JPH05108162A

JPH05108162A - 回転直動軸の制御方法および装置

Info

Publication number: JPH05108162A
Application number: JP29378991A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Komatsu; 聡小松
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 1993-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】装置の回転および上下動する軸が複数回回転し
ても、元に戻すことのできる原点復帰方法と、その装置
を提供すること。【構成】ネジナットの歯車の歯数Ｖがモータ軸の歯車の
歯数Ｗの整数倍にならないよう両歯車の歯数を選び、ス
プラインナットの１回転毎にモータ軸は整数でない回数
回転することを利用して、この非整数回転部分を調べる
ことにより回転軸の回転数を割り出すものである。【効果】この方式により、構造を複雑化することなく、
装置の座標系の整合性が確保される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットなど回転直動
軸を有する機械の制御方法および制御装置に関し、さら
に詳しくは、回転直動軸の原点復帰方法とその装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】軸を有する機械装置は、軸の運動によっ
て生成される固有の機械座標系を持っており、この座標
系の整合性を確保しなければならない。ところが、軸の
位置を保持しているものは、各軸や駆動モータの回転軸
に備えられたエンコーダであり、インクレメンタル形式
の場合は、エンコーダへの供給電源を遮断すると、位置
情報を失ってしまうため、電源投入時には、特別の手順
による各軸の位置出しが必要である。これを原点復帰と
呼んでいる。この原点復帰の手順を簡略化もしくは省略
するために、様々な技術が開発されている。

【０００３】図７は、スプラインネジを用いた回転直動
軸の制御装置である。スプラインネジ１０は、ネジナッ
ト１２を回転させることによって、回転することなく上
下に移動する。またスプラインネジ１０は長手方向にス
プライン溝１１を有し、スプラインナット３２の中心穴
から突き出たキー部がこのスプライン溝１１に係合して
いるので、スプラインナット３２が回転すればスプライ
ンネジ１０も回転する。ネジナット１２は、ベルト１８
によって歯車Ｄ（１６）に連結されており、この歯車Ｄ
はモータ１４の駆動軸に結合されている。また、スプラ
インナット３２は、ベルト３４によって歯車Ｂ（３６）
に連結されており、この歯車Ｂはモータ３８の駆動軸に
結合されている。モータ１４とモータ３８は、制御装置
２６によって駆動される。さらに、ネジナット１２の外
周の歯数Ｖは、歯車Ｄの歯数Ｗの整数倍、スプラインナ
ット３２の外周の歯数Ｍは、歯車Ｂの歯数Ｎの整数倍に
なっている。

【０００４】スプラインネジ１０の上下方向の原点を検
出するために、スプラインネジ１０の頭部には、ドグ２
０が取り付けれられており、外部に設けられた近接セン
サ２２によってドグの接近が検出され、この近接センサ
２２からの信号は制御装置２６に送られる。さらに、ス
プラインネジ１０の回転方向の原点を検出するために、
スプラインナット３２には、ドグ３０が取り付けれられ
ており、外部に設けられた近接センサ２８によってドグ
３０の接近が検出され、この近接センサ２８からの信号
は制御装置２６に送られる。モータ１４の軸端にはエン
コーダ２４が取り付けられており、モータ３８の軸端に
はエンコーダ４０が取り付けられている。これらエンコ
ーダからの信号は制御装置２６に送られる。エンコーダ
の種類には、大別するとインクレメンタル型とアブソリ
ュート型があるが、ここではインクレメンタル型とす
る。

【０００５】このような装置での原点復帰の手順を、図
８、図９を用いて説明する。ステップ１：図８にて、モータ３８（図７）の軸に取り
付けた歯車Ｂ（３６）がベルト３４を介してスプライン
ナット３２を矢印方向に回転させ、ドグ３０が近接セン
サ２８に接近し、これをオンさせる。この信号により制
御装置２６はモータを停止させる。ステップ２：モータによって歯車Ｂ（３６）が矢印方向
に低速回転し、エンコーダの原点４８が検出器５０によ
り検出されて原点パルスが発生する。（図８では、簡単
のためエンコーダの原点を歯車Ｂ（３６）上の対応する
位置に描いてある。）ステップ３：原点パルスの発生を制御装置２６が検出す
ると、制御装置２６は、モータを停止させる。この時、
スプラインナット３２のドグ３０とセンサ２８は多少ず
れた位置にあるが、制御装置はこの状態を回転方向の原
点とする。これで回転方向の原点復帰は終わる。ステップ４：図９にて、モータ１４（図７）によって歯
車Ｄ（１６）が矢印方向に回転し、ベルト１８を経てネ
ジナット１２を回転させ、これによって図７のスプライ
ンネジ１０を上昇させ、スプラインネジ１０の頭部に設
けられたドグ２０が近接センサ２２に接近し、これをオ
ンさせる。この信号により制御装置２６はモータを停止
させる。ステップ５：モータによって歯車Ｄ（１６）とネジナッ
ト１２が図９の矢印方向に低速回転し、エンコーダ２４
（図７）の原点５２が検出器５４により検出されて、原
点パルスが発生する。（図９では、簡単のためエンコー
ダの原点を歯車Ｄ（１６）上の対応する位置に描いてあ
る。）ステップ６：図７にて、制御装置２６がエンコーダ２４
からの原点パルスを検出すると、モータ１４を停止させ
る。この時、近接センサ２２とドグ２０は、多少ずれた
位置にあるが、制御装置はこの状態を上下方向の原点と
する。

