TWI770334B - 設計支援裝置、設計支援方法、及設計支援程式 - Google Patents

設計支援裝置、設計支援方法、及設計支援程式 Download PDF

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Abstract

[課題]進行成在構成被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置的機械要件之設計中，讓使用者可以容易地掌握該機械要件的特性對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。 [解決手段]設成下述構成：在執行對機械裝置之設計進行支援的處理之設計支援裝置中，處理器在構成機械裝置的1個以上的機械要件之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定，並且依據該等複數個參數，來針對機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點，並且製作穩定性判別線圖，其中前述穩定性判別線圖包含該轉移函數之極點的實數部分的等值線。

Description

設計支援裝置、設計支援方法、及設計支援程式
發明領域 本發明是關於一種對被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之設計進行支援的支援裝置、設計支援方法、及設計支援程式。
發明背景 已知有例如下述情形：在將被反饋控制系統所控制的伺服馬達的旋轉運動，透過滾珠螺桿及螺帽轉換為工作台的直進運動之進給驅動機構中，伺服馬達的旋轉運動是將其增益常數設定得越大，則越能實現高響應且高精度的運動。另一方面，當增益常數設定得過大時，會有在以進給驅動機構的各部的質量或剛性等之關係所決定的固有頻率上產生異常的振動之情況。
以往，有關於要求適當的控制系統的特性之技術，依據機械系統統的特性來製作根軌跡圖的方法是公知的(參照非專利文獻1)。又，為了綜合地提升機械裝置的性能，而分析機械要件的慣性矩及剛性、與表示機械裝置的性能的1個指標的伺服剛性的關係，以進行各要件的設計之方法是公知的(參照非專利文獻2)。又，依據機械裝置的模型來模擬其特性，而支援最佳的設計之方法是公知的(參照專利文獻1)。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-102714號公報 非專利文獻
非專利文獻1：松原厚，精密定位、進給系統設計用之控制工學，森北出版(2008)。 非專利文獻2：垣野義昭，松原厚，上田大介，中川秀夫，竹下虎男，丸山壽一，有關於NC工作機械中的進給驅動系統之總調諧(total tuning)的研究(第3次報告)-機構參數之調諧，精密工學會誌，Vol.62，No.3，(1996)，pp.423-427。
發明概要 發明欲解決之課題 然而，因為在上述非專利文獻1的以往技術中，是形成為最終所得到的機械裝置的性能會被機械系統的特性所限制之情形，而為該技術是與控制系統有關的技術，所以針對機械裝置及構成其的機械要件的設計並未進行考慮。又，在上述非專利文獻2所記載的以往技術中，因為僅針對1次的固有頻率來考慮，所以會有使用者無法適當地掌握可在機械裝置產生的振動之情形。又，在上述專利文獻1所記載的技術中，是在同時地起動複數個進給驅動系統來構成期望的形狀的情況下，實現將伺服增益最佳化的設計，然而關於為了提升機械裝置的性能宜如何設計機械系統的特性並未有揭示。
特別是，所希望的是進行成：在使用者進行構成機械裝置的機械要件的設計(包含機械要件的選定)時，會讓使用者可以容易地掌握對象的機械要件的特性對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響，但是在上述的以往技術中，關於那樣的使用者的便利性並未考慮。
本發明是有鑒於這種以往技術的課題而想出的發明，主要目的在於提供一種設計支援裝置、設計支援方法、及設計支援程式，其為在構成被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置的機械要件之設計中，讓使用者可以容易地掌握該機械要件的特性對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。 用以解決課題之手段
在本發明的第1方面中，是一種具備有處理器(11)的設計支援裝置(1)，前述處理器(11)是執行對被受到反饋控制的馬達(23、57)所驅動的機械裝置(21、51)之設計進行支援的處理，前述設計支援裝置(1)的特徵在於：前述處理器是在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件(24、56、58)之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定，並且依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點，並且製作穩定性判別線圖，其中前述穩定性判別線圖包含前述轉移函數之極點的實數部分的等值線。
