CN110286612A - 控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制装置。该控制装置能够将电动机的控制系统切换为通常的动作模式以外的诊断动作模式。当切换为诊断模式时，可通过利用在电动机正常时检测出的反馈值与在电动机异常时检测出的反馈值之间出现明确的差，来检测电动机的异常。

Description

控制装置
技术领域
本发明涉及一种控制装置，特别涉及一种基于电动机的速度反馈或位置反馈的值来检测电动机的异常的控制装置。
背景技术
在进行机床、机器人等工业机械的故障检测、故障预测时，一般将根据故障状态反应发生变化的传感器设置在对象部位的附近，并使用该传感器的检测值，但是，另一方面，从成本和维护的方面看希望这样的传感器的数量尽可能少。因此，希望不设置追加传感器等而能够检测工业机械的异常。
例如，当着眼于工业机械中使用的电动机时，在电动机的控制中需要检测电动机的速度或位置，因此在电动机中标配地安装速度传感器或位置传感器，根据这些传感器来进行使用了位置/速度反馈的控制。因此，如果能够使用这些传感器的值来检测异常则优点大。另外，在本说明书中异常检测不仅包括针对对象检测产生了成为问题的异常的情况，还包括检测将来产生异常的征兆。
作为这样的使用速度传感器或位置传感器来检测工业机械的异常的现有技术，例如在日本特开2017-200710号公报中公开如下技术：根据机器人的前端位置到达目标位置为止所花费的循环时间的误差来进行机器人的异常检测。该技术中，为了容易地检测机器人的异常，选择容易检测异常的发生的动作(作为动作的评价参数的“要求精度”高的动作)作为诊断动作。
一般在被恰当地控制的电动机中进行控制，使得即使构成电动机的部件或与电动机的动作相关的工业机械的构成部件中产生了一些异常也不会表现出由于该异常而产生的速度或位置的差异。因此，即使使用了日本特开2017-200710号公报中公开的技术，只要恰当地进行电动机的控制，相对于正常状态的异常已发生或将要发生时的循环时间的误差难以成为大的值，存在很多时候无法检测出异常的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能够容易地检测被恰当地控制的电动机的异常的控制装置。
在本发明中，在控制电动机的控制装置中，在用于检测电动机异常的诊断动作时，变更电动机的控制参数使得干扰造成的电动机的动作的变化变大，由此提高根据来自电动机的速度反馈或位置反馈检测异常的灵敏度，由此解决上述问题。
本发明一个方式的控制装置具备检测电动机的异常的功能，该电动机具备检测速度或位置的反馈值的检测器，上述控制装置具备：电动机控制部，其控制上述电动机；动作模式切换部，其切换上述电动机的动作模式；以及电动机控制系统变更部，其针对上述电动机的每个动作模式变更上述电动机控制部控制上述电动机时使用的电动机控制系统。并且，上述动作模式至少包括作为通常的动作模式的通常动作模式、检测上述电动机的异常的诊断动作模式，上述电动机控制系统变更部将上述诊断动作模式下的上述电动机控制部控制上述电动机时使用的电动机控制系统变更为上述电动机的动作容易受到干扰的影响的电动机控制系统。
上述电动机控制系统变更部在诊断动作模式时，可以将上述电动机控制系统的至少一个增益设为与通常动作模式时不同的值。
上述电动机控制系统变更部在诊断动作模式时，可以在上述电动机控制系统中插入仅对特定频段进行放大的滤波器。
上述电动机控制系统变更部在诊断动作模式时，可以通过上述电动机的速度变得恒定的契机停止针对上述电动机的控制输出。
还可以具备异常检测部，该异常检测部在上述诊断动作模式下根据由上述检测器检测出的反馈值来检测上述电动机的异常。
本发明的另一方式的异常检测方法检测电动机的异常，该电动机具备用于检测速度或位置的反馈值的检测器，上述异常检测方法具备以下步骤：在检测电动机的异常时，变更用于控制上述电动机的电动机控制系统，使得上述电动机的动作容易受到干扰的影响；使上述电动机进行诊断动作；以及根据在该诊断动作中取得的反馈值来检测上述电动机的异常。
