JP7000040B2 - 移動精度監視システム、並びに移動精度監視機能を備えた回転テーブル、工作機械及びnc装置 - Google Patents
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回転移動する駆動軸の位置または移動量を測定する駆動軸側センサと、
駆動力伝達部を介して、前記駆動軸の駆動トルクにより回転または所定軌道上における移動を行う被駆動部の位置または移動量を測定する被駆動部側センサと、
所定の態様で定められたタイミングにおける前記駆動軸側センサ及び前記被駆動部側センサの測定値に基づき、前記駆動力伝達部における変速比を勘案した前記駆動軸の移動量と前記被駆動部の移動量との差分データを形成する差分検出部と、
前記差分データの変化または前記差分データを用いた演算値の変化に基づいて、前記被駆動部の移動精度に関する情報を形成する監視制御部と、
を備える。
本発明に係る移動精度監視システムは、回転移動する駆動軸の位置または移動量を測定する駆動軸側センサと、駆動力伝達部を介して、駆動軸の駆動トルクにより回転または所定軌道上における移動を行う被駆動部の位置または移動量を測定する被駆動部側センサと、を備える。なお、「駆動力伝達部を介して」とは、駆動力伝達部の機械要素の物理的接触によって、駆動力、駆動トルクが伝達されることを意味する。はじめに、駆動軸側センサ及び被駆動部側センサの配置について説明する。
まず、図1を参照しながら、被駆動部が回転移動する場合の配置例を説明する。図1は、駆動力伝達部8を介して、駆動軸4の駆動トルクにより被駆動部6が回転移動する場合における駆動軸側センサ10及び被駆動部側センサ12の配置例を模式的に示す図である。
このようなウォームギア式の駆動力伝達機構は、大きな減速比が得られるので、例えば、工作機械に追加して設置し、加工の自由度を上げる回転テーブル(傾斜ステージ等)に用いることができる。ウォームギア式の回転テーブルは、ダイレクトドライブの回転テーブル等に比較し、小型で大重量の工作物の回転を行うことができ、バックラッシュが比較的小さくすることができるため、広く用いられている。
また、被駆動部6には、一定の角度のピッチで円弧状にスリットが設けられたエンコーダスケール12Bを有する。更に、エンコーダスケール12Bの回転半径位置に光源及び光電素子からなるエンコーダヘッド34Aが設置されている。このエンコーダヘッド34A及びエンコーダスケール12Bにより、ホイール駆動制御用ロータリエンコーダ34が構成される。このホイール駆動制御用ロータリエンコーダ34により、被駆動部6の回転位置や回転量を正確に測定することができる。
被駆動部6には、上記のエンコーダスケール12Bを有し、更に、エンコーダスケール12Bの回転半径位置(エンコーダヘッド34Aとは周方向で異なる位置)に、光源及び光電素子からなるエンコーダヘッド12Aが設置されている。このエンコーダヘッド12A及びエンコーダスケール(ロータリエンコーダ)12Bにより、ロータリエンコーダからなる、移動精度監視システム2の被駆動部側センサ12が構成される。この被駆動部側センサ(ロータリエンコーダ)12により、被駆動部6の回転位置や回転量を正確に測定することができる。
次に、図2を参照しながら、被駆動部が所定軌道上における移動を行う場合の一例として、被駆動部が直線方向に移動を行う場合の配置例を説明する。図2は、駆動力伝達部8’を介して、駆動軸4’の駆動トルクにより被駆動部6’が直線方向に移動を行う場合における駆動軸側センサ10’及び被駆動部側センサ12’の配置例を模式的に示す図である。
また、被駆動部6’の移動方向に沿って、リニアエンコーダからなる被駆動部側センサ12’が設けられている。なお、駆動モータ30’の駆動制御用のリニアエンコーダと共用することもできるし、別途設けることもできる。
図1の例では、駆動力伝達部8として、ウォーム及びウォームホイールからなるウォームギアが用いられているが、これに限られるものではなく、平歯、かさ歯をはじめとするその他の任意の歯車を用いることができるし、遊星歯車を用いることもできる。
次に、図3を参照しながら、図1に示す場合を例にとって、駆動軸側センサ及び被駆動部側センサから監視システム制御装置への電気的な接続について説明する。図3は、駆動軸側センサ10及び被駆動部側センサ12から監視システム制御装置20への接続の一例を模式的に示す図である。
監視システム制御装置20には、所定の態様で定められたタイミングにおける駆動軸側センサ(ロータリエンコーダ)10及び被駆動部側センサ(ロータリエンコーダ)12の測定値に基づき、駆動力伝達部8における変速比を勘案した駆動軸4の移動量と被駆動部6の移動量との差分データを形成する差分検出部22、及び差分データの変化または差分データを用いた演算値の変化に基づいて、被駆動部6の移動精度に関する情報を形成する監視制御部24が備えられている。
