(57)【要約】【課題】モータの停止又は作動時や低速回転時にも誤検出をすることなく、モータに異常な負荷がかかったことを正確に検出できる異常負荷検出装置を提供する。【解決手段】異常負荷検出装置１０は、サーボモータ１６にかかる外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段１８と、サーボモータ１６の回転速度と予め定められた基準速度とを比較する速度比較手段２０と、外乱トルク推定手段１８によって推定された外乱トルクと予め定められた基準トルクとを比較するトルク比較手段２２とを備える。異常負荷検出装置１０は、速度比較手段２０においてサーボモータ１６の回転速度が基準速度を上回ったと判定され且つトルク比較手段２２において外乱トルクが基準トルクを下回った判定されたときに、異常が発生したと判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体を駆動するモータに異常な負荷がかかったことを検出するための異常負荷検出装置であって、
前記モータにかかる外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、
前記モータの回転速度と予め定められた基準速度とを比較する速度比較手段と、
前記外乱トルク推定手段によって推定された外乱トルクと予め定められた基準トルクとを比較するトルク比較手段と、
を備え、前記速度比較手段において前記モータの回転速度が前記基準速度を上回ったと判定され且つ前記トルク比較手段において前記外乱トルクが前記基準トルクを下回ったと判定されたときに、異常が発生したと判断することを特徴とした異常負荷検出装置。
【請求項２】
異常負荷検出機能の有効化及び無効化を外部からの信号によって切り換えることができる、請求項１に記載の異常負荷検出装置。
【請求項３】
異常負荷が検出されたときに、前記モータを停止させる、請求項１に記載の異常負荷検出装置。
【請求項４】
前記被駆動体は、工作機械の主軸、工作機械の送り軸、ロボットのアーム、産業機械の送り軸のうちの一つである、請求項１に記載の異常負荷検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば工作機械の主軸又は送り軸、ロボットのアーム、産業機械の送り軸といった被駆動体を駆動するモータに異常な負荷がかかったことを検出するための異常負荷検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械、ロボット、産業機械などでは、一般に、その主軸、送り軸又はアームなどの被駆動体がボールネジ機構などの伝動機構を介してモータのシャフトに連結され、モータによって駆動されるようになっている。
こうした被駆動体が他の物体に衝突して被駆動体の移動や回転が妨げられたり、伝動機構に故障が発生したりすると、モータに過大な負荷がかかり、放置するとモータの故障や被駆動体の破損につながる。
【０００３】
この問題を解決するために、特許文献１では、モータの回転速度及び電流に関する情報に基づいてモータにかかっている外乱トルク（負荷トルク）を推定し、推定した外乱トルクと予め定められた基準トルクとを比較し、推定した外乱トルクが基準トルクを上回ったときに、モータに過大な負荷がかかったと判断して、モータを停止させる異常負荷検出方法を開示している。
【０００４】
また、特許文献２及び３では、モータの回転速度及び電流に関する情報に基づいてモータにかかっている外乱トルク（負荷トルク）を推定し、推定した外乱トルクと予め定められた上限側及び下限側の基準トルクとを比較し、上限側基準トルクを上回ったときにモータに過大な負荷がかかったと判断し、また、下限側基準トルクを下回ったときにモータの負荷が過少になったと判断して、モータを停止させる異常負荷検出方法を開示している。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−８２３４６号公報
【特許文献２】特開平７−５１９９１号公報
【特許文献３】特開平８−１７４３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の異常負荷検出方法では、外乱トルクが上限値以上になることで異常が検出されるので、モータに過大な負荷がかかったことは検出できるが、負荷トルクが過少になったことを検出することはできなかった。そのため、伝動機構の部品の脱落や伝動機構と被駆動体との結合の緩みや外れによりモータにかかる負荷トルクが過少になると、特に一定トルクに制御している場合、モータが過大な速度で回転して伝動機構やモータを故障させる危険性がある。
【０００７】
