1. Control Function Executionの定義

Control Function Executionとは、機械に要求される機能を実行可能な動作単位へ変換し、各動作の開始・進行・完了・中断・復帰条件を体系的に構成する制御領域である。

機械設計において、機能は一般的に次のような目的を中心として定義される。

• 製品を供給する。

• 製品を整列させる。

• 製品を固定する。

• 製品を切断する。

• 製品を検査する。

• 完成した製品を排出する。

しかし、このような機能定義だけでは、機械を実際に動作させることはできない。

各機能を実行するためには、次の事項を具体的に定義する必要がある。

• どの装置を作動させるか

• どのような条件で動作を開始するか

• どの位置・速度・力で作動させるか

• 何を基準として動作完了を判断するか

• 許容時間内に完了しない場合、どのように処理するか

• 実行中に異常が発生した場合、どの状態へ移行するか

• 次の機能へ移行するために、どの条件を満たす必要があるか

したがって、Control Function Executionは、機械の機能的な意図を実際の制御指令と状態遷移へ変換する実装体系である。

2. Control Function Executionの位置

汎用機械における機能実行の流れは、次のように整理できる。

要求事項 → 機械機能 → 機構 → 機能実行制御 → 状態確認 → 次機能への遷移

各領域の役割は次のとおりである。

Control Function Executionは、機構そのものを設計する領域ではない。

すでに決定された機構に対して、次の事項を決定する領域である。

• いつ作動させるか

• どの順序で作動させるか

• どの程度まで作動させるか

• いつ停止させるか

• 完了後にどの状態へ遷移させるか

3. 機能と動作の区別

機能と動作は明確に区別する必要がある。

3.1 機能

Function

機能とは、機械が製品または工程に対して生み出すべき結果である。

例：

• 製品の位置決め

• 製品の固定

• 定量供給

• 切断

• 加熱

• 検査

• 排出

3.2 動作

Action

動作とは、機能を実現するために実際の装置が行う物理的な作動である。

例：

• コンベヤモータの回転

• ストッパシリンダの上昇

• クランプシリンダの前進

• サーボ軸の下降

• ヒータ出力の増加

• 排出シリンダの前進

一つの機能が、複数の動作によって構成される場合がある。

例えば、製品固定機能は次のように構成できる。

1. 製品の到着を確認する。

2. サイドガイドを前進させる。

3. 上部クランプを下降させる。

4. クランプ圧力を形成する。

5. 固定完了を確認する。

したがって、制御設計では動作を列挙するだけでなく、それぞれの動作がどのような機能的結果を生み出すかを関連付けなければならない。

4. 機能実行単位

機械全体の動作を一つの長いシーケンスとして作成すると、変更・試験・復旧が困難になる。

そのため、機械機能を個別に実行・確認できる機能実行単位へ分割する必要がある。

代表的な機能実行単位は次のとおりである。

• 製品供給

• 製品検出

• 位置決め

• 整列

• クランプ

• 加工

• 検査

• クランプ解除

• 排出

• 復帰

• 清掃

• 原点復帰

各機能実行単位には、次の項目を含める必要がある。

5. 機能実行の基本構造

一つの機能は、一般的に次の流れで実行される。

待機 → 開始条件確認 → 指令出力 → 動作実行 → 完了確認 → 結果確定 → 状態遷移

5.1 待機

Idle

機能を実行せず、開始条件の成立を待つ状態である。

5.2 開始条件確認

Start Condition Check

機能を安全かつ正常に実行するための条件が満たされているかを確認する。

5.3 指令出力

Command Execution

モータ、シリンダ、バルブ、ヒータなどの装置へ実行指令を出力する。

5.4 動作実行

Execution

装置が目標状態へ向かって作動する。

5.5 完了確認

Completion Verification

センサ、エンコーダ、圧力、時間、または工程結果を用いて、機能が完了したかを確認する。

