JP2006155199A

JP2006155199A - サーボモータのブレーキ寿命監視方法および装置

Info

Publication number: JP2006155199A
Application number: JP2004344343A
Authority: JP
Inventors: Teruki Ito; 輝樹伊東
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】サーボモータが具備する電磁ブレーキの劣化や寿命の到来を監視することが可能なブレーキ寿命監視方法および装置を提供する。
【解決手段】電磁ブレーキ６を有するサーボモータ５を駆動源とした機械におけるサーボモータ５のブレーキ寿命監視方法において、機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータ５の回転角度および角速度と、サーボモータ５の実際の停止時におけるサーボモータ５の回転角度とをそれぞれ検出し、これら検出した値に基づいて電磁ブレーキ６の仕事量を算出し、この電磁ブレーキ６の仕事量を機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキ６の総仕事量を算出し、この電磁ブレーキ６の総仕事量に基づいて電磁ブレーキ６の寿命を監視するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械のブレーキ寿命を監視する技術に関し、特に、電磁ブレーキの仕事量を測定することにより電磁ブレーキの劣化や寿命の到来を監視する装置に関する。

重力による負荷や装置の落下（惰走）が想定される機械における負荷や装置の駆動源には、電磁ブレーキを有するサーボモータが用いられている。係るサーボモータを使用した場合、経年変化等により電磁ブレーキのブレーキングトルクが低下すると、サーボモータにより駆動される負荷や装置の落下が生じる恐れがある。

この対策として、例えば、特許文献１には、サーボモータが非常停止した際に、停止信号発生からサーボモータが実際に停止するまでの惰走距離を検出し、この距離が予め設定した基準距離を越える場合はブレーキ異常信号を発する技術が開示されている。さらに、この特許文献１には、電源投入時に、電磁ブレーキを作動させた状態でサーボモータにブレーキングトルクの基準値を発生させ、サーボモータが回転したか否かをサーボモータに取り付けられている回転検出器等により検出し、サーボモータが回転した場合にブレーキ異常信号を発する技術についても開示されている。
特開平６−２４６６７４号公報

しかしながら、前述した特許文献１に開示されている方法では、電磁ブレーキの異常状態は、惰走距離の増加やブレーキングトルクの低下などの異常状態が顕在化するまでは検出することができない。そのため、機械の稼動中に異常状態を検出した場合には、電磁ブレーキの交換のために稼働中の機械を停止させなければならないという問題があった。

本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、サーボモータが具備する電磁ブレーキの劣化や寿命の到来を監視することが可能なブレーキ寿命監視方法および装置を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視方法において、機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、この電磁ブレーキの仕事量を機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出し、この電磁ブレーキの総仕事量に基づいて電磁ブレーキの寿命を監視するようにしたことを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視方法を提供した。

サーボモータを駆動源とする機械には、多関節形産業用ロボットなどのように多自由度を有しているものがある。この場合、機械が有している全てのサーボモータから、非常停止信号発生時にサーボアンプおよび制御装置へフィードバックされるサーボモータの実際の回転角度θ_ｉｊ１と角速度ω_ｉｊ、およびサーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの実際の回転角度θ_ｉｊ２に基づいて、各サーボモータ出力軸換算の仕事量を算出することにより、サーボモータが具備する電磁ブレーキの劣化や寿命を監視することが可能となる。

なお、請求項１における電磁ブレーキの総仕事量に基づく電磁ブレーキの寿命の監視は、例えば、請求項２に記載のように、電磁ブレーキの総仕事量が予め設定したブレーキ寿命に関する規定値を超えた場合に電磁ブレーキの寿命がきたものと判断するようにすればよい。ここで、予め設定したブレーキ寿命に関する規定値としては、例えば電磁ブレーキの仕様書などに記載されているブレーキ寿命に関する許容総仕事量を利用すればよい。

また、別の方法として、請求項１における電磁ブレーキの総仕事量に基づく電磁ブレーキの寿命の監視は、請求項３に記載のように、電磁ブレーキの総仕事量を予め設定したブレーキ寿命に関する規定値で除算することにより電磁ブレーキの消費率を算出し、この電磁ブレーキの消費率に基づいて電磁ブレーキの劣化の度合いを判断するようにしてもよい。このようにすれば、電磁ブレーキの使用に従い前述の消費率は１（１００％）に近づいていくことになるので、消費率を表示装置に表示させるなどすれば、電磁ブレーキの劣化の度合いを作業者等により監視することができる。そして、例えば消費率が０．９（９０％）に到達した時点で警告を出すようにしておけば、電磁ブレーキが寿命を迎える前に機械の非稼働の時間などを利用して電磁ブレーキを交換することも可能になる。

