JP2007192785A - Motor-driven servo cylinder with absolute position detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は空圧シリンダに換わってその駆動エネルギ消費を大幅に削減し、かつ、多点停止、移動中速度可変等の制御性を著しく改善した電動サーボシリンダに関する。 The present invention relates to an electric servo cylinder that replaces a pneumatic cylinder and greatly reduces the drive energy consumption and significantly improves controllability such as multipoint stop and variable speed during movement.
作業開始時または停電後の再スタート時に原点復帰動作を必要としない絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダはその利便性の点から強い需要がある。 There is a strong demand for an electric servo cylinder with an absolute position detection device that does not require an origin return operation when starting work or restarting after a power failure because of its convenience.
インクリメンタルエンコーダの出力とインクリメンタルエンコーダによって移動量が検出される移動体の移動方向とに基づいて移動体の絶対位置データを求める従来の絶対位置検出装置では、電源の停電または事故等で主電源からの給電が停止された場合でも絶対位置データを維持できるようにするためにバックアップ電源を備えている。バックアップ電源はバッテリから構成されるため停電や事故の復旧が遅れるとバックアップ電源の出力電圧が低下して電源バックアップをすることができなくなる。そこで、電源が主電源からバックアップ電源に変更された時に絶対位置検出装置内部の電子回路をチョッパー動作させることによりバックアップ時の消費電力を低下させることが従来行われている。 In a conventional absolute position detection device that obtains absolute position data of a moving body based on the output of an incremental encoder and the moving direction of the moving body whose amount of movement is detected by the incremental encoder, the power supply from the main power supply is disconnected due to a power failure or accident. A backup power supply is provided so that the absolute position data can be maintained even when the power supply is stopped. Since the backup power source is composed of a battery, if the recovery from a power failure or accident is delayed, the output voltage of the backup power source is lowered and the power source cannot be backed up. Therefore, it has been conventionally practiced to reduce power consumption during backup by choppering an electronic circuit inside the absolute position detection device when the power source is changed from the main power source to the backup power source.
上記のような従来の手段では構成の複雑なチョッパー回路を必要とする上に回路部品点数が多くなる。また、バッテリとチョッパー回路の組み合わせではバックアップ時間の増加は期待出来るものの、有限の容量を持ったバッテリの時間限界とその寿命に基づく交換作業は避けられないという不都合な点を持っている。 The conventional means as described above requires a chopper circuit having a complicated structure and increases the number of circuit components. Although the combination of the battery and the chopper circuit can be expected to increase the backup time, it has the disadvantage that replacement work based on the time limit of the battery having a finite capacity and its life is inevitable.
本発明は上記課題を解決するために移動体の移動量を検出するインクリメンタルエンコーダと、移動体の移動方向とインクリメンタルエンコーダから出力されるパルス信号とから絶対位置データを求めるカウンタ回路と、主電源からの電力の供給が停止されている期間のバックアップに用いられるバックアップ用電源と、主電源からの電力の供給が停止されると電源をバックアップ電源に切り換える電源コントロール回路とを具備してなる絶対位置検出装置を備えた絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダを改良の対象とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an incremental encoder that detects the amount of movement of a moving body, a counter circuit that obtains absolute position data from the moving direction of the moving body and a pulse signal output from the incremental encoder, and a main power source. Absolute position detection comprising a backup power source used for backup during a period when the power supply of the power supply is stopped and a power supply control circuit that switches the power supply to the backup power supply when the power supply from the main power supply is stopped An electric servo cylinder with an absolute position detection device provided with a device is an object of improvement.
請求項1の発明では、主電源からの電力の供給が停止された後に、サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキが作動して、サーボモータの回転を完全に停止させる。完全停止を確認判定後に判定手段からの指令に基づき、カウンタ回路から最終カウント値を記憶手段が記憶し、
保持する。In the first aspect of the invention, after the supply of power from the main power supply is stopped, the servo motor output shaft forced stop electromagnetic brake is operated to completely stop the rotation of the servo motor. Based on the command from the determination means after confirming the complete stop, the storage means stores the final count value from the counter circuit,
Hold.