5.6 結果確定

Result Confirmation

完了信号が入力されたことだけでなく、意図した機能的結果が実際に達成されたかを確認する。

5.7 状態遷移

State Transition

実行結果に応じて、次の機能、待機状態、または異常状態へ移行する。

6. 開始条件の定義

指令が発生したという理由だけで、機能を直ちに実行してはならない。

実行前に必要な条件を確認する必要がある。

6.1 装置準備条件

• モータが運転可能状態にあるか

• サーボが正常に有効化されているか

• 空圧または油圧が正常範囲にあるか

• バルブおよびドライブに異常がないか

• 原点が確認されているか

6.2 工程準備条件

• 製品が指定位置にあるか

• 前工程が完了しているか

• 次工程が製品を受け入れる準備状態にあるか

• 必要な工具が取り付けられているか

• 設定値およびレシピが有効か

6.3 機械状態条件

• 衝突の可能性がないか

• 他の軸または装置が干渉位置にないか

• 現在の運転モードで当該機能が許可されているか

• 現在の機械状態が機能実行に適しているか

6.4 安全条件

• 安全ドアが正常な状態にあるか

• 非常停止が解除されているか

• 危険領域内に作業者がいないか

• 必要な安全機能が使用可能な状態にあるか

開始条件は、単なるセンサ入力の一覧ではない。当該機能を実行可能であることを証明する条件の集合である。

7. 実行指令の構成

機能実行指令には、単純なON／OFFだけでなく、具体的な目標を含める必要がある。

7.1 離散指令

Discrete Command

装置を二つ、または限定された複数の状態の間で切り替える指令である。

例：

• バルブON／OFF

• クランプ前進／後退

• ブレーキ作動／解除

• ヒータ許可／禁止

7.2 目標値指令

Setpoint Command

装置が到達すべき目標値を指定する。

例：

• 位置：250 mm

• 速度：300 mm/s

• トルク：15 N·m

• 温度：80°C

• 圧力：0.5 MPa

7.3 モーションまたは工程プロファイル

Motion or Process Profile

目標値だけでなく、そこへ到達するまでの過程も定義する。

例：

• 加速時間

• 減速時間

• 接近速度

• 作業速度

• 保持時間

• 多段圧力

• 多段温度

7.4 条件付き指令

Conditional Command

実行中に検出された状態に応じて指令を変更する。

例：

• 製品検出時に減速する。

• 接触検出後に力制御へ切り替える。

• 目標温度到達後に出力を保持する。

• 過負荷状態へ近づいた場合に速度を制限する。

適切な機能実行指令は、どの装置を作動させるかだけでなく、どのような結果を、どの条件と過程によって生み出すかを表現する。

8. 実行シーケンスの設計

機械機能は、順次・並列・条件分岐・繰返しの構造で実行できる。

8.1 順次実行

Sequential Execution

前の機能が完了した後、次の機能を開始する。

例：

供給 → 整列 → クランプ → 加工 → 排出

順次実行は構造が明確で理解しやすいが、すべての動作を不必要に直列化するとサイクルタイムが長くなる。

8.2 並列実行

Parallel Execution

互いに干渉しない機能を同時に実行する。

例：

• 完成品の排出と次製品の供給準備

• 加工軸の復帰とクランプ解除準備

• 製品搬送と検査データ保存

並列実行はサイクルタイムを短縮できるが、次の事項を確認する必要がある。

• 装置間の物理的干渉

• 電力および空圧の同時使用量

• 完了条件の同期

• 一方の機能が失敗した場合の他方の処理

8.3 条件付き実行

Conditional Execution

製品種類、工程結果、または機械状態に応じて異なる機能を実行する。

例：

• 合格品と不合格品で排出経路を分ける。

• 製品サイズに応じて異なる位置指令を使用する。

• 再加工が必要な場合に追加工程を実行する。

• 工程条件に応じて速度を変更する。

8.4 繰返し実行

Repetitive Execution

特定の条件が成立するまで機能を繰り返す。

