WO2018097230A1 - ロボット制御装置および同制御装置を備えたロボット - Google Patents

ロボット制御装置および同制御装置を備えたロボット Download PDF

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H02P15/00—Arrangements for controlling dynamo-electric brakes or clutches

Definitions

  • the present invention relates to a robot control device for controlling a robot having a servo motor with a non-excitation operation type electromagnetic brake and a robot having the same control device.
  • Servo motors used for the drive shafts of robots, especially industrial robot arms in addition to the certainty of holding the position at the time of stop, etc., in order to prevent runaway at the time of power loss etc. during operation,
  • a non-excitation actuating electromagnetic brake hereinafter sometimes simply referred to as “brake”.
  • the non-excitation actuated electromagnetic brake has an exciting coil, a spring, an armature and a friction plate arranged in a line in this order, and when the excitation coil is not energized, the armature is pressed against the friction plate by the biasing force of the spring, When the exciting coil is energized, the brake operating state is released by attracting the armature against the biasing force of the spring and pulling it away from the friction plate.
  • the energization to the excitation coil is started in the brake operation state, and after the armature is separated from the friction plate to the brake release position, the energization state to the excitation coil is not always maintained. I know I don't have to.
  • the brake release state can be maintained even if the energization to the excitation coil is stopped for a short time. it can.
  • the energization stoptable time during which the brake release state can be maintained differs depending on the brake specifications.
  • Patent Document 1 discloses ON / OFF control of power supply to the excitation coil in the brake release state in order to suppress heat generation due to energization of the excitation coil in the brake release state. Techniques to do this have been proposed.
  • noise is generated when energization of the excitation coil is started (energization ON) and when the energization of the excitation coil is interrupted (energization OFF). Therefore, it is necessary to reduce the influence of this noise on peripheral devices as much as possible. .
  • a larger noise is generated when the energization is turned on than when the energization is turned off.
  • Patent Document 1 Although an effect of suppressing heat generation and energy saving can be expected by performing ON / OFF control of energization to the exciting coil in the brake release state, it can be used for peripheral devices due to noise generated during ON / OFF control. A new problem of adverse effects occurs.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and is a robot control capable of realizing heat generation suppression and energy saving while suppressing generation of noise in a non-excitation operation type electromagnetic brake of the robot. It is an object of the present invention to provide a device and a robot equipped with the control device.
  • a first aspect of the present invention is a control device for a robot having a drive shaft driven by a servo motor provided with a non-excitation operation type electromagnetic brake, wherein the non-excitation operation type electromagnetic In the brake release state of the brake, the energization ON and the energization OFF of the excitation coil of the non-excitation operation type electromagnetic brake are alternately repeated, and at this time, at least the timing of the energization ON is shifted among the plurality of excitation coils. It is comprised in that.
  • both the energization ON timing and the energization OFF timing are configured to be shifted between the plurality of excitation coils. To do.
  • a third aspect of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, it is configured to modulate an ON / OFF ratio of the energization ON and the energization OFF.
  • a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the third aspect, the ON / OFF ratio is modulated at random.
  • a fifth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fourth aspects, the switching frequency of the energization ON and the energization OFF is modulated.
  • the sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the fifth aspect, the switching frequency is modulated at random.
  • a seventh aspect of the present invention is a robot including the robot control device according to any one of the first to sixth aspects and a drive shaft controlled by the robot control device.
  • a robot control device capable of suppressing heat generation and energy saving while suppressing generation of noise in a non-excitation operation type electromagnetic brake of the robot, and a robot including the control device.
  • the figure for demonstrating the voltage signal applied to an exciting coil in the brake system shown in FIG. The figure which showed an example of the voltage signal applied to an exciting coil in the brake system shown in FIG.
  • the brake system in the robot includes a non-excitation operation type electromagnetic brake 1 incorporated in a servo motor.
  • this brake system by supplying a timing control signal from the robot controller 2 to a switching element to which a predetermined voltage (24 V in this example) is supplied and switching it, the energization of the excitation coil of the brake 1 is turned on. It is configured to switch between the state and the energization OFF state.
  • the suction time ts (ms), voltage application DUTY (%) after suction, and frequency are arbitrarily set according to the motor characteristics (suction time, release time, etc.). can do.
  • the non-excitation actuating electromagnetic brake 1 has an exciting coil, a spring, an armature, and a friction plate arranged in this order in the same manner as described in the prior art section, and when the exciting coil is not energized.
  • the armature is pressed against the friction plate by the urging force of the spring, and the brake operation is performed. It is a thing to cancel.
  • the non-excitation operation type electromagnetic brake 1 is provided on each of a plurality of drive shafts of the robot.
  • the switching element When switching the non-excitation operation type electromagnetic brake 1 in the brake operation state to the brake release state, the switching element is turned on by the timing control signal from the robot control device 2, and a predetermined voltage (In this example, 24V) is applied to the exciting coil of the brake 1, the armature is sucked and separated from the friction plate, and the brake operating state is released.
  • a predetermined voltage In this example, 24V
  • the following measures are taken in order to suppress adverse effects on peripheral devices due to noise generated by ON / OFF control of energization to the exciting coil.
  • the non-excitation actuated electromagnetic brake 1 when the non-excitation actuated electromagnetic brake 1 is in the brake release state, when the energization ON and the energization OFF of the excitation coil of the brake 1 are alternately repeated, a plurality of drive shafts are provided.
  • the energization ON timing and the energization OFF timing are configured to deviate between the excitation coils.
  • the energization ON timing and the energization OFF timing are shifted between the plurality of exciting coils at all timings.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a voltage signal applied to the exciting coil in the brake release state in the brake system shown in FIG.
  • the energization ON and energization OFF timings are all deviated between the three excitation coils of the three drive shafts (Jt1, Jt2, Jt3) of the robot.
  • the timing of energization ON and energization to the plurality of excitation coils in the brake release state differs for each excitation coil, and therefore the noise generation timing during the ON / OFF operation is different. Different for each exciting coil, it is possible to avoid the simultaneous occurrence of noise and to suppress the adverse effects of noise on peripheral devices.
  • the ON / OFF ratio (DUTY) of energization ON and energization OFF is randomly modulated with a constant period.
  • the switching frequency of energization ON and energization OFF may be randomly modulated as shown in FIG.
  • the noise generation timing during ON / OFF operation differs for each excitation coil, and the noise Generation
  • the ON / OFF ratio is fixed.
  • the switching frequency of energization ON and energization OFF is randomly modulated, and the ON / OFF ratio is also random. You may make it modulate. Thereby, it can be expected that the spectrum spread effect of the harmonic noise is increased.

