JP5120790B2

JP5120790B2 - トルク制御装置とその制御方法

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Publication number: JP5120790B2
Application number: JP2009520444A
Authority: JP
Inventors: 龍太松谷; 憲治吉田; 繁櫻井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
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Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2013-01-16
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Description

本発明は、ねじ締め装置などに適用され結合部材にねじりトルクを与えて締付けるトルク制御装置とその制御方法に関する。

従来のトルクを制御するねじ締め装置は、特許文献１および２に開示されている。特許文献１は、締め付けトルクのオーバーシュートを低減することを目的としたもので、図１０はそのブロック図である。図９において、１０１は締付け装置、１０２はナットランナー、１０４はソケット、１０６は回転軸、１０８は減速機構、１１０はモモータ、１１２は速度検知部、１１４は電流アンプ、１１６は電流指令部、１１８は電流制御部、１２０は速度指令部、１２２は全体指令部である。ナットランナー１０２はボルト、ナット等のねじ部材に嵌合するソケット１０４で、ソケット１０４の回転軸１０６は減速機構１０８を介してモータ１１０に接続される。モータ１１０には回転速度を測定する速度検知部１１２が設けられ、モータ１１０を回転させるための駆動電流は電流アンプ１１４から供給される。

速度検知部１１２で測定されたモータ１１０の回転速度のデータは全体指令部１２２へ入力され、全体指令部１２２では、入力データに基づいて電流制限部１１８に電流制限値を出力する。速度指令部１２０は、無負荷領域における所定のモータ１１０の回転速度の値を指令速度信号として電流指令部１１６へ出力する。電流指令部１１６ではこの回転速度の値に対応する電流値を算出して、この大きさの電流を電流アンプ１１４を介してモータ１１０に供給する。電流制限部１１８では、電流アンプ１１４からモータ１１０に供給される電流値を監視して、全体指令部１２２から電流制限部１１８に入力される電流制限値を越えないよう電流指令部１１６に割り込み制御をかけている。

図１１は、ねじ締め付けを示すグラフであり、縦軸はモータ１１０の回転トルク、モータ１１０に供給される電流の制限値及びモータ１１０の回転速度を示し、横軸は時間を示している。電流制限部１１８による電流の制限値は、図１０中にも示され、次式で決定される。
ｉＬ（ｔ）＝ｉＴ・ｅｘｐ｛−ｖ（ｔ）／Ｋ｝
ここで、ｉＬ（ｔ）は時刻ｔにおける電流制限値、ｉＴは目標トルクを発生させるための電流値、ｖ（ｔ）は時刻ｔにおけるモータ回転速度、Ｋは定数である。定数Ｋの値は、モータ１１０の特性及び締め付けられるねじ部材の特性に応じて、適切な値が選択される。

モータ１１０に一定電流が供給されて、無負荷領域ではねじ部材を一定の高速回転をさせて仮締めが行われる。このとき、速度検知部１１２で測定されたモータ１１０の回転速度ｖ（ｔ）のデータは全体指令部１２２へ入力され、全体指令部１２２では、この回転速度ｖ（ｔ）のデータとｉＬの式に従い電流制限値ｉＬ（ｔ）を算出する。電流制限値ｉＬ（ｔ）は、電流制限部１１８に入力され、電流制限部１１８では、電流アンプ１１４から実際にモータ１１０に供給される電流値を常に監視して、電流制限値ｉＬ（ｔ）を越えないように、電流指令部１１６に対して割り込み制御をかける。

ねじ部材が着座してモータの回転速度ｖ（ｔ）が減少し始めると、電流制限値ｉＬ（ｔ）は式に従って次第に上昇し始める。この結果、電流アンプ１１４からモータ１１０に供給される電流値も次第に増加して、モータ１１０の回転トルクも上昇し始める。式に従って電流制限値ｉＬ（ｔ）を次第に増加させることによって、上昇の初期には駆動電流の大きさが急激に上昇するため締め付けトルクもそれに追従して上昇する。目標締め付けトルクに相当する所定の駆動電流の大きさに近づくにつれて駆動電流の大きさの上昇が緩やかになるため、締め付けトルクも緩やかに上昇し、目標締め付けトルクを越えることなく目標締め付けトルクに緩やかに到達する。すなわち、モータ１１０の回転トルクがオーバーシュートを起こすことなく、ねじ部材が所定のトルクで適切に締め付けられる。これより締め付けトルクのオーバーシュートを低減することができるというものである。

