JPH0899248A - 衝突時トルク制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 衝突時の機械の損傷を一層軽減でき、かつ無
駄に機械を停止させることがないものとする。 【構成】 可動体２を駆動するモータ１の負荷の検出手
段２２と、その負荷検出値が異常判定レベルＬｂに達す
るとモータ１に停止指令を与える異常負荷時停止手段１
６とを備えた制御装置に適用する。この構成において、
異常判定レベルＬｂよりも下に設定された準備レベルＬ
ａに負荷検出値が達するとトルク制限指令ｓを出力する
衝突準備手段１８を設ける。また、その制限指令ｓに応
答してモータ１の出力トルクを制限レベルＬｃ内に制限
するトルク制御手段１２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、旋盤等の工作機械
や、そのローダ、物流機械、各種産業機械等に応用さ
れ、モータで駆動される可動体が衝突した場合の損傷緩
和を図る衝突時トルク制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】旋盤等の工作機械において、ガントリー
ローダ等の搬入搬出装置を設け、無人で自動運転させる
ものが多く使用されている。しかし、自動化が進み、複
雑な搬送装置を付加すると、搬送装置と工作機械の送り
台等との干渉箇所が増え、衝突が起きる恐れが生じる。
そのため、従来、このような衝突が生じた場合の安全対
策として、過負荷時に緊急停止させるものが提案されて
いる。すなわち、可動体の移動中に、何らかの障害物に
衝突した場合、モータには異常なトルクが発生し、機械
に対する損傷も大きくなる。そこで、摩擦トルク等の外
乱トルクを監視し、この外乱トルクが所定の異常判定レ
ベル以上になると、機械を停止させるようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記のように
緊急停止を行うようにしても、モータ負荷が異常判定レ
ベルに達してから、サーボ停止処理が行われるまでには
タイムラグがある。その間は最大トルクで障害物に押し
付けられることになり、機械に与える損傷は相当なもの
となっている。異常判定レベルを低い値に設定すると、
機械の損傷防止効果は高められるが、衝突に至らないよ
うな外乱負荷で機械を停止させることがあり、運転の障
害となる。

【０００４】この発明の目的は、衝突時の機械の損傷を
一層軽減でき、かつ無駄に機械を停止させることのない
衝突時トルク制御装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の構成を実施例
に対応する図１と共に説明する。この衝突時トルク制御
装置は、可動体（２）を駆動するモータ（１）の負荷の
検出手段（２２）を設け、負荷検出値が異常判定レベル
（Ｌｂ）に達するとモータ（１）に停止指令（ｈ）を与
える異常負荷時停止手段（１６）を設ける。この構成の
制御装置において、前記異常判定レベル（Ｌｂ）よりも
下に設定された準備レベル（Ｌａ）に負荷検出値が達す
るとトルク制限指令（ｓ）を出力する衝突準備手段（１
８）を設け、かつ前記制限指令（ｓ）に応答してモータ
（１）の出力トルクを制限レベル（Ｌｃ）内に制限する
トルク制御手段（１２）を設ける。

【０００６】上記構成において、衝突準備手段（１８）
および異常負荷時停止手段（１６）に入力する負荷検出
値を、モータ（１）の加減速トルクを差し引いた値とす
る加減速トルク補正手段（１７）を設けても良い。ま
た、衝突準備手段（１８）を機能させるモードと機能さ
せないモードとに制御するモード選択手段（１５）を設
けることが好ましい。

【０００７】

【作用】可動体（２）が衝突した場合、モータ（１）は
指令位置に可動体（２）を移動させようとして負荷が増
大する。異常負荷時停止手段（１６）は、このモータ負
荷を監視し、異常判定レベル（Ｌｂ）に達すると停止指
令（ｈ）を出力してモータ（１）を停止させる。この異
常判定から、停止処理の開始までには時間の遅れがあ
り、この間、可動台（２）はモータ出力で衝突対象物に
押し付けられた状態が続く。しかし、前記異常判定レベ
ル（Ｌｂ）よりも下に準備レベル（Ｌａ）が設定され、
この準備レベル（Ｌａ）に負荷検出値が達したときに衝
突準備手段（１８）はトルク制御手段（１２）にトルク
制限を掛けさせる。そのため、可動体（２）が衝突対象
物に押し付けられている間に、モータ出力は最大トルク
まで上がらず、制限トルク（Ｌｃ）内に抑えられる。し
たがって機械の損傷が軽減される。また、準備レベル
（Ｌａ）では、トルク制限を掛けるだけであるため、異
常判定レベル（Ｌｂ）までモータ負荷が上がらなかった
場合はそのまま運転が続けられることになり、異常判定
レベル（Ｌｂ）を下げる場合と異なり、無駄に緊急停止
を行うことが回避される。

