JP2011180983A

JP2011180983A - 電子カム制御装置

Info

Publication number: JP2011180983A
Application number: JP2010046668A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Mizogami; 悟史溝上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: JP5506456B2

Abstract

【課題】規定されたカムストローク範囲から外れて停止した駆動軸を容易に同期運転再開位置まで復帰させることができる電子カム制御装置を得ること。
【解決手段】入力軸を含む駆動軸としてのモータ５４ａ〜５４ｎに対応する駆動制御装置５３ａ〜５３ｎに、入力軸の一回転を分割したカム角度に対応するカムストローク位置を規定する電子カム指令プロファイルに基づいた制御を実行させ、複数の駆動軸を同期制御する電子カム制御装置５２は、電子カム指令プロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止している駆動軸の停止中の入力軸のカム角度に対応するカムストローク位置を、電子カム指令プロファイルに再適合させる電子カム同期位置として算出する手段と、駆動軸を予め設定された速度で電子カム同期位置へ移動させる移動手段と、駆動軸の電子カム同期への移動が完了したことを上位システム５１へ通知する手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子カム制御装置に関する。

電子カム制御装置は、機械的なカム機構を実装することなく、ソフトウェアによって設定したカムパターンとカムストローク量とに基づき、サーボモータで位置決め制御を行う装置である。この種の電子カム制御装置ではカムパターンを決定するために、ストローク下死点と、ストローク量設定値と、一回転を等間隔に分割したカム角度に対応するストローク比率とを設定したカムパターンとなる電子カム指令プロファイルを作成する必要がある。

電子カム制御装置は、設定された下死点と入力軸の位置情報とからカム角度を算出し、算出したカム角度に対応するストローク比率とストローク量設定値とを用いて位置決め量を求める。電子カム制御装置は、この位置決め量とストローク下死点とを加算し、サーボモータへの位置指令値を算出する。電子カム指令プロファイルにおけるストローク比率は、カム動作のストローク下死点では“０”であり、ストローク上死点では“１”である。カム動作の開始点及び終了点でのストローク比率を“０”、カム動作一回転内の任意の点でのストローク比率を“１”と設定することにより往復カム動作を行うことができ、カム動作の開始点でのストローク比率を“０”、終了点でのストローク比率を“１”と設定することにより、一方向への位置送りカム動作を行うことができる（例えば、特許文献１の実施例１６、１７参照。）。

電子カムを用いた同期制御では、複数の駆動軸を同期させて駆動させる必要がある。例えば、搬送コンベアを動かすことによって一定間隔に配置されたボトルをノズルの真下に持ってくるための動作を駆動する駆動軸と、ノズルを真下に置かれたボトルまで押し下げ、液体注入後に押し上げるための動作を駆動する駆動軸と、シリンジ内に蓄えた液体をノズルの先端から噴射し、シリンジ内に液体を補充する動作を駆動する駆動軸と、を有し、多数のボトルに順番に一本のノズルを用いて液体を注入する液体充填機においては、ノズルの上下動作を駆動する駆動軸や、液体の噴射／補充動作を駆動する駆動軸は、搬送コンベアを駆動する駆動軸の動作に同期した動きをとる必要がある。具体例としては、対応対象の駆動軸（マスタ駆動軸、上記の例ではボトルをノズルの真下に持ってくる動作の駆動軸）を入力軸に見立て、マスタ駆動軸に対応した動作を行う駆動軸（スレーブ駆動軸、上記の例ではノズルの上下動の駆動軸や液体の噴射／補充動作の駆動軸）を同期させて駆動する。

また、電子カム運転においては、非常遮断などによって電子カムによる同期運転中に駆動軸の位置が所定のストロークをオーバーした場合、最寄りのカムストロークの端まで移動させ、カムストローク端に対応したカム角度を求めて、同期すべき位置に移動させる方法がある（例えば、特許文献２の第１１の発明の実施例参照。）。

