JP4680492B2

JP4680492B2 - ロボット制御装置

Info

Publication number: JP4680492B2
Application number: JP2003387355A
Authority: JP
Inventors: 裕隆森田; 道春田中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005151729A

Description

本発明は、モータ駆動を行なう制御装置において、駆動用エネルギー供給断、すなわち駆動用電源が遮断された時に、停電検出回路の出力に基づいて、蓄積されているエネルギーの開放をする、またはしないを選択する制御装置で、特にロボット制御装置に関する。

１軸のモータが適用される加工機への部品供給用のスライダやターンテーブルにおいて、作業者により部品を取り付け治具への取り付けや加工済み部品の取り外しが行なわれる場合がある。また、複数のモータが適用される特に産業用ロボットにおいても、作業者により部品を取り付け治具への取り付けや加工済み部品の取り外しが行なわれる。さらには、産業用ロボットに作業プログラムの登録や編集を行なう教示中においては、教示作業者がロボットの近傍でペンダントを操作することでロボットを所望する位置へ動作させて、その位置の登録または変更するティーチング作業を行なう。この様に、モータが適用された加工機や産業用ロボットの動作範囲、あるいは、近傍に作業者が接近することがある。モータが外来ノイズ等やモータ駆動装置の部品故障を原因として意図しない動作に対し、作業者の安全を確保するために、モータの駆動電源の遮断を、自動的にまたは操作で行なう。

更にモータ駆動を行なう制御装置の詳細を、産業用ロボットを例に図を用いて説明する。図７は、従来のロボット制御装置およびシステムの構成を示す図である。
図において、１はロボットであり、ロボット制御装置２に接続されている。ロボット１の手首部先端には、作業を行なうための作業ツールが取り付けられている。ロボット制御装置２には、ペンダント３が接続されており、教示中にモータ電源を作業者７の手元操作で投入と遮断できるイネーブル装置９が備わっている。ロボット１が作業中は、その動作範囲に作業者７が進入しないように、図示しない防護柵で囲われている。８は外部操作装置であり、ロボット制御装置２に接続されており、非常停止、モータ電源投入指令、動作開始指令、及び停止指令等の信号をロボット制御装置２に与える。５はモータによって旋回するターンテーブル６を備える作業台であり、ロボット制御装置２に接続されている。

作業者７は作業台５に加工すべきワーク４の装着、あるいは、ロボット１による作業後のワーク４の取り外しを、図示しない防護柵の開口部より行なう。この際、作業者７はターンテーブル６に直接触れることがあり、また、作業者７の体の少なくとも一部はロボット１の可動範囲に入る事がある。作業者７の安全確保のため、これら段取り作業は外部操作装置８の非常停止ボタンの操作等で、ロボット１及び作業台５のモータ駆動電源を遮断した後に行なう。作業者７は、これら段取り作業後ロボット１及び作業台５の動作範囲より退避して、外部操作装置８のモータ電源投入指令の入力でモータ駆動電源の投入、及び、動作開始指令の入力で作業プログラムに基づく動作の起動を行ない、ワーク４に対する作業を行なう。

また、作業者７は、教示作業中にロボット１に接近して、ペンダント３の操作でロボット１を動作させるが、作業者７がペンダント３への誤操作を行なうと、ロボット１は作業者７の意図しない動作をすることなる。この意図しないロボット１の動作は、ロボット周辺設備の破損や教示操作者へ危害を与える可能性があるという問題がある。このためペンダント３にはイネーブル装置９が備えられ、ペンダント３を把持状態より放すとロボット１の駆動電源を遮断することで、ロボット１を完全に停止させ、前述の問題の軽減化が行なわれている。
このように、稼動中あるいは教示中において、駆動電源の投入と遮断は頻繁に行なわれている。