請求項４は前述した請求項２に係る方法に対応した装置の発明である。すなわち、請求項４に係る発明では、電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視装置において、機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、この仕事量を機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出する仕事量演算部と、前記電磁ブレーキの総仕事量と予め設定したブレーキ寿命に関する規定値とを比較することにより電磁ブレーキの寿命を判断する判定部と、を有することを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視装置を提供した。

また、請求項５は前述した請求項３に係る方法に対応した装置の発明である。すなわち、請求項５に係る発明では、電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視装置において、機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、この仕事量を機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出する仕事量演算部と、前記電磁ブレーキの総仕事量を予め設定したブレーキ寿命に関する規定値で除算することにより電磁ブレーキの消費率を算出し、この消費率に基づいて電磁ブレーキの劣化の度合いを判断する判定部と、前記電磁ブレーキの消費率を表示する出力表示部と、を有することを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視装置を提供した。

本発明によれば、電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械において、電磁ブレーキの総仕事量に基づいて電磁ブレーキの劣化や寿命の到来を監視することができるので、作業者は、その監視状態から電磁ブレーキの交換時期がわかるようになる。これにより、サーボモータにより駆動される負荷や装置において、電磁ブレーキの寿命の到来に起因する、重力による落下（惰走）を未然に防止することができるようになる。また、電磁ブレーキの交換時期がわかることにより、保全費用の削減や作業時間の低減に効果がある。さらには、電磁ブレーキの劣化の状況を監視することにより、電磁ブレーキの交換を機械の非稼働時等の適切な時期にできるため、機械の稼働率の向上に効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る寿命監視装置１３を含む、サーボモータ５を駆動するサーボ制御系を示すブロック図である。図中１は指令位置計算部、２は位置ループ、３は速度ループ、４は電流ループ、５はサーボモータ、６は電磁ブレーキ、７はエンコーダ、１３は寿命監視装置である。この寿命監視装置１３は、電磁ブレーキ６の仕事量を算出し積和することにより総仕事量を算出する仕事量演算部８、仕事量演算部８の結果を記憶するメモリ部９、寿命や劣化の度合いを判定する判定部１２，判定部１２における判定結果を表示する出力表示部１０から構成されている。また、１１はサーボモータ５の通電ＯＮ／ＯＦＦや電磁ブレーキ６のＯＮ／ＯＦＦを行う入出力インターフェース、Ｓは微分器としてのラプラス演算子である。

指令位置計算部１から出力された指令角度θ_ｄを含む制御信号は位置ループ２、速度ループ３を介して電流ループ４へ伝送され、最終的に電流ループ４にて電流信号に変換され、電流ループ４から出力された駆動電流によりサーボモータ５が駆動される。エンコーダ７により検出された位置データである駆動軸すなわちサーボモータ５の回転角度θ_ｉは、位置ループ２へフィードバックされる。また、この回転角度θ_ｉは微分器Ｓにより角速度ω_ｉに変換され、この角速度ω_ｉは速度ループ３へフィードバックされる。さらに、これら回転角度θ_ｉおよび角速度ω_ｉは、総仕事量の算出に必要なデータとして仕事量演算部８へも伝送される。

図２は、図１に示した寿命監視装置１３にて行われる処理について示すフローチャートである。すなわち、図２のフローチャートでは、仕事量演算部８における非常停止毎の電磁ブレーキ６の仕事量およびその積和である総仕事量の算出処理、メモリ部９における記憶処理、判定部１２における判定処理、および出力表示部１０におけるブレーキ寿命の出力処理を示している。ここでは、ステップ１１において非常停止指令がオンになった後に実行される処理について説明する。

まず、非常停止信号発生時に図示しないサーボアンプおよび制御装置へフィードバックされるサーボモータの回転角度θ_ｉ１および角速度ω_ｉと、サーボモータ５の実際の停止時における回転角度θ_ｉ２とを検出し、サーボモータ５の回転角度の変化（θ_ｉ１とθ_ｉ２から算出）から機械のポテンシャルエネルギー変化を、またサーボモータ５の角速度ω_ｉから機械の失った運動エネルギーＴをそれぞれ算出し、それらをサーボモータ５の出力軸換算に変換することにより電磁ブレーキ６の仕事量Ｊ_ｉを算出する。

