JP2016144292A - 実験モード解析により機械の潤滑特性を計測するサーボ制御装置 - Google Patents

実験モード解析により機械の潤滑特性を計測するサーボ制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は機械の潤滑状態の把握とそれを用いた保全技術を主目的としたサーボ制御装置を提供することにある。
【解決手段】本発明のサーボ制御装置は、速度指令値を作成する速度指令作成部、トルク指令値を作成するトルク指令作成部、サーボモータの速度を検出する速度検出部を含む速度制御ループへ正弦波外乱を入力する正弦波外乱入力部と、速度制御ループの出力から利得と位相を推定する周波数応答算出部と、利得が極大となる共振周波数を検出する共振周波数検出部と、周波数応答から共振特性を推定する共振モード特性解析部と、基準となる潤滑状態に対応した共振特性である基準モード減衰比を保持する基準モード減衰比保持部と、を具備し、共振モード特性解析部は基準モード減衰比及びそれに対応する共振周波数での実測モード減衰比に基づいて潤滑特性を算出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボ制御装置に関し、特に実験モード解析に基づいて機械の潤滑特性を計測する機能を備えたサーボ制御装置に関する。
工作機械の案内機構における摩擦特性と振動特性は、送り軸の動作性能や加工時のびびり振動の発生に影響する。こうした問題においては、機械の摩擦減衰能、即ち潤滑特性が本質的に重要であるということが共通事項になっている。
例えば、装置剛性を高めることだけではびびり振動安定性を高めることはできず、装置の各部剛性と減衰特性の両方を最適化する必要があることが実験と解析の両面で明らかにされている（例えば、非特許文献１）。
また、機械の加振試験において加振力依存性が存在し、加振力の大きさによって共振周波数と減衰比が大きく変動することが報告されている（例えば、非特許文献２）。この主たる理由は、数十μｍの微小変位領域における摩擦の非線形ばね特性によるものであるということが示唆されている。一方、機械減衰と非線形摩擦との関係性を定量的に実験で評価した例が最近報告されている（例えば、非特許文献３）。機械の加振試験を行い、実験モード解析によってコンプライアンス関数（加振力と変位の周波数応答）の共振特性を調べて、加振力が大きくなるほどモード減衰比（共振曲線の半値幅）も大きくなることを示している。
品川幹ら，日本機械学会論文集Ｃ編，７８巻，７８７号（２０１２），ｐ.１０１３−１０２５ 酒井康徳ら，精密工学会誌，Ｖｏｌ．８０，Ｎｏ．８（２０１４），ｐ．７８３−７９１ 酒井康徳ら，ＪＩＭＴＯＦ２０１４ポスター発表「転がり案内の送り方向及びピッチ方向の減衰に及ぼす加振力振幅の影響」
本発明は機械の潤滑状態の把握とそれを用いた保全技術を主目的としたサーボ制御装置を提供することにある。
本発明の一実施例に係るサーボ制御装置は、工作機械に設けられた送り軸を駆動するサーボモータの制御装置において、サーボモータの速度指令値を作成する速度指令作成部と、速度指令値に基づいてサーボモータのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、トルク指令値に基づいて駆動されたサーボモータの速度を検出する速度検出部と、速度指令作成部、トルク指令作成部、及び速度検出部を含む速度制御ループへ正弦波外乱を入力する正弦波外乱入力部と、正弦波外乱を速度制御ループへ入力したときの速度制御ループの出力から速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定する周波数応答算出部と、周波数応答算出部が推定した周波数応答の利得が極大となる共振周波数を検出する共振周波数検出部と、共振周波数検出部が検出した共振周波数及びその近傍周波数における周波数応答から共振特性を推定する共振モード特性解析部と、基準となる潤滑状態に対応した共振特性である基準モード減衰比を保持する基準モード減衰比保持部と、を具備し、共振モード特性解析部は、基準モード減衰比、及びそれに対応する共振周波数での実測モード減衰比に基づいて潤滑特性を算出する、ことを特徴とする。
本発明の一実施例に係るサーボ制御装置によれば、機械の潤滑状態の把握とそれを用いた保全技術を主目的としたサーボ制御装置が得られる。
本発明の実施例１に係るサーボ制御装置のブロック図である。 機械伝達機構の伝達関数を２次系の和で表現したブロック図である。 並進振動を加えた場合における共振周波数及び減衰比の加振力依存性を表すグラフである。 回転振動を加えた場合における共振周波数及び減衰比の加振力依存性を表すグラフである。 送り方向の並進振動及びピッチ方向の回転振動を加えた場合におけるモード減衰比の加振力依存性を表すグラフである。 実測モード共振比／基準モード減衰比の時間依存性を表すグラフである。 実測モード共振比／基準モード減衰比の時間依存性と警告水準しきい値との関係を表すグラフである。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明に係るサーボ制御装置について説明する。