特許第２６９７３９９号公報特許第３４１３９５４号公報

上記のように従来の電子カム制御方式では、電子カム運転による同期制御軸が電子カム指令プロファイルの範囲を超えている場合には、電子カムの最寄りのカムストロークの端まで駆動軸を移動させ、さらにカムストローク端に対応したカム角度を求めて、同期すべき位置に移動させる必要があった。一度、カムストロークの端まで駆動軸を移動させ、同期させるカム角度まで入力軸の位相を動かし、電子カム指令プロファイルに基づいた同期動作を行い、駆動軸を移動させて同期再開位置まで位置決めを実行させるようにしていたため、カムストロークの端までの駆動軸の移動と、電子カム指令プロファイルによる駆動軸の移動との二つに分かれており、電子カムによる同期運転開始までのプログラム作成の手間が増加するとともに、動作プログラムも複雑になるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電子カム指令プロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止した駆動軸を容易に同期運転再開位置まで復帰させることができる電子カム制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、上位装置からの指示に応じて、入力軸を含む複数の駆動軸の各々に対応する駆動制御装置に、入力軸のカム角度に対応するカムストローク位置を規定するカムプロファイルに基づいた各駆動軸の制御を実行させ、複数の駆動軸を同期制御する電子カム制御装置であって、カムプロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止した駆動軸の停止中の入力軸のカム角度に対応するカムストローク位置を、カムプロファイルに再適合させる電子カム同期位置として算出する電子カム同期位置算出手段と、カムプロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止している駆動軸を予め設定された同期位置復帰速度で電子カム同期位置へ移動させる移動手段と、駆動軸の電子カム同期位置への移動が完了したことを上位装置へ通知する手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、電子カム指令プロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止した駆動軸を一つの動作で復帰位置へ移動させるため、電子カムによる同期運転開始までのプログラム作成の手間が簡略化され、動作プログラムを単純化できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる電子カム制御装置が制御対象とする液体充填機の機構概要図である。図２は、上位システム、電子カム制御装置、液体充填機を有する液体充填システムの全体構成図である。図３は、搬送コンベア、ノズル及び充填ポンプの電子カム指令プロファイルにおけるカムストロークを示す図である。図４は、電子カム制御に必要なデータメモリのデータ構造を示す図である。図５は、電子カム制御中に非常遮断入力された際のカム角度とモータ位置の挙動を示す図である。図６は、非常遮断解除後に、フリーラン停止したモータ位置から、停止した際のカム角度に同期すべきカムストローク位置まで位置決めする挙動を示す図である。図７は、同期位置復元処理の流れを示すフローチャートである。図８は、同期位置復元動作の際のカムストロークの変化の様子を示す図である。

以下に、本発明にかかる電子カム制御装置の実施の形態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。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電子カム制御装置が制御対象とする液体充填機の機構概要図である。搬送コンベア１は、ボトル２を順次搬送する。ノズル３は、搬送されてきたボトル２がノズル位置で停止した後に下降し、ボトル２内への液体の充填を開始する。液体の充填は、充填ポンプ４内でピストンが前進することによって実行される。充填ポンプ４内でピストンが後退することによって充填ポンプ４に液体タンク５から液体が補充される。

図２は、上位システム５１、電子カム制御装置５２、液体充填機を有する液体充填システムの全体構成図である。液体充填機は、駆動制御装置５３（５３ａ〜５３ｎ）、モータ５４（５４ａ〜５４ｎ）を有する。図示するように、駆動制御装置５３には非常遮断入力５５が入力されうるようになっている。電子カム制御装置５２は、内部にデータメモリ５６を備える。上位システム５１から電子カム制御装置５２へ電子カム同期位置復元要求及び電子カム同期位置移動要求が指令される。電子カム制御装置５２から上位システム５１へは電子カム同期位置復元完了及び電子カム同期位置算出完了が通知される。上位システム５１から電子カム制御装置５２内のデータメモリ５６へは、常時アクセス（リード／ライト）可能である。本構成により、電子カム制御による同期運転及び同期位置復元機能を実現する。

