CN107942770B - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

具有多个轴的机床中的电动机控制装置具备：多个电动机控制部，该多个电动机控制部对用于驱动各轴而设置的各电动机进行控制；异常检测部，其设置于多个电动机控制部中的至少一个电动机控制部，该异常检测部在检测出由设置有异常检测部的电动机控制部控制的电动机所驱动的轴的异常的情况下，输出异常检测信号；安全动作控制部，其设置于与设置有异常检测部的电动机控制部不同的电动机控制部，安全动作控制部在接收到异常检测信号的情况下，对电动机进行控制使得工具不再与工件接触；以及通信部，其向安全动作控制部发送从异常检测部输出的异常检测信号。

Description

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及一种使用多个轴来利用工具对工件进行加工的机床中的电动机控制装置。
背景技术
在机床中，电动机被用作用于对安装有工具、工件的轴进行驱动的驱动源。例如，在利用相分开的轴对工具和工件进行控制的具备多个轴的机床中，当某些异常的负荷施加于工具与工件之间时，工件、工具会发生损坏或变形，根据情况还有可能发展为机床本身或包含该机床的生产线的故障。因此，在某些异常的负荷施加于工具与工件之间的情况下，进行使工具退避(离开)到安全的位置的动作(下面，有时仅称为“安全动作”。)，使得工件与工具不接触。
例如，如日本特开2005-176493号公报所记载的那样，已知如下一种技术：在具备以机械方式结合的2个轴的机床中，产生异常的驱动装置将状态信息传输到控制器和未产生异常的其它驱动装置，产生异常的驱动装置使电动机以预先决定的规定的减速方法停止，未产生异常的驱动装置基于产生异常的驱动装置的状态信息来以规定的方法停止。
在利用相分开的轴对工具和工件进行控制的具备多个轴的机床中，以往以来，利用设置于电动机的负荷监视部检测施加于工具与工件之间的负荷来作为电动机所受到的负荷。
然而，在安装有工具的轴与电动机之间存在如滚珠丝杠、联轴器、减速机等那样的连结机构的情况下，到工具中出现的异常负荷经由连结机构传播至电动机为止要耗费时间。也就是说，到设置于电动机的负荷监视部检测出工具中产生的异常负荷为止存在时间滞后，因此可以说基于该负荷监视部的检测结果而开始的安全动作相对于产生异常负荷时延迟很久才进行。在这种时间延迟的安全动作中，有可能无法使工具从工件退避，工件、工具会发生损坏或变形，根据情况还会发展为机床本身或包含该机床的生产线的故障。
另外，当在轴与电动机之间存在连结机构时，电动机还从连结机构受到摩擦等力，因此不能说利用在与轴之间存在连结机构的电动机处设置的负荷监视部监视出的负荷准确地表示了施加于工具与工件之间的负荷。这种负荷监视部的不准确的检测结果可能会导致安全动作的误动作。
发明内容
期望如下一种电动机控制装置：在使用多个轴来利用工具对工件进行加工的机床中，在产生异常时能够尽早确保工件与工具不接触的安全的状态。
在本公开的一个方式中，使用多个轴来利用工具对工件进行加工的机床中的电动机控制装置具备：多个电动机控制部，该多个电动机控制部分别对用于驱动各轴而分别设置的各电动机进行控制；异常检测部，其设置于多个电动机控制部中的至少一个电动机控制部，该异常检测部在关于由设置有异常检测部的电动机控制部控制的电动机所驱动的轴检测出异常的情况下，输出异常检测信号；安全动作控制部，其设置于与设置有异常检测部的电动机控制部不同的电动机控制部，该安全动作控制部在接收到异常检测信号的情况下，对用于驱动设置有工具的轴的电动机进行控制使得工具不再与工件接触；以及通信部，其在各电动机控制部之间进行通信，该通信部向安全动作控制部发送从异常检测部输出的异常检测信号。
在此，也可以是，异常检测部设置于对直接驱动电动机或直线电动机进行控制的电动机控制部。
另外，电动机控制部是与数值控制部相独立地设置的，该数值控制部生成用于基于加工程序来对机床的轴进行驱动的指令。
另外，也可以是，异常检测部设置于多个电动机控制部的各个电动机控制部，安全动作控制部基于从设置有多个的异常检测部中的任意异常检测部中最早输出的异常检测信号，来对用于驱动设置有工具的轴的电动机进行控制使得工具不再与工件接触。