以下においては、上記のような機器構成を有する移動精度監視システムの様々な実施形態について説明する。
はじめに、図4を参照しながら、発明の第1の実施形態に係る移動精度監視システムについて説明する。図4は、本発明の第1の実施形態に係る移動精度監視システム2の制御構成を模式的に示すブロックダイアグラムである。なお、図4から図6に示す矢印は、信号の流れを示している。
被駆動部6側の回転角度を駆動軸4側と同様になるように、減速比nを乗じて、
θ12aj=n×θ12
とする。
差分算出部22Bでは、比較可能になった両者の差分データΔθを形成する。つまり、
Δθ=θ12aj-θ10
を算出して、この差分データΔθはメモリに保管される。
θ10aj=θ10/n
を計算し、
Δθ=θ12-θ10aj
を算出して、この差分データΔθをメモリに保管することもできる。
特に、所定回数の差分データの平均値Δθaveを用いることにより、信頼度の高い測定データに基づく、信頼度の高い監視、診断が実現できる。
もし、差分データΔθまたは差分データ平均値Δθaveが第1の閾値に達したとき、警告報知のための制御処理を行う。警告報知のための制御処理には、監視制御部(診断部)24から送信された診断出力に基づいて、ランプ表示、音声、表示装置を用いた画像表示等により、使用者に警告報知する制御処理が含まれる。
これらの報知するための機器は、移動精度監視システム2内に有することもできるし、後述するような回転テーブル、工作機械、NC装置に備えられている場合もあり得る。
第1の閾値及び第2の閾値については、用途に応じて、経験的に最適値を定めることもできるし、試験を繰り返して最適値を定めることもできるし、理論計算に基づいて定めることもできるし、それらを組み合わせて最適値を定めることもできる。
次に、図5を参照しながら、発明の第2の実施形態に係る移動精度監視システムについて説明する。図5は、本発明の第2の実施形態に係る移動精度監視システム2の制御構成を模式的に示すブロックダイアグラムである。
この判断に基づき、差分算出部22Bで算出した差分データΔθは、正回転と判断された場合にはΔθpとして、メモリのΔθpの保管場所に記憶され、逆回転と判断された場合にはΔθmとして、メモリのΔθmの保管場所に記憶される。最新のΔθp及びΔθmの値としては、次の測定時において、Δθp及びΔθmのどちらか一方が新値に書き換えられる。
Δ=|Δθp-Δθm|
を算出する。この回転方向が逆転するときの差分データの差Δが、メモリに記憶される。ここで絶対値を用いているのは、回転方向によらず、バックラッシュ等により同様な差分データの差Δが生じるからである。
ただし、正から負への逆転か負から正への逆転か識別可能なので、逆転する方向のデータを個別にメモリに保管することもできる。この場合には、逆転の方向の違いによってバックラッシュの量がそれぞれどのようになるか、逆転する方向によってバックラッシュの量に差が生じるかといったような、更に詳細な分析も可能である。
以上のように、本実施形態では、差分検出部22により、駆動軸4の回転方向が逆転するときの前後のタイミングにおける差分データの差Δ、及び所定回数の差の平均値Δaveが計算され、メモリに保管される。
監視制御部(診断部)24が形成する移動精度に関する情報や、それに付随する制御処理については、上記の第1の実施形態と同様なので、更なる説明は省略する。
更に、所定回数の差Δの平均値Δaveを用いることにより、より信頼度の高い測定データに基づく、より信頼度の高い監視、診断が実現できる。
移動精度監視システム2は、
(1)回転移動する駆動軸4の位置または移動量を測定する駆動軸側センサ10と、
(2)駆動力伝達部8を介して、駆動軸4の駆動トルクにより回転または所定軌道上における移動を行う被駆動部6の位置または移動量を測定する被駆動部側センサ12と、
(3)所定の態様で定められたタイミングにおける駆動軸側センサ10及び被駆動部側センサ12の測定値に基づき、駆動力伝達部8における変速比を勘案した駆動軸4の移動量と被駆動部6の移動量との差分データΔθを形成する差分検出部22と、
(4)差分データΔθの変化または差分データΔθを用いた演算値(Δθave、Δ、Δave等)の変化に基づいて、被駆動部6の移動精度に関する情報を形成する監視制御部24と、
を備える。
次に、図7を参照しながら、差分データまたは差分データを用いた演算値の変化に対応した制御処理について説明する。図7は、駆動軸側センサ及び被駆動部側センサによる計測例を用いた累積移動長さまたは累積稼働期間(X軸)と差分値(Y軸)の関係を示したグラフである。
グラフには、計測値1~3として、実際に計測した累積移動長さ(累積稼働期間)に対する差分値の変化がプロットされている。また、上記の第1の閾値及び第2の閾値が、X軸と平行なラインで示されている。