特許文献２は、ねじとワーク間の摩擦力の変化や、モータ軸と減速機などの機械伝達系のロストモーションなどにより、実際のトルク値は滑らかにならず急に上昇して跳ね上がったりするのを防ぎ、ねじ締め付けトルクの精度を向上したねじ締め装置を提供することを目的とする。図１２は特許文献２のねじ締め装置の構成を示すブロック図で、３相ブラシレスモータ２２１ａを内蔵したねじ締め機本体２２１の底部に減速機２２２が配設され、モータ２２１ａの回転スピードが減速機２２２で減速されて回転力がビット２２３に伝えられビット先端でねじ２２４を回転させる。

ブラシレスモータ２２１ａには、ＣＰＵ２２５がＤ／Ａ変換器２２６を介して接続された電流駆動型ドライバー２２７が接続され、ＣＰＵ２２５からのトルク指令に基づいて電流駆動型ドライバー２２７はブラシレスモータ２２１ａを電流指令で回転駆動する。ねじ締め機本体２２１にはブラシレスのため電流方向切換用のセンサＣＳ１〜ＣＳ３が１２０°毎に配設され、これらセンサＣＳ１〜ＣＳ３はＣＰＵ２２５および電流駆動型ドライバー２２７に接続され、センサＣＳ１〜ＣＳ３からのモータ２２１ａの３相信号であるコミュテーション信号がＣＰＵ２５および電流駆動型ドライバー２２７に入力される。このコミュテーション信号に基づいてＣＰＵ２２５で演算してビット回転速度を検出しモータ２２１ａのビット回転速度を制御する。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
すなわち、本発明の一の観点によるトルク制御装置は、結合部材を介して同軸に結合された第１メカ部と第２メカ部のトルクを制御するトルク制御装置であって、前記第1メカ部を駆動する第１モータと、前記第２メカ部を駆動する第２モータと、前記第１モータを第１指令どおりに制御する第1モータ制御部と、前記第２モータを第２指令どおりに制御する第２モータ制御部と、上位システムのコマンドによりプログラムに基づいて前記第１指令と前記第２指令を生成するコントローラと、を備えたトルク制御装置において、前記プログラムは、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より大きい所定の速度プロファイルで変化させて前記結合部材にねじりトルクを発生させ、前記ねじりトルクが所定値に到達したら前記第２モータを前記第１回転速度に減速し、所定時間が経過したら同期して減速停止する第１指令および第２指令を生成することを特徴とするものである。

また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記第１指令および前記第２指令は、位置制御か速度制御かトルク制御かを選択する制御モード指令と位置指令、速度指令、トルク指令の少なくともひとつを含むことを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記第１モータ制御部は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成するトルク制御部と、前記トルク指令から第１モータを駆動する電力変換部と、前記位置信号から前記速度信号を生成する速度信号生成部と、を備え、第１指令の制御モード指令に従い位置制御、速度制御、トルク制御のいずれかを選択し、前記第１指令に従い前記第１モータを駆動することを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記第２モータ制御部は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成するトルク制御部と、前記トルク指令から第２モータを駆動する電力変換部と、前記位置信号から前記速度信号を生成する速度信号生成部と、を備え、第２指令の制御モード指令に従い位置制御、速度制御、トルク制御のいずれかを選択し、前記第２指令に従い前記第２モータを駆動することを特徴としてもよい。

また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記第１モータ制御部および前記第２モータ制御部の電力変換部は、共通の直流電源に接続されることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記プログラムは、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より大きい第２回転速度に増速してねじりトルクを発生させ、前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら第１回転速度＜第３回転速度＜第２回転速度の第３速度に減速し、前記ねじりトルクが第２トルクに到達したら第１回転速度＜第４回転速度＜第３回転速度の第４回転速度に減速し、前記ねじりトルクが第３トルクに到達したら第１速度に減速し、所定時間が経過したら同期して減速停止する第１指令と第２指令を生成することを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記プログラムは、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より増速して前記第１モータと前記第２モータのモータ位相差を所定のプロファイルで変化させてねじりトルクを発生させ、前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら前記モータ位相差を所定プロファイルで変化させ、第３トルクに到達したら前記モータ位相差を固定し、所定の時間が経過したら同期して減速停止する第１指令と第２指令を生成することを特徴としてもよい。