［実施例１］
まず、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置について説明する。図１は本発明の実施例１に係るサーボ制御装置のブロック図を示す。本発明の実施例１に係るサーボ制御装置１００は、工作機械に設けられた送り軸を駆動するサーボモータの制御装置において、サーボモータ２０の速度指令値を作成する速度指令作成部１と、速度指令値に基づいてサーボモータのトルク指令値を作成するトルク指令作成部２と、トルク指令値に基づいて駆動されたサーボモータの速度を検出する速度検出部３と、速度指令作成部１、トルク指令作成部２、及び速度検出部３を含む速度制御ループ４へ正弦波外乱を入力する正弦波外乱入力部５と、正弦波外乱を速度制御ループ４へ入力したときの速度制御ループ４の出力から速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定する周波数応答算出部６と、周波数応答算出部６が推定した周波数応答の利得が極大となる共振周波数を検出する共振周波数検出部（図示せず）と、共振周波数検出部が検出した共振周波数及びその近傍周波数における周波数応答から共振特性を推定する共振モード特性解析部７と、基準となる潤滑状態に対応した共振特性である基準モード減衰比を保持する基準モード減衰比保持部８と、を具備し、共振モード特性解析部７は、基準モード減衰比、及びそれに対応する共振周波数での実測モード減衰比に基づいて潤滑特性を算出する、ことを特徴とする。
次に、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置の動作について説明する。まず、速度指令作成部１がサーボモータ２０を駆動するための速度指令値を作成し、加算器１０へ出力する。加算器１０は、正弦波外乱入力部５から入力された正弦波外乱を速度指令値に加算すると共に、速度検出器３が検出したサーボモータ２０の速度検出値を減算し、計算結果をトルク指令作成部２へ出力する。
トルク指令作成部２は加算器１０から計算結果を取得し、トルク指令を出力しサーボモータ２０を駆動する。サーボモータ２０は伝達機構３０を介して駆動体（図示せず）を動作させる。
周波数応答算出部６は、正弦波外乱入力部５からの正弦波外乱と、正弦波外乱を速度制御ループ４へ入力したときの速度制御ループ４の出力とから速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定し、推定結果を共振モード特性解説部７へ出力する。共振モード特性解説部７は、周波数応答算出部６が推定した周波数応答の利得が極大となる共振周波数を検出する共振周波数検出部（図示せず）を備えている。
共振モード特性解析部７は、共振周波数検出部が検出した共振周波数及びその近傍周波数における周波数応答から共振特性を推定する。基準モード減衰比保持部８は、基準となる潤滑状態に対応した共振特性である基準モード減衰比を保持している。例えば、製造時点での特定周波数における共振モード減衰比を基準モード減衰比として保持するようにしてもよい。共振モード特性解析部７は、基準モード減衰比保持部８から基準モード減衰比を取得し、基準モード減衰比及びそれに対応する共振周波数での実測モード減衰比に基づいて潤滑特性を算出する。
本発明は、容易に実施可能な加振試験であるモータ制御の周波数応答を使って潤滑特性を測定するものである。制御系の周波数応答はモード解析に基づいて分析することができる。機械潤滑特性は、共振モードの減衰比を実測から算出して、基準減衰比との相対比を求めることにより計測することができる。通常、コンプライアンス測定を行うには定常加振器や打撃器によって機械に衝撃を加え、そのときの微小変位を計測する必要がある。しかし、機械が組みあがって板金枠なども完成してしまった状態では送り軸駆動系のコンプライアンスを直接計測することは難しい。これに対して、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置のように、モータ制御の周波数応答を用いれば、製造最終工程であったり稼動状態にあったりしても、機械の潤滑特性を測定することができる。
機械振動を分析するのに実験モード解析とよばれる手法が用いられる（これに対して理論モード解析はいわゆる有限要素法を意味する）。実験モード解析は実際に周波数応答を測って、その結果から特性値を割り出す分析手法である。多数の独立したバネ・マス・ダンパ系があると考えると、それらから独立した運動方程式の群が得られる。
このモード解析の考え方を応用して、機械伝達機構の伝達関数を図２のような２次系の和で表現することができる。一つ一つの２次系のことを共振モードとよび、積分器だけの項を剛体モードとよぶ。実験モード解析とは、このように表現した伝達関数のパラメータを実測の周波数応答から決めることである。ωrを共振角周波数、ζrをモード減衰比、Ｋrをモード等価剛性と呼ぶ。本発明ではモード減衰比ζrに着目した計測および分析を取り扱う。モード減衰比ζrは振幅応答よりピーク点の周波数ｆ０と、ピーク点より半値（−３ｄＢ）下がった点の周波数幅Δｆから、ζr＝Δｆ／（２ｆ０）として算出することができる。
