JP6474339B2 - ブレーキの異常による駆動軸における部材の移動を停止する機械 - Google Patents

Description

本発明は、ブレーキを含むモータを備える機械に関する。

産業用ロボットや工作機械等の機械は、所定の方向に部材を移動するための駆動軸を備える。例えば、ロボットには、アームを駆動するための駆動軸を有する。ロボットのアーム同士の間の関節部が駆動軸に対応する。関節部においてアームの角度が変化することによりロボットの位置および姿勢が変化する。また、工作機械では、予め定められた駆動軸においてワークや工具が移動して、ワークに対する工具の位置が変更される。

このような駆動軸において移動する部材は、モータによって駆動される。モータには、モータの出力シャフトの回転を阻止するためのブレーキが配置されている。モータへの電力供給を遮断する場合には、ロボットの位置および姿勢や工作機械の工具またはテーブルの位置および姿勢を維持するためにブレーキが作動する。

特許第５４４４４２１号公報には、ロボットに配置されたモータのブレーキの異常を診断するブレーキ異常診断方法が開示されている。この診断方法では、モータが励磁されていて且つブレーキが作動している状態において、ブレーキに異常が在ると診断された場合には、モータの励磁を遮断することなしに、およびブレーキを解除することなしに、ブレーキの異常を通知することが開示されている。

特許第５４４４４２１号公報

機械の駆動軸には、重力が作用する駆動軸が含まれる。例えば、ロボットのアームの関節部の駆動軸では、アームの重量によりアームが鉛直方向の下向きに移動する力が作用する。ここで、ブレーキが故障するとブレーキの制動力が低下する。例えば、モータに備えられたブレーキの摩擦板にグリスや油などの付着物が付着すると、ブレーキの制動力が低下する。そして、ブレーキの制動力が低下すると、モータの励磁を停止した際に、重力が作用する駆動軸が作動する場合がある。

特に、ロボット等を緊急に停止させる事態が生じて、ロボットを非常停止する場合には、モータの励磁が停止される。ところが、ブレーキが故障していると、停止した時の姿勢を維持できなくなり、アームの一部の位置が低下してしまう場合がある。

上記の特許第５４４４４２１号公報に開示されている方法では、モータに電力を供給した状態で、定期的に異常診断を行うことができる。しかしながら、定期的な診断で異常が検出されなかった直後にブレーキが故障すると、モータへの電力供給が遮断されるためにロボットの位置および姿勢が変化する虞がある。

本発明の機械は、ブレーキを有し、駆動軸において予め定められた部材を移動させるモータと、駆動軸における部材の移動を検出する状態検出器と、ブレーキおよびモータを制御する制御装置とを備える。制御装置は、非常停止すべき状態になったときに、ブレーキを作動すると共にモータへの電力の供給を停止して部材を停止させ、部材の停止した位置を維持する非常停止制御を実施する。制御装置は、非常停止制御の期間中に、モータへの電力の供給を停止した後に状態検出器の出力により駆動軸における部材の移動を検出した場合に、部材の移動を阻止し、部材の停止した位置まで部材を戻して部材の停止した位置を維持するようにモータに電力を供給する。

上記発明においては、状態検出器は、モータの回転位置および回転速度を検出する回転位置検出器であり、制御装置は、非常停止制御の期間中に回転位置検出器の出力に基づいて、駆動軸における部材の位置が維持されていることを監視することができる。

上記発明においては、制御装置は、部材の移動を阻止するようにモータに電力を供給した後に、安全な予め定められた退避位置まで部材を移動し、部材の位置が維持されていることを監視することができる。

本発明によれば、非常停止時にモータへの電力供給を停止した場合に、ブレーキの異常による駆動軸における部材の移動を停止する機械を提供することができる。

実施の形態におけるロボットシステムの概略図である。 実施の形態におけるロボットシステムのブロック図である。 重力によるロボットのアームの移動を説明する模式図である。 実施の形態における機械の制御のタイムチャートである。 実施の形態における工作機械の概略図である。 重力による工作機械のヘッドの移動を説明する模式図である。

図１から図６を参照して、実施の形態における機械について説明する。本実施の形態の機械は、駆動軸において予め定められた部材を移動するためのモータを備える。始めにモータを備える機械としてのロボットシステムを例示して説明する。