另外，也可以是，异常检测部具有：负荷估计部，其对由设置有该异常检测部的电动机控制部控制的电动机所受到的负荷进行估计；异常判定部，其在由负荷估计部估计出的负荷超过规定的阈值的情况下，判定为关于由设置有异常检测部的电动机控制部控制的电动机所驱动的轴产生了异常；以及信号输出部，其在异常判定部判定为产生了异常的情况下，输出异常检测信号。
附图说明
通过参照以下的附图会更明确地理解本发明。
图1是表示基于本公开的实施方式的机床中的电动机控制装置的图。
图2是表示基于本公开的实施方式的机床中的电动机控制装置的与安全动作有关的动作流程的流程图。
图3是表示基于本公开的实施方式的机床中的电动机控制装置内的异常检测部的一例的框图。
具体实施方式
接着，参照附图来说明本公开的实施方式。在下面的附图中，对同样的构件标注同样的参照标记。为了易于理解，这些附图适当变更了比例尺。另外，附图所示的形态是用于实施本公开的一个方式的一例，并不限定于本形态。
图1是表示基于本公开的实施方式的机床中的电动机控制装置的图。以后，在不同的附图中，设标注有相同的参照标记的结构要素表示具有相同功能的结构要素。
一般来说，在机床中，按安装有工具、工件的轴设置电动机。应用基于本公开的实施方式的电动机控制装置的机床优选为车床、磨床等工具4与工件3的接触方向为大致一个方向的机床。在此，作为一例，说明以下的机床1000：利用安装于工具轴30A的工具4，对安装于工件轴30B及30C的工件3进行加工。下面，工具轴30A以及工件轴30B及30C有时仅称为“轴”。作为工具轴30A的驱动源，设置有伺服电动机2A。在伺服电动机2A与工具4之间设置有如滚珠丝杠、联轴器、减速机等那样的连结机构5。另一方面，作为工件轴30B及30C的驱动源，设置有直接驱动电动机2B及2C。
根据本公开的实施方式，使用轴30A、30B及30C来利用工具4对工件3进行加工的机床1000中的电动机控制装置1具备多个电动机控制部11A、11B及11C、异常检测部12、安全动作控制部13以及通信部14。
为了对伺服电动机2A进行控制而设置有电动机控制部11A，为了对直接驱动电动机2B及2C进行控制而分别设置有电动机控制部11B及11C。下面，有时将电动机控制部的参照标记11A、11B及11C一起表示为参照标记11。电动机控制部11包括向各电动机2A、2B、2C供给驱动电力的主电力系统(未图示)以及对各电动机2A、2B、2C的动作进行控制的控制系统(未图示)。
作为电动机控制部11的主电力系统，例如包括：整流器(未图示)，其将从交流电源(未图示)供给的交流电力变换为直流电力后向直流环节输出；以及逆变换器(未图示)，其与直流环节连接，将直流环节中的直流电力变换为交流电力后向各电动机2A、2B及2C供给。所使用的整流器的实施方式没有特别限定，例如有二极管整流器或者PWM控制方式的整流器等。另外，逆变换器的实施方式也没有特别限定，一般来说是能够向交流直流双向变换的电力变换器，例如有PWM逆变器。PWM逆变器包括开关元件以及与其反并联连接的二极管的桥电路，基于在电动机控制部11的控制系统中生成的驱动指令对开关元件的开关动作进行PWM控制。作为开关元件的例子，有IGBT、晶闸管、GTO(Gate Turn-OFF thyristor：栅极可关断晶闸管)、晶体管等，但是半导体开关元件的种类本身不对本实施方式进行限定，也可以是其它半导体开关元件。电动机控制部11内的逆变换器基于从电动机控制部11的控制系统接收到的驱动指令来使内部的开关元件进行开关动作，将从直流环节侧供给的直流电力变换为用于驱动各电动机2A、2B及2C的具有期望的电压和期望的频率的交流电力。由此，各电动机2A、2B及2C基于被供给的电压可变并频率可变的交流电力来进行动作。
另一方面，电动机控制部11A、11B及11C的控制系统基于来自数值控制部15的指令，来生成用于对电动机控制部11A、11B及11C的主电路系统中包含的逆变换器内的开关元件的开关动作进行控制的开关指令。电动机控制部11A、11B及11C是与数值控制部15相独立地设置的，该数值控制部15生成用于基于加工程序来驱动机床1000的各轴2A、2B及2C的指令。
