CN108574380A - 电机选定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机选定装置，其具有：机械条件取得部，其取得与工件的质量中心和驱动机械的电机的旋转中心之间的距离有关的信息；动作模式取得部，其取得与动作模式有关的信息；电机信息取得部，其取得与电机能够容许的最大转矩即瞬时转矩有关的信息；偏心载荷转矩计算部，其根据电机的旋转相位，来计算电机承受的负荷转矩即偏心载荷转矩；加减速转矩计算部，其计算电机加速或减速时产生的加减速转矩；必要转矩计算部，其根据偏心载荷转矩与加减速转矩的合计值来计算必要转矩；以及电机选定部，其基于必要转矩是否为电机的瞬时转矩以下来判断电机选定的可否。

Description

电机选定装置

技术领域

本发明涉及电机选定装置。

背景技术

在此之前，已知有采用了与有效转矩相关的信息的电机选定装置(例如日本特开2015－027244号公报)。对以往的电机选定装置的电机选定方法简单地进行说明。首先，对存储单元所存储的最大输出转矩、动摩擦转矩、恒定负荷、加速时间、恒速时间、减速时间及停止时间进行读取。接下来，将加速时间中的转矩、最大输出转矩、动摩擦转矩、恒定负荷相加进行运算。恒速时间中的转矩是通过将动摩擦转矩与恒定负荷相加来进行运算。减速时间中的转矩是通过将最大输出转矩、动摩擦转矩、负荷所引起的恒定负荷相加来进行运算。停止时间中的转矩是作为恒定负荷来进行运算。接下来，将所得到的转矩、加速时间、恒速时间、减速时间及停止时间代入预定的式中来运算有效转矩。

发明内容

在以往的电机选定装置中存在的问题是：在选定电机时未考虑偏心载荷转矩，无法进行准确的电机选定。

本公开的实施例的电机选定装置具有：机械条件取得部，其取得与工件的质量中心和驱动机械的电机的旋转中心之间的距离有关的信息；动作模式取得部，其取得与机械对工件执行的动作模式有关的信息；电机信息取得部，其取得与电机能够容许的最大转矩即瞬时转矩有关的信息；偏心载荷转矩计算部，其在工件的质量中心相对于电机的旋转中心偏心，且旋转轴与铅垂方向不平行的情况下，根据动作模式执行中的电机的旋转相位，来计算电机承受的负荷转矩即偏心载荷转矩；加减速转矩计算部，其计算在动作模式执行中电机加速或减速时产生的加减速转矩；必要转矩计算部，其根据动作模式执行中的偏心载荷转矩与加减速转矩的合计值来计算必要转矩；以及电机选定部，其基于在动作模式执行中必要转矩是否为电机的瞬时转矩以下来判断电机选定的可否。