例：

• 設定数量に達するまで供給する。

• 設定圧力に達するまで加圧する。

• 製品位置が許容範囲内に入るまで整列する。

• 設定回数の範囲内で再試行する。

すべての繰返し構造には、終了条件と最大繰返し回数を定義しなければならない。

9. 完了条件の定義

指令を出力したことは、機能が完了したことを意味しない。

完了は、実際の結果を基準として判断しなければならない。

9.1 位置による完了

• 目標位置への到達

• リミットセンサの検出

• エンコーダ位置偏差が許容範囲内に入る

• シリンダの前進または後退完了

9.2 速度による完了

• 目標速度への到達

• 回転部の完全停止

• 速度が許容範囲内で維持される

• 軸間の速度同期が完了する

9.3 力および圧力による完了

• 必要なクランプ力の確保

• 目標圧力への到達

• 加圧力の維持

• 目標トルクへの到達

9.4 温度および工程値による完了

• 目標温度への到達

• 保持時間の完了

• 目標重量への到達

• 設定流量の供給完了

9.5 製品結果による完了

• 製品位置の確認

• 加工完了の検出

• 検査合格

• 排出完了の確認

重要度の高い機能ほど、アクチュエータの動作完了だけに依存せず、最終的な製品または工程結果を直接確認することが重要である。

10. 完了条件と保持条件

一部の機能では、目標状態へ一時的に到達しただけでは完了と判断できない。

例えば、圧力が一瞬だけ目標値に到達し、その後すぐに低下した場合、クランプ状態が正常に維持されているとは判断できない。

そのため、次の二つを区別する必要がある。

完了条件

Completion Condition

目標状態へ到達したことを判断するための条件である。

保持条件

Hold Condition

到達した状態が必要な時間、安定して維持されていることを確認する条件である。

例：

• 目標圧力を1秒以上維持する。

• 位置偏差を±0.1 mm以内に維持する。

• 設定温度を5秒間維持する。

• 停止判定速度以下の状態を一定時間維持する。

11. タイムアウトと時間条件

すべての機能には、合理的な実行時間が存在する。

許容時間内に機能が完了しない場合は、異常として扱う必要がある。

11.1 起動遅延時間

指令出力から装置が実際に反応を開始するまでの許容時間である。

11.2 完了制限時間

機能を完了しなければならない最大時間である。

11.3 最小保持時間

信号または状態を有効と判断するために、最低限維持しなければならない時間である。

11.4 安定化時間

動作完了後、振動・圧力・温度などが安定するまで待機する時間である。

11.5 機能間待機時間

次の機能へ移行する前に必要な待機時間である。

11.6 通信応答時間

外部装置または制御装置から応答を受け取るまでの最大許容時間である。

タイムアウト値は、単なるアラーム設定値として決めるのではなく、機械の正常応答特性、荷重変動、環境条件、および工程要求を基準として設定しなければならない。

12. 運転モード別の機能実行

同じ機能であっても、運転モードによって実行条件と動作方法が異なる場合がある。

12.1 自動運転

• 全体シーケンスの一部として機能を実行する

• すべての工程インターロックを適用する

• 完了を自動判定する

• 次の機能へ自動的に移行する

12.2 手動運転

• 個別機能または個別装置を直接操作する

• 自動シーケンスは進行させない

• 必須の安全インターロックを維持する

• 衝突防止インターロックを維持する

• 必要に応じて制限速度を適用する

12.3 調整運転

• 位置・速度・時間・センサ条件を調整する

• 単一サイクルで運転する

• 低速またはステップ動作を行う

• 設定値変更の権限を制限する

12.4 原点復帰

• 基準位置を探索する

• 減速位置を確認する

• 原点センサを確認する

• 位置座標を再設定する

• 原点復帰完了状態を確定する

12.5 保守・清掃モード

• 限定された装置のみ作動させる

• ホールド・トゥ・ラン方式を適用する

• 低速で運転する

• 一部の一般インターロックをバイパスできる場合がある

• 中核となる安全機能を維持する

