手段１９は、演算装置３６１がメモリ３６２をワークエリアにしてシミュレーションソフトウェア３６７を実行することによって実現される。図１に示した接続情報設定手段１１、物理パラメータ設定手段１３、制御対象選択手段１６、シミュレーション用途指定手段１８及び制御パターン入力手段１７は、シミュレーションソフトウェア３６７を実行した演算装置３６１が、入力装置３６５を通じて行われた操作を受け付けることによって実行される。図１に示した三次元形状表示手段１４及びシミュレーション結果表示手段２０は、シミュレーションソフトウェア３６７を実行した演算装置３６１が表示装置３６６に情報を表示させることによって実現される。
【００２１】
図３は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータを備えた装置の構成を示す図である。装置３４は、駆動軸を有する電動機３１、電動機３１を制御する電動機制御装置３２、駆動軸への指令を生成する運転指令装置３３及び多軸機械装置シミュレータ１が実装されたコンピュータ３６を有する。装置３４は、運転指令装置の設計支援装置、電動機制御装置の設計支援装置、又は電動機の容量選定装置である。装置３４が多軸機械装置シミュレータ１を備えることにより、用途に適合した入出力設定のモデルを用いた多軸機械装置のシミュレート結果に基づいて、多軸機械装置の運転指令装置の設計、電動機制御装置の設計及び電動機の容量選定を容易に行える。
【００２２】
次に、多軸機械装置が二軸マニピュレータである場合を例にして実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの動作について説明する。図４は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの三次元形状表示手段に表示された二軸マニピュレータの機構概略図である。ベース４１に固定された第１リンク４２は、第１電動機４３の回転軸により第１減速機及びカップリングを介して回転駆動される。また、第１リンク４２の先端に固定された第２リンク４４は第１リンク４２の先端に固定された第２電動機４５により、第２減速機及びカップリングを介して回転駆動される。第１電動機４３の軸角度θ１と第２電動機４５の軸角度θ２とを位置制御することにより、第２リンク４４の先端の水平位置が制御される。なお、第１の減速機、第２の減速機及びカップリングは、第１リンク４２又は第２リンク４４の内部に配置されるため、三次元形状表示手段１４では表示されていない。
【００２３】
図５は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの動作の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０１の機械要素を選択し機械要素間の接続情報を入力するステップでは、接続情報設定手段１１を用いて機械要素ライブラリ１０から機械要素を選択して配置し、接続情報設定手段１１により各機械要素間の接続情報を設定する。ここで配置する機械要素は、ベース４１、第１リンク４２、第２リンク４４、第１電動機４３の回転軸及び第２電動機４５の回転軸である。
【００２４】
図６は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの機械要素ライブラリに保持される機械要素の一覧を示す図である。剛体要素グループ１００は、機械装置の架台、支持部材、リンク部材などをモデル化しており、特定形状の直方体１０１モデル、円錐モデル１０２、円柱モデル１０４、球モデル１０５に加え、平面形状を指定して押出しにより３次元形状を指定する多角形モデル１０６と、二次元又は三次元のＣＡＤ（Computer  Aided  Design）図面から寸法及び形状をインポートできるＣＡＤ１０７を含む。関節要素グループ１１０は装置の自由度を決定する回転関節１１１、直動関節１１２及びカルダンジョイント１１３を含む。電動機要素グループ１２０は、関節要素グループ１１０を駆動する回転電動機モデル１２１及び直動電動機モデル１２２を含む。伝達要素グループ１３０は電動機の駆動力を機械要素に接続及び変換して伝達するカップリングモデル１３１、減速機モデル１３２、ボールネジモデル１３３、ベルトモデル１３４及びクランク機構モデル１３５を含む。センサ要素グループ１４０は、機械要素の位置、速度、加速度、角度又は姿勢、角速度及び角加速度のいずれかを測定する運動学センサモデル１４１と、機械要素に働く力、トルク及びモーメントを測定する力学センサモデル１４２を含む。指令入力グループ１５０は剛体要素の位置、速度及び加速度と関節要素の角度及び位置とで示される運転パターンを入力する指令入力要素１５１を含む。また信号処理要素グループ１６０は、装置の運転指令及び電動機への運転指令プログラムとをシミュレータ上で構築できるように四則演算１６１、三角関数１６２及びＰＩＤ（Proportional  Integral  Derivative）演算１６３を含む。