グラフから明らかなとおり、各計測値の累積移動長さ(累積稼働期間)及び差分値は線形に近い相関関係を有する。よって、各計測値のグラフでの傾きを示す比率Rは、
R=単位移動長さに対応する差分値の増加量/単位移動長さ、または
R=単位稼働期間に対応する差分値の増加量/単位稼働期間働時間、
として算出することができる。この比率Rは、メモリに記憶される。
R=単位移動長さ/単位移動長さに対応する差分値の増加量、または
R=単位稼働期間/単位稼働期間に対応する差分値の増加量
を用いることもできる。
なお、第3の閾値及び第4の閾値についても、用途に応じて、経験的に最適値を定めることもできるし、試験を繰り返して最適値を定めることもできるし、理論計算に基づいて定めることもできるし、それらを組み合わせて最適値を定めることもできる。
差分値=f(累積移動長さ)、
差分値=f(累積稼働期間)
のように表すこともできる。
この関数fを用いて、第1の閾値及び第2の閾値に達するまでの移動長さや稼働期間(寿命)を予測することもできる。同様に、関数fを用いて、ワーニングまたはアラームのための制御処理を行うこともできる。
次に、図6を参照しながら、発明の第3の実施形態に係る移動精度監視システムについて説明する。図6は、本発明の第3の実施形態に係る移動精度監視システム2の制御構成を模式的に示すブロックダイアグラムである。
次に、図8を参照しながら、駆動軸側センサ及び被駆動部側センサから監視システム制御装置への接続のその他の例を説明する。図8は、駆動軸側センサ10及び被駆動部側センサ12から監視システム制御装置20への接続のその他の例を模式的に示す図である。
なお、駆動軸4を駆動する装置の制御部としては、回転テーブルの制御装置や、工作機械の制御装置や、NC装置等が該当する。
次に、図9を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係る回転テーブルの説明を行う。図9は、本発明の1つの実施形態に係る回転テーブル40を模式的に示す図である。
また、差分検出部22及び監視制御部(診断部)24を備えた監視システム制御装置20が、回転テーブル40の回転テーブル用制御装置42に設けられている。図9において、移動精度監視システム2に該当する部分を一点鎖線で囲んである。
次に、図10を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係る工作機械の説明を行う。図10は、本発明の1つの実施形態に係る工作機械を模式的に示す図である。本実施形態では、傾斜ステージ等に用いる回転テーブルだけでなく、工作機械専用の回転機構に適用することもできる。
また、差分検出部22及び監視制御部(診断部)24を備えた監視システム制御装置20が、工作機械50の工作機械用制御装置52に設けられている。なお、工作機械のフィードバック制御を行うためのNC装置60が、工作機械用制御装置52に接続されている。図10において、移動精度監視システム2に該当する部分を一点鎖線で囲んである。
次に、図11を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係るNC装置の説明を行う。図11は、本発明の1つの実施形態に係るNC装置を模式的に示す図である。
また、差分検出部22及び監視制御部(診断部)24を備えた監視システム制御装置20が、NC装置内に設けられている。よって、上記のように、移動精度に関する情報を含む信号を、駆動制御用の信号(位置や角度信号)とともにNC装置に送信できるので、NC装置において、ワーニング、アラーム等の必要な制御処理を行うことができる。図11において、移動精度監視システム2に該当する部分を一点鎖線で囲んである。
4、4’ 駆動軸
4A ウォーム
6、6’ 被駆動部
6A ウォームホイール
8、8’ 駆動力伝達部
10、10’ 駆動軸側センサ(ロータリエンコーダ)
12 被駆動部側センサ(ロータリエンコーダ)
12A エンコーダヘッド
12B エンコーダスケール
12’ 被駆動部側センサ(リニアエンコーダ)
20 監視システム制御装置
22 差分検出部
22A 変速値勘案部
22B 差分算出部
22C 方向分別部
22D 方向別差分部
24 監視制御部(診断部)
30 駆動モータ
32 駆動モータ用ロータリエンコーダ
34 ホイール駆動制御用ロータリエンコーダ
34A エンコーダヘッド
40 回転テーブル
42 回転テーブル用制御装置
50 工作機械
52 工作機械用制御装置
60 NC装置
Claims (13)
