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モーションコントローラとは

モーションコントローラの、モーションとは、「動き」
コントローラとは、「制御する物」を意味します。

このページではまずはじめに、「モーション」について説明して、
その後、「モーションコントローラ」について説明します。

目次

モーションとは

一般には、3次元の空間内の移動を意味します。
移動を観測するために、直方体状の目盛りをつければ、
3個のデータで現在位置を示すことができます。

その3個のデータをX座標値、Y座標値、Z座標値として
時刻をtとすれば、

$$(nt, nx, ny, nz)  n:整数$$

と、4つの数字の組み合わせの羅列で移動を表現することができます。

例として、珠の表面を行ったり来たりして、なぞっているモーションの図を示します。

専門用語では、「3次元円弧補間」というモーションです。

参考

移動する物が棒状のものであれば、その向きを含めることもあります。その場合は、時刻を含めて7個のデータが必要になります。

希望のモーションを実現する構成

刻々と所望の一に行くためには

  • 機械構造(ステージ等)
  • 動力源(モータとモータドライバ)
  • 所望の位置の指令を出す指令出力機器(モーションコントローラ)

が必要になります。

ステージ

移動する物の3次元の位置を決めるために、指示構造が必要です。
直線状に動作して、指定位置に動く機械構造を「直動ステージ」と言います。
これを2つ、直角になるように固定すると、「直交ステージ」、「直交ロボット」。あるいは、「2軸ステージ」、「XYステージ」と言います。
さらに、もう一つ直角に組み合わせると「3軸ステージ」となって、直方体のX座標値、Y座標値、Z座標値で位置を決めることが可能になります。

参考
  • Z座標値の位置を決めるステージを、天井(上)から吊り下げる方法もあります。
  • 回転状に動作して、指定の角度に動く機械構造は「回転ステージ」と言います。
  • 回転するアーム(腕)の上に回転アームを載せて、物の3次元の位置を決める機械構造も可能です。この場合の機械構造は、「ロボットアーム」と呼ばれます。

ステージの構成

以下の2種類があります。

1.回転運動を直線運動に変換するタイプ

主に、「ボールねじ」と呼ばれる部品を使って、回転を直線に変換します。
ボールねじのシャフトは、回転型モータで回転させます。

2.もともと直線運動をするタイプ

回転部が無くて、直線移動型のモータ「リニアモータ」を使います。

モータとモータドライバ

ステージに使うモータは、大きく分けて以下の2つがあります。

  • サーボモータ
  • ステッピングモータ

それぞれに、モータを回して、位置を決めるためのモータドライバがあります。
磁石と電磁石の関係で力を出す原理が同じなので、ここでは詳しく説明しません。

モータドライバは、刻々と、指示を受けた位置を目指してモータを動かして、位置を決めていきます。

参考

刻々と位置の支持を受けて、モータを動かすモータドライバを「位置指令入力タイプ」のモータドライバと言います。
「位置指令入力タイプ」は主に2つに分類され、

・パルス列指令入力タイプ

パルスの累積した数が、位置を示します。
1パルス毎に時計の秒針が1秒進む、と想像して下さい。

・シリアル通信入力タイプ

があります。

モーションコントローラ

ユーザーがプログラムしたモーション、
例えば、3次元空間に絵を書くようなモーションを指定して、
その指示に従って、刻々とモータドライバに位置の指令を出します。

バリエーション

モーションコントローラにはバリエーションがあります。ここでは、性能、形状、プログラムによる違いについてご説明します。

モーションコントローラの性能によるバリエーション

  • 3次元の円は描けない。2次元(XY平面上)なら描ける。
    →専門的には、「3軸円弧補間可能」、「2軸円弧補間可能」と言います。
  • 位置の指示を1ms毎に出せる。10ms毎なら出せる。
    →専門的には、「軌跡指令生成周期」という数値仕様になります。
  • 制御軸数が変わります。
    →3軸円弧補間は1セットのみ、あるいは、2セットで合計6軸可能など。

といったバリエーションがあります。

「円弧補間」のような、2軸以上の複数軸の協調制御を指示できない位置指令出力機器は、「モーションコントローラ」と呼ばれません。
そのような機器は、「位置決めコントローラ」、「位置決めボード」と呼ばれます。

モーションコントローラの形状

  • スタンドアローン型(独立型)
  • 内蔵型

パソコンに内蔵したり、シーケンサ(PLC)のバックプレーンユニットとして装着したりします。

写真は、内蔵型でパソコンに内蔵するPCIボードタイプです。

モーションを指示するプログラム言語

  • G言語
  • C言語
  • 専用機械制御言語(ラダープログラムなど)
参考

「直交ステージ」以外の機械構造で、「円弧補間」等の2軸以上の複数軸の協調制御を、指示できるか、できないか、バリエーションの一つです。

モーションコントローラならではの機能

モーションコントローラでは、位置を刻々と管理しています。
高性能なモーションコントローラでは、この位置管理とIO機能

  • DOUT(デジタルアウトポート)機能
  • DIN(デジタルインポート)機能
  • DA(デジタルアナログコンバータ)機能
  • AD(アナログ・デジタルコンバータ)機能

を連動して動作させることができます。

DOUTの例:塗布、噴霧

位置を監視していて、所定の位置でDOUTをオンにして、
所定の位置でDOUTをオフにする。
DOUTポートに、接着剤塗布バルブや噴霧バルブを接続すると
モーションを停止することなく、正確な塗布や噴霧ができます。

DINの例:はめ込み

指定圧力でONセンサを監視していて、
センサがONしたら、移動を停止する。
ばらつきの少ないはめ込みができます。

ADの例:荷重制御、サーボプレス

ロードセル出力をADに接続し、ADに入力が指定地を越えたら移動を停止する。
位置やADの監視周期が短いほど、高速の荷重制御、サーボプレスが実現できます。

DAの例:塗布

アナログ電圧制御できる接着剤塗布バルブにDAを接続し、
位置を監視していて、位置指令が曲線(円)になったら、
DAを出力を小さくする。
カーブになると塗布量を少なくするので、接着剤の溜まりがなくなります。

シーケンサ(PLC)の場合、
IOとモーションの関係を指示するCPUユニットと
モーションを管理しているモーションユニットが
別ユニット、別CPUなので、
高速な「IO連動モーション」ができません。

モーションコントローラの上位接続

モーションコントローラは、さらに上位のコントローラから指示を受けます。
パソコンやPLCなどです。
弊社のモーションコントローラでは以下の接続例があります。

  • Windowsパソコン(USB経由)
  • Windowsパソコン(LAN経由)
  • WindowsパソコンやPLC(RSS232回線経由)
  • 三菱電機PLC(三菱電機シーケンサ)(Ethernet経由)
  • オムロンPLC(オムロンシーケンサ)(Ethernet経由)
  • キーエンスPLC(Ethernet経由)
  • RS485回線

モーションコントローラの仕様

プライムモーション社のモーションコントローラ
「InterMotion」シリーズ
について仕様をまとめています。

詳しくはこちらを御覧ください。

モーションコントローラ「InterMotion」資料

仕様、取扱説明書等の資料はこちらからダウンロードできます。

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