據此，變得可讓使用者在構成機械裝置之機械要件之設計(包含機械要件的選定)中，容易地掌握該機械要件的特性(參數)對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。其結果，變得可讓使用者將機械裝置中的異常的振動的產生防範於未然，又，在已產生異常的振動的機械裝置中，可以得到與用於抑制該振動的產生的機械要件的特性有關之具體的改善方針。
在本發明的第2方面中，其特徵在於：更具備有顯示前述穩定性判別線圖(41、71)的顯示裝置。
據此，變得可讓使用者藉由顯示於顯示裝置的穩定性判別線圖，以視覺的方式容易地掌握機械要件的特性對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。
在本發明的第3方面中，其特徵在於：前述處理器在設定有複數個前述振動模式的情況下，是製作有關於該等複數個振動模式的每一個之包含前述轉移函數之極點的實數部分的等值線之1個前述穩定性判別線圖。
據此，變得可讓使用者藉由依據顯示於顯示裝置的複數個振動模式之穩定性判別線圖，而更確實地掌握機械要件的特性對機械裝置的異常的振動產生所帶來的影響。
在本發明的第4方面中，其特徵在於：前述複數個參數包含有關於前述機械要件的剛性及衰減特性之參數。
據此，變得可讓使用者適當地掌握機械要件的特性對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。
在本發明的第5方面中，其特徵在於：前述處理器在將前述轉移函數之極點依其虛數部的絕對值漸減的順序排列的情況下，是以前述虛數部的絕對值之大小為最大之極點作為基點，針對低相當於前述數學模型的自由度與前述振動模式的數量之差個極點的實部，來製作等值線。
據此，變得可適當地製作包含轉移函數之極點的實數部分的等值線之穩定性判別線圖。
在本發明的第6方面中，其特徵在於：前述處理器是以包含表示前述參數之值的記號的方式來製作前述穩定性判別線圖，其中前述參數之值是有關於前述機械要件的候補即1個以上的對象製品的參數之值。
據此，使用者變得可在機械要件的選定中，掌握成為其候補的對象製品的特性(參數)對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。其結果，使用者變得可容易地從對象製品中選擇用於將機械裝置中的異常的振動的產生防範於未然，或用於抑制產生有異常的振動的機械裝置之該振動的產生的機械要件。
在本發明的第7方面中，是一種對被受到反饋控制的馬達(23、57)所驅動的機械裝置(21、51)之設計進行支援的設計支援方法，其特徵在於：在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件(24、56、58)之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定，並且依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點，並且製作穩定性判別線圖，其中前述穩定性判別線圖包含前述轉移函數之極點的實數部分的等值線。
據此，變得可讓使用者在構成機械裝置之機械要件之設計(包含機械要件的選定)中，容易地掌握該機械要件的特性(參數)對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。其結果，變得可讓使用者將機械裝置中的異常的振動的產生防範於未然，又，在已產生異常的振動的機械裝置中，可以得到與用於抑制該振動的產生的機械要件的特性有關之具體的改善方針。
在本發明的第8方面中，是一種用於執行下述處理的設計支援程式：對被受到反饋控制的馬達(23、57)所驅動的機械裝置(21、51)之設計進行支援，前述設計支援程式的特徵在於：使電腦(1)執行： 在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件(24、56、58)之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定的步驟； 依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點的步驟；及 製作穩定性判別線圖的步驟，其中前述穩定性判別線圖包含有前述轉移函數之極點的實數部分的等值線。
據此，變得可讓使用者在構成機械裝置之機械要件之設計(包含機械要件的選定)中，容易地掌握該機械要件的特性(參數)對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。其結果，變得可讓使用者將機械裝置中的異常的振動的產生防範於未然，又，在已產生異常的振動的機械裝置中，可以得到與用於抑制該振動的產生的機械要件的特性有關之具體的改善方針。 發明效果
像這樣根據本發明，變得可在構成被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置的機械要件之設計中，讓使用者容易地掌握該機械要件的特性對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。
用以實施發明之形態 以下，針對本發明的實施形態，一邊參照圖式一邊進行說明。
圖1及圖2分別為本發明的實施形態之設計支援裝置1的功能方塊圖及硬體構成圖。
