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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für ein elektrisches
Stellglied, mit der eine Drehantriebsquelle für den Antrieb des elektrischen
Stellgliedes geschützt
werden kann.
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Wenn
Industrieroboter für
Montagevorgänge genutzt
werden, wird im Allgemeinen ein Grundkörper bspw. mit Bolzen befestigt.
Der Betrieb des Roboters wird angehalten, wenn ein übergroßer Strom
gemessen wird, bspw. wenn bei Fehlern bei der Verriegelung oder
dgl. Stöße oder
Kollisionen an dem Ende eines Roboterarms auftreten. Somit wird
vornehmlich angestrebt, den Roboter und/oder ein Werkstück vor Bruch
oder Zerstörung
zu schützen,
indem übergroße Ströme an dem
Industrieroboter erfasst werden. Hierbei wird eine Positionsabweichung
des Roboters nicht berücksichtigt.
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Hiervon
ausgehend beschreibt die
JP 2002066969
A das Verhindern des Anhebens eines automatischen oder
unbemannten Transportfahrzeugs, auch wenn das Ende eines Roboterarms
Stöße oder
Kollisionen gegen die Ausrüstung
bewirkt.
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Die
JP 2002066969 A offenbart,
dass das Ende des Roboterarms entsprechend der Steuerung der Haltung
und Position des Endes des Roboterarms bewegt wird, und dass eine
Steuervorrichtung eine Begrenzung des einem Servomotors für den Antrieb
eines Gelenkes des Roboterarms zugeführten Stromes bewirkt, wenn
das Gelenkmoment, das auf das Gelenk des Roboterarms ausgeübt wird,
einen festgelegten Grenzwert erreicht.
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Wenn
das technische Konzept gemäß der
JP 2002066969 A bspw.
bei einem elektrischen Stellglied für die Umwandlung der Drehbewegung
eines Motors in die geradlinige Bewegung eines Gleiters oder dgl.
eingesetzt wird, ist es jedoch notwendig, einen Steuerschaltkreis
und einen Detektor, bspw. einen Resolver und einen Encoder vorzusehen,
um die Arbeitsgeschwindigkeit und die Position des Gleiters zu steuern.
Dies erhöht
die Herstellungskosten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuervorrichtung für ein elektrisches
Stellglied vorzuschlagen, mit der der einer Drehantriebsquelle zugeführte Strom
durch Verwendung eines einfachen Schaltkreises begrenzt werden kann,
auch wenn eine hohe Last auf die Drehantriebsquelle für den Antrieb
des elektrischen Stellgliedes ausgeübt wird.
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Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung
näher erläutert. Dabei
bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale
für sich
oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein Steuersystem darstellt, bei
dem ein Antrieb für
ein elektrisches Stellglied gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das die Anordnung des Antriebs
des elektrischen Stellgliedes gemäß 1 darstellt;
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3 ist
ein Blockdiagramm, das eine Anordnung eines Stromverstärkers/-begrenzers,
wie er in 2 dargestellt ist, darstellt;
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4 zeigt
eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Verschiebungszeit
eines Gleiters des elektrischen Stellgliedes und dem einer Drehantriebsquelle
zuzuführenden
Strom darstellt;
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5 ist
ein Blockdiagramm, das eine Anordnung einer Relaisschaltung gemäß eines
ersten Vergleichsbeispiels darstellt;
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6 ist
ein Blockdiagramm, das eine Anordnung eines Servoschaltkreises gemäß eines zweiten
Vergleichsbeispiels darstellt; und
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7 ist
eine perspektivische Ansicht eines Steuersystems, bei dem ein Antrieb
für ein
elektrisches Stellglied gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 10 ein Steuersystem mit einem Antrieb
für ein
elektrisches Stellglied gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (nachfolgend als "Antrieb" bezeichnet).
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Das
Steuersystem 10 umfasst ein elektrisches Stellglied 16,
in dem sich ein Gleiter 14 linear hin und her bewegt, wenn
er durch eine Drehantriebsquelle 12 angetrieben wird, einen
Antrieb 18, welcher die Drehantriebsquelle 12 antreibt/abschaltet,
und eine Steuerung 20, welche ein Richtungsbefehlseingangssignal
an den Antrieb 18 sendet.
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Die
Steuerung 20 und der Antrieb 18 sind mit Hilfe
eines Schienenelementes 22 verbunden, das in Aussparungen
an den Rückseiten
der entsprechenden Gehäuse
eingreift.
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Die
Drehantriebsquelle 12 wird vorzugsweise durch einen Servomotor,
bspw. einen Gleichstrommotor mit Bürsten, einem bürstenlosen
Gleichstrommotor oder einen Schrittmotor gebildet. Ein Linearmotor,
bspw. mit einem Elektromagneten (Solenoid), kann als Drehantriebsquelle 12 eingesetzt
werden.
