(57)【要約】【課題】  確実に対象物の衝突を検知できる安価な衝撃検知装置を提供する。【解決手段】  衝撃検知装置１１は、対象物に取り付けられる振動センサ１３と、振動センサ１３からの出力信号を受信するための受信部１５と、受信部１５によって受信された連続的な出力信号のうちの最も大きい値をピーク値として保持するピークホールド回路１７と、ピークホールド回路１７に保持されるピーク値を対象物の衝突を判断するためのデータとして出力するための出力部１９とを備える。【選択図】      図１
2006138756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に取り付けられる振動センサと、該振動センサからの出力信号を受信するための受信部と、前記受信部によって受信された連続的な前記出力信号のうちの最も大きい値をピーク値として保持するピークホールド回路と、前記ピークホールド回路に保持されるピーク値を出力するための出力部とを備えることを特徴とする衝撃検知装置。
【請求項２】
前記出力部は、前記ピーク値と共に、前記受信部によって受信される前記振動センサの出力信号を出力する請求項１に記載の衝撃検知装置。
【請求項３】
前記衝撃検知装置は、前記出力部から出力される前記ピーク値が予め定められた値を越えたときに衝突が発生したと判断する衝突判断手段をさらに備える請求項１に記載の衝撃検知装置。
【請求項４】
前記衝突判断手段は、時刻を計時する機能を有しており、前記ピーク値が前記予め定められた値を越えたときに時刻と共に前記ピーク値を記憶する請求項３に記載の衝撃検知装置。
【請求項５】
前記対象物は工作機械の主軸であり、前記衝突判断手段は工作機械の制御装置である請求項３又は請求項４に記載の衝撃検知装置。
【請求項６】
前記振動センサからの出力信号がアナログ信号であり、前記ピークホールド回路が前記アナログ信号のピーク値を保持し、前記出力部は受信したアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する請求項１に記載の衝撃検知装置。
【請求項７】
対象物に取り付けられる振動センサと、該振動センサからの出力信号を受信するための受信部と、前記受信部によって受信された連続的な前記出力信号のうちの最も大きい値をピーク値として保持するピークホールド手段と、前記ピークホールド手段に保持されるピーク値をデジタル信号として出力するための出力部と、前記出力部から出力されるデジタル化された前記ピーク値が予め定められた値を越えたときに衝突が発生したと判断する衝突判断手段とを備えることを特徴とする衝撃検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物、特に工作機械の主軸が、他の物体に衝突したことを検知するための衝撃検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸やロボットのアームなどでは、プログラムミスやオペレータの操作ミスなどによって他の物体との想定外の衝突が起こることがある。このような衝突が起こると、主軸やロボットアームなどにおいて主軸やロボットアームの構造自体やそれを駆動するためのモータに故障が発生する。こうした故障は加工精度や動作精度などに影響を与えるので、衝突が発生したときには工作機械やロボットの動作を停止させ、点検することが望ましい。
【０００３】
しかしながら、自動運転を行っているときにはこれらの衝突を検知できない。そこで、工作機械の主軸などでは、故障が発生したときに主軸やそれを駆動するモータに異常振動が発生することに着目して主軸に設けられた位置検出器によって主軸の異常振動を検知していた（特許文献１を参照）。また、対象物に振動センサを取り付け、振動センサからの出力をデジタル信号に変換したものを利用して衝突を検知する衝撃検知装置もある。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９６２１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記位置検出器による異常振動の検知では、故障が発生していることは検知できるが、主軸やロボットアームに故障が発生しても、これらが衝突に起因するものか否かの判断は、自動運転ではできず、また、オペレータがいる場合でもオペレータが衝突したことを自己申告しなければ困難であった。また、従来の衝撃検知装置を用いる場合、振動センサからの連続的なアナログ信号を離散的なデジタル信号に変換するときに、一定周期でサンプリングを行うことになるが、衝突による振動は急激なピークを有するので、衝突によるセンサ信号の急な変化がサンプリングのタイミングを指示するサンプリング信号の間で起こったときには、衝突による振動を確実に検知できないという問題があった。さらに、従来の衝撃検知装置は、専用の衝突判断回路を有しており、一般に高価であるという問題があった。
