自律的モデル構造変更によるメカトロニクス機構設計支援システム

(1)

岡田学長谷川光彦小泉創

I C A D s y s t e m f o r M e c h a t r o n i c s M e c h a n i s m u s i n g t h e T e c h n i q u e

of Autonomus Changing of Structural Model

Manabu OKADA Mitsuhiko HASEGAWA Hajime KOIZUMI

Designworkcanbehandledassearchingproblemsofexplication.Inthispaper, searchareaisdevidedinto"SearchAreaofSystem Structure"and"SearchAreaof StmctualElements".Andthenweproposedmodelingtechniqueandsearchingmethods foreacharea.ItisappliedtoIntelligentCADsystem withCESPprogramminglan･

guage,anduniaxialfeedtablesystem wasdesignedbythesystem.Sotheoputimum systemstructureissearchedandmodはed,anditisdecidedinflexiblyandreasonablly.

Andfurther,structualelementsareselectedinproperly.Andthesystem appliedto biaxialfeedtablesystem,soitisclarifiedthatthesystem isabletomakethecompli･ cated･combination･structuresofthesimplestuucture.Atlast,thesystem appliedto verticalliftersystem,soitismadesurethatthesystemiseffectivetospeciallycaselike it.

1. はじめに

最近の機械はメカトロニクス化されてきており,機構設計という観点から,多くの要素の中から最適な組み合わせ構造を選択する必要性が生じている. またメカトロニクス化に伴い, 設計自体は単純化されているが,位置決めの高精度化,移動速度の高速化, スペース,サイ

クルタイム, コストなどの要求仕様はますます高度かつ多様なものになり,設計過程は複雑化している.そこでコンピュータによる支援に対して社会的な要求が高まってきている.

設計作業を計算機上で実現するためには,それに必要な知識を計算機上に表現しなければならない.それだけに,設計作業の分析と,それを計算機上で実現するためのモデリソグは重要な問題である.従来の方法では,設計解の探索を単一の空間において行っていたため, 機構モデルが複雑になると, その表現や管理が困難になった.そこで本研究では,設計解の探索において, システム構造探索空間と構成要素探索空間を別々に扱うという基本的手法及び, オブジェクト指向論理型言語を用いて,自律的にモデル構造の変更を可能とする新しい

'1993年6月14日第11回設計シソポジウムにて発表 '*機械工学科助手

日暮長岡技術科学大学工学部助教授日日加藤スプリング(樵)

(2)

28 岡田学･長谷川光彦･小泉創

手法を提案する. そして, システム構造探索空間と構成要素探索空間の両者を扱うことのできるシステムの開発を行った. また,具体的にメカトロニクス機構の設計例について実行し, 最適なメカトロ機構のシステム構造が推論により,探索･変更され,その結果構造が柔軟かつ合理的に決定されることを示した. これにより,複雑な組み合わせ知識として持たなくても単純な基本的構造知識から複雑な組み合わせ構造を持つシステムが構築できることを明らかにし,開発したシステムの有効性を検証した.

2.設計問題における2つの探索空間 2. 1 2つの探索空間の分離性

設計作業は一般に設計解の探索問題として扱うことができる.設計解の探索空間は,｢システム構造探索空間｣と｢構成要素探索空間｣に分けることができ,工程設計, レイアウト設計などでは与えられた構成要素を用いてシステム構造を最適化する問題,パラメトリック設計などではシステム構造が与えられて構成要素を最適化する問題,そして一般の設計問題ではシステム構造と構成要素の両者を最適化する問題として捉えることができる(I).これらの探索空間の広さを説明する概念図を図1に示す.本研究では図2に示すように, この2種類の探索部分を分離し, それぞれを体系化して扱う. これによって探索表現の様式化を図る

ことができ,設計モデルの取り扱いが容易になる.