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Das
elektrische Stellglied 16 umfasst einen Stellgliedkörper 24,
die über
Gewindeelemente mit einem Ende des Stellgliedkörpers 24 verbundene Drehantriebsquelle 12,
ein Paar von Führungswellen 28a, 28b,
die sich parallel zwischen dem Stellgliedkörper 24 und einem
Endblock 26 erstrecken, und eine Kugelspindelwelle 30,
die mit der Antriebswelle der Drehantriebsquelle 12 durch
ein nicht dargestelltes Kupplungselement verbunden ist.
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Das
elektrische Stellglied 16 umfasst außerdem den Gleiter 14,
der eine nicht dargestellte Kugelspindelmutter für den Gewindeeingriff mit der
Kugelspindel welle 30 aufweist und sich linear hin und her bewegt,
wobei er durch das Paar von Führungswellen 28a, 28b geführt wird,
und eine Stange 32, die mit dem Gleiter 14 verbunden
ist. Die Stange 32 bewegt sich gemeinsam mit dem Gleiter 14 vorwärts und rückwärts. Ein
Teil der Stange 32 steht von dem Endblock 26 vor.
Der Gleiter 14 und die Stange 32 dienen als bewegliches
Element.
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In 2 ist
ein schematisches Blockdiagramm wiedergegeben, welches die Anordnung
des Gleiters 18 erläutert.
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Der
Gleiter 18 umfasst eine Richtungsschalteinrichtung 34,
welche die Drehrichtung der Drehantriebsquelle 12 durch
Umschalten der Polarität
der Spannung entsprechend dem Richtungsbefehlseingangssignals, das
von der Steuerung 20 ausgesandt wird, in positive oder
negative Richtung umschaltet, und einen Stromverstärker/-begrenzer 36,
welcher die von der Richtungsschalteinrichtung 34 ausgegebene
Spannung in einen entsprechenden Strom umwandelt, und den Strom
mit Bezug auf einen voreingestellten Referenzstrom IMAX (Schwellenwert)
begrenzt.
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Der
Antrieb 18 umfasst außerdem
einen Stromsensor (Stromerfassungsmittel) 38, der stromabwärts des
Stromverstärkers/-begrenzets 36 vorgesehen
ist und den der Drehantriebsquelle 12 zugeführten Strom
erfasst, und einen Stromregelkteis 40 für die Rückführung des Erfassungssignals
des Stromsensors 38 zu der stromaufwärts liegenden Seite des Stromverstärkers/-begrenzers 36.
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Wie
in 3 dargestellt ist, umfasst der Stromverstärker/-begrenzer 36 eine
Vergleichseinrichtung 44, die den in einer Speichereinrichtung 42 gespeicherten
voreingestellten Referenzstrom IMAX mit
dem Erfassungssignal des Stromsensors 38 vergleicht, und
eine Strombegrenzungseinrichtung 46, die den der Drehantriebsquelle 12 zugeführten Strom so
begrenzt, dass der Strom den Referenzstrom IMAX nicht überschreitet,
bspw. wenn eine hohe Last auf die Drehantriebsquelle 12 aufgebracht
wird und der der Drehantriebsquelle 12 zugeführte Strom
den Referenzstrom IMAX überschreiten würde.
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Der
Antrieb 18 weist eine nicht dargestellte Schaltplatine
auf. Bspw. wird der Stromsensor 38 bevorzugt durch einen
Widerstand mit einem niedrigen Widerstandswert gebildet, der auf
der Schaltplatine angeordnet ist.
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Das
Steuersystem 10 mit dem Antrieb 18 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben
aufgebaut. Nachfolgend werden seine Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweise
erläutert.
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Zunächst wird
ein Richtungsbefehlseingangssignal von der Steuerung 20 an
den Antrieb 18 gesandt. In dem Antrieb 18 wird
die Polarität
der Spannung auf der Basis des Richtungsbefehlseingangssignals geschaltet
und dementsprechend die Drehrichtung der Drehantriebsquelle 12 in
positive oder negative Richtung geschaltet. Die Spannung, die dem
von der Richtungsschalteinrichtung 34 zu der Drehantriebsquelle 12 zugeführten Strom
entspricht, wird in den Stromverstärker/-begrenzer 36 eingegeben.
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Der
Stromverstärker/-begrenzer 36 wandelt die
von der Richtungsschalteinrichtung 34 ausgegebene Spannung
in den entsprechenden Strom um, und dieser Strom wird der Drehantriebsquelle 12 zugeführt. Dementsprechend
wird die Drehantriebsquelle 12 angetrieben und in einer
festgelegten Richtung gedreht.
