JPH09160617A - 多軸同時制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御部の負担をできるだけ軽減することので
きる多軸同時制御システムを提供すること。 【解決手段】 サーボコントローラ１００は、（ｎ＋
１）軸同時制御型でｎ軸のサーボ駆動系を個別に制御す
る。計測コントローラ１３０ａ，１３０ｂは、前記ｎ軸
のサーボ駆動系の１つで移動制御されてあらかじめ定め
られた検出動作を行うセンサからの検出信号を中継す
る。制御部２００は、前記サーボコントローラからの制
御に関するデータと前記検出信号をもとにあらかじめ定
められた処理を行なう。前記サーボコントローラの残る
１軸の出力をパルス出力用とし、該パルス出力を前記ｎ
軸のサーボ駆動系の中から選択された基準となるべき軸
のサーボモータの回転速度に同期させると共に、分周回
路１１１を通して前記制御部に計測サンプリング信号と
して出力する。前記制御部は、前記計測サンプリング信
号の到来時のみ、前記制御に関するデータと前記検出信
号とを取り込んで前記あらかじめ定められた処理を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多数軸のサーボ駆動
系を独立して制御する多軸同時制御システムに関し、特
に、前記多数軸のサーボ駆動系に加えて位置や距離等を
検出するセンサの位置も制御しながらセンサからの検出
信号を処理して位置や距離等を計測する機能をも有する
多軸同時制御システムの改良に関する。この種の多軸同
時制御システムは、例えば、船舶用のプロペラや航空機
用のプロペラあるいはタービンブレードのような成形品
の肉厚、輪郭、外径等を計測するための３次元成形品の
形状計測装置に適する。

【０００２】

【従来の技術】３次元成形品の形状計測装置としては、
触針式の計測装置が最も普及している。この計測装置
は、通常、成形品の複数箇所に当てられる計測針を持
ち、計測針の触針位置を検出することで成形品の肉厚を
計測するようにしている。

【０００３】この種の計測装置では、精密な計測を行う
場合、指定点毎に計測を行うためポイントを多数設定し
て各ポイント毎にその上方数ｍｍの位置に計測針を移動
させてからゆるやかに計測針を下降させて触針を行う必
要がある。因みに、１ポイント計測のための所要時間は
１秒以上を必要とし、触針のための計測針の移動速度は
数（ｍｍ／ｓｅｃ）であるので、成形品の形状が大きく
なるにつれて計測に要する時間は長くなる。

【０００４】また、プロペラの場合、プロペラピッチの
大きい箇所（曲率の大きい箇所）では、計測針の触針位
置の誤差が大きくなるので、高精密な計測を行う場合に
問題となる。加えて、成形品の輪郭を測定するために
は、上記の計測針とは異なる接触針が必要となる。

【０００５】本発明者は、上記のような問題点を解決す
る装置として、レーザセンサを用いた３次元成形品の形
状計測装置を提案した。詳しくは後述するが、この形状
計測装置は、３次元曲面を持つ成形品にレーザを照射し
て距離を測定するレーザセンサを用いて前記成形品の形
状を計測する装置であって、一対の前記レーザセンサを
それらのレーザ照射軸が同一直線上にあるように対向配
置し、前記成形品を、前記一対のレーザセンサの間で前
記レーザ照射軸を周期的に横切るように移動させると共
に、横切る位置が順次変化するように移動させることに
より、前記一対のレーザセンサの出力から前記成形品の
厚さ、輪郭、外径に関する計測値を得るものである。そ
して、レーザセンサの出力から上記のような計測値を得
るために、コンピュータによる制御部が備えられる。ま
た、成形品及びレーザセンサを所定の方向に移動させる
ために、３軸のサーボ駆動系を備えている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、精密な形状
計測を行うためには、計測サンプリング点はできるだけ
多いことが望ましいが、その場合、計測データが膨大に
なり、データ処理を行う制御部の負担が大きくなる。ま
た、３軸のサーボ駆動系を備えていることから、これら
のサーボ駆動系における駆動対象物の位置認識と制御を
も同時に行う必要があり、このことは制御部の負担が更
に大きくなることを意味する。