次に、主電源から電力が供給されると、記憶手段に記憶させた最終カウント値をセット手段によりカウンタ回路にセットする。その後、電磁ブレーキを開放する。また、電源コントロール回路は記憶手段が前記最終カウント値を記憶した後にバックアップ用電源からの電力の供給を停止するように構成する。 Next, when power is supplied from the main power supply, the final count value stored in the storage means is set in the counter circuit by the setting means. Thereafter, the electromagnetic brake is released. The power supply control circuit is configured to stop the supply of power from the backup power supply after the storage means stores the final count value.
請求項2では主電源OFE後強制停止ブレーキを用いる代わりにサーボシリンダ部の回転−直動変換機構に台形ネジを用いることによってネジ機構が本来的に有している摩擦力をブレーキ機能として用い、サーボ軸が完全停止後は請求項1の動作と全く同様な動作を行う構成となっている。 In
請求項3では、本発明の特長である、主電源OFF時のバックアップ電源の電力消費が著しく少ないことから、通常のバッテリを使用する必要はなく、再充電特性に特に優れた電気二重層
コンデンサを使用することが可能となり、バッテリ交換の作業を取り除くことが可能となる。In
本発明の絶対位置検出装置によれば主電源からの給電停止後に自動的にサーボモータ出力軸は強制的に回転軸が停止されカウンタ回路が最終カウント値を計数し、最終カウント値を記憶手段に記憶し、電力の供給がない状態でも記憶値を保持し、主電源からの供給が再開されると、記憶した最終カウント値をセット手段によりカウンタ回路にセットするようにしたので主電源が復旧すると、停止時の状態から継続して支障なく絶対位置検出動作を再開することが出来る。また、本発明では電源コントロール回路は記憶手段が最終カウント値を記憶するとバックアップ電源からの給電を停止させるのでバックアップ用電源からの給電を短時間として、消費電力を著しく低減することが出来る。この低消費電力特性によって、バックアップ用電源として使用されていた通常のバッテリを使用する代わりに再充電特性に優れた電気二重層コンデンサの使用が可能となり、バッテリの交換作業を取り除くことが可能となる。 According to the absolute position detection apparatus of the present invention, after the power supply from the main power supply is stopped, the servo motor output shaft is automatically forced to stop the rotation shaft, the counter circuit counts the final count value, and the final count value is stored in the storage means. Stores the stored value even when there is no power supply, and when the supply from the main power supply is resumed, the stored final count value is set in the counter circuit by the setting means, so that the main power supply is restored The absolute position detection operation can be resumed without any trouble from the stop state. In the present invention, since the power supply control circuit stops the power supply from the backup power supply when the storage means stores the final count value, the power supply from the backup power supply can be shortened and the power consumption can be significantly reduced. This low power consumption characteristic makes it possible to use an electric double layer capacitor with excellent recharging characteristics instead of using a normal battery that has been used as a backup power supply, thus eliminating the need for battery replacement work. .
