JP7235610B2 - モータ情報取得システム - Google Patents

Description

本発明はモータの動作状態を表す情報を取得するモータ情報取得システムに関する。

工作機械等を利用した生産設備では、工作機械等の故障を未然に防止する目的から、平常時に工作機械の状態を監視して、故障予知や故障診断ができるようにすることが重要となる。特許文献１は、工作機械を制御する制御データを用いて、主軸速度が一定で主軸負荷が無負荷となったときに診断データの取得が可能になったと判断して診断データの取得を開始することを開示する（段落００５７）。

特開２０１８－１３２８０９号公報

しかしながら、工作機械においてベアリングやボールねじ等のごく小さい状態変化は、モータの状態を表す信号（電流やトルク、速度、位置、温度等）を取得するシステムにおいて検知されないことがある。このようなごく小さい状態変化も検知できるようにすることで、故障予知や故障診断の性能の向上に繋げることが望まれる。

本開示の一態様は、工作機械の状態監視のために該工作機械が有するモータの動作状態を表す情報を取得するモータ情報取得システムであって、制御データに基づいて前記モータを制御するモータ制御装置と、前記制御データに基づいて前記モータの動作状態を表す情報の取得タイミングを生成するタイミング生成部と、前記取得タイミングとなったときに前記モータ制御装置に対して前記モータのロータの磁束密度を低下させる指令を出力するロータ磁束低下指令出力部と、前記指令により前記ロータの磁束密度が低下しているときに、前記モータの動作状態を表す情報を取得するモータ情報取得部と、を備えるモータ情報取得システムである。

上記構成によれば、ベアリングやボールねじ等のごく小さい状態変化でも検知可能な情報を取得することが可能となる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態に係るモータ情報取得システムの全体構成を表す図である。 波形データの取得タイミングの例を説明するための図である。 波形データ取得処理を表すフローチャートである。 ごく弱い外乱がある場合において、誘導モータの通常時の電流波形と励磁電流を低下させた場合の電流波形とを示す図である。 ごく弱い外乱がある場合において、同期モータの通常時の電流波形とＤ相電流を流した場合の電流波形とを示す図である。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は一実施形態に係るモータ情報取得システム１００の全体構成を表す図である。図１に示されるようにモータ情報取得システム１００は、モータ情報取得装置１０と、モータ情報取得装置１０に接続されたモータ制御装置１２０及び２２０と、モータ制御装置１２０及び２２０にそれぞれ接続された工作機械１３０及び２３０とを含む。これら装置間の接続は入出力インタフェースを介した直接接続であっても良いし、ＬＡＮ（Local Area Network）等のネットワークを介した接続であってもよい。図１ではモータ制御装置と工作機械とからなる加工システムを二組備える構成例を示しているが、モータ制御装置と工作機械とからなる加工システムは一組でも良いし、三組以上であっても良い。図１の構成例では、モータ情報取得装置１０は、２組の加工システムの各々から診断等のためのデータを収集することができる。

工作機械１３０及び２３０の各々はワークを加工するための主軸用のモータ、送り軸用のモータ等の複数のモータを有しているが、図１では代表して一つのモータ（１３１、２３１）を図示する。以下では、モータ制御装置１２０及び工作機械１３０について機能の説明を行うが、これら説明はモータ制御装置２２０及び工作機械２３０につても同様に当てはまる。

モータ制御装置１２０は、制御データに基づいてモータ１３１を制御する制御装置としての機能を有すると共に、モータ１３１を駆動する駆動信号を出力するアンプとしての機能を有する。すなわち、モータ制御装置１２０は、加工プログラムから生成される動作指令に基づいてモータ１３１に対し一般的なフィードバック制御を実行する。したがって、モータ制御装置１２０は、モータ１３１に対するフィードバック制御に伴ってフィードバック信号を得ることができる。本明細書において、制御データとは、加工プログラムに基づく情報、及びフィードバック信号等のフィードバック制御により得られる情報を含む、モータ１３１の制御に用いられるデータを表す。フィードバック信号には、モータ１３１の位置を表す位置信号、モータ１３１の速度を表す速度信号、モータ１３１に流れる電流を表す電流信号等が含まれる。