すなわち、ステップ１２では、仕事量演算部８は、ステップ１１における非常停止指令のオン時における、エンコーダ７により検出された位置データである駆動軸すなわちサーボモータ５の回転角度θ_ｉ１と、この回転角度θ_ｉ１を微分器Ｓで微分して得られた角速度ω_ｉとを取り込む。
ステップ１３では、仕事量演算部８は、駆動軸すなわちサーボモータ５の実際の停止時における回転角度θ_ｉ２をエンコーダ７により取り込む。
ステップ１４では、仕事量演算部８は、前記ステップ１２および１３で得られたサーボモータ５の回転角度θ_ｉ１とθ_ｉ２とから、それぞれの回転角度θ_ｉ１、θ_ｉ２におけるポテンシャルエネルギーＶ_ｇ１、Ｖ_ｇ２を求める。さらに、このステップ１４では、仕事量演算部８は、ステップ１２で得られた角速度ω_ｉと負荷の慣性モーメントとの積から、運動エネルギーＴを求める。

次に、ステップ１５では、仕事量演算部８は、非常停止前後のエネルギーの差を求め、電磁ブレーキ６が機械にした仕事量を求める。詳細には、仕事量演算部８は、非常停止指令オン時のエネルギーすなわち前記ポテンシャルエネルギーＶ_ｇ１と前記運動エネルギーＴとの和から、前記駆動軸の実際の停止時におけるエネルギーすなわちポテンシャルエネルギーＶ_ｇ２を差し引くことにより、電磁ブレーキ６が機械にした仕事量を求める。なお、サーボモータのブレーキ装置として電磁ブレーキとダイナミックブレーキとを併用している場合は、ダイナミックブレーキの仕事量についても考慮した方がよい。

ステップ１６では、仕事量演算部８は、前記ステップ１５にて求めた電磁ブレーキ６が機械にした仕事量を例えばラグランジュの運動方程式を用いてサーボモータ軸換算に変換し、電磁ブレーキ６の仕事量Ｊ_ｉを算出する。
ステップ１７では、仕事量演算部８は、前回非常停止指令がオンになったときまでの電磁ブレーキ６の総仕事量Ｊをメモリ部９から取り込み、これに前記ステップ１６で算出した今回非常停止指令がオンになったときの電磁ブレーキ６の仕事量Ｊ_ｉを加算し、これにより今回非常停止指令がオンになったときまでの電磁ブレーキ６の仕事量の積和である総仕事量Ｊを算出する。
ステップ１８では、メモリ部９は、記憶されている電磁ブレーキ６の総仕事量Ｊを前記ステップ１７で求めたものに書換え、記憶する。
ステップ１９では、判定部１２は、予め設定されたブレーキ寿命の総仕事量で前記ステップ１８において求めた値を除すことによりブレーキ寿命の消費率を算出する。図３は、非常停止の作動回数と電磁ブレーキ６の総仕事量との関係を示したグラフであるが、ブレーキ寿命の消費率を算出することにより、正確に電磁ブレーキ６の交換時期を管理することができるので、生産性の維持や、保守費用および作業時間の低減に効果がある。また、このブレーキ寿命の消費率を出力表示部１０で表示させることにより、電磁ブレーキ６の劣化の進行状況が作業者等に把握できるようになる。

なお、判定部１２では、電磁ブレーキ６の総仕事量Ｊが予め設定したブレーキ寿命に関する規定値Ｆを超えた場合に電磁ブレーキ６の寿命がきたものと判断するようにしてもよい。ここで、予め設定したブレーキ寿命に関する規定値Ｆは、例えば電磁ブレーキ６の仕様書などに記載されているブレーキ寿命に関する許容総仕事量を利用すればよい。この場合の処理は図４に示すフローチャートのようになる。すなわち、ステップ２１では、判定部１２はメモリ部９に記録された電磁ブレーキ６の総仕事量Ｊを読み込む。ステップ２２では、判定部１２は前記ステップ２１で読み込んだ電磁ブレーキ６の総仕事量Ｊが予め設定したブレーキ寿命に関する規定値Ｆを超えたか否かを比較する。ここで、前記ステップ２１で読み込んだ電磁ブレーキ６の総仕事量Ｊが予め設定したブレーキ寿命に関する規定値Ｆを超えた場合には（ステップ２２Ｙｅｓ）、判定部１２は電磁ブレーキ６の交換が必要であるものと判断する。そして、ステップ２３において、出力表示部１０は電磁ブレーキ６の交換時期であることを表示する。ステップ２４では、電磁ブレーキ６の交換後にメモリ部９に記憶された電磁ブレーキ６の総仕事量Ｊをリセットする。

ところで、電磁ブレーキの仕事量に関する異常については、前述したような総仕事量に起因するものだけではなく、電磁ブレーキの使用１回当たりの仕事量に起因するものもある。そこで、判定部１２では、前述した総仕事量に起因する処理に加えて、非常停止信号毎に算出された電磁ブレーキ６の仕事量が、仕様書などにおいて予め規定されている電磁ブレーキの１回当たりの許容仕事量を超えた場合にも、電磁ブレーキ６の異常を判断するようにしてもよい。

