WO2015079499A1

WO2015079499A1 - 機械装置の設計改善作業を支援する方法及び装置

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Publication number: WO2015079499A1
Application number: PCT/JP2013/081800
Authority: WO
Inventors: 諒飼沼; 政利藤田; 良永田; 隆志城戸
Original assignee: 富士機械製造株式会社
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-06-04
Also published as: US20160292349A1; US10216891B2; EP3076260A1; EP3076260B1; JP6310944B2; JPWO2015079499A1; EP3076260A4

Abstract

　モータによって動作する機械装置の設計を改善する作業を支援する方法であって、モータによって機械装置の可動部を動作させる動作ステップと、動作ステップ中のモータへの入力又はモータからの出力を示す少なくとも一つの指標を取得する測定ステップと、測定ステップで取得した少なくとも一つの指標を用いて、機械装置の機械特性を決定する決定ステップと、決定ステップで決定した機械特性を用いて、機械装置の設計において改善が必要とされる要改善項目を少なくとも一つ特定する特定ステップとを備える。

Description

機械装置の設計改善作業を支援する方法及び装置

　ここで開示する技術は、モータによって動作する機械装置の設計を改善する作業を支援する技術に関する。

　モータによって動作する機械装置、特に、モータによって可動部の動作を制御する機械装置が広く利用されている。この種の機械装置では、可動部の位置や速度を正確に制御するために、フィードバック制御、フィードフォワード制御、又はそれらを組み合わせたモータの制御が行われている。フィードバック制御としては、例えば、Ｐ（比例）制御、ＰＩ（比例積分）制御、ＰＩＤ（比例積分微分）制御が知られている。

　モータの制御を行う場合、制御パラメータを適切に選定する必要がある。この点に関して、例えば特開平９－１２８０３７号公報及び特開２００２－２０２８０１号公報にも記載されているように、制御パラメータを自動的に最適化する機能、いわゆる、オートチューニング機能を有するモータ制御装置が利用されている。また、それらの文献には、オートチューニング機能を必要とすることなく、制御パラメータを最適化するための技術が記載されている。本明細書は、それらの文献に記載された内容を、参照することによってここに援用する。

　しかしながら、制御パラメータの最適化を行っても、機械装置の動作性能がそれほど向上せず、要求レベルを満足しないことがある。この場合、機械装置の設計上になんらかの問題があることが推測されるが、機械装置のどこを改善すべきであるのかを特定することは難しい。そのため、設計者は、経験と勘を頼りにして、機械装置の設計を改善する作業を行っており、その作業には多くの時間と多くの労力が費やされている。

　上記の実情を鑑み、本明細書は、モータによって動作する機械装置の設計を改善する作業を支援するための有用な技術を提供することを目的とする。

　本明細書は、モータによって動作する機械装置の設計を改善する作業を支援する方法を開示する。この方法は、モータによって機械装置の可動部を動作させる動作ステップを備える。動作ステップでは、例えば、機械装置の可動部を振動運動（往復運動）させる、機械装置の可動部を等速運動させる、あるいは、機械装置の可動部を加減速運動させることが好ましい。

　この方法はさらに、動作ステップ中のモータへの入力又はモータからの出力を示す少なくとも一つの指標を取得する測定ステップを備える。この測定ステップでは、例えば、モータへの入力を経時的に示す入力指標とモータからの出力を経時的に示す出力指標のいずれか一方、又は両方を取得することが好ましい。この場合、入力指標又は出力指標として、特に限定されないが、モータの電流を経時的に示す電流指標、モータのトルクを経時的に示すトルク指標、モータの回転位置を経時的に示す位置指標、及び、モータの速度を経時的に示す速度指標を取得することが好ましい。

　この方法はさらに、測定ステップで取得した少なくとも一つの指標を用いて、機械装置の機械特性を決定する決定ステップを備える。この決定ステップでは、特に限定されないが、例えば、モータの入力に対する出力の周波数特性、モータの回転位置とトルクとの間の関係を示す位置－トルク特性、モータの速度とトルクとの間の関係を示す速度－トルク特性のなかの少なくとも一つを決定することが好ましい。

　この方法はさらに、決定ステップで決定した機械特性を用いて、機械装置の設計において改善が必要とされる要改善項目を少なくとも一つ特定する。この決定ステップでは、特に限定されないが、例えば、モータの周波数特性を用いて、機械装置の剛性が要改善項目であるのか否かを特定することができる。あるいは、モータの位置－トルク特性を用いて、モータに接続されたギアの歯当たり又はモータのコギングトルクが、要改善項目であるのか否かを特定することができる。あるいは、モータの速度－トルク特性を用いて、可動部の運動に伴う摩擦が、要改善項目であるのか否を特定することができる。

　この方法によると、設計者は、経験と勘を頼りにすることなく、機械装置の設計において改善が必要とされる項目を特定することができる。そして、設計者は、機械装置の設計において当該項目を改善することで、機械装置の性能を確実に高めることができる。