速度信号は、例えば、モータ１３１に含まれるロータリエンコーダにより検出された位置信号を微分することにより算出される。電流信号は、一例として、モータ１３１に流れる電流を測定することに検出することができる。また、モータ制御装置１２０又はタイミング生成部１１は、電流信号に基づいてモータ１３１にかかる負荷トルクを求めることもできる。

図１に示されるように、モータ情報取得装置１０は、タイミング生成部１１と、ロータ磁束低下指令出力部１２と、モータ情報取得部１３とを有する。なお、モータ情報取得装置１０は、後述する診断部１４を更に有していても良い。タイミング生成部１１は、モータ制御装置１２０から制御データを取得する。上述の通り、制御データには加工プログラムに基づく動作指令や、上述のフィードバック信号が含まれる。タイミング生成部１１は、制御データを用いて、モータ１３１の動作状態を表す情報を取得すべきタイミングである取得タイミングを生成する。本実施形態では、モータ情報取得装置１０は、モータ１３１の動作状態を表す情報として、モータ１３１の動作状態を表す信号（電流信号、速度信号等）の波形データを採取する。

図２は、タイミング生成部１１により生成される取得タイミングの例を説明するための図である。図２おいて、波形５２は、モータ１３１に与えられる電流指令を表し、波形５３は電流信号を表し、波形５１は速度信号を表す。図２において丸印Ａで囲った部分は、タイミング生成部１１が生成する取得タイミングに対応する部分である。図２に示されるように、電流指令の入力に伴いモータ１３１の回転速度が上昇して速度一定となり、モータ１３１に流れる電流が低いレベル（低負荷又は無負荷）となっている部分が取得タイミングとなる。すなわち、タイミング生成部１１は、モータ１３１が一定速且つ低負荷（又は無負荷）であるタイミングを取得タイミングとする。モータが一定速且つ低負荷（又は無負荷）である状態でモータの動作状態を表す情報を収集するようにすることで、工作機械における故障や劣化を発見しやすくなる。

ロータ磁束低下指令出力部１２は、タイミング生成部１１により取得タイミングとなったことが検出されると、モータ１３１のロータの磁束密度を低下させる指令をモータ制御装置１２０に出力することで、モータ１３１のロータの磁束密度を低下させる。ここで、指令の形式としては、コマンドデータ形式の指令や、トリガ信号による指令など、各種の指令形式が有り得る。ロータの磁束密度を低下させてモータ１３１の動作状態を表す情報を取得する理由について説明する。一般に、加工工程におけるモータの運用時には、ロータの磁束密度は指令に対して適切な追従特性を得ることができるのに十分な強さを有するように設定される。他方、ロータの磁束密度を弱めるとモータは指令に対する追従性が低下し、外乱による影響が電流波形や速度波形等に表れやすくなる。このような知見に基づき、モータ情報取得装置１０では、モータ１３１のロータの磁束密度を低下させた上でモータ１３１の動作状態を表す情報を取得するようにした。このような構成によれば、工作機械１３０におけるベアリングやボールねじのごく小さい状態変化を例えば波形データとして捉えることが可能となる。

モータ情報取得部１３は、取得タイミングであってモータ１３１のロータの磁束密度が低下した状態にある間、モータ１３１の動作状態を表す信号の波形データを収集し記憶する。ただし、ロータの磁束密度を低下させることが加工への影響を及ぼさないように、タイミング生成部１１は、モータ１３１が駆動する工具がワークに切り込む直前のようなタイミングを取得タイミングとするように構成される。このような機能を有するモータ情報取得装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置、通信インタフェース、操作部、表示部等を有する一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。