附图说明

本发明的目的、特征及优点将通过与附图关联的对以下实施方式的说明而更加明了。

图1是实施例1的电机选定装置的框图。

图2是表示电机的旋转中心与工件的质量中心的位置关系的图。

图3是表示偏心载荷转矩与相位的关系的图表。

图4是表示实施例1的电机选定装置中的速度及加减速转矩的随时间的变化的图表。

图5A是表示实施例1的电机选定装置中的速度及工件的位置的随时间的变化的图表。

图5B是表示实施例1的电机选定装置中的加减速转矩的随时间的变化的图表。

图5C是表示实施例1的电机选定装置中的偏心载荷转矩的随时间的变化的图表。

图5D是表示实施例1的电机选定装置中的摩擦转矩的随时间的变化的图表。

图6是表示实施例1的电机选定装置中的加减速转矩、偏心载荷转矩、摩擦转矩及它们相加所得值的随时间的变化的图表。

图7是表示实施例1的电机选定装置中的电机的瞬时转矩及必要转矩与速度的关系的图表。

图8A是表示未考虑偏心载荷转矩的情况下的电机的瞬时转矩及必要转矩与速度的关系的图表。

图8B是表示在实施例1的电机选定装置中考虑了偏心载荷转矩的情况下的电机的瞬时转矩及必要转矩与速度的关系的图表。

图9是用于说明实施例1的电机选定装置的电机选定步骤的流程图。

图10是表示电机的旋转中心及主轴的重心的位置关系的图。

图11是表示产生偏心载荷转矩的电机与工件的位置关系的第一例的图。

图12是表示产生偏心载荷转矩的电机与工件的位置关系的第二例的图。

图13是表示产生偏心载荷转矩的电机与工件的位置关系的第三例的图。

图14是表示偏心载荷转矩与相位的关系的图表的第一例。

图15是表示偏心载荷转矩与相位的关系的图表的第二例。

图16是表示偏心载荷转矩与相位的关系的图表的第三例。

图17是实施例2的电机选定装置的框图。

图18是表示工件相对于轴承的位置、重力及离心力的关系的图。

图19A是表示在某个相位工件承受的阻力的大小的图。

图19B是表示在另一相位工件承受的阻力的大小的图。

图20是表示实施例2的电机选定装置中的偏心载荷转矩、摩擦转矩及它们的合计值与相位的关系的图表。

图21是用于对在实施例2的电机选定装置中计算与偏心载荷转矩相加的摩擦转矩的摩擦系数的算出步骤进行说明的流程图。

具体实施方式

以下参照附图对本公开的实施例的电机选定装置进行说明。但是需要注意的是：本发明的技术范围并不限定于这些实施方式，且涉及权利要求书所记载的发明及其等价物。

图1示出了实施例1的电机选定装置的框图。实施例1的电机选定装置101具有：机械条件取得部1、动作模式取得部2、电机信息取得部3、偏心载荷转矩计算部4、加减速转矩计算部5、必要转矩计算部6、以及电机选定部7。

优选电机选定装置101具备：用于输入数据等的输入装置10、以及用于显示电机的选定结果等的显示装置20。输入装置10能够采用键盘、鼠标等。显示装置20能够采用液晶显示装置、有机EL显示装置等。

机械条件取得部1取得与工件的质量中心和驱动机械的电机的旋转中心之间的距离有关的信息。图2示出了电机的旋转中心C1和工件的质量中心C2的位置关系。例如在旋转中心C1和工件的质量中心C2之间的距离为d的情况下，从输入装置10输入该值。此外，机械条件取得部1还可以取得机械效率、摩擦系数、电机的配置、电机、轴的动作范围等的信息。

动作模式取得部2取得与机械对工件执行的动作模式有关的信息。优选在与动作模式有关的信息中包含：工件的移动距离(或回旋角度)、使工件定位的时间、工件的加速时间常数、工件的移动速度、负荷(切削负荷等)中的至少一个。与动作模式有关的信息能够从输入装置10输入。

电机信息取得部3取得与电机能够容许的最大转矩即瞬时转矩有关的信息。在这里，当各轴所预定搭载的作为候补选定对象的电机有多个的情况下，也可以从输入装置10输入与各电机有关的信息。或者，也可以从存储装置读取存储装置(未图示)等所存储的与电机有关的信息。

偏心载荷转矩计算部4计算偏心载荷转矩。“偏心载荷转矩”是指：在工件的质量中心相对于电机的旋转中心偏心、且旋转轴不与铅垂方向平行的情况下，按照动作模式执行中的电机的旋转相位电机所承受的负荷转矩。图2示出了产生偏心载荷转矩的电机的旋转中心与工件的配置的例子。工件40的质量中心C2从电机的旋转中心C1偏离了距离d。此时，在使工件40移动的动作模式的执行中，按照电机的旋转相位，电机承受的负荷转矩是偏心载荷转矩。

如图2所示，将以相对于电机的旋转中心C1在垂直方向上靠下的位置为基准时的工件的质量中心C2的相位设为θ。此时，如图3所示，在任意的相位θ下的偏心载荷转矩T_el’以正弦波表示。

加减速转矩计算部5计算在动作模式执行中电机加速或减速时产生的加减速转矩。图4示出了实施例1的电机选定装置中的速度V及加减速转矩T的随时间的变化。在图4中，时间t从0到4[sec]的期间相当于执行动作模式的期间。作为一例，对如图4的上段所示那样使速度变化并使工件移动的例子进行说明。在时间t从0到1[sec]的期间以恒定的加速度使速度V[min^-1]增加。此时，如图4的下段所示那样产生恒定的加速转矩。在时间t从1到3[sec]的期间以恒定的速度使工件移动。此时不产生加减速转矩。在时间t从3到4[sec]的期间以恒定的加速度使速度V[min^-1]减少。此时产生恒定的减速转矩。

