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3 1 自動グリップ装置の試作 (機械工学科)野原稔 官 ‘ ' T r i a lM a n u f a c t u r eo fA u t o m a t i cG r i pE q u i p m e n t (De par 加 e ntofMachanicalEngineering) Min oruNOHARA A b s t r a c t , wef i xpa 同sm a t e r i a lbyac e r t a i nm e t h o d .S i n c ep a r t s I no r d e rt om a n u f a c t u r eamachinep a r t , weu s eana i rc y l i n d e rands o l e n o i dc o m b i n i n gclampe q u i p m e n t .Now , m a t e r i a li sf i x e da u t o m a t i c a l l y a f t e rweu s eana i rc y l i n d e randf i xpa 氏sm a t e r i a l ,whenm a n u f a c t u r i n gam a c h i n ep a r t ,ac o m p r e s s o r , ac o n t r o lv a l v e, andp i p i n ga r en e e d e d .Moreover , i t田 r v e sa sl a r g e s c a l ee q u i p m e n t .Ont h eo t h e r , i nt h ee l e c t r i cc y l i n d e r( c y l i n o i d )fromwhichp a r t sm a t e r i a lc h a n g e sr o 阻まi o n a lmovemento fa hand in emotion,ando b t a i n si m p e l l i n gf o r c e,wheni tc a nf i x,ana i rc y l i n d e r ,a motori n t oas t r a i g h t -I , e t c .becomeu n n e c e s s a r y ・ c o m p r e s s o r I nt h i sp a p e r , whent h eu s e ri n p u t t e dt h ev a l u ec o r r e s p o n d i n gt ot h ed i a m e t e ro fap i p ei n t ot h e , c o n t r o lequipmentm a n u f a c t u r e dt h ee q u i p m e n tw h i c hh o l d sap i p ea u t o m a t i c a l l y . programc o n t r o l l e r Wer e p o r tt h i sm a n u f a c t u r ep r o c e s s . c r oComputer ,O p e r a t i o nC o n t r o l ,S i m u l a t i o n,A u t o m a t i cMachine KeyWords:Mi マイクロコンビュータ,制御,シミュレーション,白動機械 ~ 1 緒言 機械部品を製造するには,何らかの方法で製造する部材 ローラに筒の径に対応した舗を入力すると,自動的に筒 を固定する必要がある.部材を自動的に画定する方法とし をつかむグリップ装置を試作したので,その動作状況に て,エアーシリンダーや電磁ソレノイドをクランプ装置と ついて報告する1)2) 組合わせて使用する方法が考えられる.いま,エアーシリ ンダーを使用して部材を固定し機械部品を製造するとすれ ~2 ハードウェア ば,コンプレッサー,コントロールパルプおよび配管の引 本システムにおいて,マイクロコンビュータ(以降,マ 回しが必要となり大掛かりな装置となる.とれに対して, イコンと呼ぶ)による制御は.AKI-80(以降. AKIと呼 部材が,モータの回転運動を直線運動に変換して推力を得 ぶ)を,プログラマプルコントローラによる制御はLUNA る電動シリンダー(シリノイド)により固定できれば,エ 製の PROGRAMABLEPULSECO N1R OLIER(以降, アーシリンダーやコンプレッサ一等が不要となり省スペー PCと呼ぶ)を使用した.設計したシステムの全体写真を ス化が可能となる. 図 1に示す.