JP2777759B2 - 推力適応制御機能を備えた電気式推力発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の技術分野】この発明は推力発生装置の推力発
生源である固定送り用ボールねじ軸から直接に応力を計
測することにより、高速あるいは低速運動中や急加減速
中の連続した推力を刻々瞬時に計測しつつ応力、位置、
速度等の適応制御を行なうことを必要とするあらゆる分
野で利用できる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の油圧推力発生装置での推力測定は
主として油圧力計によって計測していたが、ピストンパ
ッキンの抵抗や油温あるいはバルブ等により、推力制御
は高精度が得られない欠点があった。また従来の各種ロ
ボットやＮＣ工作機械では一般的には位置と速度とのパ
ラメータで制御されており、推力又は応力は第２次的に
考えられている。そして推力測定を必要とする場合には
主電動機の電流値を逆算するか、もしくは固定された送
り用ねじナット側に応カセンサー等を設置して計測して
いる。しかし解析が困難だったり、取付け方法が複雑な
どによって大方の装置では速度のみで制御され、荷重変
動は２次的に考えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 ねじ軸自体の応力制御
は、ねじ軸回転形では歪メーターを使用するには出力用
スリップリングを必要としたり、又固定ナット側で応力
測定すると、ボールねじ軸上のナットの位置によって同
ねじ軸の歪量が同じなので、ねじ軸のスラストによる歪
量を計測し難い欠点がある。そのために従来の装置にお
いて推力零の場合１ミクロンの精度で停止できていて
も、例えば推力２トンを加えればボールねじナット部で
２０ミクロン、スラストベヤリング部で３０ミクロン、
その他で２０ミクロン、計７０ミクロンの歪み移動をす
る。また、前記の２トンの推力を零にすることで、その
装置は応力の変化のみにより、停止位置の誤差は７０ミ
クロンから元の１ミクロンへと戻る。これがＮＣ装置で
の電気的なパルス溜り量と同類の誤差として現れ、装置
の作動精度を低下させる大きな要因となっている。この
課題は、従来の制御法であるセミクローズド法でも解決
されない。

【０００４】したがって、要求される作動精度がより高
いほど、実際の作業においてゆっくりと、より軽く緩や
かに負荷をかけることにより、応力の急激な変化を避け
るというような、非能率的な手法を採らざるを得なかっ
た。また、高価で高精度な装置ほど高い剛性を有すると
しても、負荷に対する応力と歪み量は決して０にはでき
ず、上記課題の根本的な解決を図ることができなかっ
た。さらに、ＮＣ加工機等では砥石の目詰まり状態とド
レッシング直後の仕上げ状態での加工や、カッタのチッ
プが新品の時と損耗状態での加工時の切削抵抗力は大幅
に変化し、仕上精度誤差の要因となる。そのために、Ｎ
Ｃ加工機の担当者の常時監視が必要不可欠であった。

【０００５】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、負荷により生ずる装置
の歪み量を正確に把握し、該歪み量を補正するように電
動機の作動量を制御することにより、作動精度の向上を
図ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為の
本発明に係る電気式推力発生装置は、任意の直方体又は
円筒体の本体内に中空電動機を設置し、該電動機の中空
出力軸内に送り用ねじナットを嵌合し、該中空出力軸の
外周部を前記電動機の筐体で軸支し、かつ、送り用ねじ
軸の外端を基台に固定、もしくは任意揺動台に固定して
成る電気式推力発生装置において、前記送り用ねじ軸の
任意端部に固着した応力・歪測定用センサーで該送り用
ねじ軸の端部に生じている応力を検出し、コンピュータ
の演算処理により、記憶された装置各部の剛性値と前記
応力検出値とに基づいて、装置に生じている歪み量およ
び該歪み量を原因とする前記中空電動機の停止位置の誤
差を求め、該誤差を補正すべく中空電動機の作動量を調
節する推力適応制御機能を備えたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明によると、前記応力・歪測定用センサー
で、送り用ねじ軸、同ナット、スラストベヤリング等、
装置の作動部分に係る各部材において、外力により生ず
る応力値と、記憶された装置各部の剛性値とから装置に
生じている歪み量を正確に把握する。そして、コンピュ
ータにおいて、該歪み量を原因とする前記中空電動機の
停止位置の誤差に対し、該中空電動機の作動量の増減に
よってその誤差の補正をすべく、中空電動機の補正作動
量を出力する。