- 駆動軸に設けられたウォーム及び被駆動部に取り付けられたウォームホイールを備え、少なくとも前記駆動軸の一端に取り付けられた駆動モータの回転軸に取り付けられた駆動モータ用センサからの測定データ及び前記被駆動部に取り付けられたセンサからの測定データに基づいて、前記駆動モータのフィードバック制御を行うウォームギア式の駆動力伝達機構の移動精度を監視し、前記駆動モータ用センサが、前記駆動軸に対して前記駆動軸を駆動する前記駆動モータ側に取り付けられ、回転移動する前記駆動軸の位置または移動量を測定する、システムであって、
前記駆動軸に対して前記駆動モータと反対側に取付けられた駆動軸側センサの測定値を基に、前記ウォームと前記ウォームホイールとの駆動力伝達機構を介して、前記駆動軸の駆動トルクにより前記駆動力伝達機構の影響を受け回転を行う前記被駆動部の位置または移動量を測定する被駆動部側センサと、
所定の態様で定められたタイミングにおける前記駆動モータ用センサ、前記駆動軸側センサ及び前記被駆動部側センサの測定値に基づき、前記駆動力伝達機構における減速比を勘案した前記駆動軸の移動量と前記被駆動部の移動量との差分データを形成する差分検出部と、
前記差分データの変化または前記差分データを用いた演算値の変化に基づいて、前記被駆動部の移動精度に関する情報を形成する監視制御部と、
を備えたことを特徴とする移動精度監視システム。 - 前記差分データを用いた演算値が、所定回数の前記差分データの平均値であることを特徴とする請求項1に記載の移動精度監視システム。
- 前記駆動力伝達部が接触式の駆動力伝達装置であり、
前記差分データを用いた演算値が、前記駆動軸の回転方向が逆転するときの前後の前記タイミングにおける前記差分データの差、または所定回数の前記差の平均値であることを特徴とする請求項1に記載の移動精度監視システム。 - 前記監視制御部が、
前記差分データまたは前記差分データを用いた演算値が第1の閾値に達したとき、警告報知のための制御処理を行い、
前記差分データまたは前記差分データを用いた演算値が第2の閾値に達したとき、前記駆動軸の駆動停止または駆動禁止のための制御処理を行うことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の移動精度監視システム。 - 前記監視制御部が、
前記差分データまたは前記差分データを用いた演算値をAとし、前記変速比を勘案した前記駆動軸または前記被駆動部の移動量の累積値をBとするとき、比率R=A/BまたはB/Aを算出し、
直近の前記タイミングにおける前記Aの値及び前記比率Rの値に基づき、前記差分データまたは前記差分データを用いた演算値が前記第1の閾値または前記第2の閾値に達するまでの予想移動量または予想期間を演算することを特徴とする請求項4に記載の移動精度監視システム。 - 前記監視制御部が、
前記差分データまたは前記差分データを用いた演算値をAとし、前記変速比を勘案した前記駆動軸または前記被駆動部の移動量の累積値をBとするとき、その比率Rを算出し、
前記比率Rの値が第3の閾値に達したとき、警告報知のための制御処理を行い、
前記比率Rの値が第4の閾値に達したとき、前記駆動軸の駆動停止または駆動禁止のための制御処理を行うことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の移動精度監視システム。 - 前記駆動軸側センサまたは前記被駆動部側センサが絶対位置を検出可能なセンサであり、
前記駆動軸または前記被駆動部の絶対位置のデータが差分データとともに記憶され、
前記監視制御部が、前記駆動軸または前記被駆動部の移動精度に関する情報として、移動精度の低下が大きい前記駆動軸または前記被駆動部の絶対位置の情報を形成することを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の移動精度監視システム。 - 前記差分データまたは前記差分データを用いた演算値の履歴が不揮発性メモリに記憶されることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の移動精度監視システム。
- 前記駆動軸側センサまたは前記被駆動部側センサが、移動精度監視用の検出信号及び前記駆動軸の駆動制御用の検出信号を出力することを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の移動精度監視システム。
- 前記駆動軸側センサまたは前記被駆動部側センサが、前記監視制御部から受信した前記移動精度に関する情報を、前記駆動軸を駆動する装置の制御部に送信することを特徴とする請求項9に記載の移動精度監視システム。
- 請求項1から10の何れか1項に記載の移動精度監視システムを備えたことを特徴とする回転テーブル。
- 請求項1から10の何れか1項に記載の移動精度監視システムを備えたことを特徴とする工作機械。
- 請求項1から10の何れか1項に記載の差分検出部及び監視制御部を備えたことを特徴とするNC装置。
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