(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搬送物が支持される際に、搬送物の重量に起因して移動する軸部材の重心位置を特定する工程と、特定された重心位置を基準に、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、前記軸部材の先端の位置を取得する工程と、取得された位置に基づき、軸部材の移動に起因する前記モーメントの変動に前記補佐力を追随させ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、前記補佐力を追随させるにあたって、前記軸部材に沿って前記水平軸の軸心から前記重心位置までの距離を示す変位量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４】
請求項３に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記変位量を取得するにあたって、前記水平軸の軸心上で前記重心位置が規定される際に確立される軸部材先端のゼロ位置と、前記軸部材の移動に伴う軸部材先端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、水平軸回りで前記揺動部材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１〜７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、前記搬送物の重量から解放された軸部材の基準重心位置を特定する工程と、特定された基準重心位置を基準に、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解放時補佐力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９】
請求項８に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記軸部材に沿って前記水平軸の軸心から前記基準重心位置までの距離を示す変位量を取得する工程と、この変位量に足し合わされて、搬送物の重量に応じ軸部材に沿って軸部材の前記重心位置を規定する変数値を取得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１０】
支点回りで揺動する軸部材の先端に搬送物が支持される際に、搬送物の重量に起因して移動する軸部材の重心位置を特定する工程と、特定された重心位置を基準に、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、前記軸部材に沿って前記搬送物の位置を取得する工程と、取得された位置ごとに特定される前記モーメントの大きさに応じて前記補佐力を変化させ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１２】
請求項１１に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記補佐力を変化させるにあたって、前記軸部材に沿って前記支点から前記重心位置までの距離を示す変位量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１４】
請求項１０〜１３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、支点回りで前記軸部材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１５】
請求項１４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１６】
請求項１０〜１５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、前記搬送物の重量から解放された軸部材の基準重心位置を特定する工程と、特定された基準重心位置を基準に、支点回りのモーメントを打ち消すバランスシリンダの解放時補佐力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１７】
請求項１６に記載のバランスシリンダの制御方法において、前記軸部材に沿って前記水平軸の軸心から前記基準重心位置までの距離を示す変位量を取得する工程と、この変位量に足し合わされて、搬送物の重量に応じ軸部材に沿って軸部材の前記重心位置を規定する変数値を取得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。
【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】
本発明者らによれば、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工具を保持させ、軸部材の進退移動や揺動部材の揺動を用いて工具を位置決めする工作機が提案される。こうした工作機では、水平軸に連結されるサーボモータの働きによって揺動部材の揺動量は制御される。
【０００３】
こうした揺動量の制御では、工具が保持された軸部材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、軸部材の重心が水平軸から離れていれば、軸部材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】
本発明者らは、工具に代えて軸部材の先端にパレットを装着させ、軸部材の進退移動や揺動部材の揺動を用いてパレット上のワークを搬送する工作機を提案する。こうした工作機によれば、工作機とは別にワーク搬送装置を用意する必要がなくなり、設備コストの低減に寄与することができる。
【０００５】
このような工作機では、軸部材にワークの重量が作用するときと、ワークの重量から軸部材が解放されるときとで、水平軸回りに生み出されるモーメントは大きく変動する。したがって、こうしたモーメントの変動にバランスシリンダの補佐力が追随しなければ、モーメントの釣り合いは崩され、サーボモータに余分な負荷が作用してしまう。その結果、サーボモータは、揺動部材の揺動量を正確に制御することができなくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、搬送物の重量に起因して支点回りのモーメントが大きく変動してもバランスシリンダの適切な補佐力を確保し続け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。
【０００７】
【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搬送物が支持される際に、搬送物の重量に起因して移動する軸部材の重心位置を特定する工程と、特定された重心位置を基準に、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。
【０００８】
