JP7399108B2 - モーションコントローラ - Google Patents
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Description
加速度センサにより計測された振動データは、回転計で検出した回転数を用いてFFT(Fast Fourier transform)アナライザで周波数解析などされる。そして、この解析結果に基づいて、パソコンなどの演算装置や人間が、機械装置に異常が発生しているか否かを判定する。
前記機械装置に設置した外部センサにより計測されたデータを収集するデータ収集部と、
前記機械装置の動作制御に用いる制御情報を取得する情報取得部と、
前記データ収集部により収集された計測データ、及び、前記情報取得部により取得された前記制御情報に基づいて、前記機械装置の異常を検知する異常検知部と、
前記外部センサが接続される信号端子と、
マイコンとFPGAと、
を備え、
前記外部センサが計測するデータは、前記機械装置の振動に関するデータを含み、
前記制御情報は、前記機械装置を駆動するモータの位置情報及び速度情報と、前記機械装置に対するモーション指令情報とを含み、
前記データ収集部は、前記モータの位置情報及び速度情報、又は、前記モーション指令情報に基づいて、前記計測データを収集し、
前記マイコンには、モーション指令を生成するモーション制御部が実装され、
前記FPGAには、前記データ収集部及び前記異常検知部が実装されている。
図1は、本実施形態における射出成形機1を示す図である。
この図に示すように、本実施形態における射出成形機1は、当該射出成形機1の装置本体10と、装置本体10を制御するための制御ユニット200とを備えている。なお、図1では、制御ユニット200の概略構成を示している。
なお、以下では、型締用モータ57、射出用モータ86、計量用モータ83、可塑化移動用モータ22、エジェクト用モータ72を、第1モータ110A~第nモータ110Xと記載する。
制御ユニット200は、モーションコントローラ201と、複数のモータドライバ100A~100Xとを備えている。
モーションコントローラ201は、射出成形機1(装置本体10)の動作を制御するものである。具体的に、モーションコントローラ201は、所定の制御プログラムに従って射出成形機1の複数のモータドライバ100A~100Xにモーション指令(具体的には速度指令)を出力する。モーション指令とは、射出成形機1(装置本体10)の動作を制御するための制御指令であって、射出や型締めなどの各工程の順番や作業時間といった、射出成形機1の一連の動作の情報を含むものである。モーションコントローラ201の詳細な制御構成については後述する。
複数のモータドライバ100A~100Xは、モーションコントローラ201からのモーション指令に基づいて、第1モータ110A~第nモータ110Xの各々に電力を出力し、これら各モータを駆動する。また、モータドライバ100A~100Xは、各モータの位置・速度応答の情報を、第1モータ110A~第nモータ110Xの位置を検出するエンコーダ120A~120X(図2参照)から取得し、モーションコントローラ201に出力する。
これらにより、射出成形機1の各部が連携して動作し、所定の成形処理が実行される。
なお、図1では、モーションコントローラ201がモータドライバ100A~100Xをシリアル制御する状態を示しているが、モーションコントローラ201がモータドライバ100A~100Xと個別に通信するパラレル制御を行うこととしてもよい。
図2は、制御ユニット200の全体構成を示す図である。
この図に示すように、制御ユニット200には、モーションコントローラ201及び複数のモータドライバ100A~100Xのほか、複数の外部センサ140と、HMI(Human Machine Interface)160とが設けられている。
モーションコントローラ201は、アナログ入力ユニット210のものも含め、複数の信号端子(ポート)を備える。このポートは、シリアル通信用、アナログ信号用、I/O用の3種類のものを含む。シリアル通信用のポートは、例えばエンコーダ入力に用いられる。アナログ信号用のポートは、例えばタイバーセンサ(ひずみ計測)やロードセル射出圧の入力に用いられる。I/O用のポートは、例えばドア開閉判断用スイッチや各種リミットスイッチ等に用いられる。これら3種類のポートは、それぞれ複数設けられ、装置本体10の動作制御に通常必要な数量(例えば、一般的な射出成形機のモータ数や計測諸量の合計)よりも多く設けられる。