必要转矩计算部6根据动作模式执行中的偏心载荷转矩与加减速转矩的合计值计算必要转矩。在这里，“必要转矩”是指为了使工件动作所必要的转矩。图5A示出了实施例1的电机选定装置中的速度及工件的位置的随时间的变化。按照所期望的定位模式决定工件的位置。左侧的Y轴表示速度，右侧的Y轴表示位置或相位。速度的随时间的变化与图4的上段所示的例子相同。所期望(相位)的定位模式为使工件向所期望的位置(相位)移动的动作模式。在时间从0到1[sec]的期间使工件缓慢移动。在时间从1到3[sec]的期间使工件以恒定的速度移动。在时间从3到4[sec]的期间逐渐使工件的速度降低，并在时间4[sec]使工件停止。

图5B示出了实施例1的电机选定装置中的加减速转矩的随时间的变化。加减速转矩的随时间的变化与图4的下段所示的例子相同。

图5C示出了实施例1的电机选定装置中的偏心载荷转矩的随时间的变化。偏心载荷转矩在时间0及4[sec]为0，在时间2[sec]最大。

图5D示出了实施例1的电机选定装置中的摩擦转矩的随时间的变化。在实施例1中假定摩擦转矩恒定。

图6示出了图5B～图5D各自所示的加减速转矩、偏心载荷转矩、摩擦转矩及它们的合计值的随时间的变化。另外，速度的随时间的变化如图5A所示。在这里，图7示出了加减速转矩、偏心载荷转矩、摩擦转矩及它们的合计值即必要转矩、以及电机的瞬时转矩与速度的关系。实线表示加减速转矩。虚线表示加减速转矩与偏心载荷转矩的合计值。单点划线表示必要转矩、即加减速转矩、偏心载荷转矩及摩擦转矩的合计值。另外，在图7中，在这些曲线的周围描绘的间断线中，第一象限的间断线表示加速时的电机的瞬时转矩，第二象限的间断线表示减速时的电机的瞬时转矩。在图7所示例中，由单点划线表示的必要转矩(加减速转矩、偏心载荷转矩、及摩擦转矩的合计值)在全部的速度范围内，不超过由间断线表示的电机的瞬时转矩，因此电机正常动作。

接下来，对于在考虑了偏心载荷转矩的情况和未考虑偏心载荷转矩的情况的不同情况，对为了使工件动作所需的转矩(必要转矩)和电机的瞬时转矩的关系进行说明。图8A示出了未考虑偏心载荷转矩的情况下的电机的瞬时转矩及必要转矩与速度的关系。图8B示出了在实施例1的电机选定装置中考虑了偏心载荷转矩的情况下的电机的瞬时转矩及必要转矩与速度的关系。

电机选定部7在动作模式执行中基于必要转矩是否为电机的瞬时转矩以下来判定电机选定的可否。如图8A所示，在未考虑偏心载荷转矩的情况下，在椭圆包围的速度区域，必要转矩(实线)为电机的瞬时转矩(间断线)以上。在这种情况下，必要转矩超过了电机能够输出的最大转矩即瞬时转矩。其结果是，推定为在该速度区域无法获得必要转矩，判定为不能选定对象的电机。这是由于，以往未考虑偏心载荷转矩因相位而变化这一点，在任何相位都作为产生恒定的负荷的转矩来计算必要转矩。即，以往未计算偏心载荷转矩的相位依存性，并假定为产生恒定的负荷，因此存在过大地估计必要转矩的问题。其结果是，本来应被选定的电机未被选定，并要求过高的性能等，从而无法适当地进行电机的选定。

另一方面，如图8B所示，在使用实施例1的电机选定装置考虑了偏心载荷转矩的情况下，在全部的速度区域必要转矩小于电机的瞬时转矩。在这种情况下，在工件按照动作模式进行动作的全部的速度区域能得到必要的转矩，并判定为能够选定对象的电机。

这样，根据实施例1的电机选定装置，考虑了偏心载荷转矩的速度依存性，因此能够防止以往那样偏心载荷转矩恒定的结果、即过大地估计必要转矩的情况。其结果是，能够适当地进行电机的选定。