揺動部材に対してバランスシリンダの補佐力を作用させ、重心の偏倚に起因して生み出されるモーメントを打ち消せば、最小限の駆動力で揺動部材の姿勢は制御されることができる。揺動部材上で軸部材が移動する場合でも、その重心位置を基準に補佐力が調整されれば、軸部材の移動に伴って変化するモーメントは打ち消され続けることができる。その一方で、こうした軸部材の先端に搬送物が支持されると、搬送物の重量に起因してモーメントは大きく変動する。このとき、搬送物の重量に起因して軸部材の重心は移動する。したがって、こうして移動した重心を基準にバランスシリンダの補佐力を算出すれば、変動するモーメントにバランスシリンダの補佐力を追随させることができる。その結果、搬送物が支持された際でもモーメントの釣り合いは保持され、揺動部材の姿勢を制御する制御モータにはバランスシリンダから余分な負荷は作用しない。制御モータは、揺動部材の揺動量を正確に制御し続けることができる。
【０００９】
こうしたバランスシリンダの制御方法は、前記搬送物の重量から解放された軸部材の基準重心位置を特定する工程と、特定された基準重心位置を基準に、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解放時補佐力を算出する工程とをさらに備えてもよい。こうした制御方法によれば、軸部材が搬送物の重量から解放された際でも、特定された基準重心位置を基準に補佐力が調整されれば、重心の偏倚に起因して生み出されるモーメントは打ち消され続けることができる。その結果、モーメントの釣り合いは保持され、揺動部材の姿勢を制御する制御モータにはバランスシリンダから余分な負荷は作用しない。制御モータは、揺動部材の揺動量を正確に制御し続けることができる。
【００１０】
バランスシリンダの制御方法は、前記軸部材に沿って前記水平軸の軸心から前記基準重心位置までの距離を示す変位量を取得する工程と、この変位量に足し合わされて、搬送物の重量に応じ軸部材に沿って軸部材の前記重心位置を規定する変数値を取得する工程とをさらに備えてもよい。こうした制御方法によれば、軸部材に搬送物の重量が作用するときと、軸部材が搬送物の重量から解放されたときとで、バランスシリンダの補佐力を瞬時に切り替えることができる。しかも、搬送時の重心位置を基準に規定されるバランスシリンダの補佐力は、基準重心位置を基準に規定される補佐力を応用して設定されることができる。
【００１１】
バランスシリンダの補佐力を算出するにあたって、バランスシリンダの制御方法は、前記軸部材の先端の位置を取得する工程と、取得された位置に基づき、軸部材の移動に起因する前記モーメントの変動に前記補佐力を追随させる工程とを備えてもよい。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位置は移動する。こ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動する。したがって、モーメントの変動に追随してバランスシリンダの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、最小限の駆動力を発揮すれば済むこととなる。
【００１２】
前記補佐力を追随させるにあたって、バランスシリンダの制御方法は、前記軸部材に沿って前記水平軸の軸心から前記重心位置までの距離を示す変位量を取得すればよい。モーメントの変動は、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、取得された変位量を用いれば、モーメントの変動具合を特定することができる。こうした変位量に基づきバランスシリンダの補佐力が算出されれば、モーメントの変動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。
【００１３】
前記変位量を取得するにあたって、前記水平軸の軸心上で前記重心位置が規定される際に確立される軸部材先端のゼロ位置と、前記軸部材の移動に伴う軸部材先端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、軸部材先端の位置に基づき簡単に変位量を導き出すことができる。
【００１４】
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、モーメントの変動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。
【００１５】
以上のようなバランスシリンダの制御方法は、水平軸回りで前記揺動部材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発揮する必要はなくなる。
【００１６】
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。
【００１７】
また、第２発明によれば、支点回りで揺動する軸部材の先端に搬送物が支持される際に、搬送物の重量に起因して移動する軸部材の重心位置を特定する工程と、特定された重心位置を基準に、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。
【００１８】
揺動部材に対してバランスシリンダの補佐力を作用させ、重心の偏倚に起因して生み出されるモーメントを打ち消せば、最小限の駆動力で揺動部材の姿勢は制御されることができる。その一方で、こうした軸部材の先端に搬送物が支持されると、搬送物の重量に起因してモーメントは大きく変動する。このとき、搬送物の重量に起因して軸部材の重心は移動する。したがって、こうして移動した重心を基準にバランスシリンダの補佐力を算出すれば、変動するモーメントにバランスシリンダの補佐力を追随させることができる。その結果、搬送物が支持された際でもモーメントの釣り合いは保持され、揺動部材の姿勢を制御する制御モータにはバランスシリンダから余分な負荷は作用しない。制御モータは、揺動部材の揺動量を正確に制御し続けることができる。
【００１９】
こうしたバランスシリンダの制御方法は、前記搬送物の重量から解放された軸部材の基準重心位置を特定する工程と、特定された基準重心位置を基準に、支点回りのモーメントを打ち消すバランスシリンダの解放時補佐力を算出する工程とをさらに備えてもよい。こうした制御方法によれば、前述と同様に、軸部材が搬送物の重量から解放された際でも、重心の偏倚に起因して生み出されるモーメントは打ち消され続けることができる。その結果、モーメントの釣り合いは保持され、揺動部材の姿勢を制御する制御モータにはバランスシリンダから余分や負荷は作用しない。
【００２０】
バランスシリンダの制御方法は、前記軸部材に沿って前記水平軸の軸心から前記基準重心位置までの距離を示す変位量を取得する工程と、この変位量に足し合わされて、搬送物の重量に応じ軸部材に沿って軸部材の前記重心位置を規定する変数値を取得する工程とをさらに備えてもよい。こうした制御方法によれば、前述と同様に、軸部材に搬送物の重量が作用するときと、軸部材が搬送物の重量から解放されたときとで、バランスシリンダの補佐力を瞬時に切り替えることができる。
【００２１】