【０００６】この様な手順に従えば、スプラインネジの
整数回転分が不確定であることを除けば、スプラインネ
ジの回転を常に一定の位相に復帰させることができ、上
下方向の原点位置も常に一定である。これは、本質的に
は、スプラインナット３２の外周の歯数Ｍが歯車Ｂ（３
６）の歯数Ｎの整数倍であり、かつネジナット１２の歯
数Ｖが歯車Ｄの歯数Ｗの整数倍であるということに依拠
している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなスプラインネジによる回転直動機構を、ロボットの
アーム部分などに用いようとする場合、回転軸先端部分
に空気圧用配管や電気用の配線が施される場合が多く、
回転履歴を考えずに位相のみの原点復帰を行うと、以後
の動作における回転によって、これらの配線、配管が破
壊される危険がある。これは、エンコーダをアブソリュ
ート型に変えたとしても回避されるものではない。

【０００８】このような不都合を解決するために、本発
明の目的は、スプラインネジによる、回転直動機構を用
いた装置において、スプラインネジが複数回回転して
も、原点復帰において、複数回の回転も含めて元の位置
に戻ることのできる回転直動軸の制御方法およびその装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、ＭがＮの整数倍でないか、またはＶがＷの整数倍
でないかのいずれかにすればよい。前者については、本
出願人による先の特願平３−１４０６３２号に記載され
ているので、本願では、後者の場合、すなわちＭはＮの
整数倍であるが、ＶとＷはそうでない場合について提案
する。このように、スプラインネジに取り付けられたネ
ジナット１２の歯数Ｖがモータ軸に取り付けられた歯車
Ｄ（１６）の歯数Ｗの倍数でないようにすることによっ
て、ドグ２０が近接センサ２２をオンさせてから、モー
タ原点が現われるまでの回転角（これをモータ変位角θ
と呼ぶことにする）が、スプラインネジの１回転毎に異
なるようにし、これを制御装置が認識することによっ
て、所要の回転数だけスプラインナットを逆回転した
り、現在位置の補正を行なったりするようにしたもので
ある。

【００１０】ネジナット１２の歯数Ｖと歯車Ｄ（１６）
の歯数Ｗが１以外の共約数を持たぬよう、あらかじめ整
除しておき、ＶとＷが互いに素であるようにする。よく
知られた定理により、任意の整数ｎに対して、ｐＶ−ｑ
Ｗ＝ｎとなる整数ｐ、ｑが必ず存在する。すなわちネジ
ナット１２がｐ回転する場合、歯車Ｄ（１６）は、ｑ＋
ｎ／Ｗ回転する。ｎは任意であるから、歯車Ｂ（１６）
の回転数は、整数部分を除くと、０／Ｗ、１／Ｗ、・・
・、（Ｗ−１）／ＷのＷ通り存在するわけである。ここ
で、Δ＝２π／Ｗと定義しておく。また、ネジナット１
２がＷ回転する間に、これらＷ通りのパターンが、重複
することなくすべて出現するのは明らかである。

【００１１】図７において、スプラインネジ１０の頭部
に取り付けられたドグ２０が近接センサ２２をオンさせ
てモータ１４が停止したとすると（これを原点近傍位置
とよぶことにする。）、この位置から、ネジナット１２
とスプラインナット３２が同方向に同数回転しても、ス
プラインネジ１０に対してネジナットが回転しないた
め、スプラインネジ１０の上下方向の移動は起こらな
い。従って、スプラインナット３２が基準位置からｎ回
回転した状態において、ネジナット１２が原点近傍位置
にあるならば、ネジナット１２もスプラインナット３２
と同じく基準位置からｎ回回転することによって、スプ
ラインネジ１０の上下動を打ち消していることになる。
すなわち、スプラインネジ頭部のドグ２０が原点近傍位
置にあるとき、ネジナット１２が何回転した状態かを把
握すれば、スプラインナット３２の回転数が知られるの
であり、これに基づいてスプラインナット３２を、整数
回転分も含めて完全に原点復帰させることが出来る。

