JP2015103074A - ブレーキ落下量を低減する機能を備えたサーボ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】工作機械や産業機械等の機械が有する重力軸のブレーキ時の落下量を低減する機能を備えたサーボ制御装置の提供。【解決手段】サーボ制御装置20は、機械22が有する重力軸4を駆動するサーボモータ24の制御を行うように構成されており、重力軸4を保持(停止)させるためのメカニカルブレーキ2に対し、ブレーキ作動信号及びブレーキ解除信号を出力可能に構成されたブレーキ信号出力部26と、サーボモータ24の位置制御のためのトルク指令値を作成するトルク指令作成部28と、該トルク指令値を制限するためのトルク制限値を作成するトルク制限値作成部30と、を備え、トルク制限値作成部30は、ブレーキ信号出力部26がブレーキ作動信号を出力した後に、該トルク制限値を、重力相当のトルクよりも大きい第1の値から、重力相当のトルクよりも小さい第2の値に連続的に減少させる。【選択図】図4
Description
本発明は、重力軸のブレーキ時の落下量を低減する機能を備えたサーボ制御装置に関する。
工作機械や産業機械の送り軸等をサーボモータで駆動する構成において、サーボモータにより駆動される軸が外力、特に重力が作用する軸(以下、重力軸と称する)である場合、該サーボモータへの動力が遮断されて重力軸が非制御状態となると、該重力軸は重力により落下することになる。
重力軸の落下に関連する技術として、例えば特許文献1には、サーボモータにより駆動される機械が非常停止時や停電時にあるときに、該機械の重力軸を所定量だけ上昇させる指令を出力し、かつ、ブレーキ装置によって該重力軸にブレーキをかける指令を出力するように構成されたサーボモータの制御装置が記載されている。
また特許文献2には、クレーン車両等の旋回式作業機械において、複数の歯車を介して電動機によって負荷軸を駆動する場合に、歯車同士のバックラッシによる影響を低減するために、該電動機の減速時や反転時に、一方の歯車がバックラッシ幅に相当する距離を移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、該電動機の出力トルクを制限するサーボ制御システムが記載されている。
特許文献1に記載の発明の主たる目的は、重力軸にブレーキをかけたときの該重力軸の落下を防止することである、とされている。しかし特許文献1では、ブレーキ時にモータの制御による停止からメカニカルブレーキによる停止へ切り換えるときに、重力軸の落下量より大きい量だけ重力軸を予め上昇させてからメカブレーキが作動する。従って特許文献1では、重力軸の落下量自体は低減されない。
一方、特許文献2に記載の発明は、バックラッシに起因する振動、騒音、機械寿命の低下を抑えることを目的としており、重力軸の落下量の低減を企図したものではない。また特許文献2には、第2の歯車がバックラッシ幅に相当する距離だけ移動する際の所要時間が経過するまで電動機のトルクを制限する旨の記載はあるが、該トルクを具体的にどのように値に制限するかは言及されていない。
そこで本発明は、工作機械や産業機械等の機械が有する重力軸のブレーキ時の落下量を低減する機能を備えたサーボ制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本願第1の発明は、工作機械又は産業機械の重力軸を駆動するサーボモータの制御を行うサーボ制御装置であって、前記重力軸を保持するための、バックラッシを有するメカニカルブレーキに対し、ブレーキ作動信号及びブレーキ解除信号を出力可能に構成されたブレーキ信号出力部と、前記サーボモータの位置制御のためのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、前記トルク指令作成部が作成したトルク指令値を制限するためのトルク制限値を作成するトルク制限値作成部と、を備え、前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力した後に、前記トルク制限値を、重力相当のトルクよりも大きい第1の値から、重力相当のトルクよりも小さい第2の値に連続的に減少させることを特徴とする、サーボ制御装置を提供する。
第2の発明は、第1の発明において、前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力してから前記メカニカルブレーキが作動するまで待機した後に、前記トルク制限値を減少させる、サーボ制御装置を提供する。
第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記第2の値はゼロである、サーボ制御装置を提供する。
第4の発明は、第1〜第3のいずれか1つの発明において、前記第1の値は、前記トルク制限値が減少を開始する直前のトルク指令値である、サーボ制御装置を提供する。