バランスシリンダの補佐力を算出するにあたって、バランスシリンダの制御方法は、前記軸部材に沿って前記搬送物の位置を取得する工程と、取得された位置ごとに特定される前記モーメントの大きさに応じて前記補佐力を変化させる工程とを備えてもよい。かかる制御方法によれば、前述と同様に、軸部材の進退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。
【００２２】
前記補佐力を変化させるにあたって、バランスシリンダの制御方法は、前記軸部材に沿って前記支点から前記重心位置までの距離を示す変位量を取得すればよい。かかる制御方法によれば、前述と同様に、簡単にモーメントの変動具合を特定することができる。しかも、前述と同様に、前記補佐力を算出するにあたっては、前述と同様に、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が取得されればよい。
【００２３】
第２発明に係るバランスシリンダの制御方法は、第１発明と同様に、支点回りで前記軸部材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。しかも、前記加減速補佐力を算出するにあたっては、前述と同様に、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が取得されればよい。
【００２４】
【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。
【００２５】
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。
【００２６】
スピンドル１３には、工具１２に代えて、ワークを搬送するパレット（図示せず）が装着されることができる。パレットは、ワーク台１４にワークを受け渡したり、ワーク台１４からワークを受け取ったりすることができる。
【００２７】
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先端に装着された工具１２やパレットはワーク台１４に向かって前進したりワーク台１４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。
【００２８】
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、ワーク台１４に対する工具１２やパレット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。
【００２９】
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。
【００３０】
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やパレットの姿勢を高速で制御することが可能となる。
【００３１】
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。
【００３２】
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、スピンドル１３先端の位置を取得する工具位置取得回路３１を備える。スピンドル１３先端の位置は、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。
【００３３】
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やパレットは指定された位置まで移動することができる。
【００３４】
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、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スピンドル１３先端の位置すなわちゼロ位置を基準に、スピンドル１３先端の変位によって特定されることができる。
【００３５】
メモリ３６には、スピンドル１３の軸方向に沿って、ワークの重量から解放されたスピンドル１３の基準重心位置を規定する基準座標値と、同じくスピンドル１３の軸方向に沿って、スピンドル１３先端のパレットにワークが積載された際にワークおよびパレットの重量に起因して移動するスピンドル１３の重心位置を規定する変数値とが記憶される。基準座標値によれば、水平軸２０の軸心上で基準重心位置が規定される際に確立されるスピンドル１３先端の位置すなわちゼロ位置が特定される。基準座標値に変数値が足し合わされると、ワーク搬送時に水平軸２０の軸心上で重心位置が規定される際に確立されるゼロ位置が特定されることができる。
【００３６】
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や搬送ワークの重量に応じて異なる出力増減値が設定される。
【００３７】
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や搬送ワークの重量に応じて異なる出力増減値が設定される。
【００３８】
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。
【００３９】
次にバランスシリンダ１０の制御方法を説明する。いま、スピンドル１３に装着された工具１２を用いて、ワーク台１４に設置されたワークに加工を施す場面を想定する。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。
【００４０】
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はメモリ３６から基準座標値を取り込む。この基準座標値によって、水平軸２０の軸心上で基準重心位置が規定される際に確立されるスピンドル１３先端のゼロ位置が特定される。このゼロ位置によって、ワークの重量から解放されたスピンドル１３の基準重心位置は特定される。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。
【００４１】
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の解放時補佐力Ｆ１を算出する。シリンダ出力設定回路４１は、算出された解放時補佐力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。
【００４２】
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。
【００４３】
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で算出される解放時補佐力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。
【００４４】
このとき、バランスシリンダ１０の出力値すなわち解放時補佐力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の解放時補佐力Ｆ１も増大する。解放時補佐力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、解放時補佐力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。