また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記ねじりトルクの検出は、前記第１モータ制御部のトルク指令を用いることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記ねじりトルクの検出は、前記第２モータ制御部のトルク指令の極性を反転した値を用いることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記ねじりトルクの検出は、前記第１モータ制御部のトルク指令から前記第２制御部のトルク指令を減算し２で除した値を用いることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記ねじりトル
クの検出は、第１メカ部または第２メカ部に結合したトルクセンサを用いることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点によるトルク制御装置は、前記結合部材は、ナットとボルトであることを特徴としてもよい。

また、本発明の他の観点によるトルク制御装置の制御方法は、結合部材を介して同軸に結合された第１メカ部と第２メカ部のトルクを制御するトルク制御装置であって、前記第1メカ部を駆動する第１モータと、前記第２メカ部を駆動する第２モータと、前記第１モータを第１指令どおりに制御する第1モータ制御部と、前記第２モータを第２指令どおりに制御する第２モータ制御部と、上位システムのコマンドによりプログラムに基づいて前記第１指令と前記第２指令を生成するコントローラと、を備えたトルク制御装置の制御方法において、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速するステップと、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より大きい所定の速度プロファイルで変化させて前記結合部材にねじりトルクを発生させるステップと、前記ねじりトルクが所定の値に到達したら前記第２モータを第１回転速度に減速するステップと、所定時間が経過したら同期して減速停止するステップと、を備えたことを特徴とするものである。
また、上記他の観点によるトルク制御装置の制御方法は、同トルク制御装置の制御方法の各ステップの代わりに、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速するステップと、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１速度より大きい第２速度に増速してねじりトルクを発生させるステップと、前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら第１速度＜第３速度＜第２速度の第３速度に減速するステップと、前記ねじりトルクが第２トルクに到達したら第１速度＜第４速度＜第３速度である第４速度に減速するステップと、前記ねじりトルクが第３トルクに到達したら第１速度に減速するステップと、所定時間が経過したら同期して減速停止するステップと、を備えたことを特徴としてもよい。

さらに、目標締め付けトルクＢに至るトルク上昇時において、トルク上昇レートは、ねじ締め付け時にトルクを上昇させる割合を意味し、１ｓｅｃ当たりに上昇させるトルク（Ｋｇｆｃｍ）を設定する。たとえば、１０を設定したとすると１ｓｅｃ当たり１０Ｋｇｆｃｍトルクが上昇することになり、大きな値を設定するほど締め付け時間は短縮されるが、大きすぎると締め付けトルクがオーバーシュートして目標締め付けトルクＢの設定値を越えてしまう。

また、摩擦力の均一化を図るためにねじ締め込み時の漸増トルク指令に、機械系の応答周波数の２倍で設定トルク値の１０％の方形波微振動を付加することにより、ねじ２３４とワーク２３２の間の摩擦力の変化や、モータ軸と減速機などの伝達系のロストモーションなどによるトルク値の急激な上昇は防止されて漸増トルク指令の上昇は滑らかになる。また、ねじ締め付け時、ＣＰＵ２２５は、トルクセンサ２２８からフィードバックされた実際のトルク値により、漸増設定トルク値になるように制御するとともに、そのフィードバックされた実際のトルク値が目標締め付けトルクＢの値に達すると電流駆動型ドライバー２２７からの電流をオフしてモータ２２１ａを止める。以上により、目標締め付けトルクで正確に止めることができるというものである。
特開平１０−０８０８７２号公報特開平０６−１８２６３８号公報

