JP2017157122A - コンピュータ数値制御サーボ駆動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】ドライバに複数のサーボモータを同時に駆動させることにより電力利用効率を向上させ、装置のコストを低減させる共用接続回路を利用するコンピュータ数値制御(CNC)サーボ駆動システムを提供する。
【解決手段】コンピュータ数値制御(CNC)サーボ駆動システムが、コントローラ、ドライバ、共用接続回路、第1のサーボモータおよび第2のサーボモータを備える。ユーザはコントローラを通して制御コマンドを入力する。ドライバはコントローラに接続され、その制御コマンドを駆動信号に変換し、その駆動信号を出力する。共用接続回路は、ドライバに接続され、駆動信号を伝送する。第1のサーボモータの最大電流値と第2のサーボモータの最大電流値の合計をドライバの最大電流値以下とし、ドライバが第1のサーボモータおよび第2のサーボモータを同時に駆動し動作することを可能にする。
【選択図】図1
【解決手段】コンピュータ数値制御(CNC)サーボ駆動システムが、コントローラ、ドライバ、共用接続回路、第1のサーボモータおよび第2のサーボモータを備える。ユーザはコントローラを通して制御コマンドを入力する。ドライバはコントローラに接続され、その制御コマンドを駆動信号に変換し、その駆動信号を出力する。共用接続回路は、ドライバに接続され、駆動信号を伝送する。第1のサーボモータの最大電流値と第2のサーボモータの最大電流値の合計をドライバの最大電流値以下とし、ドライバが第1のサーボモータおよび第2のサーボモータを同時に駆動し動作することを可能にする。
【選択図】図1
Description
本発明は、コンピュータ数値制御(CNC)サーボ駆動システムに関し、特に、コントローラおよびドライバによって複数のサーボモータを同時に駆動することが可能なシステムに関する。
CNCサーボ駆動システムのサーボモータは、その位置および動作に対して高精度の制御、例えば回転速度、正転および逆転の高速切り換え、高精度の位置決め等を行うことができ、多くの場合、自動車産業において、または金属加工機械のためには数値制御されるプロセスの自動化に適用される。CNCサーボ駆動システムの動作の概念は、ユーザがコントローラにコマンドを入力し、そのコマンドのコンパイルの後、制御情報がドライバに伝送されて、ドライバがサーボモータを駆動し、制御情報に従って、ツール(工具)の移動や、ツールによるワークピースの切断またはミリング(フライス加工や切削)等の動作を行うことにある。
図6を参照すると、従来型のCNCサーボ駆動システム90は、制御ボックス91および機械加工装置92を備えている。制御ボックス91は、通常は、駆動信号を供給するために、3つのドライバ912に接続されているコントローラ911である。機械加工装置92は、それぞれX軸、Y軸、Z軸における機械加工プロセスを担う3つのサーボモータ921を含む。ドライバ912の各々がサーボモータ921の1つに接続されているとき、サーボモータ921の最大回転速度での動作時間は非常に短い。サーボモータ921は、サーボモータの始動時、瞬間加速時、および瞬間停止時にのみ最大電流で動かされ、これらの動作状態に維持するためのサーボモータ921の動作時間は長期間ではなく、1〜3秒程度に過ぎない。残りの動作中は、サーボモータ921の回転速度は通常は低速(定格回転速度)で、サーボモータ921の負荷電流が比較的小さく、電流値が通常はドライバ921によって必要とされる電流の30%で、最低電流条件のためには10%である。サーボモータ921の動作から見られるように、多くの量の電流が有効に利用されない。大量生産の場合には、各制御ボックス91への制御コマンド入力の必要からヒューマンエラーが生じ得るのみならず、制御ボックス91は機械加工装置の単一の部分しか制御できないので、装置のコストを効果的に下げることができない。
本発明の目的は、ドライバに複数のサーボモータを同時に駆動させることにより電力利用効率を向上させ、装置のコストを低減させる共用接続回路を利用するコンピュータ数値制御(CNC)サーボ駆動システムを提供することにある。
上記の目的を達成するために、CNCサーボ駆動システムは、コントローラ、ドライバ、共用接続回路、および複数のサーボモータを備える。
前記コントローラは、ユーザの入力した制御コマンドを受け取るべく適合され、前記制御コマンドを制御信号に変換し、前記制御信号を出力する。
前記ドライバは、前記コントローラに接続され、前記制御信号を実施し、前記制御信号を変換して駆動信号を出力する。
前記共用接続回路は、前記ドライバに接続され、前記駆動信号を伝送する。
前記複数のサーボモータは、前記共用接続回路に接続され、前記駆動信号に従って動作する。
前記複数のサーボモータの最大電流値の合計は、前記ドライバから出力される最大電流値以下である。