図１は、本実施の形態におけるロボットシステムの概略図である。ロボットシステムは、ワークＷの搬送を行うロボット１と、ロボット１を制御するロボット制御装置としての制御装置２とを備える。本実施の形態のロボット１は、アーム１２と複数の関節部１３とを含む多関節ロボットである。

ロボット１は、それぞれの関節部１３を駆動するアーム駆動装置を含む。アーム駆動装置は、関節部１３の内部に配置されているモータ１４を含む。モータ１４が駆動することにより、アーム１２を関節部１３にて所望の方向に向けることができる。ロボット１は、アーム１２を支持するベース部１９と、ベース部１９に対して回転する旋回部１１とを備える。ベース部１９は、設置面２０に固定されている。旋回部１１は、鉛直方向に延びる駆動軸の周りに回転する。

ハンド１７は、ワークＷを把持したり解放したりする機能を有する。ロボット１は、ハンド１７を閉じたり開いたりするハンド駆動装置を備える。本実施の形態のハンド駆動装置は、空気圧によりハンド１７を駆動するためのハンド駆動シリンダ１８を含む。

ロボット１は、駆動軸における予め定められた部材の移動を検出する状態検出器を備える。図１に示すロボット１では、アーム１２が予め定められた部材に相当する。状態検出器は、ロボット１の位置および姿勢を検出する。本実施の形態における状態検出器は、モータ１４に取り付けられた回転位置検出器１５を含む。回転位置検出器１５は、モータ１４が駆動するときの回転位置を検出する。また、回転位置検出器１５は、回転位置に基づいて回転速度を検出することができる。それぞれのモータ１４の回転位置に基づいて、関節部１３におけるアーム１２の角度を検出することができる。

図２に、本実施の形態におけるロボットシステムのブロック図を示す。図１および図２を参照して、モータ１４は、回転シャフト、回転シャフトに固定されたロータ、およびステータを含むモータ本体３１と、モータ本体３１の回転シャフトの回転を制動するブレーキ３２とを含む。本実施の形態のブレーキ３２は、モータ本体３１の回転シャフトに摩擦板を接触させて回転数を低下させるように形成されている。ブレーキ３２としては、この形態に限られず、駆動軸における部材の移動を抑制する任意の機構を採用することができる。

ロボット１は、制御装置２の動作指令に基づいて駆動する。アーム駆動装置およびハンド駆動装置は、制御装置２により制御されている。制御装置２は、バスを介して互いに接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する演算処理装置により構成されている。制御装置２は、モータ１４を制御する動作制御部２３を含む。本実施の形態における動作制御部２３は、モータ本体３１の動作およびブレーキ３２の動作を制御する。

動作制御部２３は、移動指令をモータ駆動回路２６に送出する。モータ駆動回路２６は、電流を供給する電気回路を含む。モータ駆動回路２６は、移動指令に基づく電流をモータ本体３１に供給する。また、動作制御部２３は、ブレーキ指令をブレーキ駆動回路２７に送出する。ブレーキ駆動回路２７は、電流を供給する電気回路を含む。ブレーキ駆動回路２７は、ブレーキ指令に基づく電流をブレーキ３２に供給する。また、制御装置２は、回転位置検出器１５から出力される回転位置に関する信号を受信する。

本実施の形態における制御装置２は、ロボット１の停止信号を検出した場合に、ロボット１を停止するように形成されている。ロボット１の停止には、動作プログラムによりロボットを停止させる通常停止が含まれる。また、ロボット１の停止には、作業員やロボットの安全性を確保する為の非常停止が含まれる。

制御装置２は、非常停止すべき状態になると、ロボット１を即時に停止させる。例えば、作業者が非常停止ボタンを押すことにより、制御装置２は非常停止信号を検出する。また、ロボット１の周りにロボット１の作業領域を確保するためにフェンスが設けられている場合がある。ロボット１の自動運転の期間中にフェンスが開けられた場合に、制御装置２は非常停止信号を検出する。または、ロボット１が故障を検出した場合や、ロボット１と外部機器との通信装置を備える場合に、外部機器からの非常停止信号が入力される場合がある。