【０００６】
よって、本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、確実に対象物の衝突を検知できる衝撃検知装置を提供することにある。また、本発明の付加的な目的は、安価な衝撃検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的に鑑み、対象物に取り付けられる振動センサと、該振動センサからの出力信号を受信するための受信部と、前記受信部によって受信された連続的な前記出力信号のうちの最も大きい値をピーク値として保持するピークホールド回路と、前記ピークホールド回路に保持されるピーク値を出力するための出力部とを備える衝撃検知装置を提供する。
【０００８】
測定対象物が衝突したときの振動センサの出力信号は急激なピークを有するので、この出力信号を一定のサンプリング周期でデジタル化するＡ／Ｄ変換（アナログ−デジタル変換）処理を行うと、サンプリングのタイミングの関係でＡ／Ｄ変換後の信号波形のピークが低くなる又はなくなってしまうことがあり、振動センサからの出力信号をＡ／Ｄ変換した信号に基づいて衝突の有無を正確に判断することは困難である。これに対して、本発明の衝撃検知装置では、ピークホールド回路で振動センサの出力信号のピーク値（一般にはピーク電位）を保持するようにしているので、衝突が起きた後でも、少なくとも一定の期間、衝突時の振動センサの出力信号の最大値がピーク値としてピークホールド回路に保持されるので、ピークホールド回路の出力値から確実に衝突を検知することができる。
【０００９】
上記衝撃検知装置では、前記出力部は、前記ピーク値と共に、前記受信部によって受信される前記振動センサの出力信号を出力することが好ましい。このような構成をとれば、振動センサからの出力信号の平常値との比較でピークホールド回路に保持されるピーク値が異常か否かを判断することが可能になる。また、対象物の動作の監視のために振動センサの出力信号を利用することもできる。
【００１０】
前記衝撃検知装置は、前記出力部から出力される前記ピーク値が予め定められた値を越えたときに衝突が発生したと判断する衝突判断手段をさらに備えることが好ましい。物体が衝突したときに振動センサから出力される出力信号の振動の振幅は急激に大きくなるので、衝突判断手段に平常時の振動では到達しない値を閾値として予め設定しておけば、振動センサの出力信号の最大値、すなわち、出力部から出力されるピークホールド回路に保持されるピーク値が、閾値を越えたときに衝突が発生したと判断することができる。
【００１１】
このような衝突判断手段は、時刻を計時する機能を有しており、前記ピーク値が前記予め定められた値を越えたときに時刻と共に前記ピーク値を記憶することができることがさらに好ましい。このような構成によれば、衝突がいつ発生したかを知ることができる。
上記衝撃検知装置において、例えば、前記対象物を工作機械の主軸、前記衝突判断手段を工作機械の制御装置とすることができる。
【００１２】
さらに、上記衝撃検知装置において、前記振動センサからの出力信号がアナログ信号であり、前記ピークホールド回路が前記アナログ信号のピーク値を保持し、前記出力部は受信したアナログ信号をデジタル信号に変換して出力するように構成することができる。アナログ信号をデジタル信号に変換（Ａ／Ｄ変換）する際にはサンプリング周期に起因してアナログ信号の一部情報の欠落が発生するが、アナログ信号をピークホールド回路に通してピーク値を保持しておけば、ピークホールド回路の出力をＡ／Ｄ変換してもピーク値の情報が確実に出力され、衝突を確実に検知することが可能になる。
【００１３】