12.6 復旧モード

• 未完了の工程状態を整理する

• 軸および製品位置を確認する

• 個別装置を安全位置へ移動する

• 残留製品を除去する

• 自動運転へ再移行する条件を確認する

13. 機能間の協調と同期

機械機能は、完全に独立して動作するものではない。

複数の機能が条件と状態を相互に交換しながら協調する必要がある。

13.1 機能間ハンドシェイク

一つの機能が、他の機能へ準備・実行・完了状態を伝達する。

代表的な信号：

• Ready

• Request

• Busy

• Complete

• Fault

• Reset

13.2 軸間同期

複数の軸が、定められた位置・速度・位相関係を維持する。

例：

• 左右昇降軸の同期

• フィルム供給軸と切断軸の同期

• コンベヤ動作とロボットピックアップの同期

• マスタ軸とスレーブ軸の追従

13.3 上流・下流設備との協調

生産ラインで製品を受け渡す前には、次の事項を確認する必要がある。

• 下流設備が製品を受け取る準備状態にあるか

• 上流設備からの供給要求が有効か

• 搬送経路が空いているか

• 製品追跡情報が正しく伝達されたか

14. 中断と一時停止

機能実行中に動作を中断する状況を区別する必要がある。

14.1 一時停止

Pause

現在の状態を可能な限り維持しながら、運転を一時的に停止する。

• 運転を再開できる

• 位置および工程状態を維持する

• 製品状態を保持する

• 再開条件を確認する必要がある

14.2 制御された中断

Controlled Interruption

現在の機能を安全な段階まで完了させてから中断する。

14.3 即時中断

Immediate Interruption

装置損傷または工程異常を防止するため、現在の機能を直ちに停止する。

14.4 安全中断

Safety Interruption

人への危険を低減するため、通常の機能制御よりも優先して危険動作を中断する。

各中断方式では、次の事項を定義する必要がある。

• 遮断する出力

• 維持する出力

• ブレーキ適用の有無

• 製品および工具の状態

• 再開の可否

• 復旧手順

15. 機能実行の失敗

次のような状態は、機能実行の失敗と判断できる。

• 開始条件が設定時間内に成立しない

• 指令後に装置が反応しない

• 完了信号が入力されない

• 完了信号が異常に早く入力される

• 目標値へ到達しない

• 必要な状態を維持できない

• 相反するセンサ信号が同時に入力される

• 他の機能との衝突可能性が発生する

• 製品状態が想定と異なる

• 通信応答がない

機能が失敗した場合、単にアラームを発生させるのではなく、失敗の影響と危険度に応じて対応レベルを決定する必要がある。

16. 再試行と自動復旧

一部の機能失敗は、自動再試行によって復旧できる。

例：

• 製品を再整列する。

• シリンダを後退させた後、再び前進させる。

• センサ汚染の可能性を考慮して再検出する。

• 通信指令を再送信する。

• 供給装置から再供給する。

自動再試行には、次の制限が必要である。

• 最大再試行回数

• 再試行前の安全状態

• 再試行間の待機時間

• 繰返し失敗時の対応

• 再試行履歴の記録

• 再試行を許可しない機能

繰返し動作によって人または設備への危険が増加する可能性がある機能では、自動再試行を制限しなければならない。

17. 機能実行制御とインターロック制御の境界

機能実行制御とインターロック制御は互いに関連するが、その役割は異なる。

機能実行制御

• 実行すべき機能を定義する。

• 装置へ指令を出力する。

• 機能の進行と完了を管理する。

• 次の状態へ遷移させる。

インターロック制御

• その機能を実行してよいかを判断する。

• 特定の条件下で指令を遮断する。

• 衝突および工程異常を防止する。

• 解除条件およびバイパス条件を管理する。

機能実行制御は「何を実行するか」を担当する。

インターロック制御は「今、それを実行してよいか」を担当する。

18. 機能実行制御と安全関連制御の境界

安全関連制御は、機能実行制御よりも優先される。

機能実行指令が存在していても、安全条件が満たされていない場合、危険な出力を許可してはならない。