【００４５】
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。
【００４６】
このとき、バランスシリンダ１０の出力値すなわち解放時補佐力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の解放時補佐力Ｆ１も増大する。解放時補佐力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、解放時補佐力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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、前述の解放時補佐力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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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の解放時補佐力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。
【００５６】
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が解放時補佐力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、解放時補佐力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。
【００５７】
加工に先立ってワーク台１４にワークを取り付ける場合や、加工終了後にダーク台１４からワークを取り外す場合には、工具１２に代えてパレットがスピンドル１３の先端に装着される。例えば図１１に示されるように、パレットにワークＷが搭載されると、ワークＷの重量に起因してスピンドル１３の重心は前述の基準重心位置Ｐ１から新たな重心位置Ｐ２に移行する。
【００５８】
ここで、スピンドル１３の進退移動を通じてパレット上のワークＷを搬送させる場合を想定する。パレットすなわちワークＷの位置が特定されると、変位量算出回路３４は、単位時刻ごとにゼロ位置からのワークＷの変位量Ｅｖａｒを算出する。この算出にあたって、変位量算出回路３４はメモリ３６から基準座標値および変数値Ｖａｒを取り込む。前述したように基準重心位置Ｐ１に対する変位量Ｄｖａｒが特定されれば、変位量Ｄｖａｒに変数値Ｖａｒが足し合わされることによって変位量Ｅｖａｒは簡単に算出される。こうした算出された変位量Ｅｖａｒによれば、水平軸２０の軸心上で重心位置Ｐ２が規定される際に確立されるスピンドル１３先端のゼロ位置と、スピンドル１３の移動に伴うスピンドル１３先端の位置との差分が特定される。
【００５９】
算出された変位量Ｅｖａｒ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Ｆ３を算出する。したがって、補佐力算出回路３７では、特定された重心位置Ｐ２を基準に、水平軸２０回りのモーメントを打ち消す補佐力Ｆ３が算出されることとなる。シリンダ出力設定回路４１は、算出された補佐力Ｆ３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。
【００６０】
例えば変位量算出回路３４で変位量Ｅｖａｒ＝０が算出されれば、ワークＷの重量が作用するスピンドル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の揺動は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。
【００６１】
その一方で、例えばワークＷが前進すると、変位量算出回路３４で算出される変位量Ｅｖａｒは増加する。すると、バランスシリンダ１０の出力値すなわち補佐力Ｆ３は、前述の図５に示されるように、変位量Ｅｖａｒの増加量に応じて増加する。反対に、ワークＷが後退すると、変位量算出回路３４で算出される変位量Ｅｖａｒは減少する。すると、バランスシリンダ１０の出力値Ｆ３は、同様に、変位量Ｅｖａｒの減少量に応じて減少する。こうしてスピンドル１３の進退移動に起因するモーメントの変動に補佐力Ｆ３は追随する。したがって、クイル１５上でスピンドル１３が移動しても、モーメントの釣り合いは維持され続け、その結果、制御モータ２１に余分な負荷は作用しない。制御モータ２１は、小さな駆動力で、ワークが搭載されたパレットを確実に位置決めすることができる。
【００６２】
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、ワークＷを位置決めするにあたっては、前述したように、必要とされる角加速度αや角減速度βに応じて第１および第２バルブ２８、２９が制御されればよい。このとき、シリンダ出力は、加減速が必要とされないときに、解放時補佐力Ｆ１に代えて補佐力Ｆ３を発揮していればよい。
【００６３】
パレットからワークが下ろされると、変位量算出回路３４では、再び変数値Ｖａｒを用いずに変位量Ｄｖａｒが算出される。したがって、補佐力算出回路３７では、特定される基準重心位置を基準に、水平軸２０回りのモーメントを打ち消す解放時補佐力Ｆ１が算出されることとなる。以後、前述したようにバランスシリンダ１０の出力値は制御される。
【００６４】
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上でワークＷを搬送する工作機に適用されることができる。この場合には、ワークＷの位置に応じてスピンドル１３の重心が移動することから、ワークＷの位置のみを考慮して補佐力Ｆ３が算出されればよい。
【００６５】
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。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、搬送物の重量に起因して支点回りのモーメントが大きく変動してもバランスシリンダの適切な補佐力を確保し続けることができる。
【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。
【図１１】  ワークが搭載された際に移行する重心の様子を示す図である。
【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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003905237.tif 000006
【図６】
0003905237.tif 000007
【図７】
0003905237.tif 000008
【図８】
0003905237.tif 000009
【図９】
0003905237.tif 000010
【図１０】
0003905237.tif 000011
【図１１】
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