(57)【要約】【課題】旧来の巻き掛け駆動装置に対して機構的な追加を行うことなく、また電気的な変更もほとんど行わずに、モータの回転速度を測定し演算するという手段によってワイヤの状態（伸び、緩み等）の劣化やプーリとのすべりの状態を検知することで、適切な時期でのワイヤ交換を可能にして、ワイヤの切断によるアームの破損及び二次的被害の発生を未然に防止すること。【解決手段】プーリとプーリに巻き掛けされたワイヤと、前記プーリを駆動するモータとを備えた巻き掛け駆動装置において、モータを駆動開始以降のモータの回転速度を観測し、そのデータの傾きが予め定められた範囲外である時にはモータの駆動を停止する制御とワイヤ交換を促す手段を設けた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プーリとプーリに巻き掛けされたワイヤと、前記プーリを駆動するモータとを備えた巻き掛け駆動装置において、モータを駆動開始以降のモータの回転速度を観測し、そのデータの傾きが予め定められた範囲外である時にはモータの駆動を停止する制御とワイヤ交換を促す手段を設けたことを特徴とする巻き掛け駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプーリとプーリに巻き掛けされたワイヤと、該プーリを駆動するモータとを備えた巻き掛け駆動装置に関するものであって、より詳しくは、プーリに巻き掛けされたワイヤに連結した作業体が、モータの駆動によって回転するプーリに連動して動作することによって、他の物体（ワーク）に対する作業（主に移動作業）を施す装置に関するものである。
【０００２】
なお、該作業体の形状については問わず、籠状のもの、アーム状のものなどが考えられる。また、アーム状の場合でもその構成は、単一アームの動作によって作業を行うもの、或いは複数のアームがワイヤによって連結された多段アームで構成され、各段の伸縮によって作業を行うもののいずれであっても適応可能である。
【０００３】
以下の説明においては、多段アーム状のもので代表して説明する。
【０００４】
【従来の技術】
上述したような巻き掛け駆動装置において、ワイヤの状態の変化やアーム先端部の外部との接触を検知する手段として、該ワイヤ末端部にスプリングを取付け、その張力の変化を監視して予め分かっている正常時の値と比較することで装置（ワイヤ）の異常を検知する等の、主に機構的仕組みを付加することによって解決する方法がとられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば真空チャンバーのような装置内においては、機構部品の配置・結線等を排除する必要があるため、上述してきたようなアームを備えた巻き掛け駆動装置を用いてワークに対する作業を施す場合、従来のように機構部品を付加することによって解決してきた方法を適用することは難しい。無論チャンバー内部に存在するワイヤの状態を目視によって検知する試みは更に困難なことである。
【０００６】
そのような状況で、ワイヤがひとたび切断すれば、アームの暴走とそれに伴う装置の破損、ワークの散乱などといった二次的被害が発生することになる。
更にはワイヤに伸びがなくても、プーリ−ワイヤ間にすべりが生じるような場合には、アームの位置制御が正確に行えなくなってしまうことになる。
【０００７】
そこで本発明は、旧来の巻き掛け駆動装置に対して機構的な追加を行うことなく、また電気的な変更もほとんど行わずに、モータの回転速度を測定し演算するという手段によってワイヤの状態（伸び、緩み等）の劣化やプーリとのすべりの状態を検知することで、適切な時期でのワイヤ交換を可能にして、ワイヤの切断によるアームの破損及び二次的被害の発生を未然に防止することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の構成を備える。プーリとプーリに巻き掛けされたワイヤと、該ワイヤによって連結され連動可能に構成された作業用アームと、該プーリを駆動するサーボモータとを備えた巻き掛け駆動装置であって、アームを所定の速度で移動させるためにモータの回転速度の指令データを記憶しておくメモリ、該メモリのデータをロードし実行するＣＰＵ、モータの回転速度を検出するエンコーダ、その回転速度を電圧値に変換するＦ−Ｖ変換回路とその電圧値と指令データに相当した電圧値とを比較してサーボモータを制御する比較回路とを少なくとも有するものである。