【００２５】
図７は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの接続情報設定手段による接続情報の設定例を示す図である。図４に示したベース４１、第１リンク４２及び第２リンク４４は、図７においてはいずれも直方体モデル０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃで表されている。回転電動機モデル１２１ａは、減速機モデル１３２ａ及びカップリングモデル１３１ａを介して、回転関節１１１ａの駆動入力接続点に接続され直方体モデル１０１ｂで示された第１リンク４２の駆動機構を構成している。同様に回転電動機モデル１２１ｂは減速機モデル１３２ｂ及びカップリングモデル１３１ｂを介して、回転関節１１１ｂの駆動入力接続点に接続され直方体モデル１０１ｃで示された第２リンク４４の駆動機構を構成している。回転関節１１１ａ，１１１ｂは固定側接続点と回転側接続点とを持ち、両接続点に接続された剛体要素を回転自由に結合する。なお、回転関節１１１ａ，１１１ｂは、前述した駆動入力接続点に回転電動機モデル１２１が接続されない場合は受動関節となる。直方体モデル１０１ｃには、力学センサモデル１４２ａが接続されている。
【００２６】
ステップＳ１０２の機械要素の物理パラメータを設定するステップでは、ステップＳ１０１で配置及び接続した機械要素の物理パラメータを、物理パラメータ設定手段１３を通じて設定する。設定する物理パラメータの具体例を挙げると、機械要素の寸法、質量、剛性及び粘性摩擦である。
【００２７】
図８は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの機械要素の物理パラメータ設定手段の一例を示す図である。図１に示した接続情報設定手段１１によりパラメータ入力対象を選択すると図８に示す物理パラメータ設定手段１３に要素モデルに該当するパラメータ入力項目が表示され編集可能となる。図９は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの三次元形状表示手段の一例を示す図である。要素モデルは図９に示すように三次元形状表示手段１４に表示され、入力された接続情報及び物理パラメータの内、配置及び形状に関する項目は即座に三次元表示に反映されるため、装置構成を確認しながら物理パラメータを設定することができる。
【００２８】
ステップＳ１０３の制御対象とする少なくとも一つの機械要素の物理量を選択するステップでは、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２で入力した機械構成の機械装置が目的とする制御対象を、制御対象選択手段１６を通じて指定する。多軸機械装置においては各駆動軸を協調動作させることにより特定機械要素の位置及び速度を制御する場合がある。実施の形態１においては、接続情報設定手段１１又は三次元形状表示手段１４で制御対象の機械要素を選択した状態で制御対象選択手段１６を呼び出すことにより制御対象とする機械要素を選択する。制御対象が位置又は速度であれば、機械要素中心からのオフセット位置及び基準座標といった詳細仕様を適宜設定する。なお、詳細仕様の例には、機械要素中心座標及び絶対座標を挙げることができる。
【００２９】
ステップＳ１０４のシミュレーション用途を指定するステップでは、ステップＳ１０３までに入力した構成の多軸機械装置において検討したい目的である用途を、シミュレーション用途指定手段１８を通じて選択する。図１０は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータにおいてシミュレーション用途選択手段が提供する用途の一覧を示す図である。用途には、軸指令生成、軸指令干渉チェック、可動範囲算出、簡易容量選定、詳細容量選定、フィードフォワード駆動力演算、等価慣性演算及び等価軸負荷演算が含まれる。
【００３０】
