(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平軸が形成された揺動部材上で移動する軸部材の先端に支持される荷重の位置を取得する工程と、取得された荷重の位置に応じて、重心の移動に起因する水平軸回りのモーメントを打ち消すバランスシリンダの補佐力を算出する工程とを備えることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記補佐力を算出するにあたって、前記軸部材に沿って前記軸部材の重心と前記水平軸の軸心との距離を示す変位量を算出することを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記変位量を算出するにあたって、前記軸心上で前記重心が規定される際に確立される前記荷重のゼロ位置と、前記軸部材の移動に伴う前記荷重の位置との差分が求められることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記補佐力を算出するにあたって、単位変位量当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得することを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記荷重の大きさに応じて前記出力増減値が変更されることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のバランスシリンダの制御方法において、水平軸回りで荷重が揺動する際に水平軸回りの角加速度を取得する工程と、取得された角加速度を生成するバランスシリンダの加減速補佐力を算出する工程と、前記補佐力および加減速補佐力に基づいてシリンダ出力値を算出する工程とをさらに備えることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記加減速補佐力を算出するにあたって、単位加速度当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得することを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記荷重の大きさに応じて単位加速度当たりの出力増減値が変更されることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項９】
支点回りで揺動する揺動部材上で支点から遠近方向に変位する荷重の位置を取得する工程と、取得された荷重の位置に応じて、荷重に起因する支点回りのモーメントを打ち消すバランスシリンダの補佐力を算出する工程とを備えることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記補佐力を算出するにあたって、単位変位量当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得することを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記荷重の大きさに応じて前記出力増減値が変更されることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項１２】
請求項９、１０または１１に記載のバランスシリンダの制御方法において、支点回りで荷重が揺動する際に支点回りの角加速度を取得する工程と、取得された角加速度を生成するバランスシリンダの加減速補佐力を算出する工程と、前記補佐力および加減速補佐力に基づいてシリンダ出力値を算出する工程とをさらに備えることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記加減速補佐力を算出するにあたって、単位加速度当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得することを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記荷重の大きさに応じて単位加速度当たりの出力増減値が変更されることを特徴とするバランスシリンダの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、支点回りのモーメントを打ち消す補佐力を発揮するバランスシリンダの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
任意の物体に水平軸を取り付け、物体の揺動を許容しながら物体を支持することは広く行われている。こうした物体の姿勢制御には、例えば、水平軸に連結されるサーボモータが用いられる。サーボモータの駆動力で水平軸を回転させれば、その回転に応じて物体の姿勢が決定されることができる。
