(57)【要約】【課題】多軸制御システムを容易に設計することができる多軸制御システムの設計ツールを提供する。【解決手段】アクチュエータやセンサなどの構成を入力する手段と，制御対象の最大並進加速度，最大回転加速度，制御対象測定可能範囲，制御対象測定分解能，制御対象ばね剛性などの，設計の際に有用な種々の情報を算出する手段４、５、６、９と，型式を入力する手段１と，型式から必要な情報を検索することができるデータベース７、８と，ＣＡＤデータから必要な情報を入力する手段と，ＩＤタグから情報を入力する手段と，計算結果を表示する手段２を備える。【選択図】図１
2009116751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、
前記アクチュエータの数およびそれぞれの位置および方向およびアクチュエータ最大推力を入力するためのアクチュエータ構成入力手段と，前記アクチュエータ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象に発生可能な最大並進推力および最大モーメントを算出する推力算出手段と，前記推力算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのアクチュエータ能力出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。
【請求項２】
前記アクチュエータ構成入力手段は，アクチュエータデータベースと，アクチュエータの型式を入力するアクチュエータ型式入力手段とを備え，前記アクチュエータ型式入力手段により入力された型式のアクチュエータを前記アクチュエータデータベースより検索して前記アクチュエータ最大推力を求めることを特徴とする請求項１記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項３】
前記アクチュエータは，アクチュエータの型式を示すＩＤタグを備え，前記アクチュエータ構成入力手段は，アクチュエータデータベースと，接続されているアクチュエータの数を認識するアクチュエータ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるアクチュエータ型式識別手段とを備え，前記アクチュエータ型式識別手段により識別された型式のアクチュエータを前記アクチュエータデータベースより検索して前記アクチュエータ最大推力を求めることを特徴とする請求項１記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項４】
前記アクチュエータ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記アクチュエータに相当するかを入力するアクチュエータ指定手段とを備え，入力された情報から前記アクチュエータの数またはそれぞれの位置または方向またはアクチュエータ最大推力または型式のうちのいずれかまたは全てを求めることを特徴とする請求項１または２記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項５】
前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の重心位置を入力する重心位置入力手段を備え，前記推力算出手段は，前記制御対象の姿勢を維持したまま発生できる最大並進推力および前記制御対象の位置を維持したまま発生できる最大モーメントを算出することを特徴とする請求項１記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項６】
前記重心位置入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから重心位置を求めることを特徴とする請求項５記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項７】
前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の質量を入力する質量入力手段と，前記制御対象の姿勢を維持したまま発生できる最大並進加速度を算出する最大並進加速度算出手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項８】
前記質量入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから質量を求めることを特徴とする請求項７記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項９】
前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の慣性モーメントを入力する慣性モーメント入力手段と，前記制御対象の位置を維持したまま発生できる最大回転加速度を算出する最大回転加速度算出手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１０】
前記慣性モーメント入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから慣性モーメントを求めることを特徴とする請求項９記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１１】
前記コントローラは，前記最大並進加速度および前記最大回転加速度をもとに位置および姿勢の指令プロファイルを生成することを特徴とする請求項７または９記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１２】
制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、
前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ測定可能範囲を入力するためのセンサ構成入力手段と，前記センサ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の測定可能な最大範囲である制御対象測定可能範囲を算出する測定可能範囲算出手段と，前記測定可能範囲算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定可能範囲出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。
【請求項１３】
前記センサ構成入力手段は，センサデータベースと，センサの型式を入力するセンサ型式入力手段とを備え，前記センサ型式入力手段により入力された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ測定可能範囲を求めることを特徴とする請求項１２記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１４】