【０００８】

【実施例】 以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【０００９】図１には、本発明の実施例に係る推力適応
制御機能を備える電気式推力発生装置の要部を示してい
る。また、図３には、図１の推力発生装置に用いられる
電動機Ｍの内部構造を詳細に示している。図示のごと
く、本実施の形態に係る電気式推力発生装置は、任意の
直方体又は円筒体の本体内に中空電動機Ｍを設置し、該
電動機Ｍの中空出力軸１内に直接又は歯車を介して送り
用ねじナット２を嵌合している。また、中空出力軸１の
外周部を軸承し、かつ、送り用ねじナット２に嵌入する
送り用ねじ軸３を、中空電動機Ｍの中空出力軸１の内部
まで貫入し、該送 り用ねじ軸３の一端又は両端を基台４
に固定している。そして、中空電動機Ｍを作動させる
と、中空電動機Ｍを備える本体は、送り用ねじ軸３に案
内されて基台４に対し往復運動を行うことができる。図
示のごとく送り用ねじ軸３の両端を基台４に固定する場
合には、送りにねじ軸の少なくとも一端に設けた予張力
ナット５の締め込み量を調節することにより、送り用ね
じ軸３に予張力を与えることができる。

【００１０】この電気式直線推力発生装置に、送り用ね
じ軸３の端部に応力・歪み測定用センサーＡを取付け、
送り用ねじ軸３の端部の応力、歪みを検出する。この応
力・歪み測定用センサーＡは、インターフェイスＩＦを
経てコンピュータＣＰＵに電気的接続がされている。
又、中空電動機Ｍには、ロータの軸受温度Ｔを検出する
温度センサーや、送り用ねじ軸３に対する中空電動機Ｍ
の作動量や回転速度Ｖを検出するためのエンコーダ６が
設けられ、これらも応力・歪み測定用センサーＡと同様
に、インターフェイスＩＦを経てコンピュータＣＰＵに
電気的接続がされている。さらに、基台もしくは任意揺
動台に対する前記中空電動機の移動量（もしくは位置）
μｍを検出するために、リニヤスケールＬが基台４に設
けられ、これもインターフェイスＩＦを経てコンピュー
タＣＰＵに電気的接続がされている。さらに、中空電動
機Ｍの駆動電力はコンピュータＣＰＵからドライバーＤ
を経て中空電動機Ｍに供給される。

【００１１】上記構成をなす本発明の実施例より得られ
る作用効果は、以下の通りである。送りねじ軸３の端部
に設けた応力・歪みセンサＡにより、送り用ねじ軸、同
ナット、スラストベヤリング等、装置の作動部分に係る
各部材に生じている応力を、送り用ねじ軸３端部の応力
として検出し、前記各部材の剛性値（コンピュータＣＰ
Ｕに予め記憶してある。）と共に演算することにより、
送り用ねじ軸３端部の歪み量を把握する。この歪み量
は、中空電動機Ｍの停止位置に誤差を発生させる原因と
なるので、該歪み量を、中空電動機Ｍの作動量の増減に
よって補正すべく、中空電動機Ｍの作動量を決定する。
また、前記誤差を零にするのみならず、所定量に調節す
ることにより、任意の値に応力制御することも可能とな
る。

【００１２】また送り用ねじ軸３の固定部一端の予張力
ナット５は、これを締めつけることでねじ軸３に予張力
を与え、任意に緊張させて軸の撓み剛性を増すことによ
り、振動数（ねじ軸の固有振動数）も高く設定すること
ができる。なお、電動機本体の温度測定により全体の熱
膨張による誤差も補正できる。さらに推力発生源である
固定送りねじ軸３に応力・歪センサーＡを取付けたた
め、その精度は１万分の１以下１０万分の１に分解能力
で推力を瞬時に演算できるので、切削や研削加工中の負
荷が確実に把握できる。

【００１３】また、本実施例では送り用ねじ軸を固定
し、同ねじナットを回転させる機構とすることにより、
従来のねじ軸が回転する（主としてナット側に歪みセン
サまたは圧力センサを取付る）形式のものに比べ、ねじ
軸自身の応力測定をする為の構造を簡素化することがで
きる。よって、測定も容易となり、外力変化に対する適
応能力も高くなりかつ低価格となる。

