(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸を軸受により垂直移動及び回動可能に水平軸に支持し、上記垂直軸の垂直移動及び回動を制御すると共に上記水平軸の旋回を制御する制御手段を備えたスカラ型ロボットの制御装置において、
前記制御手段は、前記垂直軸及び前記水平軸の速度を前記垂直軸が前記軸受から下方に突出したストロークの平方根の逆数を変数とする所定の関数で制御することを特徴とするスカラ型ロボットの制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記所定の関数で求められた速度がロボットに設定されている最高速度を上回るような場合は前記垂直軸及び前記水平軸の速度を最高速度で制御することを特徴とする請求項１記載のスカラ型ロボットの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直軸を軸受により垂直移動及び回動可能に水平軸に支持し、上記各軸の回動及び移動を制御する制御手段を備えたスカラ型ロボットの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スカラ型ロボットでは、水平アームの先端に垂直軸を軸受により垂直移動可能に支持し、水平アームの旋回動作と垂直軸の垂直移動動作とを組合せることにより垂直軸の下端に装着されたチャッキングハンドなどを三次元的に移動するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、チャッキングハンドによりワークをチャッキングした状態で旋回移動した場合、ワークには水平方向に大きな遠心力が作用する。このような遠心力は垂直軸の軸受にモーメントとして集中的に作用するので、軸受に過度のラジアル荷重が作用して軸受の寿命が低下するという事情がある。
【０００４】
この場合、垂直軸のストロークが大きい程、軸受には大きなモーメントが作用して軸受の安全率が低下してしまうことから、図９に示すように垂直軸のストロークに比例してロボットの速度を低下するように制御することが行われていた。従って、垂直軸のストロークが大きくなる程、ロボットの速度が低下するので、垂直軸を支持する軸受にかかるラジアル荷重を抑制して軸受の寿命を長くすることができる。
【０００５】
しかしながら、このような制御では、垂直軸のストロークが大きくなる程、軸受の安全率が過大となっていることが判明した。このことは、ロボットの移動速度が不必要に制限されていることを意味しているので、ロボットの効率的な動作速度が得られないという欠点がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、垂直軸の軸受の安全率を満足しながら移動速度を高めることができるスカラ型ロボットの制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、制御手段は、水平軸を旋回すると共に垂直軸を垂直移動することにより垂直軸を三次元的に移動すると共に垂直軸を回動する。
【０００８】
ここで、ロボットの動作状態では垂直軸の軸受には垂直軸に作用する遠心力に伴うモーメントが作用する。この場合、図９に示すように垂直軸のストロークと比例するようにロボットの動作速度を低下した場合には、垂直軸のストロークに従って軸受の安全率が過大となっていることが判明した。この場合、垂直軸の軸受の安全率が一定となるようにロボットの動作速度を制御するには、ストロークの平方根の逆数を変数とする所定の関数で制御すればよいことが分った。
【０００９】
そこで、制御手段は、各軸の速度をストロークの平方根の逆数を変数とする所定の関数で制御するので、軸受の安全率を満足しながらロボットの動作速度を高めることができる。
【００１０】
請求項２の発明によれば、制御手段は、所定の関数で求めた速度がロボットに規定された最高速度を上回るような場合は、各軸の速度を最高速度で制御するので、垂直軸のストロークにかかわらずロボットを最高速度で動作することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１乃至図８を参照して説明する。