数值控制部15生成用于基于规定的加工程序来利用安装于工具轴30A的工具4对安装于工件轴30B及30C的工件3进行加工的指令。加工程序是对用于使机床1000进行规定的作业的命令处理进行编程而得到的信息。例如，加工程序中包含用于利用伺服电动机2A来使工具4向工件3移动的动作命令、用于利用直接驱动电动机2B及2C来使工件3旋转的动作命令、向外部通知任意的信号的命令、读取任意的信号的状态的命令等信息。另外，加工程序也可以还包含工具4相对于工件3的位置信息、操作的信号的编号。当然，只要是能够登记在程序上的命令，则可以是任何命令。也就是说，本实施方式不限定于在此例示的编程信息。由数值控制部15生成的指令被发送到电动机控制部11A、11B及11C。
异常检测部12只要设置于多个电动机控制部中的至少一个电动机控制部即可，在关于由设置有异常检测部12的电动机控制部控制的电动机所驱动的轴检测出异常的情况下，输出异常检测信号。另外，异常检测部12设置于对直接驱动电动机或直线电动机进行控制的电动机控制部。像这样将异常检测部12设置于对直接驱动电动机或直线电动机进行控制的电动机控制部是基于下面的原因。直接驱动电动机或直线电动机几乎不借助如滚珠丝杠、联轴器、减速机等那样的连结机构，因此关于被这些直接驱动电动机或直线电动机驱动的轴，除工具与工件的接触以外的干扰进入的要素少，即使异常的负荷施加于轴，相比于借助连结机构的电动机而言，该异常负荷传播至直接驱动电动机或直线电动机所需的时间也非常短(例如，1毫秒～2毫秒)。因而，在本实施方式中，将异常检测部12设置于用于对直接驱动电动机或直线电动机进行控制的电动机控制部，将以往例中的产生异常负荷到检测出异常负荷的时间缩短。在图示的例子中，异常检测部12设置于对直接驱动电动机2B及2C进行控制的电动机控制部11B及11C。异常检测部12在关于由电动机控制部11B及11C控制的直接驱动电动机2B及2C所驱动的轴30B及30C中的任意的轴检测出异常的情况下，输出异常检测信号。
安全动作控制部13设置于与设置有异常检测部12的电动机控制部不同的电动机控制部，安全动作控制部13在接收到异常检测信号的情况下，对用于驱动设置有工具的轴的电动机进行控制使得工具不再与工件接触。在图示的例子中，异常检测部12设置于电动机控制部11B及11C，因此安全动作控制部13设置于与它们不同的对伺服电动机2A进行控制的电动机控制部11A。安全动作控制部13在接收到异常检测信号的情况下，对用于驱动设置有工具4的工具轴30A的伺服电动机2A进行控制使其执行如下的安全动作：将工具4从工件3拉开到工具4不再与工件3接触的安全的位置。在作为车床、磨床等的机床1000中，工具4与工件3的接触方向为大致一个方向，因此异常负荷时的工具4与工件3的干扰方向也为大致一个方向。作为避免这种干扰的安全动作，存在将工具4从工件3拉回例如几十毫米之类的动作。在伺服电动机控制部11A内的安全动作控制部13中设置有预先规定了用于指示这种拉回量的参数的动作程序，安全动作控制部13在接收到异常检测信号的情况下对伺服电动机2A进行控制使其按照该动作程序来执行安全动作。
通信部14用于在各电动机控制部11A、11B及11C内的控制系统之间进行通信。从电动机控制部11B或11C内的异常检测部12输出的异常检测信号经由通信部14被发送到电动机控制部11A内的安全动作控制部13。如上所述，数值控制部15是与电动机控制部11A、11B及11C相独立地设置的，因此从电动机控制部11B或11C内的异常检测部12输出的异常检测信号不经由数值控制部15地被发送到电动机控制部11A内的安全动作控制部13。当经由数值控制部15来进行电动机控制部11A、11B及11C之间的通信时，例如需要4毫秒～8毫秒左右的信号传播时间，在本实施方式中，经由通信部14来在电动机控制部11A、11B及11C之间直接进行通信，因此只要例如1毫秒～2毫秒左右的非常短的信号传播时间即可，因此能够进一步缩短从检测出异常负荷到开始安全动作的时间。