【０００７】以上のような事情を考慮して、本発明の課
題は、システム全体の管理及び計測データの処理を行う
制御部の負担をできるだけ軽減することのできる多軸同
時制御システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による多軸同時制
御システムは、独立して比例制御を行なうｎ軸のサーボ
駆動系を個別に制御するための多軸同時制御型のサーボ
コントローラと、前記ｎ軸のサーボ駆動系の１つで移動
制御されてあらかじめ定められた検出動作を行うセンサ
の動作を制御すると共に、前記センサからの検出信号を
中継する計測コントローラと、前記サーボコントローラ
から制御に関するデータを受けると共に、前記計測コン
トローラからは前記センサからの検出信号を受け、前記
制御に関するデータと前記検出信号をもとにあらかじめ
定められた処理を行なう制御部とを備え、前記サーボコ
ントローラとして（ｎ＋１）軸同時制御型のものを用
い、残る１軸の出力をパルス出力用とし、該パルス出力
を前記ｎ軸のサーボ駆動系の中から選択された基準とな
るべき軸のサーボモータの回転速度に同期させると共
に、分周手段を通して前記制御部に計測サンプリング信
号として出力し、前記制御部は、前記計測サンプリング
信号の到来時のみ、前記制御に関するデータと前記検出
信号とを取り込んで前記あらかじめ定められた処理を行
うことを特徴とする。

【０００９】なお、前記制御部に対して前記分周手段の
分周比の設定変更を指示する入力手段を備え、前記制御
部は、該入力手段からの設定変更により前記分周手段に
おける前記分周比の設定変更を行うことが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の具体例を説明する前に、
本発明を適用するのに最も適した本発明者により提案さ
れている３次元成形品の形状計測装置について図２〜図
５を参照して詳しく説明する。ここでは、船舶用のプロ
ペラ１０を計測対象として説明する。本装置では、測定
対象物にレーザを照射し、その反射光を受光して照射点
の座標あるいは照射点までの距離を測定する周知のレー
ザセンサを用いる。そして、一対のレーザセンサ２０
ａ，２０ｂを、それらのレーザ照射軸が同一直線上にあ
るように上下に対向配置する点に特徴を有する。プロペ
ラ１０は、レーザ照射軸と平行でかつレーザ照射軸から
離れた位置に設けられた回転軸３０に取り付けられて回
転可能にされている。回転軸３０の延在方向は、以後Ｗ
軸と呼ばれる。回転軸３０は、減速機３１を介してサー
ボモータ３２によるサーボ駆動系で駆動される。これら
回転軸３０、減速機３１、サーボモータ３２はまとめて
第１の回転駆動系と呼ばれても良い。

【００１１】この第１の回転駆動系は、図１の左右の水
平方向（以下、Ｘ軸方向と呼ぶ）にスライド可能なＸ軸
テーブル４０上に構成されて、Ｘ軸方向に移動可能であ
る。Ｘ軸テーブル４０は、ボックス４１内に収容された
ボールネジ機構及びこれを駆動するサーボモータ（いず
れも図示せず）によるサーボ駆動系で駆動される。これ
らのＸ軸テーブル４０、ボールネジ機構及びサーボモー
タは、まとめて第２の駆動系と呼ばれても良い。

【００１２】一対のレーザセンサ２０ａ，２０ｂもま
た、ボックス２１内に収容されたボールネジ機構及びこ
れを駆動するサーボモータ（いずれも図示せず）による
サーボ駆動系により常に一定間隔を維持した状態でレー
ザ照射軸方向（以下、Ｚ軸方向と呼ぶ）に移動可能にさ
れている。これらのボールネジ機構及びサーボモータ
は、まとめて第３の駆動系と呼ばれても良い。

【００１３】形状測定に際しては、Ｗ軸は第１の回転駆
動系による回転によってプロペラ１０の羽根が周期的に
レーザ照射軸を横切る位置に設定される。そして、第２
の駆動系はＸ軸テーブル４０を定時間間隔で一定距離だ
けＸ軸方向に移動させることにより、プロペラ１０の羽
根に対するレーザ照射の軌跡が部分的な同心円となるよ
うにされている。

【００１４】第１の回転駆動系、第２，第３の駆動系
は、図示しない制御部で駆動される。制御部はまた、プ
ロペラ１０の羽根で反射されたレーザ光を光電変換して
得られるレーザセンサ２０ａ，２０ｂからの電気信号を
受け、これら２つの電気信号に対して同期したサンプリ
ングを行い、サンプリング値から羽根の表面の座標を算
出してそれらの差から羽根の肉厚を計算する。このよう
な計算方法の一例について言えば、レーザセンサ２０
ａ，２０ｂ間の距離Ｌが一定であり、レーザセンサ２０
ａから羽根の上面までの距離Ｌａ、レーザセンサ２０ｂ
から羽根の下面までの距離Ｌｂをサンプリング値から算
出することで上面及び下面のＺ軸に関する座標を知るこ
とができるので、これらの差の計算を行うことで、サン
プリングされた測定点の肉厚を算出することができる。
勿論、肉厚Ｔ＝Ｌ−（Ｌａ＋Ｌｂ）で計算することもで
きる。