　本明細書はまた、モータによって動作する機械装置の設計を改善する作業を支援する装置を開示する。この装置は、少なくとも、モータによって機械装置の可動部を動作させる動作ステップと、動作ステップ中のモータへの入力又は前記モータからの出力を示す少なくとも一つの指標を取得する測定ステップと、測定ステップで取得した少なくとも一つの指標を用いて、機械装置の機械特性を決定する決定ステップと、決定ステップで決定した機械特性を用いて、機械装置の設計において改善が必要とされる要改善項目を少なくとも一つ特定する特定ステップとを実行する。

機械装置と支援装置の構成を模式的に示す図。支援装置を利用した支援方法の流れを示すフローチャート。支援装置を利用した支援方法の流れを示すフローチャート。支援装置を利用した支援方法の流れを示すフローチャート。可動部を振動運動させる第１のサブステップを説明する図。第１のサブステップで取得される位置指標及び電流指標を例示する図。図６（Ａ）は位置指標の一例を示すグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸はモータの回転位置を示す。図６（Ｂ）は電流指標を示すグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸はモータの電流を示す。可動部を等速運動させる第２サブステップを説明する図。第２のサブステップで取得される速度指標及びトルク指標を例示する図。図８（Ａ）は速度指標の一例を示すグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸はモータの速度を示す。図８（Ｂ）はトルク指標の一例を示すグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸はモータのトルクを示す。可動部を加減速運動させる第３サブステップを説明する図。第３のサブステップで取得される第２速度指標及び第２トルク指標を例示する図。図１０（Ａ）は第２速度指標の一例を示すグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸はモータの回転速度を示す。図１０（Ｂ）は第２トルク指標の一例を示すグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸はモータのトルクを示す。機械装置の周波数特性の一例を示すグラフ。横軸は周波数を示し、縦軸はゲインを示す。モータの速度－トルク指標の一例を示すグラフ。横軸はモータの回転速度を示し、縦軸は摩擦に起因するモータのトルクを示す。モータの位置－トルク指標の一例を示すグラフ。横軸はモータの回転位置を示し、縦軸はモータのトルクを示す。モータの修正トルク指標の一例を示すグラフ。横軸は時間を示し、縦軸はモータのトルクを示す。周波数特性のグラフを用いて、共振周波数及び***振周波数を説明する図。共振周波数及び***振周波数と、可動部の質量比との関係を説明する図。位置－トルク特性のモータの回転に対する成分の関係を示す図。横軸はモータの回転に対する成分を示し、縦軸はモータのトルクを示す。シミュレーションに用いる計算モデルを示すブロック線図。

　本技術の一実施形態において、動作ステップでは、少なくとも、可動部の振動運動（往復運動）を行うことが好ましい。そして、測定ステップでは、少なくとも、モータへの入力を経時的に示す入力指標と、モータからの出力を経時的に示す出力指標とを取得することが好ましい。そして、決定ステップでは、当該入力指標と出力指標とを用いて、モータの入力に対する出力の周波数特性を決定することが好ましい。そして、特定ステップでは、当該周波数特性を用いて、機械装置の剛性が、要改善項目であるのか否かを特定することが好ましい。

　決定ステップでは、入力指標の周波数成分と出力指標の周波数成分とをそれぞれ算出し、当該入力指標の周波数成分及び出力指標の周波数成分とを用いて、機械装置の周波数特性を決定することが好ましい。この場合、一例であるが、出力指標の周波数成分を入力指標の周波数成分で除算することによって、周波数特性を決定することができる。

　入力指標は、特に限定されないが、モータの電流を経時的に示す電流指標であることが好ましい。そして、出力指標は、特に限定されないが、モータの回転位置を経時的に示す位置指標や、モータの速度を経時的に示す速度指標であることが好ましい。ここで、モータの電流とモータのトルクは相関する。従って、電流指標は、モータの電流を経時的に測定した測定値に限られず、モータのトルクを経時的に測定した測定値であってもよい。

　特定ステップでは、機械装置の周波数特性において極大値をとる共振周波数と、極小値をとる***振周波数との少なくとも一方に基づいて、機械装置の剛性が要改善項目であるのか否かを特定することが好ましい。機械装置のなかに剛性の不足する部分が存在する場合、機械装置の周波数特性中に、極大値や極小値といったピークが現れる。そのことから、当該極大値をとる共振周波数や、極小値をとる***振周波数に着目することで、剛性の不足する部分の存在や、その位置を特定し得る情報を得ることができる。

　一例として、共振周波数と***振周波数とを用いると、可動部に関する質量比を算出することができる。この質量比は、詳しくは後述するが、剛性の不足する部分の一方側に接続された質量と他方側に接続された質量との質量比を示す。そのことから、当該質量比を用いることで、可動部のなかで剛性が不足する部分を特定することができる。

　他の一例として、共振周波数と***振周波数との少なくとも一方が、可動部の位置に応じて有意に変化することがある。この場合、可動部の移動方向に沿って伸びる部材の剛性、例えば、可動部に接続された送りねじの剛性が不足していると判断して、当該部材（送りねじ）の剛性が要改善項目であると特定することができる。