【０００３】
こうした姿勢制御では、支持される物体の重心が水平軸上に位置すれば、サーボモータの駆動力を最小限に留めることができる。反対に、物体の重心が水平軸から離れていれば、物体にはモーメントが働き、サーボモータはモーメントを打ち消す駆動力を発揮しなければならない。こうした場合には、サーボモータ以外の駆動源から補佐力を加え、この補佐力によってモーメントを打ち消すことによってサーボモータの駆動力を最小限に留めることができる。駆動源には例えば一定の補佐力を発揮する加圧シリンダすなわちバランスシリンダが用いられることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように水平軸が取り付けられた物体上に、水平軸から遠ざかったり水平軸に近寄ったりする移動物体を支持させると、移動物体の移動に伴ってモーメントは刻々と変化する。こうした場合、サーボモータは、変化するモーメントの大きさに応じてモーメントを打ち消す駆動力を発揮しなければならない。したがって、サーボモータには、最大モーメントを打ち消すことができる大きな駆動力が必要となってしまう。こうした駆動力の増大は、サーボモータの大型化や重量の増大を招いてしまう。
【０００５】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、支点回りのモーメントの変動に対処することができるバランスシリンダの制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１発明によれば、水平軸が形成された揺動部材上で移動する軸部材の先端に支持される荷重の位置を取得する工程と、取得された荷重の位置に応じて、重心の移動に起因する水平軸回りのモーメントを打ち消すバランスシリンダの補佐力を算出する工程とを備えることを特徴とするバランスシリンダの制御方法が提供される。
【０００７】
揺動部材上で軸部材が移動すると、軸部材の移動に伴って軸部材の重心は移動する。この重心の移動に起因して、水平軸回りに生み出されるモーメントは変化する。したがって、モーメントの変化に追随して補佐力を変化させれば、軸部材の移動に拘わらずモーメントの発生を抑制し続けることができる。その結果、揺動部材の姿勢を制御する制御モータは、最小限の駆動力で水平軸を駆動すれば済むこととなる。
【０００８】
こうしたバランスシリンダの制御方法は、前記補佐力を算出するにあたって、前記軸部材に沿って前記軸部材の重心と前記水平軸の軸心との距離を示す変位量を算出してもよい。モーメントの変化は、軸部材の重心と水平軸の軸心との距離に依存する。したがって、算出された変位量を用いれば、モーメントの変化具合を特定することができる。変位量に基づき補佐力が算出されれば、モーメントの変化に追随して補佐力を変化させることができることとなる。このとき、軸部材では、軸方向に沿って均一に重量が分布すればよい。
【０００９】
前記変位量を算出するにあたって、前記軸心上で前記重心が規定される際に確立される前記荷重のゼロ位置と、前記軸部材の移動に伴う前記荷重の位置との差分が求められてもよい。こうしてゼロ位置が特定されれば、荷重の位置に基づき簡単に変位量を導き出すことができる。
【００１０】
また、バランスシリンダの制御方法は、前記補佐力を算出するにあたって、単位変位量当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得してもよい。軸方向に沿って軸部材の重量分布が均一であれば、モーメントの変化と変位量との間に比例関係が確立される。したがって、こうした比例関係を規定するシリンダ出力ゲインを用いれば、簡単にバランスシリンダの補佐力を導き出すことができる。こうした補佐力を算出するにあたっては、シリンダ出力ゲインと変位量との積が求められればよい。
【００１１】
シリンダ出力ゲインで示される出力増減値は、前記荷重の大きさに応じて変更されてもよい。こうしてシリンダ出力ゲインが変更されれば、軸部材の先端に支持される荷重の変化に拘わらずモーメントの発生を抑制し続けることが可能となる。
【００１２】
以上のようなバランスシリンダの制御方法は、水平軸回りで荷重が揺動する際に水平軸回りの角加速度を取得する工程と、取得された角加速度を生成するバランスシリンダの加減速補佐力を算出する工程と、前記補佐力および加減速補佐力に基づいてシリンダ出力値を算出する工程とをさらに備えてもよい。水平軸回りに揺動部材を揺動させる場合、揺動開始時には水平軸回りの角加速度が必要とされる。反対に、揺動停止時には水平軸回りの角減速度が必要とされる。算出された加減速補佐力を用いれば、バランスシリンダの働きによって、揺動に必要とされる角加速度や角減速度を生み出すことができる。したがって、揺動部材の姿勢を制御する制御モータは、余分な駆動力を水平軸に作用させずに済むこととなる。
