JP2016093040A - 過大負荷を検出するモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過大な負荷トルクが継続的に生じた場合にのみ、モータを停止させる。
【解決手段】モータ制御装置（２０）は、モータ（１１）に掛かる負荷トルクを推定する負荷トルク推定部（２１）と、負荷トルクと基準トルクとを比較するトルク比較部（２２）と、負荷トルクが基準トルクを上回っている経過時間を計測する時間計測部（２３）と、経過時間と基準時間とを比較する時間比較部（２４）と、経過時間が基準時間を越えている場合にモータに過大な負荷が掛かっていると判定する判定部（２７）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに過大負荷が掛かっていることを検出するモータ制御装置に関する。

工作機械の切削工具を駆動させる主軸に過大な負荷が継続的に掛かると、主軸が破損する場合がある。このため、従来技術においては、主軸を回転させるモータに掛かる負荷トルクを監視する場合がある。そして、負荷トルクが基準値を超えた場合には、モータを停止させ、主軸が破損するのを防止している。

特許文献１においても、外乱推定オブザーバから推定外乱トルクを求め、推定外乱トルクが基準値を超えた場合にアラームを出力している。また、特許文献２においては、検出された負荷トルクが所定の上限値または下限値を超えた場合に、アラームを出力してモータを停止させている。

特開平5-116094号公報 特開2003-80529号公報

ここで、切削工具がワークを切削開始するときには、主軸のモータに掛かる負荷トルクが瞬間的に上昇する。このような場合には、切削開始時の負荷トルクが前述した基準値を超えるので、モータが停止する事態になる。

しかしながら、切削開始時には負荷トルクが大きくなる場合が存在し、基準値を小さく設定しようとすると、それを超えてしまう場合がある。このような場合には、瞬間的に生じる過大な負荷は無視し、工作機械を継続して運転することが望まれる。

本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、過大な負荷が継続的に生じた場合にのみ、モータを停止させることのできるモータ制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、モータに流れる電流および該モータの速度に基づいて前記モータに掛かる負荷トルクを推定する負荷トルク推定部と、該負荷トルク推定部により推定された負荷トルクと基準トルクとを比較するトルク比較部と、前記負荷トルクが前記基準トルクを上回っている経過時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部により計測された経過時間と基準時間とを比較する時間比較部と、該時間比較部において前記経過時間が前記基準時間を越えている場合に前記モータに過大な負荷が掛かっていると判定する判定部と、を具備するモータ制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記モータが工作機械の主軸を駆動するモータである。
３番目の発明によれば、２番目の発明において、さらに、前記モータの状態を判定するモータ状態判定部と、該モータ状態判定部により判定された前記モータの状態に応じて前記基準時間を設定する設定部と、を具備する。
４番目の発明によれば、３番目の発明において、さらに、前記設定部は、前記工作機械が実施する加工の種類に応じて前記基準時間および前記基準トルクのうちの少なくとも一方を設定する。
５番目の発明によれば、３番目または４番目の発明において、さらに、前記設定部は、前記工作機械の主軸に備えられた工具の種類に応じて前記基準時間および前記基準トルクのうちの少なくとも一方を設定する。

１番目の発明においては、負荷トルクが基準トルクを上回っている時間が基準時間を越えた場合に、過大な負荷が継続的に発生していると判定している。このため過大な負荷が瞬間的にのみ生じた場合には、モータを継続して駆動させられる。
２番目の発明においては、工作機械の主軸と、主軸に備えられる工具、主軸で加工されるワークが破損するのを避けられる。
３番目の発明においては、モータの状態、つまりモータが加工中であるか否かに応じて基準時間を変更できる。過大な負荷トルクが瞬間的に発生した場合に、モータの状態に応じて適切な処置をとることができる。
４番目の発明においては、加工の種類に応じて基準時間および基準トルクを変更できるので、より適切な制御を行うことができる。
５番目の発明においては、工具の種類に応じて基準時間および基準トルクを変更できるので、より適切な制御を行うことができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

本発明に基づくモータ制御装置のブロック線図である。 本発明の第一の実施形態に基づくモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 負荷トルクおよびアラーム出力部のタイムチャートである。 本発明の第二の実施形態に基づくモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 基準トルクのマップを示す図である。 基準時間についての第一所定値のマップを示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づくモータ制御装置のブロック線図である。図１に示されるように、工作機械１０は、主軸１５に備えられた工具１２を駆動する主軸用モータ１１を有している。モータ１１によって工具１２が駆動されると、ワークが加工、例えば切削される。また、モータ１１には検出部１３が備えられている。この検出部１３は、モータ１１に流れる電流を検出する電流検出部と、モータ１１の回転数からその速度を算出する速度検出部としての役目を果たす。