前記位置センサは，センサの型式を示すＩＤタグを備え，前記センサ構成入力手段は，センサデータベースと，接続されているセンサの数を認識するセンサ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるセンサ型式識別手段とを備え，前記センサ型式識別手段により識別された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ測定可能範囲を求めることを特徴とする請求項１２記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１５】
前記センサ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記位置センサに相当するかを入力するセンサ指定手段とを備え，入力された情報から前記センサの数またはそれぞれの位置または方向またはセンサ測定可能範囲または型式のうちのいずれかまたは全てを求めることを特徴とする請求項１２または１３記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１６】
前記測定可能範囲出力手段は，横軸を並進位置，縦軸を回転姿勢としたグラフまたは縦軸を並進位置，横軸を回転姿勢としたグラフで表示することを特徴とする請求項１２記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１７】
制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、
前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ分解能を入力するためのセンサ分解能入力手段と，前記センサ分解能入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の分解能である制御対象測定分解能を算出する測定分解能算出手段と，前記測定分解能算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定分解能出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。
【請求項１８】
前記センサ分解能入力手段は，センサデータベースと，センサの型式を入力するセンサ型式入力手段とを備え，前記センサ型式入力手段により入力された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ分解能を求めることを特徴とする請求項１７記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項１９】
前記位置センサは，センサの型式を示すＩＤタグを備え，前記センサ分解能入力手段は，センサデータベースと，接続されているセンサの数を認識するセンサ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるセンサ型式識別手段とを備え，前記センサ型式識別手段により識別された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ分解能を求めることを特徴とする請求項１７記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項２０】
前記センサ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記位置センサに相当するかを入力するセンサ指定手段とを備え，入力された情報から前記センサの数またはそれぞれの位置または方向またはセンサ分解能または型式のうちのいずれかまたは全てを求めることを特徴とする請求項１７または１８記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項２１】
制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラと，前記制御対象を支える支持機構とを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、
前記支持機構の数およびそれぞれの位置および方向およびばね剛性を入力するためのばね剛性入力手段と，前記ばね剛性入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢のばね剛性である制御対象ばね剛性を算出するばね剛性算出手段と，前記ばね剛性算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのばね剛性出力手段とを備えたことを特徴とする多軸制御システム設計ツール。
【請求項２２】
前記ばね剛性入力手段は，支持機構データベースと，支持機構の型式を入力する支持機構型式入力手段とを備え，前記支持機構型式入力手段により入力された型式の支持機構を前記支持機構データベースより検索して前記ばね剛性を求めることを特徴とする請求項２１記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項２３】
前記支持機構は，支持機構の型式を示すＩＤタグを備え，前記ばね剛性入力手段は，支持機構データベースと，接続されている支持機構の数を認識する支持機構数認識手段および前記ＩＤタグを読みとる支持機構型式識別手段とを備え，前記支持機構型式識別手段により識別された型式の支持機構を前記支持機構データベースより検索して前記ばね剛性を求めることを特徴とする請求項２１記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項２４】
前記ばね剛性入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記支持機構に相当するかを入力する支持機構指定手段とを備え，入力された情報から前記支持機構の数またはそれぞれの位置または方向またはばね剛性または型式のうちのいずれかまたは全てを求めることを特徴とする請求項２１または２２記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項２５】
前記支持機構は，前記制御対象を圧縮空気により非接触支持するエアベアリングであることを特徴とする請求項２１記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項２６】
前記支持機構は，前記制御対象を永久磁石の反発力または吸引力により非接触支持する磁気軸受であることを特徴とする請求項２１記載の多軸制御システム設計ツール。
【請求項２７】