通过本发明，能够通过电动机中标配的传感器来高精度地检测电动机中产生的异常，因此能够不追加多余的传感器来检测工业机械的异常，从而能够降低导入成本和维护成本。
附图说明
图1是第一实施方式的控制装置的概略硬件结构图。
图2是第一实施方式的控制装置的概略功能框图。
图3表示电动机控制系统的例子。
图4表示动作模式与电动机控制系统之间的关联的例子。
图5表示动作模式与电动机控制系统之间的关联的另一例子。
具体实施方式
图1是表示本发明一实施方式的控制装置的主要部分的概略硬件结构图。
能够作为用于控制机器人、机床等工业机械的控制装置来安装控制装置1，也能够安装在专门用于控制电动机的电动机控制装置、伺服放大器等上，并且也能够安装在经由有线/无线的网络与用于控制工业机械的控制装置或控制电动机的电动机控制装置直接或间接连接的单元计算机、主计算机等计算机上。在此，表示了作为用于控制机床的控制装置安装了本实施方式的控制装置1的例子。
本实施方式的控制装置1所具备的CPU11是整体地控制控制装置1的处理器，经由总线20读出在ROM12中存储的系统程序，并按照该系统程序来控制整个数值控制装置1。在RAM13中临时存储临时的计算数据和显示数据、操作人员经由输入部(未图示)输入的各种数据等。
非易失性存储器14例如构成为通过电池(未图示)进行支援等，即使数值控制装置1的电源被切断也能够保持存储状态的存储器。在非易失性存储器14中存储经由接口15从外部设备72读入的加工程序、经由显示器/MDI单元70输入的加工程序、从控制装置1的各部和机床、传感器等取得的各种数据(例如，表示基于加工程序的指令的执行状态、机床的动作状态的各种信号、伺服电动机50或主轴电动机62的控制参数、位置、速度、电流/电压值等)。在非易失性存储器14中存储的加工程序和各种数据在执行时/使用时可以在RAM13中展开。另外，在ROM12中预先写入了公知的分析程序等各种系统程序。
接口15是用于将数值控制装置1与适配器等外部设备72进行连接的接口。从外部设备72侧读入程序、各种参数等。另外，能够将在数值控制装置1内编辑后的程序和各种参数等经由外部设备72存储在外部存储单元中。可编程机床控制器(PMC)16通过数值控制装置1中内置的时序程序，经由I/O单元17向机床以及该机床的周边装置(例如，工具更换用机械手等致动器、设置在机床上的传感器等)输出信号来进行控制。并且，取得在机床本体上配备的操作盘的各种开关和周边装置等的信号，在对该信号进行了必要的信号处理后传送给CPU11。
显示器/MDI单元70是具备显示器和键盘等的手动数据输入装置。接口18取得来自显示器/MDI单元70的键盘的指令、数据，并将其传送给CPU11。接口19与操作盘71连接，该操作盘71具备在手动驱动各轴时使用的手动脉冲发生器等。
用于控制机床所具备的轴的轴控制电路30取得来自CPU11的轴的移动指令，并将轴的指令输出给伺服放大器40。伺服放大器40取得该指令，驱动用于使机床所具备的轴移动的伺服电动机50。轴的伺服电动机50内置有位置/速度检测器，将来自该位置/速度检测器的位置/速度反馈信号反馈给轴控制电路30，来进行位置/速度的反馈控制。另外，在图1的硬件结构图中，轴控制电路30、伺服放大器40、伺服电动机50各自只表示了一个，但是实际上准备了成为控制对象的机床所具备的轴的数量。
主轴控制电路60接受主轴旋转指令，向主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接受该主轴速度信号，使机床的主轴电动机62按照指令的转速进行旋转从而驱动刀具。向主轴电动机62连结位置编码器63，位置编码器63与主轴的旋转同步地输出反馈脉冲，由CPU11读取该反馈脉冲。反馈脉冲用于确定主轴的转速和位置。
图2是一个实施方式的控制装置1的概略功能框图。
由图1所示的控制装置1所具备的CPUI11执行各个系统程序来控制控制装置1的各部的动作，由此实现图2所示的各个功能框图。
本实施方式的控制装置1具备：电动机控制部100，其根据加工动作指令200或诊断动作指令210来控制伺服电动机50；动作模式切换部110，其切换通常加工用的控制和诊断用的控制；电动机控制系统变更部120，其变更电动机控制系统的控制参数等；以及异常检测部130，其根据反馈给电动机控制部100的速度或位置反馈值来检测电动机的异常。