【００１２】上記のネジナット１２の回転数を求める手
順を次に説明する。図２にて、エンコーダ２４の原点位
置が８２にあって検出器５０とは角度β（０≦β＜Δ）
ずれているものとする。（前述したように、この原点位
置は角度Δ毎に分布するため、０≦β＜Δと仮定しても
一般性を失わない。）この場合、モータ変位角θはθ＝
βである。この状態からネジナットが何回転か回転し
て、モータ原点の位置が位置８４にきたとするとθ＝Δ
＋βである。一般的に言うと、ネジナットのｐ回転に応
じてモータ１４がｑ＋ｎ／Ｗ回転すれば、モータ変位角
θはθ＝ｎΔ＋βとなり、エンコーダ２４の原点位置は
図２の８２、８４、・・・のごとくＷ通りに分布する。
従ってネジナット１２の回転数ｐとモータ変位角のＷ通
りの関係を予め整理しておき、これを制御装置が参照す
ることによって、原点近傍位置でのネジナットの回転
数、つまりスプラインネジの回転数ｐを、Ｗ回転の範囲
内で知ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を説明する。ここで
はスプラインネジの１０回転までの回転を判別するもの
とする。従って歯車Ｄ（１６）の歯数Ｗ＝１０とし、歯
車Ｃ（１２）の歯数Ｖをこれと素であるようにＶ＝３３
とする。両者の歯数は、この整数倍であってもよい（例
えばＷ＝２０、Ｖ＝６６、あるいはＮ＝３０、Ｍ＝９９
など）。モータ変位角は１０種類存在するから、表１の
様に１回転を１０の領域に分ける。前述した様にθ＝ｎ
Δ＋βの関係があるので、ｎ＝Ｘのとき、モータ変位角
は領域Ｘ内に現われる。表１では、ｎを０から９までと
しているが、−４から５などと正負に振り分けるように
してもよい。また、θの検出精度は通常あまり高くない
ので、ドグを調整してβをこの検出精度より十分大きく
しておくことが肝要である。

【００１４】次に、モータ変位角が領域０内に存在する
場合を基準としてｐ＝０とすると、各領域番号ｎと回転
軸回転数ｐの関係は、ｐＶ≡ｎｍｏｄＷ（本実施例
の場合は３３ｐ≡ｎｍｏｄ１０）によって定まる。
ｐを−４から５までの範囲に割り振れば、ｎとｐの関係
は表１のようになる。

【００１５】次に、原点復帰の手順を説明する。エンコ
ーダはインクレメンタル型であるとする。ステップ１：図７にてモータ３８を動かして、スプライ
ンナットを原点復帰する。（「従来技術」のステップ
１、２、３と同じ。）ステップ２：モータ１４により、ネジナット１２を右回
転させ、スプラインネジ１０を上昇させる。ドグ２０が
近接センサ２２をオンさせる。この信号によりモータを
停止させる。これで図３の状態になる。ステップ３：モータ１４を左方向に低速回転し、エンコ
ーダのモータ原点４８が検出器５０によって検出された
時、モータを停止させる（図４）。この場合のモータ１
４の回転量は、図３に示すモータ変位角θに等しく、制
御部はこの角度θを記憶する。また、この時、ドグ２０
（図７）は、近接センサ歯車Ｄ（１６）の回転θ＝ｎΔ
＋βに応ずる量だけ、下降した位置にある。ステップ４：モータ変位角θから、表１を参照して領域
番号ｎと回転軸回転数ｐを求める。ステップ５：モータ１４をｎΔだけ右回転させる。これ
によりモータ原点４８は図５の位置に来る。また、この
時、ドグ２０（図７）は、歯車Ｄ（１６）の回転θ＝β
に応ずる量だけ、下降した位置にある。つまり、スプラ
インネジは、上下方向に関して原点位置にある。ステップ６：モータ１４とモータ３８を左回転して、ス
プラインナット３２とネジナット１２すなわち回転軸
を、共に左にｐ回転させる。この点を回転方向の原点と
する（図６）。またこの時、ドグ２０（図７）は、全く
移動しないので、この点を上下方向の原点とする。（ス
テップ５、６におけるモータの回転は、もちろん合成し
て行ってもよい。）以上の手順により、スプラインネジは完全に原点復帰す
る。