在利用1个DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)来实现电动机控制部11A、11B及11C的控制系统的情况下，将各电动机控制部11A、11B及11C之间连结的通信部14能够作为DSP内的数字数据处理功能之一来实现。另外，在利用个别的DSP(在图示的例子中为3个)来实现各电动机控制部11A、11B及11C的控制系统的情况下，将各电动机控制部11A、11B及11C之间连结的通信部14能够作为各DSP之间的数字数据通信来实现。无论在哪一个情况下，都能够实现经由通信部14的电动机控制部11A、11B及11C之间的高速通信。DSP内或各DSP之间的数字数据通信虽然通信容量小但能够进行高速通信，数值控制部15与DSP(电动机控制部11)之间的通信不是高速但适于大容量的通信。
在图示的例子中，将异常检测部12设置于多个电动机控制部11(即11B及11C)，但是也可以仅设置于1个电动机控制部。但是，通过如图示的例子那样将异常检测部12设置于多个电动机控制部11，安全动作控制部13能够基于从设置有多个的异常检测部12中的任意的异常检测部12中最早输出的异常检测信号，对用于驱动设置有工具4的工具轴30A的伺服电动机2A进行控制，使得工具4不再与工件3接触，因此能够进一步缩短从检测出异常负荷到开始安全动作的时间。也就是说，在存在多个对不借助如滚珠丝杠、联轴器、减速机等那样的连结机构的直接驱动电动机(或直线电动机)进行控制的电动机控制部的情况下，如果利用分别设置于这些多个电动机控制部的多个异常检测部12来监视轴的异常负荷，则能够尽早检测出异常负荷，能够进一步缩短从检测出异常负荷到开始安全动作的时间。
如以上所说明的那样，根据本公开的实施方式，将异常检测部12设置于对不借助如滚珠丝杠、联轴器、减速机等那样的连结机构5的直接驱动电动机2B及2C进行控制的电动机控制部11B及11C，利用该异常检测部12来监视直接驱动电动机2B及2C所驱动的轴的异常负荷，因此能够缩短从产生异常负荷到检测出异常负荷的时间，并且能够准确地检测出负荷的状态。另外，将基于异常检测部12的准确的检测结果而输出的异常检测信号以不经由数值控制部15而是经由将电动机控制部11之间连结的通信部14的方式发送到设置于电动机控制部11A的安全动作控制部13，因此能够进一步缩短从检测出异常负荷到开始安全动作的时间，误动作的可能性也低。能够从检测出异常负荷起尽早地开始安全动作，因此能够防止工件、工具损坏或变形以及机床本身或包含该机床的生产线的故障。由于安全动作的误动作的可能性也低，因此能够实现效率佳的工件加工。
此外，在上述的实施方式中，将设置有异常检测部12的电动机控制部11所控制的电动机设为直接驱动电动机，但是也可以是直线电动机。
图2是表示与基于本公开的实施方式的机床中的电动机控制装置的安全动作有关的动作流程的流程图。
在机床1000中，在正在利用安装于工具轴30A的工具4对安装于工件轴30B及30C的工件3进行加工的状态(步骤S101)下，在步骤S102中，判定设置于电动机控制部11B及11C的异常检测部12是否关于由电动机控制部11B及11C控制的直接驱动电动机2B及2C所驱动的轴30B及30C中的任意的轴检测出异常。在步骤S102中未检测出异常检测信号的情况下返回到步骤S101，在检测出异常检测信号的情况下进入步骤S103。
在步骤S103中，异常检测部12输出异常检测信号，经由通信部14发送到安全动作控制部13。
在步骤S104中，电动机控制部11A内的安全动作控制部13对用于驱动设置有工具4的工具轴30A的伺服电动机2A进行控制使其执行如下安全动作：将工具4从工件3拉开到工具4不再与工件3接触的安全的位置。
图3是表示基于本公开的实施方式的机床中的电动机控制装置内的异常检测部的一例的框图。