ステップＳ１０５のシミュレーションモデルを構築するステップでは、ステップＳ１０４で設定されたシミュレーション用途に基づき、機械要素同士の接続情報と物理特性を示した数式とをシンボリック処理することにより機械構成の入出力を変更した個別シミュレーションモデルを生成し、各個別シミュレーションモデルを結合してシミュレーション用途に適した複合シミュレーションモデルを構築する。
【００３１】
ここで、シミュレーション用途に詳細容量選定を選択した場合を例にステップＳ１０５の詳細動作を説明する。シミュレーション用途に詳細容量選定を選択した場合には、電動機制御装置の位置、速度及び電流のフィードバック制御系の制御ゲイン及び無駄時間を考慮した電動機制御機のシミュレーションモデルと機械装置の動特性モデルとを組み合わせた連成シミュレーションを実施する必要がある。
【００３２】
また、シミュレーション対象が多軸機械装置であってステップＳ１０３で選択した制御対象が機械装置先端位置などの電動機軸位置と異なる場合は、複数軸を協調動作させないと装置先端位置を制御できないため、通常電動機制御機の上位に運転指令装置を設け、先端位置及び姿勢を各電動機軸の軸角度に変換する逆運動学演算が必要となる。また制御対象の位置及び姿勢により各軸に印加される等価慣性が変化する場合、速度フィードバック制御系の慣性補償ゲインを修正しないと過補償又は不足補償となりオーバーシュートが発生する。さらに、先端位置及び姿勢により重力負荷、軸間の反力又はコリオリ力が大きく変化する場合は、先端位置及び姿勢から軸に必要な駆動力を逆動力学演算により求め、求めた駆動力をフィードフォワードにより電動機制御装置の駆動力指令に加える必要がある。これは、一般に軸指令に実軸位置を追従させるためにはフィードバック制御系のゲインを上げて制御系の応答帯域を上げればよいが、機械装置に共振周波数があって応答帯域を上げることができない場合及び電動機制御装置の性能の制約により応答帯域の増加に限界があるためフィードバック制御系のみでは制御仕様を達成できない場合があるためである。
【００３３】
図１１は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータが詳細容量選定に使用する個別シミュレーションモデルとその接続関係とを示した図である。図１１は、先端位置から各軸位置指令を算出する逆運動学モデル５１、先端位置、速度及び加速度から各軸のフィードフォワード駆動力指令を算出する逆動力学モデル５２、先端位置から各軸等価慣性を算出する等価慣性モデル５３、軸位置指令から機械装置の駆動軸に印加される駆動力を算出する電動機制御装置の動作モデル５４及び駆動力から先端位置を算出する順動力学モデル５５とこれらの接続関係とを示している。詳細容量選定ではこれら個別シミュレーションモデルを全て、又は一部を使用して電動機及び電動機制御装置の容量選定と制御パラメータの設定とを実施する。
【００３４】
図１に示したモデル入出力設定保持手段２１は、シミュレーション用途ごとに必要な個別シミュレーションモデルの入出力設定を一つ以上保持しており、選択されたシミュレーション用途に応じて個別シミュレーションモデルごとにモデルの入出力設定を出力する。実施の形態１の詳細容量選定用途では、逆運動学モデルの入力変数は先端位置に、出力変数は各軸角度になる。順動力学モデルでは入力変数は各軸駆動力に、出力変数は先端位置、速度及び加速度になる。逆動力学モデルでは入力変数は先端位置、速度及び加速度に、出力変数は各軸駆動力になる。等価慣性モデルでは入力変数は各軸角度に、出力変数は各軸等価慣性になる。
【００３５】
図１に示したシミュレーションモデル構築手段１５は、モデル入出力設定保持手段２１が出力した一つ以上のモデル入出力設定と、ステップＳ１０４までに入力した機械要素間の接続情報と、物理パラメータ設定と、制御対象設定とから必要なシミュレーションモデルをシンボリックな数式処理により導出する。
【００３６】
逆運動学モデルのシミュレーションモデルの導出を用いて実施の形態１でのシミュレーションモデル構築に用いるシンボリックな数式処理を説明する。前述のように各機械要素モデルは要素ごとにその接続点における関係式と物理特性とを数式処理が可能な等式の形で保存している。ここで数式処理とは数式の定数又は変数を記号で表し、その記号に対して微分処理、積分処理又は三角関数を適用して数式の厳密解を求める処理を指すものとする。一般の制御シミュレータでは要素モデルの入出力が固定されており入出力を逆転させた逆関数を求めることはできない。また、要素モデルの入出力を接続して全体のシミュレーションモデルを構築する際に、ある要素モデルの出力が自分自身の入力に接続されると代数ループが発生し、シミュレーションモデルが微分代数方程式で記述されるため収束演算により方程式の解を求める必要があり演算時間が増加していた。