共用接続回路が前述のような設計であると、前記CNCサーボ駆動システムは、1つのドライバを利用して前記第1のサーボモータおよび前記第2のサーボモータを同時に駆動することができる。従って、大量生産のプロセスにおいて有利な同時機械加工のために、2つの機械加工ツール(工具)につながるコントローラを用いることによってユーザのコマンドを同時に実施することが可能である。前記第1のサーボモータは、フィードバックラインを介して前記ドライバに接続され、モータの位置、移動速度、位置決め精度等の前記第1のサーボモータの動作情報を伝送して、前記コントローラが、前記第1のサーボモータの前記動作情報を保持し、動作のために前記第2のサーボモータを同期して駆動するように前記制御コマンドを改変する。前記第2のサーボモータは更にスイッチにも接続されて、ユーザが前記スイッチを介して前記第2のサーボモータを直接オン/オフまたは休止させるようにできる。従って、このCNCサーボ駆動システムを用いることにより、電力利用効率および機械加工の効果を向上させ、装置のコストを低減させることができる。
図1を参照すると、本発明によるコンピュータ数値制御(CNC)サーボ駆動システム10は、コントローラ20、ドライバ30、共用接続回路40、第1サーボモータ50、および第2サーボモータ60を備える。コントローラ20は、ユーザによって入力された制御コマンドを受け取り、その制御コマンドを制御信号に変換し、制御信号を出力する。ドライバ30はコントローラ20に接続され、出力端子31を有する。ドライバ30が制御信号を受け取り、変換した後、出力端子31は駆動信号および動作電力を出力する。共用接続回路40は、駆動信号および動作電力を伝送し、第1の出力端子41および第2の出力端子42を有する。第1の出力端子41および第2の出力端子42は駆動信号を出力し、動作電力を配分する。
第1のサーボモータ50は、第1の電力ライン51を介して第1の出力端子41に接続され、第1の出力端子41を介して供給される動作電力および駆動信号を受け取り、その駆動信号に従った動作をし、第1のサーボモータ50の位置、移動速度、および位置決め精度を変化させる。
第2のサーボモータ60は、第2の電力ライン61を介して第2の出力端子42に接続され、第2の出力端子42を介して供給される動作電力および駆動信号を受け取り、その駆動信号に従った動作をし、第2のサーボモータ60の位置、移動速度、および位置決め精度を変化させる。第2のサーボモータ60によって行われる動作は、第1のサーボモータ50によって行われる動作に類似している。
第1のサーボモータ50の最大電流値と第2のサーボモータの最大電流値との合計は、ドライバ30の最大電流値以下とされ、ドライバ30が、第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60に同時に電力を供給して、第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60が、始動時、瞬間加速時、および瞬間停止時に最大電流を必要とするときに、第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60が同時に動作できるようにする。
第2のサーボモータ60の最大電流値は、第1サーボモータ50の最大電流値以下である。第2のサーボモータ60および第1のサーボモータ50がそれらの最大回転速度で動作し、かつ第2のサーボモータ60の電流消費が第1のサーボモータ50の電流消費を超えているときに発生する第1のサーボモータ50の動作遅延や円滑でない動作を回避するために、第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60は、同一仕様のサーボモータであってもよく、共用接続回路は、動作電力を第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60に配分し、均等に分配することができる。
図2を参照すると、第1のサーボモータ50はエンコーダ53を有する。エンコーダ53は、第1のサーボモータ50の動作情報、例えば位置、移動速度、および位置決め精度等を感知し、その動作情報を、フィードバックライン52を通してドライバ30に伝送する。ドライバ30は、コントローラ20に動作情報を伝送して戻し、第1のサーボモータ50の動作をユーザに認識させるために、コントローラ20のディスプレイユニット21がその動作情報を表示する。ユーザが更にその動作情報に従って制御コマンドを改変するか、またはドライバ30が、その動作情報を受け取った後、その動作情報に従って駆動信号を改変し、第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60の動作を微調整する。
第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60は、始動、停止、および瞬間加速等、同じ駆動信号を同時に実施する。第2のサーボモータ60は、第1のスイッチ62に接続されている。ユーザは、第1のスイッチ62を制御して、コントローラ20を通すことなく第1のサーボモータ60をオンまたはオフにすることができる。
ユーザが第1のコマンド、第2のコマンド、第3のコマンド、および第4のコマンドを連続して入力する場合、ドライバ30は第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60を駆動して、第1のコマンド、第2のコマンド、第3のコマンド、および第4のコマンドに関連する動作を連続的に行う。第2のコマンドを実施するとき、第2のサーボモータ60が、それに装着されたツールの問題に出会った場合、ユーザは第1のスイッチ62を切って、第2のサーボモータ60の動作を停止することができる。このとき、第1のサーボモータ50は、第2のコマンド、第3のコマンド、および第4のコマンドを依然として実施することができる。第2のサーボモータ60のツールの問題が除去された場合は、ユーザは第1のスイッチ62をオンにして第2のサーボモータ60を再始動することができる。第1のサーボモータおよび第2のサーボモータ60は、第2のコマンドを同時に実施することができる。第2のサーボモータ60が第2のコマンドを実施するとき、第1のサーボモータ50は、空転状態の下で第2のコマンドを実施することができる。第2のサーボモータ60が第2のコマンドを実施した後、次いで第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60が第3のコマンドおよび第4のコマンドを同時に実施する。