【００１３】
こうしたバランスシリンダの制御方法は、前記加減速補佐力を算出するにあたって、単位加速度当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得してもよい。一般に、揺動に必要とされる角加速度や角減速度の大きさと加減速補佐力との間には比例関係が確立される。したがって、こうした比例関係を規定するシリンダ出力ゲインを用いれば、簡単にバランスシリンダの加減速補佐力を導き出すことができる。こうした加減速補佐力を算出するにあたっては、シリンダ出力ゲインと角加速度や角減速度との積が求められればよい。
【００１４】
シリンダ出力ゲインで示される単位加速度当たりの出力増減値は、前記荷重の大きさに応じて変更されてもよい。こうしてシリンダ出力ゲインが変更されれば、軸部材の先端に支持される荷重の変化に拘わらず必要な角加速度や角減速度を生み出すことができる。
【００１５】
また、第２発明によれば、支点回りで揺動する揺動部材上で支点から遠近方向に変位する荷重の位置を取得する工程と、取得された荷重の位置に応じて、荷重に起因する支点回りのモーメントを打ち消すバランスシリンダの補佐力を算出する工程とを備えることを特徴とするバランスシリンダの制御方法が提供される。
【００１６】
揺動部材上で荷重が変位すると、荷重の変位に伴って支点回りのモーメントは変化する。したがって、モーメントの変化に追随して補佐力を変化させれば、荷重の変位に拘わらずモーメントの発生を抑制し続けることができる。その結果、揺動部材の姿勢を制御する制御モータは、最小限の駆動力で揺動部材を駆動すれば済むこととなる。
【００１７】
この場合でも、バランスシリンダの制御方法は、前述と同様に、前記補佐力を算出するにあたって、単位変位量当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得してもよい。しかも、こうしてシリンダ出力ゲインで示される出力増減値は、前述と同様に、前記荷重の大きさに応じて変更されてもよい。
【００１８】
さらに、以上のようなバランスシリンダの制御方法は、支点回りで荷重が揺動する際に支点回りの角加速度を取得する工程と、取得された角加速度を生成するバランスシリンダの加減速補佐力を算出する工程と、前記補佐力および加減速補佐力に基づいてシリンダ出力値を算出する工程とをさらに備えてもよい。その結果、前述と同様に、揺動部材の姿勢を制御する制御モータは、余分な駆動力を揺動部材に作用させずに済むこととなる。
【００１９】
この場合でも、バランスシリンダの制御方法は、前述と同様に、前記加減速補佐力を算出するにあたって、単位加速度当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインを取得してもよい。しかも、こうしてシリンダ出力ゲインで示される単位加速度当たりの出力増減値は、前述と同様に、前記荷重の大きさに応じて変更されてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００２１】
図１は、バランスシリンダ１０を備える工作機１１を概略的に示す。この工作機１１は、工具１２が装着される軸部材としてのスピンドル１３と、スピンドル１３に装着された工具１２に対してワークを向かい合わせに保持するワーク台１４とを備える。ワーク台１４に保持されるワークを加工するにあたって、スピンドル１３は、軸心回りに高速で工具１２を回転させることができる。
【００２２】
スピンドル１３は、揺動部材としてのクイル１５に進退自在に支持される。クイル１５には、スピンドル１３に平行に延びるねじ軸１６が支持される。スピンドル１３の後端には、ねじ軸１６に噛み合うナット部材１７が固定される。駆動モータ１８の働きを通じてねじ軸１６が軸心回りに回転すると、ねじ軸１６上をナット部材１７が移動し、その結果、スピンドル１３の進退移動が実現される。この進退移動によって、スピンドル１３すなわち工具１２は、ワークに向かって前進したりワークから後退したりする。スピンドル１３の進退移動量は、周知のとおり、駆動モータ１８の回転量に基づいて決定される。
【００２３】
クイル１５には水平軸２０が形成される。この水平軸２０には制御モータ２１（例えばサーボモータ）が連結される。制御モータ２１の働きを通じて、クイル１５は、水平軸２０回りで揺動することができる。このクイル１５の揺動に基づき、ワークに対するスピンドル１３の姿勢すなわち工具１２の姿勢は決定される。クイル１５の揺動量は、制御モータ２１の回転量によって特定されることができる。
【００２４】