従来のねじ締め装置は、摩擦トルク、特に静止摩擦トルクの影響を受け、締付けトルクの精度が出ないという問題があった。
また、自動車用のドライブピニオンをロックナットで締付ける場合は、通常ドライブピニオンを固定しロックナットを回転して締付けるが締め付けしろが足らない場合でもトルクレンチが設定トルクになり、締付けトルクを規格内の管理ができないという問題があった。機械化する場合でもモータの起動トルクと設定トルクが重なり合い１Ｎｍ以下の微調整ができないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、静止摩擦トルクの影響をなくし、結合部材の相対回転速度差を数回転／分という低速度にしてねじりトルクを高精度に制御するトルク制御装置とその方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、結合部材を介して同軸に結合された第１メカ部と第２メカ部のトルクを制御するトルク制御装置であって、前記第1メカ部を駆動する第１モータと、前記第２メカ部を駆動する第２モータと、前記第１モータを第１指令どおりに制御する第1モータ制御部と、前記第２モータを第２指令どおりに制御する第２モータ制御部と、上位システムのコマンドによりプログラムに基づいて前記第１指令と前記第２指令を生成するコントローラと、を備えたトルク制御装置において、前記プログラムは、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より大きい所定の速度プロファイルで変化させて前記結合部材にねじりトルクを発生させ、前記ねじりトルクが所定値に到達したら前記第２モータを前記第１回転速度に減速し、所定時間が経過したら同期して減速停止する第１指令および第２指令を生成することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の機械制御装置において、前記第１指令および前記第２指令は、位置制御か速度制御かトルク制御かを選択する制御モード指令と位置指令、速度指令、トルク指令の少なくともひとつを含むことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記第１モータ制御部は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成するトルク制御部と、前記トルク指令から第１モータを駆動する電力変換部と、前記位置信号から前記速度信号を生成する速度信号生成部と、を備え、第１指令の制御モード指令に従い位置制御、速度制御、トルク制御のいずれかを選択し、前記第１指令に従い前記第１モータを駆動することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記第２モータ制御部は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成するトルク制御部と、前記トルク指令から第２モータを駆動する電力変換部と、前記位置信号から前記速度信号を生成する速度信号生成部と、を備え、第２指令の制御モード指令に従い位置制御、速度制御、トルク制御のいずれかを選択し、前記第２指令に従い前記第２モータを駆動することを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記第１モータ制御部および前記第２モータ制御部の電力変換部は、共通の直流電源に接続されることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記プログラムは、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より大きい第２回転速度に増速してねじりトルクを発生させ、前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら「第１回転速度＜第３回転速度＜第２回転速度」の第３速度に減速し、前記ねじりトルクが第２トルクに到達したら「第１回転速度＜第４回転速度＜第３回転速度」の第４回転速度に減速し、前記ねじりトルクが第３トルクに到達したら第１速度に減速し、所定時間が経過したら同期して減速停止する第１指令と第２指令を生成することを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記プログラムは、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より増速して前記第１モータと前記第２モータのモータ位相差を所定のプロファイルで変化させてねじりトルクを発生させ、前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら前記モータ位相差を所定プロファイルで変化させ、第３トルクに到達したら前記モータ位相差を固定し、所定の時間が経過したら同期して減速停止する第１指令と第２指令を生成することを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記ねじりトルクの検出は、前記第１モータ制御部のトルク指令を用いることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記ねじりトルクの検出は、前記第２モータ制御部のトルク指令の極性を反転した値を用いることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項１記載のトルク制御装置において、前記ねじりトルクの検出は、前記第１モータ制御部のトルク指令から前記第２制御部のトルク指令を減算し２で除した値を用いることを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明は、請求項1記載のトルク制御装置において、前記ねじりトルクの検出は、第１メカ部または第２メカ部に結合したトルクセンサを用いることを特徴とするものである。
請求項１２に記載の発明は、請求項１記載の機械制御装置において、前記結合部材は、ナットとボルトであることを特徴とするものである。

請求項１３に記載の発明は、結合部材を介して同軸に結合された第１メカ部と第２メカ部のトルクを制御するトルク制御装置であって、前記第1メカ部を駆動する第１モータと、前記第２メカ部を駆動する第２モータと、前記第１モータを第１指令どおりに制御する第1モータ制御部と、前記第２モータを第２指令どおりに制御する第２モータ制御部と、上位システムのコマンドによりプログラムに基づいて前記第１指令と前記第２指令を生成するコントローラと、を備えたトルク制御装置の制御方法において、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速するステップと、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１回転速度より大きい所定の速度プロファイルで変化させて前記結合部材にねじりトルクを発生させるステップと、前記ねじりトルクが所定の値に到達したら前記第２モータを第１回転速度に減速するステップと、所定時間が経過したら同期して減速停止するステップと、を備えたことを特徴とするものである。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３記載のトルク制御装置の制御方法において、請求項１３記載のトルク制御装置の制御方法の各ステップの代わりに、前記第１モータと前記第２モータを同期して加速するステップと、第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を第１速度より大きい第２速度に増速してねじりトルクを発生させるステップと、前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら「第１速度＜第３速度＜第２速度」の第３速度に減速するステップと、前記ねじりトルクが第２トルクに到達したら「第１速度＜第４速度＜第３速度」である第４速度に減速するステップと、前記ねじりトルクが第３トルクに到達したら第１速度に減速するステップと、所定時間が経過したら同期して減速停止するステップと、を備えたことを特徴とするものである。