　本技術の一実施形態において、動作ステップでは、少なくとも、可動部の等速運動を行うことが好ましい。測定ステップでは、少なくとも、モータの回転位置を経時的に示す位置指標と、モータのトルクを経時的に示すトルク指標とを取得することが好ましい。決定ステップでは、位置指標とトルク指標とを用いてモータの位置とトルクとの間の関係を示す位置－トルク特性を決定することが好ましい。そして、特定ステップでは、位置－トルク特性を用いて、モータに接続されたギアの歯当たり又はモータのコギングトルクが、前記要改善項目であるのか否かを特定することが好ましい。

　特に、特定ステップでは、前記した位置－トルク特性の周波数成分を算出し、当該周波数成分に基づいて、モータに接続されたギアの歯当たり又はモータのコギングトルクが要改善項目であるのか否かを特定することが好ましい。モータに接続されたギアの歯当たりや、モータのコギングトルクが不良であると、モータの位置－トルク特性が特定の周波数において有意に変化する。そのことから、モータの位置－トルク特性の周波数成分に着目することによって、それらの歯当たりやコギングトルクが要改善項目であるのか否かを特定することができる。

　本技術の一実施形態において、動作ステップでは、少なくとも、可動部の等速運動を複数の速度条件で行うことが好ましい。測定ステップでは、少なくとも、各々の速度条件において、モータの回転速度を示す速度指標とモータのトルクを示すトルク指標とを取得することが好ましい。決定ステップでは、各々の速度条件で取得した速度指標とトルク指標とを用いて、モータの速度とトルクとの間の関係を示す速度－トルク特性を決定することが好ましい。そして、特定ステップでは、モータの速度－トルク特性を用いて、可動部の運動に伴う摩擦が要改善項目であるのか否かを特定することが好ましい。

　上記の実施形態において、動作ステップでは、可動部の加減速運動をさらに行うことが好ましい。測定ステップでは、加減速運動中のモータのトルクを経時的に示す第２トルク指標と、モータの回転速度を経時的に示す第２速度指標とをさらに取得することが好ましい。決定ステップでは、第２トルク指標と第２速度指標と前記した速度－トルク特性とを用いて、第２トルク指標から摩擦の影響を排除した修正トルク指標をさらに決定することが好ましい。それにより、特定ステップでは、当該修正トルク指標を用いて、可動部の慣性が要改善項目であるのか否かをさらに特定することができる。

　本技術の一実施形態において、方法（又は装置）は、特定ステップで特定された前記要改善項目の少なくとも一つを設計変更したと仮定して、その設計変更後の機械装置の機械特性を作成し、当該機械特性を用いたシミュレーションを実行することによって、機械装置の設計変更後の動作性能を算出する性能算出ステップをさらに備える（実行する）ことが好ましい。このような構成によると、設計者は、機械装置の設計を実際に変更する前に、その設計変更の効果を確認することができる。また、算出された効果に基づいて、いずれの項目を設計変更すべきかを容易に判断することができる。

　上記の方法（又は装置）はさらに、性能算出ステップで算出された設計変更後の動作性能を用いて、設計変更の前後における機械装置の性能差を算出する効果算出ステップをさらに備える（実行する）ことが好ましい。このような構成によると、設計変更による効果をより容易に把握することができる。

　本技術の具体的な実施例として、設計者が機械装置の設計を改善する作業を支援する装置及び方法について説明する。図１は、改善対象である機械装置１０と、機械装置１０の設計を改善する作業を支援する支援装置４０とを示す。ここでは、本技術の理解を助けるために、簡素な構成を有する機械装置１０の例を説明するが、機械装置１０の具体的な構成は特に限定されない。本技術は、モータによって動作する可動部を有する機械装置に対して、広く適用することができる。

　図１に示すように、機械装置１０は、モータ１２と、モータ１２によって動作する可動体１８とを備える。可動体１８は、ガイドレール１６によって支持されている。モータ１２は、減速機１４及び送りねじ２０を介して、可動体１８に接続されている。送りねじ２０は、モータ１２の回転運動を、可動体１８の直線運動に変換する。送りねじ２０は、可動体１８の移動方向に沿って伸びている。以下では、可動体１８の移動方向をＸ方向とし、可動体１８の位置をＸ１，Ｘ２・・・と表すことがある。

　機械装置１０は、サーボアンプ２４を備えている。サーボアンプ２４は、モータ１２をＰＩＤ制御する制御装置である。本実施例のモータ１２は、サーボモータであり、モータ１２の回転位置Ｐを検出するエンコーダ２２を有している。エンコーダ２２は、サーボアンプ２４に接続されており、エンコーダ２２は、検出されたモータ１２の回転位置Ｐに基づいて、モータ１２を流れる電流Ｉを制御する。

　本実施例におけるサーボアンプ２４は、ＰＩＤ制御の制御パラメータを自動的に最適化するオートチューニング機能を有している。オートチューニング機能では、サーボアンプ２４が、モータ１２によって可動部を動作させ、その間のモータ１２への入力又はモータ１２からの出力を示す指標（電流、トルク、回転位置、回転速度）を測定する。そして、サーボアンプ２４は、測定した指標に基づいて機械装置１０の機械特性を決定し、決定した機械特性に応じて制御パラメータを決定する。後述するように、本実施例の支援装置４０は、サーボアンプ２４のオートチューニング機能を利用して、機械装置１０の機械特性を取得する。