【００３７】
一方、要素モデルをその接続点における関係式と要素モデル固有の物理特性とをシンボリックな数式処理が可能な等式の形で保持している機械シミュレータの場合、要素モデルの接続点ごとに定義された関係式を基に数式を生成し、更に要素モデル固有の物理特性を表す数式を全て収集して、装置全体の物理特性を現す等式群を構築する。機械装置のシミュレーションを実行するために、機械シミュレータは等式から時間依存性と入出力関係を有する微分方程式系に変換する必要がある。入力変数は通常の機械装置のシミュレーションでは軸駆動力となり、機械シミュレータは入力変数から各機械要素の位置及び速度の状態変数との入出力関係、等式間の依存関係を数式処理により導出し、更に等式群から微分方程式系に変換する。通常、数式処理により導出される機械装置の微分方程式系は代数微分方程式系となるが、多くの場合、微分のような数式処理を実施することで代数微分方程式系から収束演算が不要な常微分方程式系に変換することができ、複雑な機構を持つ多軸機械装置の迅速なモデリングと高い速度でのシミュレーション実行とが可能となる。
【００３８】
しかしながら、上述した数式処理により機械装置のシミュレーションモデルの導出が可能な機械シミュレータの多くは軸駆動力を入力変数に設定しており、順動力学演算以外を検討する場合には位置及び速度の拘束条件を特殊な要素を関節要素に接続して設定したり、複数の個別シミュレーションモデルを組み合わせた検討を実施する際には、個別シミュレーションモデルごとに元のモデルの構成を一部変更し入出力設定を変えたモデルを作成してさらにそれらの入出力を接続する必要があり、軸数の多い多軸機械装置では変更箇所が多くなり誤設定発生の要因となっていた。
【００３９】
実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータのシミュレーションモデル構築手段１５は、モデル入出力設定に基づき同一の機械構成に対して入出力設定のみを変更して数式処理により個別シミュレーションモデルを出力する。なお、個別シミュレーションモデル出力において出力の演算に不要な演算は数式処理段階で自動的に除外される。例えば、逆運動学演算においては先端位置と軸角度間との運動学的な関係のみが必要なため順動力学演算は不要であり、逆運動学モデル構築時には、等式群から微分又は積分のような数式処理により時間関係を含む等式を検索して除外することで必要な演算処理を実施する逆運動学のシミュレーションモデルを出力できる。また、解析的に逆運動学が求められない場合、同様な数式処理により軸角度の微小変化に対する先端位置の微小変化を表すヤコビ行列を求め、順動力学とヤコビ行列とを併用して収束演算により目標位置への軸角度指令を導出する既知の手法を適用しても良い。
【００４０】
次に、図１に示したモデル結合手段２２は、モデル間接続設定とモデル入出力設定とに基づき、個別シミュレーションモデルを接続した複合シミュレーションモデルを出力する。実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの詳細容量選定においては、選択された制御対象は先端位置であるため、位置指令が逆運動学モデルの入力に接続される。逆運動学モデルの出力である軸指令は各電動機制御モデルの指令入力に接続され、各電動機制御モデルの出力である駆動力は順動力学モデルの駆動力入力に接続される。またフィードフォワード制御及び負荷変動を考慮した電動機及び電動機制御機の容量選定又は制御パラメータ調整を実施する際には位置指令が逆動力学モデルと等価慣性モデルとに入力される。逆運動学モデルにおいては先端位置の速度及び加速度も必要となるため、追加された微分演算ブロックにより速度と加速度とを入力にしている。後述するステップＳ１０６の制御パターン設定時に、位置に加えて速度及び加速度も含めた指令を与えてもよい。逆動力学モデルの出力であるフィードフォワード駆動力と等価慣性モデルの出力である各軸等価慣性はそれぞれ各電動機制御装置モデルのフィードフォワード指令入力と等価慣性補償ゲイン入力に接続される。なお、逆動力学モデル及び等価慣性モデルは複合シミュレーションモデルの不図示の設定手段で出力を有効にするか無効にするかを設定できるようにしてもよいし、シミュレーション用途設定時に個別シミュレーションモデルを含めないように設定してもよい。また用途選定時に、逆運動学演算のような一部のモデルは使用せずに、機械シミュレータの信号処理要素を用いて実装したモデル又は機械シミュレータのインポート機能を用いて既存の機械装置で使用している逆運動学演算を取り込んだモデルを使用するように設定してもよい。このように設定した場合、既存の指令演算処理を機械装置に適用した際の制御パラメータ調整が可能となる。