非特許文献２及び３の中で述べている重要な点は、実験モード解析で得られる共振周波数とモード減衰比が加振力に依存しているということである。図３は、非特許文献２に記載された並進振動を加えた場合における共振周波数及び減衰比の加振力依存性を表すグラフである。図４は、非特許文献２に記載された回転振動を加えた場合における共振周波数及び減衰比の加振力依存性を表すグラフである。図５は、非特許文献３に記載された送り方向の並進振動及びピッチ方向の回転振動を加えた場合におけるモード減衰比の加振力依存性を表すグラフである。図５（ａ）、（ｂ）のそれぞれ２本の曲線はグリースを塗布した場合（１）とグリースを塗布しない場合（２）を示している。図３〜５では転がり案内の摩擦の加振力依存性が実測で示されている。ここに示されているモード減衰比が加振力依存性を持つこと、案内面の潤滑状態がその特性に大きく影響することという二点を総合すると、案内面の潤滑状態をモード減衰比によって判断するということが原理的に可能である。
本発明の実施例１に係るサーボ制御装置は、共振周波数とその近傍周波数における周波数応答から共振モードの特性値を同定し、伝達機構の特性を表す物理量としてとらえている。また、共振特性のうちモード減衰比は摩擦係数に対応するので、主として低次共振モードのモード減衰比が機械の案内面の潤滑特性を表している。従って、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置によれば、機械の潤滑状態を把握することが可能なサーボ制御装置が得られる。
［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係るサーボ制御装置について説明する。本発明の実施例２に係るサーボ制御装置は、共振モード特性解析部７が、基準モード減衰比と実測モード減衰比との相対比を求めることで、潤滑状態の相対的な低下度合いを評価する点を特徴としている。その他の構成は実施例１に係るサーボ制御装置における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。
例えば、製造時点での特定周波数における共振モード減衰比を基準にしておく。速度制御の周波数応答を定期的に測定した場合、モード減衰比は時間的に減少する。このとき、加振力振幅を小さくして計測するとよい。大きな加振力の場合には機械の変位が十分に大きくなって機械の非線形特性が反映されず、計測値からは摩擦・潤滑の情報が失われてしまうからである。
選ぶ共振モードはひとつでなくてもよく、案内面における潤滑状態が顕著に現れる共振モードであれば複数の共振モードを計測・監視の対象とすることができる。物理的にはより低周波の共振モードが機械の動特性において支配的であるので、順当には１次（一番低い共振周波数）や２次のモードを取り扱えばよい。なぜなら、モード解析はもともと、連続体の振動を多数の独立した１自由度系の減衰振動の総和として記述する方法論であって、低次モードの１自由度系は全体を強く支配する振動になっているからである。それぞれのモード共振比はそれぞれの１自由度系の粘性摩擦係数を表すので、モード減衰比の低下は摩擦係数の低下に直結する。この意味で低次モードの摩擦係数の低下は、案内面の支配的な摩擦要素の低下に他ならないのである。
この結果は予防保全技術として活用することができる。前提として、経時的に潤滑剤が磨耗劣化して潤滑が悪くなることはあっても良くなることはない。たとえば製造時点での潤滑性能を基準にしたモード減衰比（基準モード減衰比）を制御装置が記憶しておき、定期的に周波数応答を測定し、モード解析でモード減衰比（実測モード減衰比）を算出する。
図６に実測モード共振比を基準モード減衰比で割った値（実測モード共振比／基準モード減衰比）の時間依存性を表すグラフを示す。時刻ｔ１において実測モード共振比と基準モード減衰比が等しいものとすると、ｔ2、ｔ3、ｔ4と時間の経過と共に実測モード共振比／基準モード減衰比の値は単調に減少する。図６に示すように、算出される実測モード減衰比は基準モード減衰比よりも小さい値が得られるので、この比をもって潤滑状態の計測結果とすることができる。つまり「機械製造時に対して８０％の潤滑」のように評価できる。
以上説明したように、本発明の実施例２に係るサーボ制御装置によれば、モード減衰比の基準値に対して、ある時点で測定した周波数応答から得られるモード減衰比が、どの程度の相対比になっているかを算出しているので、機械の潤滑状態を用いた保全が可能なサーボ制御装置が得られる。
［実施例３］
次に、本発明の実施例３に係るサーボ制御装置について説明する。本発明の実施例３に係るサーボ制御装置は、共振モード特性解析部７が、基準モード減衰比に対して実測モード減衰比がしきい値を下回る場合は、潤滑状態の点検の必要性を示すために潤滑状態の劣化を警告する点を特徴とする。その他の構成は実施例１に係るサーボ制御装置における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。