前記支持機構は，ばねであることを特徴とする請求項２１記載の多軸制御システム設計ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多軸制御システムの設計を支援する設計ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の多軸制御システムの設計の際には，用途に応じて専用にセンサ，アクチュエータ，支持機構等の構成を検討しており，アクチュエータの推力，センサの測定可能範囲や分解能，支持機構の剛性などが，求めている仕様を満足するかどうか試行錯誤的な計算を繰り返して決定していた。
図３は、従来の磁気浮上制御装置の全体構成図である。図において、１０は鉛直方向を磁気浮上支持され，推進方向に移動する制御対象であり，本実施例では，ユーザーが設計した多自由度ステージである。１１は推進モータ可動子であり，図示しない推進モータ固定子との間に推進方向の推力を発生する。図は，推進方向左右にモータを１つずつ配置した例である。１２は浮上モータ可動子であり，図は，制御対象１０の四隅に配置した例である。１３は浮上モータ固定子であり，４つの浮上モータ可動子とそれぞれ対になって浮上力を発生する。浮上アクチュエータとしては，ボイスコイルモータ，リラクタンス型のモータ，静電モータなど一般に知られている様々なアクチュエータが使用できる。１４はコントローラであり，図示しない位置センサによって検出された制御対象の位置および姿勢の情報を用いてフィードバック制御し，制御対象が磁気浮上支持されるように電流指令を決定する。コントローラは，３つ以上の浮上モータ可動子を配置することにより，浮上方向の位置や，ロール角，ピッチ角を制御できるため，常に一定のギャップで水平の状態を保っておくだけでなく，位置や姿勢それぞれの指令を与え，浮上位置やロール角，ピッチ角の姿勢を指令に追従させるように制御をしてもよい。１５は電流制御装置であり，コントローラ１４から電流指令を受け取って浮上モータ固定子１３に流れる電流を制御する。図示していないが，浮上方向と推進方向の両方に直交する左右方向位置についても，永久磁石の反発力を利用して非接触支持するか，他のアクチュエータを用意して制御するか，浮上モータ固定子ユニット１３を縦置きにした列を追加で配置して制御してもよい。あるいは，浮上方向のモータは，浮上力を発生させる際に左右方向の位置のずれを戻す作用もあるため，この作用を用いれば，左右方向位置を支持または制御するアクチュエータや永久磁石を配置しなくてもよい。
図７は，多自由度ステージ１０を正面から見た図である。２３は固定構造体であり，浮上モータ固定子１３が４つと推進モータ固定子２１が２つ固定されている。推進モータ固定子２１は左右に１つずつ配置され，推進モータ可動子１１とそれぞれ対になって推進力を発生する。２４はばね支持機構であり，多自由度ステージ１０の四隅に配置され，浮上方向のストローク中心付近で，ばねによる引き上げ力が多自由度ステージ１０の重量と釣り合うように設計する。この支持機構により，浮上モータ固定子１３に流す電流を最小限に抑えることができ，消費電力や発熱を小さくできる。
図４において，１１０は制御対象となる多自由度ステージであり，ステージの位置および姿勢を駆動するためのアクチュエータと，位置および姿勢を検出するためのセンサを備えており，センサ信号を出力する。１００は多自由度ステージ制御システムであり，多自由度ステージ１１０のセンサ信号を元にアクチュエータに流す電流を変化させ，多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を制御する。多自由度ステージ制御装置は，指令生成器１４０，制御演算器１５０，推力変換演算器１６０，電流指令器１７０，位置演算器１８０，センサ信号変換器１９０よりなる。１４０は指令生成器であり，多自由度ステージの位置および姿勢の指令を与える。位置指令は，Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の位置と，ロール，ピッチ，ヨーの姿勢とを合わせた６自由度で与える。それぞれ使用者が与える位置決めコマンドを元に制御周期ごとに補完して生成するか，あらかじめ決められた動作を制御周期ごとの位置指令として与える。１９０はセンサ信号変換器であり，センサ信号を受け取り，絶対座標で表したセンサ位置を算出する。１８０は位置演算器であり，センサ信号変換器１９０により算出されたセンサ位置情報を用いて，多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を演算する。位置演算器１８０での演算の内容は，多自由度ステージ１１０のセンサ構成によって異なる。各種センサ構成に対応した多自由度ステージの位置姿勢算出方法が考案されている。（例えば，特許文献１参照）。図１０は浮上方向のセンサ，図１１は水平方向のセンサの配置の一例である。このようにセンサが配置されているとき，制御対象の位置および姿勢は次式により求められる。
【０００３】
【数１】
2009116751.tif 000003
【０００４】
この演算で，多自由度ステージの位置および姿勢を算出可能な範囲は，使用している各センサの測定可能な距離と配置されている位置によって決まる。また，多自由度ステージの位置および姿勢の測定分解能は，使用している各センサの分解能と配置されている位置によって決まる。したがって，設計時にはストロークや分解能などの仕様を満足するかどうかを計算しながらセンサの配置や型式を決定しなければならない。ステージ座標系での１５０は制御演算器であり，位置演算器１８０により算出された位置および姿勢を，指令生成器１４０が生成した指令に追従させるように操作量を決定する。操作量とは，具体的には重心位置の並進推力と重心まわりのモーメントなどとする。指令生成器１４０の生成する指令を速度指令とし，制御演算器１５０は，位置および姿勢の微分に相当する量を算出して，位置および姿勢の微分相当量を指令に追従させるように操作量を決定する速度制御系としてもよい。制御演算器１５０の詳細については後述する。位置制御であっても速度制御であっても，推力指令を算出するためには，制御対象の質量とロール，ピッチ，ヨーそれぞれの慣性モーメントが必要である。１６０は推力変換演算器であり，制御演算器１５０が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。この演算で，多自由度ステージの最大並進推力および最大回転モーメントは，使用しているアクチュエータの数と各アクチュエータの最大推力と配置されている位置によって決まる。したがって，設計時にはステージ推力やステージ加速度の仕様を満足するかどうかを計算しながらアクチュエータの配置や型式を決定しなければならない。推力変換演算器の詳細については後述する。１７０は電流変換演算器であり，推力変換演算器１６０から受け取った推力指令通りの推力を発生するように多自由度ステージ１１０のアクチュエータの電流指令を生成する。