　次に、支援装置４０の構成について説明する。支援装置４０は、コンピュータ装置５０と、ディスプレイ６０と、ユーザインターフェース７０とを備える。コンピュータ装置５０は、サーボアンプ２４と通信可能に接続されており、オートチューニング機能によって決定された機械装置１０の機械特性や最適化された制御パラメータを、サーボアンプ２４から取得することができる。コンピュータ装置５０は、機能的に、項目特定部５２と、特性作成部５４と、シミュレーション部５６と、効果算出部５８とを備えている。

　項目特定部５２は、サーボアンプ２４から取得した機械装置１０の機械特性を用いて、要改善項目を特定する処理を実行する。ここでいう要改善項目とは、機械装置１０の設計において、改善が必要とされる項目を意味する。特性作成部５４は、項目特定部５２が特定した要改善項目の一又は複数が設計変更されたと仮定して、その設計変更後の機械装置１０の機械特性を作成する処理を実行する。設計変更されたと仮定する要改善項目及びその改善幅は、特性作成部５４が自ら選定するだけでなく、設計者がユーザインターフェース７０を用いて指示することもできる。

　シミュレーション部５６は、機械装置１０の機械特性を用いたシミュレーションを実行することによって、機械装置１０の動作性能を算出することができる。ここでいう動作性能とは、特に限定されないが、可動部１８の最大速度、最大加速度、最大減速度、位置決め精度、及び位置決めの所要時間の一又は複数を意味する。シミュレーション部５６は、特性作成部５４が作成した設計変更後の機械特性を用いて、設計変更後の機械装置１０の動作性能を算出することができる。また、シミュレーション部５６は、サーボアンプ２４が決定した実際の機械特性を用いて、設計変更前の機械装置１０の動作性能を算出することもできる。効果算出部５８は、シミュレーション部５６が算出した設計変更の前後における動作性能を用いて、その性能差（効果）を算出することができる。項目特定部５２、特性作成部５４、シミュレーション部５６及び効果算出部５８による処理で作成された各種の情報は、ディスプレイ６０に表示され、設計者に提示される。

　図２、図３、図４は、設計者が機械装置１０の設計を改善する作業を、支援装置４０を用いて支援する支援方法の流れを示す。以下、図２－図４に示す流れに沿って、支援方法の各ステップについて説明する。

　図２のステップＳ１２では、サーボアンプ２４が、オートチューニング機能の実行を開始する。それにより、ステップＳ１４では、サーボアンプ２４が、モータ１２によって可動部を動作させながら、モータ１２の入力又は出力を示す複数の指標を測定する（Ｓ１４）。このステップＳ１４には、下記する三つのサブステップが含まれる。

　第１のサブステップでは、図５に示すように、可動体１８が振動運動（往復運動）するように、サーボアンプ２４がモータ１２を制御する。そして、サーボアンプ２４は、その間のモータ１２の回転位置と電流とを経時的に測定する。それにより、モータ１２の回転位置を経時的に示す位置指標と、モータ１２の電流を経時的に示す電流指標とを取得する。図６に、位置指標と電流指標とをそれぞれ例示する。第１のサブステップは、可動体１８を振動運動させる中心（Ｘ＝Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・）を変更しながら繰り返し実行される。それにより、振動運動の中心毎に、位置指標及び電流指標が取得される。ここで、電流指標は、入力指標の一例であり、他の入力指標に変更可能である。また、位置指標は、出力指標の一例であり、他の出力指標に変更可能である。

　第２のサブステップでは、図７に示すように、可動体１８が少なくとも一部の期間において等速運動するように、サーボアンプ２４がモータ１２を制御する。そして、サーボアンプ２４は、その間のモータ１２の回転速度とトルクとを経時的に測定する。それにより、モータ１２の回転速度を経時的に示す速度指標と、モータ１２のトルクを経時的に示すトルク指標とを取得する。図８に、第２のサブステップで取得される速度指標とトルク指標とをそれぞれ例示する。なお、サーボアンプ２４は、エンコーダ２２の出力信号からモータ１２の位置指標を取得し、その時間変化率を計算することによって、モータ１２の速度指標を取得している。図８中の期間Ｃは、可動体１８の等速運動の期間を示し、破線Ｌ２は、その期間Ｃにおけるトルクの平均値ＦＴを示す。可動体１８やモータ１２が等速運動していることから、期間Ｃにおけるトルクの平均値ＦＴは、可動体１８や送りねじ２０といった可動部の運動により生じる摩擦に相当する。即ち、当該摩擦が大きいときほど、トルクの平均値ＦＴは大きくなる。第２のサブステップは、可動体１８を等速運動させる速度条件を変更しながら繰り返し実行される。それにより、モータ１２の回転速度毎に、速度指標及びトルク指標が取得され、トルクの平均値ＦＴが算出される。