なお、外部センサ140の種別は、本実施形態のものに限定されず、例えばジャイロセンサや歪ゲージなどを含んでいてもよい。
なお、ユーザがモーションコントローラ201を操作等するためのインターフェースは、モーションコントローラ201又は装置本体10に設けられたものでもよいし、通信接続されたタブレットなどの携帯端末であってもよい。
図3は、モーションコントローラ201の制御構成を示すブロック図である。なお、図3では、主に射出成形機1(装置本体10)の異常を検知するためのモーションコントローラ201の制御構成を示している。
この図に示すように、モーションコントローラ201は、エンコーダ受信回路220と、外部センサ受信回路230と、FPGA(Field Programmable Gate Array)240と、マイコン250とを備えて構成されている。
外部センサ受信回路230は、外部センサ140a~140cから出力されたそれぞれの計測信号を受け付ける。この外部センサ受信回路230は、外部センサ140ごとに設けられていてもよい。
外部センサ計測システム242は、外部センサ受信回路230が受信した外部センサ140a~140cからの計測信号に基づいて、計測された物理量(本実施形態では、加速度、音、圧力)の情報を取得し、この計測値の情報をデータ収集システム243に出力する。外部センサ計測システム242では、ノイズを除去するフィルタ処理を行うこととしてもよい。
出力部245は、異常検知システム244から受けた異常検知結果を、外部機器などに適宜出力する。また、異常検知結果をモーションコントロールシステム251にも出力することとし、異常が発生した場合に、モーションコントロールシステム251が各モータのトルクや速度を制限するようにしてもよい。
モーションコントロールシステム251は、位置・速度計測システム241から出力された各モータの速度・位置情報に基づいて、各モータを制御するための速度指令を生成する。装置本体10を動作制御する場合には、この速度指令がモータドライバ100A~100Xに出力される。
続いて、ユーザによる異常検知内容の設定について説明する。
図4は、モーションコントローラ201における異常検知処理の流れを説明するためのブロック図である。
なお、4つの機能ブロックのうち、データ収集ブロック261が上述の位置・速度計測システム241と外部センサ計測システム242とデータ収集システム243に対応し、データ前処理ブロック262及びデータ処理ブロック263が上述の異常検知システム244に対応し、データ出力ブロック264が上述の出力部245に対応している。
収集されるデータは、モーションコントロールシステム251からの制御データ、内蔵センサであるエンコーダ120A~120Xからの各モータの位置・速度データ、外部センサ140からの加速度、音、圧力/力などである。また、内蔵センサからのデータとして、モータドライバ100A~100Xからモータ電流、モータ電圧、内部温度を取得できるようにしてもよい。
処理を行うタイミングは、モーションコントロールシステム251からのトリガによる。
処理を行う周期は、例えば、1ms、10msピッチなどで設定可能である。
ここでの処理内容は、デジタルフィルタ(ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、平滑化など)、積算、周波数変換や、ユーザによるカスタム処理である。
処理を行うタイミングは、モーションコントロールシステム251からのトリガによる。
処理を行う周期は、例えば、1ms、10msピッチなどで設定可能である。
ここでの処理内容は、閾値の設定や、ユーザによるカスタマイズ設定である。カスタマイズ設定では、例えば既知の故障モードとの比較などにより、故障の予測を行うこととしてもよい。また、機械学習を用いて異常を検知できるようにしてもよい。
処理を行うタイミングは、モーションコントロールシステム251からのトリガによる。
処理を行う周期は、例えば、1ms、10msピッチなどで設定可能である。
出力先には、外部機器やアラーム通知などを選択できる。また、モーションコントロールシステム251に結果を出力して、異常が検知された場合に所定の動作(装置本体10の停止や各モータの減速など)を実行させることができる。
処理を行うタイミングは、モーションコントロールシステム251からのトリガによる。