此設計支援裝置1是執行被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之進行設計支援用的處理(以下，稱為「設計支援處理」)，且進行成針對構成該機械裝置的機械要件之設計(包含機械要件的選定)，讓使用者可以容易地掌握該機械要件的特性(數學模型的參數)對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。
如圖1所示，設計支援裝置1主要具備：轉移函數計算部2，從數學模型中計算表示該機械裝置的動態響應特性之轉移函數，其中前述數學模型是由模擬了機械裝置(圖未示)的特性的數學式所構成；分析參數設定部3，設定分析對象之機械要件(以下，稱為「分析對象要件」)的數學模型的參數的範圍；固定參數設定部4，設定分析對象要件以外的其他的機械要件的數學模型的參數；振動模式設定部5，設定分析對象要件的振動模式；穩定性判別線圖製作部6，針對所設定的1個以上的振動模式，算出該機械裝置的轉移函數之極點，並且製作包含該極點的實數部分的等值線之穩定性判別線圖；及顯示部7，在由使用者所進行的各種設定的輸入(參照例如後述的圖9)、或於後詳述的穩定性判別線圖等的分析結果的輸出上使用。
設計支援裝置1是由具備有公知的硬體的電腦所構成，且如圖2所示，具有將1個以上的處理器11、RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)12、ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)13及網路介面(I/F)14各自連接到輸入輸出匯流排15的構成，前述處理器11是依據設計支援軟體(控制程式)執行設計支援處理，前述RAM12是作為此處理器11工作區等而發揮功能，前述ROM13是保存處理器11所執行的控制程式或資料等，前述網路介面(I/F)14是由網路配接器所構成，前述網路配接器是用於將設計支援裝置1設成可連接到公知的通訊網路。
又，於設計支援裝置1附設有輸入裝置16、顯示裝置17及外部儲存裝置18等來作為周邊機器，前述輸入裝置16是在設計支援裝置1中的各種設定、或分析結果的顯示等之時使用者所利用的鍵盤及滑鼠等的輸入元件，前述顯示裝置17是由構成上述顯示部7的液晶螢幕等所構成，前述外部儲存裝置18是由HDD(硬式磁碟機)或快閃記憶體等的儲存器所構成。圖1所示的設計支援裝置1的各部分的功能，可藉由處理器11執行包含設計支援軟體的規定的控制程式而實現。
再者，針對設計支援裝置1的硬體，只要可執行設計支援處理，並不受限於圖2所示的構成，而可適當變更。例如，設計支援裝置1也可以藉由複數台電腦來實現。
圖3是顯示由設計支援裝置1(穩定性判別線圖製作部6)所進行之設計支援處理(設計支援方法)的流程的流程圖。
在設計支援裝置1中，使用者可預先設定相當於穩定性判別線圖(參照例如後述的圖7)的橫軸及縱軸的機械裝置的數學模型之中的任意的參數(於此是設為2個參數A、B)。
當開始設計支援處理時，首先是由使用者分別設定該等橫軸及縱軸的劃分數n、m(ST101)，藉此將參數A的分析範圍劃分成n個(ST102)，並將參數B的分析範圍劃分成m個(ST103)。再者，橫軸及縱軸的劃分可進行線性劃分、亦可進行對數劃分。又，使用者不一定每次都需要設定劃分數n、m，也可以使用預先儲存於外部儲存裝置18等的劃分數n、m。在此，雖然劃分數越多越能以更高的解析度進行分析，但是因為會變得計算量增加，所以亦可因應於參數而預先決定橫軸及縱軸的劃分數的範圍(例如上限值、下限值)。
接著，將分析對象的參數Ai (i＝1~n)與Bj (j＝1~m)(亦即，將參數A、B依據各自的劃分數n、m而變更之值)代入機械裝置的轉移函數中，依序計算各自的極點(ST104)。此時，轉移函數之極點可以作為轉移函數的分母多項式的根來求得。
在此，若將機械裝置的模型的自由度設為DOF時，該機械裝置的振動模式的數量會成為DOF-1。在步驟ST104中所求得的極點的虛數部的絕對值，是對應於由該極點進行的振動的頻率，在已將分析對象的振動模式設為N次的情況下，可將虛數部的絕對值為第(DOF-N)大的極點的實數部分(實數部)之值，設為Cij來儲存於外部儲存裝置18(ST105)。藉此，在將N次的振動模式設為分析對象的情況下，關於在步驟ST104所求得的極點，其虛數部的絕對值為第(DOF-N)大的極點，會成為對應於N次的振動模式之極點。再者，轉移函數之極點的實數部是與機械裝置的穩定性有關係，其實數部之值若為負值為穩定，若為正值則變得不穩定。
接著，可針對在步驟ST105所求得的實數部的值Cij，並藉由算出將橫軸設為A、縱軸設為B的等值線，而製作包含該等值線的穩定性判別線圖(包含等值線的圖形資料)(ST106)。所製作出的穩定性判別線圖是儲存於外部儲存裝置18中。再者，穩定性判別線圖亦可為依據參數Ai 、Bj 以及實數部之值Cij 的三維的圖形。
如後所詳述，使用者在構成機械裝置的機械要件的設計(包含機械要件的選定)時，可參照上述的穩定性判別線圖。由使用者所進行的穩定性判別線圖之參照，宜藉由將包含穩定性判別線圖的設計支援畫面顯示於顯示裝置17來進行，但是並非受限於此，亦可藉由其他的形態(例如有關於穩定性判別線圖的聲音的輸出等)來實施。
