JP2006172277A

JP2006172277A - 停電時制御方法

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Publication number: JP2006172277A
Application number: JP2004365923A
Authority: JP
Inventors: Toshio Horii; 敏夫堀井; Takashi Shiraishi; 貴司白石; Fumimasa Yamada; 文正山田; Yoshiharu Oyabe; 快晴親部; Takayasu Takanobu; 孝康高信; Kenichiro Morita; 健一郎森田
Original assignee: Nippei Toyama Corp; SHI Control Systems Ltd
Current assignee: Nippei Toyama Corp; SHI Control Systems Ltd
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: JP4481809B2

Abstract

【課題】高い精度で切削加工等、工作機械の諸動作を行える停電時制御方法を提供すること。
【解決手段】切削加工を行う工作機械（１０）において、遮断検出回路（２０）は、ＡＣ電源（１４）が遮断したことを検出し、ＡＣ電源が遮断したときに検出信号を出力する。コントローラ（２４）は、検出信号に応答して、エネルギ残量に基づいて切削加工を継続して最後まで切削加工を終了させるように制御する。工作機械（１０）は、ＡＣ電源（１４）からのエネルギ及び回生エネルギを電気エネルギとして蓄積するコンデンサ（１８）を更に備える。コントローラ（２４）は、コンデンサ（１８）に蓄積された電気エネルギと切削加工を行うモータ（３２）の運動エネルギとの合計をエネルギ残量として求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、停電時制御方法に関し、特に、工作機械での切削加工動作を含む諸動作中に、停電などで電源が遮断された時の停電時制御方法に関する。

従来の停電時制御方法として、同期運転中の停電時に電源回生動作を停止させ、減速での回生パワーで同期を保ったままの減速と安全な領域への退避を行う方法がある（特許文献１参照）。すなわち、この停電時制御方法では、加工中に停電が発生すると、その加工を途中で中断して、すぐに退避動作に移ることになる。換言すれば、この停電時制御方法では、「停電検出後すぐに退避動作に移る」という処理を行っている。尚、この停電時制御方法が適用される加工は、歯車加工や歯車研削である。

特許第３００１３７７号公報

しかしながら、例えば、タッピングあるいはドリリングに、従来の「停電検出後すぐに退避動作に移る」という停電時制御方法を適用した場合、次に述べるような問題がある。

停電がタップあるいはドリル中に発生した時に、電源復帰後にもう一度やり直す必要があることである。この場合、工作機械の精度やタップあるいはドリルのぶれにより、仕上り精度が悪化してしまう。

また、工具交換動作中の途中で動作を停止する場合は、電源復帰後単独押釦等による手動操作にて、工具交換動作を継続させ完了し、プログラム再開（自動運転）するが、動作停止のタイミングによっては押釦操作のみでは復旧できず、他の操作が必要となることもあり、復旧に時間がかかるということがあった。

したがって、本発明の課題は、高い精度で切削加工を行え、電源復帰後の復旧を短時間に行える停電時制御方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、工作機械の切削加工動作を含む諸動作中に停電したときの停電時制御方法であって、前記停電時にエネルギ残量に基づいて前記動作を継続して最後まで前記動作を終了させることを特徴とする停電時制御方法が得られる。

上記停電時制御方法において、前記動作が切削加工のとき、前記エネルギ残量は、コンデンサに蓄えられた電気エネルギと前記切削加工を行う主軸の運動エネルギとの合計である。また、前記動作が工具交換動作である場合には、工具交換の動作が始まっているか、始まっている可能性のある場合は前記工具交換動作を継続し、前記切削加工がタッピングあるいはドリリングである場合には、ワークへの加工が始まっているか又は始まっている可能性があるときに、前記タッピングあるいはドリリングを継続する。前記停電がタップあるいはドリル切込み中に起こった場合には、該タップあるいはドリル切込みを主軸回転数を変えずに継続して行い、前記タップあるいはドリル切込み後のタップあるいはドリル引上げを、前記主軸回転数を前記タップあるいはドリル切込み時の主軸回転数よりも低くして行う。

本発明の第２の態様によれば、電源が遮断したことを検出して、前記電源が遮断したときに検出信号を出力する遮断検出回路と、前記電源の遮断が工作機械の切削加工動作を含む諸動作中に起こったとき、前記検出信号に応答して、エネルギ残量に基づいて前記動作を継続して最後まで前記動作を終了させるように制御するコントローラとを有する工作機械が得られる。