本発明によると、結合部材を同期して回転して静止摩擦トルクの影響をなくし、結合部材の相対回転速度差を数回転／分という低速度にできるので高精度のなじりトルクを生成するトルク制御装置とその方法を提供することができる。

本発明の実施例を示すトルク制御装置のブロック図本発明のコントローラの構成を示すブロック図本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図本発明のトルク制御を説明する指令のタイムチャート本発明のトルク制御装置をシミュレーションするための構成図本発明のトルク制御装置をシミュレーションするための制御ブロック図本発明のシミュレーション結果本発明のトルク制御装置の制御方法を示すフローチャート本発明のトルク制御装置の制御方法を示すフローチャート従来例の構成を示すブロック図従来例の動作を説明する図従来例の構成を示すブロック図従来例の動作を説明する図本発明のねじりトルク検出のシミュレーション結果本発明のトルク制御装置に被接触型トルクセンサを使用したときの構成を示すブロック図

符号の説明

１共通電源
２コントローラ
３第１モータ制御部
４第２モータ制御部
５第１モータ
６第２モータ
７第１メカ部
８第２メカ部
９結合部材
１０、１１非接触型トルクセンサ
２１指令生成部
２３、２４通信部
２５プログラム
３１位置制御部
３２速度指令加算部
３３速度制御部
３４トルク指令加算部
３５電流指令生成部
３６電流制御部
３７電力変換部
３８速度信号生成部
３９通信部
５１、１１０、２２１ａモータ
５２位置検出器
１０１締付け装置
１０２ナットランナー
１０４ソケット
１０６回転軸
１０８減速機構
１１２速度検知部
１１４電流アンプ
１１６電流指令部
１１８電流制御部
１２０速度指令部
１２２全体指令部
２２２減速機
２２３ビット
２２４ねじ
２２５ＣＰＵ
２２６Ｄ／Ａ変換器
２２７電流駆動型ドライバ
２２８トルクセンサ
２３１ねじ頭
２３１ａ座面
２３２ワーク
２３３キャッチャ
２３４ねじ
２３５吸着パイプ

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のトルク制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は共通電源、２はコントローラ、３は第１モータ制御部、４は第２モータ制御部、５は第１モータ、６は第２モータ、７は第１メカ部、８は第２メカ部、９は結合部材である。コントローラ２は上位システムのコマンドに従い記憶したプログラムを実行し、第１指令と第２指令を生成する。第１モータ制御部３は第１指令に従い第１モータを制御し、第２モータ制御部４は第２指令に従い第２モータを制御する。第１モータ５は第１メカ部を駆動し、第２モータ６は第２メカ部を駆動する。結合部材７は第１メカ部７と第２メカ部８に保持されている。共通電源１は、３相交流電源を整流して直流電源を生成し、第1モータ制御部３と第２モータ制御部４に電力を供給する。

図２は、本発明のコントローラの構成を示すブロック図である。図において、２１は指令生成部、２２、２３は通信部、２４はプログラムである。通信部２２は上位システムよりコマンドを受信してレスポンスを送信する。指令生成部２１は、記憶したプログラムと上位システムのコマンドに基づいて第１モータ制御部３に対して第１指令、第２モータ制御部に対して第２指令を生成する。通信部２３は第１指令、第２指令をコマンドにのせて第１モータ制御部および第２モータ制御部へ送信し、モータ制御装置のレスポンスを受信する。第１および第２指令は、第１および第２モータ制御部が位置制御か速度制御かトルク制御かを規定する制御モード指令と、位置指令、外部速度指令、外部トルク指令を生成する。

図３は、本発明の第１モータ制御部３および第２モータ制御部４の構成を示すブロック図である。図において、３１は位置制御部、３２は速度指令加算部、３３は速度制御部、３４はトルク指令加算部、３５は電流指令生成部、３６は電流制御部、３７は電力変換部、３８は速度信号生成部、３９は通信部、５１はモータ、５２は位置検出器である。通信部３９はコントローラの生成するコマンドをシリアル通信で受信し、モータ制御部のステータスをレスポンスとして送信する。コマンドの制御モード指令により位置制御、速度制御、トルク制御のいずれかを選択する。位置制御を規定された場合、位置制御部３１は、位置指令を位置信号の差である位置偏差をＰＩＤ制御処理をして速度指令を生成する。速度指令加算部３２は、速度指令と外部速度指令を加算して新たな速度指令を生成する。