一方、ロボット制御装置２に収まっているモータ駆動装置やロボットの制御部の保守作業においては、ロボット制御装置２に備わるブレーカなどの電源遮断手段で供給電源の遮断を行ない、モータを確実に停止し、ロボット制御装置２内に蓄積している電荷エネルギーの開放（放電）を行ない、感電の危険を無くした後に行なわれる。
尚、ロボットは垂直多関節型、水平多間接型、円筒座標型など種々の構成があるが、供給電源の遮断のため駆動軸のトルク出力が止まり、自らのアームが重力方向に落下することを防ぐために、各駆動軸には電磁ブレーキなどの保持器が備えられている。

従来のモータ駆動装置は、駆動用の交流電源入力を遮断すると、直流に変換され平滑コンデンサに充電された電荷の強制放電を行ない、又は、平滑コンデンサの充電状態を表示している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
このように、従来のモータ駆動装置は、モータの駆動電源を遮断した時に、平滑コンデンサに充電された電荷を強制放電して、保守点検等のために直接モータ駆動装置に触れても感電事故を防いでいる。また充電表示を行なうことで、作業者に対し感電への注意を促している。
特開平９−３７５６２号公報特開平１０−２２５５８３号公報

従来のモータ駆動装置は、モータ駆動装置への電源供給を遮断した時に平滑コンデンサの放電を制御しており、工作機や産業用ロボットに代表される駆動電源の頻繁な投入と遮断を行なう作業機械への適用では次にあげるような問題があった。
（１）駆動電源の遮断では放電用の抵抗器で平滑コンデンサに充電された電荷を強制放電するため、頻度が高くなると放電用の抵抗器は過熱状態となり焼損する恐れがある。
（２）平滑コンデンサの温度上昇を招き、平滑コンデンサが短寿命化する。
（３）平滑コンデンサ放電後に駆動用の電源を投入したときには、モータに適正なトルクを発生するための平滑コンデンサへの充電に数百ミリ秒の充電時間が必要となり、タクトタイムが伸びる障害となる。
また、平滑コンデンサの充電状態表示を行なう場合は、保守点検を行なう時には表示が消灯して感電の危険がなくなるまで待たなければならなかった。平滑コンデンサ両端の電圧が人体にとって危険電圧以下（例えば直流３０Ｖ）になるためには、充電された電荷が自然放電及び駆動回路部品の漏洩電流に頼り、強制放電を行なわないと数分から数十分必要である。この強制放電を作業者の操作に頼ることは、操作を忘れると安全が阻害されることとなるため問題があった。
尚、段取り時に駆動電源の遮断は、前述の作業者への安全確保の他に、工作機の非動作時の節電となり、省エネルギーの効果があり要望が多くなっている。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、駆動用の電源遮断のみでは平滑コンデンサの強制放電を行なわないことで、放電用の抵抗器容量の小型化と共に平滑コンデンサの短命化を防止し、更には継続する作業のためにモータ駆動電源を投入した時の平滑コンデンサへの充電時間を短縮化すると共に、制御装置の全電源遮断、すなわち制御用の電源遮断時には、平滑コンデンサに充電された電荷を強制放電することで遅滞なく感電事故等無く安全に保守点検を行なうことのできる制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、電源から直列接続した遮断器の接点と継電器の接点とを介して電源供給され、前記遮断器の接点および前記継電器の接点が閉路したときにエネルギーを蓄える平滑コンデンサを備える駆動電源部と、前記駆動電源部より電力供給を受け駆動回路を介してモータを駆動する駆動部と、前記遮断器の接点と前記継電器の接点との間に接続され前記電源の供給停止を検出して電源供給停止信号を出力する停電検出回路と、前記モータの減速時に該モータからの回生による余剰エネルギーの開放および前記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーを開放するエネルギー開放手段と、を備えたロボット制御装置において、前記停電検出回路が前記停電検出信号を出力した際には前記エネルギー開放手段で前記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーの開放を行ない、前記電源から前記遮断器の接点と前記継電器の接点とを介して前記駆動電源部へ電源供給された状態から、前記遮断器の接点は閉路した状態で前記継電器の接点を開路して前記駆動電源部への電源供給の遮断に際し、前記停電検出回路が前記電源供給停止信号を出力していなければ、前記エネルギー開放手段で前記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーの開放を行なわないで自然放電を行なうことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、ロボット制御装置であってモータの駆動電源遮断の時に、停電検出回路より、電源供給停止信号が出力されていなければコンデンサに蓄積された電荷エネルギーを強制放電せず、電源供給停止信号が出力されていればコンデンサに蓄積された電荷エネルギーを強制放電することができ、コンデンサや放電手段部品の長寿命化と、投入時の待ち時間を最小として稼動継続ができる。更には保守に際しては感電事故を防止することができる。更に作業者がロボットの動作領域に入り、駆動電源の投入と遮断頻度の高い生産機械でも部品の短命化などの障害を排除することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第1の実施例を示す電源回路の接続図である。図において、２１は遮断器であり制御装置への電源２０の継断を行なう。遮断器２１より分岐して、片方は電源装置２２より駆動電源制御回路２４へ制御用の電源を供給すると共に、停電検出回路２３で電源２０の停電あるいは遮断器２１による電源遮断を検出して、電源供給停止信号を駆動電源制御回路２４へ出力する。図示しない制御装置の制御部より駆動電源制御回路２４へ駆動電源投入指令が入力され、駆動電源部３５への電源投入と遮断を制御する。尚、電源装置２２は、後述する平滑コンデンサ３３の強制放電時間相当の電圧保持時間が確保されている。他方は継電器２５を介して駆動電源部３５へ接続されており、駆動電源制御回路２４の指令に基づき電源２０を整流器２６へ継電する。整流器２６は交流を直流へ変換するダイオードアレーである。２７は抵抗器、２８は継電器、２９は電圧検出回路、３０は回生制御回路、３１はトランジスタ、３２は回生抵抗器、３３は平滑コンデンサ、３４は駆動回路である。

