JP2012184957A - エンコーダ解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被試験エンコーダにおける異物や傷に関連した異常の有無の検出精度を向上できるエンコーダ解析装置を得ること。
【解決手段】エンコーダ解析装置は、回転体又は移動体を含む機器の位置を検出する被試験エンコーダと、前記機器を介して前記被試験エンコーダに結合され、前記機器の位置を検出する基準エンコーダと、前記被試験エンコーダにより検出された位置信号と前記基準エンコーダにより検出された位置信号とを同時にサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリングされた前記被試験エンコーダによる位置信号と前記基準エンコーダによる位置信号との差分を取ることにより、位置信号の誤差波形を生成する生成部と、前記生成された誤差波形から、異物又は傷に関連した周波数帯域の成分波形を抽出する抽出部と、前記抽出された成分波形を用いて、前記被試験エンコーダにおける異物又は傷に関連した異常の有無を判定する判定部とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダ解析装置に関する。

特許文献１には、エンコーダ位置誤差解析装置において、基準エンコーダと測定エンコーダとを機械的に結合し、基準エンコーダからの位置信号と測定エンコーダからの位置信号との差信号として位置誤差信号を求めることが記載されている。そのエンコーダ位置誤差解析装置において、パラメータ解析装置は、位置誤差信号の１次〜４次の信号成分の強度及び位相と、Ａ相信号の１次の信号成分の位相とから、原エンコーダ信号に含まれる誤差要因を解析するとされている。これにより、特許文献１によれば、原エンコーダ信号に含まれる誤差要因として、Ａ相オフセット電圧、Ｂ相オフセット電圧、Ａ相信号とＢ相信号との振幅比、２次高調波成分、３次高調波成分を算出できるとされている。

特開２００５−３６７２号公報

特許文献１には、測定エンコーダに付着する異物や測定エンコーダに発生した傷に関連した記載が一切ないため、測定エンコーダ（被試験エンコーダ）における異物や傷に関連した異常の有無の検出精度をどのように向上するのかについても記載及び示唆がない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被試験エンコーダにおける異物や傷に関連した異常の有無の検出精度を向上できるエンコーダ解析装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるエンコーダ解析装置は、回転体又は移動体を含む機器の位置を検出する被試験エンコーダと、前記機器を介して前記被試験エンコーダに結合され、前記機器の位置を検出する基準エンコーダと、前記被試験エンコーダにより検出された位置信号と前記基準エンコーダにより検出された位置信号とを同時にサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリングされた前記被試験エンコーダによる位置信号と前記基準エンコーダによる位置信号との差分を取ることにより、位置信号の誤差波形を生成する生成部と、前記生成された誤差波形から、異物又は傷に関連した周波数帯域の成分波形を抽出する抽出部と、前記抽出された成分波形を用いて、前記被試験エンコーダにおける異物又は傷に関連した異常の有無を判定する判定部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、被試験エンコーダにおける異物や傷に関連のない成分を除去した状態で異常の有無の判定を行うことができるので、被試験エンコーダにおける異物や傷に関連した異常の有無の検出精度を向上できる。

図１は、実施の形態にかかるエンコーダ解析装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態における解析処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、実施の形態における波形を示す図である。 図４は、実施の形態における検出窓幅を示す図である。 図５は、実施の形態の変形例にかかるエンコーダ解析装置の構成を示す図である。 図６は、実施の形態の他の変形例にかかるエンコーダ解析装置の構成を示す図である。

以下に、本発明にかかるエンコーダ解析装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
実施の形態にかかるエンコーダ解析装置１００について図１を用いて説明する。図１は、エンコーダ解析装置１００の構成を示すブロック図である。

エンコーダ解析装置１００は、モータ２、被試験エンコーダ１、基準エンコーダ３、信号演算器４、信号演算器５、サンプリング装置（サンプリング部）６、及び解析装置７を備える。

モータ２は、回転子（回転体）を含む機器である。モータ２は、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３のそれぞれにギヤ等を介して機械的に結合されている。

被試験エンコーダ１は、モータ２にギヤ等を介して機械的に結合されており、モータ２の位置、すなわちモータ２内における回転子の回転位置を検出する。被試験エンコーダ１は、例えば、機械式のロータリエンコーダであり、回転子にモータ軸を介して結合されたギヤ等の回転量から、回転子の回転位置を検出する。被試験エンコーダ１は、信号演算器４に接続されており、検出結果を位置信号として信号演算器４へ出力する。