図３はスカラ型ロボットを斜視して示している。この図３において、スカラ型ロボット１は、主軸２に第１の水平アーム３（水平軸に相当）を旋回可能に支持すると共に、その第１の水平アーム３の先端部に第２の水平アーム４（水平軸に相当）を旋回可能に支持し、さらに第２の水平アーム４の先端部に垂直軸５を垂直移動可能に支持して構成されている。この垂直軸５の下端には負荷取付部６が一体に設けられており、その負荷取付部６にチャッキングハンド、真空チャックなどを装着するようになっている。尚、負荷取付部６は図示しないモータにより回動可能に設けられている。また、垂直軸５に平行に空圧シリンダ７が設けられており、その空圧シリンダ７により垂直軸５に作用する負荷重量をバランスさせるようにしている。
【００１２】
図４はロボット１の電気的構成を概略的に示している。この図４において、ロボット１には水平アーム３，４及び垂直軸５の移動位置などを検出する回転角センサ８が設けられており、制御装置９（制御手段に相当）は、回転角センサ８が検出した回転角に基づいてアーム駆動装置１０を制御することによりチャッキングハンドによりチャッキングしたワークを所定位置に搬送すると共に、現在の動作状態を入力装置を兼ねた表示装置１１に表示するようになっている（図３参照）。
【００１３】
図５は上述したロボット１を模式的に示している。また、図６は図５に示したロボット１の負荷取付部６に取付けられた負荷１２に水平方向に作用する力の作用関係を示している。この図６において、ロボット１の垂直軸５が水平アーム３，４の旋回運動によって移動する際に作用する水平方向の力は遠心力と慣性力との合成力である。この場合、第１の水平アーム３及び第２の水平アーム４が直線的な位置関係となったときに負荷取付部６に取付けられた負荷１２に作用する遠心力及び慣性力が最大となる。
【００１４】
つまり、第１のアーム３が主軸２を中心として旋回するのに伴って負荷１２に生じる遠心力と第２の水平アーム４が第１の水平アーム３を中心として旋回するのに伴って負荷１２に生じる遠心力との合成遠心力Ｆが次式に示すように作用し、その合成遠心力Ｆが最大となる条件が第１，第２の水平アーム３，４が直線的な位置関係となる場合である。また、第１のアーム３が主軸２を中心として加速度的に旋回するのに伴って負荷１２に生じる慣性力と第２の水平アーム４が第１の水平アーム３を中心として加速度的に旋回するのに伴って負荷１２に生じる慣性力との合成慣性力Ｍが次式に示すように作用し、その合成慣性力Ｍが最大となる条件が第１，第２の水平アーム３，４が直線的な位置関係となる場合である。従って、負荷１２に水平方向に作用する力Ｐは次式のように表すことができる。尚、図中のｒ1 は第１の水平アーム３の長さを示し、ｒ2 は第２の水平アーム４の長さを示している。
【００１５】
【数１】
0003882369.tif 000002
【００１６】
ところで、垂直軸５の負荷取付部６に取付けられる負荷１２の重心は垂直軸５の軸中心から水平方向に偏心して位置しているのが一般的であるので、図７に示すように垂直軸５が加速度的に上下動する状態（ロボット１の動作ではこのような状態が一般である）では、垂直軸５の軸受１３には上述のようにして求めた負荷１２に作用する水平方向合成力Ｐによる曲げモーメントと負荷１２が加速度的に上下動するのに応じて生じる曲げモーメントとの合成曲げモーメントＲが次式に示すように作用する。この図中において、Δｘは垂直軸５が最上位置に位置したときの軸受１３の中心から負荷取付部６の下端までの距離、Ｌは垂直軸５が軸受１３から下方に突出したストロークを示し、ｌは負荷取付部６の下端から負荷１２の重心までの距離を示し、Ｓは垂直軸５の軸中心から負荷１２の重心までの距離を示し、Ｑは垂直軸５の垂直移動動作により生じる力を示している。
【００１７】
【数２】
0003882369.tif 000003
【００１８】
ここで、制御装置９は、ロボット１の動作速度を制御する際は速度を最高速度に対する比率で示される動作速度ＳＰで制御するので、速度及び加速度を実際の制御で使用する動作速度ＳＰで表すと、
【数３】
0003882369.tif 000004