　第３のサブステップでは、図９に示すように、可動体１８が短時間で起点位置Ｘ４からスタートして終点位置Ｘ５で停止するように、サーボアンプ２４がモータ１２を制御する。即ち、第３のサブステップでは、可動体１８が比較的に急激な加速及び減速運動するように、サーボアンプ２４がモータ１２を制御する。そして、サーボアンプ２４は、その間のモータ１２の回転速度とトルクとを経時的に測定する。それにより、サーボアンプ２４は、モータ１２の回転速度を経時的に示す第２速度指標と、モータ１２のトルクを経時的に示す第２トルク指標とを取得する。図１０に、第３のサブステップで取得される第２速度指標と第２トルク指標とをそれぞれ例示する。可動体１８が加減速運動をしていることから、第２トルク指標が示すトルクは、可動体１８や送りねじ２０といった可動部の慣性（質量及び慣性モーメント）に応じて変化する。即ち、それらの可動部の慣性が大きいほど、第２トルク指標が示すトルクは大きくなる。

　図２に戻り、ステップＳ１６では、サーボアンプ２４が、ステップＳ１４で取得した各種の指標を用いて、機械装置１０の機械特性を決定する。サーボアンプ２４が決定した機械特性は、コンピュータ装置５０に教示される。サーボアンプ２４は、一つの機械特性として、モータ１２の入力に対する出力の周波数特性を決定する。図１１に、周波数特性の一例を示す。機械装置１０の各要素が完全な剛体である場合、周波数特性は図中の破線Ｌ１に示すような直線となる。それに対して、機械装置１０が剛性の低い要素を含んでいると、極大値ＬＭＸや極小値ＬＭＮといったピークが現れる。極大値ＬＭＸとなる周波数は共振周波数を示し、極小値ＬＭＮとなる周波数は***振周波数を示す。周波数特性は、第１のサブステップで取得した電流指標及び位置指標を用いて決定される。具体的には、位置指標と電流指標とをそれぞれフーリエ変換し、位置指標の周波数成分Ｐ（ω）と電流指標の周波数成分Ｉ（ω）とをそれぞれ算出する。そして、位置指標の周波数成分Ｐ（ω）を電流指標の周波数成分Ｉ（ω）で除算することによって、図１１に示すような周波数特性を得ることができる。

　加えて、サーボアンプ２４は、他の機械特性として、速度－トルク特性、位置－トルク特性、及び、修正トルク指標を決定する。速度－トルク特性は、モータ１２の回転速度とトルクとの間の関係を示す特性である。図１２に、速度－トルク特性の一例を示す。速度－トルク特性は、第２のサブステップで取得したモータ１２の回転速度毎のトルク平均値ＦＴを、速度－トルク座標系にプロットすることによって決定される。速度－トルク特性は、機械装置１０の可動部の運動に伴う摩擦の大きさを示す。位置－トルク特性は、モータ１２の回転位置とトルクとの間の関係を示す特性である。図１３に、位置－トルク特性の一例を示す。位置－トルク特性は、第２のサブステップで取得した位置指標とトルク指標とを用い、回転位置とトルクとの間の関係式を算出することによって決定される。位置－トルク特性は、モータ１２の回転位置に対するトルクの脈動を示す。

　修正トルク指標は、第３のサブステップで取得した第２トルク指標から、摩擦による影響を排除したものである。図１４に、修正トルク指標の一例を示す。修正トルク指標は、第２速度指標と第２トルク指標と図１２に示す速度－トルク特性とを用いて決定される。具体的には、先ず、第２速度指標と速度－トルク特性とを用いて、各時刻において摩擦に起因するモータ１２のトルクが決定される。そして、当該摩擦に起因するトルクを第２トルク指標から差し引くことによって、第２トルク指標が決定される。第２トルク指標は、機械装置１０の可動体１８や送りねじ２０といった可動部の慣性の大きさを示す。

　図２に戻り、ステップＳ１８では、サーボアンプ２４が、ステップＳ１６で決定した各種の機械特性を用いて、機械装置１０に最適な制御パラメータを決定する。サーボアンプ２４が決定した制御パラメータは、コンピュータ装置５０に教示される。

　ステップＳ２０では、コンピュータ装置５０の項目特定部５２が、要改善項目を特定する処理を実行する。この処理では、サーボアンプ２４から教示された各種の機械特性が用いられる。第１に、項目特定部５２は、機械装置１０の周波数特性（図１１参照）を用いて、機械装置１０の剛性が要改善項目であるのか否かを特定する。図１４に示すように、項目特定部５２は、少なくとも一つの周波数特性において、低周波数側からピーク検出を行い、共振周波数ω１と***振周波数ω２とを検出する。そして、項目特定部５２は、共振周波数ω１又は***振周波数ω２が所定の周波数域内で検出された場合、機械装置１０の剛性が要改善項目であると特定する。