【００１５】図５は、上記のようにして第１の回転駆動
系による回転と第２の駆動系によるＸ軸方向の移動及び
サンプリング動作により決まる肉厚測定点の一例を示
す。測定点の間隔は数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の値に設定さ
れる。なお、図５に矢印で示すプロペラ１０の回転方向
の場合、レーザセンサ２０ａ，２０ｂからの反射光があ
らわれた点及び反射光が無くなった点が図中一点鎖線で
示す羽根の輪郭として検出される。また、羽根の外径は
検出された輪郭から算出される。

【００１６】次に、第３の駆動系の機能について説明す
る。レーザセンサ２０ａ，２０ｂは、通常、距離測定範
囲に制限がある。すなわち、レーザセンサから所定範囲
内にある対象物に対して距離測定が可能であり、所定範
囲は通常、数十ｃｍである。これに対し、船舶用のプロ
ペラのように直径が数ｍにもなるような場合、測定点の
上下方向の差は数十ｃｍ以上となり、レーザセンサ２０
ａ，２０ｂの位置を上記所定範囲で固定とすると、レー
ザセンサ２０ａ，２０ｂが回転するプロペラ１０に衝突
するおそれがある。

【００１７】そこで、プロペラ１０の外形、すなわちお
およその曲面形状をあらかじめプログラムで作成して制
御部内のメモリに格納しておく。制御部は、このプログ
ラムにもとづいて第３の駆動系を制御して、プロペラ１
０が回転してもレーザセンサ２０ａ，２０ｂがプロペラ
１０に衝突することのないよう、レーザセンサ２０ａ，
２０ｂのＺ軸方向の位置を調整する。勿論、この場合の
レーザセンサ２０ａ，２０ｂの変位量は上記肉厚の算出
に考慮される。ここで、プロペラ１０のような場合、羽
根の上下両面は同じ曲率で変化、すなわち同じような曲
面を持つので、レーザセンサ２０ａ，２０ｂのＺ軸方向
への移動制御は、レーザセンサ２０ａ，２０ｂの間隔を
一定に保持したままで連動させるようにしている。

【００１８】しかし、上下両面が同じような曲率で変化
しない曲面形状を持つ成形品の場合、レーザセンサ２０
ａ，２０ｂの間隔を一定に保持したままで、Ｚ軸方向に
移動させるだけでは、一方のレーザセンサが成形品に衝
突することもあり得る。このような場合を考慮して、レ
ーザセンサ２０ａ，２０ｂを個別に移動制御するように
しても良い。この場合でも、レーザセンサ２０ａ，２０
ｂの個別の移動量を知ることができるので、これらの移
動量を考慮した計算を行うことで肉厚を算出することが
できる。

【００１９】以上の説明で明らかにように、この形状計
測装置は、Ｗ軸，Ｘ軸，Ｚ軸の比例制御による３軸駆動
系を備えると共に、レーザセンサ２０ａ，２０ｂによる
形状計測機能を備え、３軸駆動系を個別に制御しながら
レーザセンサ２０ａ，２０ｂからの検出信号を処理する
必要がある。

【００２０】図１は上記のような３軸駆動系の個別制御
とレーザセンサ２０ａ，２０ｂからの検出信号を処理す
る機能とを実現するための制御システムのブロック図で
ある。本発明では、３軸駆動系の個別制御に市販の４軸
サーボコントローラ１００の３軸分を利用し、残りの１
軸の制御系をパルス出力のために利用する点に特徴を有
する。すなわち、４軸サーボコントローラ１００は、サ
ーボボード１０１、ドライバ１０２を経由してＷ軸用の
サーボモータ３２を、サーボボード１０３、ドイバ１０
４を経由してＸ軸用のサーボモータ１０５を、サーボボ
ード１０６、ドライバ１０７を経由してＺ軸用のサーボ
モータ１０８をそれぞれ制御する。４軸サーボコントロ
ーラ１００はまた、パルス信号を発生してこのパルス信
号をパルスボード１１０を通して出力する。このパルス
信号は分周回路１１１で分周され、計測サンプリング信
号としてインタフェース１２０を経由して制御部２００
に供給する。４軸サーボコントローラ１００にはまた、
操作パネル１１２が接続されている。