水平軸２０には、水平軸２０回りで揺動する腕部材２２を介してバランスシリンダ１０の駆動軸２３が連結される。このバランスシリンダ１０は、腕部材２２に作用して水平軸２０回りのモーメントを生む補佐力を発揮する。この補佐力の働きによって、後述するように、スピンドル１３の進退移動に起因する水平軸２０回りのモーメントは打ち消される。その結果、クイル１５の揺動量を制御する制御モータ２１の駆動力は最小限に留められることができる。こうした駆動力の最小化は、制御モータ２１の小型化や調達コストの低減に寄与することができる。
【００２５】
しかも、このバランスシリンダ１０は、水平軸２０回りでクイル１５が揺動する際に、水平軸２０回りの角加速度を生成する加減速補佐力を発揮することができる。こうした加減速補佐力によれば、クイル１５の揺動開始時に必要とされる加速や、クイル１５の揺動終了時に揺動の慣性力に逆らう減速を生むことができる。その結果、制御モータ２１の駆動力を増大させずに、クイル１５の姿勢すなわち工具１２の姿勢を高速で制御することが可能となる。
【００２６】
図２に示されるように、バランスシリンダ１０には、駆動軸２３が形成されるピストン２４を挟んで第１および第２圧力室２５、２６が形成される。第１および第２圧力室２５、２６の圧力は、ポンプといった圧力源２７から圧力を導く第１および第２バルブ２８、２９によって調整される。第１および第２バルブ２８、２９は、空気といった圧力媒体の流通路を間欠的に開閉し、第１および第２圧力室２５、２６内の圧力を一定に保つことができる。バランスシリンダ１０の補佐力は、第１および第２圧力室２５、２６内の圧力と、その圧力が作用するピストン２４の面積とに基づいて特定される。
【００２７】
図３に示されるように、駆動モータ１８の回転や制御モータ２１の回転、第１および第２バルブ２８、２９の開閉頻度はコントローラ３０によって制御される。コントローラ３０は、工具１２すなわち荷重の位置を取得する工具位置取得回路３１を備える。工具１２の位置は、例えばスピンドル１３の進退移動量と、クイル１５の揺動角度とによって特定されることができる。
【００２８】
第１制御量算出回路３２は、特定された進退移動量に基づき駆動モータ１８の回転量を算出する。一方、第２制御量算出回路３３は、特定された揺動角度に基づき制御モータ２１の回転量を算出する。算出された回転量で駆動モータ１８が回転すると同時に、算出された回転量で制御モータ２１が回転すると、スピンドル１３の先端に保持される工具１２は指定された工具位置まで移動することができる。
【００２９】
変位量算出回路３４は、エンコーダ３５で検出される駆動モータ１８の回転量に基づき、工具１２が装着された際のスピンドル１３の重心と水平軸２０の軸心との距離を示す変位量を算出する。こうした変位量は、水平軸２０の軸心上でスピンドル１３の重心が規定される際に特定される工具１２の位置すなわちゼロ位置を基準に、スピンドル１３の進退方向に沿った工具１２の変位によって特定されることができる。工具１２のゼロ位置は例えばメモリ３６から取り込まれればよい。こうした工具１２のゼロ位置は工具１２の重量に基づき一義的に決定されることができる。
【００３０】
補佐力算出回路３７は、算出された変位量に基づき、スピンドル１３の進退移動に伴う重心の偏倚に起因する水平軸回りのモーメントを打ち消すバランスシリンダ１０の補佐力を算出する。この算出にあたって、補佐力算出回路３７は、単位変位量当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインＫｐをメモリ３６から取得する。このシリンダ出力ゲインＫｐに変位量が掛け合わされると、バランスシリンダ１０の補佐力は算出される。シリンダ出力ゲインＫｐには、工具１２の重量に応じて異なる出力増減値が設定される。
【００３１】
角加速度算出回路３８は、エンコーダ３９で検出される制御モータ２１の回転量に基づき、水平軸回りのクイル１５の角加速度を算出する。加減速補佐力算出回路４０は、算出された角加速度を生成するバランスシリンダ１０の加減速補佐力を算出する。この算出にあたって、加減速補佐力算出回路４０は、単位加速度当たりの出力増減値を示すシリンダ出力ゲインＫｄをメモリ３６から取得する。このシリンダ出力ゲインＫｄに角加速度が掛け合わされると、バランスシリンダ１０の加減速補佐力は算出される。シリンダ出力ゲインＫｄには、工具１２の重量に応じて異なる出力増減値が設定される。
【００３２】
シリンダ出力設定回路４１は、算出された補佐力および加減速補佐力に基づきバランスシリンダ１０の出力値を算出する。第１および第２バルブ制御回路４２、４３は、算出された出力値を実現する第１および第２バルブ２８、２９の開閉頻度を示す制御信号を生成する。生成された制御信号は第１および第２バルブ２８、２９に各々供給される。