処理を行う周期は、例えば、1ms、10msピッチなどで設定可能である。
続いて、上述した異常検知内容の設定について、具体例を挙げて説明する。
本実施形態のモーションコントローラ201では、ユーザがHMI160から所定の設定プロブラムの実行操作を行うことにより、異常検知内容を簡便に設定できる簡易モードと、詳細に設定できる詳細モードとを選択できるようになっている。
まず、アナログ入力ユニット210のポートに新たなセンサが接続されると、例えば所定の操作に基づいて、このセンサ信号にアドレスやIDが割り振られる。HMI160のディスプレイ161上には、ポートに接続された複数のセンサ信号に対応した複数のタブが表示され、タブを操作・選択することでこのタブに対応したセンサ信号の波形(例えば生波形)が表示される。タブ上には、対応するセンサ信号のアドレスやIDが表示される。ディスプレイ161上に表示させるタブは適宜選択(追加や削除)できる。また、複数のタブが複数のページに分割され、ディスプレイ161上に表示させるページを選択できるようにしてもよい。
図5は、簡易モードの設定画面例を示す図である。
簡易モードでは、データ前処理は行われず、データ処理は閾値による判定となっている。
ユーザが簡易モードを選択すると、図5に示すように、マイコン250(又はFPGA240上のCPU)が、簡易設定リストLsをHMI160のディスプレイ161に表示させる。
具体的に、簡易設定リストLsには、区間選択ボタンB1、計測対象選択ボタンB2、閾値設定ボタンB3、出力先選択ボタンB4、状態表示欄B5、開始・停止ボタンB6が表示される。
計測対象選択ボタンB2では、ユーザが計測対象の物理量(例えば、加速度、音、圧力、電流など)を選択する。同じ区間の同じ計測対象が複数ある場合には、そのチャンネル番号も選択する。なお、ここでは、単にアナログ入力ユニット210の端子ch番号を選択することとしてもよい。
閾値設定ボタンB3では、ユーザが、異常と判定する閾値を設定する。単位は計測対象選択ボタンB2で選択した計測対象の物理量によって決まる。閾値はユーザが任意に設定できる。閾値には、単なるレベルではなく、単位時間当たりの変動量、基準レベルに対する時間的平均値、変化量、変化率等の様々な物理量を設定できる。
状態表示欄B5には、異常検知処理の実行状態が表示される。本実施形態では、異常検知を実行している「監視中」、異常検知を停止している「停止中」、何らかの要因により異常検知を行えない「調整中」の、いずれかが表示される。
開始・停止ボタンB6では、ユーザ操作により「START」、「STOP」、「AUTO」(自動調整開始)がドロップダウンリストで表示され、異常検知処理の開始、停止、自動調整開始を選択できるようになっている。ただし、この選択結果は開始・停止ボタンB6上には表示されない。また、開始・停止ボタンB6は、例えば調整中などのために処理を開始できない場合に、色がグレーなどに変わり、操作を受け付けない状態となる。
図6は、詳細モードの設定画面例を示す図である。
ユーザが詳細モードを選択すると、図6に示すように、マイコン250(又はFPGA240上のCPU)が、詳細設定リストLdをHMI160のディスプレイ161に表示させる。
具体的に、詳細設定リストLdには、簡易設定リストLsと同様の区間選択ボタンB1、計測対象選択ボタンB2、出力先選択ボタンB4、状態表示欄B5、開始・停止ボタンB6が表示されるほか、データ前処理選択ボタンB7と、データ処理選択ボタンB8とが表示される。
データ処理選択ボタンB8では、ユーザがデータ処理の内容を選択する。データ処理の内容は、例えば所定の数値の閾値による異常判定などが、ユーザにより別途設定できるようになっている。選択されたデータ処理名がボタン上に表示される。
なお、閾値の設定は、HMI160のディスプレイ161上にセンサ信号の波形を表示させた状態で(すなわち装置本体10の正常運転時に)、この波形に対して閾値のラインを設定できるようにしてもよい。この場合の閾値は、ユーザが任意に設定できてもよいし、センサ信号の数値(例えば最大値)に応じて自動で設定されてもよい。
続いて、異常検知処理を実行する際のモーションコントローラ201の動作について、具体例を示して説明する。
まず、モータなどの回転機器のガタによる振動を加速度センサ140bで検出して、異常を検知する場合について説明する。
図7A~図7Dは、異常検知処理における振動データの処理例を示す図である。