以降,この装置に使用した主要部品の概要に 本研究においては,使用者が,プログラマプルコント ついて述べる. Fig.l Ge n e r a lview ofsystem 3 2 第6 6号 ( 2 0 0 4 ) 呉工業高等専門学校研究報告 2 . 1 マイコン を示す.図 2に示すように,との機構は,一本の雄ネジ マイコンは,シリノイドモータの駆動と停止,シリノイ を介するととにより,当初有している雄ネジのリード P ドの原点と移動量の確認,シリノイド移動時の外乱による を1/2から1/30に減速しながら,回転運動を直線運動に 緊急停止および P Cとの通信のために使用した.また装置 変換できる.基本的には雄ネジ A,雄ネジと同 Uリード P の動作は迅速であぎことが望ましいため,これを動作させ をもっ雌ネジを切ったベアリングの内輪 Bおよびこのベ る言語はアセンブリ言語を使用した . A K I の入出力ポート アリングと雄ネジを圧接させる機能と,雄ネジの軸を支 , Aポート入力および Bポート出力と は,パラレル1/0を える機能をもっ 2つの補助ベアリング Cおよび Dから構 して使用した 3)4同 . 成されている. 2 . 2 PC 2 . 3 . 2 シリノイドの運動原理 PCは,入力億すなわち筒の径の設定変更が容易になる ため使用した.いま,つかむ筒の径に対応した値を P Cに に , 入力すると,ステップモータが駆動し,シリノイドが動作 分回転する.本来, Bの内輪が固定されていれば,この機 する位置にホトセンサを移動させる.その後,シリノイド 構の A の 1回転あたりの直線運動量は Pとなるが, Bの が駆動してホトセンサに達すると,可動グリップが作動し 内輪が D l対 D2回転するため,相対的な回転は Dl対 D2 て設定した筒の径で停止する機構としている 6) 回転分減少し,直線運動量は P ( 1D l / D 2 )となる. 2 . 3 シリノイド 2 . 3 . 1 シリノイドとその減速機構 2. 4 シリノイドの特徴 図 3はシリノイドの運動原理を示す.図 3に示すよう Aが 1回転すると,圧接している Bの内輪は Dl対 D2 シリノイドには以下に示すような特徴がある. シリノイドは回転運動を直線運動に変換する機構で,小 1.歯車やボールネジを使用しておらず,主要な運動は 型高速モーターの回転をゆっくりとした高トルクの直線運 ベアリング的な要素によって構成されているため,メ )ノイドの機構構成 動に変換することができる.図 2はシ 1 ンテナンスが不要である. MO ¥ ・ mg d i r e c t i o n ( a )O pe nt h eg r i p C h a n n e l B F i g. 2S t r u c t u r eo fc y l i n o i d 4・ト一一ー~ Movmg d i r 配t l o n F i g. 3P r i n c i p l eo fm o t i o n ( b )G r i pt h ep i p e F i g. 4S t r u c t u r eo fg r i p 野原:自動グリップ装置の試作 2 . 電源のON/OFFのみで動作が可能であるため,取リ 3 3 図 5は筒の径とそれに対応する値との関係を示してい への入力値である. る.縦軸が筒の径,横軸がPC 付け位置の制約が少ない. 3 . モータの電圧を調整すると,シリノイドの移動速度 2 . 7 シリノイドの発生推力 を変えるととができる. 使用したシリノイドの型番は. CA-62 でモータの定 4 . モータの電源を OFFにした場合,最大負荷が加わっ である.このときシリノイドの発生推力は 格電圧は 12V た状態でも,位置保持ができる. 245N(25Kgf )となっている.ここでは,自動グリップ構 成上の強度を考慮してモータに供給する電圧を 5Vとした 2.5 グリップの機構 ため,シリノイドに発生する推力は低下する.図 6は発 図 4はグリップの機構を示している.図 4 ( a )は全開時 生する推力の測定図を示す.図 6に示すように,円環に の,図 4 ( b )は筒をグリップ時の状態を示している.図 4 歪みゲージを貼り付け,円環の一端を固定し,他端をシ ( b )において,シリンダーが矢印 1の方向に直進すると可 リノイドで引張るととにより推力を測定する構成であ 動グリップの支点 Aは回転し,支点 Bに画定された棒は る.まず,シリノイドの代わりに既値の荷重を順次猶加 溝に治って矢印 2の方向に移動する.これらの動作によ させ,歪み量の変化を記録した.そして,との荷重と歪 り可動グリップの先端 C は矢印 3の方向に移動して,可 み量の関係曲線を求めた.次に,シリノイドを取り付け 動グリップと国定グリップ間で筒をつかむことになる. て円環を引張り,歪み量の変化を求めて荷重査み曲線と 比較し,シリノイドの推力を求めた.