図2を更に参照すると、ドライバ30は、制御回路32、変換回路33、およびフィードバックユニット34を更に備える。制御回路32の入力端子は、コントローラ20の出力端子に接続されている。ユーザがコントローラ20を通して制御コマンドを入力した後、コントローラ20は制御コマンドを制御回路32に伝送し、制御回路32は制御コマンドを受け取って、その制御コマンドを駆動信号に変換する。
変換回路33は、制御回路32の出力端子に接続されている。変換回路33は、制御回路32によって供給された駆動信号を受け取り、デジタル形式の駆動信号をアナログ駆動信号に変換し、第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60を動作させるためのドライバ30の出力端子31を介して共用接続回路40に接続される、デジタル/アナログ変換回路であってもよい。
エンコーダ53は、位置、移動速度、および位置決め精度等の動作情報を、フィードバックライン52を介してドライバ30のフィードバックユニット34に伝送されるフィードバック信号に変換する。フィードバックユニット34は、フィードバック信号をコントローラ20にフィードバックさせるためにコントローラ20に接続され得る。ユーザは、コントローラ20のディスプレイユニット21によって第1のサーボモータ50の動作情報を確認する。フィードバックユニット34は、制御回路32の入力端子に接続され得る。フィードバックユニット34からフィードバック信号を受け取った後、制御回路32は、動作情報が、ユーザによって入力された制御コマンドが正確に達成しようとする内容を反映しているかどうかを決定する。エラーがある場合には、制御回路32は自動的に駆動信号を微調整する。
エンコーダ53は、光学的に、磁気的に、または機械的に感知し、感知した情報を電子信号に変換し、その電子信号を出力してフィードバック信号を供給する。フィードバック信号は、デジタル信号またはアナログ信号であり得る。フィードバック信号がアナログ信号であるとき、フィードバックユニット34は更に、フィードバック信号を、コントローラ20または制御回路32に更に供給されるデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換回路を有する。
ドライバ30は、商用電源または工業用電源等の電源に関連する電源入力端子を有し、CNCサーボ駆動システム10の所要電力(電源条件)に従って入力電力に対して、交流電流(AC)から直流電流(DC)への変換または電圧変換等の変換を行い、変換された電力を第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60に供給する。
第1の電力ライン51および第2の電力ライン61は三相電源ケーブル(U、V、W)であり得る。ドライバ30の出力端子31も対応する三相電力ケーブルを有し、パルスの形態の駆動信号を動作電力と共に共用接続回路40に伝送する。共用接続回路40は、動作電力を配分し、駆動信号および配分された電力を、第1電力ライン51および第2電力ライン61を通して第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60に伝送する。
図3を参照すると、本発明によるCNCサーボ駆動システム10の別の実施形態は、第3のサーボモータ70を更に備える。第3のサーボモータ70は、第3の電力ライン71を通して第3の出力端子43に接続されている。第3のサーボモータ70は、第3の出力端子43を通して供給される電力および駆動信号を受け取る。従って、第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70は、同時に駆動信号を実施する。
第1のサーボモータ50の最大電流値、第2のサーボモータ60の最大電流値、および第3のサーボモータ70の最大電流値の合計は、ドライバ30の最大電流値以下とされ、ドライバ30は、電力不足、動作遅延、停止または非動作状態等の問題を起こすことなく、第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70によって必要とされる最大電流を同時に供給できるようにする。
第3のサーボモータ70は、第2のサーボモータ60と共通の制約を有し、第3のサーボモータ70の最大電流値は、第1のサーボモータ50の最大電流値以下とすべきである。第3のサーボモータ70の配分された電力が、第1のサーボモータ50および第3のサーボモータ70の回転速度が最大のときの第1のサーボモータ50の配分された電力を上回った場合、第1のサーボモータ50は、動作遅延の問題を有し得る。本実施形態では、第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70は、同一の仕様を有するサーボモータであり、共用接続回路40は、第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70へ流れる電力を均等に分配することができる。