【００１４】図２には、ボールねじ軸が回転する形式が
一般的であったロボット用推力発生装置に代えて、本発
明の実施例に係る推力適応制御機能付き電気式推力発生
装置を用いた例を示している。そしてこのねじ軸端に応
力・歪測定用センサーＡを取付けたもので、上記同様に
目的の推力を正確に制御でき、荷重の大きさ方向の判定
などを必要とするロボットの製作が初めて可能となっ
た。なお図のようにロボットアームＩ，ＩＩなど多数を
設置しても正確な荷重が計れるため、荷重による変形を
有限要素法等の解析計算を行なうことにより巨大アーム
としても高精度の位置決めと荷重測定を可能ならしめ
た。なおロボットアーム自体が荷重の測定能力を有する
ので、軽重の判定をするロボットアームが得られるよう
になった。すなわち各部材の剛性値を記憶させること
で、その時の推力により正確な歪量を演算できる。

【００１５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下記述のような効果を奏するものであ
る。

【００１６】（１）上記の通りすべての条件下における
推力の変動を瞬時に、正確に測定できるので、加減速中
における外力の変動時、例えば円弧、曲線運動時の各軸
間における連系運動下で、従来は遅れパルス溜り量とし
て処理していたものを、外力の変動による歪み量の変動
として的確に把握する。そして、該歪み量の変動を補正
する為の中空電動機の作動量を正確に割り出すことによ
り、前記歪み量を原因とする作動誤差のない、高精度の
推力発生装置を得ることができる。

【００１７】（２）また、ねじ軸を固定したため、ねじ
軸の応力を高分解能で演算することが容易となり、前述
の通りＮＣ加工機等での砥石の目詰まりによる研削抵抗
の変化や、バイトやカッタのチップの損耗による切削抵
抗力の変化をミクロ的に且つ瞬時に検出することが可能
となる。よって、外力変化に対する適応能力も高くな
り、作動誤差の発生を抑えることができるので、ＮＣ加
工機の担当者が常時監視する必要もなくなる。

【００１８】（３）しかも、本装置をロボットのアクチ
ュエータに応用することにより、送りねじ軸に加わる推
力を正確に検出することが可能となり、ロボットアーム
自体が計量秤として機能する。よって、例えば作業ロボ
ット自身で製品の重量の変化を計ったり、作業力の判定
までできるため、より一歩人間に近づく効果がある。

【００１９】（４）このように、ロボットの各アームや
軸間に本発明の推力検出機能を持たせることで、各部の
荷重状態が把握され、この力分布を有限要素法的に演算
処理すれば、従来の巨大クレーンのように、大型のアー
ムを駆動する機械装置においても超精密なる位置決め、
または作業が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気式推力発生装置の推力位置速度制
御回路である。

【図２】片端中空電動機使用の推力発生装置によるロボ
ットアーム用推力位置速度制御回路図である。

【図３】図１の中空電動機の縦断面を示す詳細正面図で
ある。

【図４】図２のロボット用の差動歯車使用の片端支持中
空電動機の縦断面を示す詳細正面図である。

【符号の説明】

１ 中空出力軸 ２ 送り用ねじナット ３ 送り用ねじ軸 ４ 基台 ５ 予張力ナット ６ エンコーダ Ａ 応力・歪みセンサー Ｍ 電動機体 Ｄ ドライバー ＣＰＵ コンピュータ ＩＦ インターフェイス Ｌ リニヤスケール ＤＧ 差動歯車 ＤＰ 表示 Ｔ ロータの軸受温度 Ｖ 回転速度 μｍ 移動量 Ｒ ロボット ＲＡ ロボットアーム

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意の直方体又は円筒体の本体内に中空
   電動機を設置し、該電動機の中空出力軸内に送り用ねじ
   ナットを嵌合し、該中空出力軸の外周部を前記電動機の
   筐体で軸支し、かつ、送り用ねじ軸の外端を基台に固
   定、もしくは任意揺動台に固定して成る電気式推力発生
   装置において、前記送り用ねじ軸の任意端部に固着した
   応力・歪測定用センサーで該送り用ねじ軸の端部に生じ
   ている応力を検出し、コンピュータの演算処理により、
   記憶された装置各部の剛性値と前記応力検出値とに基づ
   いて、装置に生じている歪み量および該歪み量を原因と
   する前記中空電動機の停止位置の誤差を求め、該誤差を
   補正すべく中空電動機の作動量を調節する推力適応制御
   機能を備えた電気式推力発生装置。