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Abstract

無励磁作動型電磁ブレーキ(1)を備えたサーボモータにより駆動される駆動軸を有するロボットの制御装置(2)であって、無励磁作動型電磁ブレーキ(1)のブレーキ解除状態において、無励磁作動型電磁ブレーキ(1)の励磁コイルへの通電ＯＮと通電ＯＦＦとを交互に繰り返し、その際、複数の励磁コイルの間で少なくとも通電ＯＮのタイミングがずれるように構成されている。ロボットの無励磁作動型電磁ブレーキにおけるノイズの発生を抑制しつつ、発熱抑制・省エネを実現できる。

Description

ロボット制御装置および同制御装置を備えたロボット
　本発明は、無励磁作動型電磁ブレーキ付きのサーボモータを備えたロボットを制御するためのロボット制御装置および同制御装置を備えたロボットに関する。
　ロボット、特に産業用ロボットのアームの駆動軸などに使用されるサーボモータは、停止時の位置の保持の確実性などに加え、動作中の電源喪失などの際の暴走等を防止するために、一般に、無励磁作動型電磁ブレーキ（以下、単に「ブレーキ」と呼ぶことがある。）が備えられている。
　無励磁作動型電磁ブレーキは、励磁コイル、バネ、アーマチュアおよび摩擦板をこの順に一列に配設し、励磁コイルの無通電時に、バネによる付勢力によりアーマチュアを摩擦板に押し付けてブレーキ動作を行い、励磁コイルの通電時に、バネによる付勢力に抗してアーマチュアを吸引して摩擦板から引き離すことによりブレーキ作動状態を解除するものである。
　ところで、無励磁作動型電磁ブレーキにおいては、ブレーキ作動状態にて励磁コイルへの通電を開始し、アーマチュアを摩擦板から引き離してブレーキ解除位置とした後は、必ずしも励磁コイルへの通電状態を常時維持する必要はないことが分かっている。
　すなわち、励磁コイルへの通電を開始してアーマチュアを摩擦板から引き離してブレーキ解除位置とした後は、短時間であれば励磁コイルへの通電を停止しても、ブレーキ解除状態を維持することができる。なお、ブレーキ解除状態を維持できる通電停止可能時間は、該ブレーキの仕様によって異なる。
　無励磁作動型電磁ブレーキの上記特性を利用して、特許文献１では、ブレーキ解除状態における励磁コイルへの通電による発熱を抑制すべく、ブレーキ解除状態における励磁コイルへの電力供給をＯＮ－ＯＦＦ制御する技術が提案されている。
特開２０１３－６７００９号公報
　ところで、励磁コイルに通電を開始するとき（通電ＯＮ）および励磁コイルへの通電を遮断するとき（通電ＯＦＦ）にノイズが発生するので、このノイズによる周辺機器への影響を極力低減する必要がある。ちなみに通常は、通電ＯＦＦのときよりも通電ＯＮのときに、より大きなノイズが発生する。
　このノイズの問題に関して、特許文献１の技術では、ブレーキ解除状態における励磁コイルへの通電ＯＮおよび通電ＯＦＦが、すべての駆動軸のブレーキにおいて同時に行われるため、すべてのブレーキにおいてノイズが同時に発生し、周辺機器への悪影響が大きくなってしまう。
　すなわち、特許文献１の技術では、ブレーキ解除状態における励磁コイルへの通電のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより発熱抑制・省エネの効果が期待できるものの、ＯＮ／ＯＦＦ制御時に発生するノイズによる周辺機器への悪影響という新たな問題が生じる。
　本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、ロボットの無励磁作動型電磁ブレーキにおけるノイズの発生を抑制しつつ、発熱抑制・省エネを実現することができるロボット制御装置および同制御装置を備えたロボットを提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、無励磁作動型電磁ブレーキを備えたサーボモータにより駆動される駆動軸を有するロボットの制御装置であって、前記無励磁作動型電磁ブレーキのブレーキ解除状態において、前記無励磁作動型電磁ブレーキの励磁コイルへの通電ＯＮと通電ＯＦＦとを交互に繰り返し、その際、複数の前記励磁コイルの間で少なくとも前記通電ＯＮのタイミングがずれるように構成されている、ことを特徴とする。