システム構造探索部は,設計対象のシステムとしての構造を探索するものであり,機能に基づく段階的詳細化を基本とするので,part‑of 関係(2)による階層構造として表現する.構成要素探索部は,設計対象を構成する個々の要表を探索するものであり, ここでは特徴に基づく段階的詳細化によって,is‑a関係(2)による階層構造として表現する. それぞれの探索部は, オブジェクト指向によって表現する.構成要素探索部では継承などを伴う静的な階層構造を用いることができる. しかし, システム構造探索部で

システム構造探索空間広さ

構成要素探索空間の広さ

図1 設計分野ごとの探索空間の広さは構造の組み替えを伴う動的な階層構造を必要

とする.

2. 2 システム構造探索部

システム構造の変更を可能とする動的な結合を実現するために, ここでは図3に示すようなオブジェクト管理システムを用いる. システム構築時に必要に応じて,用意されたクラスオブジェクトからイソスタソスオブジェクトを生成し,黒板(5)を用いて 1)ソクとリンク変更を行うことにより, システム構造を構築したり再構築したりすることを可能にする. また, 必要な設計知識は各オブジェクト内に与えられており, システム構築案が設定される毎に設計プロセスも自動的に定まる. これは部分指向政策(3)による全体の部分‑ の分割と, オブジ

ェクト指向表現によるカプセル化を実現した結果である.

2.3 構成要素探索部

(3)

∈≡

^】システム捕冶探索空間梢成要素探索空間

システム捕迫データベース構成要素データベース図2 提案するシステムの構成

機械設計では,標準化された部品をカタログ的き整理しておいて,それらを組み合わせて設計を進める標準化された設計も多い.例えば,軸受けには滑り軸受けや転がり軸受けがあり,転がり軸受けには玉軸受けやころ軸受けがある, といった具合である. これらがオブジェクトとして体系的に表現されていれば,適当なメッセージをやりとりしながら,条件に合う部品のクラスを選定し,必要な設計を進めていくことができる(4).これらを体系化管理するにはis‑a関係に基づく木構造を用いるのが便利である. さらに,部品選定に必要な共通した手続きなどは上位のクラスにまとめておき,継承によって下位のクラスからそれを利用すれば,下位クラスの内容は, それぞれに固有のものだけで良いので,知識のメンテナンス性が良くなる.

SObL03 SObL04

図3 インスタンスオブジェクトの生成によるモデルのシステム構築

(4)

3.設計プロセスとモデル構造変更 3. 1 モデル構造とその変更

システム構造の構築･変更に際して,図3で示した個々の機能要素のイソスタソスオブジェクトを直接扱うのは合理的ではない.そこで, ここではインスタンスオブジェクトで構成される部分構造案をデータベース化して蓄積し,その部分構造について取り扱うこととする.

この部分構造案をモデル構造と呼ぶ. したがって, システム構造案の作成は, トップダウン的に仕様の機能を実現可能なモデル構造を選び,階層的に結合してゆくことである.

構成要薫

^{データ}

Icl一SS̲Object

D プロ苦言 ̲ 一一一一一

^一^一 ^{作用}

一一一･一参照図4 提案するシステムの設計プロセス

各最末端のイソスタンスオブジェクトが全て構成要素データベースに存在するもので表現された時,システム構造案が作成されたと判断する.次には構成要素探索に移り, システム構造案の最下層からボトムアップ的に最適な構成要素を選定してゆく.評価は一層上位のノードにおいて行うようにする.評価が使用を満足出来ない場合は,そのノードから下層のモデル構造を別案に変更し,再度最適な構成要素を選定してゆく. システム構造のトップに達した時,設計が完了したと判断する.以上の設計プロセスシステムの説明図を図4に示す.

3. 2 モデル構造変更の自動化と設計プロセスの自動的設定

モデル構造の変更は,変更知識により行う.変更知識は優先順位決定知識であり,設計事例に基づくヒューリスティックな知識となる. また,知的バックトラックの知識の働きも持たせることができる.将来的には自己組織化を行う手法を取り入れる必要があろう.