【０００５】
次に，図５を用いて制御演算器１５０の詳細を説明する。図５は制御演算器１５０の一例である。図５に示す従来例の制御演算器１５０は， Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，θｘ軸（ピッチ軸），θｙ軸（ロール軸），θｚ軸（ヨー軸）の６自由度を制御する。指令は６自由度の位置指令であり，位置および姿勢は同じ６自由度の位置フィードバックである。５０乃至５５は６自由度それぞれの制御演算であり，６自由度の位置指令と位置フィードバックより６自由度の推力指令を生成する。位置Ｘ，Ｙ，Ｚの指令およびフィードバックを多自由度ステージ１１０の重心で与えることにより，それぞれの制御演算は干渉することなく独立して演算することができる。６自由度各軸の制御演算は同じ演算内容とすればよく，図６はその演算内容の一例を示す。６０は，図５の５０乃至５５に相当する６自由度各軸の制御演算を表す。６１はフィードフォワード制御部であり，位置指令よりフィードフォワード操作量を算出する。この演算は，例えば位置指令を二階微分したものをフィードフォワード操作量とすればよい。６２はフィードバック制御部であり，位置指令と位置フィードバックを用いてフィードバック操作量を算出する。演算の内容は，従来より知られている位置ＰＩＤ制御や，位置ＰＩ制御・速度Ｐ制御のカスケード制御，位置Ｐ制御・速度ＰＩ制御のカスケード制御などとすればよい。６３は加算器であり，フィードフォワード操作量とフィードバック操作量を足してフィルタ前操作量を生成する。６４はフィルタであり，高周波成分をカットする一次遅れフィルタや，制御対象の共振周波数などの特定の周波数のみをカットするノッチフィルタなどを組み合わせたものを用いればよい。６５は慣性であり，加速度指令に慣性をかけて推力指令を生成する。ここで，加速度指令にかける慣性の値は，Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の制御演算５０乃至５２では制御対象の質量であり，θｘ軸の制御演算５３の場合は制御対象のＸ軸周り慣性モーメント，θｙ軸の制御演算５４の場合は制御対象のＹ軸周り慣性モーメント，θｚ軸の制御演算５５の場合は制御対象のＺ軸周り慣性モーメントである。従来技術ではこれらの値はあらかじめパラメータとして与えておく必要があり，ＣＡＤによる設計値を用いるか，測定する必要がある。
【０００６】
次に，図８のようなアクチュエータ構成の場合について，推力変換演算器１６０の詳細を説明する。推力変換演算器１６０では，各アクチュエータの推力指令を以下のように算出する。図８において，３１乃至３３は推進モータ可動子，３４乃至３６は浮上モータ可動子であり，Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ，Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ，Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを３つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度とアクチュエータの数が一致しているため，この場合の推力変換演算式は以下のように求められる。重心位置を（ｘＧ,ｙＧ,ｚＧ），Ｘ軸アクチュエータの位置を（ｘｘ１,ｙｘ１,ｚｘ１），２つのＹ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｙ１,ｙｙ１,ｚｙ１），（ｘｙ２,ｙｙ２,ｚｙ２），３つのＺ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｚ１,ｙｚ１,ｚｚ１），（ｘｚ２,ｙｚ２,ｚｚ２），（ｘｚ３,ｙｚ３,ｚｚ３）とする。Ｘ軸アクチュエータの推力をＦｘ１，２つのＹ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｙ１，Ｆｙ２，３つのＺ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｚ１，Ｆｚ２，Ｆｚ３とする。重心位置の並進推力のＸ軸成分，Ｙ軸成分，Ｚ軸成分をそれぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとし，重心まわりのモーメントのＸ軸成分，Ｙ軸成分，Ｚ軸成分をそれぞれＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚする。このとき（２）式が成り立つ。
【０００７】
【数２】
2009116751.tif 000004
【０００８】
（２）式は正方行列となっており逆行列を求めることができるため，それをＧとおけば（３）式が得られる。
【０００９】
【数３】
2009116751.tif 000005
【００１０】
推力変換演算器１６０で，（３）式の演算をすることにより多自由度ステージの操作量から各アクチュエータの推力指令を算出できる。この計算の際，重心位置が必要になるが，従来技術では，重心位置はあらかじめパラメータとして与えておく必要があり，ＣＡＤによる設計値を用いるか，測定する必要がある。
冗長なアクチュエータを持つ図９のようなアクチュエータ構成の場合についても，推力指令を分配する方法が考案されている（例えば，特許文献２参照）。図９において，３１乃至３３は推進モータ可動子，３４乃至３７は浮上モータ可動子であり，Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ，Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ，Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを４つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度が６であるのに対し，アクチュエータの数が７つあるため，この場合の推力変換演算式は何らかの拘束条件を与えて求める。例えば特許文献２では，無理な力が作用しないようにする拘束条件を与えている。この他に，疑似逆行列を用いる方法も知られている。
上記のような多軸制御システムを設計する際，従来は，専用の設計ツールが存在しないため，用途に応じて専用にセンサ，アクチュエータ，支持機構等の構成を検討しており，アクチュエータの推力，センサの測定可能範囲や分解能，支持機構の剛性などが，求めている仕様を満足するかどうか試行錯誤的な計算を繰り返して決定していた。
【特許文献１】特開２００６−２０１０９２号公報（第２３頁乃至第２４頁，図１乃至図８）