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Die
Drehbewegung der Drehantriebsquelle 12 wird auf die mit
der Antriebswelle der Drehantriebsquelle 12 verbundene
Kugelspindelwelle 30 übertragen.
Die Drehbewegung wird durch den Eingriff zwischen der Kugelspindelwelle 30 und
der nicht dargestellten Kugelspindelmutter in eine geradlinige Bewegung
umgewandelt. Die geradlinige Bewegung wird auf den Gleiter 14 übertragen.
Die Stange 32 fährt
gemeinsam mit dem Gleiter 14 aus. Dementsprechend wird
eine Druck- oder Presswirkung erreicht, um ein nicht dargestelltes
Werkstück
zu einer festgelegten Position zu drücken oder zu pressen.
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Nachdem
der Gleiter 14 an einem festgelegten Hubende angekommen
ist, wird, wenn das Werkstück
an der festgelegten Position durch die Stange 32 weitergedrückt und
eine hohe Last auf die Drehantriebsquelle 12 ausgeübt wird,
ein verriegelter Zustand erreicht, in dem die Rotation der Antriebswelle der
Drehantriebsquelle 12 gestoppt wird, während sie angetrieben wird.
In dieser Situation ist das von der Antriebswelle auf die Drehantriebsquelle 12 ausgeübte Drehmoment
proportional dem auf die Drehantriebsquelle 12 aufgebrachten
Strom. Wenn der verriegelte Zustand erreicht ist, kann daher ein
Strom (Überstrom),
der nicht geringer ist als ein festgelegter Stromwert, auf die Drehantriebsquelle 12 aufgebracht
werden, so dass die Drehantriebsquelle 12 durch den Überstrom
durchbrennen kann.
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Dementsprechend
wird bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, das Erfassungssignal, das von dem Stromsensor 38 zur
Erfassung des der Drehantriebsquelle 12 zugeführten Stromes
ausgesandt wird, über
die Rückführung 40 zu
der stromaufwärtsseitigen
Seite des Stromverstärkers/-begrenzers
36 zurückgeführt (Regelkreis).
Der Stromverstärker
bzw. -begrenzer 36 vergleicht den voreingestellten Referenzstrom
IMAX, der in der Speichereinrichtung 42 gespeichert
ist, mit Hilfe der Vergleichseinrichtung 44 mit dem Erfassungssignal
des Stromsensors 38. Der der Drehantriebsquelle 12 zugeführte Strom
wird durch die Strombegrenzungseinrichtung 46 begrenzt,
so dass der Strom den Referenzstrom IMAX nicht überschreitet
(vgl. 4 und 3).
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Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Wert des der Drehantriebsquelle 12 zugeführten Stromes
mit Hilfe des Stromsensors 38 überwacht, und der auf die Drehantriebsquelle 12 aufgebrachte
Strom wird mit Hilfe des Stromverstärkers bzw. -begrenzers 36 so
begrenzt, dass er den Refe renzstrom IMAX nicht überschreitet.
Auch wenn eine hohe Last auf die Drehantriebsquelle 12 ausgeübt wird
und die Antriebswelle der Drehantriebsquelle 12 in dem
EIN-Zustand angehalten und verriegelt wird, wird daher der der Drehantriebsquelle 12 zugeführte Strom
so begrenzt, dass er den voreingestellten Referenzstrom IMAX nicht überschreitet. Dadurch ist es
möglich,
ein Durchbrennen der Drehantriebsquelle 12 zu vermeiden,
das andernfalls durch einen Überstrom
bewirkt werden könnte.
Es versteht sich, dass das Drehmoment durch Begrenzen des der Drehantriebsquelle 12 zugeführten Stromes
ebenfalls begrenzt werden kann.
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Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, einen Steuerschaltkreis
und einen Detektor, wie einen Resolver und einen Encoder, vorzusehen,
um die Betriebsgeschwindigkeit und die Position des Gleiters 14 zu
steuern. Das Durchbrennen der Drehantriebsquelle 12 wird durch
einen einfachen Schaltkreis vermieden. Daher können die Produktionskosten
verringert werden.
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Hierbei
wird der Antrieb 18 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise bei einer Antriebsvorrichtung
(elektrisches Stellglied) eingesetzt, bei der lediglich die Druckwirkung,
die von der Stange 32 ausgeübt wird, und die Drehrichtung
der Drehantriebsquelle 12 gesteuert werden.