【０００９】
このような系において、サーボモータの回転速度をＣＰＵに取込んで処理し、その結果によってワイヤの状態を検知することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る巻き掛け駆動装置の実施の形態を図１に基づいて説明する。
【００１１】
図１は巻き掛け駆動装置において、実作業を行うアームの部分が３段からなる多段アームを例に示したものである。
【００１２】
まず、システムの電源が立ち上がると制御部のＣＰＵ１０１によって、メモリ１０２に記憶している多段アーム制御用の指令プログラムが読み込まれ実行される。制御プログラムは初めに、必要に応じてアーム位置の初期化動作等を行った上で、位置決めコントローラ１０３に位置決め指令と速度指令を与え、モータドライバー１０５に指令パルスを出力し、サーボモータ１０６の駆動を開始する。この指令パルスがサーボモータの制御目標、即ち多段アームの動作の制御目標となるものである。一方、駆動開始後、このサーボモータ１０６に直結されその回転量を検出するエンコーダ１０７からの出力パルスの周波数、即ちモータの回転速度をＦ−Ｖ変換器１０８で電圧信号に変換する。このＦ−Ｖ変換器の出力がモータの回転速度の現在値であり、この出力とコントローラからモータドライバーに送られる指令パルス即ち制御目標値とを比較器１０４で比較し、モータドライバーに指令することでサーボモータの回転速度及び回転量を制御する。これによりサーボモータに直結されたプーリＰ１と、サーボモータ１０６の回転駆動力を各アームに伝達するプーリＰ２〜プーリＰ７とワイヤが回転又は移動し、ワイヤにより結合されたアームが移動する。
【００１３】
なお、ここでは詳細は省略するが、各々のアームの制御方法としては、各アームに永久磁石、電磁コイルを配置し、それらにより電磁ブレーキを形成して制御する方法が考えられる。
【００１４】
このような形態からなる巻き掛け駆動装置において、本発明によるモータの回転速度を逐次観測し、そのデータを元に必要な演算を施して、予め定められたワイヤが正常な状態におけるデータと比較することで良否判断する方法について引き続き説明する。
【００１５】
図２はサーボモータの駆動開始から終了まで、即ちアームの始動から停止までの期間の、ＣＰＵから指令される目標となる回転数（破線ａ）とサーボモータの実際の回転数（実太線ａ’）のプロファイルを表した図である。ここでワイヤの状態は伸び等のない正常な状態にあり、プーリとワイヤ間にもすべりが無く、モータの動力は全てプーリに伝達されるものとする。
【００１６】
説明上、モータがＤＣモータである場合を考えると、一般にトルクＴとモータ駆動電流Ｉとの間には図３で表せるようなリニアな比例関係が成り立ち、また、回転数ＮとトルクＴの間にもリニアな垂下特性の関係が成り立つ。
【００１７】
ここで、アームの前進（伸張）時の動作についてサーボモータの実際の回転数（実太線ａ’）で考える。まず、始動時（図２のｓ’）は停止しているモータ（ロータ）の慣性への対応とその先の負荷、即ちプーリを含む移動系の慣性に対応するため、図３のＴ−Ｎ特性からも分かるように最大のトルク（起動トルク）によって、回転数を緩やかに立ち上げるようにする。始動直後は急激な動作を避けるため緩やかに加速するような指令パルスを出力するため回転数、トルク共に緩やかに変化していくが（図２のｂの期間）、徐々に加速するに従って（図２のｃの期間）回転数は増加して、モータからの必要なトルクは減少していき、ほぼ定速回転の期間（図２のｄの期間）でトルク最小、回転数最大に達する。更に駆動し続け、アームの位置が目標位置に近づくに従って（図２のｅの期間）、急激な停止動作を避けるため徐々にブレーキを作動させトルクは再び増加して回転数は下がり、停止時（図２のｆ）で再びトルクは最大、回転数は最小（ゼロ）になる。以上から時間と回転数との関係が図２のようになることが分かる。
