特許 7491807 エンコーダ異常診断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-20

(45)【発行日】2024-05-28

(54)【発明の名称】エンコーダ異常診断装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/244 20060101AFI20240521BHJP

【ＦＩ】

G01D5/244 K

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020176309

(22)【出願日】2020-10-20

(65)【公開番号】P2022067556

(43)【公開日】2022-05-06

【審査請求日】2023-04-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000149066

【氏名又は名称】オークマ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】千代 健

【審査官】藤澤 和浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１７７７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２７８１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０１５５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０３８５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５４７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００２５０８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０３１３９１７６（ＥＰ，Ａ２）

【文献】特開２０１２－０３２２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０２５７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１９２５２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／００ ～ ５／３８

Ｇ０１Ｂ ７／００ ～ ７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の回転角度に応じてｃｏｓ波形およびｓｉｎ波形を出力するエンコーダの異常を診断するエンコーダ異常診断装置であって、
前記ｃｏｓ波形およびｓｉｎ波形をパルス化したパルス信号のカウント値の変化に基づいて、前記対象物が回転中か停止中かを判定する停止判定処理部と、
前記パルス信号の周波数を測定する周波数測定部と、
前記停止判定処理部において停止中と判定された場合に、前記周波数測定部で測定された周波数を、予め設定された上限周波数と比較し、前記測定された周波数が前記上限周波数を超えた場合に、前記エンコーダの異常が発生したと判断する周波数診断部と、
を備えることを特徴とするエンコーダ異常診断装置。

【請求項2】

請求項１に記載のエンコーダ異常診断装置であって、
前記上限周波数は、前記対象物の制御周期に基づいて決定される、ことを特徴とするエンコーダ異常診断装置。

【請求項3】

請求項１に記載のエンコーダ異常診断装置であって、
前記上限周波数は、前記対象物の最大加速度および前記パルス化に用いるヒステリシス幅に基づいて決定される、ことを特徴とするエンコーダ異常診断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、対象物の回転角度に応じてｃｏｓ波形およびｓｉｎ波形を出力するエンコーダの異常を診断するエンコーダ異常診断装置を開示する。

【背景技術】

【0002】

工作機械の主軸については、国際規格によって速度制限監視機能が要求されている。例えば、旋盤の主軸については、ＩＳＯ２３１２５により安全カテゴリ３で速度制限監視を実現することが要求されている。

【0003】

一般的に工作機械の主軸用検出器としては、磁気式エンコーダ等のように、回転角度に応じて、１回転あたりＮ周期のｓｉｎ波形とｃｏｓ波形を出力するタイプが使用される（以下、ｓｉｎ／ｃｏｓ信号出力エンコーダと呼称する）。

【0004】

ｓｉｎ／ｃｏｓ信号出力エンコーダを用いて、速度監視を安全カテゴリ３で実現する方法については、例えば、非特許文献１に開示されている。非特許文献１には、１つのｓｉｎ／ｃｏｓ信号出力エンコーダを用いる方法が開示されている。１つのｓｉｎ／ｃｏｓ信号出力エンコーダを用いる場合、エンコーダ出力信号に高い診断率が要求される。そのため、ｓｉｎ＾２＋ｃｏｓ＾２＝１に基づいたｃｏｓ波形およびｓｉｎ波形の診断を行う必要があり、非特許文献１にはｓｉｎ＾２＋ｃｏｓ＾２＝１の診断により診断率≧９９％が達成できることが記載されている。