特許文献２及び３に記載の異常負荷検出方法では、外乱トルクの上限値と下限値を定め、外乱トルクが上限値以上になるか下限値以下になることで異常が検出されるので、モータの負荷が過大になったことだけでなく、モータの負荷が過少になったことも検出することができる。しかしながら、モータの運転を停止又は開始する時や低速運転時などには、伝動機構の異常や伝動機構と被駆動体との結合の緩みや外れがなくても例えば歯車のバックラッシュなどに起因してモータへの負荷が過少になることがある。このため、推定された外乱トルクのみに基づいて異常を検出すると、モータの運転を停止又は開始する時や低速運転時などに、異常の誤検出がされるおそれがあった。
【０００８】
よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解消するために、モータの運転の停止又は開始時や低速回転時にも誤検出をすることなく、モータに異常な負荷がかかったことを正確に検出できる異常負荷検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的に鑑み、本発明は、被駆動体を駆動するモータに異常な負荷がかかったことを検出するための異常負荷検出装置であって、前記モータにかかる外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、前記モータの回転速度と予め定められた基準速度とを比較する速度比較手段と、前記外乱トルク推定手段によって推定された外乱トルクと予め定められた基準トルクとを比較するトルク比較手段とを備え、前記速度比較手段において前記モータの回転速度が前記基準速度を上回ったと判定され且つ前記トルク比較手段において前記外乱トルクが前記基準トルクを下回った判定されたときに、異常が発生したと判断する異常負荷検出装置を提供する。
【００１０】
本発明の異常負荷検出装置では、検出されたモータの回転速度が基準速度を上回ったときに発生した異常負荷のみを検出するので、モータの運転を停止する直前又は開始した直後若しくは低速運転時などに発生しやすい伝動機構のバックラッシュなどに起因する異常負荷の誤検出を回避することが可能となる。
【００１１】
上記異常負荷検出装置では、好ましくは、異常負荷検出機能の有効化及び無効化を外部からの信号によって切り換えることができる。
また、異常負荷が検出されたときに、前記モータを停止させることが好ましい。
例えば、前記被駆動体は、工作機械の主軸、工作機械の送り軸、ロボットのアーム、産業機械の送り軸のうちの一つである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、異常負荷の検出にモータの回転速度を考慮することで、モータが停止する直前又は作動した直後若しくは低速運転時などに発生しやすい伝動機構のバックラッシュなどに起因する異常負荷の誤検出を回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は本発明の異常負荷検出装置の全体構成を示すブロック図、図２は外乱トルク推定手段の例示の構成を示すブロック図、図３は本発明の異常負荷検出装置の処理手順を示すフローチャート、図４は外部信号により異常負荷検出機能の有効化及び無効化を切り換える場合のフローチャートである。
【００１４】
本発明による異常負荷検出装置１０は、モータ制御装置１２によって制御され被駆動体１４を駆動するサーボモータ１６の動作及び状態を監視して、サーボモータに異常な負荷（過小なトルク）がかかると、これを検出する。被駆動体１４は、ボールねじ機構などの伝動機構（図示せず）を介してサーボモータ１６のシャフトに連結されており、サーボモータ１６のシャフトの回転により移動又は回転する。被駆動体は、例えば、工作機械の主軸、工作機械の送り軸、ロボットのアーム、産業機械の送り軸などである。なお、本発明による異常負荷検出装置１０は、サーボモータ１６だけでなく、ＤＣモータなど他のタイプのモータに対して使用することも可能である。
【００１５】
図１を参照すると、異常負荷検出装置１０は、外乱トルク推定手段１８と、速度比較手段２０と、トルク比較手段２２と、モータ停止手段２４とを備える。
【００１６】
外乱トルク推定手段１８は、例えば速度検出手段２６によって検出されたサーボモータ１６の実際の回転速度とモータ制御装置１２からサーボモータ１６へのトルク指令とに基づいて、サーボモータ１６にかかる外乱トルク（以下、推定外乱トルクと記載する）Ｔｅを推定する。速度検出手段２６としては、サーボモータ１６に取り付けられたエンコーダなどが使用される。
【００１７】
トルク比較手段２２は、予め定められた下限側基準トルク（下限トルク）Ｔｒを記憶しており、外乱トルク推定手段１８によって推定された外乱トルクＴｅと基準トルクＴｒとを比較する。そして、トルク比較手段２２は、推定外乱トルクＴｅが基準トルクＴｒを下回ったときに、サーボモータ１６にかかる負荷が過少であり、伝動機構の動作不良や伝動機構と被駆動体１４との接続部の緩みや外れ等の異常が発生したと判断し、モータ停止手段２４を介してモータ制御装置１２にモータ停止指令を送信する。