【００１８】
無論、逆の動作、即ちアームの後退（収縮）の場合でもトルクと回転数の変化は同様のことが言え、時間と回転数との関係が図２と同様になる事は言うまでもない。
【００１９】
ここで図２に表したように、目標値（ａ）に対し実際値（ｂ）に遅れが生じている理由は、先にも述べたようにモータ自身が持つ慣性とその駆動対象となる負荷が持つ慣性、さらにはサーボ系即ち追従制御が持つ遅れが作用するためである。したがって、ＣＰＵが駆動開始の指令を送った時間は図２のｓの時点であるが、実際にサーボモータが始動開始したのは同図ｓ’の時点であり、それ以降も図２示すような遅れを持って推移することになる。
【００２０】
なお、現実にはワイヤにはある程度の弾性が存在しているため、図２のように滑らかなプロファイルにはならず、全工程にわたって若干の回転速度ムラが存在するが、後述のワイヤ異常による回転数の変動に比べれば問題となるレベルではないため、無視して考えることにする。
【００２１】
次に、ワイヤに異常（伸び）が発生している場合のモータ回転数のプロファイルについて図６を用いて説明する。図６は図２のプロファイルのうち、始動時付近のものを拡大したものであり、細破線ａが制御目標値、太破線ｂがワイヤ正常時の実際の値、そして太い実線ｃがワイヤ異常時の実際の値を表している。ここで、ワイヤは図４のようにステージ３段目と１段目の間（プーリＰ１〜Ｐ２〜Ｐ３の間）に伸びを生じているものとし、プーリの回転方向は図４で見て伸張時に右回りであるものとして説明する。
【００２２】
まず、モータの始動時は正常時と同様に起動トルクが必要なことからトルクは最大で、回転数は無論ゼロからスタートするが、たるみによりワイヤにはほとんど張力が働かないため、巻き掛け移動系がモータに対する負荷としてほとんど作用せず、結果的に正常時と比べれば目標値に対し僅かな時間遅れで始動を開始する（図６のｔ１）。その後も、ワイヤのたるみがプーリＰ１〜Ｐ２〜Ｐ３の間からなくなるまでは、モータにはほとんど負荷が作用せずプーリを空回しするだけに近い状況になるため、僅かな時間遅れを保ったまま推移する。
【００２３】
しかし、プーリＰ１の回転に伴ってＰ１〜Ｐ２〜Ｐ３間に存在したワイヤのたるみがＰ１とアーム３段目の間に移動すると（図５参照）、プーリＰ１〜Ｐ２〜Ｐ３の間のワイヤに張力が作用し始め、プーリＰ２以降にもトルクの伝達が可能な状態になり、それがＰ１を介してモータの負荷として急激に作用することになる（図６の点Ｐ）。その結果、瞬間的にモータの回転数は急激に低下するが、その後はサーボ系の追従性により急速に回復し、基本的に正常時とほぼ同じプロファイルをたどるようになる。ただし、ワイヤのたるみ、伸びの状況により振動等の複雑なプロファイルを形成することも考えられる。いずれにせよ、モータの駆動開始からステージが動き始め、ほぼ定速になるまでの間に正常時と異常時とで回転数のプロファイルに明白な相違が生じることになる。
【００２４】
後退（収縮）の際も同様に考えることが出来るため、上記の前進（伸張）の場合と同様な挙動を示すことになる。
【００２５】
なお、ワイヤの伸びの位置によって回転速度の変動が現れるタイミングが変わるのは言うまでもない。
【００２６】
また、プーリとワイヤ間にすべりが生じている場合には、モータに掛かる負荷が全工程にわたって軽減されると考えられるため、伸びがある場合と同様に指令値に対する追従が早くなる。また、ワイヤとプーリ間のすべりの度合い（摩擦抵抗）も変動すると考えられるため、モータも回転速度ムラを生じながら回転数が増加する（移動開始直後の場合。停止前は逆に減少する）と考えられる。
【００２７】
以上から、ワイヤが正常な場合とそうでない場合とでは、モータの回転数のプロファイルに著しい相違が生じる事がいえる。