电动机控制部100根据来自非易失性存储器14中存储的加工程序(或者，在RAM13中展开的加工程序、从显示器/MDI单元70输入的MDI程序等)的加工动作指令200来控制伺服电动机50和主轴电动机62。另外，电动机控制部100根据来自动作模式切换部110的指令将与电动机的控制相关的动作从通常动作模式切换为诊断动作模式，并根据来自非易失性存储器14中存储的加工程序(或者，在RAM13中展开的诊断程序、从显示器/MDI单元70输入的MDI程序等)的诊断动作指令210来控制伺服电动机50和主轴电动机62。
动作模式切换部110在预先决定的预定契机(后述)指令电动机控制部100切换通常动作模式和诊断动作模式。另外，动作模式切换部110在指令电动机控制部100切换动作模式时，或者在电动机控制部100已切换为诊断动作模式后的预定的定时，指令电动机控制系统变更部120分别变更电动机控制部100控制伺服电动机50或主轴电动机62时使用的电动机控制系统的设定。
动作模式切换部110指令切换电动机控制部100的动作模式的契机例如包括以下等契机：
作业人员通过操作显示器/MDI单元70或操作盘71进行了指令时、
在控制装置1中预先设定的时刻到来时、
控制装置1启动时、加工程序或诊断程序的执行已结束时、
通过加工程序或诊断程序指令了动作模式的切换时。
动作模式切换部110可以只变更成为诊断对象的电动机的电动机控制系统，也可以还变更控制装置1管理的其他的电动机的控制系统。
电动机控制系统变更部120变更电动机控制部100控制电动机的控制系统的控制参数等。电动机控制系统变更部120在电动机控制部100切换为通常动作模式时变更为通常的电动机控制系统(作业人员原本为了加工而设定的电动机的控制系统)，或者在切换为诊断动作模式时变更为诊断用控制系统。电动机控制系统变更部120在变更电动机的控制系统时，例如进行电动机控制系统的控制参数的变更、对电动机控制系统进行滤波器的追加/删除、电动机控制系统的连接的变更等。
图3表示电动机控制部100的伺服电动机50的电动机控制系统的一例。
在图3例示的电动机控制系统中，在通常的通常动作模式下，根据所设定的控制参数Kp、Ki、Kd、C，通过电动机控制系统进行伺服电动机50的速度控制，上述控制参数Kp、Ki、Kd、C是为了使电动机的动作稳定，即为即使产生了干扰伺服电动机50的速度要发生变化，也会使得伺服电动机50的速度跟踪于该干扰而成为目标速度而设定的控制参数。因此，例如即使在伺服电动机50的轴承中由于磨损等产生了异常的情况下，通过电动机控制系统的动作也会维持目标速度。因此，当电动机控制部100切换为诊断动作模式时，电动机控制系统变更部120根据来自动作模式切换部110的指令，变更控制参数Kp、Ki、Kd，变更电动机控制系统的控制(具体地说，使比例、积分、微分的各个增益Kp、Ki、Kd降低)使得电动机对于干扰的跟踪性变差，由此在诊断动作模式下，例如在伺服电动机50的轴承中由于磨损等产生了异常的情况下从目标速度偏离的程度变大，在速度反馈中显著地表现出异常的程度。
作为电动机控制系统变更部120进行的电动机控制系统的变更的另一个例子，例如电动机控制系统变更部120在电动机控制部110切换为诊断动作模式时，可以对电动机控制系统追加仅对特定频率进行放大的滤波器(或者，去除使特定频率衰减的滤波器、替换为使特定频率通过的滤波器)，由此放大特定频率的振动。通过这样的变更，在速度反馈中显著地表示出在伺服电动机50产生的特定频率的振动，能够容易地检测出取决于特定频率的异常。
另外，作为电动机控制系统变更部120进行的电动机控制系统的变更的另一个例子，例如电动机控制系统变更部120可以通过电动机控制部100在诊断动作模式中的预定定时，将电动机控制系统的各个增益设定为0(停止针对伺服电动机50的控制输出)，由此使伺服电动机50惯性运转。在使伺服电动机50的电动机速度成为预定的速度后，对电动机控制系统进行上述变更，由此能够使伺服电动机50惯性运转，从而容易地检测出在自然减速时在速度反馈中容易表现出的异常。