制御装置２は、このような非常停止信号を検出した場合に非常停止制御を実施する。制御装置２は、機械の異常や機械の周りの環境の異常を検出する異常検出部２４を含む。異常検出部２４は、非常停止信号を受信した場合に、非常停止すべき状態であると判別する。また、異常検出部２４は、制御装置２の故障が生じた場合などにも非常停止すべき状態であると判別する。異常検出部２４は、非常停止制御を実施する指令を動作制御部２３に送出する。

非常停止制御において、動作制御部２３は、始めに零の移動指令を出力する。ロボット１は、指令を受信した位置および姿勢で停止する。次に、動作制御部２３は、モータ１４のブレーキ３２を作動する。モータ１４の回転シャフトが固定される。次に、動作制御部２３は、モータ本体３１への電力の供給を停止してモータ本体３１を停止する。非常停止制御では、モータ本体３１を駆動しなくても、ブレーキ３２の制動力により駆動軸における部材の停止した状態が維持される。このように、ロボット１は、停止した時の位置および姿勢が維持される。

ところが、ブレーキ３２に故障等の異常が生じている場合には、ブレーキ３２の制動力が低下する。ロボット１には、常に重力が作用している。例えば、アーム１２や関節部１３には、重さに応じた重力が作用する。すなわち、ロボット１には自重による重力が作用する。または、ハンド１７がワークＷを把持している場合には、ロボット１にはワークＷの重さに応じた重力が作用する。

図３に、ブレーキの制動力が低下した時の状態を説明するロボットの模式図を示す。重力は、矢印９０に示す向きに作用している。関節部１３に配置された駆動軸には重力が作用する。このような重力が作用する駆動軸は、重力軸と称される。ブレーキ３２の制動力が低下すると、アーム１２および関節部１３等の自重により、アーム１２およびハンド１７が下側に移動する。特に、ブレーキ３２の制動力が低下したモータ１４が配置されている関節部１３からハンド１７までの間のアーム１２が、矢印９２に示すように、鉛直方向の下側に向かって移動する。

図３に示す例では、関節部１３ａに配置されたモータ１４のブレーキ３２が故障している。そして、関節部１３ａよりもハンド１７が配置されている側のアーム１２の位置が低下している。ブレーキ３２が故障するとワークＷの位置が経過時間と共に低下する。本実施の形態では、アーム１２の位置の低下を抑制する制御を実施する。

本実施の形態における制御装置２は、非常停止制御の期間中に、回転位置検出器１５の出力により駆動軸における移動を検出する。そして、制御装置２の異常検出部２４は、駆動軸における移動を検出した場合に、モータ１４に電力を供給する指令を動作制御部２３に送出する。

動作制御部２３は、モータ本体３１への電力の供給を再開する。この時に、動作制御部２３は、駆動軸においてアーム１２が停止した位置を維持するように、モータ本体３１に電力を供給する。図３に示す例においては、アーム１２の位置が低下するために、アーム１２の位置の低下を阻止するように、関節部１３ａに配置されたモータ１４に電力を供給する。そして、動作制御部２３は、関節部１３ａの駆動軸において、停止した位置を維持するように制御する。

本実施の形態における制御装置２には、非常停止をすべき状態になった時に、ブレーキ３２に異常が生じてもロボット１の安全な姿勢を維持することができる。または、ブレーキ３２に異常が生じてもワークＷやハンド１７を安全な位置に停止させておくことができる。

図４に、本実施の形態における機械の制御のタイムチャートを示す。図２および図４を参照して、時刻ｔ１までは、ロボット１は、通常の動作を実施している。例えば、予め定められた動作プログラムに基づいて自動的に駆動している。

時刻ｔ１において、制御装置２の異常検出部２４は、非常停止信号を検出している。動作制御部２３は、非常停止制御を実施する。動作制御部２３は、ロボット１のアーム１２の移動を停止する。モータ１４に電力が供給されることにより、停止した状態でロボット１の位置および姿勢が維持されている。時刻ｔ１よりも後の時刻ｔ２において、動作制御部２３は、ブレーキ３２を解除状態から作動状態に変更している。すなわち、ブレーキ３２を作動させている。そして、時刻ｔ３において、動作制御部２３は、モータ１４を停止している。すなわち、モータ本体３１への電力の供給を停止している。