搬送コンベア１、ノズル３及び充填ポンプ４は、電子カム指令プロファイルに基づく電子カム制御装置５２の制御対象駆動軸による機械機構となっており、動作は電子カム制御による同期制御となっている。すなわち、搬送コンベア１の駆動系を入力軸と見立て、電子カム制御装置５２が駆動制御装置５３を駆動することによって、搬送コンベア１、ノズル３、充填ポンプ４が動作する。

図３は、搬送コンベア１、ノズル３及び充填ポンプ４の電子カム指令プロファイルにおけるカムストロークを示す図である。搬送コンベア１のカムストローク１１、ノズル３のカムストローク１２及び充填ポンプ４のカムストローク１３は、それぞれのカム角度を、入力軸と見立てる搬送コンベア１のカム角度と同一とすることで、カム角度を回転させることによる電子カム同期制御を行う。

図４は、データメモリ５６内のデータのうち通常時の電子カム制御に必要なデータを示す図である。電子カム指令プロファイル２１は、カム角度とストローク比率とのデータテーブルとなっている。カム角度θとカムストローク比率Ｓとの対がｎ個で構成されている。電子カムストローク量２２は、ストローク量設定値である。電子カムストローク下死点２３は、ストローク比率が“０”の場合のカムストローク位置である。θ_１からθ_ｎまでの間のカム角度θ_ｍにおけるカムストロークは、下記式（１）のようになる。

カムストローク＝電子カムストローク量×ストローク比率（Ｓ_ｍ）＋電子カムストローク下死点・・・（１）

上記のような電子カム制御中に、非常遮断（駆動制御装置５３への動力遮断）が実行された場合に、モータフリーランによってカムストロークの範囲を逸脱したとする。なお、図３に示したように、搬送コンベア１、ノズル３、充填ポンプ４の電子カム指令プロファイルは各々異なるため、非常遮断入力後にはこれらのカムストロークは相関なく変化する。カムストローク範囲を逸脱しても、モータ５４はフリーランとなって制御無効であるため、駆動制御装置５３内での非常遮断中エラーのみに留め、電子カム制御装置５２内におけるエラーとは扱わないこととする。

図５は、電子カム制御中に非常遮断入力５５が入力された際のカム角度とモータ位置の挙動を示す図である。図中には、カム角度の軌跡３１、電子カム指令プロファイルに基づいて生成されたカムパターン３２、駆動制御装置５３への非常遮断入力５５の入力状態３３、非常遮断入力５５が駆動制御装置５３へ入力された後のモータ位置の軌跡３４を示している。

正常な電子カム制御中には、経過時間に応じてカム角度を推移させる。推移するカム角度に応じて、上記のようにカムストロークが算出され、カムパターン３２が生成される。この電子カム制御中に駆動制御装置５３への非常遮断入力５５があった場合、入力軸のカム角度の推移も減速停止させる。ここで、減速停止した入力軸のカム角度をθ_Ｅとする。また、フリーラン停止したモータ位置をＳ_Ｔとする。

図６は、非常遮断解除後に、フリーラン停止したモータ位置Ｓ_Ｔから、停止した際のカム角度θ_Ｅに同期すべきカムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決めする挙動を示す図である。図中には、上位システム５１から電子カム制御装置５２への電子カム同期位置復元要求の信号波形４１、フリーラン停止したモータ位置Ｓ_Ｔからカム角度θ_Ｅに同期すべきカムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決めする軌跡４２、カム角度θ_Ｅ以降の同期すべきカムパターン４３、カムストローク位置Ｓ_Ｅまでの位置決めが完了し、電子カム同期制御運転が再開可能状態であることを電子カム制御装置５２が上位システム５１に通知する電子カム同期位置復元完了信号の信号波形４４、モータ位置Ｓ_Ｔからカムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決めする際の速度波形４５を示している。モータ位置Ｓ_Ｔからカムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決めする際の速度、及びモータ位置Ｓ_Ｔからカムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決めする際の加減速時間は、それぞれデータメモリ５６に格納されているデータによって設定される。なお、加速時間と減速時間とは同じである必要はない。