【0005】

図２は、１つのｓｉｎ／ｃｏｓ信号出力エンコーダを用いて安全カテゴリ３で速度監視を行う場合のブロック図である。図２において、エンコーダ１は回転角度θに応じて、ｃｏｓ波形＝Ａ・ｃｏｓ（Ｎ・θ）およびｓｉｎ波形＝Ａ・ｓｉｎ（Ｎ・θ）で構成されるｓｉｎ／ｃｏｓ波形を出力する。Ｎは、エンコーダ１回転当たりに出力されるｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形の周期数を表している。このＮは、磁気式エンコーダでは、歯車の歯数、光学式エンコーダでは、スリットの個数によって決定される。レベル変換回路２は、ｃｏｓ波形を後段回路が利用可能な電圧レベルに変換して、Ｖｃとして出力する。パルス化回路３は前記Ｖｃをパルス信号に変換する。同様にレベル変換回路４は、ｓｉｎ波形を後段回路が利用可能な電圧レベルに変換して、Ｖｓとして出力し、パルス化回路５は前記Ｖｓをパルス信号に変換する。前記パルス化回路３，５が出力するパルス信号は、位相が９０°ずれたパルス信号であり、既知の手法にてカウンタ６，８で４逓倍のパルスカウントを行う。速度監視部７は、前記カウンタ６のカウント値の変化量よりエンコーダの回転速度を演算し速度監視を行い、制限速度を超えた場合、異常処理部１４に異常出力を行う。同様に、速度監視部９は、前記カウンタ８のカウント値の変化量よりエンコーダの回転速度を演算し速度監視を行い、制限速度を超えた場合、異常処理部１４に異常出力を行う。前記速度監視部７，９は、速度演算結果及び速度監視結果の相互監視を行い、両者の演算結果に差異が発生した場合、異常処理部１４に異常出力を行う。ＡＤ変換器１０，１１は、レベル変換回路２，４の出力する信号Ｖｃおよび信号ＶｓのＡＤ変換を行い、リサージュ半径演算処理部１２に出力する。リサージュ半径演算処理部１２は、ＡＤ変換器１０，１１が出力する信号Ｖｃおよび信号ＶｓのＡＤ変換結果に対して、オフセット補正、振幅比補正、および位相補正などの各種補正を行った後、リサージュ半径を演算する。診断処理部１３は、リサージュ半径が所定の基準範囲を逸脱した場合、異常処理部１４に異常出力を行う。異常処理部１４は、速度監視部７，９、診断処理部１３の何れか１つでも異常出力を行った場合に、モータの通電をＯＦＦするなどの異常処理を行う。

【0006】

診断処理部１３は、図３に示す前記リサージュ半径演算処理部１２が出力するリサージュ半径２２が、リサージュ半径の上限閾値２３を超過するか、または、下限閾値２４を下回った場合に前記異常処理部１４に異常出力を行う。なお、以下では、上限閾値２３および下限閾値２４で規定される範囲を「基準範囲」と呼ぶ。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】Apfeld, R.，”Do safe drive controls also require safe position encoders?”，［ｏｎｌｉｎｅ］，インターネット＜URL：http://www.dguv.de/medien/ifa/en/pub/rep/pdf/reports2013/ifar0713e/safe_drive_controls.pdf＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

エンコーダの出力するｃｏｓ波形およびｓｉｎ波形のリサージュ半径は、様々な要因により変動する。例えば、磁気式エンコーダの場合、エンコーダ取付時の歯車とのギャップによる変動、歯車の偏心によるエンコーダ１回転周期の変動、周囲温度による変動、エンコーダの回転周波数による変動などが考えられる。そのため、リサージュ半径の診断に使用する閾値は、こうした変動分を考慮した設定としなければ、正常であるにも関わらず、異常と誤検出する過剰検出が発生するおそれがある。

【0009】

しかし、エンコーダの故障モードによっては、図４に示すようなリサージュ波形２１となる場合がある。この場合、リサージュ波形２１は、第１象限と第４象限を往復し、カウンタがカウントアップとカウントダウンを繰り返すため、回転中にも関わらず停止状態と判定してしまう。さらに、リサージュ波形２１が、常に、基準範囲内となり、異常を検出できない。もちろん、基準範囲を狭めることで図４のリサージュ波形２１を異常として検出することができるが、基準範囲を狭めた場合、上述した温度変動等に起因するリサージュ半径の変動に対応できず、過剰検出が発生する。

【0010】

そこで、本明細書では、エンコーダの異常をより正確に検出できるエンコーダ異常診断装置を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本明細書で開示するエンコーダ異常診断装置は、対象物の回転角度に応じてｃｏｓ波形およびｓｉｎ波形を出力するエンコーダの異常を診断するエンコーダ異常診断装置であって、前記ｃｏｓ波形およびｓｉｎ波形をパルス化したパルス信号のカウント値の変化に基づいて、前記対象物が回転中か停止中かを判定する停止判定処理部と、前記パルス信号の周波数を測定する周波数測定部と、前記停止判定処理部において停止中と判定された場合に、前記周波数測定部で測定された周波数を、予め設定された上限周波数と比較し、前記測定された周波数が前記上限周波数を超えた場合に、前記エンコーダの異常が発生したと判断する周波数診断部と、を備えることを特徴とする。