ところが、時刻ｔ４において、回転位置検出器１５から検出される位置が正常な位置から異常な位置に変化している。異常検出部２４は、アーム１２が停止した位置から低下する方向に移動したことを検出している。例えば、異常検出部２４は、停止した位置から予め定められた判定値を超えてモータ１４の回転角が変化したことを検出している。

そこで、動作制御部２３は、時刻ｔ５において、モータ本体３１の駆動状態を停止状態から駆動状態に変更している。すなわち、動作制御部２３は、再びモータ本体３１を駆動して、ロボット１の位置および姿勢を維持している。

図４に示す例では、時刻ｔ５以降において、動作制御部２３は、ブレーキ３２の制動力が低下してアーム１２が僅かに動いた後のロボットの位置および姿勢を維持している。モータ１４の制御としては、この形態に限られず、動作制御部２３は、僅かに動く前の位置までアーム１２を戻すようにモータ１４を制御しても構わない。または、動作制御部２３は、安全な予め定められた退避位置まで部材を移動し、その部材の位置を維持するようにモータ１４を制御しても構わない。

このように、本実施の形態におけるロボットシステムは、ブレーキに異常が生じてもロボットの安全な位置および姿勢を維持することができる。

ところで、本実施の形態の回転位置検出器１５は、モータ１４の回転位置に加えてモータ１４の回転速度を検出することができる。回転位置検出器１５は、モータ１４の回転シャフトの回転角、すなわちモータ１４の回転位置を検出することができる。そして、モータ１４の回転位置に基づいて、単位時間における回転角の差分、すなわち、回転速度を算出することができる。

本実施の形態の異常検出部２４は、非常停止制御の期間中に、回転位置検出器１５の出力により検出されるモータ１４の回転位置またはモータ１４の回転速度に基づいて、駆動軸におけるアーム１２の位置が維持されていることを監視することができる。特に、時刻ｔ５以降の期間において、駆動軸におけるアーム１２の位置が維持されていることを監視できる。モータ１４の回転位置に関しては、異常検出部２４は、モータ１４の回転位置が動いていないことを監視している。また、モータ１４の回転速度に関しては、異常検出部２４は、モータ１４の回転速度が零であることを監視している。

そして、モータ１４の回転位置および回転速度のうち少なくとも一方が異常である場合には、時刻ｔ５において、モータ本体３１に電力を供給する制御を実施することができる。また、時刻ｔ６において、モータ１４の回転位置および回転速度に異常が生じた場合には、例えば制御装置２の表示部に警告を表示すると共に任意の制御を行うことができる。任意の制御としては、例えば、図４に示す様に、時刻ｔ７においてモータ本体３１への電力供給を停止する制御である。このように、モータ本体３１に電力の供給を再開した後にも、モータ１４の回転位置および回転速度を監視することにより、安全な位置および姿勢を維持することができる。モータ１４の回転位置および回転速度に異常が生じ、安全な位置および姿勢の維持ができない状態になった場合は、警告を表示すると共に任意の制御を行う等により安全な状態に移行することができる。

次に、モータを備える機械として、工作機械を例示する。図５は、本実施の形態における工作機械の概略図である。本実施の形態では、複数の駆動軸を有する工作機械７１を例示して説明する。工作機械７１は、ワークＷ１が固定されるテーブル７２と、基台７７とを備える。工作機械７１は、基台７７に固定された支柱７３を備える。工作機械７１は、支柱７３に対して矢印９３に示す方向に移動するヘッド７４を備える。工具Ｔは、ヘッド７４に支持されている。

本実施の形態の工作機械７１は、数値制御式である。工作機械７１は、ワークＷ１に対する工具Ｔの相対位置および姿勢を変化させる駆動装置を含む。本実施の形態の駆動装置は、矢印９１に示すＸ軸の方向に基台７７を移動する。駆動装置は、矢印９２に示すＹ軸の方向にテーブル７２を移動する。駆動装置は、矢印９３に示すＺ軸の方向にヘッド７４を移動する。更に、駆動装置は、矢印９４に示す様にヘッド７４に対して工具ＴをＡ軸の方向に回動させる。これらの、３つの直動軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）および１つの回動軸（Ａ軸）が駆動軸に相当する。