【特許文献２】特開２００６−７２３９８号公報（第９頁，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術では，専用の設計ツールが存在しないため，用途に応じて専用にセンサ，アクチュエータ，支持機構等の構成を検討しており，アクチュエータの推力，センサの測定可能範囲や分解能，支持機構の剛性などが，求めている仕様を満足するかどうか試行錯誤的な計算を繰り返して決定していたため，設計に時間がかかるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり，ユーザーが多軸制御システムのセンサ，アクチュエータ，支持機構等の全体構成を迅速かつ容易に決定することができるよう支援する多軸制御システム設計ツールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題を解決するため，本発明は，次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記アクチュエータの数およびそれぞれの位置および方向およびアクチュエータ最大推力を入力するためのアクチュエータ構成入力手段と，前記アクチュエータ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象に発生可能な最大並進推力および最大モーメントを算出する推力算出手段と，前記推力算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのアクチュエータ能力出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項２に記載の発明は，前記アクチュエータ構成入力手段は，アクチュエータデータベースと，アクチュエータの型式を入力するアクチュエータ型式入力手段とを備え，前記アクチュエータ型式入力手段により入力された型式のアクチュエータを前記アクチュエータデータベースより検索して前記アクチュエータ最大推力を求めるとするものである。
また，請求項３に記載の発明は，前記アクチュエータは，アクチュエータの型式を示すＩＤタグを備え，前記アクチュエータ構成入力手段は，アクチュエータデータベースと，接続されているアクチュエータの数を認識するアクチュエータ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるアクチュエータ型式識別手段とを備え，前記アクチュエータ型式識別手段により識別された型式のアクチュエータを前記アクチュエータデータベースより検索して前記アクチュエータ最大推力を求めるとするものである。
また，請求項４に記載の発明は，前記アクチュエータ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記アクチュエータに相当するかを入力するアクチュエータ指定手段とを備え，入力された情報から前記アクチュエータの数またはそれぞれの位置または方向またはアクチュエータ最大推力または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項５に記載の発明は，前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の重心位置を入力する重心位置入力手段を備え，前記推力算出手段は，前記制御対象の姿勢を維持したまま発生できる最大並進推力および前記制御対象の位置を維持したまま発生できる最大モーメントを算出するとするものである。
また，請求項６に記載の発明は，前記重心位置入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから重心位置を求めるとするものである。
また，請求項７に記載の発明は，前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の質量を入力する質量入力手段と，前記制御対象の姿勢を維持したまま発生できる最大並進加速度を算出する最大並進加速度算出手段を備えたとするものである。
また，請求項８に記載の発明は，前記質量入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから質量を求めるとするものである。
また，請求項９に記載の発明は，前記多軸制御システム設計ツールは，制御対象の慣性モーメントを入力する慣性モーメント入力手段と，前記制御対象の位置を維持したまま発生できる最大回転加速度を算出する最大回転加速度算出手段を備えたとするものである。
また，請求項１０に記載の発明は，前記慣性モーメント入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段を備え，入力されたＣＡＤデータから慣性モーメントを求めるとするものである。
また，請求項１１に記載の発明は，前記コントローラは，前記最大並進加速度および前記最大回転加速度をもとに位置および姿勢の指令プロファイルを生成するとするものである。
また，請求項１２に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ測定可能範囲を入力するためのセンサ構成入力手段と，前記センサ構成入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の測定可能な最大範囲である制御対象測定可能範囲を算出する測定可能範囲算出手段と，前記測定可能範囲算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定可能範囲出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項１３に記載の発明は，前記センサ構成入力手段は，センサデータベースと，センサの型式を入力するセンサ型式入力手段とを備え，前記センサ型式入力手段により入力された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ測定可能範囲を求めるとするものである。
また，請求項１４に記載の発明は，前記位置センサは，センサの型式を示すＩＤタグを備え，前記センサ構成入力手段は，センサデータベースと，接続されているセンサの数を認識するセンサ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるセンサ型式識別手段とを備え，前記センサ型式識別手段により識別された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ測定可能範囲を求めるとするものである。
また，請求項１５に記載の発明は，前記センサ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記位置センサに相当するかを入力するセンサ指定手段とを備え，入力された情報から前記センサの数またはそれぞれの位置または方向またはセンサ測定可能範囲または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項１６に記載の発明は，前記測定可能範囲出力手段は，横軸を並進位置，縦軸を回転姿勢としたグラフまたは縦軸を並進位置，横軸を回転姿勢としたグラフで表示するとするものである。