【0012】

この場合、前記上限周波数は、前記対象物の制御周期に基づいて決定されてもよい。

【0013】

また、前記上限周波数は、前記対象物の最大加速度および前記パルス化に用いるヒステリシス幅に基づいて決定されてもよい。

【発明の効果】

【0014】

本明細書で開示するエンコーダ異常診断装置によれば、停止中と判断された場合に、さらに、パルス信号の周波数に基づいて回転の有無を確認しているため、エンコーダの異常をより正確に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】エンコーダ異常診断装置の構成を示すブロック図である。

【図2】従来のエンコーダ異常診断装置の構成を示すブロック図である。

【図3】エンコーダが正常な場合のリサージュ波形の一例を示す図である。

【図4】エンコーダの異常が発生した場合のリサージュ波形の一例を示す図である。

【図5】停止判定処理の流れを示すフローチャートである。

【図6】振動状態のリサージュ波形の一例を示す図である。

【図7】パルス化回路の動作を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

エンコーダ異常診断装置の構成について、図１、図５、図６、図７を用いて説明する。図１に、エンコーダ異常診断装置のブロック図を示す。エンコーダ１は、回転角度θに応じて、ｃｏｓ波形＝Ａ・ｃｏｓ（Ｎ・θ）およびｓｉｎ波形＝Ａ・ｓｉｎ（Ｎ・θ）で構成されるｓｉｎ／ｃｏｓ信号を出力する。Ｎは、エンコーダ１回転当たりに出力されるｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形の周期数を表している。Ｎは、磁気式エンコーダでは、歯車の歯数、光学式エンコーダでは、スリットの個数によって決定される。レベル変換回路２は、ｃｏｓ波形を後段回路が利用可能な電圧レベルに変換してＶｃとして出力する。パルス化回路３は、Ｖｃをパルス信号に変換する。同様にレベル変換回路４は、ｓｉｎ波形を後段回路が利用可能な電圧レベルに変換してＶｓとして出力し、パルス化回路５は、Ｖｓをパルス信号に変換する。パルス化回路３，５が出力するパルス信号は、位相が９０°ずれたパルス信号であり、既知の手法にてカウンタ６，８で４逓倍のパルスカウントを行う。速度監視部７は、カウンタ６のカウンタ値の変化量よりエンコーダの回転速度を演算し速度監視を行い、制限速度を超えた場合、異常処理部１４に異常出力を行う。同様に速度監視部９は、カウンタ８のカウンタ値の変化量よりエンコーダの回転速度を演算し速度監視を行い、制限速度を超えた場合、異常処理部１４に異常出力を行う。速度監視部７，９は、速度演算結果及び速度監視結果の相互監視を行い、両者の演算結果に差異が発生した場合、異常処理部１４に異常出力を行う。

【0017】

ＡＤ変換器１０，１１は、レベル変換回路２、４の出力する信号Ｖｃおよび信号ＶｓのＡＤ変換を行い、リサージュ半径演算処理部１２に出力する。リサージュ半径演算処理部１２は、ＡＤ変換器１０，１１の出力する信号Ｖｃおよび信号ＶｓのＡＤ変換結果に対して、オフセット補正、振幅比補正、および位相補正などの各種補正を行った後、リサージュ半径を演算する。診断処理部１３は、リサージュ半径が所定の基準範囲を逸脱した場合、異常処理部１４に異常出力を行う。

【0018】

停止判定処理部１５は、カウンタ６から出力されるカウンタ値に基づき、対象物が回転中か停止中かを判定する。停止判定処理部１５は、停止中と判定した場合、停止フラグのＯＮを、回転中と判定した場合、停止フラグのＯＦＦを、周波数診断部１７に出力する。周波数測定部１６は、パルス化回路３の出力するパルス信号の周波数を測定し、周波数診断部１７に出力する。周波数診断部１７は、停止判定処理部１５の出力する停止フラグがＯＮの場合、周波数測定部１６が出力する前記パルス信号の周波数と上限周波数を比較し、上限周波数を超えた場合、異常処理部１４に異常出力を行う。

【0019】

同様に、停止判定処理部１８は、カウンタ８から出力されるカウンタ値に基づき、対象物が回転中か停止中かを判定する。停止判定処理部１８は、停止中と判定した場合、停止フラグのＯＮを、回転中と判定した場合、停止フラグのＯＦＦを、周波数診断部２０に出力する。周波数測定部１９は、パルス化回路５の出力するパルス信号の周波数を測定し、周波数診断部２０に出力する。周波数診断部２０は、停止判定処理部１８の出力する前記停止フラグがＯＮの場合、周波数測定部１９が出力するパルス信号の周波数と上限周波数を比較し、上限周波数を超えた場合、異常処理部１４に異常出力を行う。