接下来，对使用实施例1的电机选定装置的电机的选定步骤进行说明。图9示出了对实施例1的电机选定装置的电机选定步骤进行说明的流程图。首先，在步骤S101中，机械条件取得部1取得机械条件，动作模式取得部2取得动作模式信息。在机械条件中包含与工件的质量中心和驱动机械的电机的旋转中心之间的距离有关的信息。此外，也可以取得机械效率、摩擦系数、电机的配置、电机、轴的动作范围等的信息。优选在与动作模式有关的信息中包含：工件的移动距离(或回旋角度)、使工件定位的时间、工件的加速时间常数、工件的移动速度、负荷(切削负荷等)中的至少一个。

接下来，步骤S102中，电机信息取得部3取得选定对象的电机信息。在电机信息中包含与电机能够容许的最大转矩即瞬时转矩有关的信息。在这里，在各轴所预定搭载的作为候补选定对象的电机有多个的情况下，也可以取得与各电机有关的信息。或者，也可以是电机信息取得部3从存储装置读取存储装置(未图示)等所存储的与电机有关的信息。

接下来，在步骤S103中，偏心载荷转矩计算部4计算偏心载荷转矩。对于偏心载荷转矩的计算方法将在后面叙述。

接下来，在步骤S104中，加减速转矩计算部5计算加减速转矩。加减速转矩是在动作模式执行中电机加速或减速时产生的转矩。

接下来，在步骤S105中，必要转矩计算部6计算各轴的动作所需的转矩。例如当机械为具有六轴的机器人的情况下，对各轴计算所需的转矩的值。在这里，在实施例1的电机选定装置中，必要转矩是动作模式执行中的偏心载荷转矩、加减速转矩、及摩擦转矩的合计值。但是，在实施例1中假定为摩擦转矩与相位无关地保持恒定。

接下来，在步骤S106中，电机选定部7判定能否选定作为对象的电机。具体而言，电机选定部7是基于在动作模式执行中必要转矩是否为电机的瞬时转矩以下来判定电机选定的可否。该判定是基于在电机的动作模式执行中的期间内必要转矩是否超过电机的瞬时转矩来进行的。

在该判定的基础上，还可以判定电机能否执行连续动作。在这里，连续动作的可否的判定是通过判断动作模式执行中的方均转矩是否小于电机的连续转矩来进行的。若以图4所示的动作模式为例，则方均转矩Ts[Nm]能够用以下的式(1)表示。

在这里，tc为执行一个动作模式的时间。

在步骤S106中，当判定为能够进行电机的选定的情况下，则结束电机的选定处理，并将选定结果显示于显示装置20。

另一方面，在步骤S106中，当判定为无法将对象的电机选定为使用的电机的情况下，则返回步骤S102，对其它电机执行选定作业。另外，当不存在其它电机的情况下，则返回步骤S101，缓和机械条件、动作模式，也可以再次判定可否选定对象的电机。

接下来，对产生偏心载荷转矩的机械的例子进行说明。图10示出了电机的旋转中心与主轴的重心的位置关系。由于电机30的旋转中心C1存在于离开主轴60的重心C2的位置，因此若以电机30的旋转中心C1为中心使主轴60向图的箭头方向旋转则会产生偏心载荷转矩。

图11示出了产生偏心载荷转矩的电机与工件的位置关系的第一例。工件40载置于台座50上。若使第一电机31以旋转中心C1为中心旋转则台座50倾斜。此时，在工件40与台座50两者的重心与旋转中心C1不一致的情况下会产生偏心载荷转矩。

图12示出了产生偏心载荷转矩的电机与工件的位置关系的第二例。若使第一电机31旋转则第一台座51以旋转中心C1为中心进行摆动动作。在第一台座51上设有第二台座52。工件40载置于第二台座52上。第二台座52通过第二电机32而以旋转中心C3为中心进行回旋动作。此时，在工件40、第一台座51及第二台座52的重心与旋转中心C1不一致的情况下产生偏心载荷转矩。

图13示出了产生偏心载荷转矩的电机与工件的位置关系的第三例。工件40载置于台座50上且通过使第二电机32以旋转中心C3为中心旋转而使工件40在台座50上回旋。若使第一电机31以旋转中心C1为中心旋转则台座50倾斜。此时，在工件40与台座50两者的重心与旋转中心C1不一致的情况下产生偏心载荷转矩。