本発明によれば、ブレーキ時の重力軸の落下速度を低下させることによって、該重力軸とメカニカルブレーキとの衝突により生じる振動や騒音が抑制されるとともに、該重力軸の落下量を低減させ、該重力軸を含む工作機械や産業機械の動作精度を向上させることができる。
図1は、本発明が適用可能な、バックラッシを有する一般的なメカニカル(機械式)ブレーキの概略構造を示す図である。メカニカルブレーキ2は、工作機械又は産業機械の送り軸等の、図示しないサーボモータによって駆動される軸(シャフト)4と一体的に回転可能な摩擦板6と、摩擦板6に接離可能に構成されたブレーキパッド8とを有し、ブレーキパッド8が摩擦板6を挟むことにより、摩擦板6に所定の保持力が作用するようになっている。一方、シャフト4と摩擦板6とは、破線10で囲まれた拡大部分に示すように、例えば凹凸構造によって互いに係合しているので、摩擦板6が停止すればシャフト4も停止する。但し、シャフト4と摩擦板6との間(図示例のような凹凸構造)には構造上、所定のバックラッシ12が存在する。また、シャフト4と摩擦板6との間のバックラッシ12の他に、ブレーキパッド8とブレーキパッド8の固定具(図示せず)との間にバックラッシが存在する場合がある。
図2(a)〜(d)は、図1のメカニカルブレーキ2のバックラッシ部分でのシャフト4及び摩擦板6の従来の挙動を説明しており、図3は、図2の動作におけるサーボモータのトルク、並びにシャフトの速度及び位置の時間変化を示すグラフである。シャフト4は、重力が作用する重力軸であり、その停止動作を行う際は、サーボモータのトルクによる停止(サーボ制御による停止)からメカニカルブレーキ2による停止に切り換えられる。具体的には、先ず図2(a)及び図3の(a)部に示すように、シャフト4を駆動するサーボモータがサーボ制御によって停止しているときは、シャフト4はサーボモータの保持トルクによって定位置に保持される一方、摩擦板6はバックラッシ12内の自由な位置にある。ここで、メカニカルブレーキ2を作動させる(ブレーキパッド8が摩擦板6を挟む)と、摩擦板6はその位置(バックラッシ内の自由な位置)でロックされることになる(図2(b)及び図3の(b)部)。
次に、シャフト4を停止させる手段をサーボモータからメカニカルブレーキ2に切り換えるために、サーボモータへの動力を遮断する(サーボ制御をオフにする)と、サーボモータのトルクが不連続に0になり、重力によりシャフト4がバックラッシ12内で下方に加速し、バックラッシ幅以内の距離(図3のL1)落下する(図2(c)及び図3の(c)部)。
ここで、例えば図2(c)に示すように、シャフト4の凸部14が摩擦板6のバックラッシ端(肩部)16に衝突することにより、摩擦板6がブレーキパッド8に対して下方に滑る(例えば図3のL2だけさらに落下する)ことがあり、これに伴ってシャフト4もさらに下方に落下する。このような挙動により、従来は、図2(d)及び図3の(d)部に示すように、ブレーキ時に重力軸が比較的大きな落下量を伴って停止し、該重力軸を含む工作機械や産業機械の精度悪化の要因となっていた。
そこで本発明に係るサーボ制御装置は、図4に示すような構成を有する。サーボ制御装置20は、工作機械又は産業機械等の機械22が有する送り軸等の、重力が作用する重力軸4を駆動するサーボモータ24の制御を行うように構成されており、重力軸4を保持(停止)させるためのメカニカルブレーキ2に対し、ブレーキ2を作動させるブレーキ作動信号及びブレーキ2を解除するブレーキ解除信号を出力可能に構成されたブレーキ信号出力部26と、サーボモータ24の位置制御のためのトルク指令値を作成するトルク指令作成部28と、トルク指令作成部28が作成したトルク指令値を制限するためのトルク制限値を作成するトルク制限値作成部30と、を備え、トルク制限値作成部30は、ブレーキ信号出力部26がブレーキ作動信号を出力した後に、トルク制限値を、重力相当のトルクよりも大きい第1の値から、重力相当のトルクよりも小さい第2の値に連続的に減少させる。
次に、図3に類似する図5を参照しつつ、本発明に係るサーボ制御装置20の作用について説明する。図2を用いて説明したように、シャフト4は、重力が作用する重力軸であり、その停止動作を行う際は、サーボモータのトルクによる停止(サーボ制御による停止)からメカニカルブレーキ2による停止に切り換えられる。具体的には、先ず図2(a)及び図5の(a)部に示すように、シャフト4を駆動するサーボモータ24がサーボ制御によって停止しているときは、シャフト4はサーボモータ24の保持トルクによって定位置に保持される一方、摩擦板6はバックラッシ12内の自由な位置にある。ここで、サーボ制御装置20のブレーキ信号出力部26からのブレーキ作動信号によって、メカニカルブレーキ2を作動させる(ブレーキパッド8が摩擦板6を挟む)と、摩擦板6はその位置(バックラッシ内の自由な位置)でロックされることになる(図2(b)及び図5の(b)部)。