基準エンコーダ３は、被試験エンコーダ１の異常を検出するための基準となるエンコーダであり、被試験エンコーダ１と同様の構成を有している。すなわち、基準エンコーダ３は、モータ２にギヤ等を介して機械的に結合されており、モータ２の位置、すなわちモータ２内における回転子の回転位置を検出する。基準エンコーダ３は、例えば、機械式のロータリエンコーダであり、回転子にモータ軸を介して結合されたギヤ等の回転量から、回転子の回転位置を検出する。基準エンコーダ３は、信号演算器５に接続されており、その検出結果を位置信号として信号演算器５へ出力する。

信号演算器４は、被試験エンコーダ１及びサンプリング装置６に電気的に接続されている。信号演算器４は、被試験エンコーダ１により検出された位置信号を被試験エンコーダ１から取得してサンプリング装置６へ送信する。

信号演算器５は、基準エンコーダ３及びサンプリング装置６に電気的に接続されている。信号演算器５は、基準エンコーダ３により検出された位置信号を基準エンコーダ３から取得してサンプリング装置６へ送信する。

サンプリング装置６は、被試験エンコーダ１により検出された位置信号と基準エンコーダ３により検出された位置信号とを同時にサンプリングする。具体的には、サンプリング装置６は、位置信号取得指令を信号演算器４及び信号演算器５へ同時に送信する。これに応じて、信号演算器４及び信号演算器５は、それぞれ、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３の位置信号を同時に取得し、取得した位置信号を同時にサンプリング装置６へ送信する。サンプリング装置６は、受信した位置信号を解析装置７へ送信する。

解析装置７は、受信した位置信号を用いて演算処理を実行する。具体的には、解析装置７は、生成部７１、抽出部７２、判定部７３、及び設定部７４を有する。

生成部７１は、被試験エンコーダ１により検出された位置信号と基準エンコーダ３により検出された位置信号とをそれぞれサンプリング装置６から受信する。そして、生成部７１は、被試験エンコーダ１により検出された位置信号と基準エンコーダ３により検出された位置信号とに基づいて、位置信号の誤差波形（図３（ａ）参照）を生成する。生成部７１は、生成した位置信号の誤差波形を抽出部７２へ供給する。

抽出部７２は、位置信号の誤差波形を生成部７１から受ける。抽出部７２は、位置信号の誤差波形から、異物又は傷に関連した周波数帯域の成分波形を抽出して判定部７３へ供給する。異物又は傷に関連した周波数帯域は、予め実験的に決定されたものである。

判定部７３は、成分波形を抽出部７２から受ける。判定部７３は、抽出された成分波形を用いて、被試験エンコーダ１における異物又は傷に関連した異常の有無を判定する。具体的には、判定部７３は、抽出部７２により抽出された成分波形の変動幅が閾値を超えたか否かを検出幅単位で判定する。例えば、判定部７３は、成分波形における少なくとも１つの検出幅において変動幅が閾値を超えた場合、被試験エンコーダ１における異物又は傷に関連した異常が有ると判定し、変動幅が閾値を超えた検出幅がない場合、被試験エンコーダ１における異物又は傷に関連した異常が無いと判定する。

設定部７４は、判定部７３が判定に用いるべき閾値及び検出幅を設定する。例えば、設定部７４は、エンコーダの要求される分解能が所定値より高い場合、閾値を第１の値に設定し、エンコーダの要求される分解能が所定値より低い場合、閾値を第１の値より低い第２の値に設定する。例えば、設定部７４は、位置データのサンプリング装置６によるサンプリング間隔が所定値より長い場合、検出窓幅を第１の長さに設定し、位置データのサンプリング装置６によるサンプリング間隔が所定値より短い場合、検出窓幅を第１の長さより短い第２の長さに設定する。これに応じて、判定部７３は、変更後の閾値及び検出幅を用いて上記の判定を行う。

次に、抽出部７２内の構成について説明する。

抽出部７２は、第１の演算部７２１、フィルタ部７２２、及び第２の演算部７２３を有する。

第１の演算部７２１は、位置信号の誤差波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）して、誤差波形の周波数特性を示す誤差スペクトルを求める。第１の演算部７２１は、求めた誤差スペクトルをフィルタ部７２２へ渡す。

フィルタ部７２２は、誤差スペクトルを第１の演算部７２１から受ける。フィルタ部７２２は、誤差スペクトルのうち異物又は傷に関連した周波数帯域のスペクトル成分を選択的に通過させる。例えば、フィルタ部７２２は、上記の周波数帯域を通過帯域として有するバンドパスフィルタを有し、誤差スペクトルをバンドパスフィルタへ通すことにより上記のスペクトル成分を求めて第２の演算部７２３へ渡す。