　本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記通電ＯＮのタイミングおよび前記通電ＯＦＦのタイミングの両方が、複数の前記励磁コイルの間でずれるように構成されている、ことを特徴とする。
　本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記通電ＯＮおよび前記通電ＯＦＦのＯＮ／ＯＦＦ比率を変調させるように構成されている、ことを特徴とする。
　本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記ＯＮ／ＯＦＦ比率の変調をランダムに行うように構成されている、ことを特徴とする。
　本発明の第５の態様は、第１乃至第４のいずれかの態様において、前記通電ＯＮおよび前記通電ＯＦＦのスイッチング周波数を変調させるように構成されている、ことを特徴とする。
　本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記スイッチング周波数の変調をランダムに行うように構成されている、ことを特徴とする。
　本発明の第７の態様は、第１乃至第６のいずれかの態様におけるロボット制御装置と、前記ロボット制御装置によって制御される駆動軸と、を備えたロボットである。
　本発明によれば、ロボットの無励磁作動型電磁ブレーキにおけるノイズの発生を抑制しつつ、発熱抑制・省エネを実現することができるロボット制御装置および同制御装置を備えたロボットを提供することができる。
本発明の一実施形態によるロボット制御装置を備えたロボットにおけるブレーキシステムを模式的に示した図。 図１に示したブレーキシステムにおいて励磁コイルに印加される電圧信号を説明するための図。 図１に示したブレーキシステムにおいて励磁コイルに印加される電圧信号の一例を示した図。 図１に示したブレーキシステムにおいて励磁コイルに印加される電圧信号の他の例を示した図。
　以下、本発明の一実施形態によるロボット制御装置および同制御装置を備えたロボットについて、図面を参照しつつ説明する。
　図１に示したように本実施形態によるロボットにおけるブレーキシステムは、サーボモータに組み込まれた無励磁作動型電磁ブレーキ１を備えている。このブレーキシステムでは、所定の電圧（本例では２４Ｖ）が供給されているスイッチング素子に、ロボット制御装置２からタイミング制御信号を供給して切り替え操作することにより、ブレーキ１の励磁コイルへの通電ＯＮ状態と通電ＯＦＦ状態とを切り替えるように構成されている。
　なお、本実施形態においては、モータの特性（吸引時間、釈放時間等）に合わせて、図１に示した吸引時間ｔｓ（ｍｓ）、吸引後の電圧印加ＤＵＴＹ（％）、周波数を任意に設定することができる。
　本実施形態における無励磁作動型電磁ブレーキ１は、従来の技術の欄で説明したものと同様に、励磁コイル、バネ、アーマチュアおよび摩擦板をこの順に一列に配設し、励磁コイルの無通電時に、バネによる付勢力によりアーマチュアを摩擦板に押し付けてブレーキ動作を行い、励磁コイルの通電時に、バネによる付勢力に抗してアーマチュアを励磁ブレーキ側に吸引して摩擦板から引き離すことによりブレーキ動作を解除するものである。なお、無励磁作動型電磁ブレーキ１は、ロボットの複数の駆動軸のそれぞれに設けられている。
　ブレーキ作動状態にある無励磁作動型電磁ブレーキ１をブレーキ解除状態に切り替える際には、ロボット制御装置２からのタイミング制御信号によってスイッチング素子を導通状態として、図２に示したように所定の電圧（本例では２４Ｖ）をブレーキ１の励磁コイルに印加してアーマチュアを吸引して摩擦板から引き離し、ブレーキ作動状態を解除する。
