JP5746308B2 - ブレーキ落下量を低減する機能を備えたサーボ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、重力軸のブレーキ時の落下量を低減する機能を備えたサーボ制御装置に関する。

工作機械や産業機械の送り軸等をサーボモータで駆動する構成において、サーボモータにより駆動される軸が外力、特に重力が作用する軸（以下、重力軸と称する）である場合、該サーボモータへの動力が遮断されて重力軸が非制御状態となると、該重力軸は重力により落下することになる。

重力軸の落下に関連する技術として、例えば特許文献１には、サーボモータにより駆動される機械が非常停止時や停電時にあるときに、該機械の重力軸を所定量だけ上昇させる指令を出力し、かつ、ブレーキ装置によって該重力軸にブレーキをかける指令を出力するように構成されたサーボモータの制御装置が記載されている。

また特許文献２には、クレーン車両等の旋回式作業機械において、複数の歯車を介して電動機によって負荷軸を駆動する場合に、歯車同士のバックラッシによる影響を低減するために、該電動機の減速時や反転時に、一方の歯車がバックラッシ幅に相当する距離を移動する際に要する時間に相当する所定時間が経過するまでの間、該電動機の出力トルクを制限するサーボ制御システムが記載されている。

特開２００３−１３１７０１号公報 特開２０１０−２１５３６９号公報

特許文献１に記載の発明の主たる目的は、重力軸にブレーキをかけたときの該重力軸の落下を防止することである、とされている。しかし特許文献１では、ブレーキ時にモータの制御による停止からメカニカルブレーキによる停止へ切り換えるときに、重力軸の落下量より大きい量だけ重力軸を予め上昇させてからメカブレーキが作動する。従って特許文献１では、重力軸の落下量自体は低減されない。

一方、特許文献２に記載の発明は、バックラッシに起因する振動、騒音、機械寿命の低下を抑えることを目的としており、重力軸の落下量の低減を企図したものではない。また特許文献２には、第２の歯車がバックラッシ幅に相当する距離だけ移動する際の所要時間が経過するまで電動機のトルクを制限する旨の記載はあるが、該トルクを具体的にどのように値に制限するかは言及されていない。

そこで本発明は、工作機械や産業機械等の機械が有する重力軸のブレーキ時の落下量を低減する機能を備えたサーボ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、工作機械又は産業機械の重力軸を駆動するサーボモータの制御を行うサーボ制御装置であって、前記重力軸を保持するための、バックラッシを有するメカニカルブレーキに対し、ブレーキ作動信号及びブレーキ解除信号を出力可能に構成されたブレーキ信号出力部と、前記サーボモータの位置制御のためのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、前記トルク指令作成部が作成したトルク指令値を制限するためのトルク制限値を作成するトルク制限値作成部と、を備え、前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力した後に、前記トルク制限値を、重力相当のトルクよりも大きい第１の値から、重力相当のトルクよりも小さい第２の値に連続的に減少させることを特徴とする、サーボ制御装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力してから前記メカニカルブレーキが作動するまで待機した後に、前記トルク制限値を減少させる、サーボ制御装置を提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記第２の値はゼロである、サーボ制御装置を提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記第１の値は、前記トルク制限値が減少を開始する直前のトルク指令値である、サーボ制御装置を提供する。

本発明によれば、ブレーキ時の重力軸の落下速度を低下させることによって、該重力軸とメカニカルブレーキとの衝突により生じる振動や騒音が抑制されるとともに、該重力軸の落下量を低減させ、該重力軸を含む工作機械や産業機械の動作精度を向上させることができる。

本発明が適用可能な重力軸及びメカニカルブレーキの概略構造を示す図である。 図１のメカニカルブレーキのバックラッシ部分での重力軸及び摩擦板の挙動を説明する図である。 図２の動作に関連し、従来のサーボ制御装置を用いた場合のサーボモータのトルク、並びに重力軸の速度及び位置の時間変化を示すグラフである。 本発明に係るサーボ制御装置の概略構成を、重力軸を含む機械の概略構成とともに示すブロック図である。 本発明のサーボ制御装置を用いた場合の、サーボモータのトルク、並びに重力軸の速度及び位置の時間変化を示すグラフである。