また、モータ制御装置２０は、工作機械１０に接続されていて工作機械１０を制御するデジタルコンピュータである。図１に示されるように、モータ制御装置２０は、検出部１３により検出されたモータ１１に流れる電流およびモータ１１の速度に基づいてモータ１１に掛かる負荷トルクＴを推定する負荷トルク推定部２１を有している。なお、負荷トルクＴの推定については公知であるので詳細な説明を省略する。

さらに、モータ制御装置２０は、負荷トルク推定部２１により推定された負荷トルクＴと基準トルクＴ０とを比較するトルク比較部２２と、負荷トルクＴが基準トルクＴ０を上回っている経過時間Ｃを計測する時間計測部２３と、時間計測部２３により計測された経過時間Ｃと基準時間Ｃ０とを比較する時間比較部２４とを含んでいる。なお、基準トルクＴ０および基準時間Ｃ０は図示しないモータ制御装置２０の記憶部に記憶されているものとする。

図１に示されるように、モータ制御装置２０は、さらに、時間比較部２４において経過時間Ｃが基準時間Ｃ０を越えている場合にモータ１１に過大な負荷トルクが掛かっていると判定する判定部２７と、判定部２７がモータ１１に過大な負荷トルクが掛かっていると判定した場合に過大負荷信号を出力する信号出力部２８と、信号出力部２８が過大負荷信号を出力した場合にモータ１１を停止させるモータ停止部２９とを含んでいる。また、図１から分かるように、信号出力部２８が過大負荷信号を出力した場合にアラームを出力するアラーム出力部３０がモータ制御装置２０に接続されている。

さらに、モータ制御装置２０は、モータ１１の状態、つまりモータが加工中であるか否かを判定するモータ状態判定部２５と、モータ状態判定部２５により判定されたモータ１１の状態に応じて基準時間Ｃ０を設定する設定部２６とを含んでいる。また、設定部２６は、工作機械１０が実施する加工の種類および／または工作機械１０の主軸１５に備えられた工具１２の種類に応じて基準時間Ｃ０および基準トルクＴ０のうちの少なくとも一方を設定することもできる。

図２は本発明の第一の実施形態に基づくモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。さらに、図３は負荷トルクＴおよびアラーム出力部のタイムチャートである。以下、図１から図３を参照しつつ、本発明の第一の実施形態に基づくモータ制御装置の動作を説明する。なお、図２に示されるモータ制御装置の動作は所定の制御周期毎に繰返し実施されるものとする。また、以下においては工具１２がワークを切削加工する場合について説明するが、本発明は切削加工に限定されないことに留意されたい。

はじめに、図２のステップＳ１１において、負荷トルク推定部２１が検出部１３からモータ１１の電流および速度を取得して、モータ１１に掛かる負荷トルクＴを推定する。次いで、ステップＳ１２において、トルク比較部２２は負荷トルクＴが基準トルクＴ０以上であるか否かを判定する。

ここで、図３を参照すると、工作機械１０が動作開始した時刻Ｐ１においては、実線で示されるように負荷トルクＴは基準トルクＴ０よりも小さい。例えば基準トルクＴ０は、時刻Ｐ１における負荷トルクＴを１０％だけ増やした値である。そして、時刻Ｐ２に達すると、負荷トルクＴは基準トルクＴ０以上になる。

このような状態になると、時間計測部２３は、負荷トルクＴが基準トルクＴ０以上である経過時間Ｃを計測開始する（ステップＳ１３）。なお、負荷トルクＴが基準トルクＴ０以上でない場合には、ステップＳ２０に進んで経過時間Ｃがリセットされる。

次いで、図２のステップＳ１４においては、モータ状態判定部２５がモータ１１の状態、すなわちモータ１１が加工中であるか否かを判定する。モータ１１が加工中である場合には、ステップＳ１５に進んで、設定部２６が第一所定値Ｃ１を基準時間Ｃ０として設定する。