また、本発明は、対象物に取り付けられる振動センサと、該振動センサからの出力信号を受信するための受信部と、前記受信部によって受信された連続的な前記出力信号のうちの最も大きい値をピーク値として保持するピークホールド手段と、前記ピークホールド手段に保持されるピーク値をデジタル信号として出力するための出力部と、前記出力部から出力されるデジタル化された前記ピーク値が予め定められた値を越えたときに衝突が発生したと判断する衝突判断手段とを備える衝撃検知装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ピークホールド回路により振動センサからの出力信号の振動波形の最大値が保持されるので、衝突が発生した場合にその振動波形が急激に変化してもピークホールド回路に確実に振動のピーク値の情報が維持される。したがって、ピークホールド回路からの出力をＡ／Ｄ変換すれば、衝突発生時の振動のピーク値の情報が欠落することはなく、確実に衝突を検知できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
図１は本発明の衝撃検知装置の全体構成図、図２は衝突が発生したか否かを判断する方法の一例を示すフローチャート、図３は図１の衝撃検知装置における振動センサ及びピークホールド回路からの出力波形の例を示すグラフ、図４はアナログ−デジタル変換を説明するグラフである。
本発明の衝撃検知装置１１は、工作機械の主軸やロボットのアームなど自体又はそれを駆動するアクチュエータに取り付けられ、主軸やアームが他の物体に衝突したことを検知するためのものである。以下では、特に工作機械の主軸に適用された場合を例にとって説明する。
【００１６】
最初に、図１を参照して本発明の衝撃検知装置１１の全体構成を説明する。衝撃検知装置１１は、工作機械の主軸に取り付けられる振動センサ１３と、振動センサ１３からの出力信号を受信する受信部１５と、受信部１５と接続されているピークホールド回路１７と、ピークホールド回路１７に保持される値を外部に出力するための出力部１９とを備える。
【００１７】
振動センサ１３は、取り付けられた対象物の振動を電圧に変換し電気信号として出力するセンサであり、対象物の変位、速度又は加速度の振幅に比例する電圧を出力するものである。したがって、振動センサ１３からの出力はアナログ信号となる。振動センサ１３としては、例えば、振動ピックアップなどを使用することができる。振動センサ１３は周知のタイプのものであるので、ここではこれ以上詳しく説明しない。
受信部１５は、振動センサ１３からのアナログ信号を受信できるようになっており、典型的には、振動センサ１３からの信号線を接続することができるインタフェースの形態をとるが、特にその形態は限定されるものではない。
【００１８】
ピークホールド回路１７は、受信部１５によって受信された連続的な出力信号（アナログ信号）の波形が示す最も大きい電圧をピーク値又はピーク電圧として保持する機能を有する回路であり、一般的なタイプのものが使用され得る。ピークホールド回路１７では、一般に、保持されるピーク電圧が時間の経過とともに減衰し小さくなっていくが、その減衰率は回路設計の変更により調整が可能であるので、後述するようにＡ／Ｄ変換器のサンプリング周期に適した減衰率が選択される。
【００１９】
出力部１９は、ピークホールド回路１７に保持されるピーク電位又はそれに対応するデジタル信号だけでなく、振動センサ１３からの出力信号又はそれに対応するデジタル信号も出力できるようになっている。しかしながら、振動センサ１３からの出力信号は必ず出力部１９から出力する必要があるものではない。出力部１９は後述する衝突判断手段とケーブルなどを介して接続され、一般にこれらケーブルなどを接続できるインタフェースの形態をとる。
【００２０】
衝撃検知装置１１は、さらに、ピークホールド回路１７によって保持されるピーク電位を表すピークホールド回路１７からの出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器２１と、受信部１５によって受信された振動センサ１３からの出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器２３とを備える。これらＡ／Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）２１，２３については周知のものであるので、ここでは詳しく説明しない。
【００２１】