上記工作機械は、前記電源からのエネルギ及び回生エネルギを電気エネルギとして蓄積するコンデンサを更に備えることが好ましい。この場合、前記コントローラは、前記動作が切削加工のとき、前記コンデンサに蓄積された電気エネルギと切削加工を行う主軸の運動エネルギとの合計を前記エネルギ残量として求める。また、前記動作が工具交換動作である場合には、前記コントローラは、工具交換の動作が始まっているか、始まっている可能性のある場合は前記工具交換動作を継続し、前記切削加工がタッピングあるいはドリリングである場合、前記コントローラは、ワークへの加工が始まっているか又は始まっている可能性があるときに、前記タッピングあるいはドリリングを継続する。上記工作機械は、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器を更に備えることが望ましい。この場合、前記コントローラは、前記電圧検出器で検出された前記コンデンサの電圧低下を考慮して、タップあるいはドリル引上げ時の主軸回転数を選択する。更に、前記電源の遮断がタップあるいはドリル切込み中に起こった場合、前記コントローラは、前記タップあるいはドリル切込みを前記主軸回転数を変えずに継続して行い、前記タップあるいはドリル引上げを、前記主軸回転数を前記タップあるいはドリル切込み時の主軸回転数よりも低くして行うことが好ましい。

本発明の第３の態様によれば、電源が遮断したことを検出して、前記電源が遮断したときに検出信号を出力する遮断検出回路と、前記電源の遮断が工作機械の切削加工動作を含む諸動作中に起こったとき、前記検出信号に応答して、エネルギ残量に基づいて前記動作を継続して最後まで前記動作を終了させるように制御するコントローラとを有する工作機械用制御装置が得られる。

上記工作機械用制御装置は、前記電源からのエネルギ及び回生エネルギを電気エネルギとして蓄積するコンデンサを更に備えることが好ましい。この場合、前記コントローラは、前記動作が切削加工のとき、前記コンデンサに蓄積された電気エネルギと切削加工を行う主軸の運動エネルギとの合計を前記エネルギ残量として求める。また、前記動作が工具交換動作である場合には、前記コントローラは、工具交換の動作が始まっているか、始まっている可能性のある場合は前記工具交換動作を継続し、切削加工がタッピングあるいはドリリングである場合、前記コントローラは、ワークへの加工が始まっているか又は始まっている可能性があるときに、前記タッピングあるいはドリリングを継続する。上記工作機械用制御装置は、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器を更に備えることが望ましい。この場合、前記コントローラは、前記電圧検出器で検出された前記コンデンサの電圧低下を考慮して、タップあるいはドリル引上げ時の主軸回転数を選択する。更に、前記電源の遮断がタップあるいはドリル切込み中に起こった場合、前記コントローラは、前記タップあるいはドリル切込みを前記主軸回転数を変えずに継続して行い、前記タップあるいはドリル引上げを、前記主軸回転数を前記タップあるいはドリル切込み時の主軸回転数よりも低くして行うことが好ましい。

本発明による停電時制御方法では、切削加工を中断せずに最後まで切削加工を行うので、高い精度の切削加工を行うことができる。従って、切削加工がタッピングあるいはドリリングの場合には、タップあるいはドリル動作を中断しないため「同じ穴に２回の切込み」を行うことがなく、高い精度の加工が可能となる。

また、工具交換動作中の停電でも、動作を継続・完了してしまうので、復旧のための操作が不要となり運転再開までの時間を短縮できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の理解を容易するために、ここでは、本発明に係る停電時制御方法の作用について、工作機械の諸動作として例えばタッピング、ドリリング等の切削加工動作に関して説明する。

先ず、停電時の動作と再開処理について説明する。

停電を検出した時、次の情報を判断し、処理動作方法を選定する。その情報は、（１）実行中の処理内容（タッピング、ドリリング、切削送り、早送り、その他）、（２）タッピング処理中のシーケンス、（３）タッピング、ドリリングの作動距離、および（４）主軸回転数から成る。