図１は、本発明が適用可能な、バックラッシを有する一般的なメカニカル（機械式）ブレーキの概略構造を示す図である。メカニカルブレーキ２は、工作機械又は産業機械の送り軸等の、図示しないサーボモータによって駆動される軸（シャフト）４と一体的に回転可能な摩擦板６と、摩擦板６に接離可能に構成されたブレーキパッド８とを有し、ブレーキパッド８が摩擦板６を挟むことにより、摩擦板６に所定の保持力が作用するようになっている。一方、シャフト４と摩擦板６とは、破線１０で囲まれた拡大部分に示すように、例えば凹凸構造によって互いに係合しているので、摩擦板６が停止すればシャフト４も停止する。但し、シャフト４と摩擦板６との間（図示例のような凹凸構造）には構造上、所定のバックラッシ１２が存在する。また、シャフト４と摩擦板６との間のバックラッシ１２の他に、ブレーキパッド８とブレーキパッド８の固定具（図示せず）との間にバックラッシが存在する場合がある。

図２（ａ）〜（ｄ）は、図１のメカニカルブレーキ２のバックラッシ部分でのシャフト４及び摩擦板６の従来の挙動を説明しており、図３は、図２の動作におけるサーボモータのトルク、並びにシャフトの速度及び位置の時間変化を示すグラフである。シャフト４は、重力が作用する重力軸であり、その停止動作を行う際は、サーボモータのトルクによる停止（サーボ制御による停止）からメカニカルブレーキ２による停止に切り換えられる。具体的には、先ず図２（ａ）及び図３の（ａ）部に示すように、シャフト４を駆動するサーボモータがサーボ制御によって停止しているときは、シャフト４はサーボモータの保持トルクによって定位置に保持される一方、摩擦板６はバックラッシ１２内の自由な位置にある。ここで、メカニカルブレーキ２を作動させる（ブレーキパッド８が摩擦板６を挟む）と、摩擦板６はその位置（バックラッシ内の自由な位置）でロックされることになる（図２（ｂ）及び図３の（ｂ）部）。

次に、シャフト４を停止させる手段をサーボモータからメカニカルブレーキ２に切り換えるために、サーボモータへの動力を遮断する（サーボ制御をオフにする）と、サーボモータのトルクが不連続に０になり、重力によりシャフト４がバックラッシ１２内で下方に加速し、バックラッシ幅以内の距離（図３のＬ１）落下する（図２（ｃ）及び図３の（ｃ）部）。

ここで、例えば図２（ｃ）に示すように、シャフト４の凸部１４が摩擦板６のバックラッシ端（肩部）１６に衝突することにより、摩擦板６がブレーキパッド８に対して下方に滑る（例えば図３のＬ２だけさらに落下する）ことがあり、これに伴ってシャフト４もさらに下方に落下する。このような挙動により、従来は、図２（ｄ）及び図３の（ｄ）部に示すように、ブレーキ時に重力軸が比較的大きな落下量を伴って停止し、該重力軸を含む工作機械や産業機械の精度悪化の要因となっていた。

そこで本発明に係るサーボ制御装置は、図４に示すような構成を有する。サーボ制御装置２０は、工作機械又は産業機械等の機械２２が有する送り軸等の、重力が作用する重力軸４を駆動するサーボモータ２４の制御を行うように構成されており、重力軸４を保持（停止）させるためのメカニカルブレーキ２に対し、ブレーキ２を作動させるブレーキ作動信号及びブレーキ２を解除するブレーキ解除信号を出力可能に構成されたブレーキ信号出力部２６と、サーボモータ２４の位置制御のためのトルク指令値を作成するトルク指令作成部２８と、トルク指令作成部２８が作成したトルク指令値を制限するためのトルク制限値を作成するトルク制限値作成部３０と、を備え、トルク制限値作成部３０は、ブレーキ信号出力部２６がブレーキ作動信号を出力した後に、トルク制限値を、重力相当のトルクよりも大きい第１の値から、重力相当のトルクよりも小さい第２の値に連続的に減少させる。

次に、図３に類似する図５を参照しつつ、本発明に係るサーボ制御装置２０の作用について説明する。図２を用いて説明したように、シャフト４は、重力が作用する重力軸であり、その停止動作を行う際は、サーボモータのトルクによる停止（サーボ制御による停止）からメカニカルブレーキ２による停止に切り換えられる。具体的には、先ず図２（ａ）及び図５の（ａ）部に示すように、シャフト４を駆動するサーボモータ２４がサーボ制御によって停止しているときは、シャフト４はサーボモータ２４の保持トルクによって定位置に保持される一方、摩擦板６はバックラッシ１２内の自由な位置にある。ここで、サーボ制御装置２０のブレーキ信号出力部２６からのブレーキ作動信号によって、メカニカルブレーキ２を作動させる（ブレーキパッド８が摩擦板６を挟む）と、摩擦板６はその位置（バックラッシ内の自由な位置）でロックされることになる（図２（ｂ）及び図５の（ｂ）部）。

