JP5694481B1 - 主軸とモータとの間の動力伝達部の異常を検出するモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】速度センサやトルク計を追加することなしに、動力伝達部の異常を判定する。【解決手段】モータ制御装置（１０）は、主軸（２３）が一回転するのを示す一回転信号を検出する一回転信号検出器（３０）と、モータ（２０）の回転角を所定時間毎に検出する回転角検出器（２１）と、回転角を積算するカウンタ（１１）と、を含む。一回転信号検出器が主軸の一回転信号を検出するときに、前記カウンタの値はリセットされる。モータ制御装置（１０）は、さらに、前記カウンタに積算された前記モータの回転角の値が所定の範囲から逸脱した場合に、動力伝達部（２７）に異常が生じたと判定する判定部（１２）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ワークを加工する工作機械の主軸と該主軸を駆動するモータとの間の動力伝達部の異常を検出するモータ制御装置に関する。

工具が主軸に取付けられた工作機械が広く使用されている。そのような工作機械においては、モータからの駆動力が動力伝達部を通じて主軸に伝達され、主軸の回転により、工具がワークを加工するようになっている。

動力伝達部は例えばベルトやプーリなどを含んでいる。このベルトの経年劣化によって、緩みによる大きなスリップ、ベルト自身の破断等が発生し、動力を正しく伝達できなくなる可能性がある。このようなことを出来るだけ早く検出する、または、未然に防ぐために、従来より、動力伝達部の異常を判定する方法が提案されてきた。

例えば特許文献１においては、ベルト近傍に設置された非接触型速度センサにより主軸の速度を検出し、主軸の速度とモータの速度との間の差が許容値を超えた場合に、動力伝達部に異常が生じたと判定している。

また、特許文献２においては、モータの負荷が所定の範囲内にある場合にベルトに異常が生じていると判定する第一判定部と、第一判定部で異常が生じていると判定された場合に動作される第二判定部とが開示されている。第二判定部は、モータとは異なる部位の状態を検知してベルトに異常が生じていると判定する。第一判定部は例えばモータに流れる電流を監視するか、またはトルク計を備えている。第二判定部は、例えば主軸に取付けられる工具の振れを監視する振れセンサを備えている。

特開昭61-103750号公報 特開2010-137310号公報

しかしながら、特許文献１では速度センサが別途必要であり、特許文献２ではトルク計や振れセンサなどが必要とされる。速度センサなどを追加すると、コスト高になるという欠点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、速度センサやトルク計などを追加することなしに、動力伝達部の異常を判定することのできるモータ制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、工作機械の主軸とモータとを連結していて減速比が既知である動力伝達部の異常を検出するモータ制御装置において、前記主軸が一回転するのを示す一回転信号を検出する一回転信号検出器と、前記モータの回転角を所定時間毎に検出する回転角検出器と、該回転角検出器により所定時間毎に検出される前記回転角を積算するカウンタと、を具備し、前記カウンタは前記一回転信号検出器が前記主軸の一回転信号を検出するときに、リセットされるようになっており、さらに、前記カウンタに積算された前記モータの回転角の値が所定の範囲から逸脱した場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定する判定部を具備する、モータ制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記動力伝達部の減速比を変化させる機構が設けられており、前記機構により前記動力伝達部の減速比が変化された場合には、前記所定の範囲は前記減速比の変化に応じて変更されるようにした。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記所定の範囲は、前記モータの回転角の上限値として定められており、前記判定部は、前記カウンタに積算された前記モータの回転角の値が前記上限値を上回った場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定する。
４番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記所定の範囲は、前記モータの回転角の上限値と下限値との間の範囲として定められており、前記判定部は、前記モータが加速または一定速度で駆動しているときに前記カウンタに積算された前記モータの回転角の値が前記上限値を上回った場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定し、前記モータが減速または停止しているときに前記カウンタに積算された前記モータの回転角の値が、前記主軸の一回転信号を検出した際に、前記下限値を下回った場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定する。
５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、前記動力伝達部がベルトおよび該ベルトが巻回されるプーリを含む。
６番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明において、前記判定部が前記動力伝達部に異常が生じたと判定したときに、警告を発する警告部をさらに具備する。
７番目の発明によれば、６番目の発明において、前記判定部が前記動力伝達部に異常が生じたと判定したときに、さらに、ゼロの速度指令を前記モータに指令して前記モータを停止させるようにした。
８番目の発明によれば、６番目の発明において、前記判定部が前記動力伝達部に異常が生じたと判定したときに、さらに、前記モータの励磁を遮断するようにした。