となる。従って、負荷１２に作用する水平方向の合成力Ｐは、
【数４】
0003882369.tif 000005
と表すことができる。ここで、数４において、
【数５】
0003882369.tif 000006
とおくと、
【数６】
0003882369.tif 000007
と表すことができるので、定数をＣとすると、水平方向の合成力Ｐは、
【数７】
0003882369.tif 000008
となる。
【００１９】
ところで、実際の垂直軸５は、図８に示すようにスプラインシャフト１４とラックスプライン１５とを並列状態に連結し、ラックスプライン１５をモータ１６による歯車１７の回転により上下動することによりスプラインシャフト１４を上下動するように構成されている。この場合、スプラインシャフト１４は上側シャフト軸受１８及び下側シャフト軸受１９の二点で支持されていると共に、ラックスプライン１５は上側ラック軸受２０及び下側ラック軸受２１の二点で支持されている。
【００２０】
従って、上述したように負荷１２に作用する曲げモーメントＲは、２個のシャフト軸受１８，１９及び２個のラック軸受２０，２１で分担して受けることになる。この場合、スプラインシャフト１４とラックスプライン１５との断面積比は２対１であるので、シャフト軸受１８，１９は曲げモーメントＲの２／３を分担して受け、ラック軸受２０，２１は曲げモーメントＲの１／３を分担して受けていることになる。このことは、シャフト軸受１８，１９は水平合成力Ｐの２／３を分担して受けると共に、ラック軸受２０，２１は水平合成力Ｐの１／３を分担して受けることを意味している。
【００２１】
さて、スプラインシャフト１４に作用する曲げモーメント２Ｒ／３は上側シャフト軸受１４と下側シャフト軸受１９との中間を中心として作用するので、下側シャフト軸受１９には負荷１２に作用する水平方向合成力Ｐと反対方向の力が作用し、上側シャフト軸受１８には負荷１２に作用する水平方向合成力Ｐと同一方向の力が作用する。つまり、下側シャフト軸受１９に作用する水平方向力であるラジアル荷重ｆ１は、上側シャフト軸受１８に作用する水平方向力であるラジアル荷重ｆ２と水平方向合成力２Ｐ／３との合力となるので、下側シャフト軸受１９の安全率を考慮すればよいことになる。
【００２２】
この場合、下側シャフト軸受１９に作用する水平方向の力と曲げモーメントは、上側シャフト軸受１８の中心と下側シャフト軸受１９の中心との間の距離は５０ｍｍであるので、垂直軸５が最上位置に位置した状態で上側シャフト軸受１８の中心から負荷取付部６の下端までの距離をΔｘとすると、
【数８】
0003882369.tif 000009
と表すことができる。従って、下側シャフト軸受１９に作用するラジアル荷重ｆ１は、
【数９】
0003882369.tif 000010
となる。
【００２３】
一方、ラックスプライン１５に作用する曲げモーメントＲ／３は上側ラック軸受２０と下側ラック軸受２１との中間を中心として作用するので、下側ラック軸受２１には負荷１２に作用する水平方向合成力Ｐと反対方向の力が作用し、上側ラック軸受２０には負荷１２に作用する水平方向合成力Ｐと同一方向の力が作用する。つまり、下側ラック軸受２１に作用する水平方向力であるラジアル荷重ｆ３は、上側ラック軸受２０に作用する水平方向力であるラジアル荷重ｆ４と水平方向合成力Ｐ／３との合力となるので、下側ラック軸受２１の安全率を考慮すればよいことになる。
【００２４】
この場合、下側ラック軸受２１に作用する力は、上側ラック軸受２０の中心と下側ラック軸受２１の中心との間の距離は６５ｍｍ、シャフト軸受１４とラック軸受１５との間の距離は５３．５９ｍｍであるので、垂直軸５が最上位置に位置した状態で上側シャフト軸受２０の中心から負荷取付部６の下端までの距離をΔｙとすると、
【数１０】
0003882369.tif 000011
と表すことができる。従って、下側ラック軸受２１に作用するラジアル荷重ｆ３は、
【数１１】
0003882369.tif 000012
となる。ここで、本実施の形態のロボット１の仕様は、
【数１２】
0003882369.tif 000013