【００３３】
次にバランスシリンダ１０の制御方法を説明する。いま、クイル１５を揺動させずにスピンドル１３の進退移動を実現する場面を想定する。コントローラ３０には、単位時刻（例えば１ｍｓおき）ごとに工具１２の位置を特定するＮＣプログラムが入力される。第１制御量算出回路３２は、単位時刻ごとにスピンドル１３の進退移動量を特定し、駆動モータ１８の回転速度を算出する。算出された回転速度に基づき、駆動モータ１８に供給される指令信号は作成される。
【００３４】
駆動モータ１８の回転に応じて工具１２が移動すると、変位量算出回路３４は、単位時刻ごとにゼロ位置からの工具１２の変位量を算出する。この算出にあたって、変位量算出回路３４は、スピンドル１３の進退移動に伴うスピンドル１３先端の位置とゼロ位置との差分を算出する。算出された変位量に基づき、補佐力算出回路３７は、バランスシリンダ１０の補佐力Ｆ１を算出する。シリンダ出力設定回路４１は、算出された補佐力Ｆ１を発揮するバランスシリンダ１０の出力値を算出する。第１および第２バルブ制御回路４２、４３は、算出された出力値を実現する第１および第２バルブ２８、２９の開閉頻度を示す制御信号を第１および第２バルブ２８、２９に供給する。
【００３５】
例えば、工具１２がゼロ位置に位置すれば、工具１２が装着されたスピンドル１３の重心は水平軸２０の軸心上で規定される。このとき、水平軸２０回りにモーメントは発生しない。したがって、最小限の拘束力でクイル１５の揺動を拘束することができる。制御モータ２１は、水平軸２０に対して大きな駆動力を作用させずに済む。
【００３６】
その一方で、例えば図４に示されるように、変位量Ｄｖａｒでゼロ位置から工具１２が前進すると、コントローラ３０は、第２バルブ制御回路４３で生成される制御信号に基づき第２バルブ２９を作動させ、第２圧力室２６に圧力を導入する。この圧力によって、バランスシリンダ１０は、工具１２を上昇させる方向に腕部材２２を揺動させる。この揺動によって、水平軸２０には、補佐力算出回路３７で算出される補佐力Ｆ１と、腕部材２２の長さＤ１、すなわち、水平軸２０の軸心から駆動軸２３の作用点までの距離との積によって特定されるモーメントが強制的に作用する。このモーメントは、工具１２の前進に応じて工具１２の下降方向に生み出されるモーメントを打ち消す。こうしてモーメントが打ち消される結果、クイル１５の揺動は最小限の拘束力で拘束されることができる。制御モータ２１は水平軸２０に対して大きな駆動力を作用させずに済む。
【００３７】
このとき、バランスシリンダ１０の出力値すなわち補佐力Ｆ１は、例えば図５に示されるように、ゼロ位置から工具１２が前進するに従って変位量Ｄｖａｒに比例して増加すればよい。言い換えれば、変位量Ｄｖａｒの増加に比例させて、第２圧力室２６に生じる圧力を増加させればよい。その結果、工具１２の前進に伴い工具１２の下降方向にモーメントが増大すると、工具１２を上昇させる方向にバランスシリンダ１０の補佐力Ｆ１も増大する。補佐力Ｆ１は、変位量Ｄｖａｒの変動に拘わらずモーメントの発生を抑制し続けることができる。補佐力算出回路３７に取り込まれるシリンダ出力ゲインＫｐは、図５から明らかなように、補佐力Ｆ１と変位量Ｄｖａｒとの間に特定される比例定数によって規定される。ここで、スピンドル１３の重量は、少なくとも水平軸２０の軸心上を移動する領域で軸方向に沿って均一に分布する。
【００３８】
反対に、図６に示されるように、変位量Ｄｖａｒでゼロ位置から工具１２が後退すると、コントローラ３０は、第１バルブ制御回路４２で生成される制御信号に基づき第１バルブ２８を作動させる。その結果、第１圧力室２５に作用する圧力によって、バランスシリンダ１０は、工具１２を下降させる方向に腕部材２２を揺動させる。この揺動によって、工具１２の後退に応じて工具１２の上昇方向に生み出されるモーメントは打ち消される。したがって、前述と同様に、制御モータ２１は水平軸２０に対して大きな駆動力を作用させずに済む。
【００３９】
このとき、バランスシリンダ１０の出力値すなわち補佐力Ｆ１は、例えば図５に示されるように、ゼロ位置から工具１２が後退するに従って変位量Ｄｖａｒに比例して増加すればよい。言い換えれば、変位量Ｄｖａｒの増加に比例させて、第１圧力室２６に生じる圧力を増加させればよい。その結果、工具１２の後退に伴い工具１２の上昇方向にモーメントが増大すると、工具１２を下降させる方向にバランスシリンダ１０の補佐力Ｆ１も増大する。補佐力Ｆ１は、変位量Ｄｖａｒの変動に拘わらずモーメントの発生を抑制し続けることができる。前述と同様に、補佐力算出回路３７に取り込まれるシリンダ出力ゲインＫｐは、図５から明らかなように、補佐力Ｆ１と変位量Ｄｖａｒとの間に特定される比例定数によって規定される。
【００４０】