１番目の発明においては、回転角検出器は通常はモータに取付けられているので、主軸に一回転信号検出器のみを設ければ、速度センサやトルク計を追加することなしに、動力伝達部の異常を判定することができる。このため、速度センサやトルク計などに要する費用を排除することができる。
２番目の発明においては、動力伝達部の減速比が変化した場合であっても、それに応じて所定の範囲を適切に変更できる。
３番目および４番目の発明においては、１番目の発明と同様な効果を得ることができる。
５番目の発明においては、動力伝達部が比較的単純な構成の場合であっても、動力伝達部の異常を容易に判定することができる。
６番目の発明においては、動力伝達部に異常が生じた場合に操作者に注意を促すことができる。
７番目および８番目の発明においては、工作機械の主軸が停止するので、不良品のワークが作成されるのを防止することができる。

本発明に基づくモータ制御装置のブロック図である。 本発明に基づくモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 一回転信号およびカウンタ値のタイムチャートである。 本発明に基づくモータ制御装置の他の動作を示すフローチャートである。 上限値および下限値の変更処理を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づくモータ制御装置のブロック図である。モータ制御装置１０は、数値制御装置であり工作機械の駆動モータ２０を制御する。図１に示されるように駆動モータ２０の出力軸２２には、プーリ２５が取付けられている。また、工作機械の主軸２３には、別のプーリ２６が取付けられている。

図１から分かるように、これらプーリ２５、２６はベルト２４により接続されている。以下、ベルト２４およびプーリ２５、２６をまとめて動力伝達部２７と呼ぶ場合がある。駆動モータ２０が駆動されると、出力軸２２の回転が動力伝達部２７を通じて工作機械の主軸２３に伝達される。また、動力伝達部２７は減速機を含むかもしくは動力伝達部２７が減速機であってもよく、その場合には、減速機の減速比はモータ制御装置１０に入力される。本発明においては、動力伝達部２７の減速比は既知であるものとする。

図１に示されるように、駆動モータ２０にはエンコーダ２１が取付けられており、駆動モータ２０の出力軸２２の回転角を所定時間毎に検出する。さらに、工作機械の主軸２３近傍には、一回転検出器３０が配置されている。一回転検出器３０は、主軸２３が一回転したときにそのことを示す一回転信号を検出する。本発明においては、動力伝達部２７の減速比は既知であるので、主軸２３の一回転あたりにおける、駆動モータ２０の理想的な回転角は自動的に分かるものとする。

また、図１の左方に示されるようにモータ制御装置１０は、カウンタ１１と判定部１２とを含んでいる。カウンタ１１は、エンコーダ２１により検出された回転角を順次積算する。そして、カウンタ１１は、一回転検出器３０が一回転信号を出力したときの最終的な積算値を記憶してリセットされる。判定部１２は、後述する手法により、動力伝達部２７に異常が生じているか否かを判定する。さらに、モータ制御装置１０は、動力伝達部２７に異常が生じた場合にアラームを出力する警告部１３を含んでいる。

図２は本発明に基づくモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。以下、図２を参照しつつ、本発明のモータ制御装置１０の動作について説明する。図２に示される動作は所定のサンプリング周期毎に繰返し実施されるものとする。

図２においては、判定部１２においてモータの回転角の制限値は上限値しかないものとし、動力伝達部２７が減速機を含んでいるものとする。そして、図２のステップＳ１において、減速機の減速比が変化したか否かを判定する。この判定は判定部１２が行っても良い。減速比が変化している場合には、ステップＳ９に進んで上限値を後述するように変更する。減速比が変化していない場合には、上限値を変更することなしにステップＳ２に進む。この上限値は実験等により予め算出された、駆動モータ２０の回転角の上限値であり、後述するように動力伝達部２７の異常判定に用いられる。

ステップＳ２においては、エンコーダ２１が駆動モータ２０の回転角を所定時間毎に検出する。ここで、図３は一回転信号およびカウンタ値のタイムチャートである。図３に示されるように、エンコーダ２１により所定時間毎に検出された回転角はカウンタ１１にカウンタ値として順次積算される。