次に、電子カム指令プロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止した駆動軸を、電子カム指令プロファイルに再適合させる電子カム同期位置に復元するまでの動作について説明する。非常遮断解除後に駆動制御装置５３が制御有効となった後、電子カム制御装置５２は、上位システム５１からの電子カム同期位置復元要求のオンにより、フリーラン停止したモータ位置Ｓ_Ｔから、停止した際のカム角度θ_Ｅに同期すべきカムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決めする。位置決めする際の速度及び加減速時間は、データメモリ５６に格納されている同期位置復帰速度４６及び同期位置復帰加減速時間４７によって決定される。カムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決め完了後は、電子カム制御装置５２は、電子カム同期制御運転が再開可能状態であることを上位システム５１に通知する電子カム同期位置復元完了信号をオンさせる。電子カム同期位置復元完了信号は、電子カム同期位置復元要求のオフに応じてオフされる。上位システム５１は、通知された電子カム同期位置復元完了信号を認識すると電子カム制御装置５２へトリガを送り、電子カム同期制御運転を再開させる。

カム角度θ_Ｅに同期すべきカムストローク位置Ｓ_Ｅは、図４に示した電子カム指令プロファイル２１からカム角度θ_Ｅに対応するストローク比率を導き出し、電子カムストローク量２２、電子カムストローク下死点２３によって上記式（１）から算出できる。

また、システムの初期起動時の場合も、非常遮断によってカムストロークの範囲を逸脱していた場合と同様に、電子カム制御装置５２は、上位システム５１からの電子カム同期位置復元要求信号のオンにより、初期モータ位置Ｓ_Ｓから初期開始する際のカム角度θ_Ｉに同期すべきカムストローク位置Ｓ_１まで位置決めする。位置決めする際の速度及び加減速時間は、データメモリ５６に格納されている同期位置復帰速度４６及び同期位置復帰加減速時間４７によって決定される。カムストローク位置Ｓ_Ｉまでの位置決め完了後は、電子カム制御装置５２は、電子カム同期制御運転が再開可能状態であることを上位システム５１に通知する電子カム同期位置復元完了信号をオンさせる。電子カム同期位置復元完了信号４４は、電子カム同期位置復元要求信号のオフによってオフされる。上位システム５１は通知された電子カム同期位置復元完了信号を認識することで、電子カム同期制御運転を開始する。

次に、上位システム５１からの電子カム同期位置復元要求を受けた電子カム制御装置５２が、非常遮断入力後に減速停止した際のカム角度θ_Ｅと同期すべきカムストローク位置Ｓ_Ｅ及び初期開始する際のカム角度θ_Ｉと同期すべきカムストローク位置Ｓ_Ｉを、上位システム５１へ通知後に、上位システム５１からの電子カム同期位置移動要求に応じて、電子カム同期位置への復元処理を実行する方法について説明する。

図７に、電子カム同期位置への復元処理の流れを示す。この図は、上位システム５１と電子カム制御装置５２との双方についての手順と、上位システム５１側及び電子カム制御装置５２側から通知する信号の流れを示している。

上位システム５１側から電子カム同期位置復元要求を電子カム制御装置５２へ通知する（ステップＳ１００１）。電子カム制御装置５２側では、電子カム同期位置復元要求の有無を確認し（ステップＳ１０１１）、要求ありの場合には（ステップＳ１０１１／有り）、各駆動軸に関して指定カム角度（θ_Ｅ又はθ_Ｉ）から同期すべきカムストローク位置（電子カム同期位置、Ｓ_Ｅ又はＳ_Ｉ）を算出する（ステップＳ１０１２）。カムストローク位置の算出には上記式（１）を用いる。