このように構成された衝撃検知装置１１の出力部１９から出力される信号は衝突判断手段に出力され、衝突判断手段は、これら出力信号に基づいて衝突が発生したか否かを判断する。図示されている実施形態では、衝突判断手段は工作機械の制御装置２５である。このように衝突判断手段として工作機械の制御装置２５を利用することにより、衝撃検知装置１１の専用の判断部を設ける必要がなくなり、衝撃検知装置１１を安価に製造することが可能になる。工作機械の制御装置２５は、例えば、出力部１９から出力される信号のうちのピークホールド回路１７に保持されていたピーク電位又はそれをＡ／Ｄ変換した値が予め定められた閾値を越えたときに衝突が起きたと判断する。あるいはまた、工作機械の制御装置２５は、予め定められた期間に出力部から出力される信号のうちの振動センサ１３の出力信号から平時の平均出力レベルを求め、該平均出力レベルと出力部１９から出力される信号のうちのピークホールド回路１７に保持されていたピーク電位との差が予め定められた値を越えたときに衝突が起きたと判断する。
【００２２】
衝突判断手段、すなわち工作機械の制御装置２５は、時刻を計時する機能を有し、上記のようにして衝突が発生したと判断したときに、その時に出力部から出力されるピーク電位と共に時刻を記憶するようになっていることが好ましい。これにより、何時に衝突が発生したかを知ることができ、衝突原因の分析に役立てることが可能となる。
【００２３】
次に、図２〜図４を参照して、図１の衝撃検知装置１１の動作について説明する。衝撃検知装置１１では、主軸又はそれを駆動するモータに取り付けられた振動センサ１３の出力を受信部１５が連続的な信号として取得する。取得される振動センサ１３の出力信号は、アナログ信号であり、通常、図３（ａ）に示されているようなものである。取得された振動センサ１３の連続的な出力信号は、ピークホールド回路１７に伝達され、その一連の出力信号の波形が示す最も大きな電圧をピーク電位（ピーク値）Ｐとしてピークホールド回路１７に保持する。次に、ピークホールド回路１７に保持されているピーク電位Ｐが第１のＡ／Ｄ変換器２１によりアナログ信号からデジタル信号に変換され、衝突判断手段である工作機械の制御装置２５が、出力部１９を通して、ピークホールド回路１７に保持されるピーク電位Ｐをデジタル信号として取得する（ステップＳ１００）。制御装置２５は、取得したピーク電位Ｐと予め定められた値Ｋとを比較する（ステップＳ１０２）。
【００２４】
図３（ａ）に示されているように衝突が発生していないときには、ピーク電位Ｐは予め定められた閾値Ｋを下回り、衝突は発生していないものと判断される（ステップＳ１０６）。なお、制御装置２５内で閾値Ｋと比較されるのは、厳密にはピーク電位ＰをＡ／Ｄ変換した後の値であるが、説明を簡単にするために、ここでは、ピーク電位Ｐを閾値Ｋと比較するものとして記載している。これは以下の制御装置２５内における閾値Ｋとの比較の説明でも同様である。
【００２５】
一方、衝突が発生すると、受信部１５を通して取得される振動センサ１３の出力信号は図３（ｂ）に示されているように急激なピークを有する波形を示す。一般的な衝撃検知装置１１では、振動センサ１３の出力信号（アナログ信号）を直接的にＡ／Ｄ変換するので、振動センサ１３の出力信号がこのように急激なピークを有する波形を示す場合、図４に示されているように、二つのサンプリング信号同士の間に衝突による出力信号の急激な変化が収束していまい、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号には急激な変化が反映されなくなることがある。この場合、振動センサ１３の出力信号が急激に変化した波形の頂点における電圧、すなわちピーク電位が予め定められた閾値Ｋを越えるものであったとしても、工作機械の制御装置２５が取得する信号はこのピーク電位を下回る電圧しか有さなくなることがあり、衝突を検知することができなくなり得る。
【００２６】
しかしながら、本発明の衝撃検知装置１１では、受信部１５を通して取得される振動センサ１３の出力信号がピークホールド回路１７に伝達される。したがって、ピークホールド回路１７によって、図３（ｂ）に示されているような衝突による急激な変化を生じた信号の波形が最も大きな電圧を示すときのピーク電位が抽出され、これがピークホールド回路１７に保持されるので、図３（ｃ）に示されているような振動センサ１３の出力信号のピーク電位Ｐに相当する信号が生成させられる。こうして生成された信号が第１のＡ／Ｄ変換器２１によりデジタル信号に変換された後、出力部１９を通して工作機械の制御装置２５に出力される。ピークホールド回路１７の出力信号には、ピーク電位Ｐに相当する情報が常時表されているので、これを第１のＡ／Ｄ変換器２１によりデジタル信号に変換しても、第１のＡ／Ｄ変換器２１のサンプリング信号のタイミングと関わりなく、ピーク電位Ｐに相当する情報が確実に工作機械の制御装置２５に伝達される。