抵抗器２７は突入電流抑制を目的としており、平滑コンデンサ３３の両端電圧が所定の電圧以下では継電器２８は開路して、継電器２５を閉路して整流器２６により直流変換された電流で平滑コンデンサ３３への充電電流が過大とならないように抵抗器２７で電流を制限する。平滑コンデンサ３３の両端電圧が所定の電圧となったことが電圧検出回路２９で検出されると、継電器２８が閉路して直接充電される。
また、モータ減速時にはモータより回生エネルギーが駆動回路３４より戻されて、平滑コンデンサ３３の両端電圧は高くなるが、この高い電圧によって回路部品の焼損や回路の絶縁破壊を防ぐために、電圧検出回路２９が所定の過電圧より高くなったことを検出すると、回生制御回路３０へ結果が出力され、回生制御回路３０ではトランジスタ３１を駆動して、平滑コンデンサ３３に蓄えられている電荷を回生抵抗器３２を介して放電する。この回生抵抗器３２は平滑コンデンサ３３に蓄積されエネルギーを強制放電する際にも使用される。すなわち、駆動電源制御回路２４より回生制御回路３０へ強制放電信号が出力されると、回生制御回路３０はトランジスタ３１を駆動して、平滑コンデンサ３３に蓄積されている電荷エネルギーを、回生抵抗器３２を使用して強制的に放電する。

駆動回路３４よりは図示しないモータに接続されており、図示しない制御回路よりの指令に基づいてモータを駆動する。多軸モータ駆動のためには、駆動電源部３５を複数備える構成と、平滑コンデンサ３３より並列に駆動回路３４を複数備える構成があるが、本発明の実施においては構成を問わず、１軸制御の図で説明する。

以下、本発明の動作を説明する。遮断器２１を閉路して電源２０が継電されると、電源装置２２は駆動電源制御回路２４に必要な制御電源を供給すると共に、停電検出回路２３は「電源正常」を駆動電源制御回路２４に出力する。
次に外部操作装置８のモータ電源投入指令の入力でモータ駆動電源の投入を行なう。
駆動電源制御回路２４へ駆動電源投入指令が入力されると、駆動電源投入信号が継電器２５へ出力され、継電器２５は通電励磁され、その接点は閉路して、整流器２６へ電源が供給される。