【００１８】
被駆動体１４の移動又は回転を停止又は開始させるとき若しくは被駆動体１４を低速で移動又は回転させるときには、伝動機構の動作不良や接続部の緩み等の異常が発生していなくても伝動機構で用いられている歯車のバックラッシュなどに起因してサーボモータ１６にかかる負荷が過少となることがある。したがって、推定外乱トルクのみに基づいて、異常の発生の有無を判断すると、異常がないのにもかかわらず、異常が発生したと誤って認識するおそれがある。そこで、本発明の異常負荷検出装置１０では、速度比較手段２０を設けることによって、サーボモータ１６の回転速度を考慮して異常か否かの判断を行い、サーボモータ１６の運転の停止又は開始時若しくは低速運転時に異常の発生を誤認識するうことを防止できるようにしている。
【００１９】
速度比較手段２０は、予め定められた基準速度Ｖｒを記憶しており、速度検出手段２６によって検出されたサーボモータ１６の実際の回転速度と予め定められた基準速度Ｖｒとを比較し、サーボモータ１６の回転速度が基準速度Ｖｒを上回ったときのみ異常負荷検出装置が異常負荷の検出を行うようにする。速度比較手段２０において使用するサーボモータ１６の回転速度として、速度検出手段２６によって検出されたサーボモータ１６の回転速度に代えて、モータ制御装置１２からサーボモータ１６への速度指令値を用いることも可能である。
【００２０】
次に、図２を参照して、外乱トルク推定手段１８の構成の一例を説明する。外乱トルク推定手段１８は、入力されたトルク指令とサーボモータ１６の回転速度とに基づいて外乱トルクＴｅを推定する。トルク指令は通常電流値として入力される。入力されたトルク指令は、演算要素１１０で定数Ｋｔ／Ｊを乗じられ、その結果が演算要素１１２に出力される。ここで、Ｋｔはサーボモータ１６のトルク定数、Ｊはサーボモータ１６のイナーシャである。演算要素１１２では、演算要素１１０からの出力に、後述する比例要素４１４からの帰還が加算され、その結果が演算要素１１４に出力される。演算要素１１４では、演算要素１１２からの出力に、後述する積分要素１１８からの帰還が加算され、その結果が積分要素１２０に出力される。なお、演算要素１１０、演算要素１１２及び演算要素１１４からの出力の単位は何れも加速度である。積分要素１２０では、演算要素１１４からの出力を積分することによりサーボモータ１６の推定回転速度Ｖｅが求められ、演算要素１２２に出力される。
【００２１】
演算要素１２２では、積分要素１２０からの出力と速度検出手段２６によって検出されたサーボモータ１６の実際の回転速度との差が演算され、その差が比例要素１１６及び積分要素４１５に帰還させられる。比例要素１１６では、演算要素１２２からの帰還に比例定数Ｋ１が乗じられ、その結果が演算要素１１２に帰還させられる。なお、比例定数Ｋ１の単位はｓｅｃ-1であり、比例要素１１６の出力の単位は加速度となる。また、積分要素１１８では、演算要素１２２からの帰還を積分したものに積分定数Ｋ２が乗じられ、その結果が演算要素１１４及び比例要素１２４に帰還又は出力される。なお、積分定数Ｋ２の単位はｓｅｃ−２であり、積分要素１１８の出力の単位は加速度となる。
【００２２】
積分要素１１８の出力は、推定外乱トルクＴｅをサーボモータ１６のイナーシャＪで除した推定加速度となる。そこで、比例要素１２４では、積分要素１１８からの出力にＪ・Ａ／Ｋｔを乗じて電流値に変換して、推定外乱トルクとして出力する。ここで、Ａは推定加速度を補正するための係数であり、１以下の値である。このような構成の外乱トルク推定手段１８は、推定外乱トルクＴｅを電流値として出力するので、この場合、トルク比較手段２２の基準トルクも電流値で設定されることになる。しかしながら、推定外乱トルクを信号で出力する場合には、トルク比較手段２２の基準トルクもトルクの値として設定される。
【００２３】
このような構成の外乱トルク推定手段１８は、例えば特許文献１から３にも記載されているように公知であるので、ここではこれ以上詳しく説明しない。また、外乱トルク推定手段１８はこのような構成に限定されるものではなく、サーボモータ１６に関する電流情報やトルク情報（電流情報）に基づいてサーボモータ１６にかかる外乱トルクを推定できる適宜の外乱トルク推定手段を外乱トルク推定手段１８として使用することができる。
【００２４】
次に、図３及び図４を参照して、図１に示されている異常負荷検出装置１０における処理手順を説明する。
まず、処理が開始されると、外乱トルク推定手段１８によってサーボモータ１６にかかる外乱トルクＴｅが推定される（ステップＳ１）と共に、速度検出手段によってサーボモータ１６の実際の回転速度が検出される（ステップＳ２）。上述したように、ステップＳ２において、モータ制御装置１２からサーボモータ１６への速度指令を回転速度として取得してもよい。また、図３では、便宜上、外乱トルクを推定した後にサーボモータ１６の回転速度を検出しているが、これらのステップは逆の順序で行われてもよく、同時に並行して行われてもよい。