【００２７】
したがって、主軸が衝突したとき、図３（ｃ）に示されているように、ピークホールド回路１７からの出力信号をＡ／Ｄ変換したデジタル信号には、図３（ｂ）の衝突時の波形の頂点における電圧であるピーク電位Ｐの情報が確実に反映されているので、制御装置２５が衝撃検知装置１１の出力部１９から取得したピーク電位Ｐは予め定められた閾値Ｋを上回ることになり、衝突が発生したと判断される（ステップＳ１０４）。
【００２８】
なお、ピークホールド回路１７に保持されているピーク電位Ｐは、回路の特性上、厳密には、図３（ｃ）にも示されているように、徐々に減衰していく。したがって、ピークホールド回路１７に保持されるピーク電位Ｐに関して現時点でのサンプリング値と前回のサンプリング値とを比較し、今回のサンプリング時の値が前回のサンプリング時の値を上回り、かつ、今回のサンプリング時の値が閾値Ｋを上回ったときに、衝突が起きたと判断することが好ましい。
【００２９】
ピークホールド回路１７の減衰率は回路設計により調整することができるので、検知すべき衝突により生じる振動センサ１３の出力信号の波形のピーク電位Ｐが１サンプリング周期経過後でもなお予め定められた閾値Ｋを上回るようにピークホールド回路１７に保持されているように、ピークホールド回路１７の減衰率が設定される。あるいはまた、検知すべき衝突により生じる振動センサ１３の出力波形のピーク電位Ｐがピークホールド回路１７に設定された減衰率に従って１サンプリング周期経過して減衰した場合でも減衰後の電位が閾値Ｋを上回るように閾値Ｋを定めるようにしてもよい。後者の場合、閾値Ｋは衝突が起きていないときの振動センサの出力電位を上回るように設定されている必要があるのはもちろんである。
【００３０】
なお、ピークホールド回路１７の減衰率は一般に小さく、サンプリング周期も非常に小さいので、実質上はサンプリング周期の間保持されるピーク電位Ｐは一定値が維持される。したがって、衝突時に振動センサ１３により生成された出力信号のピーク電位Ｐに相当する情報が制御装置２５に出力されるとみなすことができる。
【００３１】
上記では、工作機械の制御装置２５が、ピークホールド回路１７に保持されたピーク電圧Ｐのみに基づいて衝突発生の有無を判断しているが、振動センサ１３からの出力信号をさらに用いて衝突発生の有無を判断することも可能である。例えば、制御装置２５が振動センサ１３からの出力信号を出力部１９からさらに取得してその電圧の平均値を求め、その平均値とピークホールド回路１７に保持されたピーク電位Ｐとの差を予め定められた閾値Ｋ′と比較し、差が閾値Ｋ′を上回ったときに衝突が起きたと判断するようにすることもできる。また、出力部１９から取得した振動センサ１３の出力信号は主軸の状態を監視するために用いることもできる。
【００３２】
以上、図示された実施形態に基づいて本発明の衝撃検知装置１１を説明したが、本発明の衝撃検知装置１１は図示された実施形態に限定されるものではない。例えば、上記衝撃検知装置１１には、第１のＡ／Ｄ変換器２１及び第２のＡ／Ｄ変換器２３が設けられているが、これらは工作機械の制御装置（すなわち、衝突判断手段）２５に設けられていてもよい。また、上記実施形態では、工作機械の制御装置２５を衝突判断手段として利用しているが、衝撃検知装置１１が工作機械の制御装置２５と別に衝突判断手段を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の衝撃検知装置の全体構成図である。
【図２】衝突が発生したか否かを判断する方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】図１の衝撃検知装置における振動センサ及びピークホールド回路からの出力波形の例を示すグラフである。
【図４】アナログ−デジタル変換の例を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１１    衝撃検知装置
１３    振動センサ
１５    受信部
１７    ピークホールド回路
１９    出力部
２１    第１のＡ／Ｄ変換器
２３    第２のＡ／Ｄ変換器
２５    制御装置
【図１】
2006138756.tif 000003
【図２】
2006138756.tif 000004
【図３】
2006138756.tif 000005
【図４】
2006138756.tif 000006