藉此，使用者變得可容易地掌握機械要件的特性(參數)對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。其結果，變得可讓使用者將新的機械裝置中的異常的振動的產生防範於未然，又，在已產生異常的振動的既有的機械裝置中，可以得到與用於抑制該振動的產生的機械要件的特性有關之具體的改善方針。
以下，針對本發明之設計支援裝置1及其設計支援方法，說明適當的實施例。
圖4是顯示藉由設計支援裝置1所進行之設計支援處理的適用例之第1機械裝置21的圖，圖5是顯示第1機械裝置21的動態模型的圖，圖6是第1機械裝置21中的馬達23的控制系統的方塊圖。
如圖4所示，機械裝置21是作為印刷機中的滾輪22之旋轉驅動機構而構成，且具備有驅動滾輪22之馬達23、及連結滾輪22的一端側之軸22a及馬達23之軸23a的聯結器24。在此，設計支援裝置1的分析對象要件為聯結器24。在此情況下，變得可藉由適當地設計聯結器24的剛性或衰減特性，而提升驅動機構的性能。
圖5所示的動態模型是將機械裝置21旋轉驅動機構的力學的特性模型化的模型。又，馬達23的旋轉速度是如圖6所示的控制系統的方塊圖而受到反饋控制。在此，Tm 為馬達23的輸出扭矩，θm 為馬達23的旋轉角度，θr 為滾輪22的旋轉角度。在表1中，是將圖5及圖6所示的參數與於分析中所用的數值例一起顯示。 [表1]
Figure 107145684-A0304-0001
從圖5所示的動態模型中，可得到以下所示的運動方程式，且可以從此運動方程式及圖6所示的方塊圖中，依據公知的手法來計算機械裝置21整體的轉移函數。 [數式1]
Figure 02_image001
圖7是顯示有關於圖4所示的第1機械裝置21的聯結器24的穩定性判別線圖的一例的圖，圖8(A)、(B)是顯示各自使用了第1機械裝置21的聯結器24的候補即對象製品(在此是第1及第2聯結器)的情況的旋轉速度的變化的圖。
在圖7所示的穩定性判別線圖中，是使用聯結器24的剛性及衰減特性(扭轉剛性及馬達-滾輪間黏度摩擦係數)來作為參數，並分別設為橫軸及縱軸來表示。附加於圖7中的各等值線的數值是有關於機械裝置21的2次振動模式的轉移函數的實數部的值(在此是-50、0、50、100)。在此例中，若將扭轉剛性比較小的區域(例如，未達2.0×105 的區域)去除，在轉移函數的實數部之值成為負值的穩定區域中，於機械裝置21產生異常的振動的可能性會變低，另一方面，在實數部之值成為正值的不穩定區域中，會使於機械裝置21產生異常的振動的可能性變高。再者，穩定性判別線圖並不限定於圖7所示之圖，亦可將例如圖7所示的橫軸及縱軸相互替換。
在圖8(A)、(B)中所顯示的是，在將第1及第2聯結器各自適用在聯結器24的機械裝置21中，使馬達23的旋轉速度從零增加到100rpm的情況下的滾輪22的旋轉速度的變化。
在此，第1聯結器的剛性及衰減特性之值是如圖7中以三角標記(△)所示，位於穩定性判別線圖的不穩定區域。另一方面，第2聯結器的扭轉剛性及黏度衰減特性之值是如圖7中以圓形標記(○)所示，位於穩定性判別線圖的穩定區域。再者，本案發明中的「對象製品」雖然可從市面上販售產品等的既有的製品中選擇，但是並非受限於此，亦可為預定有新的設計、製造之機械要件。
如圖8(A)所示，在將剛性及衰減特性之值位於不穩定區域的第1聯結器適用於機械裝置21的情況下，可得知下述情形：因為在滾輪22的旋轉中產生異常的振動，使得機械裝置21的正常的使用困難。另一方面，如圖8(B)所示，在將剛性及衰減特性之值位於穩定區域的第2聯結器適用於機械裝置21的情況下，可得知下述情形：在機械裝置21中的滾輪22可進行正常的旋轉動作。
像這樣，變得可讓使用者容易地從如上述的穩定性判別線圖掌握聯結器24的特性(在此為剛性及衰減特性)對機械裝置21振動所帶來的影響。其結果，變得可讓使用者藉由將聯結器24設計(包含選定)成使剛性及衰減特性之值位於穩定區域，以將機械裝置21中的異常的振動的產生防範於未然。又，在機械裝置21中已產生異常的振動的情況，使用者可以得到有關於用於抑制該振動的產生的聯結器24的剛性及衰減特性之具體的改善方針。若使用本發明，可以將對有關於如聯結器的機械要件之異常的振動的穩定性，於以一眼即可以判斷的指針中顯示，其效果是大的。
圖9是顯示有關於第1機械裝置21的設計支援，由已安裝於設計支援裝置1的設計支援軟體所形成的GUI(Graphical User Interface，圖形使用者介面)畫面30的一例的圖。
如圖9所示，在GUI畫面30中，分析參數設定欄位31是有關於藉由分析參數設定部3所設定的分析對象要件的參數(在此為聯結器24的剛性及衰減特性等)的範圍，且是設成可進行由使用者進行的輸入操作。又，固定參數設定欄位32是有關於藉由固定參數設定部4所設定的分析對象要件以外的其他的機械要件的參數(在此為速度迴路比例增益Kvp 、速度迴路積分增益Kvi 、馬達的黏度摩擦係數、滾輪黏度摩擦係數、馬達-滾輪間黏度衰減係數等)，且是設成可進行由使用者進行的輸入操作。又，在分析結果輸出欄位33中，是因應於由使用者所進行的規定的操作，而顯示對應於圖7的穩定性判別線圖41、或其三維圖形42。三維圖形42可以藉由核取GUI畫面上的「旋轉啟動」而使其以任意的視點來顯示。亦可將「旋轉啟動」的顯示省略，而設成變得可隨時旋轉，亦可將視點固定。