駆動装置は、それぞれの駆動軸において、予め定められた部材を移動させるためのモータを備える。例えば、駆動装置は、支柱７３に対してヘッド７４をＺ軸の方向に駆動するためのモータ１４を含む。それぞれの駆動軸に対応したモータ１４は、回転シャフトの回転を制動するためのブレーキ３２を含む。また、モータ１４には、状態検出器としての回転位置検出器１５が取り付けられている。

工作機械の駆動軸においてヘッド等の部材を移動させるモータに対しても、本実施の形態の制御を実施することができる。工作機械の制御装置の構成は、図２に示したロボットシステムと同様である。制御装置２は、動作制御部２３と異常検出部２４とを含む。動作制御部２３は、ワークＷ１に対する工具Ｔの相対位置および姿勢を制御する。駆動装置にて相対位置および姿勢を変更しながらワークＷ１を加工する。そして、モータ本体３１は、モータ駆動回路２６を介して動作制御部２３に制御されている。ブレーキ３２は、ブレーキ駆動回路２７を介して動作制御部２３に制御されている。

工作機械７１は、予め定められた動作プログラムにより自動的に加工を行うことができる。そして、制御装置２は、非常停止をすべき状態になったときに、非常停止制御を実施する。この時に、ブレーキの故障等により、ブレーキの制動力が低下する場合がある。

図６に、ブレーキの制動力が低下した時の状態を説明する工作機械の模式図を示す。工作機械７１においても、矢印９０に示すように重力が作用する。例えば、支柱７３に対してヘッド７４をＺ軸の方向に駆動する駆動軸には重力が作用する。そして、ブレーキの制動力が低下していると、非常停止制御の期間中に、ヘッド７４の位置が徐々に低下する。制御装置２は、回転位置検出器１５の出力によりＺ軸におけるヘッド７４の移動を検出した場合に、ヘッド７４の移動を阻止するように、モータ１４に電力を供給する制御を実施することができる。

このように、工作機械においても、ロボットシステムと同様の停止時の制御を行うことができる。その他の構成、作用および効果は、前述のロボットシステムと同様である。

本実施の形態における状態検出器は、それぞれのモータ１４に取り付けられた回転位置検出器であるが、この形態に限られず、状態検出器は、駆動軸における移動を検出可能な任意の検出器を採用することができる。例えば、駆動軸が直線移動する軸である場合には、状態検出器は、リニアスケールを含んでいても構わない。

本実施の形態においては、モータを備える機械として、多関節ロボットおよび工作機械を例示して説明したが、この形態に限られず、モータを備える任意の機械に本発明を適用することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１ ロボット
２ 制御装置
１２ アーム
１３，１３ａ 関節部
１４ モータ
１５ 回転位置検出器
２３ 動作制御部
２４ 異常検出部
３１ モータ本体
３２ ブレーキ
７１ 工作機械
７４ ヘッド
Ｗ，Ｗ１ ワーク

Claims (2)

1. ブレーキを有し、駆動軸において予め定められた部材を移動させるモータと、
   前記駆動軸における前記部材の移動を検出する状態検出器と、
   前記ブレーキおよび前記モータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、非常停止すべき状態になったときに、前記ブレーキを作動すると共に前記モータへの電力の供給を停止して前記部材を停止させ、前記部材の停止した位置を維持する非常停止制御を実施し、前記非常停止制御の期間中に、前記モータへの電力の供給を停止した後に前記状態検出器の出力により駆動軸における前記部材の移動を検出した場合に、前記部材の移動を阻止し、前記部材の停止した前記位置まで前記部材を戻して前記部材の停止した前記位置を維持するように前記モータに電力を供給することを特徴とする、機械。
2. 前記状態検出器は、前記モータの回転位置および回転速度を検出する回転位置検出器であり、
   前記制御装置は、前記非常停止制御の期間中に前記回転位置検出器の出力に基づいて、駆動軸における前記部材の位置が維持されていることを監視する、請求項１に記載の機械。

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