以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施例の構成を示したもので、同図の1はインクリメンタルエンコーダ、2はカウンタ回路、3は電源コントロール回路、4aは主電源からの電力の供給が停止された後に、カウンタ回路2が最終カウント値を計数したか否かを判定する判定手段として用いられる変移量検出回路または速度ゼロ検出回路、5は記憶回路、6はセット手段、7はブレーキ回路、8はサーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ、9はサーボアンプ、10はサーボアンプ9内のモータ巻線励磁位相決定回路、11はサーボモータの回転動作を直動動作に変換する機能を有するシリンダであり12はサーボモータである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is an incremental encoder, 2 is a counter circuit, 3 is a power supply control circuit, and 4a is after the supply of power from the main power supply is stopped. , A shift amount detection circuit or a speed zero detection circuit used as a determination means for determining whether or not the
インクリメンタルエンコーダ1は回転型またはリニア型のいずれでも良く移動体の移動量を検出して、位相の90度ずれたAチャンネル信号とBチヤンネル信号を出力する。カウンタ回路2はアップダウンカウンタからなり、移動体の移動方向とインクリメンタルエンコーダ1から出力される90度位相の異なるAチャンネル、Bチャンネルのパルス信号から絶対位置データを算出する。電源コントロール回路3には、主電源とバッテリからなるバックアップ用電源の出力とが入力されていて、主電源からの電力の供給が停止されると電源をバックアップ用電源に切り換える。
主電源がOFFになるとブレーキ回路7よりブレーキ保持信号が出力され、サーボモータ12の回転を強制的に停止するようにブレーキ8が動作する。サーボモータ12が回転停止すると、エンコーダ1からのパルス信号の出力が停止するので、カウンタ回路2の計数値の変化が不変になる。変化量検出回路即ち速度ゼロ検出回路4aは、主電源からの電力の供給が停止された後に、カウンタ回路2が最終カウント値を計数したか否かを、所定時間内におけるカウント値の変化量を検出して変化量がゼロであれば、その時の値が最終カウント値であると判断する。The incremental encoder 1 may be either a rotary type or a linear type, detects the amount of movement of the moving body, and outputs an A channel signal and a B channel signal that are 90 degrees out of phase. The
When the main power is turned off, a brake holding signal is output from the brake circuit 7, and the brake 8 operates so as to forcibly stop the rotation of the
記憶回路5は、速度ゼロ検出回路4からの指令に応じて前記の最終カウント値を記憶し、電力の供給がない状態でも記憶値を保持する。このような電力の供給がない状態でも記憶値を保持する事が出来る記憶回路5の記憶手段としてはEEPROMを用いることが出来る。 The storage circuit 5 stores the final count value in response to a command from the zero speed detection circuit 4, and holds the stored value even when no power is supplied. An EEPROM can be used as the storage means of the storage circuit 5 that can hold the stored value even when such power is not supplied.
電源コントロール回路3は記憶回路5が最終カウント値を記憶した後にバックアップ用電源からの電力の供給を停止するように動作する。具体的には速度ゼロ検出回路4が所定時間内におけるカウント値の変化速度または変化量がゼロになった事を検出して、記憶回路5が最終カウント値の記憶を完了した後に、バックアップ用電源からの電力の供給を停止するように、電源コントロール回路3が構成されている。図2は電源コントロール回路3の構成の一例をしめしたもので、3aはスイッチングレギュレータ(SWレギュレータ)、3bはリレー、3c,3dはダイオード、3eはレギュレータである。同図において、主電源13がON状態の場合即ち主電源13から電力の供給がある場合には、スイッチングレギュレータ3aからの出力を受けた判定手段4(図1の実施例では速度ゼロ検出回路4a)の出力で、リレー3bはOFF状態(開状態)になっている。この時スイッチングレギュレータ3aは、主電源13からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力はダイオード3cを通してレギュレータ3eに入力され、レギュレータ3eからエンコーダ1及び制御回路へと供給される。主電源13がOFF状態(主電源からの電力の供給が停止された状態)になると、スイッチングレギュレータ3aの出力が無くなって判定手段4が判定動作を開始すると同時にリレー3bがON状態(閉状態)となり、瞬時にバックアップ用電源14の出力がダイオード3dを通してレギュレータ3eに供給され、レギュレータ3eからエンコーダ1及びその制御回路へ給電は続けられる。その後、判定手段4が判定動作を完了して、記憶回路5が最終カウント値を記憶すると、判定手段4からの出力でリレー3bはOFF状態となり、バックアップ用電源14からの給電が停止される。判定手段4が記憶回路5に最終カウント値を記憶させた後に、リレー3bがOFF状態となるようにするためには、リレー3bに遅延回路またはタイマー回路を内蔵させればよい。図2の例では、スイッチングレギュレータ3aからの出力で判定手段4が判定動作を開始すると同時にリレー3bが動作するように構成されているが、リレー3bの構造を主電源13からの電力の供給の有無を直接検出して、主電源13の電力の供給がなくなると直接ON状態になる構造としてもよい。 The power