再者，上述轉移函數計算部2是設計支援軟體的功能的一部分，又，可將機械要件的參數之中不需要變更的參數預先儲存於外部儲存裝置18等來作為屬於設計支援軟體的資料。在此，由於機械裝置21振動模式為1個，因此不需要如後述的圖17所示的振動模式設定欄位，而可以省略上述之振動模式設定部5。
在設計支援裝置1中可以藉由使用如此的GUI畫面30，而可進行由使用者進行的各種設定的輸入、或對於使用者的分析結果(穩定性判別線圖等)的輸出。有關於分析結果的輸出，在分析結果輸出欄位33中亦可顯示依據聯結器24的參數且藉由公知的手法所製作出的根軌跡圖45。
圖10是顯示作為由設計支援裝置1所進行的設計支援處理的適用例之第2機械裝置51的圖，圖11是顯示機械裝置51的動態模型的圖。再者，有關於第2機械裝置51，關於以下未特別提到的事項，請適當參照有關於上述之第1機械裝置21的説明。
如圖10所示，機械裝置51是作為製造裝置(例如工作機械)中的進給驅動機構而構成，並且具備滾珠螺桿52、安裝於滾珠螺桿52的螺帽53之工作台54、支撐滾珠螺桿52的螺桿軸55之支撐軸承56、驅動滾珠螺桿52的伺服馬達57、及連結螺桿軸55之端部55a及伺服馬達57之軸57a之聯結器58。藉由這種構成，在機械裝置51中，可將伺服馬達57的旋轉運動透過螺桿軸55及螺帽53轉換成工作台54的直進運動。在此，設計支援裝置1的分析對象要件為聯結器58及支撐軸承56。在機械裝置51中，變得可藉由適當地設計聯結器58及支撐軸承56的剛性或衰減特性，而提升進給驅動機構的性能。
圖11所示的動態模型是將機械裝置21的驅動機構的力學的特性模型化的模型。於圖11中，Tm 為伺服馬達57的輸出扭矩，θm 為伺服馬達57的旋轉角度，θs 為螺桿軸55的旋轉角度，xs 為螺桿軸55的軸方向位移，xt 為工作台54的軸方向位移。於表2中是將圖11所示的參數與於分析中所用的數值例一起顯示。 [表2]
Figure 107145684-A0304-0002
從圖11所示的動態模型，可以得到以下所示的運動方程式，且可以從此運動方程式及與圖6所示的方塊圖同樣的方塊圖並依據公知的手法來計算機械裝置51整體的轉移函數。 [數式2]
Figure 02_image003
圖12(A)、(B)是分別顯示圖10所示的第2機械裝置51的機械要件的1個即支撐軸承56的1次振動模式及2次振動模式之穩定性判別線圖的一例的圖，圖13(A)、(B)是分別顯示第2機械裝置51之使用了支撐軸承56的候補即對象製品(第1及第2支撐軸承)的情況下的速度變化的圖。
在圖12(A)、(B)所示的穩定性判別線圖中，是使用支撐軸承56的剛性及衰減特性(軸方向剛性及軸方向黏度衰減係數)來作為參數，並分別設為橫軸及縱軸來表示。因為圖11所示的機械裝置51的動態模型具有4個自由度，所以其振動模式是成為3個，在此，僅顯示針對2個振動模式(圖12(A)1次振動模式、圖12(B)2次振動模式)的穩定性判別線圖。
與上述之圖7的情況同樣，在圖12(A)、(B)中，在轉移函數的實數部之值成為負值的穩定區域中，於機械裝置51產生異常的振動的可能性會變低，另一方面，在實數部之值成為正值的不穩定區域中，會使於機械裝置51產生異常的振動的可能性變高。
在圖13(A)、(B)中所顯示的是，在將第1及第2支撐軸承分別適用於支撐軸承56的機械裝置51中，使伺服馬達57的速度指令階梯狀地變化時的響應(速度變化)。
在此，第1支撐軸承的軸方向剛性及軸方向的黏度衰減係數之值在圖12中是以三角標記(△)表示，且對於圖12(A)的1次振動模式是位於穩定區域，但對於圖12(B)的2次振動模式是位於不穩定區域。又，第2支撐軸承的軸方向剛性及軸方向的黏度衰減係數之值在圖12中是以圓形標記(○)表示，且與第1支撐軸承相反，對於圖12(A)的1次振動模式是位於不穩定區域，但對於圖12(B)的2次振動模式是位於穩定區域。
在圖13(A)所示的第1支撐軸承中，是相較於圖13(B)所示的第2支撐軸承而產生有在較高的頻率下的振盪，這與下述情形相對應：在圖12(B)所示的2次振動模式的穩定性判別線圖中，第1支撐軸承的軸方向剛性及軸方向的黏度衰減係數之值位於不穩定區域。
像這樣，變得可讓使用者從如圖12(A)、(B)的穩定性判別線圖中容易地掌握支撐軸承56的特性(在此為軸方向剛性及軸方向的黏度衰減係數)對機械裝置51之對於1次振動模式與2次振動模式之振動所帶來的影響。只要這樣地利用本發明，即可以提供下述的使用：在具有2個以上的振動模式的機械裝置中，不僅在機械裝置的製造後，甚至在設計時間點上，都可以容易地判斷有關於機械要件的穩定性。
圖14(A)、(B)是分別顯示有關於圖10所示的第2機械裝置51之機械要件的1個即聯結器58的1次振動模式及2次振動模式之穩定性判別線圖的一例的圖，圖15(A)、(B)是分別顯示第2機械裝置51之使用了聯結器58的候補即對象製品(第1及第2聯結器)的情況下的速度變化的圖，圖16是顯示圖14(A)、(B)所示的穩定性判別線圖的變形例的圖。
在圖14(A)、(B)所示的穩定性判別線圖中，是使用聯結器58的剛性及衰減特性來作為參數，並分別設為橫軸及縱軸來表示。在此也是與圖12(A)、(B)的情況同樣地，顯示有關於1次振動模式及2次振動模式的穩定性判別線圖。