【００４１】
ステップＳ１０６の制御パターンを入力するステップでは、ステップＳ１０４で設定した用途での制御対象の制御パターンを入力する。制御パターンは、設定時系列データにより特定形状のパラメータを与えてもよいし、外部ツールを用いて作成しコンピュータ上に保存したデータを読み込むことで入力しても良い。特定形状のパラメータの例には、台形波形、三角波及びＳ字波形を挙げることができる。また、位置を制御パターンで与えた場合に速度及び加速度が滑らかになるようにＳ字加減速を加えるようにしても良い。
【００４２】
ステップＳ１０７のシミュレーションを実行するステップでは、作成された複合シミュレーションモデルを実行し、シミュレーション用途に基づきシミュレーション結果をシミュレーション結果表示手段２０に表示する。
【００４３】
実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの詳細容量選定においては、先端位置指令に対する最大トルク、実効トルク及び最大回転速度が表示されるとともにオーバーシュート量及び整定時間といった電動機制御装置の制御パラメータ及び制御方式に影響を受ける制御指標が表示される。また逆運動学モデルと逆動力学モデルとがそれぞれ出力する軸速度と駆動力とを、ステップＳ１０１で選択した電動機モデルが内部パラメータによって持つ仕様とを比較し、いずれかの項目が入力された制御パターンに対して不足する場合には、不足項目を表示するとともに仕様を満たす推奨モデルである電動機モデルを表示する。
【００４４】
なお、実施の形態１では複合シミュレーションとする簡易容量選定を指定した場合には、先端指令を入力とし軸駆動力及び軸角度を出力とする複合シミュレーションモデルとなる逆動力学モデルが作成され、シミュレーション結果表示手段２０には逆動力学モデルの出力である軸駆動力と回転速度とが仕様を満足する電動機モデルとともに表示される。従って、最初に簡易容量選定により電動機制御装置の制御設定を考慮せずに電動機を選定し、選定した電動機モデルを用いて詳細容量選定により電動機制御装置の制御パラメータ設定を実施しても良い。また、詳細容量選定実施時には、要求仕様を満足する電動機が見つかるまで詳細容量選定のシミュレーションを繰り返すように構成しても良い。
【００４５】
以上のように、実施の形態１によれば、数式処理が可能な多軸機械装置シミュレータにおいて、要素モデルを選択し、要素モデル間の接続情報を設定し、要素モデルごとの物理パラメータを設定し、制御対象を選択し、シミュレーション用途を設定し、制御パターンを入力して、用途に適合した入出力設定のシミュレーションモデルを構築して実行結果を出力できる。
【００４６】
実施の形態１によれば、多軸機械装置の機械要素同士の接続情報と機械要素ごとの物理パラメータと装置の制御対象である機械要素の位置、速度及び加速度とシミュレーション用途とを指定することで、多軸機械装置の機構設計、軸指令生成、電動機及び電動機制御装置の選定、制御パラメータ調整及び制御方式選定の検討に必要なシミュレーションモデルを複数軸の設定を変更しなくても、出力できるようになるので、軸数が多い多軸機械装置においても複雑な運動学特性及び力学特性を正確に模擬可能なシミュレーションモデルを容易に得ることができる。
【００４７】
また、実施の形態１によれば、制御装置の設計支援装置又は制御装置に多軸機械装置シミュレータを組み込んだので、多軸機械の容量選定において複数軸の制御パターン生成並びにコリオリ力及び反力を考慮した軸必要駆動力の算出が容易に実施できるようになる。
【００４８】
実施の形態１によれば、用途に適したシミュレーションモデルをコンピュータ上で構築してシミュレーションを実行できるため、試験用の装置を実際に作成する作業は不要である。したがって、試験用の装置を作成して試験を行う場合と比較して、エネルギー消費量及び工数を削減して、製品のライフサイクルにおける環境負荷を低減することができる。
【００４９】
実施の形態２.