とれによるとシリ 2.6 簡の径に対応した PCの値 40 Kgt)となった. ノイドの推力は, 49N(5 、 、 、 ネ 注 3 5 2 .8 配 線 図 7は,シリノイド,ステップモータ, AKI,リミット 、 、 E30 スイッチ等を結線したシステムの配線図を示す.本シス 、 弘 、-' テムにおいて, 8ピットのポート A,Bを有するパラレル ~ 与 司 525 、 X 5 : ; 20 I ! Oを , Aポート入力 .Bポート出力として使用した.入 , 1 )ミットスイッチ,ホトセンサおよび信 力ポート A は ¥コ 、 , p 占 1 5 号入力線を,出力ポート Bは,シリノイドモータおよび、 PCとの通信用出力線を接続した. PCにおいては,原点 1 0 用スイッチ,緊急停止用スイッチおよび、ステップモータ O 目 2 ・4 ・6 ・810・12 用の出力パルスを接続した.また, PCには入出力用のコ PCvalue F i g . 5C o r r e s p o n d i n gs t a t eo fPCv a l u eand p i p ed i a m e t e r ネクタがあり, AKIとの通信はこのコネクタの入力ポー ト0 (1番ピン)と出力ポート DCAm p l i f i e r o(9番ピン)を使用した. Recorder + ー t l o a d F i g . 6 Dri v i n gf o r c eo fc y l i n o i d 3 4 呉工業高等専門学校研究報告 第6 6 号( 2 0 0 4 ) lOkQ Motord r i v e r cw ccw 5v GND Motor F i g . 7W i r i n gd i a g r a mo fs y s t e m F i g . 8A p p e a r e n c eo fs y s t e m 野原:自動グリップ装置の試作 3 5 i3 ソフトウェア 以下にプログラムの概要を述べる. 3 . 1 システムの動作言語 本システムを動作させる言語は, アセンブリ言語と PC付属の専用言語を使用した. AKIではパソコン上でアセンブリ言語を使用してプロ グラムを作成した後,プログラムを ROMライターを使用 して ROMに書き込み,それを AKIのボードに搭載した. 3.2 プログラムの動作 図 8は,システムの外観図を示している.指定した径の 簡をつかむ場合,衝の大きさに対応した値を PC ⑮に設定 F思. 9D i a g r a mo ff l o wc h a r t Table1 Controlprogramofsystem La b e l 地 l emoniccode Comment PIOAD equ1ch PIOAdata PIOAC equ1dh PIOA c o n t r o l PIOBD equ1eh PIO Bdata 白1 PIOBc o n t r o l PIOBC equ1 ORGOOOOh W S P,O Se ts t a c kp o i n t0 1M2 Se tmode2 , 11001111b PIOA i n i t i a l i z a t i o n W A In p u t ) OUT(PIOAC),A mode3( WA ,111111l 1b OUT(PIOAC),A , 00010111b W A OUT(PIOAC),A , 00000011b W A OUT(PIOAC),A LDA , 11001111b PIOBi n i t i a l i z a t i o n OUT(PIOBC),A mode3(Output) , OOOOOOOOb LDA OUT(PIOBC),A , 00010111b W A OUT(PIOBC),A b LDA,00000011 OUT(PIOBC),A Ca lτ1 恥f DD CALLτ1M A , ( P I O A D ) I N ReaddatafromPIOAD DO S i g n a lOFFfromPC, BITO,A gotoDO JPZ,DO , (PIOAD) INA D1 ReaddatafromPIOAD BIT1,A Photosensor-2ON, JPNZ,D2 gotoD2 C y l i n o i dmotor LDA,01H OUT(PIOBD),A CCWr o t a t i o n CALL01 c a l l01 Got oDl JPD1 , (PIOAD) ReaddatafromPl OAD D2 INA 呉工業高等専門学校研究報告 3 6 03 030 04 05 τ1M τD T1 T2 01 02 BIT2,A JPNZ,03 , 02H LOA OUT(PIOBO), CALL01 JP02 ・‘ , OOH LDA OUT(PIOBD),A INA , (PIOAD) BIT3,A