　項目特定部５２は、共振周波数ω１と***振周波数ω２とを検出した場合、剛性の不足する要素（部品）を特定する処理をさらに実行する。図１６にモデル化して示すように、機械装置１０の可動部（モータ１２の回転シャフト、減速機１４の複数のギア、可動体１８、送りねじ２０を含む）に、剛性の不足する要素３４が存在すると仮定する。この場合、共振周波数ω１と***振周波数ω２は、当該要素３４の弾性係数ｋと、当該要素３４の一方側（モータ１２側）に接続する第１の部分３２の質量Ｍ１と、当該要素３４の他方側に接続する第２の部分３６の質量Ｍ２とによって定まる。これに基づき、項目特定部５２は、共振周波数ω１と***振周波数ω２とを用いて、剛性の不足する要素３４を境界とする可動部の質量比Ｍ２／Ｍ１を算出する。そして、項目特定部５２は、予め記憶している機械装置１０の設計情報（例えばＣＡＤデータ）を参照して、剛性の不足する要素を特定する。なお、剛性の不足する要素の特定は、項目特定部５２が算出した質量比Ｍ２／Ｍ１に基づいて、設計者が行ってもよい。

　加えて、項目特定部５２は、可動体１８の位置（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・）毎に決定された複数の周波数特性について、上記した共振周波数ω１又は***振周波数ω２を特定する処理を実行する。そして、項目特定部５２は、可動体１８の位置（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・）に応じて共振周波数ω１又は***振周波数ω２が変化する場合、可動体１８の移動方向Ｘに沿って伸びる部材、即ち、送りねじ２０の剛性が不足していると判断する。

　第２に、項目特定部５２は、速度－トルク特性（図１２参照）を用いて、機械装置１０で生じる摩擦が要改善項目であるのか否かを特定する。例えば、項目特定部５２は、機械装置１０が予定するモータ１２の最高回転速度（又は、その他の所定速度）における予定最大トルクを、速度－トルク特性から特定する。そして、項目特定部５２は、特定した予定最大トルクが所定の閾値（例えば、モータ１２の定格トルクの３０パーセント）を超える場合、項目特定部５２は、機械装置１０で生じる摩擦が要改善項目であると特定する。また、項目特定部５２は、速度－トルク特性において、所定の低速域におけるトルクの値が、所定の閾値（例えば、モータ１２の定格トルクの１０パーセント）を超える場合、非線形性が顕著であると判断して、機械装置１０で生じる摩擦が要改善項目であると特定する。

　第３に、項目特定部５２は、位置－トルク特性（図１３参照）を用いて、モータ１２に接続された減速機１４（又はその他のギヤ）の歯当たり又はモータ１２のコギングトルクが要改善項目であるのか否かを特定する。具体的には、先ず、項目特定部５２は、位置－トルク特性をフーリエ変換し、位置－トルク特性のモータ１２の回転に対する成分の関係を算出する。図１７に、位置－トルク特性のモータ１２の回転に対する成分の関係の一例を示す。図１７に示す例では、１、２、３、６次の成分が大きいことから、モータ１２が一回転する間に１回、２回、３回、６回の割合で振動する成分が大きいことが把握される。項目特定部５２は、算出した関係からピーク検出を行い、所定の閾値を超える振動成分が存在するときに、減速機１４（又はその他のギヤ）の歯当たり又はモータ１２のコギングトルクが要改善項目であると特定する。なお、モータ１２の他の速度で決定した位置－トルク特性について同様の処理を行い、同一の振動成分が同様に検出されるのか否かを確認してもよい。それにより、精度の高い処理を行うことができる。

　第３に、項目特定部５２は、修正トルク指標（図１４参照）を用いて、可動体１８や送りねじ２０といった可動部の慣性が、要改善項目であるのか否かを特定する。前述したように、修正トルク指標が示すトルクは、可動体１８や送りねじ２０といった可動部の慣性が大きいときほど、大きくなる。そのことから、項目特定部５２は、修正トルク指標から最大トルクを特定し、その最大トルクが所定の閾値（例えば定格トルクの２００パーセント）を超えるときに、可動部の慣性が要改善項目であると特定する。

　図２に戻り、ステップＳ２２では、項目特定部５２が特定した要改善項目がディスプレイ６０に表示される。それにより、設計者は、機械装置１０の設計において、どこを改善すべきかを知ることができる。ステップＳ２４では、設計者が希望する場合（ＹＥＳ）、コンピュータ装置５０は、要改善項目を改善した場合の効果を算出する処理へ進む（図３のＡへ）。ステップＳ２６では、設計者が希望する場合（ＹＥＳ）、コンピュータ装置５０は、目標性能を得るための改善内容を算出する処理へ進む（図４のＢへ）。

　図３を参照して、コンピュータ装置５０が、要改善項目を改善した場合の効果を算出する処理について説明する。先ず、ステップＳ３２では、特性作成部５４によって、特定された一また複数の要改善項目なかから、改善する対象として一つの項目が選択される。ステップＳ３４では、特性作成部５４によって、改善後の機械特性が決定される。例えば、改善する対象が機械装置１０の剛性である場合、特性作成部５４は、ステップＳ１６で決定された周波数特性（図１５）から、共振周波数ω１及び***振周波数ω２におけるピークを消去した周波数特性を作成する。あるいは、改善する対象が機械装置１０の摩擦である場合、特性作成部５４は、ステップＳ１６で決定した速度－トルク指標から、トルク値を低下させた速度－トルク指標を作成する。