図１２は、本発明の実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータの構成を示す図である。実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータ２０１は、実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータ１に対して、多軸機械装置の運転指令を生成する不図示の上位制御装置の座標系に基づき、三次元形状表示手段１４により表示される多軸機械装置の姿勢及び配置を変更するとともに、シミュレーションモデル構築手段１５で出力される個別シミュレーションモデルの入力である運転指令又は出力である機械先端位置を、上位制御装置の座標と機械装置の座標とに相互変換する座標変換設定を出力する座標系選択手段２３、運転指令装置又は電動機制御装置の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定手段２４、シミュレーションモデルを変換し、運転指令装置又は電動機制御装置上で動作する実行コードを出力する実行コード出力手段２５、使用者の入力に基づきシミュレーションモデルの送信意思と送信形態とを確認する送信確認手段２６及び送信意思と送信形態とに基づき必要に応じて暗号化処理を実施してシミュレーションモデルをテクニカルサポートのサーバに送信する送信手段２７を加えた構成となっている。
【００５０】
また、座標系選択手段２３は、シミュレーション用途指定手段１８で選択されたシミュレーション用途が容量選定である場合、シミュレーション結果表示手段２０に出力される選定された電動機と、座標変換設定に基づいて制御パラメータとを制御パラメータ設定手段２４に出力する。
【００５１】
図１２に示した座標系選択手段２３、制御パラメータ設定手段２４、実行コード出力手段２５、送信確認手段２６及び送信手段２７は、演算装置３６１がメモリ３６２をワークエリアにしてシミュレーションソフトウェア３６７を実行することによって実現される。
【００５２】
図１３は、実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータの動作の流れを示すフローチャートである。実施の形態１にかかる多軸機械装置シミュレータの動作と比較すると、ステップＳ１０３ａとステップＳ１０８からステップＳ１１１とが追加されている点で相違している。
【００５３】
ステップＳ１０３ａの上位指令装置の座標系を選択するステップでは、座標系選択手段２３は、ステップＳ１０３で選択した指令対象に与える運転指令の座標系を選択する。
【００５４】
三次元空間での位置決め又は加工に使用される多軸機械装置は、上位の加工プロセス、生産プロセス又は工場ラインといった、上位プロセスを制御する不図示の上位指令装置により生成された運転指令を指令入力として受け取るが、指令入力の座標系が多軸機械装置の座標系と異なる場合には、上位指令装置と多軸機械装置との間で指令入力及び制御結果である先端位置をやり取りする際に互いの座標に一致させるための座標変換が必要になる。図１２に示す実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータ２０１においては、座標系選択手段２３は、三次元形状表示手段１４から呼び出され、上位指令装置の座標系は多軸機械装置の直交座標系に対する回転角として与えられる。
【００５５】
ステップＳ１０８の電動機制御装置又は運転指令装置の制御パラメータを設定するステップでは、制御パラメータ設定手段２４は、ステップＳ１０３ａで選択した上位指令装置の座標系と、ステップＳ１０４においてシミュレーション用途指定手段１８で詳細容量選定を選択した際にステップＳ１０７で表示される電動機モデルに基づき、電動機制御装置又は運転指令装置の制御パラメータを設定する。
【００５６】
電動機制御装置を機械装置の駆動軸に組み込む際には電動機制御装置の形状及び設計制約により取り付け位置が限定され、機械装置の駆動軸の正逆転の極性と、電動機軸の正逆転の極性とが反転してしまう場合がある。また、電動機自体の極性に加えて伝達要素グループ１３０に属するカップリング１３１、ボールねじ１３３又は減速機１３２といった伝達機構との接続によっても極性が一致しなくなる場合がある。
【００５７】
一方、多軸機械装置の運転指令装置には運転指令の座標系を変換したり、運転指令正方向の極性を反転する制御パラメータを持つものがある。また、電動機制御装置にも電動機の軸指令正方向、軸フィードバック正方向の極性を反転する制御パラメータを持つものがある。