図７に実測モード共振比／基準モード減衰比の時間依存性と警告水準しきい値との関係を表すグラフを示す。モード減衰比が下がりすぎて、例えば、ある測定の回（ｔ4）において、基準モード減衰比の５０％になってしまった場合に警告を表示する。これは稼働中の機械の定期点検において有効である。潤滑状態は異物進入などで容易に変化してしまうので、モータ制御の周波数応答から潤滑状態を把握することの手軽さが最も享受できる活用方法を提供することができる。なお、警告水準しきい値を基準モード減衰比の５０％と設定する例は、単なる一例であって他の値に設定してもよい。
機械の内部減衰は加工性能に大きく影響するので、潤滑の悪化は機械の加工性能の悪化に直接的につながる。そこで、潤滑の劣化が大きくなりすぎた場合には警告を表示し、潤滑剤の塗布を促す。警告を表示するために表示デバイスを設けるようにしてもよい。また、警告を音声で通知するようにしてもよい。
次に、本発明の実施例３に係るサーボ制御装置の動作手順について図８に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、正弦波外乱入力部５（図１参照）が速度制御ループ４へ正弦波外乱を入力する。次に、ステップＳ１０２において速度検出部３がサーボモータ２０の速度を検出する。
次に、ステップＳ１０３において、トルク指令作成部２が、速度指令値と速度検出値とからトルク指令値を作成する。次に、ステップＳ１０４において、周波数応答算出部６が、正弦波外乱値とトルク指令値とから周波数応答を計算する。
次に、ステップＳ１０５において、共振モード特性解析部７が、周波数応答から少なくとも１つの共振モードの特性値の組を推定する。次に、ステップＳ１０６において、共振モード特性解析部７が、特定の共振周波数において、実測モード減衰比と基準モード減衰比との比を算出する。
次に、ステップＳ１０７において、共振モード特性解析部７が、実測モード減衰比と基準モード減衰比との比がしきい値を下回っているか否かを判断する。実測モード減衰比と基準モード減衰比との比がしきい値を下回っていないと判断された場合は、一連の処理を終了する。
一方、実測モード減衰比と基準モード減衰比との比がしきい値を下回っていると判断された場合は、ステップＳ１０８において、共振モード特性解析部７が、潤滑劣化を警告し、潤滑点検の必要性を表示する。
本発明の実施例３に係るサーボ制御装置によれば、潤滑点検の必要性を表示することによって、時間経過によってその相対比が大幅に低下してしまって、機械案内面の減衰能力が著しく低下して加工性能が劣化してしまうのを防ぐことができる。
１ 速度指令作成部
２ トルク指令作成部
３ 速度検出部
４ 速度制御ループ
５ 正弦波外乱入力部
６ 周波数応答算出部
７ 共振モード特性解析部
８ 基準モード減衰比保持部
２０ サーボモータ
１００ サーボ制御装置

Claims (3)

  1. 工作機械に設けられた送り軸を駆動するサーボモータの制御装置において、
    サーボモータの速度指令値を作成する速度指令作成部と、
    前記速度指令値に基づいてサーボモータのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
    前記トルク指令値に基づいて駆動されたサーボモータの速度を検出する速度検出部と、
    前記速度指令作成部、前記トルク指令作成部、及び前記速度検出部を含む速度制御ループへ正弦波外乱を入力する正弦波外乱入力部と、
    前記正弦波外乱を前記速度制御ループへ入力したときの速度制御ループの出力から速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定する周波数応答算出部と、
    前記周波数応答算出部が推定した周波数応答の利得が極大となる共振周波数を検出する共振周波数検出部と、
    前記共振周波数検出部が検出した共振周波数及びその近傍周波数における周波数応答から共振特性を推定する共振モード特性解析部と、
    基準となる潤滑状態に対応した共振特性である基準モード減衰比を保持する基準モード減衰比保持部と、
    を具備し、
    前記共振モード特性解析部は、前記基準モード減衰比、及びそれに対応する共振周波数での実測モード減衰比に基づいて潤滑特性を算出する、
    ことを特徴とするサーボ制御装置。
  2. 前記共振モード特性解析部は、前記基準モード減衰比と前記実測モード減衰比との相対比を求めることで、潤滑状態の相対的な低下度合いを評価する、請求項１に記載のサーボ制御装置。
  3. 前記共振モード特性解析部は、前記基準モード減衰比に対して前記実測モード減衰比がしきい値を下回る場合は、潤滑状態の点検の必要性を示すために潤滑状態の劣化を警告する、請求項１に記載のサーボ制御装置。
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