接下来，对偏心载荷转矩的计算方法进行说明。图14示出了表示偏心载荷转矩与相位的关系的图表的第一例。偏心载荷转矩计算部4能够根据不同的两组相位和偏心载荷转矩来求出任意相位的偏心载荷转矩。例如在相位θ₁的偏心载荷转矩为T₁、相位θ₂的偏心载荷转矩为T₂的情况下，任意相位θ的偏心载荷转矩T_el能够通过以下的式(2)～(4)求出。

T_el(θ)=|T_el′sin(θ-θ_el0)| (2)

其中，在sin(θ₁-θ_el0)=0或sin(θ₂-θ_el0)=0的情况下，T_el(θ)＝0

优选，考虑如上所述求出的偏心载荷转矩来进行电机选定。

特别是在如图15所示那样偏心载荷转矩为最大T_elmax的相位θ_elmax为已知的情况下，能够通过如下的式(5)来计算任意相位θ的偏心载荷转矩T_el(θ)。

此外，在如图16所示那样偏心载荷转矩为0的相位θ_el0为已知的情况下，能够通过以下的式(6)来计算任意的相位θ中的偏心载荷转矩T_el(θ)。

其中，在sin(θ_elmax-θ_el0)=0的情况下，T_el(θ)=0 (6)

接下来，对实施例2的电机选定装置进行说明。图17示出了实施例2的电机选定装置的框图。实施例2的电机选定装置102与实施例1的电机选定装置101的区别在于：还具有通过将摩擦面和电机的旋转中心之间的距离与摩擦力相乘来求出摩擦转矩的摩擦转矩计算部8，且必要转矩计算部通过将偏心载荷转矩与摩擦转矩相加来计算必要转矩。实施例2的电机选定装置102的其它结构与实施例1的电机选定装置101中的结构相同而省略详细说明。

在实施例1的电机检测装置中，示出了假定摩擦转矩恒定来判定电机的选定可否的例子。但是，优选在摩擦转矩超过一定的大小而对电机的选定造成影响的情况下，考虑摩擦转矩因相位(位置)而变化这一点来进行电机的选定。

摩擦力与滑动面上的阻力和摩擦系数成比例。偏心载荷相同则重力方向的阻力就相同。但是，由于电机驱动中会在滑动面施加离心力，因此阻力的大小会因相位而变化，摩擦力也会同样地因相位而改变大小。在实施例2的电机选定装置中，考虑了该因相位而变化的摩擦转矩来进行电机的选定可否的判定。

图18示出了工件相对于轴承的位置与重力及离心力的关系。对工件40在轴承70的周围滑动的例子进行说明。如图18所示，工件40在状态1～3任一状态下重力都始终加在垂直方向，而离心力则加在远离轴承的方向。因此，若将重力G和离心力F_ω合成的力设为阻力(G+F_ω)，则阻力会因工件的相位(位置)而不同。在图19A及图19B中分别示出了状态2及状态3下的重力、离心力及阻力的关系。由图19A及图19B可知：状态2下的阻力与状态3下的阻力不同，且阻力因相位而变化。

在这里，摩擦转矩f(θ)能够通过按照以下的式(7)将摩擦面和电机旋转中心之间的距离e与摩擦力相乘而得到。

必要转矩计算部6通过将偏心载荷转矩与由式(7)求出的摩擦转矩相加来计算必要转矩。图20示出了实施例2的电机选定装置中的偏心载荷转矩、摩擦转矩及它们的合计值与相位的关系。与实施例1的情况不同，在实施例2中，摩擦转矩因相位而变化。此外，由于摩擦转矩和偏心载荷转矩的相位错开，因此实施例2中的偏心载荷转矩与摩擦转矩的合计值与实施例1的情况相比相位错开。在实施例2的电机选定装置中，考虑了因相位而变化的摩擦转矩来进行电机选定，从而即使在摩擦转矩因相位而变化的情况下，也能够准确地选定电机。

在这里，在使用通过实施例2的电机选定装置102选定的电机的作为研究对象的机械之外，对存在类似机械的情况进行说明。此时，也可以是：摩擦转矩计算部8使用在类似的机械中使用的电机的信息，对摩擦转矩的函数进行多项式近似，并根据摩擦转矩的函数来计算摩擦系数，根据摩擦系数来计算作为研究对象的机械的摩擦转矩。必要转矩计算部6能够通过将作为研究对象的机械的偏心载荷转矩与摩擦转矩相加来计算必要转矩。