なお、この場合の処理は図５に示すフローチャートのようになる。すなわち、ステップ３１では、判定部１２は仕事量演算部８にて算出された非常停止指令のオン毎における電磁ブレーキ６の仕事量Ｊ_ｉを読み込む。ステップ３２では、判定部１２は前記ステップ３１で読み込んだ電磁ブレーキ６の仕事量Ｊ_ｉが予め規定されている電磁ブレーキの１回当たりの許容仕事量Ｆを超えたか否かを比較する。ここで、前記ステップ３１で読み込んだ電磁ブレーキ６の仕事量Ｊ_ｉが予め規定されている電磁ブレーキの１回当たりの許容仕事量Ｆを超えた場合には（ステップ３２Ｙｅｓ）、判定部１２は電磁ブレーキ６の異常であると判断する。そして、ステップ３３において、出力表示部１０は電磁ブレーキ６の異常を表示する。なお、前述した許容仕事量Ｆは、非常停止信号発生時のサーボモータ５の角速度や回転角度およびサーボモータ５の負荷慣性モーメントによって変更するようにした方が、より精度良く異常を検出することができる。

以上のように、本実施形態によれば、電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械において、電磁ブレーキの総仕事量に基づいて電磁ブレーキの劣化や寿命の到来を監視することができるので、作業者は、その監視状態から電磁ブレーキの交換時期がわかるようになる。これにより、サーボモータにより駆動される負荷や装置において、電磁ブレーキの寿命の到来に起因する、重力による落下（惰走）を未然に防止することができるようになる。また、電磁ブレーキの交換時期がわかることにより、保全費用の削減や作業時間の低減に効果がある。さらには、電磁ブレーキの劣化の状況を監視することにより、電磁ブレーキの交換を機械の非稼働時等の適切な時期にできるため、機械の稼働率の向上に効果がある。

本発明の一実施形態に係る寿命監視装置１３を含む、サーボモータ５を駆動するサーボ制御系を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る寿命監視装置１３にて行われる処理について示すフローチャートである。非常停止の作動回数と電磁ブレーキ６の総仕事量との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る寿命監視装置１３にて行われる判定処理の一例を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る寿命監視装置１３にて行われる判定処理の他の例を示すフローチャートである。

符号の説明

５サーボモータ
６電磁ブレーキ
８仕事量演算部
１０出力表示部
１２判定部
１３寿命監視装置

Claims

電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視方法において、
前記機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、
これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、
該電磁ブレーキの仕事量を前記機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出し、
該電磁ブレーキの総仕事量に基づいて電磁ブレーキの寿命を監視するようにしたことを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視方法。
電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視方法において、
前記機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、
これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、
該電磁ブレーキの仕事量を前記機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出し、
該電磁ブレーキの総仕事量が予め設定したブレーキ寿命に関する規定値を超えた場合に電磁ブレーキの寿命がきたものと判断するようにしたことを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視方法。
電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視方法において、
前記機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、
これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、
該電磁ブレーキの仕事量を前記機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出し、
該電磁ブレーキの総仕事量を予め設定したブレーキ寿命に関する規定値で除算することにより電磁ブレーキの消費率を算出し、
該電磁ブレーキの消費率に基づいて電磁ブレーキの劣化の度合いを判断するようにしたことを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視方法。
電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視装置において、
前記機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、該仕事量を前記機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出する仕事量演算部と、
前記電磁ブレーキの総仕事量と予め設定したブレーキ寿命に関する規定値とを比較することにより電磁ブレーキの寿命を判断する判定部と、
を有することを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視装置。
電磁ブレーキを有するサーボモータを駆動源とした機械におけるサーボモータのブレーキ寿命監視装置において、
前記機械が非常停止した場合について、非常停止信号発生時におけるサーボモータの回転角度および角速度と、サーボモータの実際の停止時におけるサーボモータの回転角度とをそれぞれ検出し、これら検出した値に基づいて電磁ブレーキの仕事量を算出し、該仕事量を前記機械が非常停止する毎に積和することにより電磁ブレーキの総仕事量を算出する仕事量演算部と、
前記電磁ブレーキの総仕事量を予め設定したブレーキ寿命に関する規定値で除算することにより電磁ブレーキの消費率を算出し、該消費率に基づいて電磁ブレーキの劣化の度合いを判断する判定部と、
前記電磁ブレーキの消費率を表示する出力表示部と、
を有することを特徴とするサーボモータのブレーキ寿命監視装置。