像這樣，在設計支援裝置1及其設計支援方法中，可以自由地選擇製作穩定性判別線圖時的分析對象、或振動模式。又，與上述之圖7的情況同樣，在圖14(A)、(B)中，在轉移函數的實數部之值成為負值的穩定區域中，於機械裝置51產生異常的振動的可能性會變低，另一方面，在實數部之值成為正值的不穩定區域中，會使於機械裝置51產生異常的振動的可能性變高。
如圖14(A)所示，可得知下述情形：在機械裝置51中，即便改變聯結器58的特性仍然幾乎不會對1次振動模式的穩定性帶來影響。另一方面，如圖14(B)所示，可得知下述情形：對於2次振動模式，聯結器58的扭轉剛性及黏度衰減特性對機械裝置51的穩定性帶來影響。
在圖15(A)、(B)中所顯示的是，在將第1及第2聯結器分別適用於聯結器58的機械裝置51中，使伺服馬達57的速度指令階梯狀地變化時的響應(速度變化)。
在此，第1聯結器的扭轉剛性及黏度衰減特性之值在圖14中是以三角標記(△)表示，且對於圖14(A)的1次振動模式是位於穩定區域，但對於圖14(B)的2次振動模式是位於不穩定區域。又，第2聯結器的軸方向剛性及軸方向的黏度衰減係數之值在圖14中是以圓形標記(○)表示，並且對於圖14(A)的1次振動模式及圖14(B)的2次振動模式都是位於穩定區域。
於圖15(A)所示的第1聯結器中，是相較於圖15(B)所示的第2支撐軸承而產生有在較高的頻率下的振盪，這與下述情形相對應：在圖14(B)所示的2次振動模式的穩定性判別線圖中，第1聯結器的軸方向剛性及軸方向的黏度衰減係數之值位於不穩定區域。另一方面，在圖15(B)所示的第2聯結器中，可得知下述情形：響應為未振盪，而可以正常地使用第2機械裝置51。
依據這樣的機械裝置51的進給驅動機構的分析結果，可以讓使用者只要例如對位於針對1次振動模式的穩定性判別線圖的穩定區域之支撐軸承56的特性進行設計，然後以位於針對2次振動模式的穩定性判別線圖的穩定區域的方式來選擇聯結器58，即可以綜合地提升進給驅動機構的性能。又，可得知下述情形：只要將支撐軸承56的剛性設為第1支撐軸承之值與第2支撐軸承之值的中間程度，則可以使其位於針對1次與2次之兩種振動模式的穩定性判別線圖的穩定區域。已知有下述情形：支撐軸承的軸方向剛性，可以藉由改變軸承的預壓量來調整。
像這樣，變得可讓使用者藉由使用設計支援裝置1及其設計支援方法，而容易地掌握複數個分析對象要件對機械裝置51的振動所帶來的影響。又，可以讓使用者掌握用於提升機械裝置51性能的最佳的要件的剛性或衰減特性，並且能夠以讓機械裝置的性能提升的方式進行機械要件的設計(包含機械要件的選定)。
再者，在圖12及圖14中，雖然分別依據個別的機械要件(支撐軸承56、聯結器58)的特性而製作出穩定性判別線圖，但並非受限於為此，也可以依據複數個機械要件的特性來製作1個的穩定性判別線圖(例如，將橫軸設為支撐軸承56的剛性，將縱軸設為聯結器58的剛性)。又，亦可將上述之穩定性判別線圖的橫軸及縱軸的至少一軸設為伺服馬達57的控制系統的伺服增益，又，亦可以將滾珠螺桿52的導程、慣性矩、及質量等設為分析對象。
又，在圖12(A)、(B)中，雖然顯示了對複數個振動模式分別製作穩定性判別線圖的例子，但也可製作將關於複數個振動模式的每一個所製作出的穩定性判別線圖重疊而成的態樣的1個的穩定性判別線圖，並且將此顯示於顯示部7。
例如，在圖16所示的穩定性判別線圖中是形成為包含圖12(A)、(B)所示之有關於第1振動模式及第2振動模式的等值線之情形，並且可考量兩種振動模式而界定穩定區域(參照圖16中的塗色區域)及不穩定區域。使用者變得可藉由依據這種複數個振動模式的穩定性判別線圖，而更確實地掌握支撐軸承56的特性對機械裝置的異常的振動的產生所帶來的影響。再者，在設計支援裝置1及其設計支援方法中，也可以製作將有關於3個以上的振動模式的每一個所製作出的穩定性判別線圖重疊而成的態樣的1個穩定性判別線圖。
圖17是顯示有關於第2機械裝置51的設計支援，且由以設計支援裝置1所執行之設計支援軟體形成的GUI的畫面60的一例的圖。
如圖17所示，在GUI畫面60中，分析參數設定欄位61是有關於藉由分析參數設定部3所設定的分析對象要件的參數(在此為支撐軸承56的軸方向剛性及軸方向的黏度衰減係數)的範圍，且是設成可進行由使用者進行的輸入操作。再者，使用者可適當地變更分析參數設定欄位61的分析對象要件。又，固定參數設定欄位62是有關於藉由固定參數設定部4所設定的分析對象要件以外的他的機械要件的參數(在此為速度迴路比例增益Kvp 、速度迴路積分增益Kvi 、聯結器58的剛性及扭轉剛性及黏度衰減係數、軸承的軸方向剛性及黏度衰減係數、螺帽53的軸方向剛性及黏度摩擦係數)，且是設成可進行由使用者進行的輸入操作。又，振動模式設定欄位64是有關於藉由振動模式設定部5所設定的分析對象要件的振動模式，且是設成可進行由使用者進行的輸入操作。雖然在此是在振動模式設定欄位64中輸入(選擇)2次振動模式，但使用者也可以輸入1次振動模式、或圖16所示的複數個振動模式。又，在分析結果輸出欄位63中是顯示對應於圖12(B)的穩定性判別線圖71及其三維圖形72。三維圖形可以藉由核取GUI畫面上的「旋轉啟動」而使其以任意視點來顯示。亦可將「旋轉啟動」的顯示省略，而設成變得可隨時旋轉，亦可將視點固定。再者，在分析結果輸出欄位63中亦可顯示依據支撐軸承56的參數且藉由公知的手法所製作出的根軌跡圖75。