これに対し、モータ１１が加工中でない場合には、ステップＳ１６に進んで、設定部２６が第二所定値Ｃ２を基準時間Ｃ０として設定する。ここで、第一所定値Ｃ１は第二所定値Ｃ２よりも大きい値である。例えば第一所定値Ｃ１は１００ｍｓであり、第二所定値Ｃ２は１０ｍｓである。

次いで、ステップＳ１７において、判定部２７は、負荷トルクＴが基準トルクＴ０以上である経過時間Ｃが基準時間Ｃ０以上であるか否かを判定する。ここで、図３を参照すると、時刻Ｐ２から計測開始された経過時間Ｃは時刻Ｐ３において基準時間Ｃ０に到達する。このように経過時間Ｃが基準時間Ｃ０以上である場合には、ステップＳ１８に進んで、信号出力部２８が過大負荷信号を出力する。なお、経過時間Ｃが基準時間Ｃ０以上でない場合には、処理を終了する。

次いで、ステップＳ１９においては、出力された過大負荷信号がモータ停止部２９およびアラーム出力部３０に供給される。モータ停止部２９はモータ１１を停止させるので、主軸１５や工具１２、ワークが破損するのを防止できる。そして、図３に示されるようにアラーム出力部３０がアラームを出力し、それにより、操作者に注意を促すようにする。

従来技術においては、ステップＳ１２において、負荷トルクＴが基準トルクＴ０を上回っていると判断された場合にモータ１１を停止させていた。これに対し、本発明においては、負荷トルクＴが基準トルクＴ０を上回っている経過時間Ｃが基準時間Ｃ０を越えた場合に、過大な負荷トルクＴが継続的に発生していると判断してモータ１１を停止させる。

言い換えれば、本発明においては、過大な負荷トルクＴが継続的に生じた場合にのみ、モータ１１を停止させ、主軸１５や工具１２、ワークが破損するのを防止する。このため、本発明において、過大な負荷トルクＴが瞬間的にのみ生じた場合には、モータ１１を継続して駆動させることが可能である。

そして、本発明においては、モータ１１が加工中であるか否かに応じて基準時間Ｃ０を第一所定値Ｃ１または、第一所定値Ｃ１よりも小さい第二所定値Ｃ２に変更している。加工時には基準時間Ｃ０を比較的大きい第一所定値Ｃ１に設定しているので、過大な負荷トルクが瞬間的に発生した場合には、工作機械１０を継続して運転させられる。そして、過大な負荷トルクが継続的に発生した場合にモータ１１を停止させられる。

これに対し、非加工時には基準時間Ｃ０を比較的小さい第二所定値Ｃ２に設定している。このため、例えばワークの送り時などに過大な負荷トルクが瞬間的に発生した場合には、例えば工作機械１０が周辺機器に衝突したことにより過大な負荷トルクが生じたと推察され、即時にモータ１１を停止させている。これにより、主軸１５や工具１２、ワークが破損するのを防止する。

ところで、図４は本発明の第二の実施形態に基づくモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。また、図５は基準トルクＴ０のマップを示す図であり、図６は基準時間Ｃ０についての第一所定値Ｃ１のマップを示す図である。以下、図４から図６を参照しつつ、本発明の第二の実施形態に基づくモータ制御装置の動作を説明する。ただし、第一の実施形態と同一のステップについては、簡潔にする目的で、説明を省略する。

図４に示されるように、第二の実施形態においては、ステップＳ１１とステップＳ１２との間のステップＳ１１’において、設定部２６は、加工の種類および工具１２の種類に応じて基準トルクＴ０を設定する。図５に示されるように、基準トルクＴ０は加工の種類および工具１２の種類の関数として予め求められ、マップの形でモータ制御装置２０の記憶部（図示しない）に記憶されている。なお、加工の種類とは、例えば切削、穿孔、研磨、研削などである。工具１２の種類とは、例えば切削工具、穿孔工具、研磨工具、研削工具などである。そして、ステップＳ１１’で設定された基準トルクＴ０が、ステップＳ１２において負荷トルクＴと比較される。

さらに、ステップＳ１４とステップＳ１５との間のステップＳ１４’において、設定部２６は、加工の種類および工具１２の種類に応じて第一所定値Ｃ１を設定する。図６に示されるように、第一所定値Ｃ１は加工の種類および工具１２の種類の関数として予め求められ、マップの形でモータ制御装置２０の記憶部（図示しない）に同様に記憶されている。そして、ステップＳ１４’で設定された第一所定値Ｃ１は基準時間Ｃ０として設定され、ステップＳ１７において基準時間Ｃ０は経過時間Ｃと比較される。