図1に戻って、主電源13からの電力供給が再開されると、セット手段6が動作して、記憶回路5に記憶させた最終カウント値をカウンタ回路2にセットする。セット手段6は、主電源13から電力が供給されたときにセット動作を行うように構成されている。これにより、主電源の復旧後、カウンタ回路2は主電源の停止時に検出した移動体の絶対位置データから継続して、支障なく絶対位置検出データの出力を再開する。上述のように、電源コントロール回路3は記憶回路5が最終カウント値を記憶するとバックアップ用電源からの電力の供給を停止するように動作するので、バックアップ用電源の電力消費を大幅に軽減することができる。特に、本実施例においては、サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ8と判定手段として速度ゼロ検出回路4aを用いているために、最も短い時間で最終カウント値を記憶回路5に記憶させる事ができ、バックアップ用電源の電力消費を最小に抑えることが可能になる。また、サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ8を使用しているために、主電源の供給が停止されている際に、外部よりシリンダ軸を動かすような外乱に対しても、サーボ軸は動く事がなく絶対位置データは正しく保存される。さらに、上述したように、バッテリバックアップ時間が著しく短時間(最大でも1秒程度)であるために、バックアップ用電源を構成する手段は一般のバッテリの必要はなく、電気二重層コンデンサ等を用いて構成することが可能となり、バッテリ寿命交換の手間が省けることになる。 Returning to FIG. 1, when the power supply from the main power supply 13 is resumed, the setting means 6 operates to set the final count value stored in the storage circuit 5 in the
このように構成され、動作する絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダにおいては一般のブラシレスサーボモータが有する、モータ巻線励磁位相決定前の初動時の発生トルクが低下する制約が存在しなくなる性能が得られることになる。以下その理由について説明する。実施例の図1において、カウンタ回路2は主電源の有る無しに関わらず常にサーボモータ回転軸の絶対位置データが保存されている。この絶対位置データをサーボアンプ9内のモータ巻線励磁位相決定回路10に導くことにより、どのような場合でも最適な励磁位相を決定できることが可能になる。
もちろん、ブラシレスサーボモータと絶対位置検出装置とサーボアンプを最初に組み合わせるシステム製造段階では、3者の組み合わせ調整が必要であることは自明の理である。この組み合わせが一度実行された後に上記の効果が出てくることになる。In an electric servo cylinder with an absolute position detection device configured and operated in this way, a general brushless servomotor has the performance that there is no restriction that the torque generated at the initial operation before the motor winding excitation phase determination is reduced. Will be. The reason will be described below. In FIG. 1 of the embodiment, the
Of course, it is self-evident that in the system manufacturing stage where the brushless servomotor, the absolute position detection device, and the servo amplifier are first combined, the combination adjustment of the three is necessary. The above-mentioned effect comes out after this combination is executed once.
図3は、図1の実施例をマイクロコンピュータを利用して実現する場合のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。このフローチャートの各ステップを説明すると、先ず、本実施例ではステップST1において主電源のOFFを検出し、主電源がOFFの場合はステップST2でバックアップ電源をONさせ、ステップST3で軸ブレーキを作動させる。そしてステップST4で速度ゼロ検出回路4aによりカウント値の変化速度がゼロか否かを検出する。速度ゼロが検出されると、ステップST5で記憶回路5にカウンタ回路2のカウント値を記憶させる。その後、ステップST6でバックアップ用電源をOFFにする。そしてステップST7で主電源がONになったら、ステップST8でセット手段6の作用によりカウンタ回路2に記憶されたカウント値をプリセットする。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of an algorithm for realizing the embodiment of FIG. 1 using a microcomputer. The steps of this flowchart will be described. First, in this embodiment, the main power supply OFF is detected in step ST1, and when the main power supply is OFF, the backup power supply is turned on in step ST2, and the shaft brake is operated in step ST3. . In step ST4, the zero speed detection circuit 4a detects whether the change speed of the count value is zero. When zero speed is detected, the count value of the