检测轴的异常负荷的异常检测部12具有：负荷估计部21，其对由设置有异常检测部12的电动机控制部(在图1的例子中为参照标记11B及11C)控制的电动机(在图1的例子中为直接驱动电动机2B及2C)所受到的负荷进行估计；异常判定部22，其在由负荷估计部21估计出的负荷超过规定的阈值的情况下，判定为关于由设置有异常检测部12的电动机控制部控制的电动机所驱动的轴产生了异常；以及信号输出部23，其在异常判定部22判定为产生了异常的情况下，输出异常检测信号。此外，由负荷估计部21进行的负荷的估计也可以使用公知的方法，例如存在以下方法等：设置观察电路，基于实际的电动机速度和转矩指令这2个输入来估计负荷；基于转矩指令和通过转矩测定装置得到的转矩测定结果这2个输入来估计负荷。
在以上说明的实施方式中，基于异常检测部12检测出的异常负荷来开始安全动作控制部13的安全动作，但是作为其变形例，也可以基于异常负荷以外的表示异常的警报信号来开始安全动作控制部13的安全动作。
上述的异常检测部12(包括负荷估计部21、异常判定部22以及信号输出部23)以及安全动作控制部13例如既可以构建为软件程序形式，或者也可以构建为各种电子电路与软件程序的组合。例如在将它们构建为软件程序形式的情况下，该软件程序被安装到构成电动机控制部11的控制系统的DSP，DSP内的运算处理部(未图示)按照被安装到存储部的该软件程序来进行动作，由此实现各部的功能。另外，或者，这些异常检测部12(包括负荷估计部21、异常判定部22以及信号输出部23)以及安全动作控制部13也可以作为写入有实现这些各部的功能的软件程序的半导体集成电路来实现，在该情况下，能够通过将该半导体集成电路安装于现有的电动机控制部来实现各部的功能。
根据本公开的一个方式，能够实现如下的电动机控制装置：在使用多个轴来利用工具对工件进行加工的机床中，在产生异常时，能够尽早确保工件与工具不接触的安全的状态。
根据本公开的一个方式，将异常检测部设置于对不借助如滚珠丝杠、联轴器、减速机等那样的连结机构的直接驱动电动机、直线电动机进行控制的电动机控制部，利用该异常检测部来监视直接驱动电动机、直线电动机所驱动的轴的异常负荷，因此能够缩短从产生异常负荷到检测出异常负荷的时间，并且能够准确地检测出负荷的状态。另外，将基于异常检测部的准确的检测结果而输出的异常检测信号以不经由数值控制部而是经由将电动机控制部之间连结的通信部的方式发送到设置于其它电动机控制部的安全动作控制部，因此能够进一步缩短从检测出异常负荷到开始安全动作的时间，误动作的可能性也低。能够从检测出异常负荷起尽早地开始安全动作，因此能够防止工件或工具损坏或变形、机床本身或包含该机床的生产线的故障。由于安全动作的误动作的可能性也低，因此能够实现效率佳的工件加工。

Claims (1)

1.一种使用多个轴来利用工具对工件进行加工的机床中的电动机控制装置，该电动机控制装置的特征在于，具备：
多个电动机控制部，该多个电动机控制部分别对用于驱动各所述轴而分别设置的各电动机进行控制；
异常检测部，其设置于所述多个电动机控制部的各个电动机控制部，该异常检测部在关于由设置有所述异常检测部的电动机控制部控制的电动机所驱动的轴检测出异常的情况下，输出异常检测信号；
安全动作控制部，其设置于与设置有所述异常检测部的所述电动机控制部不同的电动机控制部，该安全动作控制部在接收到所述异常检测信号的情况下，对用于驱动设置有工具的轴的电动机进行控制使得工具不再与工件接触；以及
通信部，其在各所述电动机控制部之间进行通信，该通信部向所述安全动作控制部发送从所述异常检测部输出的所述异常检测信号，
所述异常检测部设置于对直接驱动电动机或直线电动机进行控制的所述电动机控制部，
所述安全动作控制部基于从设置有多个的所述异常检测部中的任意异常检测部中最早输出的所述异常检测信号，来对用于驱动设置有所述工具的轴的电动机进行控制使得工具不再与工件接触，
所述异常检测部具有：
负荷估计部，其对由设置有所述异常检测部的电动机控制部控制的电动机所受到的负荷进行估计；
异常判定部，其在由所述负荷估计部估计出的负荷超过规定的阈值的情况下，判定为关于由设置有所述异常检测部的电动机控制部控制的电动机所驱动的轴产生了异常；以及
信号输出部，其在所述异常判定部判定为产生了异常的情况下，输出异常检测信号，
所述电动机控制部是与数值控制部相独立地设置的，该数值控制部生成用于基于加工程序来对所述机床的轴进行驱动的指令。
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