平滑コンデンサ３３の両端電圧は電圧検出開路２９で監視されており、過電流防止用として設定されている電圧以下では継電器２８を開路して、整流器２６より抵抗器２７を介して平滑コンデンサ３３への充電される。電圧検出開路２９で過電流防止用として設定されている電圧を超える電圧を検出すると、継電器２６を閉路する。
図２は、平滑コンデンサ３３が完全放電状態から駆動電源を投入した時の両端電圧グラフである。平滑コンデンサ３３が完全に放電の状態より充電され、支障なくモータ駆動を行なうために必要な電圧になるためには約２５０ミリ秒の時間が必要である。

図３は、制御電源は遮断せずに駆動電源のみを遮断した時の平滑コンデンサ３３の両端電圧グラフである。駆動電源制御回路２４への駆動電源投入指令をオフして継電器２５を開路する。停電検出回路２３より電源供給停止信号は出力されていないため、駆動電源制御回路２４から回生制御回路３０へ強制放電信号は出力されず、その結果トランジスタ３１は駆動されず、平滑コンデンサ３３に蓄積された電荷エネルギーは回生抵抗器３２を介して放電されない。この状態では平滑コンデンサ３３には電荷は蓄積されたままであり、回路の漏洩電流による自然放電となるため、平滑コンデンサ３３へ蓄積された電荷の放電には数分から数十分必要である。尚、モータが動作中に駆動電源が遮断されると、モータが減速されて回生エネルギーが戻り平滑コンデンサ３３の電圧が高くなることがあるが、この過電圧は電圧検出回路２８で検出され、出力が接続された回生制御回路３０の指令に基づきトランジスタ３１を駆動して回生抵抗器３２で放電を行ない、平滑コンデンサ３３の両端電圧が過電圧となる所定電圧より高くならないように制御される。

図４は、図３の駆動電源遮断に続き、平滑コンデンサ３３より自然放電中に駆動電源を投入した時の両端電圧グラフである。上段は駆動電源遮断より駆動電源投入の全体を１０Ｓ／ｄｉｖで示し、下段は駆動電源投入時の拡大を１００ｍＳ／ｄｉｖである。尚、駆動電源投入は駆動電源遮断より約６０秒後に行なわれた場合である。駆動電源投入指令に基づき、継電器２５が閉路して電源２０が駆動電源部３５へ供給される。整流器２６は、供給された交流を直流に変換して平滑コンデンサ３３へ電荷を蓄積するが、平滑コンデンサ３３は完全に放電されていないため、支障なくモータ駆動を行なうために必要な電圧に充電にかかる時間は、数６０ミリ秒と図２の充電時間の約２５０ミリ秒と比較して格段に短い。

図５は、電源供給が停止して駆動電源の遮断を行なう場合の平滑コンデンサ３３の両端電圧グラフである。遮断器２１を開路すると、停電検出回路２３より電源供給停止信号が出力され、図示しない制御部は駆動電源の遮断を行なう。駆動電源制御回路２４は、駆動電源投入指令がオフすると、駆動電源投入信号をオフして継電器２５を開路する。電源供給停止信号が出力されているので、駆動電源制御回路２４から回生制御回路３０へ強制放電信号が出力され、その結果トランジスタ３１は駆動され、平滑コンデンサ３３に蓄積された電荷エネルギーは回生抵抗器３２を介して強制放電される。この時の放電時間は約１００ミリ秒である。

図６は、図３の駆動電源遮断に続き、平滑コンデンサ３３より自然放電中に電源供給が停止した時の両端電圧グラフである。電源供給が停止すると、停電検出回路２３がこれを検出し、電源供給停止信号を駆動電源制御回路２４へ出力する。駆動電源制御回路２４は回生制御回路３０へ強制放電信号を出力し、回生制御回路３０はトランジスタ３１を駆動して回生抵抗器３２を介して平滑コンデンサ３３に蓄積されている電荷を強制放電する。モータ駆動装置や制御部が収納されている制御装置では、作業者等を感電から保護するために充電部はエンクロージャ内に収納され、保守などのためにエンクロージャを開ける時は遮断器２１で電源を遮断する構成が機械安全に関する規格（例えばＪＩＳＢ８４３３）で要請されている。図５および図６では、この要請に適合することは明らかである。