図7Aに示すように、ガタのある回転機器では、周期的に大きくなる振動データが得られる。
モーションコントローラ201では、この振動データを取得するとともに、位置・速度情報を取得し、この情報に基づいて振動データを収集する周期を決定する。
そして、収集した振動データが、予め設定された閾値を超えた場合に、異常が発生したと判定する。このとき、図7Bに示すように、振動データの単純な時間応答波形に対して閾値を設定して異常を検知してもよいし、図7Cに示すように、振動データの周波数解析を行い、その結果に対する閾値を設定して異常を検知してもよい。あるいは、図7A、Dに示すように、振動の生波形を包絡線処理(エンベロープ解析)したものに対して周波数解析を行い、その結果に対する閾値を設定して異常を検知してもよい。
これにより、移動位置と振動との相関、ひいては移動位置と異常発生タイミングとの相関を、明らかにすることができる。
次に、射出成形機1の特定の軸(例えば型締軸)の動作音をマイクロホン140cで検出して、異常を検知する場合について説明する。
図8は、射出成形機1の作動サイクルにおける運転音の発生を示すタイムチャートである。なお、型締軸とは型締用モータ57により駆動される軸であり、射出軸とは射出用モータ86により駆動される軸である。
この図に示すように、射出成形機1を作動させると、型締軸等が動作する区間「型閉」、「型開」や、射出軸等が動作する区間「射出」において、大きな運転音が発生する。
モーションコントローラ201では、予め持っている装置本体10のモーション指令情報に基づいて、型締軸が動作する区間「型閉」と「型開」のみを対象として、運転音データを収集する。
そして、収集した運転音データが、この区間「型閉」と「型開」に対して予め設定された閾値を超えた場合に、異常が発生したと判定する。図8の例では、N回目の運転音データにおいて異常が発生している。なお、閾値は、予め保存しておいた正常時の運転音よりも所定値だけ大きい値として設定してもよい。
以上のように、本実施形態によれば、射出成形機1(装置本体10)の動作を制御するモーションコントローラ201が、外部センサ140により計測されたデータを収集し、この計測データと装置本体10の動作制御用の制御情報とに基づいて、装置本体10の異常を検知する。
すなわち、装置本体10を制御するためにモーションコントローラ201が持っている制御情報(各モータの位置・速度情報やモーション指令情報)を利用して、装置本体10の異常検知を行うことができる。これにより、FFTアナライザや回転計などの計測専用の機器を必要であった従来と異なり、モーションコントローラ201に外部センサ140を接続するだけで、装置本体10の異常検知を行うことができる。
したがって、モーションコントローラ201により動作制御される射出成形機1(装置本体10)の異常検知を、簡便に行うことができる。また、モーション指令情報を利用することで、例えばこの情報をトリガとしてデータ収集を実行するなどして、より容易に異常検知処理を行うことができる。
このように構成することにより、データ収集システム243と異常検知システム244による異常検知処理を、後からでも比較的簡便に構築することができる。ひいては、例えば当初は不要とした異常検知機能が後から必要になったといったユーザの要望などにも、大掛かりな装置改造を伴うことなく柔軟に対応することができる。
これにより、射出成形機1のモーションコントロールに影響を及ぼすことなく、データ収集システム243及び異常検知システム244による異常検知処理を実現することができる。
これにより、ユーザは、GUIである設定画面を利用して簡単に異常検知内容を設定することができる。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限られない。
例えば上記実施例では、モーションコントローラ201において、データ収集システム243及び異常検知システム244がFPGA240上に実装されていることとした。しかし、図9に示すように、データ収集システム243及び異常検知システム244は、FPGA240でなく、マイコン250上に実装されていてもよい。この場合、データ収集システム243は、モーションコントロールシステム251から位置・速度情報を受け取ることとすればよい。