速度制御部３３は、速度指令と速度信号の速度偏差をＰＩＤ制御処理をしてトルク指令を生成する。トルク指令加算部３４は、トルク指令と外部トルク指令を加算して新たなトルク指令を生成する。電流指令部３５はトルク指令をモータのトルク定数で除算して電流指令を生成する。電流制御部３６は電流指令と電流信号の電流偏差をＰＩＤ処理をして電圧指令を生成する。電力変換部３７は、電圧指令からＰＷＭ信号を生成し、インバータを駆動する。インバータは共通電源から供給される直流電圧をＰＷＭ信号により変調電圧を生成しモータ５１に印加する。位置検出器５２はモータの位置信号を生成し、速度信号生成部３８は位置信号の時間差分をとって速度信号を生成する。

図４は本発明のトルク制御装置の特徴部分に係る位置指令の速度プロファイルを示すタイムチャートで、制御モードは位置制御モードである。ナットとボルトを回転させた状態で静止摩擦トルクの影響をなくし、ナットとボルトの相対回転速度差を数回転／分という低速で締付けることにより締付けトルクの精度を上げるのである。つまり、ナットとボルトがねじ込まれた状態でナットとボルトを所定の回転速度まで同期加速する。そして、所定の回転速度に到達したら、ナットまたはボルト側の回転速度を所定の回転速度まで加速しナットとボルト間に締付けトルクを発生させる。そして、締付けトルクが所定値になったらトルクに応じて回転速度を減速し最初の回転速度で同期させ、所定時間経過後減速停止する。

図４において、第１回転速度時間をｔとすると、第１指令と第２指令は第１回転速度までは加速度αで加速する。時刻ｔ１で第１回転速度に到達すると時刻ｔ２まで第１回転速度を維持する。時刻ｔ２で第２指令のみ加速度αで第２回転速度まで加速する。時刻ｔ３で第２回転速度に到達したら第２回転速度を維持する。トルク指令が時刻ｔ４で第１トルクに到達すると減速度βで第３回転速度まで減速する。時刻ｔ５で第３回転速度に到達すると第３回転速度を維持する。時刻ｔ６でトルク指令が第２トルクに到達すると減速度βで第４回転速度まで減速する。時刻ｔ７で第４回転速度に到達すると第４回転速度を維持する。時刻ｔ８でトルク指令が第３トルクに到達すると減速度βで第１回転速度まで減速する。時刻ｔ９で第１回転速度に到達すると第１回転速度を維持する。所定時間が経過したら減速停止する。

ねじりトルクは第1モータと第２モータの位相差にほぼ比例するので、速度プロファイルの代わりに第１モータと第２モータの位相差プロファイルを用いることもできる。第１モータと前記第２モータを同期して加速し、第１回転速度に到達したら、第２モータの回転速度を第１速度よりも増速して第１モータと第２モータの位相差を所定のプロファイルで変化させてねじりトルクを発生させる。そして、ねじりトルクが第１トルクに到達したらモータ位相差を所定プロファイルで変化させ、第３トルクに到達したらモータ位相差を固定し、所定の時間が経過したら同期して減速停止する。

次に本発明のトルク制御装置をシミュレーションした結果について説明する。図５はシミュレーションのための構成図で、結合部材は角度θまでは締付けトルク０でθを超えたらばね特性をもつとした。第１モータ側の慣性モーメントをＪ１、第２モータ側の慣性モーメントをＪ２、結合部のばね定数をＫｓとした。図６はシミュレーションに用いた制御ブロック図で、図７はシミュレーション結果である。シミュレーションの条件は、第１モータ制御部および第２モータ制御部ともに、位置制御ゲインＫｐ＝２００（ｓ−１）、速度制御比例ゲインＫｖ＝１（Ｎｍｓ／ｒ）、速度制御積分時定数Ｔｖｉ＝１０（ｍｓ）、第１モータ側慣性モーメントＪ１＝０．００１（ｋｇｍ２）、第２モータ側慣性モーメントＪ２＝０．００１（ｋｇｍ２）、結合部ばね定数Ｋｓ＝１０（Ｎｍ／ｒ）である。速度プロファイルは、第１回転速度Ｎ１＝１２６０（ｒｐｍ）、第２回転速度Ｎ２＝１３８６（ｒｐｍ）、第３回転速度Ｎ３＝１２８３（ｒｐｍ）、第４回転速度Ｎ４＝１２６８（ｒｐｍ）、角加速度α＝１３２０（ｒ／ｓ２）、β＝−１３２０（ｒ／ｓ２）である。第１トルクＴｑ１＝１１（Ｎｍ）、第２トルクＴｑ２＝１４（Ｎｍ）、第３トルクＴｑ３＝１５（Ｎｍ）である。