　既に述べたように、無励磁作動型電磁ブレーキ１においては、アーマチュアを摩擦板から引き離してブレーキ解除位置とした後は、必ずしも励磁コイルへの通電状態を常時維持する必要はない。
　そこで、本実施形態においては、ブレーキ解除状態における励磁コイルへの通電によるエネルギー消費および発熱を抑制すべく、いったんブレーキ解除状態が達成されたら、図２に示したように励磁コイルへの通電をＯＮ－ＯＦＦ制御する。このようにブレーキ解除状態において励磁コイルへの通電ＯＮと通電ＯＦＦとを交互に繰り返すことにより、常時通電ＯＮとする場合に比べてエネルギー消費が抑制され、省エネ効果が得られると共に、ロボットアーム内部の温度上昇を抑制できる。
　例えば、ＤＵＴＹ（ＯＮ／ＯＦＦ比率）５０％の場合は１２Ｖ印加となり、電流を０．３３Ａとすると、１２Ｖ×０．３３Ａ×０．５＝１．９８（ｗ）となり、２４Ｖを常時印加した場合（２４Ｖ×０．３３Ａ＝７．９２Ｗ）に比べて、大きな省エネ効果が得られる。
　さらに、本実施形態においては、励磁コイルへの通電のＯＮ／ＯＦＦ制御により発生するノイズに起因する周辺機器への悪影響を抑制すべく、以下に述べる対策を講じている。
　すなわち、本実施形態においては、無励磁作動型電磁ブレーキ１のブレーキ解除状態において、ブレーキ１の励磁コイルへの通電ＯＮと通電ＯＦＦとを交互に繰り返す際に、複数の駆動軸に設けられた複数の励磁コイルの間で、通電ＯＮのタイミングおよび通電ＯＦＦのタイミングがずれるように構成されている。好ましくは、通電ＯＮのタイミングおよび通電ＯＦＦのタイミングが、すべてのタイミングにおいて複数の励磁コイル間でずれるようにする。
　図３は、図１に示したブレーキシステムにおいて、ブレーキ解除状態にて励磁コイルに印加される電圧信号の一例を示した図である。本例においては、図３に示したように、ロボットの３つの駆動軸（Ｊｔ１、Ｊｔ２、Ｊｔ３）の３つの励磁コイルの間で、通電ＯＮおよび通電ＯＦＦのタイミングがすべてずれている。
　本実施形態においては、上記の構成を備えることにより、ブレーキ解除状態における複数の励磁コイルへの通電ＯＮおよび通電ＯＦＦのタイミングが励磁コイルごとに異なるので、ＯＮ／ＯＦＦ操作時におけるノイズの発生タイミングが励磁コイルごとに異なり、ノイズの同時発生を回避して周辺機器へのノイズによる悪影響を抑制することができる。
　さらに、図３に示した例においては、周期を一定として、通電ＯＮおよび通電ＯＦＦのＯＮ／ＯＦＦ比率（ＤＵＴＹ）をランダムに変調させている。これにより、高調波ノイズのスペクトル拡散効果が増大することが期待できる。
　ブレーキ解除状態にて励磁コイルに印加される電圧信号の他の例としては、図４に示したように、通電ＯＮおよび通電ＯＦＦのスイッチング周波数をランダムに変調させるようにしても良い。
　本例においても、ブレーキ解除状態における複数の励磁コイルへの通電ＯＮおよび通電ＯＦＦのタイミングが励磁コイルごとに異なるので、ＯＮ／ＯＦＦ操作時におけるノイズの発生タイミングが励磁コイルごとに異なり、ノイズの同時発生を回避して周辺機器へのノイズによる悪影響を抑制することができる。
　なお、図４に示した例では、ＯＮ／ＯＦＦ比率を固定しているが、変形例としては、通電ＯＮおよび通電ＯＦＦのスイッチング周波数をランダムに変調させ、併せて、ＯＮ／ＯＦＦ比率もランダムに変調させるようにしても良い。これにより、高調波ノイズのスペクトル拡散効果が増大することが期待できる。
　以上述べたように、上記実施形態によるロボット制御装置および同制御装置を備えたロボットによれば、ブレーキ解除状態における励磁コイルでのエネルギー消費・発熱を抑制すると共に、ＯＮ／ＯＦＦ操作に伴って発生するノイズによる周辺機器への悪影響を抑制することができる。
１　ブレーキ
２　ロボット制御装置
 