例如可以是：从已知的类似的机械的电机取得电流、速度信息，导出摩擦系数。此外，计算离心力与重力的合力，根据之前求出的摩擦系数来算出摩擦转矩。能够将作为研究对象的机械的不含摩擦的偏心载荷转矩与该摩擦转矩相加来进行电机选定。

在这里，使用图21所示的流程图对摩擦系数的算出方法进行说明。首先，在步骤S201中，根据电流信息和位置信息算出各相位的转矩。由于转矩与电流成比例，因此能够根据电流信息算出转矩。

接下来，在步骤S202中，根据速度信息和转动惯量算出加速转矩。在这里设为转动惯量已知。

接下来，在步骤S203中，根据偏心载荷信息和算出的转矩将偏心载荷转矩与摩擦转矩分离。在这里设为偏心载荷信息包含与偏心载荷转矩有关的信息且为已知。此时，在不进行切削等动作的状态下取得电流信息及速度信息。摩擦转矩按照以下的式子求出。

摩擦转矩＝转矩－偏心载荷转矩－加速转矩

接下来，在步骤S204中，通过对摩擦转矩进行多项式近似来导出各相位的摩擦转矩的函数。这是由于不进行多项式近似而逐次计算摩擦转矩则噪声会变大。

接下来，在步骤S205中，对摩擦转矩的函数，除以各相位的重力与离心力的合力以及摩擦面与电机旋转中心之间的距离，从而算出摩擦系数。在这里，各相位的重力、及摩擦面与电机旋转中心之间的距离是已知的。离心力能够根据机械信息和速度的信息进行计算。摩擦系数μ通过以下的式(8)求出。

这样，使用从类似的机械算出的摩擦系数来计算摩擦转矩，从而能够准确地计算包含偏心载荷转矩和摩擦转矩的必要转矩。其结果是，能够准确地进行电机的选定。

根据本公开的实施例的电机选定装置，能够准确地进行用于对机床的倾斜轴等的产生偏心载荷转矩的轴进行驱动的电机的选定。

Claims (4)

1.一种电机选定装置，其特征在于，具有：

机械条件取得部，其取得与工件的质量中心和驱动机械的电机的旋转中心之间的距离有关的信息；

动作模式取得部，其取得与所述机械对工件执行的动作模式有关的信息；

电机信息取得部，其取得与所述电机能够容许的最大转矩即瞬时转矩有关的信息；

偏心载荷转矩计算部，其在工件的质量中心相对于所述电机的旋转中心偏心，且旋转轴与铅垂方向不平行的情况下，根据所述动作模式执行中的所述电机的旋转相位，来计算所述电机承受的负荷转矩即偏心载荷转矩；

加减速转矩计算部，其计算在所述动作模式执行中所述电机加速或减速时产生的加减速转矩；

必要转矩计算部，其根据所述动作模式执行中的所述偏心载荷转矩与所述加减速转矩的合计值来计算必要转矩；以及

电机选定部，其基于在所述动作模式执行中所述必要转矩是否为所述电机的瞬时转矩以下来判断电机选定的可否。

2.根据权利要求1所述的电机选定装置，其特征在于，

所述偏心载荷转矩计算部根据不同的两组相位和偏心载荷转矩来求出任意相位的偏心载荷转矩。

3.根据权利要求1所述的电机选定装置，其特征在于，

还具有摩擦转矩计算部，该摩擦转矩计算部通过将摩擦面和所述电机的旋转中心之间的距离与摩擦力相乘来求出摩擦转矩，

所述必要转矩计算部通过将所述偏心载荷转矩与所述摩擦转矩相加来计算必要转矩。

4.根据权利要求3所述的电机选定装置，其特征在于，

所述摩擦转矩计算部使用在类似的机械中使用的电机的信息，对摩擦转矩的函数进行多项式近似，并根据所述摩擦转矩的函数来计算摩擦系数，

并且根据所述摩擦系数来计算研究对象的机械的摩擦转矩，

所述必要转矩计算部通过将研究对象的机械的偏心载荷转矩与所述摩擦转矩相加来计算必要转矩。