第２の演算部７２３は、スペクトル成分をフィルタ部７２２から受ける。第２の演算部７２３は、スペクトル成分を逆高速フーリエ変換（逆ＦＦＴ）して、異物又は傷に関連した周波数帯域の成分波形を求めて判定部７３へ供給する。

次に、エンコーダ解析装置１００の動作手順の一例について説明する。

まず、モータ２に回転指令を与え、被試験エンコーダ１とモータ２と基準エンコーダ３とを回転させる。次に、サンプリング装置６は、信号演算器４及び信号演算器５へそれぞれ同時に接続先のエンコーダの位置信号取得指令を送信する。指令を受けた信号演算器４及び信号演算器５は、それぞれ接続先のエンコーダの位置信号を読取り、サンプリング装置６へエンコーダの位置信号を送信する。位置信号を受信したサンプリング装置６は、解析装置７へ位置信号を送信する。

エンコーダ解析装置１００は、上記の一連の処理を一定時間間隔で行い、解析装置７は、例えばモータ１回転分の位置信号を採取する。解析装置７は、収集した位置信号を用いて解析処理を実行する。

次に、エンコーダ解析装置１００における解析処理の流れについて図２を用いて説明する。図２は、エンコーダ解析装置１００における解析処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳＴ１では、解析装置７が、被試験エンコーダ１による位置信号と基準エンコーダ３による位置信号とから位置信号の誤差演算をおこなう。例えば、解析装置７は、被試験エンコーダ１による位置信号から基準エンコーダ３による位置信号を減算することにより、位置信号の誤差を演算する。

ステップＳＴ２では、解析装置７が、ステップＳＴ１で求めた位置信号の誤差から、位置信号の誤差波形（図３（ａ）参照）を生成する。

ステップＳＴ３では、解析装置７が、位置信号の誤差波形に対してＦＦＴ演算処理を行う。

ステップＳＴ４では、解析装置７が、ＦＦＴ演算処理の結果を元に、誤差波形の周波数特性を示す誤差スペクトルを生成する。

ステップＳＴ５では、解析装置７が、ステップＳＴ４で生成した誤差スペクトルを、バンドパスフィルタ（理想的な誤差波形を形成する周波数フィルタ）に通して、通常含まれない周波数成分、すなわち異物又は傷に関連した周波数帯域のスペクトル成分を選択的に抽出するフィルタリング処理をおこなう。

ステップＳＴ６では、解析装置７が、抽出したスペクトル成分に対して逆ＦＦＴ演算処理を行う。

ステップＳＴ７では、解析装置７が、逆ＦＦＴ演算処理の結果を元に、異物又は傷に関連した周波数帯域の成分波形（図３（ｂ）参照）を生成する。

ステップＳＴ８では、解析装置７が、生成した成分波形にて、予め設定された検出窓幅内でのピークｔｏピークの値の差分をとるにより波形の変動幅を求め、しきい値と比較する。解析装置７は、例えばモータ１回転分について、このような比較を検出窓幅単位で繰り返し行う。

ステップＳＴ９では、解析装置７が、比較した結果、例えばモータ１回転分について全ての検出窓幅で閾値以下であれば良品判定とし、例えばモータ１回転分について少なくとも１つの検出窓幅で閾値より高ければ不良判定となる。

なお、検出窓幅は、データ点数で定義される。例えば、図４に示すように、窓幅を２５６［点］とすると、図３（ｂ）にて求めた逆ＦＦＴ演算後の成分波形にて２５６点内でピークｔｏピークの変動幅最大値（ｍａｘ１）を算出し、同様に各検出窓幅でのピークｔｏピークの変動幅最大値（ｍａｘ２、ｍａｘ３、・・・、ｍａｘＮ）を算出する。ｍａｘ１〜ｍａｘＮにおける最大値を判定に使用してもよい。

以上のように、実施の形態では、被試験エンコーダ１により検出された位置信号と基準エンコーダ３により検出された位置信号とに基づいて位置信号の誤差波形を生成し、位置信号の誤差波形から、異物又は傷に関連した周波数帯域の成分波形を抽出し、抽出された成分波形を用いて、被試験エンコーダ１における異物又は傷に関連した異常の有無を判定する。これにより、被試験エンコーダにおける異物や傷に関連のない成分を除去した状態で異常の有無の判定を行うことができるので、被試験エンコーダにおける異物や傷に関連した異常の有無の検出精度を向上できる。

また、実施の形態では、判定部７３が、抽出部７２により抽出された成分波形の変動幅が閾値を超えたか否かにより、異物や傷に関連した異常の有無を判定する。すなわち、判定部７３は、成分波形の変動幅が閾値を超えた場合、被試験エンコーダ１における異物又は傷に関連した異常が有ると判定し、成分波形の変動幅が閾値以下である場合、被試験エンコーダ１における異物又は傷に関連した異常が無いと判定する。これにより、被試験エンコーダ１における異物又は傷に関連した異常の有無を簡易な処理及び構成で判定することができる。