【００１６】上記の実施例ではエンコーダがインクレメ
ンタル形であったが、アブソリュート形であれば手順は
さらに簡略化され、次のようになる。ステップ１：前記ステップ１に同じ。ステップ２：前記ステップ２に同じ。ステップ３：ステップ２で停止した位置をアブソリュー
トエンコーダから読み出し、これをモータ変位角θとす
る。ステップ３：モータ変位角θから、表１によって領域番
号ｎと回転軸回転数ｐを求める。ステップ４：エンコーダ４０の読みをαとすると、ｐ×
（Ｍ／Ｎ）×２π＋αをモータ３８の回転角とする。さ
らに、ｐ×（Ｖ／Ｗ）×２π＋θをモータ１４の回転角
とする。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、スプラインネジが複数
回回転しても、元の位置に原点復帰することができるた
め、機械座標系の整合性が常に保証されることになる。
産業用ロボット先端の回転軸などに応用すれば、回転軸
の先端に配管、配線を施してもこれらがひきちぎられる
恐れがない。また、この発明は、ギア比の選定と制御装
置内のソフトウェアによって構成され、特別なハードウ
ェアを必要としないので、全くコストは増加しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図面である。

【図２】本発明の原理を説明する図面である。

【図３】本発明による原点復帰の手順を説明する図面で
ある。

【図４】本発明による原点復帰の手順を説明する図面で
ある。

【図５】本発明による原点復帰の手順を説明する図面で
ある。

【図６】本発明による原点復帰の手順を説明する図面で
ある。

【図７】モータ、スプラインネジ、検出手段、制御装置
の概念図である。

【図８】従来の方法による原点復帰の手順を説明する図
面である。

【図９】従来の方法による原点復帰の手順を説明する図
面である。

【符号の説明】

１０スプラインネジ１２ネジナット１６歯車１４モータ２４エンコーダ３２スプラインナット３６歯車３８モータ４０エンコーダ２６制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スプラインネジと、該スプラインネジを
直線駆動するネジナットと、該スプラインネジを回転駆
動するスプラインナットと、前記ネジナットをベルトを
介して駆動する歯車と、この歯車を駆動するモータと、
前記スプラインナットをベルトを介して駆動する歯車
と、この歯車を駆動するモータと、前記モータのそれぞ
れのモータ軸に結合された回転角度検出用のエンコーダ
と、前記スプラインナットの回転に関する原点を検出す
るセンサ手段と、前記スプラインネジの上下方向に関す
る原点を検出するセンサ手段とを備え、前記エンコーダ
からの信号と、前記センサ手段からの信号が制御装置に
入力され、該制御装置がこれらの信号を用いてモータの
回転を制御する、回転直動軸の制御方法において、前記ネジナット外周の歯数が、これを駆動する前記モー
タ軸に取り付けた歯車の歯数の倍数にならないように両
歯数を定め、制御装置が前記スプラインネジの整数回の
回転に伴う、前記ネジナットを駆動する前記モータ軸の
非整数回の回転の非整数部分を認識することにより、該
制御装置が前記スプラインネジの回転数を識別して、前
記スプラインネジおよび前記モータ軸の回転角度を制御
することを特徴とする回転直動軸の制御方法。
【請求項２】スプラインネジと、該スプラインネジを
直線駆動するネジナットと、該スプラインネジを回転駆
動するスプラインナットと、前記ネジナットをベルトを
介して駆動する歯車と、この歯車を駆動するモータと、
前記スプラインナットをベルトを介して駆動する歯車
と、この歯車を駆動するモータと、前記モータのそれぞ
れのモータ軸に結合された回転角度検出用のエンコーダ
と、前記スプラインナットの回転に関する原点を検出す
るセンサ手段と、前記スプラインネジの上下方向に関す
る原点を検出するセンサ手段とを備え、前記エンコーダ
からの信号と、前記センサ手段からの信号が制御装置に
入力され、該制御装置がこれらの信号を用いてモータの
回転を制御する、回転直動軸の制御装置において、前記ネジナット外周の歯数が、これを駆動する前記モー
タ軸に取り付けた歯車の歯数の倍数にならないように両
歯数を定め、制御装置が前記スプラインネジの整数回の
回転に伴う、前記ネジナットを駆動する前記モータ軸の
非整数回の回転の非整数部分を認識することにより、該
制御装置が前記スプラインネジの回転数を識別して、前
記スプラインネジおよび前記モータ軸の回転角度を制御
することを特徴とする回転直動軸の制御装置。