【００２８】
そこで、本件である巻き掛け駆動装置におけるワイヤの状態判別方法であるが、まず、モータに直結したエンコーダの出力パルスを周波数−電圧変換回路によってモータの回転速度、即ちパルス周波数に応じた電圧値に変換し、その値をＡ／Ｄを介してＣＰＵに取込む。ＣＰＵにおいては取込んだ各サンプリングデータに対して、その微分係数ｄＶ／ｄｔを算出することによって各サンプリングポイントでのモータの回転速度の傾きがわかる。先にも述べたが、正常時でもワイヤの持つ弾性やプーリとの摩擦の変動などにより回転速度にも若干のぶれは発生するが、その程度は、回転速度、時間のいずれにおいても小規模なものである。それと比べ、ワイヤに異常があるものについては図６の変動ポイント点Ｐで示したように、大きな変位を起こすものであり、従って微分係数を算出することによって異常を検出することが出来る。ただし、上述の変動ポイントは通常短時間で経過すると考えられるため、サンプリングレートは可能な限り速いレートで取込む必要がある。また、エンコーダからのデータをＣＰＵに取込む期間であるが、既に論じてきたように、ワイヤの状態に応じてモータの回転数に大きな相違が生じるのは始動〜回転数がほぼ一定に落ち着くまでの期間であることから、この期間のデータに限って判断してもよい。
【００２９】
ここで、ワイヤの状態を判定する際の基準値についてであるが、実験或いはシミュレーションなどから求めた正常な場合の値とその許容範囲を正常値の範囲として使用し、メモリに設定しておけば、上記の算出データと随時比較することで両者の比較を行うことができる。
【００３０】
なお、異常であると判断した際の装置の駆動であるが、本件は基本的にワイヤが切断する以前の状態を捉えるものであるため、直ちに急制動する必要は無く、異常を検出した時点で減速停止させるか或いは全工程終了まで動作させ、その後表示灯やメッセージ表示器などによってワイヤの点検を促す仕組みにしておけばよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、巻き掛け駆動装置においてモータの駆動開始からモータの回転速度を計測し、そのデータを元に正常時のモータの回転速度と比較することによって、巻き掛け駆動装置のワイヤの劣化（伸び、緩み）等の異常やプーリとワイヤ間の摩擦の低下（すべり）を検知することが出来るため、保守点検時期を容易に判断できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる巻き掛け駆動装置の実施の形態を説明するイメージ図である。
【図２】本発明に係わる多段アームの始動〜停止までのモータの回転数のプロファイルを説明するための図である。
【図３】ＤＣモータにおけるトルクと電流・回転数の関係を説明するための図である。
【図４】多段アームを連結するワイヤに伸びが発生した状態を説明するイメージ図である（駆動前）。
【図５】多段アームを連結するワイヤの伸び位置がプーリの回転に伴って移動したことを説明するイメージ図である（駆動開始後→アーム移動開始直前）。
【図６】ワイヤに伸びがある状態での多段アームの移動開始付近の回転数を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１  ＣＰＵ
１０２  メモリ
１０３  モータコントローラ
１０４  比較器
１０５  モータドライバー
１０６  サーボモータ
１０７  エンコーダ
１０８  Ｆ−Ｖ変換器
１０９  Ａ／Ｄ変換器
Ｐ１  プーリ１
Ｐ２  プーリ２
Ｐ３  プーリ３
Ｐ４  プーリ４
Ｐ５  プーリ５
Ｐ６  プーリ６
Ｐ７  プーリ７
１１１  アーム１段目
１１２  アーム２段目
１１３  アーム３段目
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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