【０００８】前記加減速トルク補正手段（１７）を設け
た場合は、モータ（１）の加速時や減速時では、その加
速や減速に必要なトルクを負荷検出値から差し引いた値
が準備レベル（Ｌａ）や異常判定レベル（Ｌｂ）と比較
されることになる。そのため比較演算が容易であり、誤
判定によって不必要時にモータ（１）にトルク制限をか
けたり停止さることがなくなる。モード選択手段（１
５）を設けた場合は、例えば、衝突時の停止処理直後に
モータ（１）を可動体（２）の引き戻し方向に駆動させ
る制御を行う場合等に、トルク制限手段（１２）の機能
を停止させ、最大トルクで引き戻すことができる。これ
により、機械の損傷を最小限に抑えることができる。

【０００９】

【実施例】この発明の一実施例を図１に基づいて説明す
る。可動体２は、工作機械における送り台やローダの可
動部分等からなり、モータ１によりボールねじ等の送り
ねじ３を介して進退駆動される。モータ１はサーボモー
タからなり、ＮＣ装置５のサーボコントローラ９の出力
により、アンプ２１を介して駆動される。

【００１０】全体制御装置４は、可動体２を備えた機械
の全体を制御する手段であり、ＮＣ装置５とプログラマ
ブルコントローラ６とを備える。ＮＣ装置５は、主制御
手段８と各軸のサーボコントローラとで構成される。図
示のサーボコントローラ９は、前記サーボモータ１を制
御する手段である。主制御手段８は、加工プログラム７
を解読して各軸の軸送り指令をサーボコントローラ９等
の各サーボコントローラ出力すると共に、シーケンス制
御指令をプログラマブルコントローラ６に出力する手段
である。プログラマブルコントローラ６は、主に機械全
体のシーケンス制御を行う装置である。

【００１１】サーボコントローラ９は、いわゆるソフト
ウェアサーボであり、制御プログラムとその実行手段と
なるコンピュータ装置とで構成される。サーボコントロ
ーラ９は、位置、速度、およびトルクを閉ループで各々
制御する位置制御手段１０、速度制御手段１１、および
トルク制御手段１２を備える。前記ループは内側からト
ルク、速度、位置の順の３重ループとなる。トルク制御
手段１２は、詳しくは、制限レベル設定部１３を有し、
モータ１の負荷検出手段２２の検出値を監視しながら、
制限レベル設定部１３に設定されたレベル内に出力トル
クを制限する手段である。負荷検出器２２は、アンプ２
１からモータ１に接続した電力供給回路の電流値を検出
する電流計等からなり、アナログ値の負荷検出値は、サ
ーボコントローラ９への取り込み部でＡ／Ｄ変換器（図
示せず）によりディデタル値に変換される。トルク制御
手段１２の出力はモータ１の駆動用のアンプ２１に出力
される。プログラマブルコントローラ６には、この衝突
時トルク制御装置を構成する手段として、異常負荷時停
止手段１６、衝突準備手段１８、加減速トルク補正手段
１７、引き戻し指令手段１４、およびモード選択手段１
５が設けられている。

【００１２】異常負荷時停止手段１６は、加減速トルク
補正手段１７を介して負荷検出手段２２の負荷検出値を
監視し、設定された異常判定レベルＬｂに負荷検出値が
達すると、主制御手段８に停止指令ｈを出力すると共
に、引き戻し指令手段１４を動作させるものである。