Claims (7)

  1. 　無励磁作動型電磁ブレーキを備えたサーボモータにより駆動される駆動軸を有するロボットの制御装置であって、
    　前記無励磁作動型電磁ブレーキのブレーキ解除状態において、前記無励磁作動型電磁ブレーキの励磁コイルへの通電ＯＮと通電ＯＦＦとを交互に繰り返し、その際、複数の前記励磁コイルの間で少なくとも前記通電ＯＮのタイミングがずれるように構成されている、ロボット制御装置。
  2. 　前記通電ＯＮのタイミングおよび前記通電ＯＦＦのタイミングの両方が、複数の前記励磁コイルの間でずれるように構成されている、請求項１記載のロボット制御装置。
  3. 　前記通電ＯＮおよび前記通電ＯＦＦのＯＮ／ＯＦＦ比率を変調させるように構成されている、請求項１または２に記載のロボット制御装置。
  4. 　前記ＯＮ／ＯＦＦ比率の変調をランダムに行うように構成されている、請求項３記載のロボット制御装置。
  5. 　前記通電ＯＮおよび前記通電ＯＦＦのスイッチング周波数を変調させるように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
  6. 　前記スイッチング周波数の変調をランダムに行うように構成されている、請求項５記載のロボット制御装置。
  7. 　請求項１乃至６のいずれか一項に記載のロボット制御装置と、
    　前記ロボット制御装置によって制御される駆動軸と、を備えたロボット。
     
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