【００２５】
次に、速度比較手段２０が、検出又は取得されたサーボモータ１６の回転速度と予め定められた基準速度Ｖｒとを比較する（ステップＳ３）。サーボモータ１６の回転速度が基準速度を下回ったときには、サーボモータ１６の運転の停止又は開始時若しくは低速運転時であり、誤検出が発生しやすいので、異常負荷検出装置１０は、ステップＳ４からステップＳ６の異常負荷検出処理を行わず、正常と判定する（ステップＳ７）。一方、ステップＳ３において、サーボモータ１６の回転速度が基準速度を上回ったときには、ステップＳ４に進み、異常負荷検出処理を開始する。
【００２６】
ステップＳ４では、トルク比較手段２２が、ステップＳ１で外乱トルク推定手段１８によって推定された推定外乱トルクＴｅと予め定められた基準トルクＴｒとを比較する。推定外乱トルクＴｅが基準トルクＴｒを上回ったときには、サーボモータ１６にかかる負荷は正常であると判断される（ステップＳ７）。一方、推定外乱トルクＴｅが基準トルクＴｒを下回ったときには、サーボモータ１６にかかる負荷が過少となっており、伝動機構の動作不良や伝動機構と被駆動体１４との接続部の緩みや外れ等の異常が発生したと判断され（ステップＳ５）、モータ停止手段２４を介してモータ制御装置１２にモータ停止指令が送信され、サーボモータ１６が停止させられる。これにより、異常が発生したときに、異常を抱えたまま被駆動体１４や伝動機構が動作することが防止され、被駆動体１４や伝動機構の破損を未然に防ぐことができる。また、モータ制御装置１２がサーボモータ１６を一定トルクで動作するように制御している場合、負荷が減少したとして過大な速度でサーボモータ１６が回転し、被駆動体１４やサーボモータ１６を破損させることも防止できる。
【００２７】
このように、異常負荷検出装置１０では、このように、推定外乱トルクＴｅに加えてサーボモータ１６の回転速度を考慮して、異常な負荷がサーボモータ１６にかかっているかを判断するため、サーボモータ１６の運転の停止又は開始時若しくは低速運転時に発生しがちな異常負荷の誤検出を防止することが可能となる。
【００２８】
異常負荷検出装置１０では、図４に示されているように、外部信号によって、上述したステップＳ３からステップＳ７の処理を行う異常負荷検出機能の有効化／無効化を切り換えられるようにすることもできる。例えば、外部信号がオンのときに１が、オフのときに０が異常負荷検出装置に入力されるようになっている場合、異常負荷検出装置１０は、外部信号が１か０かを判定し（ステップＳ８）、外部信号がオン（すなわち、外部信号が１）のときは、ステップＳ３からステップＳ７までの異常負荷検出処理を行い（ステップＳ９）、外部信号がオフ（すなわち、外部信号が０）のときは、ステップＳ３からステップＳ７までの異常負荷検出処理を行わないようにすることができる。外部信号がオフのときには、異常負荷検出処理に加えて、外乱トルクの推定（ステップＳ１）及びサーボモータ１６の回転速度の検出又は取得（ステップＳ２）も行わないようにしてもよいことはもちろんである。
【００２９】
以上、図示される実施形態に基づいて、本発明を説明したが、本発明は図示及び説明される実施形態に限定されるものではない。例えば、上記説明では、トルク比較手段２２は推定外乱トルクＴｅを下限トルクＴｒとのみ比較し、推定外乱トルクＴｅが下限トルクＴｒを下回った場合に負荷が異常であると判断している。しかしながら、トルク比較手段２２は、下限トルク（下限側基準トルク）Ｔｒだけでなく、上限トルク（上限側基準トルク）を有し、推定外乱トルクＴｅが上限トルクを越えたときに過大な負荷がサーボモータにかかったと判断して、モータ停止手段によりモータを停止させるようになっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の異常負荷検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】外乱トルク推定手段の例示の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の異常負荷検出装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】外部信号により異常負荷検出機能の有効化及び無効化を切り換える場合のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３１】
１０    異常負荷検出装置
１４    被駆動体
１６    サーボモータ
１８    外乱トルク推定手段
２０    速度比較手段
２２    トルク比較手段
【図１】
2007219991.tif 000003
【図２】
2007219991.tif 000004
【図３】
2007219991.tif 000005
【図４】
2007219991.tif 000006