例：

• 自動シーケンスが加工軸の下降を要求していても、安全ドアが開いている場合は実行を禁止する。

• 排出機能が要求されていても、作業者が危険領域内にいる場合は動作を禁止する。

• ブレーキ状態が不明確な場合、垂直軸の移動指令を許可しない。

安全関連制御は、機能の正常完了よりも、人および設備への危険を制限することを優先する。

19. Assemblyとの連携

機能実行制御は、実際の組立状態と一致していなければならない。

必要な組立情報

• 軸およびアクチュエータの基準方向

• 前進・後退、正転・逆転の定義

• 原点位置および作業位置

• センサ取付位置

• 機械的限界位置

• ストッパとセンサの関係

• ブレーキの作動方向

• バルブの通常状態

• 調整可能範囲

制御上の方向定義と実際の組立方向が異なると、次の問題が発生する。

• 軸が逆方向へ移動する。

• シリンダ信号が逆に解釈される。

• 原点位置と限界位置が入れ替わる。

• ブレーキの解除と作動が逆になる。

したがって、機能実行の定義は、組立図、I/Oリスト、および試運転基準と一致させなければならない。

20. Manufacturingとの連携

機能実行制御は、製造されるすべての機械で同じ動作を再現できなければならない。

管理すべき主なパラメータ

• 位置設定値

• 速度

• 加速度および減速度

• トルク制限

• 圧力設定

• 実行時間

• 保持時間

• タイムアウト

• 再試行回数

• 位置許容偏差

• 完了判定基準

製造および試運転試験

• 個別機能実行試験

• 開始条件試験

• 完了条件試験

• タイムアウト試験

• 順次実行試験

• 並列実行試験

• 手動運転試験

• 自動運転試験

• 中断および再開試験

• 再試行試験

• 異常復旧試験

21. 主要な設計成果物

Control Function Executionを実装するためには、次の文書が必要である。

22. 機能実行制御の確認事項

機能定義

• 各機能が生み出す最終結果が明確か

• 機能と装置動作が区別されているか

• 機能が適切な実行単位に分割されているか

開始条件

• 実行前に確認すべき条件がすべて定義されているか

• 装置条件、工程条件、安全条件が区別されているか

• 上流および下流設備の準備条件が含まれているか

実行指令

• 指令が単なるON／OFFではなく目標状態を含んでいるか

• 位置・速度・力・時間条件が定義されているか

• 実行中の条件変化に対する対応があるか

完了判断

• 実際の機能結果を確認しているか

• アクチュエータ状態と製品結果が区別されているか

• 完了条件と保持条件が区別されているか

• 許容偏差と安定化時間が定義されているか

シーケンス

• 順次実行と並列実行が適切に構成されているか

• 並列機能間に干渉がないか

• 条件分岐と繰返し終了条件が明確か

異常と復旧

• タイムアウト条件が定義されているか

• 機能失敗条件が明確か

• 自動再試行の範囲が適切か

• 中断後に製品および装置状態を確認できるか

組立と製造

• 制御上の方向と実際の組立方向が一致しているか

• 設定値を一貫して再現できるか

• すべての機能を個別に試験できるか

• 機能別の合格基準が定義されているか

23. 結論

Control Function Executionは、機械の機能要求を実行可能な指令と状態遷移へ変換する制御領域である。

その本質は、単にモータやシリンダを動かすことではない。

次の関係を明確に定義することが重要である。

• どの機能を実行するか

• どのような条件で機能を開始するか

• どの装置へ、どのような指令を出力するか

• どの実際の結果によって完了を確認するか

• 許容時間内に完了しない場合、どのように対応するか

• どの条件で次の機能へ移行するか

• 中断または異常発生後、どのように復旧するか

優れた機能実行制御は、正常な自動運転だけを実装するものではない。

自動・手動・調整・保守・復旧のすべての運転モードにおいて、機械の動作を予測可能かつ検証可能な形で構成し、AssemblyおよびManufacturingの各段階でも同一の機能と性能を繰り返し実装できるようにする。