JPZ,030 INA , (PIOAD) BIT1,A JPNZ,05 LDA , 01H OUT(PIOBO),A CALL01 lPD4 INA , (PIOAD) LDA ,0 4H OUT(PIOBD), A lPOO LDB,15 LDC,250 LD0,250 OECO JPNZ,T2 DECC JPNZ,T1 OECB JPNZ,τD RET , (PIOAD) INA BIT4,A JPNZ,02 RET , OOH LOA OUT(PIOBO),A HALT Photosensor-1ON, goto03 C y l i n o i dmotor C Wr o t a t i o n Ca l01 Got o02 C y l i n o i dmotor s t o p ReaddatafromPIOAD Pu shSWOF 下 , got o030 ReaddatafromPIOAD Photosensor-2ON, goto05 C y l i n o i dmotor CCWr o t a t i o n C a l l01 Goto04 ReaddatafromPIOAD Signalout, sendtoPC GotoOD Se tBon15 S e tCon250 Se tOon250 第6 6 号( 2 0 0 4 ) を前進させる.この動作が終了すると, PC⑮はAKI⑭に 信号を送信する.信号を受信した AKI⑭は,原点センサ ⑪によりシリノイド本体⑨(以降,本体と呼ぶ)がシリノイ ド側原点にあるのかどうかの確認をする.もし本体⑨が シ1 )ノイド側原点になければ,シリノイドモータ⑬を本 体⑨をシリノイド側原点まで戻す.本体⑨がシリノイド 側原点に戻ると,シリノイドモータ⑫は前進し,シリノイ ド停止用ホトセンサ④が ONになるまで本体⑨を移動さ せる.次につかんだ筒をはなす場合,プッシュスイッチ⑮ を押すと,本体⑨はシリノイド側原点に戻り,筒をはな す.そして,本体⑨がシリノイド側原点に戻ると, AKI⑭ から PC⑮へ信号を送信する.信号を受信した PC⑮はシ リノイド停止用ホトセンサ④をステップ側原点に戻し, 一連の動作を終了する. 3 . 3 フローチャートとシステムの動作プログラム 図 9はプログラムの流れを示すフローチャートを示し ている.また,表 1はシステムの制御プログラムを,表 2はPC の制御プログラムを示している. 0~1 D宇 othengotoT2 C~1 C学 othengotoT1 B~1 B宇 o thengot oTO Retum Re addatafromPIOAD Umit-SW ON, got o02 Retum C y l i n o i dmotor s t o p P r ograms t o p S4 結言 本研究において,任意の筒の径を入力すると,自動的に 筒をつかむことのできるシステムを構築した結果を要約 すると次のようになる. 1.プログラマプルコントローラに任意の筒の径を入力す ると,マイクロコンビュータが作動して簡をつかむこ とができる装置を製作することができた. 2 .筒をつかむ機構にシリノイド(電動シリンダー) を使 用することにより,非常にコンパクトな装置とするこ とができた. r ogramablec o n t r o l l e rprogram Table2 P Comment La b e l 地 lemoniccode Retumt oo r i g i n 1 0 0 ORG 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1-04 1 0 5 1 0 6 1 2 3 FUN200 FUN300 FUNOOO ORG 0 END Va 1 ueo fr i n gs i z e Outputp o r t0t oON Outputp o r t0t oOFF Waitf o rp o r t0ON Retumt oo r i g i n End 参考文献 1)野原, PCコントローラとマイクロコンビュータの組み 合わせによる機器の制御,呉工業高等専門学校研究報告32 巻1 号 ,1 996, P. 4 9-60. 2 )野原,階段を昇降するロボットの制御,呉高専35周 年 記 念学術論文集,2000, P.55-60. 9 9 3 . 3 ) 横田,図解Z-80の使い方,オーム社, 1 する.その後, PC⑮は,原点用リミットスイッチ⑤の反 4 )鈴木,たのしくできるセンサ回路と制御実験,東京電機 応がなければ,シリノイド停止用ホトセンサ④をステッ 9 9 9 . 大学出版局, 1 プ側原点まで戻す.そして,さきに設定した値までステッ 5 ) 西野,IC論理回路入門,日刊工業新聞社, 1 9 8 9 . プモータ⑦を回転させ,シリノイド停止用ホトセンサ④ 6 ) MPC-Ol取扱説明書.