と規定されているので、下側シャフト軸受１９に作用するラジアル荷重ｆ１は、
【数１３】
0003882369.tif 000014
と表すことができる。この式に数７を代入すると、
【数１４】
0003882369.tif 000015
と表すことができる。
【００２５】
さて、下側シャフト軸受１９の安全率を一定とした場合のロボット１の動作速度ＳＰと垂直軸５のストロークＬとの関係を導くと、ＣD を下側シャフト軸受１９に作用する定格荷重、Ｄを定数とすると、
【数１５】
0003882369.tif 000016
と表すことができる。
【００２６】
従って、ロボット１の動作速度ＳＰは、
【数１６】
0003882369.tif 000017
となる。
【００２７】
この数式から、ロボット１の動作速度ＳＰを垂直軸５のストロークＬの平方根の逆数を変数とする所定の関数式で制御することによりストロークＬにかかわらず下側シャフト軸受１９の安全率を一定とすることができることが分る。
【００２８】
このようにして求めたストロークＬと速度との関係を、ストロークＬが１００ｍｍのときの安全率を基準に求めて図１に示した。制御装置９は、この図１で示された速度の関数に基づいて垂直軸５の速度を制御する。
また、図２は、図１で示した関係のときのトロークＬと安全率との関係を示している。
【００２９】
尚、同様にして、下側ラック軸受１５の安全率を一定としたときのロボット１の動作速度ＳＰと垂直軸５のストロークＬとの関係を次式のように導くことができる。
【００３０】
【数１７】
0003882369.tif 000018
【００３１】
従って、上記各関係式を満足するようにロボット１の動作速度ＳＰを制御することにより、垂直軸５のストロークＬにかかわらず各軸受１９，２１の安全率を一定とすることができる。
【００３２】
このような実施の形態によれば、図１で示した垂直軸５のストロークＬの平方根の逆数を変数とする所定の関数式でロボット１の動作速度ＳＰを制御することにより、ストロークＬ（Ｌ≧１００）にかかわらず下側シャフト軸受１９及び下側ラック軸受２１の安全率を一定とすることができるので、ストロークに比例してロボットの動作速度を小さく制御することにより軸受の安全率が過大となる従来例のものと違って、軸受１８〜２１の安全率が低下してしまうことなくロボット１の動作速度を高めることができる。
【００３３】
この場合、垂直軸５のストロークＬに基づいて求めたロボット１の動作速度がロボット１に設定されている最高速度を上回るような場合は、ロボット１を最高速度で動作させるようにしたので、ストロークＬにかかわらず軸受１８〜２１の安全率を満足しながらロボット１の動作速度を高めることができる。
【００３４】
しかも、このように優れた効果を奏する構成は、ストロークＬとロボット１の動作速度ＳＰとのデータテーブルを修正するだけで対応することができるので、コストが高くなることなく容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における最高速度と最高速度制限値との関係を示す図
【図２】ストロークＬと軸受の安全率との関係を示す図
【図３】ロボットの全体を示す斜視図
【図４】ロボットの電気的構成を示すブロック図
【図５】ロボットを模式的に示す側面図
【図６】垂直軸に水平方向に作用する力関係を示すアームの模式図
【図７】垂直軸と負荷の重心との距離関係を示す側面図
【図８】垂直軸の詳細を模式的に示す側面図
【図９】従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
１はロボット、３，４は水平アーム（水平軸）、５は垂直軸、９は制御装置（制御手段）、１２は負荷、１４はスプラインシャフト、１５はラックスプライン、１８，１９はシャフト軸受、２０，２１はラック軸受である。
【図１】
0003882369.tif 000019
【図２】
0003882369.tif 000020
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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