モデル構造が変更されると,それに伴い設計プロセスも変更しなければならない. しかし本システムではモデル構造の設計方法は,その上位のノ‑ ドオブジェクトに与えられている

(5)

ので, モデル構造が変更されても設計プロセスを変更する必要はない.下層の設計プロセスは,モデル構造変更に伴い自動的pt変更されることになる. したがって, モデル変更と設計プロセスの変更は一体で成されるので,設計プロセスについて特別な操作をする必要はない.

ただし,各オブジェクトに与えられる制約は, ‑, ≧, ≦等の関係式となることが多いので, 定式化されたパラメトリック設計のようには効率的ではない.

4.メカトロニクス機構設計システムの構築

提案する設計支援システムに基づくICAD (IntelligentComputerAidedDesign)システムを試作し,検討した. システムの試作においては,CESP (CommonExtendedSelfcon･

tainedProlog)言語(6)(7)を用いた.

4.1 ‑軸送りテーブルの設計例

設計対象として図5のような‑軸送りテーブルシステムを選び,設計を行わせた.表 1に設計に関する要求仕様を示す.その結果,生成されたリンク情報を図6に, それによるモデル構造を図8に示す. また,個々の構成要素に関する選定結果を図7に示す.‑軸送りシステムの設計は,搬送システムの基本形ともいえる構造である.それが要求仕様によって, 自律的にモデル構造を構築し,構成要素の特性探索まで行い,最適解を得た.

･ ∴

図5 ‑軸送りテーブルシステムの外観 4. 2 直交=軸送りテーブルシステムの設計例

表1 ‑軸送りテーブル設計に対する要求仕様

バラメ‑タ名仕様関係

軸数 1

軸の方向 Ⅹ 軸

送り速度 1500mm/min 搬送ワ‑ク重量 300kgf

加速時間 0.25sec ≧ 最大ストローク 700mm

ネジ軸の寿命 2000hr ≦

ltop.LSsystenl)

lSSy事tCTTl.tSrey̲TnOtJon 令trUCtUrC,StrIlTISmt" Ion.

h otor.Ssupprot̲ltrtlCtureJ).

LSrey̲lYIOtlorLgtruCture.LS11nt･r̲TnOtlon̲8truCtUrC Shall SCrC▼日 .

lIllTl言r̲motlon̲strtJCturC.tSyrork.Sllner̲EUldel1.

LSyrork.LS▼ork‑pleceH.

tltm nsrIIIH lon.lSrcdtlCtlon̲Fear5日.

LSmotor.lSscrvo̲rnotor日 ]

図6 ‑軸送りテーブルシステムのリンク情報

#SyStCm̲ITIOdule'.nccel tine.

1302548092622.一<.0.25)

kbz)H scrc▼●.m a x ̲Stroke.none.IT.700.0 1h ll=キCrC▼●,SPCCd,TIOne..‑ .15000.OI rbELll̲screy'.llre.613:I.33179881‑139.>■

2000.0】

ll.●lballJ Cre▼●.10万Lnotlon.6.32875053691198.

‑く.15.0】

[1..1111‑Cr̲TnOtlon̲TTIOdule'.spec°.15000.0.･‑.

15000.01

●2●●●■●●

●

l●l1t一l1111l一〇一1‑.‑I‑1‑‑一1

111ncrTnOtloTlnOdulel.ACCCl̲tllne.none,･<.

25】

Jyrork̲plece'.Y･cJFllt.300.0.‑‑.300.0】

Xsupportー9trUCture..#struct̲Ol) lreductlonJ e8rS●.lreductlon̲ge8rS一〇17 1bBllJ ereY●.#drt1608̲3J

f1lncr̲gtl1dc'.IIIner̲Fulde̲011

*$11dc̲table',NSllde̲table̲011 lyorkJ'lece'.+★ork̲plece̲oTlel X東erYO̲mOtOr'.lcx5‑一oo̲Sll,J

図7 ‑軸送りテーブルシステムの設計結果

(6)