次いで、図２のステップＳ３においては、カウンタ値を積算開始した後で、一回転検出器３０が一回転信号を検出したか否かが判定される。一回転信号が検出された場合には、ステップＳ８に進んでカウンタ１１のカウンタ値をリセットする（図３を参照されたい）。これに対し、一回転信号が出力されていない場合には、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４においては、判定部１２は、カウンタ値（積算値）が前述した上限値よりも大きいか否かを判定する。一回転信号が検出されたときのカウンタ値は、或る基準位置から主軸２３を一回転させるのに必要な駆動モータ２０の回転角度に相当する。図３から分かるように、基準位置は、前回の一回転信号が検出されたときの駆動モータ２０の位置である。

一回転信号が検出されたときのカウンタ値（積算値）が所定の範囲内にある場合には、動力伝達部２７に異常が無いと判断して処理を終了する。これに対し、カウンタ値が所定の範囲内にない場合には、ステップＳ５において、動力伝達部２７に異常が生じていると判定する。

動力伝達部２７の異常は、例えばベルト２４のスリップや、ベルト２４の破断である。そのような状況においては、主軸２３の一回転信号の検出が遅れることになり、従って、駆動モータ２０の回転角についてのカウンタ値は、異常が無い場合よりも増加する。言い換えれば、カウンタ値が所定の範囲を越えている場合には、動力伝達部２７に異常が生じたと判定できる。

そして、動力伝達部２７に異常が生じた場合には、ステップＳ６において、警告部１３からアラームを出力する。このアラームは聴覚的または視覚的であってよい。あるいは聴覚的アラームおよび視覚的アラームの両方を出力するようにしてもよい。これにより、操作者に対して注意を促し、操作者は動力伝達部２７に異常が生じたことを把握することができる。

次いで、ステップＳ７において、モータ制御装置１０は駆動モータ２０に対して停止指令（ゼロの速度指令）を出力する。あるいは駆動モータ２０の励磁を遮断するようにしてもよい。動力伝達部２７に異常が生じた場合には、ワークが良好に加工されず不良品のワークが作成される。しかしながら、本発明においては、主軸２３が停止されるので、不良品のワークが作成されるのが防止される。また、動力伝達部２７の異常が拡大するのを抑制することも可能である。最終的にステップＳ８においてカウンタ１１をリセットして処理を終了する。

このように本発明においては、一回転検出器３０からの一回転信号とエンコーダ２１からの回転角のみを用いて、動力伝達部２７の異常を検出することができる。エンコーダ２１は通常は駆動モータ２０に取付けられている。従って、本発明においては、一回転信号検出器３０のみを追加すれば、速度センサやトルク計などを追加することなしに、動力伝達部２７の異常を検出することが可能となる。それゆえ、本発明においては、速度センサやトルク計などの費用を排除できるのが分かるであろう。

図４は本発明に基づくモータ制御装置の他の動作を示すフローチャートである。図４に示されるステップＳ１〜ステップＳ２およびステップＳ４〜ステップＳ９は、図２に示されるステップＳ１〜ステップＳ２およびステップＳ４〜ステップＳ９と同様であるので説明を省略する。

一回転信号が検出された際に、図４のステップＳ３１においては、駆動モータ２０が減速中または停止中であるか否かが判定される。この判定はエンコーダ２１により所定時間毎に検出される回転角に基づいて判定すればよい。

そして、駆動モータ２０が減速中または停止中である場合には、ステップＳ４１に進む。ステップＳ４１においてカウンタ値が下限値よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ５に進んで、動力伝達部２７に異常が生じたと判定する。カウンタ値が下限値よりも小さくない場合には、動力伝達部２７に異常が生じていないのでステップＳ８においてカウンタ１１をリセットして処理を終了する。

駆動モータ２０が減速中または停止中であるときに動力伝達部２７の異常が生じると、二つの一回転信号の間における駆動モータ２０の回転角についてのカウンタ値は、異常が無い場合よりも減少する。言い換えれば、カウンタ値が下限値よりも小さい場合には、動力伝達部２７に異常が生じたと判定できる。