次に、シャフト4を停止させる手段をサーボモータ24からメカニカルブレーキ2に切り換える際に、本発明では、サーボモータ24への動力を遮断する(サーボ制御をオフにする)のではなく、サーボ制御装置20のトルク制限値作成部30が、サーボモータ24のトルク指令値を制限するためのトルク制限値を、シャフト4に作用する重力相当のトルクよりも大きい第1の値から、該重力相当のトルクよりも小さい第2の値に、連続的に減少(単調減少)させる。
図5の例では、第1の値に相当するトルクは、ブレーキ2が作動していなくても重力相当のトルクによってシャフト4が落下しないトルク(保持トルク)であり、この第1の値からトルク制限値を徐々に減少させていくと、トルク制限値が重力相当のトルクを下回った瞬間(図5にて「落下開始」と表記)にシャフト4は落下を開始する。しかし、本発明では、サーボモータ24のトルクはその後も徐々に減少していくので、従来(図3の(c)部)のようにシャフト4の落下速度は急激には上昇せず、シャフト4は比較的低速でバックラッシ12内を移動することになる(図5の(c1)部)。
従って、本発明では、図2(d)に示したような摩擦板6の落下(スリップ)は発生せず、図2(c)に示した状態が維持される。つまり本発明では、重力軸4の落下速度(加速度)が従来よりも大幅に低減されるので、重力軸4が摩擦板6に接触しても、摩擦板6はブレーキパッド8に対してスリップするような衝撃を受けず、故に重力軸の落下量は、バックラッシ幅に相当する距離以内(L1)に限定される(図5の(c2)部)。従って本発明によれば、ブレーキ時の重力軸の落下に伴う振動や騒音が抑制されるとともに、該重力軸を含む工作機械や産業機械の動作精度が向上する。
なお本発明において、トルク制限値を第1の値から第2の値に減少させるまでの時間(すなわち図5における「トルク制限値の減少開始」から「サーボ制御オフ」までの時間)に特段の制約はないが、50ms〜500ms(ミリ秒)が好ましい。
トルク制限値作成部30は、ブレーキ信号出力部26がブレーキ作動信号を出力した直後にトルク制限値を減少させるのではなく、図5の(b)部に示すように、メカニカルブレーキ2が作動信号を受信してから実際に作動するまでの時間が経過してから、すなわちブレーキ信号出力部26がブレーキ作動信号を出力してからメカニカルブレーキ2が作動するまで待機した後に、トルク制限値を減少させることが好ましい。これにより、重力軸の落下量をより確実に低減することができる。
図5の(c2)部に示すように、重力相当のトルクよりも小さい第2の値は、ゼロとしてもよい。これにより、サーボモータ24のトルクが不連続に変化することを確実に防止することができる。但し、バックラッシ内での重力軸4の移動(落下)が終了した後(図5の(c2)部)は、第2の値がゼロとなる前にサーボ制御をオフにしてもよい。
また第1の値は、重力相当のトルクより大きい値であればどのような値でもよいが、トルク制限値が減少を開始する直前のトルク指令値(図5の例では保持トルク)としてもよい。これにより、重力軸4の挙動をより円滑にすることができる。
2 メカニカルブレーキ
4 重力軸
6 摩擦板
8 ブレーキパッド
12 バックラッシ
20 サーボ制御装置
22 機械
24 サーボモータ
26 ブレーキ信号出力部
28 トルク指令作成部
30 トルク制限値作成部
4 重力軸
6 摩擦板
8 ブレーキパッド
12 バックラッシ
20 サーボ制御装置
22 機械
24 サーボモータ
26 ブレーキ信号出力部
28 トルク指令作成部
30 トルク制限値作成部
Claims (4)
- 工作機械又は産業機械の重力軸を駆動するサーボモータの制御を行うサーボ制御装置であって、
前記重力軸を保持するための、バックラッシを有するメカニカルブレーキに対し、ブレーキ作動信号及びブレーキ解除信号を出力可能に構成されたブレーキ信号出力部と、
前記サーボモータの位置制御のためのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
前記トルク指令作成部が作成したトルク指令値を制限するためのトルク制限値を作成するトルク制限値作成部と、を備え、
前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力した後に、前記トルク制限値を、重力相当のトルクよりも大きい第1の値から、重力相当のトルクよりも小さい第2の値に連続的に減少させることを特徴とする、サーボ制御装置。 - 前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力してから前記メカニカルブレーキが作動するまで待機した後に、前記トルク制限値を減少させる、請求項1に記載のサーボ制御装置。
- 前記第2の値はゼロである、請求項1又は2に記載のサーボ制御装置。
- 前記第1の値は、前記トルク制限値が減少を開始する直前のトルク指令値である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のサーボ制御装置。
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