また，請求項１７に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記位置センサの数およびそれぞれの位置および方向およびセンサ分解能を入力するためのセンサ分解能入力手段と，前記センサ分解能入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢の分解能である制御対象測定分解能を算出する測定分解能算出手段と，前記測定分解能算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるための測定分解能出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項１８に記載の発明は，前記センサ分解能入力手段は，センサデータベースと，センサの型式を入力するセンサ型式入力手段とを備え，前記センサ型式入力手段により入力された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ分解能を求めるとするものである。
また，請求項１９に記載の発明は，前記位置センサは，センサの型式を示すＩＤタグを備え，前記センサ分解能入力手段は，センサデータベースと，接続されているセンサの数を認識するセンサ数認識手段と，前記ＩＤタグを読みとるセンサ型式識別手段とを備え，前記センサ型式識別手段により識別された型式のセンサを前記センサデータベースより検索して前記センサ分解能を求めるとするものである。
また，請求項２０に記載の発明は，前記センサ構成入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記位置センサに相当するかを入力するセンサ指定手段とを備え，入力された情報から前記センサの数またはそれぞれの位置または方向またはセンサ分解能または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項２１に記載の発明は，制御対象を動かす力を発生させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータに流れる電流を制御する電流制御装置と，前記制御対象の位置を検出する位置センサと，前記位置センサにより検出された位置の情報を用いて前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラと，前記制御対象を支える支持機構とを備えた多軸制御システムを設計するための多軸制御システム設計ツールにおいて、前記支持機構の数およびそれぞれの位置および方向およびばね剛性を入力するためのばね剛性入力手段と，前記ばね剛性入力手段によりユーザーが入力した情報をもとに制御対象の位置および姿勢のばね剛性である制御対象ばね剛性を算出するばね剛性算出手段と，前記ばね剛性算出手段によって算出された情報をユーザーに伝えるためのばね剛性出力手段とを備えたとするものである。
また，請求項２２に記載の発明は，前記ばね剛性入力手段は，支持機構データベースと，支持機構の型式を入力する支持機構型式入力手段とを備え，前記支持機構型式入力手段により入力された型式の支持機構を前記支持機構データベースより検索して前記ばね剛性を求めるとするものである。
また，請求項２３に記載の発明は，前記支持機構は，支持機構の型式を示すＩＤタグを備え，前記ばね剛性入力手段は，支持機構データベースと，接続されている支持機構の数を認識する支持機構数認識手段および前記ＩＤタグを読みとる支持機構型式識別手段とを備え，前記支持機構型式識別手段により識別された型式の支持機構を前記支持機構データベースより検索して前記ばね剛性を求めるとするものである。
また，請求項２４に記載の発明は，前記ばね剛性入力手段は，ＣＡＤデータを読み込むＣＡＤデータ読込手段と，設計図面中のどの部分が前記支持機構に相当するかを入力する支持機構指定手段とを備え，入力された情報から前記支持機構の数またはそれぞれの位置または方向またはばね剛性または型式のうちのいずれかまたは全てを求めるとするものである。
また，請求項２５に記載の発明は，前記支持機構は，前記制御対象を圧縮空気により非接触支持するエアベアリングであるとするものである。
また，請求項２６に記載の発明は，前記支持機構は，前記制御対象を永久磁石の反発力または吸引力により非接触支持する磁気軸受であるとするものである。
また，請求項２７に記載の発明は，前記支持機構は，ばねであるとするものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によると，あるアクチュエータ構成での制御対象の最大並進推力および最大モーメントを容易に知ることができるため，ユーザーが迅速にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項２に記載の発明によると，ユーザーがアクチュエータ最大推力を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項３に記載の発明によると，ユーザーがアクチュエータ数を入力したりアクチュエータ最大推力を調べる必要がなく，アクチュエータを接続するだけで自動的に入力できるため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項４に記載の発明によると，ユーザーがアクチュエータ位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項５に記載の発明によると，制御対象の実用的な最大並進推力および最大モーメントを容易に求めることができる。また，請求項６に記載の発明によると，ユーザーが重心位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤデータを読み込むだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項７に記載の発明によると，制御対象の実用的な最大並進加速度を容易に求めることができる。また，請求項８に記載の発明によると，ユーザーが質量を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤデータを読み込むだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項９に記載の発明によると，制御対象の実用的な最大回転加速度を容易に求めることができる。また，請求項１０に記載の発明によると，ユーザーが慣性モーメントを数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤデータを読み込むだけで良いため，容易にアクチュエータ構成を設計することができる。