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wurde auf Basis der Druckbetätigung des
Werkstücks
durch die Stange 32 des elektrischen Stellgliedes 16 erläutert. Die
Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Es versteht sich, dass
die vorliegende Erfindung auch bspw. bei dem Werkstücktransport, dem
Verstemmen, dem Pressen oder Haltevorgängen, die mit der Stange 32 des
elektrischen Stellgliedes 16 durchgeführt werden, oder dem Ergreifen
eines Werkstücks
durch eine nicht dargestellte elektrische Klemmvorrichtung, oder auch
das Klemmen mit Hilfe einer nicht dargestellten elektrischen Klemme eingesetzt
werden kann.
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Wenn
durch solche Vorgänge,
wie den Werkstücktransport,
das Ergreifen des Werkstücks
oder einen Klemmvorgang eine unerwünscht hohe Last auf die Drehantriebsquelle 12 ausgeübt wird
und die Drehung der Antriebswelle der Drehantriebsquelle 12 angehalten
und verriegelt wird, wird der der Drehantriebsquelle 12 zugeführte Strom
so begrenzt, dass er den Referenzstrom IMAX nicht überschreitet.
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Nachfolgend
werden erste und zweite Vergleichsbeispiele der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt.
Die Aufbauelemente, die denen der oben beschriebenen Ausführungsform
entsprechen, werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre
erneute detaillierte Beschreibung wird daher verzichtet.
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5 zeigt
einen Relaisschaltkreis eines ersten Vergleichsbeispiels. Wenn hierbei
eine Vielzahl von Relaisschaltkreisen 50 in Kombination
verwendet wird, ist es möglich,
die Drehrichtung der Drehantriebsquelle 12 zu schalten.
Wenn die Antriebswelle der Drehantriebsquelle 12 aber angehalten
und verriegelt wird, kann ein Strom, der nicht niedriger ist als
der von der Drehantriebsquelle 12 erlaubte Strom, dem Relaisschaltkreis 50 zugeführt werden,
so dass dieser durchbrennen kann.
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6 zeigt
einen Servoschaltkreis 60 eines zweiten Vergleichsbeispiels.
Der Servoschaltkreis 60 weist einen Detektor, bspw. einen
Encoder 62 und einen Resolver auf, und umfasst einen Steuerschaltkreis,
der eine Regelung der Geschwindigkeit durch eine Geschwindigkeitsrückführung 64 (Regelkreis) und
einen Geschwindigkeitsverstärker/-begrenzer 66 durchführt, sowie
einen weiteren Steuerschaltkreis, der eine Regelung der Position
durch eine Positionsrück führung 68 (Regelkreis)
und einen Positionsverstärker/-begrenzer 70 durchführt. Daher
ist es bei dem Servoschaltkreis 60 gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel
notwendig, hochgenaue Steuerschaltkreise für die Steuerung der Position
und der Geschwindigkeit vorzusehen. Daher ist der Servoschaltkreis 60 teuer
und die Herstellgungskosten werden erhöht.
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Im
Gegensatz dazu ist es bei der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung möglich,
ein akzeptables Kosten-/Nutzenverhältnis im Vergleich zu denen
des Relaisschaltkreises 50 gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel
und dem Servoschaltkreis 60 gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel
zu erreichen. Wenn bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das elektrische Stellglied 16 gemäß der EIN/AUS-Steuerung
in der gleichen Weise wie bei einem Elektroventil gesteuert wird,
ist es möglich, die
vorliegende Steuervorrichtung als Richtungssteuervorrichtung einzusetzen,
die bspw. auch für
Drück- und
Transportvorgänge
geeignet ist. Bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, einen Detektor,
wie einen Encoder, extern an der Drehantriebsquelle 12 vorzusehen.
Dadurch ist es möglich,
die Größe und das
Gewicht der Vorrichtung zu reduzieren.
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7 zeigt
ein Steuersystem, bei dem ein Antrieb gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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Der
Stellgliedantrieb 18a gemäß der weiteren Ausführungsform
entspricht dem Antrieb 18 insoweit, als der Antrieb 18a den
Innenaufbau aufweist, wie er in dem Blockdiagramm gemäß 2 dargestellt
ist. Der Antrieb 18a unterscheidet sich jedoch von dem
Antrieb 18 dahingehend, dass Radiatorrippen 82,
die als Vielzahl im Wesentlichen parallel gestreifter, vertikaler
Rippen ausgebildet sind, an einer Außenfläche eines Gehäuses 80 vorgesehen
sind.
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Ein
Arbeits- oder Bedienbereich 84 ist an einer anderen Seitenfläche des
Gehäuses 80 vorgesehen.
Ein erster Anschlussbereich, der mit der Steuerung 20 verbunden
wird, ist an der oberen Fläche
des Gehäuses 80 vorgesehen.
Ein zweiter Anschlussbereich, der mit einer Stromquelle 86 und
der Drehantriebsquelle 12 verbunden ist, ist an der unteren
Fläche
des Gehäuses 80 vorgesehen.