図３は、モータ情報取得システム１００における波形データ取得処理を表すフローチャートである。波形データ取得処理は、主としてモータ情報取得装置１０のＣＰＵによる制御下で実行される。はじめに、モータ制御装置１２０により制御データに基づく工作機械の可動部に対する駆動が開始される（ステップＳ１１）。次に、タイミング生成部１１による波形データの取得タイミングの生成が開始される（ステップＳ１２）。タイミング生成部１１は、モータ制御装置１２０から得られる速度信号及びモータ１３１の電流信号（負荷トルク情報）に基づいて、モータ１３１が一定速且つ低負荷（又は無負荷）となった場合に、波形データの取得タイミングになったと判定する。ここでは、負荷トルクが予め設定した閾値よりも低くなった場合に低負荷又は無負荷であると判定しても良い。この場合の閾値は、経験値や実験値として設定されても良い。このような判定手法により、タイミング生成部１１が取得タイミングになったと判定すると（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ロータ磁束低下指令出力部１２は、モータ１３１のロータの磁束密度を低下させる指令をモータ制御装置１２０に対して出力して、モータ１３１のロータの磁束密度を低下させる（ステップＳ１４）。

次に、モータ情報取得部１３は、モータ１３１の磁束密度が低下している状態における、モータ１３１の動作状態を表す信号（電流信号、速度信号等）の波形データを採取する（ステップＳ１５）。次に、タイミング生成部１１は、取得タイミングが終了したか否かを判定する（ステップＳ１６）。ここでは、一例として、タイミング生成部１１は、モータ１３１が駆動する工具がワークに切り込み始め負荷トルクが上昇を始めるタイミングで、取得タイミングが終了したと判定する（Ｓ１６：ＹＥＳ）。取得タイミングが継続している間、モータ情報取得部１３は、波形データの採取を継続する（Ｓ１６：ＮＯ）。

取得タイミングが終了したと判定されると（Ｓ１６：ＹＥＳ）、ロータ磁束低下指令出力部１２は、低下させたロータの磁束密度を元に戻すための指令をモータ制御装置１２０に対して出力することで、ロータの磁束密度を元に戻させる（ステップＳ１７）。次に、モータ情報取得部１３は、採取した波形データを記憶する（ステップＳ１８）。なお、モータ情報取得部１３は、工具がワークに切り込んだ後の波形データを採取することがないように、取得タイミングが終了したときより所定時間前までの波形データを記憶するようにする。

以上のような波形データ取得処理によれば、工作機械１３０による実際の加工工程の中で、状態監視のために有用な波形データの採取を行うことができる。すなわち、波形データを採取するために、加工システムをテスト運転する必要性は生じない。

次に、図３の波形データ取得処理により取得される波形データの具体例について、モータ１３１が誘導モータである場合と同期モータである場合とについて説明する。モータ１３１が誘導モータである場合には、モータ制御装置１２０は、励磁電流を通常の状態よりも低下させることでロータの磁束密度を低下させる。図４は、モータ１３１が誘導モータである場合における通常時のモータ１３１に流れる電流波形６１（電流信号）と、励磁電流を低下させた場合のモータ１３１に流れる電流波形６２とを示す図である。電流波形６１、６２はいずれも同一のごく弱い外乱が生じているときの波形である。

図４の通常時の電流波形で６１では、ごく弱い外乱が生じているような場合であってもモータ１３１が指令（一定の電流指令）に十分に追従できるため外乱の影響による電流波形の乱れは生じない。他方、励磁電流を低下させた場合の電流波形６２では、モータ１３１が指令（一定の電流指令）に追従する力が弱まるため、ごく弱い外乱でもその影響により電流波形に図示のような乱れが生じ得る。したがって、モータ情報取得装置１０は、電流波形６２のようなごく弱い外乱の影響を表す波形データを採取することができる。

モータ１３１が同期モータである場合には、モータ制御装置１２０は、通常時に流さないＤ相電流を流す、或いは通常時よりも大きなＤ相電流を流す制御を行うことにより、モータ１３１のロータの磁束密度を低下させる。同期モータにおいて一般にＤ相電流は、ロータの永久磁石の磁束密度を弱める作用をなし、トルクの発生には寄与しないため、このような制御が可能になる。図５は、モータ１３１が同期モータである場合における通常時のモータ１３１に流れる電流波形７１と、Ｄ相電流を流した又は通常時よりも増加させた場合のモータ１３１に流れる電流波形７２とを示す図である。電流波形７１、７２はいずれも同一のごく弱い外乱が生じているときの波形である。

