機械カム式マシンを電子カムマシンへ置換え(過去)

機械カム式マシンを、サーボモータを使用した電子カムシステムに置き換えることができます。
手法についての概略説明です。
第Ⅱ部では当社の電子カム製品の説明となります。

目次

1. Ⅰ.概略説明
2. Ⅱ.製品詳細説明

Ⅰ.概略説明

１.機械カム

機械カムには各種構造ありますが、概略では下図の動作となります。
１台の主軸モータに複数個のカムが配置され、そのカムパターンによって各ツール（①～④）が上下移動する。

主軸角度位置に対して、各ツール位置を示す関係は下図のようになります。

２．電子カム化

上図の機械カムパターン図を関数式に展開して、各ツール軸がその関数式に従って動作すればよい。
重要なのは、各ツール軸が主軸に同期しなければなりません。

電子カム化対応には下記項目のまとめが必用です。
①ハード構成。
②関数式の作成。（機械固有の明確な関数式があればそれを展開するのが好ましい）
③コンピュータへのインプット方法。

下図は電子カム化の概略システム構成です。

1. 主軸角度検出する角度検出エンコーダ。
2. 主軸角度を各ツール位置変換する関数式発生器。
3. インターフェースアンプ。
4. サーボドライバー
5. サーボモータ

上図の主軸モータも電子化すると、下図の様に主軸の回転をコンピュータ内部で仮想的に生成します。
（既存の主軸シャフトに電子カム軸を付加する場合等では、主軸は仮想化しません。）

高い追従性が必用：
機械カム式においては、主軸カムが通常速度・低速速度運転・又は途中停止した場合でも各ツール位置関係が同じであるように、電子カム化後にも同様のスペックを確保するためには制御装置側に高い追従性が必用となります。
（高い追従性を求めるには：①制御系のレスポンス、②高いサーボループゲイン、③フィードフォワード制御、等。）

３．関数式の作成

その機械固有の関数式であればその式を使用するのが早道ではあるが、応答性の高いサーボモータ駆動では関数式に曖昧さがあれば、乱調するため的確な制御ができなくなります。
その関数式に曖昧さが含まれないようにしなければならない。

注意するべきポイントは。
①機械系及びサーボモータの最大速度以上にならないようにする。
②機械系及びサーボモータの最大加速度以上にならないようにする。

４．関数式作成の手順>

グラフ横軸が角度単位では数式作成が難しいため、角度（０°～３６０°）単位を時間単位に換算します。
主軸速度が３０ｒｐｍであれば、一週時間は60sec÷30rpmで2秒となります。
一週０°～３６０°が０ｓｅｃ～２ｓｅｃとして換算されます。

グラフ横軸を時間単位とすれば、数式化が容易になります。

電子カムの関数式を時間ｔの関数で表すことにより、次の様なグラフとなります。

下図一番上のＡグラフは、ツール①の位置を縦軸に、時間を横軸にとります。
Ａグラフは時間ｔの関数であることから、時間ｔで微分すると、縦軸が速度のＢグラフとなります。
Ｂグラフは時間ｔの関数であることから、時間ｔで微分すると、縦軸が加速度のＣグラフとなります。
（加速度について：ここでは加速度が一定としたカム曲線を描いています。）
同様にツール①～④までカム曲線を描きます。

５．制御方法

下図の様に、時間毎の各軸の位置をサーボドライブ装置又はその周辺装置へ同時に指令を発生しています。
フィードバック制御はサーボドライブ装置又はその周辺装置などで行うものとしています。
サーボドライブ装置は指令に忠実に動作するのものとして考えています。
現状市販されているサーボドライブ装置は非常に高速かつ高精度であるため、あえてフィードバック制御はサーボドライブ装置に頼るものとして、アプリケーション側のハード構成を簡略化しております。
また弊社はハードウェアメーカでないことと、アプリケーション設計に時間を注ぎたいためこの様な考え方としています。

上記説明内容に従って、㈱モーションシステムでは標準の電子カム生成方式及び標準の構成があります。

㈱モーションシステムでは、機械固有のユーザー独自の関数式作成も行います。 【お問い合せ】よりお問い合せ下さい。

本説明は弊社システムの拡販を目的として一般論を記載作成しているため、技術参考書としては抜けている部分及び曖昧な表現のみで完結している部分もあります。また、既存特許を含む部分もあります。

 

Ⅱ.製品詳細説明

電子カム生成にあたり、弊社では２種類のシステム構成があります。
①タッチパネルを使用した、機械式カムの置き換え構成。
②Ｐｃ＋１９インチタッチモニターを使用した、高機能な構成。
どちらも制御装置のベースシステムは同じです。
本説明は機械カム式よりの置き換えを想定した説明となりますので、上記①方式の説明を致します。

７．電子カムデータの作成

下図は機械カムのパターンより作成したグラフです。
関数式の横軸は時間（ｔ）ですが、機械カムよりの置き換えを想定しているため、入力は仮想主軸カム角度で設定します。

上図グラフより、下図表にデータ入力をします。

＜１＞仮想主軸の設定 仮想主軸の回転数：30rpm 生産数：５個 仮想主軸は０°より加速を開始して，５回転後の３６０° になるように減速停止します。 １サイクル２秒間となります。	＜２＞ツール①軸の設定 原点開始位置は0mm 仮想主軸角度が９０°より１７０°の間に ツール①は0mmから10mmに移動します。 仮想主軸角度が１９０°より２７０°の間に ツール①は10mmから0mmに移動します。
＜３＞ツール②軸の設定 原点開始位置は0mm 仮想主軸角度が１８０°より２６０°の間に ツール②は0mmから10mmに移動します。 仮想主軸角度が２８０°より３６０°の間に ツール②は10mmから0mmに移動します。	＜４＞ツール③軸の設定 原点開始位置は10mm 仮想主軸角度が１０°より９０°の間に ツール③は10mmから0mmに移動します。 仮想主軸角度が２７０°より３５０°の間に ツール③は0mmから10mmに移動します。
＜５＞ツール④軸の設定 原点開始位置は0mm 仮想主軸角度が０°より８０°の間に ツール④は0mmから10mmに移動します。 仮想主軸角度が１００°より１８０°の間に ツール④は10mmから0mmに移動します。

 

上表の入力作業後、電子カム演算操作を行えば自動的に電子カムパターンが生成されます。

入力作業は、開発担当者や生産管理部門のみが行うものではありません。現場担当作業者が機械調整を行いながらデータ入力できることを前提としています。

８．各ツール軸の標準構成

各軸構成ごとに、標準的な運転方式・原点復帰方式です。

ここではタッチパネルを使用した、機械式カムの置き換えシステムをご紹介いたしました。
Ｐｃを使用した多軸・高機能なシステム構成も製品化しております。
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