いま、スピンドル１３の進退移動を拘束しながらクイル１５を揺動させる場面を想定する。単位時刻ごとに工具１２の位置を特定するＮＣプログラムが入力されると、第２制御量算出回路３３は、単位時刻ごとにクイル１５の揺動角度を特定し、制御モータ２１の回転速度を算出する。算出された回転速度に基づき、制御モータ２１に供給される指令信号は作成される。
【００４１】
制御モータ２１の回転に応じてクイル１５が揺動すると、角加速度算出回路３８は、水平軸２０回りのクイル１５の角加速度を算出する。算出された角加速度に基づき、加減速補佐力算出回路４０は、バランスシリンダ１０の加減速補佐力Ｆ２を算出する。シリンダ出力設定回路４１は、前述の補佐力Ｆ１および加減速補佐力Ｆ２に基づいてバランスシリンダ１０の出力値を算出する。第１および第２バルブ制御回路４２、４３は、算出された出力値を実現する第１および第２バルブ２８、２９の開閉頻度を示す制御信号を第１および第２バルブ２８、２９に供給する。
【００４２】
ここで、クイル１５を揺動させるにあたってゼロ位置に工具１２を保持する場合を考える。このとき、工具１２が装着されたスピンドル１３の重心は水平軸２０の軸心に重なり、水平軸２０回りにモーメントは生じない。一定の角速度でクイル１５を揺動させる場合には、クイル１５の揺動に加減速は生じない。したがって、角速度の慣性力を利用すれば、最小限のトルクでクイル１５を揺動させることができる。制御モータ２１は水平軸２０に対して大きな駆動力を作用させる必要はない。
【００４３】
その一方で、例えば図７に示されるように、工具１２を上昇させる方向にクイル１５を揺動させ始める場合には、水平軸２０回りの角速度が一定速度に達するまでに水平軸２０回りに角加速度αが必要とされる。すると、コントローラ３０は、第２バルブ制御回路４３で生成される制御信号に基づき第２バルブ２９を作動させ、第２圧力室２６に圧力を導入する。この圧力によって、バランスシリンダ１０は、工具１２を上昇させる方向に腕部材２２を揺動させる。この揺動によって、水平軸２０には、加減速補佐力算出回路４０で算出される加減速補佐力Ｆ２と腕部材２２の長さＤ１との積によって特定されるモーメントが強制的に作用する。このモーメントは、揺動の加速に必要とされる角加速度αを生み出す。その結果、制御モータ２１には、角加速度αを生み出すトルクすなわち駆動力は必要とされない。制御モータ２１は、小さな駆動力でクイル１５の姿勢すなわち工具１２の姿勢を制御することができる。
【００４４】
このとき、バランスシリンダ１０の出力値すなわち加減速補佐力Ｆ２は、例えば図８に示されるように、角加速度αの増加に比例して増加すればよい。言い換えれば、角加速度αの増加に比例させて、第２圧力室２６に生じる圧力を増加させればよい。その結果、必要とされる角加速度αが大きくなると、工具１２を上昇させる方向にバランスシリンダ１０の加減速補佐力Ｆ２も大きくなる。加減速補佐力算出回路４０に取り込まれるシリンダ出力ゲインＫｄは、加減速補佐力Ｆ２と角加速度αとの間に特定される比例定数によって規定される。
【００４５】
また、図７に示されるように、クイル１５の揺動を停止させるには、水平軸２０回りに角減速度βを生み出し、角速度によって引き起こされる慣性力を制止しなければならない。すると、コントローラ３０は、第１バルブ制御回路４２で生成される制御信号に基づき第１バルブ２８を作動させる。その結果、第１圧力室２５に作用する圧力によって、バランスシリンダ１０は、工具１２を下降させる方向に腕部材２２を揺動させる。この揺動によって、水平軸２０には、加減速補佐力算出回路４０で算出される加減速補佐力Ｆ２と腕部材２２の長さＤ１との積によって特定されるモーメントが強制的に作用する。このモーメントは揺動の減速に必要とされる角減速度βを生み出す。その結果、制御モータ２１には、角減速度βを生み出すトルクすなわち駆動力は必要とされない。
【００４６】
このとき、バランスシリンダ１０の出力値すなわち加減速補佐力Ｆ２は、例えば図８に示されるように、角減速度βの増加に比例して増加すればよい。言い換えれば、角減速度βの増加に比例させて、第１圧力室２５に生じる圧力を増加させればよい。その結果、必要とされる角減速度βが大きくなると、工具１２を下降させる方向にバランスシリンダ１０の加減速補佐力Ｆ２も大きくなる。加減速補佐力算出回路４０に取り込まれるシリンダ出力ゲインＫｄは、加減速補佐力Ｆ２と角減速度βとの間に特定される比例定数によって規定される。
【００４７】
図９に示されるように、工具１２を下降させる方向にクイル１５を揺動させる場合には、前述した場合とは反対に、クイル１５を揺動し始める際に第１圧力室２５に圧力を導入させればよく、クイル１５の揺動を停止させる際に第２圧力室２６に圧力を導入させればよい。この場合には、第１圧力室２５に導入される圧力によって角加速度αが生み出され、第２圧力室２６に導入される圧力によって角減速度βが生み出される。