また、この構成の場合でも、データ収集システム243及び異常検知システム244は、後付けでマイコン250上に実装可能なように構成されていればよい。これらデータ収集システム243と異常検知システム244は、例えばC言語などで記述されたデータ収集やデータ前処理、データ処理についての関数として準備しておき、これをマイコン250にインストールすることで、後からでも比較的簡単に実装することができる。なお、外部センサ計測システム242と出力部245は、マイコン250に実装されていてもよい。
その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
10 装置本体
11 射出装置
12 型締装置
43 金型装置
100A~100X モータドライバ
110A~110X モータ
120A~120X エンコーダ
140 外部センサ
160 HMI
161 ディスプレイ
200 制御ユニット
201 モーションコントローラ
210 アナログ入力ユニット
220 エンコーダ受信回路
230 外部センサ受信回路
240 FPGA
241 位置・速度計測システム
242 外部センサ計測システム
243 データ収集システム
244 異常検知システム
245 出力部
250 マイコン
251 モーションコントロールシステム
261 データ収集ブロック
262 データ前処理ブロック
263 データ処理ブロック
264 データ出力ブロック
270 記憶装置
B1 区間選択ボタン
B2 計測対象選択ボタン
B3 閾値設定ボタン
B4 出力先選択ボタン
B5 状態表示欄
B6 開始・停止ボタン
B7 データ前処理選択ボタン
B8 データ処理選択ボタン
Ld 詳細設定リスト
Ls 簡易設定リスト
Claims (9)
- 機械装置の動作を制御するモーションコントローラであって、
前記機械装置に設置した外部センサにより計測されたデータを収集するデータ収集部と、
前記機械装置の動作制御に用いる制御情報を取得する情報取得部と、
前記データ収集部により収集された計測データ、及び、前記情報取得部により取得された前記制御情報に基づいて、前記機械装置の異常を検知する異常検知部と、
前記外部センサが接続される信号端子と、
マイコンとFPGAと、
を備え、
前記外部センサが計測するデータは、前記機械装置の振動に関するデータを含み、
前記制御情報は、前記機械装置を駆動するモータの位置情報及び速度情報と、前記機械装置に対するモーション指令情報とを含み、
前記データ収集部は、前記モータの位置情報及び速度情報、又は、前記モーション指令情報に基づいて、前記計測データを収集し、
前記マイコンには、モーション指令を生成するモーション制御部が実装され、
前記FPGAには、前記データ収集部及び前記異常検知部が実装されている、
モーションコントローラ。 - 前記モータの位置情報及び速度情報は、当該モータに設けられたエンコーダからの信号に基づいて取得される、
請求項1に記載のモーションコントローラ。 - 前記データ収集部は、前記モーション指令情報に基づくトリガ信号によって、データ収集タイミングを設定する、
請求項2に記載のモーションコントローラ。 - 表示部を有する機器と接続可能に構成され、
ユーザ操作に基づいて異常検知内容を設定する設定画面を前記表示部に表示させる表示制御手段を備える、
請求項1から請求項3の何れか一項に記載のモーションコントローラ。 - 前記外部センサは、加速度センサ、マイクロホン、圧力センサ、ジャイロセンサ及び歪ゲージのうち少なくとも1つを含む、
請求項1から請求項4の何れか一項に記載のモーションコントローラ。 - シリアル通信用、アナログ信号用及びI/O用を含む複数の信号端子を備える、
請求項1から請求項5の何れか一項に記載のモーションコントローラ。 - 前記複数の信号端子は、前記機械装置の動作制御に通常必要な数量よりも多い、
請求項6に記載のモーションコントローラ。 - 前記信号端子に入力される前記外部センサの信号波形を表示する表示手段と、
ユーザ操作に基づいて、前記外部センサの信号に対する異常判定用の閾値を前記表示手段上で設定する設定手段と、を備える、
請求項1から請求項7の何れか一項に記載のモーションコントローラ。 - 前記異常検知部は、前記外部センサにより計測されたデータと、前記機械装置を駆動するモータの位置情報及び速度情報と、前記機械装置に対するモーション指令情報と、に基づいて、前記機械装置の異常を検知する、
請求項1から請求項8の何れか一項に記載のモーションコントローラ。
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