本發明的適用雖然在適用的機械裝置僅有1個振動模式的情況下也可以適用，但特別是在具有2個以上的振動模式的情況下，能夠以在各自的振動模式下變得穩定的方式來選定機械要件的參數，而不僅是製造出機械裝置後之對異常的振動的對策，也具有下述的重大優點：在製作機械裝置前，可以設定機械要件所必要之參數。
以上，雖然依據特定的實施形態而進行了說明，但這些實施形態均僅為例示，本發明並非藉由這些實施形態所限定的發明。 例如，本發明之設計支援裝置及其設計支援方法並不受限於上述的例子，且可使用於例如半導體製造裝置、動力轉向(power steering)、航空器的升力裝置、及產業用機器人等之各種機械裝置的驅動機構的設計支援。再者，在上述實施形態所示之本發明的設計支援裝置、設計支援方法、及設計支援程式的各構成要件並非全部均為必須，只要在至少不脫離本發明的範圍中均可適當取捨選擇。
1‧‧‧設計支援裝置 2‧‧‧轉移函數計算部 3‧‧‧分析參數設定部 4‧‧‧固定參數設定部 5‧‧‧振動模式設定部 6‧‧‧穩定性判別線圖製作部 7‧‧‧顯示部 11‧‧‧處理器 12‧‧‧RAM(隨機存取儲存體) 13‧‧‧ROM(唯讀儲存體) 14‧‧‧網路介面(I/F) 15‧‧‧輸入輸出匯流排 16‧‧‧輸入裝置 17‧‧‧顯示裝置 18‧‧‧外部儲存裝置 21‧‧‧第1機械裝置(機械裝置) 22‧‧‧滾輪 23‧‧‧馬達 22a、23a‧‧‧軸 24、58‧‧‧聯結器 30、60‧‧‧GUI畫面 31、61‧‧‧分析參數設定欄位 32、62‧‧‧固定參數設定欄位 33、63‧‧‧分析結果輸出欄位 41、71‧‧‧穩定性判別線圖 42、72‧‧‧三維圖形 45、75‧‧‧根軌跡圖 51‧‧‧第2機械裝置(機械裝置) 52‧‧‧滾珠螺桿 53‧‧‧螺帽 54‧‧‧工作台 55‧‧‧螺桿軸 55a‧‧‧端部 56‧‧‧支撐軸承 57‧‧‧伺服馬達 57a‧‧‧軸 64‧‧‧振動模式設定欄位 A、B、Ai、Bj‧‧‧參數 ca‧‧‧滾珠螺桿-工作台間黏度衰減係數 cb‧‧‧支撐軸承內黏度衰減係數 Cij‧‧‧實數部分之值 cm‧‧‧馬達黏度摩擦係數 cr‧‧‧滾輪黏度摩擦係數 cs‧‧‧滾珠螺桿黏度摩擦係數 ct‧‧‧線性導軌黏度摩擦係數 cθ‧‧‧馬達-滾輪間黏度衰減係數 Jm‧‧‧馬達側慣性矩 Jr‧‧‧滾輪側慣性矩 Js‧‧‧滾珠螺桿側慣性矩 Kb‧‧‧支撐軸承軸方向剛性 Kc‧‧‧聯結器扭轉剛性 Kn‧‧‧螺帽軸方向剛性 Ks‧‧‧滾珠螺桿扭轉剛性 Ksl‧‧‧滾珠螺桿軸方向剛性 Kvp‧‧‧速度迴路比例增益 Kvi‧‧‧速度迴路積分增益 Kθ‧‧‧馬達-滾輪間扭轉剛性 Mt‧‧‧工作台質量 Ms‧‧‧滾珠螺桿質量 Tm‧‧‧輸出扭矩 xs‧‧‧螺桿軸的軸方向位移 xt‧‧‧工作台的軸方向位移 θm‧‧‧馬達的旋轉角度 θr‧‧‧滾輪旋轉角度 θs‧‧‧螺桿軸的旋轉角度 ST101、ST102、ST103、ST104、ST105、ST106‧‧‧步驟
圖1是設計支援裝置的功能方塊圖。 圖2是設計支援裝置的硬體構成圖。 圖3是顯示由設計支援裝置進行之設計支援處理的流程的流程圖。 圖4是顯示作為設計支援處理的適用例之第1機械裝置的圖。 圖5是顯示第1機械裝置之動態模型的圖。 圖6是第1機械裝置中的馬達的控制系統的方塊圖。 圖7是顯示第1機械裝置之有關於聯結器(coupling)的穩定性判別線圖之一例的圖。 圖8是顯示第1機械裝置之使用了聯結器的候補即對象製品的情況下的旋轉速度的變化的圖((A)為第1聯結器、(B)為第2聯結器)。 圖9是顯示有關於第1機械裝置的設計，藉由在設計支援裝置上執行的設計支援軟體所形成的GUI畫面的一例的圖。 圖10是顯示作為設計支援處理的適用例之第2機械裝置的圖。 圖11是顯示第2機械裝置之動態模型的圖。 圖12是顯示第2機械裝置之有關於支撐軸承(support bearing)的穩定性判別線圖之一例的圖((A)為1次振動模式、(B)為2次振動模式)。 圖13是顯示第2機械裝置之使用了支撐軸承的候補即對象製品的情況下的旋轉速度的變化的圖((A)為第1支撐軸承、(B)為第2支撐軸承)。 圖14是顯示第2機械裝置之有關於聯結器(coupling)的穩定性判別線圖之一例的圖((A)為1次振動模式、(B)為2次振動模式)。 圖15是顯示第2機械裝置之使用了聯結器的候補即對象製品的情況下的速度變化的圖((A)為第1聯結器、(B)為第2聯結器)。 圖16是顯示圖14所示之穩定性判別線圖之變形例的圖。 圖17是顯示有關於第2機械裝置的設計，藉由在設計支援裝置上執行的設計支援軟體所形成的GUI畫面的一例的圖。
1‧‧‧設計支援裝置
2‧‧‧轉移函數計算部
3‧‧‧分析參數設定部
4‧‧‧固定參數設定部
5‧‧‧振動模式設定部
6‧‧‧穩定性判別線圖製作部
7‧‧‧顯示部

Claims (9)

  1. 一種設計支援裝置，具備有處理器，前述處理器是執行下述處理：對被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之設計進行支援，前述設計支援裝置之特徵在於：前述處理器是在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定，並且依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點，並且製作穩定性判別線圖，前述穩定性判別線圖包含有前述轉移函數之極點的實數部分的等值線，前述穩定性判別線圖包含表示前述複數個參數之值的記號，前述複數個參數之值是有關於前述機械要件的候補即1個以上的對象製品的複數個參數之值。