【００４８】
次に、クイル１５を揺動させるにあたってゼロ位置から工具１２が変位量Ｄｖａｒで変位する場合を考える。前述したように、変位量Ｄｖａｒに応じてバランスシリンダ１０の補佐力Ｆ１が発揮されれば、水平軸２０回りにモーメントは生じない。したがって、一定の角速度でクイル１５を揺動させる場合には、角速度の慣性力を利用することによって最小限のトルクでクイル１５を揺動させることができる。制御モータ２１は水平軸２０に対して大きな駆動力を作用させる必要はない。
【００４９】
その一方で、クイル１５の揺動に加減速が必要とされると、コントローラ３０は、前述したように加減速補佐力Ｆ２を算出する。シリンダ出力設定回路４１では、算出された加減速補佐力Ｆ２が補佐力Ｆ１に足し合わされ、足し合わされた結果に基づきバランスシリンダ１０の出力値が設定される。バランスシリンダ１０の出力値は、例えば図１０に示されるように、補佐力Ｆ１を基準に、角加速度αが大きくなるに従ってシリンダ出力ゲインＫｄで増加し、角減速度βが大きくなるに従ってシリンダ出力ゲインＫｄで減少する。シリンダ出力のゼロ値を基準に、圧力が導入される第１および第２圧力室２５、２６は切り替えられる。
【００５０】
本発明に係るバランスシリンダ１０の制御方法は、前述のようにクイル１５上をスピンドル１３が進退移動する工作機に適用されることができるだけでなく、水平軸２０が形成されたスピンドル１３上で工具１２を進退移動させる工作機に適用されることができる。この場合には、工具１２の重心が移動することによってモーメントが生じることから、工具１２の移動のみを考慮して補佐力Ｆ１が算出されればよい。
【００５１】
以上のようなバランスシリンダ１０の制御方法では、スピンドル１３や工具１２の進退移動に伴ってスピンドル１３の重心が水平軸２０の軸心を通過しない場合には、ピストン２４の片方側に単一の圧力室を確保するだけでもよい。また、前述のコントローラ３０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）とメモリとによって構成されてもよい。バランスシリンダ１０の制御方法は、メモリから取り込まれるソフトウェアプログラムに基づき中央演算処理装置の演算処理によって実現されればよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、支点回りすなわち水平軸回りのモーメントが変動しても、変動したモーメントを確実に打ち消す補佐力をバランスシリンダに発揮させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  バランスシリンダを備える工作機の全体構成を概略的に示す正面図である。
【図２】  バランスシリンダの構造を概略的に示す断面図である。
【図３】  コントローラの構成を概略的に示すブロック図である。
【図４】  クイルを揺動させずに工具を前進させた際にバランスシリンダの働きを示す模式図である。
【図５】  工具の変位量とバランスシリンダの補佐力との関係を示すグラフである。
【図６】  クイルを揺動させずに工具を後退させた際にバランスシリンダの働きを示す模式図である。
【図７】  工具をゼロ位置に保持したまま、工具を上昇させる方向にクイルを揺動させた際にバランスシリンダの働きを示す模式図である。
【図８】  角加速度および角減速度とバランスシリンダの補佐力との関係を示すグラフである。
【図９】  工具をゼロ位置に保持したまま、工具を下降させる方向にクイルを揺動させた際にバランスシリンダの働きを示す模式図である。
【図１０】  クイルを揺動させるにあたってゼロ位置から工具を前進させた際に、角加速度および角減速度とバランスシリンダの補佐力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  バランスシリンダ、１２  荷重としての工具、１３  軸部材としてのスピンドル、１５  揺動部材としてのクイル、２０  支点を規定する水平軸。
【図１】
0003905236.tif 000002
【図２】
0003905236.tif 000003
【図３】
0003905236.tif 000004
【図４】
0003905236.tif 000005
【図５】
0003905236.tif 000006
【図６】
0003905236.tif 000007
【図７】
0003905236.tif 000008
【図８】
0003905236.tif 000009
【図９】
0003905236.tif 000010
【図１０】
0003905236.tif 000011