【００５８】
ステップＳ１０８では、制御パラメータ設定手段２４は、ステップＳ１０３ａで選択した上位座標系と、ステップＳ１０２でシミュレーション用途として詳細容量選定を選択した際にステップＳ１０７で選定される電動機及び電動機制御装置に基づき、軸極性の反転が必要かを判定し、軸極性の反転が必要な場合は電動機制御装置又は運転指令装置の座標系、軸指令正方向、指令正方向及び軸フィードバック方向の少なくとも一つを、制御パラメータ設定手段２４を用いて設定し、多軸機械装置の駆動軸と電動機の軸とで正方向を一致させる。
【００５９】
実施の形態２では、制御パラメータ設定手段２４を用いて運転指令装置又は電動機制御装置のパラメータを設定しているが、設定内容を電子データにして保存してもよい。
【００６０】
運転指令装置又は電動機制御装置の実行コードを出力するステップＳ１０９では、実行コード出力手段２５は、ステップＳ１０５で生成した個別シミュレーションモデル又は複合シミュレーションモデルに基づき、運転指令装置又は電動機制御装置上で動作する実行コードを出力する。実行コード出力手段２５は、既存のＣコード自動生成ツールなどを使用してＣコードを生成し、実行コード自体は運転指令装置又は電動機制御装置の開発環境に付属するＣコンパイラを使用する構成にしても良いし、運転指令装置又は電動機制御装置に特化したコード生成ツールを用いても良い。この際、ステップＳ１０３ａで選択した上位指令装置の座標系又はステップＳ１０７で選定される電動機及び電動機制御装置に基づき、上位指令装置と運転指令装置と電動機制御装置との極性が一致するように実行コードが出力される。
【００６１】
出力モデルの送信を確認するステップＳ１１０では、送信確認手段２６は、ステップＳ１０５で出力される個別シミュレーションモデル又は複合シミュレーションモデルを運転指令装置又は電動機制御装置の製造者が管理するサーバへ送信するかを確認する。
【００６２】
具体的には、ステップＳ１１０において、送信確認手段２６は、ステップＳ１０５で出力される個別シミュレーションモデル又は複合シミュレーションモデルをステップＳ１０７で選定した電動機制御装置のテクニカルサポートが管理するサーバに送付するかを確認する。実施の形態２では送付するモデルは個別モデルの軸出力から機械先端位置を出力する順動力学モデルであり、使用者が送付を選択した場合は通常は出力モデルにデバッグ情報として保存されるステップＳ１０１，Ｓ１０２で設定した機構要素の接続情報又はその物理パラメータ設定を除去するか、更に出力モデルの解析を防止するための暗号化処理を実施するかなどの送信詳細設定を実施する。
【００６３】
ステップＳ１１１において、送信手段２７は、ステップＳ１１０で出力モデルの送信を選択した場合に電動機制御装置のテクニカルサポートが管理するサーバにモデルを送信する。送信手段２７は、送信確認手段２６で設定した送信詳細設定に基づき、出力モデルから不要な情報を除去し、必要ならば暗号化処理を実施した上で電動機制御装置のテクニカルサポートが管理するサーバに出力モデルを送信する。
【００６４】
実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータ２０１においては、構築した多軸機械装置のシミュレーションモデルと、電動機及び電動機制御装置の製造者が提供する電動機制御装置及び電動機のシミュレーションモデルとを組み合わせた機械電気の連成シミュレーションを実施することで、装置を実際に製作する前に電動機制御装置の性能も考慮した事前検証が可能となる。
【００６５】
一方、電動機制御装置の設定パラメータは多岐にわたり、特殊な制御機能のパラメータ設定を電動機制御装置の設計者、フィールドエンジニアが無償又は有償のサービスで代行する場合があるが、実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータ２０１は、送信手段２７を備えることにより、パラメータ設定の代行サービスを利用可能となる。
【００６６】
実施の形態２にかかる多軸機械装置シミュレータ２０１は、電動機制御装置の軸指令生成又はフィードフォワード軸指令生成を演算する実行コードを、上位制御装置の座標系、電動機及び電動機制御装置の軸方向並びに指令方向に基づいてシミュレーションモデルから出力することができ、運転指令装置又は電動機制御装置の軸極性が一致するように制御パラメータを設定できるので、電動機の軸方向及び装置先端の座標系が上位制御系と異なる場合でも誤動作しない実行コードを出力することができる。
【００６７】