図５の通常時の電流波形で７１では、ごく弱い外乱が生じているような場合であってもモータ１３１が指令（一定の電流指令）に十分に追従できるため外乱の影響による電流波形の乱れは生じない。同期モータでは、Ｄ相電流を流すことでロータの磁束密度が低下すると、トルクを維持するためにＱ相電流が増加し電流波形７２のレベルは全体的に通常時の電流波形７１よりも上昇する形の制御がなされることとなる。Ｄ相電流を流した（又は通常時よりも増加させた）場合の電流波形７２では、モータ１３１が指令（一定の電流指令）に追従する力が弱まるためごく弱い外乱でもその影響により電流波形に図示のような乱れが生じ得る。したがって、モータ情報取得装置１０は、電流波形７２のようなごく弱い外乱の影響を表す波形データを採取することができる。

なお、図４及び図５では、ごく弱い外乱が電流波形に表れている状態を示したが、ロータの磁束密度を上述のように低下させた状態ではごく弱い外乱により速度信号にも乱れが生じ得るため、速度信号の波形データを採取するようにしても良い。

モータ情報取得装置１０により上述のように取得された波形データは、工作機械１３０及び２３０各々の故障予知や故障診断に利用することができる。例えば、採取された波形データの特徴を表すパラメータとして、振動の周期や振幅を抽出し、これらの値を予め設定した閾値と比較することで診断を行っても良い。図１に示したように、モータ情報取得装置１０が、このような診断を行う診断部１４を有するように構成されていても良い。なお、モータ情報取得装置１０は、モータ（１３１、２３１）の動作状態を表す情報として、モータの電流値やトルク、速度、位置、温度等を含む各種情報を取得することができる。診断部１４が工作機械の診断のために用いることができる情報には、上述の実施形態における波形データのような時系列的なデータに加えて上記各種情報の瞬時値も含まれる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ベアリングやボールねじ等のごく小さい状態変化でも検知可能な情報を取得することが可能となる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

図１に示したモータ情報取得システム１００構成は一例であり、様々な変形例を構成することができる。例えば、モータ情報取得装置１０の機能は、モータ制御装置１２０内に設けられていても良い。或いは、モータ情報取得装置１０及びモータ制御装置１２０としての機能が、工作機械１３０に設けられていても良い。

上述した実施形態に示した波形データ取得処理を実行するプログラムは、コンピュータに読み取り可能な各種記録媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等の光ディスク）に記録することができる。

１０ モータ情報取得装置
１１ タイミング生成部
１２ ロータ磁束低下指令出力部
１３ モータ情報取得部
１４ 診断部
１００ モータ情報取得システム
１２０、２２０ モータ制御装置
１３０、２３０ 工作機械
１３１、２３１ モータ

Claims (4)

1. 工作機械の状態監視のために該工作機械が有するモータの動作状態を表す情報を取得するモータ情報取得システムであって、
   制御データに基づいて前記モータを制御するモータ制御装置と、
   前記制御データに基づいて前記モータの動作状態を表す情報の取得タイミングを生成するタイミング生成部と、
   前記取得タイミングとなったときに前記モータ制御装置に対して前記モータのロータの磁束密度を低下させる指令を出力するロータ磁束低下指令出力部と、
   前記指令により前記ロータの磁束密度が低下しているときに、前記モータの動作状態を表す情報を取得するモータ情報取得部と、
   を備えるモータ情報取得システム。
2. 前記モータは誘導モータであり、
   前記モータ制御装置は、前記指令に応じて前記誘導モータの励磁電流を低下させる、請求項１に記載のモータ情報取得システム。
3. 前記モータは同期モータであり、
   前記モータ制御装置は、前記指令に応じて前記同期モータのＤ相電流を増加させる、請求項１に記載のモータ情報取得システム。
4. 前記モータの動作状態を表す情報は、前記モータに流れる電流を表す電流信号、前記モータの速度を表す速度信号の少なくともいずれかの波形データを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のモータ情報取得システム。

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