【００１３】衝突準備手段１８は、トルク制限付与判定
手段１９およびトルク制限指令手段２０を有する。トル
ク制限付与判定手段１９は、加減速トルク補正手段１７
を介して負荷検出手段２２の負荷検出値を監視し、設定
された準備レベルＬａに負荷検出値が達すると、トルク
制限指令手段２０にレベル到達の判定信号ｄを出力する
手段である。準備レベルＬａは、異常判定レベルＬｂよ
りも小さな値に設定する。トルク制限指令手段２０は、
前記の判定信号ｄに応答して、設定されたトルク制限レ
ベルＬｃの値をサーボコントローラ９のトルク制御手段
１２における制限レベル設定部１３に設定すると共に、
トルク制御手段１２のトルク制限機能を機能状態とする
手段である。トルク制限レベルＬｃは、例えば最大トル
クの５０パーセントに設定される。なお、異常負荷時停
止手段１６における異常判定レベルＬｂ、トルク制限付
与判定手段１９における準備レベルＬａ、およびトルク
制限指令手段２０のトルク制限レベルＬｃは、操作盤
（図示せず）の操作や外部からの入力によって任意の値
に設定および変更可能としてある。また、衝突準備手段
１８は、負荷検出値が準備レベルＬａに達した後、設定
時間までに異常判定レベルＬｂまで増大しなかった場合
は、トルク制御手段１２によるトルク制限を解除する機
能も備える。

【００１４】加減速トルク補正手段１７は、加速に必要
なトルクおよび減速に必要なトルクを、加減速の開始時
からの経過時間に応じた変化曲線で予め設定しておき、
その設定された加減速トルクを、負荷監視手段２２の負
荷検出値から差し引いた値として出力する手段である。
加減速トルク補正手段１７への負荷検出手段２２の入力
は、サーボコントローラ９および主制御手段８を介して
伝達するようにしており、したがって負荷検出値はディ
ジタル値として入力される。引き戻し指令手段１４は、
異常負荷時停止手段１６の停止指令ｈによるサーボコン
トローラ９の停止処理直後に、モータ１が所定時間また
は所定回転数だけ逆転するように主制御手段８に指令を
与える手段である。モード選択手段１５は、衝突準備手
段１８を機能させるモードと機能させないモードとに切
り換える手段であり、引き戻し指令手段１４が働くとき
は、機能停止モードに自動的に切換られる。モード選択
手段１５のモード切換は、操作盤や外部入力によっても
可能としてある。

【００１５】上記構成の動作を説明する。モータ１で可
動体２を一定速度で所定距離だけ移動させようとした場
合、モータ１には、図２に曲線ａで示すような実トルク
が負荷としてが作用する。この実トルクは、同図に台形
状に示す外乱トルクｂと、曲線ａの部分ａ１，ａ３で各
々示す加速トルクおよび減速トルクが加わった値となっ
ている。外乱トルクｂは、可動体２２の移動に伴う各部
の摩擦トルク等からなり、速度の増減に伴って増減する
値となっている。

【００１６】異常負荷時停止手段１６および衝突準備手
段１８による監視は、前記の外乱トルクｂにつき行われ
るように、加減速トルク補正手段１７で実トルクから加
減速トルクを差し引く。上記のように生じる外乱トルク
ｂにつき、正常動作時の値を予め測定して求めておき、
その外乱トルクｂの値に対して、所定量上回るように、
異常判定レベルＬｂおよび準備レベルＬａを各々図
（Ｂ）のように一定値として設定する。準備レベルＬａ
は異常判定レベルＬｂよりも小さな値とする。なお、異
常判定レベルＬｂは、図２に示すように外乱トルクｂの
変化に応じた台形状の変化曲線で設定しておいても良
く、その場合は、異常判定レベルＬｂは加減速時におい
て準備レベルＬａよりも小さくなる。