停電時の動作としては、次の種類がある。

Ａ．加工開始前の場合、その場で停止する。
Ｂ．タッピング、ドリリングでワーク加工が始まっている、または始まっている可能性がある時は加工を続行し、ツールがワークより離れるまで動く。
Ｃ．タッピング、ドリリングで、その場で停止、すぐに逆転し、ツールがワークより離れるまで動く。
Ｄ．その場で停止する。

なお、上記Ａ〜Ｄの動作の中で、Ａ，Ｃ，Ｄの動作は既存技術であることに注意されたい。換言すれば、上述Ａ〜Ｄの動作中、Ｂの動作が本発明に係る停電時制御方法である。

次に、タッピング又はドリリング中に停電があった場合の動作について説明する。これら停電時処理の中で、もっとも厳しいのがタッピング中の停電である。従って、以下の説明では、タッピング中に停電があった場合の動作について説明するが、ドリリング中に停電があった場合の動作も同様である。

本発明では、後述するように、コンデンサに充電（蓄積）されている電気エネルギと主軸（主軸モータ及び出力軸等の回転部分）の運動エネルギとを用いて加工を続行する。この時の動作について説明する。なお、説明を簡略化するため、以下、主軸の運動エネルギを主軸モータの回転エネルギとして説明する。

図１に本発明による停電時制御方法が適用される工作機械１０を示す。図示の工作機械１０は、タップ１１によりワーク（被切削物）１２に対してタッピングを行う切削加工機である。

ＡＣ電源１４から供給されるＡＣ電圧は、整流器１６でＤＣ電圧に変換され、コンデンサ１８で電気エネルギとして蓄積される。電源遮断検出器２０は、ＡＣ電源１４が遮断されたことを検出し、遮断検出信号を出力する。電圧検出器２２は、コンデンサ１８のＤＣ電圧を検出して、電圧検出信号を出力する。遮断検出信号と電圧検出信号とはコントローラ２４に供給される。

コンデンサ１８のＤＣ電圧は、第１乃至第４のインバータ２６，２７，２８，２９に供給される。第１乃至第４のインバータ２６〜２９は、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する。第１のインバータ２６は工具軸移動用モータ３１を駆動するためのものである。工具軸移動用モータ３１は、タップ１１をＺ軸方向に移動させるので、Ｚ軸モータとも呼ばれる。第２のインバータ２７は主軸モータ３２を駆動するためのものである。主軸モータ３２は、タップ１１を回転させるためのもので、Ｓ軸モータとも呼ばれる。第３及び第４のインバータ２８、２９は、それぞれ、Ｘ軸モータ３３及びＹ軸モータ３４を駆動するためのものである。Ｘ軸モータ３３は、ワーク１２をＸ軸方向へ移動させるためのモータであり、Ｙ軸モータ３４は、ワーク１２をＹ軸方向へ移動するためのモータである。尚、インバータはドライバとも呼ばれる。

コントローラ２４は、前記遮断検出信号に応答して、後述するエネルギ残量に基づいて、タップ立てサイクル中のシーケンス、主軸モータ３２の主軸回転数、及びタップ１１の作業長を判断し、退避方法を選定する。また、コントローラ２４は、タップ引上げ時に、電圧検出信号に基づいて、コンデンサ１８のＤＣ電圧低下を考慮して、主軸モータ３２の主軸回転数を選択する。

換言すれば、停電検出時には、コントローラ２４は、固定サイクル中でのシーケンス進行状況より判断して、最小限のエネルギでワーク１２に損傷を与えずに安全な位置へ退避する最適な「停電時停止シーケンス」を選定する。そして、再開時には、コントローラ２４は、その停止シーケンスに対応した再開シーケンスを実行するように切削加工機を制御する。また、タップ切込み中に停電した場合には、コントローラ２４は、タップ引上げの速度（主軸モータ３２の主軸回転数）を低くするように制御する。これにより、コンデンサ１６の電圧降下を抑えてより低い電圧で動作できるようにする。その結果として、停電時に動作できる条件を広くしている。

図２にタッピングの基本的な動作パターンを示す。タッピングの動作はブロックＩ〜Ｘからなる。図３に、ブロックＩ〜Ｘの動作、停電時の処理、および再開時処理を説明したものを示す。尚、ブロックIIIからブロックＶまでがタップ切込みの動作であり、ブロックVIIからブロックIXまでがタップ引上げの動作である。