次に、電子カム制御装置５２は、電子カム同期位置への復元の実施を、上位システム５１からの通知を受けた後に行う設定であるか否かを確認する（ステップＳ１０１３）。電子カム同期位置への復元の実施を、上位システム５１からの通知を受けた後に行う設定ではない場合は（ステップＳ１０１３／無し）、ステップＳ１０１２において算出した電子カム同期位置への位置決め（移動）を実行する（ステップＳ１０１６）。一方、通知後に行う設定の場合には（ステップＳ１０１３／有り）、電子カム制御装置５２は、電子カム同期位置算出完了を上位システム５１に通知する（ステップＳ１０１４）。上位システム５１側では、電子カム同期位置への復元の実施を、上位システム５１からの通知を受けた後に行う設定であるならば（ステップ１００２／有り）電子カム同期位置算出完了の通知の有無を確認し（ステップＳ１００３）、通知されている場合には（ステップＳ１００３／有り）電子カム制御装置５２内のデータメモリ５６から電子カム同期位置を読み出し、電子カム同期位置への位置決めの際の他の駆動軸の機構部分の干渉（例えば、図１に示した液体充填機において、ノズル３がボトル２を倒してしまう動作）をチェックし、各駆動軸の電子カム同期位置への復元のタイミングを決定する（ステップＳ１００４）。この場合、各駆動軸の電子カム同期位置への移動のタイミングを変えることで干渉が回避できるのであれば、干渉を回避するように各駆動軸を電子カム同期位置へ移動の移動タイミングを決定する。干渉の回避が不可の場合には、電子カム同期位置への移動処理ではなく、動作開始位置への移動処理を行うようにしても良い。各駆動軸の電子カム同期位置への移動タイミングを決定したのち、上位システム５１は、電子カム同期位置移動要求を電子カム制御装置５２へ通知する（ステップＳ１００５）。

電子カム同期位置算出完了を上位システム５１に通知した後、電子カム制御装置５２では、電子カム同期位置移動要求の通知の有無を確認し（ステップＳ１０１５）、通知されている場合には（ステップＳ１０１５／有り）、ステップＳ１１２において算出した電子カム同期位置への位置決めを実行する（ステップＳ１０１６）。

位置決め完了後に、電子カム制御装置５２は、電子カム同期位置復元完了を上位システム５１に通知する（ステップＳ１０１７）。上位システム５１側では、電子カム同期位置復元完了の通知の有無を確認し（ステップＳ１００６）、通知されている場合には（ステップＳ１００６／有り）、電子カム同期制御を開始、又は再開する（ステップＳ１００７）。

図８は、同期位置復元動作の際のカムストロークの変化の様子を示す図である。電子カム制御装置５２は、非常遮断入力後にフリーラン停止したモータ位置Ｓ_Ｔから非常遮断入力後に減速停止したカム角度θ_Ｅに同期すべきカムストローク位置Ｓ_Ｅまでを一つの動作として、駆動軸を動かす。これに対し、従来の電子カム制御装置は、最寄りのカムストロークの端まで移動させる動作と、ストローク端から電子カム指令プロファイルに従って、同期すべきカムストローク位置まで移動させる動作とが別々であるため、制御が複雑となるとともに、図８に示すように電子カム指令プロファイルに従った場合の送り速度が低速である場合には、同期復元完了までに要する時間も長くなる。

以上のように、本実施の形態においては、電子カム運転中における非常遮断により、電子カムによる同期運転中に駆動軸の位置がカムストロークの範囲を逸脱した場合でも、非常遮断解除後に、電子カム制御装置の上位システムからの電子カム同期位置復元要求があると、同期すべき電子カムストローク位置まで移動し、同期位置復元完了し、電子カムによる同期制御運転が速やかに再開可能である。これにより、電子カム制御装置の上位システムであるユーザプログラム部分で電子カムによる同期運転開始までのプログラム作成する必要が無い。また、上位システムからの要求に応じて駆動軸を電子カム同期位置へ移動させることにより、制御対象駆動軸が複数あった場合に電子カム同期位置まで移動の順序制御を実現できるため、複数の駆動軸の機構部分の干渉を回避することが可能となる。