第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70は、同時に同一の動作をする。第3のサーボモータ70は、ユーザが第2のスイッチ72を介して第3のサーボモータを直接オンまたはオフにするために第2のスイッチ72に接続されている。
ユーザが第1のコマンド、第2のコマンド、第3のコマンド、および第4のコマンドを連続して入力する場合、ドライバ30は第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70を駆動して、第1のコマンド、第2のコマンド、第3のコマンド、および第4のコマンドを連続的に実施する。第3のコマンドを実施するとき、第3のサーボモータ70が、それに装着されたツールの問題に出会った場合、ユーザは第2のスイッチ72によって、第3のサーボモータ70を止めることができる。このとき、第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70は、第3のコマンドおよび第4のコマンドを依然として連続して実施する。第4のコマンドが実施されているときにツールの問題が除去された場合は、ユーザは第2のスイッチ72によって第3のサーボモータをオンにして、第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70が再度第3のコマンドを同時に実施できるようにする。第3のサーボモータ70が第2のコマンドを実施するとき、第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60は、空転状態の下で第3のコマンドを実施する。第3のサーボモータ70が第3のコマンドに対応する動作を完了した後、第1のサーボモータ50、第2のサーボモータ60、および第3のサーボモータ70は、同時に第4のコマンドの実施を継続する。
図4を参照すると、本発明によるCNCサーボ駆動システムが、機械加工装置80に適用されている。機械加工装置80は、制御ボックス81、第1機械加工ツール82、および第2機械加工ツール83を備える。制御ボックス81は、X軸ドライバ812、Y軸ドライバ813、およびZ軸ドライバ814に接続されたコントローラ811を有する。X軸ドライバ812は、機械加工装置80のX軸方向の動きを制御する。Y軸ドライバ813は、機械加工装置80のY軸方向の動きを制御する。Z軸ドライバ814は、機械加工装置80のZ軸方向の動きを制御する。
第1機械加工ツール82は、第1のX軸サーボモータ821、第1のY軸サーボモータ822、および第1のZ軸サーボモータ823を備える。第2機械加工ツール83は、第2のX軸サーボモータ831、第2のY軸サーボモータ832、および第2のZ軸サーボモータ833を備える。X軸ドライバ812は、X軸共用接続回路815を介して第1のX軸サーボモータ821および第2のX軸サーボモータ831に接続されている。Y軸ドライバ813は、Y軸共用接続回路816を介して第1のY軸サーボモータ822および第2のY軸サーボモータ832に接続されている。Z軸ドライバ814は、Z軸共用接続回路817を介して第1のZ軸サーボモータ823および第2のZ軸サーボモータ833に接続されている。
ユーザは、コントローラ811を介して機械加工装置80に制御コマンドを入力する。コントローラ811は、制御コマンドを制御信号に変換し、その制御信号をX軸ドライバ812、Y軸ドライバ813、およびZ軸ドライバ814に伝送し、X軸共用接続回路815を介して第1のX軸サーボモータ821および第2のX軸サーボモータ831を駆動し、Y軸共用接続回路816を介して第1のY軸サーボモータ822および第2のY軸サーボモータ832を駆動し、Z軸共用接続回路817を介して第1のZ軸サーボモータ823および第2のZ軸サーボモータ833を駆動する。従って、1つの制御ボックス81を用いて2つの機械加工ツール(第1機械加工ツール82および第2機械加工ツール83)を駆動するという目的を達成できる。2つの機械加工ツールのための2つの制御ボックス(2つのコントローラと6つのドライバを備えるもの)の代わりに、本発明では、1つの制御ボックス(1つのコントローラおよび3つのドライバを備えるもの)が、2つの機械加工ツールを駆動し、その動きを制御する。制御ボックスの数が減ることで、装置コストの低下、操作の単純化、反復入力の必要な同一の制御コマンドが不要となること、ヒューマンエラーの回避という利点が得られる。
第2のX軸サーボモータ831、第2のY軸サーボモータ832、および第2のZ軸サーボモータ833は、それぞれ第2のX軸サーボモータ831、第2のY軸サーボモータ832、および第2のZ軸サーボモータ833をオン/オフまたは休止させるX軸スイッチ834、Y軸スイッチ835、およびZ軸スイッチ836に接続されている。X軸スイッチ834、Y軸スイッチ835、およびZ軸スイッチ836は、第2機械加工ツール83を同時にオン/オフまたは休止させるために第2スイッチに共通に接続され得る。