図8 ‑軸送りテーブルシステムのモデル構造

図9 直交二軸送りテーブルシステムの外観表2 直交二軸送りテーブル設計に対

する要求仕様

パラメータ名仕様関係

軸 ■数 2

軸の方向 Ⅹ 軸

送り速度 1500mm/min 加速時間 0.25sec ≧

最大ストローク 700mm ネジ軸の寿命 2000hr ≦

t]ストモーシ､コソ 15.OFLm ≧

軸の方向 Y 軸

送り速度 1500mm/min 搬送ワ‑ク重量 300kgf

加速時間 0.25sec ≧

最大ストp‑ク 700mm ネジ軸の寿命 2000hr ≦

次に,‑軸送りテーブルを互いに直交するように組み合わせた直交二軸送りテーブルシステムについて,設計を行わせた.表2に設計に関する要求仕様を示す. その結果,生成されたリンク情報を図10に, それによるモデル構造を図11に示す. また,個々の構成要素に関する選定結果を図12に示す.二軸送りシステムであることを仕様として与えると, そ

lSsystcm.lSrcyITnOtlon̲sFtruCtUre.Itr811SITllsSlon.

Inotor.19UPprOt̲8truCtureJJ.

t一rey̲rpotlon̲9truCturC.lillner̲TbOtlon̲9truCtt)rC.

lbAll̲screy日 ,

lI11ncr̲motlon̲Strt)CtLJre,lSyrork.Sllner̲fulde日 . (暮▼orlt.lS亨Y■tC･lTl日 .

ttJy9teTTI.L暮reyJnOtlon̲汚truCture.StrAnsrrLIzg与lon.

tpotor.暮9UT}prOt̲ntrt)CttJre日.

ttrey motlonJ truCture.Llllrter̲motion̲sttLtlCture.

暮bdll二8CreYH .

tllncrlmOtJon̲5tnJCttJre.LSyork.Sllncr̲FuldcJ) Syrork.LIyork̲plcceH .

ltr8TISmlsslon.lSredlJCtlonJ ears日 . 暮notor.lS9erYOIntOtOrIH

StranSTItlsslon.ISreductLon̲gear8H . Inotor,tSseryo̲notor日 )

図10 直交二軸送りテーブルシステムのリソク情報

(7)

れに応じたモデル構造を構築し,その構成要素の特性を探索,最適化を行った. このような設計も従来ならは,多軸系のシステム設計のためのモデル構造を全て用意しておかなければならなかった.

しかし,本システムにおいては,‑軸系のシステムを設計するのと同じだけの知識によって, より複雑なシステムの設計を行うためのモデル構築が可能であることを実証した. これによって,本システムが,実際のメカトロニクス機構設計で行われているように,単純な機構の組み合わせによって,複雑な機構を実現してゆく設計問題支援に対して,有効であることを示した.

4. 3 Z軸リフトテ‑プルシステムの設計例また,前述2例とは異なる例として,鉛直方向

l‑l11l1222'︼222211一l11l'●'l22'l'●2

acceL tlne.0.13:1213295435119,‑<.0.25I M X̲Stroke.tlOTle.‑ .丁oo.OJ

叩 Ced.norle.ll.15000.01

lire.3016.80766626143.>1.2000.0】

109tTTIOtlon.8.01759018323862.■<.lJ;.0】

叩 ee古.15000.0.日 .15000.0】

aCCel̲tllTle.none.1･<.0.25J

accel tlTne,0.211302548092622.T<.0.25】

M X̲9言roke.none.･1.700.OJ u eed.TIOTle.‑ .lSOOO.0)

llre.6133.33179881139.>‑.2000.01 108t̲MOtlon.a.328750536℡1196.■<.15.01 9Peed.15000.0.H .lSOOO.OI

accel̲tlTrle.none.･<.0.25I yeIがIt.300.0.I..300.0)

'JstJPPOrt̲,trlJCttJ

r

^e'.^如tT^･^t^J^Ct^̲⁰¹^I

'rreductlon̲gC8rg

.