【００２１】４軸サーボコントローラ１００には更に、
Ｘ軸についてはＸ軸テーブル４０の基準位置の検出とそ
こからの＋方向、−方向への極限移動量を設定するため
のリミットスイッチＨＬＳＸ，＋ＬＳＸ，−ＬＳＸが接
続されている。同様に、Ｚ軸についてもリミットスイッ
チＨＬＳＺ，＋ＬＳＺ，−ＬＳＺが接続されている。一
方、Ｗ軸については、回転基準位置を検出するためのリ
ミットスイッチＨＬＳＷが接続されている。なお、図２
に示した形状計測装置はオペレータに対する安全確保の
ために計測室に収容されている。４軸サーボコントロー
ラ１００にはまた、計測室へ出入りするドアの閉を検出
するためのリミットスイッチＬＳ、ドアをクランプ状態
に保持するためのドアクランプ用ソレノイドＳＯＬが接
続されている。

【００２２】制御部２００は、例えばクロック周波数１
００（ＭＨｚ）、容量１６（ＭＢ）のメモリ、容量４２
０（ＭＢ）以上のハードディスクドライバ、３．５イン
チのフロッピーディスクドライバ２台が組込まれてい
る。

【００２３】レーザセンサ２０ａ，２０ｂにはそれぞれ
計測コントローラ１３０ａ，１３０ｂが接続されてい
る。制御部２００は、これらの計測コントローラ１３０
ａ，１３０ｂを通してレーザセンサ２０ａ，２０ｂに対
してオン，オフを指示するコントロール信号を出力した
り、レーザセンサ２０ａ，２０ｂからの検出信号を計測
データとして受ける。

【００２４】制御部２００には、３つの駆動系に対する
各種設定値の入力を行うためのキーボード２０１及びマ
ウス２０２がインタフェース１２０を介して接続される
他、算出結果、すなわちプロペラ１０の羽根の肉厚、輪
郭、外径等を画像にして表示するディスプレイ２０３、
数値にてプリントアウトするプリンタ２０４、図５に示
すような測定点とそこの肉厚をプロットするＸ−Ｙプロ
ッタ２０５がそれぞれインタフェース１２０を介して接
続されている。前述したプログラムの入力は、例えばフ
ロッピーディスクドライバを通して行われる。

【００２５】本制御システムの特徴は、前述したよう
に、４軸同時制御型の４軸サーボコントローラ１００の
うちの１軸をパルス出力にして、そのパルス出力を３軸
の各軸の制御対象物（サーボ駆動系により移動する部
分）の位置確認のための専用信号として利用する点にあ
る。このため、出力されるパルス信号は比例制御でパル
ス駆動される３軸の中から選択される基準軸のサーボモ
ータ回転速度に同期（比例）させる。ここでは、基準軸
をＷ軸とする。なお、各軸における制御対象物の移動範
囲内には一定間隔で複数のティーチングポイントが設定
される。このティーチングポイントは、少なくとも計測
開始点と計測終了点の２点あれば良い。そして、各軸に
おける制御対象物が移動する際に通るティーチングポイ
ント間の距離を、制御対象物が１パルス分で移動する距
離の整数倍に設定しておくことにより、各軸毎に駆動パ
ルス数を積算するだけで各軸の制御対象物がティーチン
グポイント間のどの位置にあるかがわかる。また、基準
軸における制御対象物の１パルス当たりの移動距離がわ
かっているので、各軸の速度比からも各軸の制御対象物
の移動距離がわかる。

【００２６】一方、分周回路１１１では、パルス出力を
カウンタにより積算し、あらかじめ設定したパルス数毎
に計測サンプリング信号を出力することで分周を行なっ
ている。したがって、基準軸における制御対象物が一定
距離移動する毎に計測サンプリング信号が出力されるこ
とになる。なお、分周回路１１１内のカウンタの積算値
は、キーボード２０１で分周比設定変更の操作を行う
と、制御部２００は変更された設定値を指示する分周コ
ントロール信号を分周回路１１１に出力することで変更
され、計測サンプリング信号のサンプリングタイミング
を自由に変更できる。