X軸共用接続回路815、Y軸共用接続回路816、およびZ軸共用接続回路817は、機械加工装置80を単純化するべく共用接続回路として一体化されていてもよい。
全ての上述の実施形態について、複数のサーボモータは、リニアモータ、DCモータ、永久磁石ACモータ、および誘導ACモータの1つに適したものであり得る。図5を参照すると、本発明によるCNCサーボ駆動システムの第3の実施形態は、サーボモータとしてリニアモータを用いる一例として与えられる。
要すれば、本発明によるCNCサーボ駆動システムは、1つのドライバおよび1つの共用接続回路を介して第1のサーボモータおよび第2のサーボモータを駆動する。1つのドライバがある場合に、このCNCサーボ駆動システムは複数のサーボモータを駆動して、作業時の電力利用効率を向上させることができる。第2のサーボモータをオン/オフするためのスイッチの存在により、機械加工プロセスの間の任意のタイミングで第2のサーボモータをオン/オフすることができる。第2のサーボモータがツールの衝突に出会って適時の停止がなされたとしても、第1のサーボモータが動作を継続することができる。ツールの衝突の問題が除去された後、第2のサーボモータを更なる機械加工動作のために直接オンにすることができる。一方、第1のサーボモータは空転状態の下で完全な機械加工プロセスを実施する。第2のサーボモータが、ツールの衝突のために完了できなかった機械加工プロセスを完了させた後、第1のサーボモータと第2のサーボモータは、追加の制御コマンドを入力することなく残りの機械加工動作を連続的に完了させることができ、それによって機械加工の効率を向上させることができる。
第1のサーボモータ50および第2のサーボモータ60は、始動、停止、および瞬間加速等、同じ駆動信号を同時に実施する。第2のサーボモータ60は、第1のスイッチ62に接続されている。ユーザは、第1のスイッチ62を制御して、コントローラ20を通すことなく第1のサーボモータ50をオンまたはオフにすることができる。
Claims (10)
- コンピュータ数値制御(CNC)サーボ駆動システムであって、
ユーザの入力した制御コマンドを受け取るべく適合され、前記制御コマンドを制御信号に変換し、前記制御信号を出力するコントローラと、
前記コントローラに接続され、前記制御信号を実施し、変換して駆動信号を出力するドライバと、
前記ドライバに接続され、前記駆動信号を伝送する共用接続回路と、
前記共用接続回路に接続され、前記駆動信号に従って動作する複数のサーボモータと、を備え、
前記複数のサーボモータの最大電流値の合計が、前記ドライバから出力される最大電流値以下であることを特徴とするCNCサーボ駆動システム。 - 前記複数のサーボモータが、第1のサーボモータおよび第2のサーボモータを含むことを特徴とする請求項1に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 前記第2のサーボモータの最大電流値が、前記第1のサーボモータの最大電流値以下であることを特徴とする請求項2に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 前記第1のサーボモータは、フィードバックラインを介して前記ドライバに接続され、前記第1サーボモータのフィードバック信号を前記ドライバに供給するエンコーダを有することを特徴とする請求項3に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 前記フィードバック信号は、前記第1のサーボモータの位置、前記第1のサーボモータの移動速度、および前記第1のサーボモータの位置決め精度、または前記第1のサーボモータの前記位置、前記移動速度、および前記位置決め精度の組み合わせを含むことを特徴とする請求項4に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 前記ドライバは、前記フィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号を前記コントローラに伝送するためのフィードバックユニットを有することを特徴とする請求項5に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 前記コントローラは、前記フィードバック信号を表示するためのディスプレイユニットを有することを特徴とする請求項6に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 前記複数のサーボモータは、第1のサーボモータ、第2のサーボモータ、および第3のサーボモータを含むことを特徴とする請求項1に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 前記第2のサーボモータは、前記第2のサーボモータをオンまたはオフにするスイッチに接続されていることを特徴とする請求項2に記載のCNCサーボ駆動システム。
- 各サーボモータは、リニアモータ、直流(DC)モータ、永久磁石交流(AC)モータ、および誘導ACモータの1つであることを特徴とする請求項2から9のいずれか一項に記載のCNCサーボ駆動システム。
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2016
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