また，請求項１１に記載の発明によると，位置および指令のプロファイルを容易に生成することができる。請求項１２に記載の発明によると，あるセンサ構成での制御対象の測定可能範囲を容易に知ることができるため，ユーザーが迅速にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１３に記載の発明によると，ユーザーがセンサ測定可能範囲を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１４に記載の発明によると，ユーザーがセンサ数を入力したりセンサ測定可能範囲を調べる必要がなく，センサを接続するだけで自動的に入力できるため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１５に記載の発明によると，ユーザーがセンサ位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１６に記載の発明によると，ユーザーが制御対象のストロークを容易に把握することができる。請求項１７に記載の発明によると，あるセンサ構成での制御対象の測定分解能を容易に知ることができるため，ユーザーが迅速にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１８に記載の発明によると，ユーザーがセンサ測定分解能を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項１９に記載の発明によると，ユーザーがセンサ数を入力したりセンサ測定分解能を調べる必要がなく，センサを接続するだけで自動的に入力できるため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項２０に記載の発明によると，ユーザーがセンサ位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にセンサ構成を設計することができる。請求項２１に記載の発明によると，ある支持機構構成での制御対象のばね剛性を容易に知ることができるため，ユーザーが迅速に支持機構構成を設計することができる。また，請求項２２に記載の発明によると，ユーザーがばね剛性を調べる必要がなく，型式を入力するだけでよいため，容易に支持機構構成を設計することができる。また，請求項２３に記載の発明によると，ユーザーが支持機構数を入力したりばね剛性を調べる必要がなく，支持機構を接続するだけで自動的に入力できるため，容易に支持機構構成を設計することができる。また，請求項２４に記載の発明によると，ユーザーが支持機構位置を数値で求めて入力する必要がなく，ＣＡＤ図面上で指定するだけで良いため，容易にセンサ構成を設計することができる。また，請求項２５に記載の発明によると，エアベアリング支持した場合のばね剛性が容易に求められる。また，請求項２６に記載の発明によると，磁気浮上支持した場合のばね剛性が容易に求められる。また，請求項２７に記載の発明によると，ばね支持した場合のばね剛性が容易に求められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例を示す多軸制御システム設計ツールのブロック図である。１はキーボードおよびマウスであり，ユーザーがアクチュエータ数，位置，方向，アクチュエータ型式，質量，慣性モーメント，センサ数，位置，方向，センサ型式を入力するための入力手段である。２はディスプレイであり，最大並進加速度，最大回転加速度，制御対象測定可能範囲，制御対象測定分解能などの計算結果をユーザーが確認するために表示する装置である。３はパーソナルコンピュータであり，各種演算を実行したりデータベースに情報を記録しておき，検索したりするための装置である。４は推力算出手段であり，ユーザーが入力した情報から最大並進加速度および最大回転加速度を算出する。ここでは，図８のように浮上アクチュエータ数が３，推進アクチュエータ数が３，計６個の場合を例として算出方法を説明する。まずユーザーが入力したアクチュエータ数の各アクチュエータについて，それぞれアクチュエータ最大推力を求める。これはユーザーが直接入力するか，ユーザーが入力した型式をもとにアクチュエータデータベース７から検索して求める。次に，求めたアクチュエータ最大推力を，（２）式のアクチュエータ推力に代入し，制御対象最大並進推力を求める。ただし，モーメントを求める際には各項の符号を一致させる。最後に，求めた制御対象最大並進推力を多自由度ステージ１０の質量で割れば制御対象最大並進加速度を求められ，制御対象最大モーメントを各軸まわりの慣性モーメントで割れば制御対象最大回転加速度を求められる。しかし，このようにして求めた制御対象最大並進加速度および制御対象最大回転加速度を実際に発生させると，並進時に回転方向の姿勢を維持したり，回転時に並進方向の位置を維持したりすることができない場合がある。そこで，演算方法を以下のようにしても良い。まず，（３）式で，制御対象のＸ方向推力Ｆｘ，Ｙ方向推力Ｆｙ，モーメントのＸ軸成分Ｔｘ，Ｙ軸成分Ｔｙ，Ｚ軸成分Ｔｚを全て０とおき，Ｚ方向推力Ｆｚに適当な値を代入する。このとき，（３）式で求められる各アクチュエータの推力が全てそれぞれの最大並進推力より小さければＦｚを大きくし，逆に大きければＦｚを小さくし，再度計算する。これを繰り返すことにより，全てのアクチュエータ推力が最大推力以下という条件の下で最大のＦｚを探索する。Ｘ方向推力Ｆｘ，Ｙ方向推力Ｆｙ，モーメントのＸ軸成分Ｔｘ，Ｙ軸成分Ｔｙ，Ｚ軸成分Ｔｚについても，同様にして求めることができる。この探索では，２分探索法を用いても良い。
図１に戻り，５は測定可能範囲算出手段であり，ユーザーが入力した情報から制御対象測定可能範囲を算出する。ここでは，まずユーザーが入力したセンサ数の各センサについて，それぞれセンサ測定可能範囲を求める。これはユーザーが直接入力するか，ユーザーが入力した型式をもとにセンサデータベース８から検索して求める。ここで，センサ測定可能範囲とは，そのセンサで測定可能なセンサヘッドとセンサターゲットの距離の範囲を意味する。次に，求めた各センサのセンサ測定可能範囲から制御対象測定可能範囲を求める。ここで，制御対象測定可能範囲とは，センサにより測定可能な制御対象の位置および姿勢の範囲を意味する。この演算方法を以下に説明する。まず始めに，静止している絶対座標系と，多自由度ステージ１０とともに動くステージ座標系を定義しておく。ステージ座標系の原点位置（ｘ０，ｙ０，ｚ０），および姿勢角θｘ（ピッチ），θｙ（ロール），θｚ（ヨー）が与えられたとき，多自由度ステージ１０上の点のステージ座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を絶対座標（ｘ，ｙ，ｚ）に変換する変換式は以下のように与えられる。