このように、本発明においては、加工の種類および工具１２の種類に応じて基準時間Ｃ０（第一所定値Ｃ１）および基準トルクＴ０を変更できる。従って、加工の種類および工具１２の種類に応じた、より適切な制御を行えるのが分かるであろう。

典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１０ 工作機械
１１ 主軸用モータ
１２ 工具
１３ 検出部
１５ 主軸
２０ モータ制御装置
２１ 負荷トルク推定部
２２ トルク比較部
２３ 時間計測部
２４ 時間比較部
２５ モータ状態判定部
２６ 設定部
２７ 判定部
２８ 信号出力部
２９ モータ停止部
３０ アラーム出力部

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、モータに流れる電流および該モータの速度に基づいて前記モータに掛かる負荷トルクを推定する負荷トルク推定部と、該負荷トルク推定部により推定された負荷トルクと基準トルクとを比較するトルク比較部と、前記負荷トルクが前記基準トルクを上回っている経過時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部により計測された経過時間と基準時間とを比較する時間比較部と、該時間比較部において前記経過時間が前記基準時間を越えている場合に前記モータに過大な負荷が掛かっていると判定する判定部と、前記モータの状態を判定するモータ状態判定部と、該モータ状態判定部により判定された前記モータの状態に応じて前記基準時間を設定する設定部と、を具備し、前記モータ状態判定部により前記モータが加工中であると判定された場合には、前記設定部は第一所定値を前記基準時間として設定し、前記モータ状態判定部により前記モータが加工中でないと判定された場合には、前記設定部は前記第一所定値よりも小さい第二所定値を前記基準時間として設定する、モータ制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記モータが工作機械の主軸を駆動するモータである。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、さらに、前記設定部は、前記工作機械が実施する加工の種類に応じて前記基準時間および前記基準トルクのうちの少なくとも一方を設定する。
４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、さらに、前記設定部は、前記工作機械の主軸に備えられた工具の種類に応じて前記基準時間および前記基準トルクのうちの少なくとも一方を設定する。

１番目の発明においては、負荷トルクが基準トルクを上回っている時間が基準時間を越えた場合に、過大な負荷が継続的に発生していると判定している。このため過大な負荷が瞬間的にのみ生じた場合には、モータを継続して駆動させられる。さらに、モータの状態、つまりモータが加工中であるか否かに応じて基準時間を変更できる。過大な負荷トルクが瞬間的に発生した場合に、モータの状態に応じて適切な処置をとることができる。
２番目の発明においては、工作機械の主軸と、主軸に備えられる工具、主軸で加工されるワークが破損するのを避けられる。
３番目の発明においては、加工の種類に応じて基準時間および基準トルクを変更できるので、より適切な制御を行うことができる。
４番目の発明においては、工具の種類に応じて基準時間および基準トルクを変更できるので、より適切な制御を行うことができる。

Claims (5)

1. モータ（１１）に流れる電流および該モータの速度に基づいて前記モータに掛かる負荷トルクを推定する負荷トルク推定部（２１）と、
   該負荷トルク推定部により推定された負荷トルクと基準トルクとを比較するトルク比較部（２２）と、
   前記負荷トルクが前記基準トルクを上回っている経過時間を計測する時間計測部（２３）と、
   前記時間計測部により計測された経過時間と基準時間とを比較する時間比較部（２４）と、
   該時間比較部において前記経過時間が前記基準時間を越えている場合に前記モータに過大な負荷が掛かっていると判定する判定部（２７）と、を具備するモータ制御装置。
2. 前記モータが工作機械（１０）の主軸（１５）を駆動するモータである請求項１に記載のモータ制御装置。
3. さらに、前記モータの状態を判定するモータ状態判定部（２５）と、
   該モータ状態判定部により判定された前記モータの状態に応じて前記基準時間を設定する設定部（２６）と、を具備する請求項２に記載のモータ制御装置。
4. さらに、前記設定部は、前記工作機械が実施する加工の種類に応じて前記基準時間および前記基準トルクのうちの少なくとも一方を設定する、請求項３に記載のモータ制御装置。
5. さらに、前記設定部は、前記工作機械の主軸に備えられた工具の種類に応じて前記基準時間および前記基準トルクのうちの少なくとも一方を設定する、請求項３または４に記載のモータ制御装置。

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