図4は、本発明の基本構成の一つである回転−直動変換機構に用いられる台形ネジ機構の断面図であり、図5は回転−直動変換機構を構成する場合に一般的に使用されるボールネジ機構の断面図を示している。図4の台形ネジ機構の断面図で、15はナットの断面であり、16はネジの断面である。台形ネジ機構を回転−直動変換機構として用いる場合には、ネジ16がサーボモータ12により回転駆動された際に、回転防止機構によりナット15は回転しないように組み付けされている。このことによって、ナット15はネジ16の回転軸に平行な直進運動を行うようになる。図5に示すボールネジ機構も同じく、ナット17の回転を止める機構により、ナット17の直進運動をおこなうことは台形ネジ機構の場合と同様である。同じ回転−直動変換機構である台形ネジ機構とボールネジ機構の相違点は両方式の動力伝達方式にある。台形ネジ機構は図4の断面図より回転するネジ16と回転防止機構が設けられているナット15の間の面の摩擦力を介して回転軸に平行な直進力に変換される機構であり、図5のボールネジ機構の場合はネジ19とナット17間に挿入されているボール18の転がり摩擦を介して、回転力が直進力に変換される。従って両方式の摩擦力を比較した場合、当然、台形ネジ機構方式の方が摩擦力は大きくなる。一般には摩擦力が大きいということは、効率が悪いとして敬遠される傾向にあるが、シリンダ用途に使用した場合には、台形ネジ機構15,16のこのマイナス面をプラス面に変える事が可能である。なぜならば、摩擦力が大きいことがセルフロック機能(ナット15に加えられるシリンダ外部からの外乱的な直進力によりネジ16が逆回転させられる動作を防止する機能)を本来的に有し、また、接触面を介しての動力の伝達方式であることから耐衝撃性能がボール18を介しての点接触で動力伝達を行うボールネジ機構方式より飛躍的に優れている。本発明においてはこのセルフロック機能を極めて有効に活用することによって、外部ブレーキを使用しないでサーボモータ軸を停止させ、その状態を保持させることが可能である。逆に、ボールネジ機構を使用する場合は外部に軸停止用ブレーキを用いることは図1に示すようにセルフロック機能を持たないために必要なことである。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a trapezoidal screw mechanism used in a rotation-linear motion conversion mechanism, which is one of the basic configurations of the present invention, and FIG. 5 is generally used when configuring a rotation-linear motion conversion mechanism. Sectional drawing of the ball screw mechanism used is shown. FIG. 5 is a cross-sectional view of the trapezoidal screw mechanism of FIG. 4, wherein 15 is a nut cross-section and 16 is a screw cross-section. When the trapezoidal screw mechanism is used as the rotation-linear motion conversion mechanism, the
図6はバックアップ用電源に電気二重層コンデンサを用いた場合のブロック図である。本発明は上述のごとく、主電源13がOFFすると、直ちに、バックアップ用電源(電気二重層コンデンサ)20に切り換る。バックアップ電源20からの電力の供給はサーボモータの回転軸がサーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ8または台形ネジ機構のセルフロック機能により極めて短い時間である。従って、この期間に消費される電力も極めて微小な電力である。消費電力が極めて小であることから、このバックアップ用電源には通常のバッテリではなく、近年その性能改善が著しく進んだ電気二重層コンデンサを使用することが可能となる。また、電気二重層コンデンサは原理的に無限回数の再充電特性を有しているために、充電回数の制約がある一般のバッテリを使用した場合とは違って、寿命による交換が不要となり、装置のメンテナンス性能が著しく改善される。スイッチングレギュレータ3aから電気二重層コンデンサ20に接続されている配線は主電源がON時に電気二重層コンデンサを再充電するための回路である。 FIG. 6 is a block diagram when an electric double layer capacitor is used as a backup power source. As described above, the present invention immediately switches to the backup power source (electric double layer capacitor) 20 when the main power source 13 is turned off. The power supply from the
絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダは多軸使用のシステムにおいてその特長を発揮する。即ち、多軸ロボット等のアプリケーションにおいて瞬時停電が発生した場合、作業途中でロボットが瞬間停止をする例は生産工場においては度々見かける現象である。このような場合にインクリメンタルエンコーダを使用しているロボットシステムでは電源復旧時に、瞬時停電前に行っていた作業を中断し、全てのロボット軸を一度、原点復帰させてから作業に戻る必要が有る。使用するロボットの台数が多い生産工場においては、この原点復帰作業に要する時間損失は耐えられないものである。然るに、絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダを用いたロボットシステムを採用していた場合には、電源復旧時、瞬時停電で停止していた場所から原点復帰動作を行うことなく中断していた作業を継続再開することが可能である。本発明はかかる利便性の高い絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダの一定時間稼動後のバッテリ交換作業を不要とし、さらに、機械構造と電気回路を簡単にし、且つ、安価に供給することを可能としたものであり、その産業界に於ける効果は計り知れないものがある。 