また、ステップＳ３１において駆動モータ２０が減速中または停止中でないと判定された場合には、ステップＳ８においてカウンタ１１をリセットして処理を終了する。

ところで、回転角の上限値および下限値は、以下のように定められる。一つの例においては、駆動モータ２０の一回転当たりの回転角の積算値が３００である。さらに、駆動モータ２０の回転数と主軸２３の回転数の比は２：１、つまり減速比が１／２であるものとする。このような場合には、主軸２３の一回転信号が検出された際の、回転角の積算値の理論値は６００（＝３００×２）である。

そして、操作者は、この理論値に対する許容範囲を設定する。例えば上限値について、理論値の２倍を許容値として設定するとすれば、上限値は１２００（＝６００×２）である。さらに、下限値について、理論値の１／３倍を許容値として設定するとすれば、下限値は２００（＝６００×１／３）である。このような場合には、図２のステップＳ４において積算値が２００より小さいか、または１２００より大きい場合に、動力伝達部２７に異常が生じたと判定される。このようにして、これら上限値および下限値は操作者が設定した許容範囲に応じて定まる。

そして、図２に示されるステップＳ１において減速比が変化した場合には、ステップＳ９において以下のようにして上限値および下限値を変更する。図５は上限値および下限値の変更処理を示すフローチャートである。図５に示されるステップＳ２１において、新たな減速比Ｇ’を取得する。次いで、ステップＳ２２において、現在の減速比Ｇに対する新たな減速比Ｇ’の比率Ｇ’／Ｇを求める。最終的に、ステップＳ３３において、現在の上限値および下限値に比率Ｇ’／Ｇを乗算して、新たな上限値および下限値を算出する。

新たな上限値および下限値は、動力伝達部２７に異常があるか否かを判断する閾値として自動的に設定されるものとする。従って、本発明においては、動力伝達部２７の減速比が変化した場合であっても、それに応じて上限値および下限値を適切に変更し、動力伝達部２７に異常が生じたか否かを同様に判定することができる。

１０ モータ制御装置
１１ カウンタ
１２ 判定部
１３ 警告部
２０ モータ
２１ エンコーダ（回転角検出器）
２２ 出力軸
２３ 主軸
２４ ベルト
２５、２６ プーリ
２７ 動力伝達部
３０ 一回転信号検出器

Claims (8)

1. 工作機械の主軸とモータとを連結していて減速比が既知である動力伝達部の異常を検出するモータ制御装置において、
   前記主軸が一回転するのを示す一回転信号を検出する一回転信号検出器と、
   前記モータの回転角を所定時間毎に検出する回転角検出器と、
   該回転角検出器により所定時間毎に検出される前記回転角を積算するカウンタと、を具備し、
   前記一回転信号検出器が前記主軸の一回転信号を検出するときに前記カウンタの値はリセットされるようになっており、
   さらに、
   前記カウンタに積算された前記モータの回転角の値が所定の範囲から逸脱した場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定する判定部を具備するモータ制御装置。
2. 前記動力伝達部の減速比を変化させる機構が設けられており、前記機構により前記動力伝達部の減速比が変化された場合には、前記所定の範囲は前記減速比の変化に応じて変更されるようにした、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記所定の範囲は、前記モータの回転角の上限値として定められており、
   前記判定部は、前記モータの回転角の積算値が前記上限値を上回った場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記所定の範囲は、前記モータの回転角の上限値と下限値との間の範囲として定められており、
   前記判定部は、前記モータが加速または一定速度で駆動しているときに、前記モータの回転角の積算値が前記上限値を上回った場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定し、前記モータが減速または停止しているときに、前記主軸の一回転信号を検出した際の前記カウンタに積算された前記モータの回転角の値が前記下限値を下回った場合に、前記動力伝達部に異常が生じたと判定する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
5. 前記動力伝達部がベルトおよび該ベルトが巻回されるプーリを含む請求項１から４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 前記判定部が前記動力伝達部に異常が生じたと判定したときに、警告を発する警告部をさらに具備する請求項１から５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
7. 前記判定部が前記動力伝達部に異常が生じたと判定したときに、さらに、ゼロの速度指令を前記モータに指令して前記モータを停止させるようにした請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記判定部が前記動力伝達部に異常が生じたと判定したときに、さらに、前記モータの励磁を遮断するようにした請求項６に記載のモータ制御装置。

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