　ステップＳ３６では、シミュレーション部５６が、作成された改善後の機械特性を用いてシミュレーションを実行し、改善後の機械装置１０の動作性能を算出する。このシミュレーションは、Ｍａｔｌａｂ（登録商標）といった市販のシミュレーションソフトを用いて行うことができる。図１８に、一例ではあるが、本実施例のシミュレーションで用いる計算モデルのブロック線図を示す。この計算モデルによると、モータ１２のトルクを記述する時系列データから、モータ１２の位置を示す時系列データを算出することができる。ここで、ブロック線図における「ギアの歯当たり、コギングトルク」及び「摩擦特性」は、モータ１２の回転位置やそれを微分したモータ１２の回転速度に対して、位置－トルク特性（図１３参照）や速度－トルク特性（図１２参照）を用いてトルクを計算し、それを入力のトルクから差し引くことによって表現されている。また、機械装置１０の慣性や振動特性を表す伝達関数ｐ（ｓ）は、図１８中に示す式で記述することができる。ここで、式中のＪは慣性モーメント、Ｋ_ｉはｉ番目の共振のゲイン、ζ_ｉは減衰係数、ω_ｉは共振周波数、ｓはラプラス演算子である。この式において、ラプラス演算子ｓをｊｓ（ｊは虚数単位）に置き換えると、周波数特性を記述する式となる。これを利用して、機械装置１０の周波数特性（図１１参照）が再現されるように、各パラメータを決定することによって、伝達関数ｐ（ｓ）を決定することができる。このとき、各パラメータを自動的に決定する手法として、偏分反復法や遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）といった公知の最適化手法を用いるとよい。

　図３に戻り、ステップＳ３８では、特定された全ての要改善項目について、上述したＳ３２～Ｓ３６の処理が繰り返し実行され、その後、ステップＳ４０の処理へ進む。ステップＳ４０では、比較の基準を得るために、シミュレーション部５６が、改善前の機械装置１０の機械特性を用いてシミュレーションを実行し、改善前の機械装置１０の動作性能を算出する。なお、この動作性能は、機械装置１０を実際に動作させることによって取得してもよい。ステップＳ４２では、効果算出部５８が、Ｓ３８で算出した改善後の動作性能と、Ｓ４０で算出した改善前の動作性能とを用いて、機械装置１０の改善の前後における性能差、即ち、改善の効果を算出する。ステップＳ４２では、算出された改善の効果がディスプレイ６０に表示される。設計者は、要改善項目毎に表示される改善効果を比較することで、機械装置１０の設計変更をいずれの要改善項目について行うべきかを判断することができる。ステップＳ４６では、設計者が希望する場合（ＹＥＳ）、コンピュータ装置５０は、目標性能を得るための改善内容を算出する処理へ進む（図４のＢへ）。

　図４を参照して、コンピュータ装置５０が、目標性能を得るための改善内容を算出する処理について説明する。先ず、ステップＳ５２では、特性作成部５４が、設計者による改善項目と改善幅の指示を受け付ける。即ち、このステップＳ５２では、設計者が、ディスプレイ６０に表示された一又は複数の要改善項目のなかから、改善の対象とする項目とその改善の程度を指示する。ステップＳ５４では、特性作成部５４が、設計者が指示した改善項目と改善幅に基づいて、改善後の機械特性を決定する。ステップＳ５６では、シミュレーション部５６が、作成された改善後の機械特性を用いてシミュレーションを実行し、改善後の機械装置１０の動作性能を算出する。ステップＳ５８では、算出された動作性能がディスプレイ６０に表示される。ステップＳ６０では、算出された動作性能が、目標とする動作性能を満足していない場合（ＮＯ）、コンピュータ装置５０はステップＳ５２の処理へ戻る。ステップＳ６０の処理は、コンピュータ装置５０が、予め記憶しておいた目標とする動作性能に基づいて自動的に行ってもよいし、設計者がディスプレイ６０の表示に基づいて行ってもよい。以上の処理により、設計者は、機械装置１０が目標とする動作性能を満足するためには、どの要改善項目をどの程度まで設計変更すればよいのかを容易に知ることができる。

　以上のように、本実施例で説明した支援装置４０及びそれを用いた支援方法によると、設計者は、機械装置１０の設計において改善すべき項目や、その改善による効果を容易に知ることができ、機械装置１０の効果ある設計変更を短時間で行うことが可能となる。

　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

　例えば、本実施例の支援装置４０が実行する各々のステップ、例えば、決定された機械特性から要改善項目を特定するステップ（図２のステップＳ１６）は、設計者によって行われてもよい。

　本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：機械装置
１２：モータ
１４：減速機
１６：ガイドレール
１８：可動体
２０：送りねじ
２２：エンコーダ
２４：サーボアンプ
４０：支援装置
５０：コンピュータ装置
５２：項目特定部
５４：特性作成部
５６：シミュレーション部
５８：効果算出部
６０：ディスプレイ
７０：ユーザインターフェース