また、機械装置の製造者又は使用者は、装置の詳細構造及び構成を運転指令装置又は電動機制御装置の製造者に開示せずに機械装置の動特性を十分に模擬できる機械装置のシミュレーションモデルを制御装置の製造者に送付できるため、制御装置の製造者は電動機と電動機制御装置のシミュレーションモデルと機械装置のシミュレーションモデルを用いて制御性能が最適となる制御方式の選定と制御パラメータ値の設定が可能となる。
【００６８】
このように、実施の形態２によれば、電動機制御装置の軸指令生成又はフィードフォワード軸指令生成を演算する実行コードを上位制御装置の座標系、電動機又は制御装置の軸方向、若しくは電動機又は制御装置の指令方向に基づいてシミュレーションモデルから出力することができるので、電動機の軸方向又は装置先端の座標系が上位制御系と異なる場合でも誤動作しない実行コードを出力することができる。
【００６９】
さらに、実施の形態２によれば、機械装置の製造者又は使用者は、装置の詳細構造又は構成を運転指令装置又は電動機制御装置の製造者に開示せずに機械装置の動特性を十分に模擬できる機械装置のシミュレーションモデルを制御装置の製造者に送付できるため、制御装置の製造者は電動機と電動機制御装置のシミュレーションモデルと機械装置のシミュレーションモデルを用いて制御性能が最適となる制御方式の選定とパラメータ値の設定が可能となる。
【００７０】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１，２０１  多軸機械装置シミュレータ、１０  機械要素ライブラリ、１１  接続情報設定手段、１３  物理パラメータ設定手段、１４  三次元形状表示手段、１５  シミュレーションモデル構築手段、１６  制御対象選択手段、１７  制御パターン入力手段、１８  シミュレーション用途指定手段、１９  シミュレーション実行手段、２０  シミュレーション結果表示手段、２１  モデル入出力設定保持手段、２２  モデル結合手段、２３  座標系選択手段、２４  制御パラメータ設定手段、２５  実行コード出力手段、２６  送信確認手段、２７  送信手段、３１  電動機、３２  電動機制御装置、３３  運転指令装置、３４  装置、３６  コンピュータ、４１  ベース、４２  第１リンク、４３  第１電動機、４４  第２リンク、４５  第２電動機、５１  逆運動学モデル、５２  逆動力学モデル、５３  等価慣性モデル、５４  電動機制御装置の動作モデル、５５  順動力学モデル、１００  剛体要素グループ、１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ  直方体モデル、１０２  円錐モデル、１０４  円柱モデル、１０５  球モデル、１０６  多角形モデル、１０７  ＣＡＤ、１１０  関節要素グループ、１１１，１１１ａ，１１１ｂ  回転関節、１１２  直動関節、１１３  カルダンジョイント、１２０  電動機要素グループ、１２１，１２１ａ，１２１ｂ  回転電動機モデル、１２２  直動電動機モデル、１３０  伝達要素グループ、１３１，１３１ａ，１３１ｂ  カップリングモデル、１３２  減速機、１３２ａ，１３２ｂ  減速機モデル、１３３  ボールネジモデル、１３４  ベルトモデル、１３５  クランク機構モデル、１４０  センサ要素グループ、１４１  運動学センサモデル、１４２  力学センサモデル、１５０  指令入力グループ、１５１  指令入力要素、１６０  信号処理要素グループ、１６１  四則演算、１６２  三角関数、１６３  ＰＩＤ演算、３６１  演算装置、３６２  メモリ、３６３  不揮発性メモリ、３６４  記憶装置、３６５  入力装置、３６６  表示装置、３６７  シミュレーションソフトウェア。
【図１】
2016185590.tif 000003
【図２】
2016185590.tif 000004
【図３】
2016185590.tif 000005
【図４】
2016185590.tif 000006
【図５】
2016185590.tif 000007
【図６】
2016185590.tif 000008
【図７】
2016185590.tif 000009
【図８】
2016185590.tif 000010
【図９】
2016185590.tif 000011
【図１０】
2016185590.tif 000012
【図１１】
2016185590.tif 000013
【図１２】
2016185590.tif 000014
【図１３】
2016185590.tif 000015
【国際調査報告】
2016185590.tif 000016
2016185590.tif 000017