  2. 一種設計支援裝置，具備有處理器，前述處理器是執行下述處理：對被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之設計進行支援，前述設計支援裝置之特徵在於：前述處理器是在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定，並且依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點，並 且製作穩定性判別線圖，前述穩定性判別線圖包含有前述轉移函數之極點的實數部分的等值線，在前述穩定性判別線圖的製作中，在將前述轉移函數之極點依其虛數部的絕對值漸減的順序排列的情況下，是以前述虛數部的絕對值之大小為最大之極點作為基點，來製作等值線，前述等值線是針對低了下述數量個極點之實數部分的值，前述數量是前述數學模型的自由度與前述振動模式的數量之差。
  3. 如請求項1或2之設計支援裝置，其更具備有顯示前述穩定性判別線圖的顯示裝置。
  4. 如請求項1或2之設計支援裝置，其中前述處理器在設定有複數個前述振動模式的情況下，製作1個前述穩定性判別線圖，前述穩定性判別線圖包含與該等複數個振動模式的每一個相關之前述轉移函數之極點的實數部分的等值線。
  5. 如請求項1或2之設計支援裝置，其中前述複數個參數包含有關於前述機械要件的剛性及衰減特性的參數。
  6. 一種設計支援方法，是對被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之設計進行支援之設計支援裝置所進行的設計支援方法，前述設計支援方法之特徵在於：在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定，並且依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1 個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點，並且製作穩定性判別線圖，前述穩定性判別線圖包含前述轉移函數之極點的實數部分的等值線，前述穩定性判別線圖包含表示前述複數個參數之值的記號，前述複數個參數之值是有關於前述機械要件的候補即1個以上的對象製品的複數個參數之值。
  7. 一種設計支援方法，是對被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之設計進行支援，前述設計支援方法之特徵在於：在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定，並且依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點，並且製作穩定性判別線圖，前述穩定性判別線圖包含前述轉移函數之極點的實數部分的等值線，在前述穩定性判別線圖的製作中，在將前述轉移函數之極點依其虛數部的絕對值漸減的順序排列的情況下，是以前述虛數部的絕對值之大小為最大之極點作為基點，針對低了下述數量個極點的實數部分的值，來製作等值線，前述數量是前述數學模型的自由度與前述振動模式的數量之差。
  8. 一種設計支援程式，是用於執行下述處理：對被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之設計進行支援，前述設計支援程式之特徵在於： 使電腦執行：在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定的步驟；依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點的步驟；及製作穩定性判別線圖的步驟，前述穩定性判別線圖包含有前述轉移函數之極點的實數部分的等值線，前述穩定性判別線圖包含表示前述複數個參數之值的記號，前述複數個參數之值是有關於前述機械要件的候補即1個以上的對象製品的複數個參數之值。
  9. 一種設計支援程式，是用於執行下述處理：對被受到反饋控制的馬達所驅動的機械裝置之設計進行支援，前述設計支援程式之特徵在於：使電腦執行：在構成前述機械裝置的1個以上的機械要件之中，對分析對象要件的數學模型中的複數個參數各自進行設定的步驟；依據前述複數個參數，來針對前述機械裝置的1個以上的振動模式算出該機械裝置的轉移函數之極點的步驟；及製作穩定性判別線圖的步驟，前述穩定性判別線圖包含有前述轉移函數之極點的實數部分的等值線 在前述穩定性判別線圖的製作中，在將前述轉移函數之極點依其虛數部的絕對值漸減的順序排列的情況下，是以前述虛數部的絕對值之大小為最大之極點作為基點，針對低了下述數量個極點的實數部分的值，來製作等值線，前述數量是相當於前述數學模型的自由度與前述振動模式的數量之差。
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