シミュレーション結果から明らかなように、第１モータは、第２モータが発生するトルクの反作用を受けてブレーキトルクを発生し発電機として動作する。電力変換器のインバータに供給する直流電源を共通化するのは駆動電力と発電電力をキャンセルさせるためである。

次にねじりトルクの検出について説明する。コントローラは第１モータ制御部および第２モータ制御部からトルク指令をレスポンス情報として制御時間ごとに受信しているので第１モータ制御部のトルク指令の極性反転値または第２モータ制御部のトルク指令をねじりトルク検出として用いることができる。また、第１モータ＋第１メカ部と第２モータ＋第２メカ部の慣性モーメントがほぼ同じであるなら、第２モータ制御のトルク指令から第１モータ制御のトルク指令を減算し２で除した値を用いることにより、加減速トルクが相殺されねじりトルクを検出することができる。

図１４は、図７のシミュレーション結果に第２モータ制御装置のトルク指令から第１モータのトルク指令を減算し２で除した値を追加したものである。さらに、精度のよいねじりトルクを検出したい場合は第１メカ部または第２メカ部に非接触型トルクセンサを搭載し直接ねじりトルクを検出することもできる。図１５は、非接触型トルクセンサを第１メカ部、第２メカ部に搭載した例である。ねじりトルク信号を第１モータ制御装置または第２モータ制御装置が受信し、コントローラに送信する。

図８は本発明のトルク制御装置の制御方法を示すフローチャートである。図８において、ステップＳＡ１で第１モータと第２モータを同期して加速し、ステップＳＡ２で第１回転速度に到達したら第２モータの回転速度を第１回転速度よりも大きい所定の速度プロファイルで変化させて結合部材にねじりトルクを発生させ、ステップＳＡ３でねじりトルクが所定の値に到達したら第２モータを第１回転速度まで減速し、ステップＳＡ４で所定の時間が経過したら同期して減速停止する。

図９は、他の制御方法を示すフローチャートである。図において、ステップＳＢ１で第１モータと第２モータを同期して加速し、ステップＳＢ２で第１回転速度に到達したら、第２モータの回転速度を第１速度よりも大きい第２速度に増速してねじりトルクを発生させ、ステップＳＢ３でねじりトルクが第１トルクに到達したら「第１速度＜第３速度＜第２速度」の第３速度に減速し、ステップＳＢ４でねじりトルクが第２トルクに到達したら「第１速度＜第４速度＜第３速度」である第４速度に減速し、ステップＳＢ５でねじりトルクが第３トルクに到達したら第１速度まで減速し、ステップＳＢ６で所定の時間が経過したら同期して減速停止する。