図１に示す本発明の実施例では、停電検出回路２３と電源装置２２を別に構成しているが、これらは電源受電、内部制御電圧供給、内部回路構成に共通部分があるため、１つのユニットとして纏めて構成することで、制御装置の構成の上で小型化、相互間配線の簡略化と共に、構成部品削減ができるため信頼性の向上ができる。

本発明が特許文献１および特許文献２と異なる部分は、モータの駆動電源のみを遮断する場合は、平滑コンデンサに充電されている電荷の強制放電は行なわず、自然放電とし、制御電源を遮断する場合は、平滑コンデンサに充電された電荷の強制放電を行なうことを備えた部分である。

このように、駆動電源を遮断するときに、停電や遮断器２１の遮断によって電源の供給が停電したか否かを停電検出回路２３で検出し、停電の時に限り平滑コンデンサ３３に蓄積されている電荷エネルギーを強制放電するような構成をしているので、頻繁な駆動電源の投入と遮断で放電用の抵抗器の加熱を防ぎ焼損を防止し、平滑コンデンサの充放電を少なくすることで短命化を防ぎ、更には充電時間を短縮することが出来るのでタクトタイムが伸びることが無く、保守に際しては短時間のうちに放電が完了しているので感電事故を防ぐことが出来る。

本発明は、モータ駆動を行なう制御装置で駆動電源の投入と遮断を行なう工作機械に有効であり、数値制御装置、スライダやターンテーブル制御装置という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す制御装置の電源回路の接続図本発明の第１実施例における平滑コンデンサ完全放電状態よりの駆動電源投入時の平滑コンデンサ両端電圧グラフ本発明の第１実施例における駆動電源遮断時の平滑コンデンサ両端電圧グラフ本発明の第１実施例における平滑コンデンサ未放電状態よりの駆動電源投入時の平滑コンデンサ両端電圧グラフ本発明の第１実施例における電源供給停止時の平滑コンデンサ両端電圧グラフ本発明の第１実施例における平滑コンデンサ未放電状態よりの電源供給停止時の平滑コンデンサ両端電圧グラフロボットによるワーク加工システムの概要図

符号の説明

１ロボット
２ロボット制御装置
３ペンダント
４ワーク
５作業台
６ターンテーブル
７作業者
８外部操作装置
９イネーブル装置
２０電源
２１遮断器
２２電源装置
２３停電検出回路
２４駆動電源制御回路
２５、２８継電器
２６整流器
２７抵抗器
２９電圧検出回路
３０回生制御回路
３１トランジスタ
３２回生抵抗器
３３平滑コンデンサ
３４駆動回路
３５駆動電源部

Claims

電源から直列接続した遮断器の接点と継電器の接点とを介して電源供給され、前記遮断器の接点および前記継電器の接点が閉路したときにエネルギーを蓄える平滑コンデンサを備える駆動電源部と、
前記駆動電源部より電力供給を受け駆動回路を介してモータを駆動する駆動部と、
前記遮断器の接点と前記継電器の接点との間に接続され前記電源の供給停止を検出して電源供給停止信号を出力する停電検出回路と、
前記モータの減速時に該モータからの回生による余剰エネルギーの開放および前記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーを開放するエネルギー開放手段と、を備えたロボット制御装置において、
前記停電検出回路が前記停電検出信号を出力した際には前記エネルギー開放手段で前記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーの開放を行ない、
前記電源から前記遮断器の接点と前記継電器の接点とを介して前記駆動電源部へ電源供給された状態から、前記遮断器の接点は閉路した状態で前記継電器の接点を開路して前記駆動電源部への電源供給の遮断に際し、前記停電検出回路が前記電源供給停止信号を出力していなければ、前記エネルギー開放手段で前記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーの開放を行なわないで自然放電を行なうことを特徴とするロボット制御装置。