【0020】

異常処理部１４は、速度監視部７，９、前記診断処理部１３、前記周波数診断部１７，２０の何れか１つでも異常出力を行った場合に、モータの通電をＯＦＦするなどの異常処理を行う。

【0021】

図５は、停止判定処理部１５で行う処理の流れを示すフローチャートである。停止判定処理部１５は、カウンタ６から出力されるカウンタ値を入力とし、現在のカウンタ値から前回のカウンタ値を減算した値を、カウンタ差分値として演算する（Ｓ１０）。カウンタ差分値の絶対値が２以上の場合（Ｓ１２でＮｏの場合）、停止判定処理部１５は、対象物が回転中であると判定し、停止フラグをＯＦＦする（Ｓ１４）。一方、カウンタ差分値の絶対値が２より小さい場合（Ｓ１２でＹｅｓ）、ステップＳ１６に進む。

【0022】

ステップＳ１６において、停止判定処理部１５は、現在の停止フラグの状態を確認する。確認の結果、停止フラグがＯＦＦの場合（Ｓ１６でＮｏ）、停止判定処理部１５は、カウンタ停止値の値として、現在のカウンタ値を設定したうえで（Ｓ１８）、ステップＳ２０に進む。カウンタ停止値は、停止フラグがＯＦＦからＯＮに変化した際のカウンタ値である。一方、停止フラグがＯＮの場合（Ｓ１６でＹｅｓ）、停止判定処理部１５は、カウンタ停止値を再設定することなく、そのまま、ステップＳ２０に進む。

【0023】

ステップＳ２０において、停止判定処理部１５は、現在のカウンタ値からカウンタ停止値を減算した値を、カウンタ累積変化値として算出する。その後、停止判定処理部１５は、このカウンタ累積変化値の絶対値が２以上の場合（Ｓ２２でＮｏ）、対象物が回転中であると判定し、停止フラグをＯＦＦする（Ｓ１４）。一方、カウンタ累積変化値の絶対値が２未満の場合（Ｓ２２でＹｅｓ）、停止判定処理部１５は、対象物が停止中であると判定し、停止フラグをＯＮする（Ｓ２４）。ステップＳ１４またはステップＳ２４において、停止フラグが設定されれば、停止判定処理部１５は、現在のカウンタ値を、前回のカウンタ値として記録したうえで(Ｓ２６)、ステップＳ１０に戻る。そして、以降、同様の処理を、カウンタ値が出力されるたびに繰り返す。

【0024】

ここで、上述の説明から明らかなとおり、本例では、カウンタ差分値の絶対値に基づいて回転中か否かを判定している。そのため、エンコーダの故障により、図４に示すようなリサージュ波形２１が発生した場合には、カウンタがカウントアップとカウントダウンを繰り返すため、対象物が回転中であっても、停止判定処理部１５は、停止中と判定し、停止フラグをＯＮする。停止判定処理部１８による判定処理も同様である。

【0025】

停止判定処理部１５，１８による判定結果は、上述した通り、周波数診断部１７，２０に入力される。周波数診断部１７，２０は、停止フラグがＯＮの場合、周波数測定部１６，１９が出力するパルス信号の周波数と、予め設定された上限周波数ｆ_ｍａｘと、を比較する。これは、図４に示すようなリサージュ波形２１が生じた場合に、異常と判定するためである。

【0026】

すなわち、図４に示すようなリサージュ波形２１が発生した場合、主軸（計測対象物）が回転していても、停止判定処理部１５，１８は、停止中（すなわち停止フラグＯＮ）と判断し、エンコーダの異常を検出できない。そこで、本例では、停止フラグＯＮの場合には、パルス信号の周波数を上限周波数ｆ_ｍａｘと比較し、パルス信号の周波数が上限周波数ｆ_ｍａｘを超えている場合には、異常と判定する。