【００２７】形状計測動作を行なっている間、４軸サー
ボコントローラ１００は常に３軸のサーボモータ３２，
１０５，１０８を同時制御している一方、計測コントロ
ーラ１３０ａ，１３０ｂはレーザセンサ２０ａ，２０ｂ
によって常に座標（あるいは距離）計測を行なってい
る。しかし、４軸サーボコントローラ１００から制御部
２００には、各軸の制御対象物が通過したティーチング
ポイント位置、ティーチングポイント間のサーボモータ
の回転速度及び計測サンプリング信号が入力されるだけ
である。制御部２００は、計測サンプリング信号が到来
すると、その時点から最先に通過した各軸のティーチン
グポイントとそのあと積算された駆動パルス数（４軸サ
ーボコントローラ１００で発生したパルス信号の数）か
ら各軸の制御対象物の位置を演算して認識すると共に、
計測コントローラ１３０ａ，１３０ｂから計測データを
受け取り、各軸の制御対象物の位置と計測データを合成
して計測点の座標（あるいは計測点までの距離）を算出
する。このように、制御部２００には必要最小限のデー
タしか入力されないので、制御部２００の負担を大幅に
減らすことができる。

【００２８】以上、本発明の実施の形態を３軸の駆動系
を持つプロペラの形状計測装置に適用して説明したが、
本発明はプロペラやタービンブレードのような３次元曲
面を持つ成形品の形状計測装置の他、２軸あるいは３軸
以上の多軸同時制御型の工作機械における各軸の位置管
理にも適用できる。

【００２９】

【発明の効果】多軸同時制御型の制御システムにおいて
は、各軸の制御対象物の位置をそれぞれリニアスケール
やエンコーダを使用して計測する方法が最も一般的であ
るが、複数軸に対して位置計測が必要である場合、軸数
分の位置計測手段が必要である。これに対し、本発明方
式によれば、複数軸を比例制御させる場合、基準となる
軸に同期させてパルスを発生させれば良いので、位置計
測用の出力機構が１個で良い。そして、制御部では、各
軸からの制御に関するデータ及び計測コントローラから
の計測データをすべて取り込むのではなく、計測サンプ
リング信号が入力された時のみデータを取り込んで所定
の演算を行うので、制御部の負担を大幅に減らすことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御システムの構成を示すブロック図
である。

【図２】本発明が適用される形状計測装置の主要部の構
成を示す正面図である。

【図３】図２に示された形状計測装置の主要部の平面図
である。

【図４】図２に示された形状計測装置の主要部の側面図
である。

【図５】図２の形状計測装置により測定対象物であるプ
ロペラに対して設定される計測点の分布の一例を示した
図である。

【符号の説明】

１０ プロペラ ２０ａ，２０ｂ レーザセンサ ３０ 回転軸 ３１ 減速機 ３２ 駆動モータ ４０ Ｘ軸テーブル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 独立して比例制御を行なうｎ軸のサーボ
   駆動系を個別に制御するための多軸同時制御型のサーボ
   コントローラと、 前記ｎ軸のサーボ駆動系の１つで移動制御されてあらか
   じめ定められた検出動作を行うセンサの動作を制御する
   と共に、前記センサからの検出信号を中継する計測コン
   トローラと、 前記サーボコントローラから制御に関するデータを受け
   ると共に、前記計測コントローラからは前記センサから
   の検出信号を受け、前記制御に関するデータと前記検出
   信号をもとにあらかじめ定められた処理を行なう制御部
   とを備え、 前記サーボコントローラとして（ｎ＋１）軸同時制御型
   のものを用い、残る１軸の出力をパルス出力用とし、該
   パルス出力を前記ｎ軸のサーボ駆動系の中から選択され
   た基準となるべき軸のサーボモータの回転速度に同期さ
   せると共に、分周手段を通して前記制御部に計測サンプ
   リング信号として出力し、 前記制御部は、前記計測サンプリング信号の到来時の
   み、前記制御に関するデータと前記検出信号とを取り込
   んで前記あらかじめ定められた処理を行うことを特徴と
   する多軸同時制御システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の多軸同時制御システムに
   おいて、前記制御部に対して前記分周手段の分周比の設
   定変更を指示する入力手段を備え、前記制御部は、該入
   力手段からの設定変更により前記分周手段における前記
   分周比の設定変更を行うことを特徴とする多軸同時制御
   システム。