また、実施の形態では、設定部７４が、判定部７３が判定に用いるべき閾値を設定する。例えば、設定部７４は、エンコーダの要求される分解能が所定値より高い場合、閾値を第１の値に設定し、エンコーダの要求される分解能が所定値より低い場合、閾値を第１の値より低い第２の値に設定する。このように、判定基準を任意に設定可能なため、エンコーダ分解能や位置信号のサンプリング間隔に応じて検出したい異常の検出が可能となる。

また、実施の形態では、第１の演算部７２１が、位置信号の誤差波形を高速フーリエ変換して誤差スペクトルを求め、フィルタ部７２２が、誤差スペクトルのうち異物又は傷に関連した周波数帯域のスペクトル成分を選択的に通過させ、第２の演算部７２３が、その通過したスペクトル成分を逆高速フーリエ変換して、異物や傷に関連した周波数帯域の成分波形を求める。このように、位置信号の誤差波形を周波数特性に変換してから異物又は傷に関連した周波数帯域のスペクトル成分を抽出しているので、その周波数帯域の成分の抽出精度を向上できる。また、抽出後のスペクトル成分から時間特性に変換して成分波形を求めているので、その成分波形を用いて異物や傷に関連した異常の有無を検出できる。

なお、実施の形態では、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３により位置検出される対象がモータ２の場合について例示的に説明したが、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３により位置検出される対象は、回転体を含むような機器であればモータ以外の機器であってもよい。

また、実施の形態では、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３がそれぞれ機械式のロータリエンコーダである場合について例示的に説明したが、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３は、それぞれ、他の方式（例えば、光電式、磁気式、ブラシ式）のロータリエンコーダであってもよい。

あるいは、図５に示すように、エンコーダ解析装置２００において、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３がそれぞれリニアスケール（リニアエンコーダ）であってもよい。例えば、リニアに移動する移動体を含む駆動機器（例えば、リニアモータ）２０２の位置検出を被試験リニアスケール（被試験エンコーダ）２０１及び基準リニアスケール（基準エンコーダ）２０３が行ってもよい。

あるいは、図６に示すように、エンコーダ解析装置３００において、サンプリング装置３０６が信号演算器４及び信号演算器５を介さずに被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３に接続されていても良い。この場合、サンプリング装置３０６は、同時に、被試験エンコーダ１及び基準エンコーダ３から位置信号を読み取ることになる。

以上のように、本発明にかかるエンコーダ解析装置は、エンコーダの誤差の解析に有用である。

１ 被試験エンコーダ
２ モータ
３ 基準エンコーダ
４ 信号演算器
５ 信号演算器
６、３０６ サンプリング装置
７ 解析装置
７１ 生成部
７２ 抽出部
７３ 判定部
７４ 設定部
１００、２００、３００ エンコーダ解析装置
２０１ 被試験リニアスケール
２０３ 基準リニアスケール
７２１ 第１の演算部
７２２ フィルタ部
７２３ 第２の演算部

Claims (4)

1. 回転体又は移動体を含む機器の位置を検出する被試験エンコーダと、
   前記機器の位置を検出する基準エンコーダと、
   前記被試験エンコーダにより検出された位置信号と前記基準エンコーダにより検出された位置信号とを同時にサンプリングするサンプリング部と、
   前記サンプリングされた前記被試験エンコーダによる位置信号と前記基準エンコーダによる位置信号とに基づいて、位置信号の誤差波形を生成する生成部と、
   前記生成された誤差波形から、異物又は傷に関連した周波数帯域の成分波形を抽出する抽出部と、
   前記抽出された成分波形を用いて、前記被試験エンコーダにおける異物又は傷に関連した異常の有無を判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とするエンコーダ解析装置。
2. 前記判定部は、前記抽出部により抽出された成分波形の変動幅が閾値を超えた場合、前記被試験エンコーダにおける異物又は傷に関連した異常が有ると判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ解析装置。
3. 前記判定部が判定に用いるべき前記閾値を設定する設定部をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ解析装置。
4. 前記抽出部は、
   前記生成された誤差波形を高速フーリエ変換して誤差スペクトルを求める第１の演算部と、
   前記誤差スペクトルのうち異物又は傷に関連した周波数帯域のスペクトル成分を選択的に通過させるフィルタ部と、
   前記通過したスペクトル成分を逆高速フーリエ変換して前記成分波形を求める第２の演算部と、
   を有する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ解析装置。

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