【0027】

この上限周波数ｆ_ｍａｘは、主軸が微小揺動している場合を除外できる値に設定される。すなわち、停止フラグは、エンコーダの異常発生時だけでなく、主軸が微小揺動している場合にも、ＯＮとなる。主軸が微小揺動している場合には、パルス信号の周波数は、非ゼロとなるが、この状態は、エンコーダの異常ではない。そこで、上限周波数ｆ_ｍａｘは、この微小揺動発生時に得られるパルス信号の周波数より十分に大きな値に設定し、微小揺動は、異常と判定しないようにしている。

【0028】

この上限周波数ｆ_ｍａｘの設定について、図６、図７を参照して説明する。図６は、振動状態のリサージュ波形２１の一例を示す図であり、図７は、パルス化回路５の入出力関係を表す図である。パルス化回路５は、一般的にヒステリシスコンパレータで構成されるため、パルス化回路入力信号２５の揺動振幅が、規定のヒステリシス幅２６より小さい場合、パルス化回路５からパルス信号２７は出力されない。この場合、周波数測定部１９が出力する周波数が０となる。したがって、周波数測定部１９が、０以外の周波数を出力する場合、ヒステリシス幅２６以上の振幅の揺動が発生しているといえる。

【0029】

ここで、エンコーダの異常により図４のようなリサージュ波形２１が発生した際のパルス信号２７の周波数は、通常の主軸の揺動状態では生じない程度に高い。そこで、本例では、通常の主軸の揺動状態で許容される周波数の上限を、上限周波数ｆ_ｍａｘとして設定している。例えば、上限周波数ｆ_ｍａｘは、主軸の制御周期Ｔｃに基づいて決定される。主軸の制御周期がＴｃの場合、すなわち、周波数が１／Ｔｃの場合、ナイキスト周波数（１／（２・Ｔｃ））を超える指令を主軸に出力できない。つまり、（１／（２・Ｔｃ））が、通常の主軸の揺動状態で許容される周波数の上限といえる。したがって、ｆ_ｍａｘ＝（１／（２・Ｔｃ））と設定し、パルス信号２７の周波数が、ｆ_ｍａｘ＝（１／（２・Ｔｃ））を超えた場合に、異常と判定してもよい。

【0030】

また、別の形態として、上限周波数ｆ_ｍａｘは、主軸の許容最大加速度α_ｍａｘに基づいて決定されてもよい。すなわち、上述した通り、パルス信号２７が得られる場合、ｓｉｎ波形またはｃｏｓ波形のＰｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋは、ヒステリシス幅２６（以下「ヒステリシス幅ΔＨ」と表記する）以上となる。そのため、図６に示すリサージュ波形２１でパルス信号２７が変化する最小振幅の場合、主軸角度θは、エンコーダ１歯中に、（ΔＨ／２）の振幅で揺動する。この主軸角度θは、エンコーダの歯数をＺ、時間をｔ、初期位相をφとした場合、次の式１で表される。
θ＝（ΔＨ／２）×（１／Ｚ）×ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ） 式１

【0031】

加速度αは、式１を２回微分することで得られるもので、式２となる。
α＝－（ΔＨ×２π^２ｆ^２）／Ｚ×ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ） 式２
この加速度αが、最大加速度α_ｍａｘとなる周波数ｆを、上限周波数ｆ_ｍａｘに設定してもよい。したがって、上限周波数ｆ_ｍａｘは、式２のαにα_ｍａｘを代入した式を、周波数ｆについて解くことで得られ、次の式３で表される。
ｆ_ｍａｘ＝１／π×（（α_ｍａｘ・Ｚ）／（２ΔＨ））^１／２ 式３

【0032】

このように、上限周波数ｆ_ｍａｘを、制御周期または最大加速度に基づいて決定することで、微小揺動とエンコーダ異常とを区別して検出でき、エンコーダの異常をより正確に検出できる。ただし、ここで例示した上限周波数ｆ_ｍａｘの決定方法は、一例であり、上限周波数は、微小揺動とエンコーダ異常とを区別できるのであれば、他の値でもよい。

【符号の説明】

【0033】

１ エンコーダ、２，４ レベル変換回路、３，５ パルス化回路、６，８ カウンタ、７，９ 速度監視部、１０，１１ ＡＤ変換器、１２ リサージュ半径演算処理部、１３ 診断処理部、１４ 異常処理部、１５，１８ 停止判定処理部、１６，１９ 周波数測定部、１７，２０ 周波数診断部、２１ リサージュ波形、２２ リサージュ半径、２３ 上限閾値、２４ 下限閾値、２５ パルス化回路入力信号、２６ ヒステリシス幅、２７ パルス信号。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】