【００１７】可動体２の正常な動作では、負荷検出値で
ある外乱トルクｂは準備レベルＬａに達することがな
く、トルク制限手段１２は機能しないままで運転が行わ
れる。可動体２が衝突した場合は、図１（Ｂ）に示すよ
うに、モータ１はサーボコントローラ９の指令位置に可
動体２を移動させようとして負荷が増大する。この負荷
増大過程で、外乱トルクｂが準備レベルＬａに達する
と、衝突準備手段１８によりレベル超えの判定信号ｄが
出力され、サーボコントローラ９のトルク制御手段１２
が機能状態とされる。また、外乱トルクｂが異常判定レ
ベルＬｂに達すると、異常負荷時停止手段１６の指令で
モータ１が停止させられる。このとき、衝突時（時点ｔ
１）からサーボ停止処理が開始される時刻（ｔ５）まで
にはタイムラグＴ２があり、この間、可動体２はモータ
１の出力で衝突対象物に押し付けられた状態が続く。

【００１８】しかし、異常判定レベルＬｂに達する時点
ｔ３の前に、準備レベルＬａに達した時点（ｔ２）で既
にトルク制限処理が起動しており、そのためモータ出力
が増大しても、最大トルクまでは増大せず、トルク制限
レベルＬｃ内に抑えられる。そのため機械の損傷が軽減
される。すなわち、トルク制限を行わない場合は、同図
に太線の破線で示すように、モータ出力は最大トルクレ
ベルＬｃまで達してその状態が暫く続くが、前記のよう
にトルク制限されることで、衝突対象物に与える衝突エ
ネルギは、同図に斜線で示す範囲分だけ少なくなる。こ
のため、機械の損傷が緩和される。停止処理の開始（ｔ
５）後は、引き戻し手段１４によりモータ逆転指令が与
えられ、モータ１は急速に停止してさらに逆回転した後
に停止する。そのため、衝突による機械の変形が小さく
て済む。この逆回転時は、モード選択手段１５のモード
選択指令によって衝突準備手段１８が機能停止状態とな
り、トルク制限手段１２によるトルク制限が行われず
に、最大トルクで引き戻しが行われる。そのため、引き
戻しによる変形防止効果が十分に発揮されて、機械の損
傷がより軽減される。

【００１９】図３ないし図５は、この衝突時トルク制御
装置を応用したローダ付き工作機械およびその制御装置
を示す。図４に示すように、工作機械３０は２軸のタレ
ット式の旋盤からなり、ローダ４０はガントリローダか
らなる。工作機械３０は、ベッド３２上の主軸３４を有
する２個の主軸台３３，３３を並設し、その両側にレー
ル３７を介してスライドベース３６，３６を横（Ｘ軸方
向）移動自在に設置したものである。各スライドベース
３６は、タレット３５を割出回転可能に設置したタレッ
トキャリッジ３８（図５）を前後（Ｚ軸方向）に進退自
在に搭載したものであり、これらスライドベース３６の
駆動およびタレットキャリッジ３８の駆動は、各々Ｘ軸
サーボモータ１ａｘ（図５）およびＸ軸サーボモータ１
ａｚにより送りねじを介して行われる。タレット３５は
周面に各種の工具３９を取付けたものである。

【００２０】ガントリーローダ４０は、ワーク台４６と
主軸チャック３４との間でワークＷの受渡しを行うもの
であり、レール４８上を走行する走行台４９に前後移動
台４７を介して昇降ロッド４１が設けてある。昇降ロッ
ド４１の下端にローダヘッド４２が設けられ、その前面
と下面にローダチャック４３が設けられている。両チャ
ック４３，４３は、互いに位置を入替え自在としてあ
る。ガントリーローダ４０の横方向（Ｘ軸方向）の走
行、前後（Ｚ軸方向）移動、および昇降（Ｙ軸方向）
は、ガントリーローダ４０に搭載されたＸ軸サーボモー
タ１ｇｘ（図３）、Ｚ軸サーボモータ１ｇｚ、およびＹ
軸サーボモータ１ｇｙで行われる。

【００２１】このガントリーローダ４０の各軸のサーボ
モータ１ｇｘ，１ｇｙ，１ｇｚ、および工作機械３０の
左右のタレット部３５Ｌ，３５Ｒのサーボモータ１ａ
ｘ，１ａｚは、図３の全体制御装置５０で制御される。
この全体制御装置５０は、図１で説明したＮＣ装置およ
びプログラマブルコントローラからなる制御装置であ
り、前記各軸モータのサーボコントローラ（図示せず）
を有している。この全体制御装置５０に、各サーボモー
タ１ｇｘ，１ｇｙ，１ｇｚ，１ａｘ，１ａｚ毎に、前記
実施例の衝突時トルク制御装置１００が設けられてい
る。この場合、工作機械３０のスライドベース３６，タ
レットキャリッジ３８、ならびにローダ４０の走行台４
９，前後移動台４７，および昇降ロッド４１が、図１の
実施例における可動台２となる。