电动机控制系统变更部120进行的电动机控制系统的变更如果是容易地检测出速度或位置反馈中表现出的伺服电动机50的异常的征兆的变更，则可以是任意的变更，例如可以对电动机控制系统的控制环内的要素进行变更，也可以对控制环外的要素进行变更。关于电动机控制系统，除了图3例示的电动机控制系统以外，根据电动机的使用目的或设置的工业机械的不同具有各种各样的电动机控制系统，无论对哪个电动机控制系统都能够应用电动机控制系统变更部120进行的电动机控制系统的变更。例如，图3所例示的电动机控制系统是基于速度控制环的电动机控制系统，但是也能够同样应用于位置控制环、电流控制环、这些控制环结合后的电动机控制系统。对于干扰的反应因各个电动机控制系统而不同，但是通过预先进行实验等确认如何变更电动机控制系统会在诊断动作模式下成为针对干扰的适当的跟踪程度，并根据该结果来决定诊断动作模式下的电动机控制系统的变更即可。
可以在非易失性存储器14上预先设定电动机控制系统变更部120进行的针对各个动作模式的电动机控制系统的变更。此时，如图4所例示的那样，与各个动作模式对应起来设定电动机控制系统，在动作模式的切换时参照非易失性存储器14变更为相应的电动机控制系统。
异常检测部130从电动机控制部100取得成为异常检测对象的电动机(伺服电动机50或主轴电动机62)的速度或位置反馈值，并基于取得的速度或位置反馈值进行异常检测。异常检测部130通过目前某种一般的异常检测的方法来检测电动机的异常。在最简单地检测异常时，异常检测部130例如当在诊断动作模式时取得的反馈值相对于预先取得的正常动作时的电动机的反馈值具有预先决定的预定阈值以上的偏差时，判定为检测出该电动机的异常。
在想要更高水平地检测电动机的异常时，作为异常检测部130而导入无监督学习器，预先在诊断动作模式下学习正常时的电动机的反馈值的推移来生成簇。然后，在检测电动机的正常/异常时，将诊断动作模式时的电动机的反馈值输入给无监督学习器，当输入的反馈值偏离了正常时的电动机的反馈值的簇时，可以判定为检测出该电动机的异常。另外，可以在诊断动作模式下，生成电动机正常进行动作时的簇、各个故障模式(轴承的故障、绕组的故障、轴线的畸变等)中的每个故障的簇。然后，在检测电动机的正常/异常时，将诊断动作模式时的电动机的反馈值输入给无监督学习器，根据输入的反馈值属于哪个簇，可以检测该电动机是否正常或者产生了哪个故障模式的异常。
并且，向异常检测部130导入有监督学习器，根据在诊断动作模式下检测出的反馈值来生成电动机正常动作时的训练数据和电动机有异常时的训练数据，基于这些训练数据进行机器学习。并且，在检测电动机的正常/异常时，将诊断动作模式时的电动机的反馈值输入给无监督学习器，输出正常或异常的判定。
另外，在使用有监督学习器的情况下，生成各个故障模式(轴承的故障、绕组的故障、轴线的畸变等)中的每一个故障模式的训练数据，由此也能够判定故障模式。
通过以上的结构，在本实施方式的控制装置1中，在诊断动作模式下变更电动机控制系统使得电动机的动作容易出现干扰的影响，由此能够通过异常检测部130容易地检测电动机的异常。在本实施方式的控制装置1中，在诊断模式下，在电动机正常时检测出的反馈值与在电动机异常时检测出的反馈值之间容易出现明确的差，因此作为异常检测部130即使采用简单的结构也能够灵敏地检测出电动机的异常。另外，在将机器学习器导入异常检测部130时，由于正常时和异常时的判定输出的不同变得明确，所以能够通过少的学习数据来结束机器学习，能够期待降低学习费用。
作为本实施方式的控制装置1的一个变形例，作为通过动作模式切换部110切换的电动机控制部100的诊断动作模式，可以准备多个诊断动作模式。电动机中产生的异常根据其异常原因或故障异常部位而不同，对于各个异常原因/异常部位，使反馈值中容易表现出各个异常的电动机控制系统的设定有时不同。此时，针对想要检测的每个异常原因/每个异常部位设置诊断动作模式，对该每个诊断动作模式准备诊断动作指令120，然后如图5所示，设定每个诊断动作模式的电动机控制系统。并且，动作模式切换部110在预先决定的预定的契机指令电动机控制部100切换通常动作模式和诊断动作模式1、2、3……。在各个诊断动作模式下，电动机控制系统变更部120将电动机控制部100的电动机控制系统变更为与该诊断动作模式对应的电动机控制系统，另外，电动机控制部100执行在该诊断动作模式下应该执行的诊断动作指令210。由此，能够更高精度地检测电动机中产生的异常，另外，电动机的异常原因/异常部位的判定也变得容易。