^.^frêdL⁾^C^tlôⁿ^̲^geâ^r^s^̲⁰^1I

.Nball̲SCr'eYr'.#drt1608̲3】

.llJner̲gulde'.lLlncr̲rulde̲01】

'lSllde̲table..Isllde̲table̲Oil

●Iseryo‑nlOt･OrI,#ex775oJIlZ)

●IsupporLgtrtJCture'.#strtJCLOl)

'lredtJCtlon̲書eLLrS',lreductlon̲rcAr8̲01I '1bqlLscreyl.ldlt1608̲3l

'llJner̲guJde'.I‖Jncr̲guldc̲OII

●hllde̲t8ble'.一911deJAble̲01J

'lrorklPlecel.l^v^rôr^l^Lplêce̲oT^lê)

'#seryo̲motorI.Xcx7750̲SlZiJ

図11 直交二軸送りテーブルシステムの設計結果

図12直交二軸送りテーブルシ.ステムのモデル構造

に動作するZ軸リフトテーブルシステムについて,設計を行あせた.表3に設計に関する要求仕様を示す.その結果,生成されたリンク情報を図14に,それによるモデル構造を図16に示す. ここで選択されているリニアド･モーターはモーター自体にラック･ピニオン機構を既に組み込んであるもので,複合的な機能を持った構成要素として軽負荷時に適応し, コソ

(8)

表 3 Z軸 1)フトテーブルシステムに対する要求仕様

パラメータ名仕様関係

軸数 1

軸の方向 Z 軸

送り速度 1000mm/min

搬送ワーク重量･2.2kgf

加速時間 0.25sec ≧

最大ストローク 200mm 寿命 2000hr ≦

ロストモーション ‑15.0〝m ≧

tL#top.rlsysltemll,

LIsystem.1‡1lnerlRtOtlon̲Structure.

StJPd̲llneardTれOtOr.IstJppOrt,̲SttltJCture)I tsllner̲rM'tl言n̲structure.tstAble.Iyrot･k.

Sllner̲gUlde日 , lttable.lSllrL tzLble日 . L暮yrork.LSyork̲plece)))

図14 Z軸リフトテーブルシステムのリンク情報

1l▲一I11111 図13Z軸リフトテーブルシステムの外観

8ccCl̲tJne.0.25.■<,0.25) ITITLX̲StrOkc.20(I.0.‑t.200.0】

.speed,10000.0....10000.0) .▼clght:.2.2.t1.2.2】

Nupd̲lJncard̲mot･orl.#upd566LF2̲∧MI

#support̲9trUCture'.一struct̲0lJ

kIJnerJ ulde..lllIICr̲guldc̲Ol)

#lIrL tAble■.Illrt̲table̲011 Hyyork̲pieceI.uyyorkJ)lece̲onel

図15 Z軸リフトテーブルシステムの設計結果

図16 Z軸 1)フトテーブルシステムのモデル構造

(9)

パクトな設計を実現出来る.また,個々の構成要素に関する選定結果を図15に示す. これによって,本システムが特殊な構成要素も柔軟に扱うことが可能であることを示した. モデル構造のデータベースに複合的な機能を持たせてある構成要素を用いる場合のモデル構造を一つ追加しておけば,必要に応じて自律的に選定される. さらに,単体のテーブル等も製品化されているが,その場合も,それを用いたモデル構造を追加すればよい. このように,構成要素の使い方のモデル構造を入力するだけでよいので, メンテナンスが容易である.

5. 結冨

システム論の観点から,設計をシステム構造探索と構成要素探索とを明確に分離することが重要であることを明らかにした. また,従来オブジェクト指向では実現が難しかったシステム構造探索空間探索のための自律的モデル構造変更を可能とする新しい手法を提案した.

それにより, メカトロニクス設計に対して自律的なモデル構造変更と設計プロセスの自動的設定が成される知的設計支援システムの構築を実現した. さらに,単純なモデル構造を知識ベースに持っているだけで,要求仕様に応じ,柔軟に複雑な構造を得ることができることを示した.

参考文献

(1) 小林重信,寺野隆雄 :知識システム‑ソドブック,オーム社,45‑54,(1990) (2)上野暗樹 :知識工学入門,オーム社 (1989)