【００２２】このようにローダ付きの２軸旋盤からなる
工作機械３０に応用することにより、ローダ４０と工作
機械３０との干渉箇所の多い複雑な構成でありながら、
衝突時の損傷の心配がなく、安全に運転を行うことがで
きる。

【００２３】

【発明の効果】この発明の衝突時トルク制御装置は、モ
ータ負荷が異常判定レベルに達した場合に機械を緊急停
止させる制御装置において、異常判定レベルよりも下に
準備レベルを設定し、準備レベルに達した時点で衝突準
備手段によりトルク制限手段を機能させ、モータ出力が
最大トルクに上がらないようにしたので、衝突時の機械
の損傷を一層軽減することができる。また、準備レベル
ではトルク制限を掛けるだけであるため、異常判定レベ
ルまでモータ負荷が上がらなかった場合はそのまま運転
が続けられることになり、無駄に停止させることが回避
される。請求項２の発明の場合は、加減速トルク補正手
段を設けたため、モータの加速時や減速時は、その加減
速に必要なトルクを負荷検出値から差し引いた値が準備
レベルや異常判定レベルと比較されることになる。その
ため比較演算が容易であり、誤判定によって不必要時に
モータにトルク制限をかけたり停止させることがなくな
る。請求項３の発明の場合は、衝突準備手段を機能させ
るモードと機能させないモードとに制御するモード選択
手段を設けたので、可動体の衝突後の引戻し制御を行う
場合等、必要時には衝突後にも最大トルクを出力させる
ことができ、これにより機械の損傷を最小限に抑えるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は、この発明の一実施例の概念構成を示
すブロック図、（Ｂ）はその衝突発生時の負荷と各設定
レベルとの関係を示す説明図である。

【図２】その外乱トルクと加減速トルクとの関係を示す
説明図である。

【図３】同実施例の衝突時トルク制御装置を応用したロ
ーダ付き工作機械の制御装置の概略ブロック図である。

【図４】同ローダ付き工作機械の正面図である。

【図５】その工作機械の部分平面図である。

【符号の説明】

１…モータ、１ａｘ，１ａｙ，１ｇｘ，１ｇｙ，１ｇｚ
…サーボモータ、２…可動体、３…送りねじ、４…全体
制御装置、５…ＮＣ装置、６…プログラマブルコントロ
ーラ、８…主制御手段、９…サーボコントローラ、１２
…トルク制御手段、１４…引戻し制御手段、１５…モー
ド選択手段、１６…異常負荷時停止手段、１７…加減速
トルク補正手段、１８…衝突準備手段、１９…トルク制
限付与判定手段、２０…トルク制限指令手段、２２…負
荷検出手段、３０…工作機械、４０…ガントリーロー
ダ、５０…全体制御装置、１００…衝突時トルク制御装
置、Ｌａ…準備レベル、Ｌｂ…異常判定レベル、Ｌｃ…
トルク制限レベル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動体を駆動するモータの負荷の検出手
   段と、この手段による負荷検出値が異常判定レベルに達
   するとモータに停止を与える異常負荷時停止手段と、前
   記異常判定レベルよりも下に設定された準備レベルに負
   荷検出値が達するとトルク制限指令を出力する衝突準備
   手段と、前記制限指令に応答してモータの出力トルクを
   制限レベル内に制限するトルク制御手段とを備えた衝突
   時トルク制御装置。
2. 【請求項２】 前記衝突準備手段および異常負荷時停止
   手段に入力する負荷検出値を、モータの加減速トルクを
   差し引いた値とする加減速トルク補正手段を設けた請求
   項１記載の衝突時トルク制御装置。
3. 【請求項３】 前記衝突準備手段を機能させるモードと
   機能させないモードとに制御するモード選択手段を設け
   た請求項１または請求項２記載の衝突時トルク制御装
   置。