このため、液体充填機としても、ノズル３や充填ポンプ４など機構部の制御対象である駆動制御装置５３に非常遮断が入力された後の復帰動作でも、同期すべき電子カムストローク位置まで移動し、装置の運転が速やかに再開可能となる。

なお、本実施の形態においては、制御対象が液体充填機である場合を例としたが、本発明は、様々な一般産業装置を制御対象として適用可能である。

以上のように、本発明にかかる電子カム制御装置は、電子カム指令プロファイルに基づき、複数軸を同期制御する電子カム制御装置として用いるのに適している。

１搬送コンベア
２ボトル
３ノズル
４充填ポンプ
５液体タンク
１１搬送コンベアのカムストローク
１２ノズルのカムストローク
１３充填ポンプのカムストローク
２１電子カム指令プロファイル
２２電子カムストローク量
２３電子カムストローク下死点
３１カム角度の軌跡
３２電子カム指令プロファイルに基づいて生成されたカムパターン
３３駆動制御装置への非常遮断入力状態
３４非常遮断入力後のモータ位置の軌跡
４１電子カム同期位置復元要求の信号波形
４２カムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決めする軌跡
４３同期すべきカムパターン
４４電子カム同期位置復元完了信号の信号波形
４５カムストローク位置Ｓ_Ｅまで位置決め時の速度波形
４６同期位置復帰速度
４７同期位置復帰加減速時間
５１上位システム
５２電子カム制御装置
５３駆動制御装置
５４モータ
５５非常遮断入力
５６データメモリ

Claims

上位装置からの指示に応じて、入力軸を含む複数の駆動軸の各々に対応する駆動制御装置に、前記入力軸のカム角度に対応するカムストローク位置を規定するカムプロファイルに基づいた前記各駆動軸の制御を実行させ、前記複数の駆動軸を同期制御する電子カム制御装置であって、
前記カムプロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止している駆動軸の停止中の前記入力軸のカム角度に対応するカムストローク位置を、前記カムプロファイルに再適合させる電子カム同期位置として算出する電子カム同期位置算出手段と、
前記カムプロファイルで規定されたカムストローク範囲から外れて停止している駆動軸を予め設定された同期位置復帰速度で前記電子カム同期位置へ移動させる移動手段と、
前記駆動軸の前記電子カム同期位置への移動が完了したことを前記上位装置へ通知する手段とを有することを特徴とする電子カム制御装置。
前記電子カム同期位置算出手段は、前記駆動制御装置のいずれかが非常遮断されて、前記各駆動軸が停止した場合に、前記非常遮断解除後に前記電子カム同期位置を算出することを特徴とする請求項１記載の電子カム制御装置。
前記各駆動軸の電子カムストロークの下死点及びカムストローク量を示すデータ並びに前記カムプロファイルを格納する格納手段をさらに有し、
前記電子カム同期位置算出手段は、前記格納手段に格納されている各データに基づいて前記電子カム同期位置を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の電子カム制御装置。
電源投入時に、前記電子カム同期位置算出手段は、停止中の前記入力軸のカム角度に対応するカムストローク位置の代わりに、前記上位装置から通知される前記入力軸の予め設定された初期カム角度に対応するカムストローク位置を前記電子カム同期位置として算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の電子カム制御装置。
前記移動手段による前記駆動軸の前記電子カム同期位置への移動を、前記電子カム同期位置算出手段による前記電子カム同期位置の算出後に連続して実行するか、前記上位装置からの要求に応じて行うかを選択する手段をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の電子カム制御装置。