The electric servo cylinder with absolute position detection device demonstrates its features in a multi-axis system. That is, when an instantaneous power failure occurs in an application such as a multi-axis robot, an example in which the robot stops instantaneously during work is a phenomenon often seen in production factories. In such a case, in the robot system using the incremental encoder, when the power is restored, it is necessary to interrupt the work performed before the momentary power failure, return all the robot axes to the origin once, and then return to the work. In a production factory with a large number of robots to be used, the time loss required for the return to origin operation cannot be tolerated. However, if a robot system using an electric servo cylinder with an absolute position detection device was used, when the power was restored, the work that was interrupted without performing the return to origin operation from the place where it was stopped due to an instantaneous power failure. It is possible to continue to resume. The present invention eliminates the need to replace the battery after operating the electric servo cylinder with a highly convenient absolute position detecting device for a certain period of time, and further simplifies the mechanical structure and the electric circuit and allows it to be supplied at low cost. The effects in the industry are immeasurable.
1 インクリメンタルエンコーダ
2 カウンタ回路
3 電源コントロール回路
3a スイッチング(SW)レギュレータ
3b リレー
3c ダイオード
3d ダイオード
3e レギュレータ
4a は速度ゼロ検出回路
4 判定手段
5 記憶回路
6 セット手段
7 ブレーキ回路
8 サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ
9 サーボアンプ
10 サーボアンプ9内のモータ巻線励磁位相決定回路
11 シリンダ(回転−直動変換機構部)
12 サーボモータ
13 主電源
14 バックアップ電源
15 台形ネジ機構のナット
16 台形ネジ機構のネジ
17 ボールネジ機構のナット
18 ボールネジ機構のボール
19 ボールネジ機構のネジ
20 電気二重層コンデンサDESCRIPTION OF SYMBOLS 1
12 Servo Motor 13 Main Power Supply 14
Claims (3)
サーボシリンダで、絶対位置検出装置はインクリメンタルエンコーダと絶対位置計測用カウンタ回路とバックアップ電源と電源コントロール回路とサーボモータ軸用ブレーキ回路とからなり、主電源OFF後サーボモータ軸用ブレーキを作動させる装置とサーボモータ軸完全停止後の最終カウント値を記憶し、主電源の電力供給がない場合でもその値を保持する回路とブラシレスサーボアンプ内の巻線励磁位相を保全する回路とカウント値をカウンタにセットする回路と、前記カウント値からブラシレスサーボアンプ内の巻線励磁位相を決定する回路手段とカウンタセット完了後サーボモータ軸用ブレーキを開放する装置とを具備したことを特長とする絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダ。An electric servo cylinder with an absolute position detection device composed of an absolute position detection device and an electric servo cylinder. The absolute position detection device includes an incremental encoder, an absolute position measurement counter circuit, a backup power supply, a power supply control circuit, and a servo motor shaft brake circuit. A device that activates the servo motor shaft brake after the main power supply is turned off, and a circuit that stores the final count value after the servo motor shaft complete stop, and retains that value even when the main power supply is not supplied, and a brushless servo amplifier A circuit for maintaining the winding excitation phase in the circuit, a circuit for setting the count value in the counter, a circuit means for determining the winding excitation phase in the brushless servo amplifier from the count value, and a servo motor shaft brake after the counter setting is completed. Absolute position detection characterized by having an opening device Device with electric cylinder.
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