作为本实施方式的控制装置1的另一变形例，作为通过动作模式切换部110进行切换的电动机控制部100的诊断动作模式，可以准备能够阶段性适用的多个诊断动作模式。这在导入上述变形例时，在诊断动作模式中设置容易检测更广泛的异常的诊断动作模式和容易检测更为具体的异常的诊断动作模式，从容易检测更广泛的异常的诊断动作模式按顺序进行切换，进行各个诊断动作模式下的诊断动作，由此能够用于阶段性地限缩电动机的异常原因/异常部位。
以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明不仅限于上述实施方式的例子，通过增加适当的变更能够以各种方式来实施。
例如，在上述实施方式中作为控制装置1表示了安装用于控制机床的控制装置的例子，但是，如上所述，可以作为电动机控制装置来安装控制装置1，也可以安装在主计算机等计算机上。另外，也能够设为对这些各个装置分配了功能单元的安装。例如，能够在电动机控制装置上安装了以上说明的电动机控制部100、动作模式切换部110、电动机控制系统变更部120后，在经由总线、网络连接的主计算机上分别安装异常检测部130等，与安装目的地的装置和各功能单元的特性相匹配地适当地进行配置。本发明中，动作模式切换部110、电动机控制系统变更部120专门发挥用于高效地进行异常检测的辅助作用，因此设置在哪个装置上都不会成为大的问题。另外，在将机器学习器导入异常检测部130时，当设为在主计算机上配置异常检测部130使多个工业机械共享时，能够减低整个系统的成本。

Claims (6)

1.一种控制装置，其具备检测电动机的异常的功能，该电动机具备检测速度或位置的反馈值的检测器，其特征在于，
上述控制装置具备：
电动机控制部，其控制上述电动机；
动作模式切换部，其切换上述电动机的动作模式；以及
电动机控制系统变更部，其针对上述电动机的每个动作模式变更上述电动机控制部控制上述电动机时使用的电动机控制系统，
上述动作模式至少包括作为通常的动作模式的通常动作模式和检测上述电动机的异常的诊断动作模式，
上述电动机控制系统变更部将上述诊断动作模式下的上述电动机控制部控制上述电动机时使用的电动机控制系统变更为上述电动机的动作容易受到干扰的影响的电动机控制系统。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
上述电动机控制系统变更部在诊断动作模式时，将上述电动机控制系统的至少一个增益设为与通常动作模式时不同的值。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
上述电动机控制系统变更部在诊断动作模式时，在上述电动机控制系统中插入仅对特定频段进行放大的滤波器。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
上述电动机控制系统变更部在诊断动作模式时，通过上述电动机的速度变得恒定的契机停止针对上述电动机的控制输出。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，
上述控制装置还具备异常检测部，该异常检测部在上述诊断动作模式下根据由上述检测器检测出的反馈值来检测上述电动机的异常。
6.一种异常检测方法，其检测电动机的异常，该电动机具备用于检测速度或位置的反馈值的检测器，其特征在于，
上述异常检测方法具备以下步骤：
在检测上述电动机的异常时，变更用于控制上述电动机的电动机控制系统，使得上述电动机的动作容易受到干扰的影响；
使上述电动机进行诊断动作；以及
根据在上述诊断动作的过程中取得的反馈值来检测上述电动机的异常。
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