本発明によると、回転しながらトルクを制御できるので、ねじ締め装置だけではなく、モータ試験装置、機械試験装置、模擬負荷装置など試験装置にも適用できる。

Claims

結合部材を介して同軸に結合された第１メカ部と第２メカ部のトルクを制御するトルク制御装置であって、
前記第1メカ部を駆動する第１モータと、
前記第２メカ部を駆動する第２モータと、
前記第１モータを第１指令どおりに制御する第1モータ制御部と、
前記第２モータを第２指令どおりに制御する第２モータ制御部と、
上位システムのコマンドによりプログラムに基づいて前記第１指令および前記第２指令を生成するコントローラと、
を備え、
前記プログラムは、
前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、
第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を前記第１回転速度より大きい所定の速度プロファイルで変化させて前記結合部材にねじりトルクを発生させ、
前記ねじりトルクが所定値に到達したら前記第２モータを前記第１回転速度に減速し、
所定時間が経過したら同期して減速停止するように、
前記第１指令および前記第２指令を生成させる、トルク制御装置。
前記第１指令および前記第２指令は、位置制御か速度制御かトルク制御かを選択する制御モード指令と、位置指令、速度指令及びトルク指令の少なくとも一つと、を含む、請求項１記載のトルク制御装置。
前記第１モータ制御部は、
位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、
前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成するトルク制御部と、
前記トルク指令から第１モータを駆動する電力変換部と、
前記位置信号から前記速度信号を生成する速度信号生成部と、
を備え、
前記第１指令の制御モード指令に従い位置制御、速度制御、トルク制御のいずれかを選択し、
前記第１指令に従い前記第１モータを駆動する、請求項２記載のトルク制御装置。
前記第２モータ制御部は、
位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、
前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成するトルク制御部と、
前記トルク指令から第２モータを駆動する電力変換部と、
前記位置信号から前記速度信号を生成する速度信号生成部と、
を備え、
前記第１指令の制御モード指令に従い位置制御、速度制御、トルク制御のいずれかを選択し、
前記第２指令に従い第２モータを駆動する、請求項２または３記載のトルク制御装置。
前記第１モータ制御部および前記第２モータ制御部の電力変換部は、共通の直流電源に接続される、請求項３または４記載のトルク制御装置。
前記プログラムは、
前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、
前記第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を前記第１回転速度より大きい第２回転速度に増速してねじりトルクを発生させ、
前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら前記第１回転速度より大きく前記第２回転速度より小さい第３回転速度に減速し、
前記ねじりトルクが第２トルクに到達したら前記第１回転速度より大きく前記第３回転速度より小さい第４回転速度に減速し、
前記ねじりトルクが第３トルクに到達したら前記第１回転速度に減速し、
所定時間が経過したら同期して減速停止するように、
前記第１指令と前記第２指令を生成する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
前記プログラムは、
前記第１モータと前記第２モータを同期して加速し、
前記第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を前記第１回転速度より増速して、前記第１モータと前記第２モータのモータ位相差を所定のプロファイルで変化させてねじりトルクを発生させ、
前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら前記モータ位相差を所定プロファイルで変化させ、
前記ねじりトルクが第３トルクに到達したら前記モータ位相差を固定し、
所定の時間が経過したら同期して減速停止するように、
前記第１指令と前記第２指令を生成する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
前記ねじりトルクの検出は、前記第１モータ制御部のトルク指令の極性反転値を用いる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
前記ねじりトルクの検出は、前記第２モータ制御部のトルク指令を用いる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
前記ねじりトルクの検出は、前記第２モータ制御部のトルク指令から前記第１制御部のトルク指令を減算し２で除した値を用いる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
前記ねじりトルクの検出は、第１メカ部または第２メカ部に結合したトルクセンサを用いる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
前記結合部材は、ナットとボルトである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の機械制御装置。
結合部材を介して同軸に結合された第１メカ部と第２メカ部のトルクを制御するトルク制御装置の制御方法であって、
前記第1メカ部を駆動する第１モータと、前記第２メカ部を駆動する第２モータと、前記第１モータを第１指令どおりに制御する第1モータ制御部と、前記第２モータを第２指令どおりに制御する第２モータ制御部と、上位システムのコマンドによりプログラムに基づいて前記第１指令および前記第２指令を生成するコントローラと、を備えたトルク制御装置を使用して、
前記第１モータと前記第２モータを同期して加速するステップと、
第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を前記第１回転速度より大きい所定の速度プロファイルで変化させて前記結合部材にねじりトルクを発生させるステップと、
前記ねじりトルクが所定の値に到達したら前記第２モータを前記第１回転速度に減速するステップと、
所定の時間が経過したら同期して減速停止するステップと、
を備えた、トルク制御装置の制御方法。
前記ねじりトルクを発生させるステップ及び前記減速するステップは、
前記第１回転速度に到達したら、前記第２モータの回転速度を前記第１回転速度より大きい前記第２回転速度に増速してねじりトルクを発生させるステップと、
前記ねじりトルクが第１トルクに到達したら、前記第１回転速度より大きく前記第２回転速度より小さい第３回転速度に減速するステップと、
前記ねじりトルクが第２トルクに到達したら、前記第１回転速度より大きく前記第３回転速度より小さい第４回転速度に減速するステップと、
前記ねじりトルクが第３トルクに到達したら、前記第１回転速度に減速するステップと、
を備えた、請求項１３記載のトルク制御装置の制御方法。