【００１６】
【数４】
2009116751.tif 000006
【００１７】
ステージ座標系原点位置および姿勢が与えられたとき，ユーザーが入力したステージ座標センサ位置を上式の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に代入して絶対座標センサ位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出すれば，そのセンサが測定可能範囲にあるかどうかを判定できる。ステージ座標系原点位置および姿勢が与えられたとき，それが制御対象測定可能範囲内であるかどうかは，測定に用いるセンサ全てが測定可能範囲内にあるかどうかで判定することができる。様々なステージ座標系原点位置および姿勢について，制御対象測定可能範囲内であるかどうかの判定を繰返し，境界を探索することで，図２のようなグラフを得ることができる。この図をディスプレイ２に表示することより，ユーザーは所望のストロークを満たしているかを判断することができる。
図１に戻り，６は測定分解能算出手段であり，ユーザーが入力した情報から制御対象分解能を算出する。ここでは，まずユーザーが入力したセンサ数の各センサについて，それぞれセンサ分解能を求める。これはユーザーが直接入力するか，ユーザーが入力した型式をもとにセンサデータベース８から検索して求める。次に，求めた各センサのセンサ分解能から制御対象測定分解能を求める。ここで，制御対象測定分解能とは，センサにより測定される制御対象の位置および姿勢の分解能を意味する。制御対象測定分解能は，（１）式の右辺のθｘ，θｙ，θｚを０とし，絶対座標センサ位置がセンサ分解能だけ変化したときの制御対象位置および姿勢の変化量より，以下の式で求める。
【００１８】
【数５】
2009116751.tif 000007
【００１９】
図１にもどり，９はばね剛性算出手段であり，ユーザーが入力した支持機構数および各支持機構の位置・方向・ばね剛性より制御対象ばね剛性を計算する。この部分も支持機構のデータベースを用意し，支持機構の型式からばね剛性を検索するようにしても良い。
【実施例２】
【００２０】
実施例１ではアクチュエータ型式およびセンサ型式をユーザーが入力していたが，型式を入力せず，アクチュエータ最大推力，センサ測定可能範囲，センサ分解能を入力するようにしても良い。この場合，アクチュエータデータベース７およびセンサデータベース８は不要となる。
【実施例３】
【００２１】
実施例１および実施例２ではアクチュエータ数と各アクチュエータの位置および方向，センサ数と各センサの位置および方向，支持機構の数と各支持機構の位置および方向を直接入力していたが，設計にＣＡＤを用いている場合，その図面データファイルを読み込む手段を設け，ディスプレイに表示された設計図面の中からアクチュエータ，センサ，支持機構に相当する部分をマウス等の入力デバイスで指定するようなインターフェースとしても良い。このようにすることで，ユーザーはＣＡＤ図面からアクチュエータ位置，センサ位置等を読みとって数値で入力するという作業をしなくてもよくなり，迅速に設計を進めることができる。
【００２２】
本発明が従来技術と異なる部分は、アクチュエータやセンサなどの構成を入力する手段と，制御対象の最大並進加速度，最大回転加速度，制御対象測定可能範囲，制御対象測定分解能，制御対象ばね剛性などの，設計の際に有用な種々の情報を算出する手段と，型式を入力する手段と，型式から必要な情報を検索することができるデータベースと，ＣＡＤデータから必要な情報を入力する手段と，ＩＤタグから情報を入力する手段と，計算結果を表示する手段を備えた部分である。
【００２３】
このように、種々の情報を算出する手段をあらかじめ用意しておき，必要な情報を容易に入力できるようにしているので，システム構成を試行錯誤的に迅速に検討することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施例を示す多軸制御システム設計ツールの全体構成図
【図２】本発明の第１実施例を示す多軸制御システム設計ツールにより算出された制御対象測定可能範囲の表示画面を示すグラフ
【図３】従来の多自由度ステージの全体構成図
【図４】従来の多自由度ステージ制御装置の演算内容を示すブロック図
【図５】従来の制御演算器の演算内容を示すブロック図
【図６】従来の各軸の制御演算の演算内容を示すブロック図
【図７】従来の多自由度ステージの構成を示す正面図
【図８】従来の多自由度ステージのアクチュエータ構成図１
【図９】従来の多自由度ステージのアクチュエータ構成図２
【図１０】従来の多自由度ステージのセンサ構成図１
【図１１】従来の多自由度ステージのセンサ構成図２
【符号の説明】
【００２５】
１  キーボードおよびマウス
２  ディスプレイ
３  パーソナルコンピュータ
４  推力算出手段
５  測定可能範囲算出手段
６  測定分解能算出手段
７  アクチュエータデータベース
８  センサデータベース
９  ばね剛性算出手段
１０  多自由度ステージ
１１  推進モータ可動子
１２  浮上モータ可動子
１３  浮上モータ固定子
１４  コントローラ
１５  電流制御装置
１００  多自由度ステージ制御システム
１１０  多自由度ステージ
１４０  指令生成器
１５０  制御演算器
１６０  推力変換演算器
１７０  電流変換演算器
１８０  位置演算器
１９０  センサ信号変換器
５０  Ｘ軸制御演算
５１  Ｙ軸制御演算
５２  Ｚ軸制御演算
５３  θｘ軸制御演算
５４  θｙ軸制御演算
５５  θｚ軸制御演算
６１  フィードフォワード制御部
６２  フィードバック制御部
６３  加算器
６４  フィルタ
６５  慣性
２１  推進モータ固定子
２３  固定構造体
２４  ばね支持機構
３１  推進モータ可動子
３２  推進モータ可動子
３３  推進モータ可動子
３４  浮上モータ可動子
３５  浮上モータ可動子
３６  浮上モータ可動子
３７  浮上モータ可動子
４１  Ｚ方向センサ
４２  Ｚ方向センサ
４３  Ｚ方向センサ
４４  Ｘ方向センサ
４５  Ｘ方向センサ
４６  Ｙ方向センサ
【図１】
2009116751.tif 000008
【図２】
2009116751.tif 000009
【図３】
2009116751.tif 000010
【図４】
2009116751.tif 000011
【図５】
2009116751.tif 000012
【図６】
2009116751.tif 000013
【図７】
2009116751.tif 000014
【図８】
2009116751.tif 000015
【図９】
2009116751.tif 000016
【図１０】
2009116751.tif 000017
【図１１】
2009116751.tif 000018