Claims

　モータによって動作する機械装置の設計を改善する作業を支援する方法であって、
　前記モータによって前記機械装置の可動部を動作させる動作ステップと、
　前記動作ステップ中の前記モータへの入力又は前記モータからの出力を示す少なくとも一つの指標を取得する測定ステップと、
　前記測定ステップで取得した前記少なくとも一つの指標を用いて、前記機械装置の機械特性を決定する決定ステップと、
　前記決定ステップで決定した機械特性を用いて、前記機械装置の設計において改善が必要とされる要改善項目を少なくとも一つ特定する特定ステップと、
　を備える方法。
　前記動作ステップでは、少なくとも、前記可動部の振動運動を行い、
　前記測定ステップでは、少なくとも、前記モータへの入力を経時的に示す入力指標と、前記モータからの出力を経時的に示す出力指標とを取得し、
　前記決定ステップでは、前記入力指標と前記出力指標とを用いて、前記モータの入力に対する出力の周波数特性を決定し、
　前記特定ステップでは、前記周波数特性を用いて、前記機械装置の剛性が前記要改善項目であるのか否かを特定する、
　請求項１に記載の方法。
　前記決定ステップでは、前記入力指標の周波数成分と、前記出力指標の周波数成分とをそれぞれ算出し、当該入力指標の周波数成分及び出力指標の周波数成分とを用いて、前記周波数特性を決定する、請求項２に記載の方法。
　前記入力指標は、前記モータの電流を経時的に示す電流指標であり、
　前記出力指標は、前記モータの回転位置を経時的に示す位置指標である、
　請求項２又は３に記載の方法。
　前記特定ステップでは、前記周波数特性において極大値をとる共振周波数と、極小値をとる***振周波数との少なくとも一方に基づいて、前記機械装置の剛性が前記要改善項目であるのか否かを特定する、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
　前記特定ステップでは、前記共振周波数と前記***振周波数とを用いて前記可動部に関する質量比を算出し、当該質量比を用いて前記可動部のなかで剛性が不足する部分を特定する、請求項５に記載の方法。
　前記特定ステップでは、前記共振周波数と前記***振周波数との少なくとも一方が、前記可動部の位置に応じて変化する場合に、前記可動部の移動方向に沿って伸びる部材の剛性が不足することを特定する、請求項５又は６に記載の方法。
　前記動作ステップでは、少なくとも、前記可動部の等速運動を行い、
　前記測定ステップでは、少なくとも、前記モータの回転位置を経時的に示す位置指標と、前記モータのトルクを経時的に示すトルク指標とを取得し、
　前記決定ステップでは、前記位置指標と前記トルク指標とを用いて、前記モータの位置とトルクとの間の関係を示す位置－トルク特性を決定し、
　前記特定ステップでは、前記位置－トルク特性を用いて、前記モータに接続されたギアの歯当たり又は前記モータのコギングトルクが、前記要改善項目であるのか否かを特定する、
　請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
　前記特定ステップでは、前記位置－トルク特性の周波数成分を算出し、当該周波数成分に基づいて、前記モータに接続されたギアの歯当たり又は前記モータのコギングトルクが前記要改善項目であるのか否かを特定する、請求項８に記載の方法。
　前記動作ステップでは、少なくとも、前記可動部の等速運動を複数の速度条件で行い、
　前記測定ステップでは、少なくとも、各々の速度条件において、前記モータの回転速度を示す速度指標と、前記モータのトルクを示すトルク指標とを取得し、
　前記決定ステップでは、各々の速度条件で取得した前記速度指標と前記トルク指標とを用いて、前記モータの速度とトルクとの間の関係を示す速度－トルク特性を決定し、
　前記特定ステップでは、前記速度－トルク特性を用いて、前記可動部の運動に伴う摩擦が要改善項目であるのか否かを特定する、
　請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
　前記動作ステップでは、前記可動部の加減速運動をさらに行い、
　前記測定ステップでは、前記加減速運動中の前記モータのトルクを経時的に示す第２トルク指標と、前記モータの回転速度を経時的に示す第２速度指標とをさらに取得し、
　前記決定ステップでは、前記第２トルク指標と前記第２速度指標と前記速度－トルク特性とを用いて、前記第２トルク指標から前記摩擦の影響を排除した修正トルク指標をさらに決定し、
　前記特定ステップでは、前記修正トルク指標を用いて、前記可動部の慣性が前記要改善項目であるのか否かをさらに特定する、請求項１０に記載の方法。
　前記特定ステップで特定された前記要改善項目の少なくとも一つを設計変更したと仮定して、その設計変更後の前記機械装置の機械特性を作成し、当該機械特性を用いたシミュレーションを実行することによって、前記機械装置の設計変更後の動作性能を算出する性能算出ステップをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
　前記性能算出ステップで算出された設計変更後の動作性能を用いて、設計変更の前後における機械装置の性能差を算出する効果算出ステップをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
　モータによって動作する機械装置の設計を改善する作業を支援する装置であって、少なくとも、
　前記モータによって前記機械装置の可動部を動作させる動作ステップと、
　前記動作ステップ中の前記モータへの入力又は前記モータからの出力を示す少なくとも一つの指標を取得する測定ステップと、
　前記測定ステップで取得した前記少なくとも一つの指標を用いて、前記機械装置の機械特性を決定する決定ステップと、
　前記決定処理で決定した機械特性を用いて、前記機械装置の設計において改善が必要とされる要改善項目を少なくとも一つ特定する特定ステップと、
　を実行する装置。