次に、シャフト４を停止させる手段をサーボモータ２４からメカニカルブレーキ２に切り換える際に、本発明では、サーボモータ２４への動力を遮断する（サーボ制御をオフにする）のではなく、サーボ制御装置２０のトルク制限値作成部３０が、サーボモータ２４のトルク指令値を制限するためのトルク制限値を、シャフト４に作用する重力相当のトルクよりも大きい第１の値から、該重力相当のトルクよりも小さい第２の値に、連続的に減少（単調減少）させる。

図５の例では、第１の値に相当するトルクは、ブレーキ２が作動していなくても重力相当のトルクによってシャフト４が落下しないトルク（保持トルク）であり、この第１の値からトルク制限値を徐々に減少させていくと、トルク制限値が重力相当のトルクを下回った瞬間（図５にて「落下開始」と表記）にシャフト４は落下を開始する。しかし、本発明では、サーボモータ２４のトルクはその後も徐々に減少していくので、従来（図３の（ｃ）部）のようにシャフト４の落下速度は急激には上昇せず、シャフト４は比較的低速でバックラッシ１２内を移動することになる（図５の（ｃ１）部）。

従って、本発明では、図２（ｄ）に示したような摩擦板６の落下（スリップ）は発生せず、図２（ｃ）に示した状態が維持される。つまり本発明では、重力軸４の落下速度（加速度）が従来よりも大幅に低減されるので、重力軸４が摩擦板６に接触しても、摩擦板６はブレーキパッド８に対してスリップするような衝撃を受けず、故に重力軸の落下量は、バックラッシ幅に相当する距離以内（Ｌ１）に限定される（図５の（ｃ２）部）。従って本発明によれば、ブレーキ時の重力軸の落下に伴う振動や騒音が抑制されるとともに、該重力軸を含む工作機械や産業機械の動作精度が向上する。

なお本発明において、トルク制限値を第１の値から第２の値に減少させるまでの時間（すなわち図５における「トルク制限値の減少開始」から「サーボ制御オフ」までの時間）に特段の制約はないが、５０ｍｓ〜５００ｍｓ（ミリ秒）が好ましい。

トルク制限値作成部３０は、ブレーキ信号出力部２６がブレーキ作動信号を出力した直後にトルク制限値を減少させるのではなく、図５の（ｂ）部に示すように、メカニカルブレーキ２が作動信号を受信してから実際に作動するまでの時間が経過してから、すなわちブレーキ信号出力部２６がブレーキ作動信号を出力してからメカニカルブレーキ２が作動するまで待機した後に、トルク制限値を減少させることが好ましい。これにより、重力軸の落下量をより確実に低減することができる。

図５の（ｃ２）部に示すように、重力相当のトルクよりも小さい第２の値は、ゼロとしてもよい。これにより、サーボモータ２４のトルクが不連続に変化することを確実に防止することができる。但し、バックラッシ内での重力軸４の移動（落下）が終了した後（図５の（ｃ２）部）は、第２の値がゼロとなる前にサーボ制御をオフにしてもよい。

また第１の値は、重力相当のトルクより大きい値であればどのような値でもよいが、トルク制限値が減少を開始する直前のトルク指令値（図５の例では保持トルク）としてもよい。これにより、重力軸４の挙動をより円滑にすることができる。

２ メカニカルブレーキ
４ 重力軸
６ 摩擦板
８ ブレーキパッド
１２ バックラッシ
２０ サーボ制御装置
２２ 機械
２４ サーボモータ
２６ ブレーキ信号出力部
２８ トルク指令作成部
３０ トルク制限値作成部

Claims (4)

1. 工作機械又は産業機械の重力軸を駆動するサーボモータの制御を行うサーボ制御装置であって、
   前記重力軸を保持するための、バックラッシを有するメカニカルブレーキに対し、ブレーキ作動信号及びブレーキ解除信号を出力可能に構成されたブレーキ信号出力部と、
   前記サーボモータの位置制御のためのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
   前記トルク指令作成部が作成したトルク指令値を制限するためのトルク制限値を作成するトルク制限値作成部と、を備え、
   前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力した後に、前記トルク制限値を、重力相当のトルクよりも大きい第１の値から、重力相当のトルクよりも小さい第２の値に連続的に減少させることを特徴とする、サーボ制御装置。
2. 前記トルク制限値作成部は、前記ブレーキ信号出力部がブレーキ作動信号を出力してから前記メカニカルブレーキが作動するまで待機した後に、前記トルク制限値を減少させる、請求項１に記載のサーボ制御装置。
3. 前記第２の値はゼロである、請求項１又は２に記載のサーボ制御装置。
4. 前記第１の値は、前記トルク制限値が減少を開始する直前のトルク指令値である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。

Images