先ず、ブロックＩ〜Ｘの動作について説明する。ブロックＩでは、タップ１１を穴の上までＸ，Ｙ軸移動するが、その間、主軸モータ３２の回転は停止している。ブロックIIでは、Ｒ点までタップ１１を下げるが、その間、主軸モータ３２の回転は停止している。ブロックIIIでは、タップ１１をＺ点へ向かい降下しながら、主軸モータ３２を加速する。ブロックIVでは、タップ１１をＺ点へ向かい降下しながら、主軸モータ３２を定速で回転する。ブロックＶでは、タップ１１をＺ点へ向かい降下しながら、主軸モータ３２を減速する。ブロックVIでは、ドウェルする。ブロックVIIでは、タップ１１をＲ点へ向かい上昇させながら、主軸モータ３２を逆転加速する。ブロックVIIIでは、タップ１１をＲ点へ向かい上昇させながら、主軸モータ３２を定速で回転する。ブロックIXでは、タップ１１をＲ点へ向かい上昇させながら、主軸モータ３２を減速する。ブロックＸでは、タップ１１をイニシャル点へ移動させる。

次に、ブロックＩ〜Ｘで停電したときのコントローラ２４の処理について説明する。ブロックＩで停電したときは、ワーク用モータ３３を減速停止する。ブロックIIで停電したときは、工具軸移動用モータ３１を減速停止する。ブロックIIIで停電したときは、工具軸移動用モータ３１および主軸モータ３２とも減速停止し、その後、タップ１１をＲ点へ戻す。ブロックIV〜IXのいずれかで停電したときは、動作を継続し、ブロックIXまでの動作を行う。ブロックＸで停電したときは、工具軸移動用モータ３１および主軸モータ３２とも減速停止する。

このように本発明では、タッピングでワーク１２の加工が始まっているか又は始まっている可能性がある場合には、加工を続行し、ツールであるタップ１１がワーク１２より離れるまで動くようにしている。

次に、ブロックＩ〜Ｘで停電した後のコントローラ２４の再開時処理について説明する。ブロックＩで停電した後にタッピングを再開する場合には、ブロックＩを再実行する。すなわち、停止位置より再実行される。ブロックIIで停電した後にタッピングを再開する場合には、ブロックIIを再実行する。すなわち、停止位置より再実行される。ブロックIIIで停電した後にタッピングを再開する場合には、ブロックIIIを再実行する。すなわち、Ｒ点より再実行される。ブロックIV〜Ｘのいずれかで停電した後にタッピングを再開する場合には、タップ１１を手動で安全な位置まで上昇し、次のブロックより再開する。

次に、図４を参照して、図１に示された切削加工機１０の動作状態とエネルギ移動について説明する。図４において、(Ａ)は定常状態を示し、（Ｂ）は加速時の状態を示し、（Ｃ）は減速時の状態を示している。

図４（Ａ）に示されるように、停止中あるいは一定速度で運転中は、エネルギとして損失分のみを供給する。損失分には、（１）インバータ電気回路での消費量、（２）モータ摩擦、および（３）切削の項目がある。このときの消費エネルギは、加速／減速時の１０分の１以下である。通電時のコンデンサ１８の電圧は、ＡＣ電源電圧×√２である。

図４（Ｂ）に示されるように、加速時は主軸モータ３２に大きなエネルギを供給する。タッピングでは、Ｚ軸方向の速度は低く、他の軸（Ｘ軸およびＹ軸）への移動は停止しているため、定常状態と同じである。通電時のコンデンサ１８の電圧は、定常時と同じく、ＡＣ電源電圧×√２となる。これはＡＣ電源１４のインピーダンスが低いからである。

図４（Ｃ）に示されるように、減速時は主軸モータ３２の運動エネルギは、電気エネルギに変換され、コンデンサ１６に回生エネルギとして戻される。タッピング中、主軸モータ３２以外のモータの運動エネルギは小さいため、無視することができる。

上述した停電したときの処理(動作)を可能とするためには、停電時のエネルギ残量を考慮する必要がある。

以下では、停電時のエネルギ残量とその後の処理ついて説明する。

図５を参照して、タップ切込み中に停電した時のエネルギ残量について説明する。図５は、タップ切込み中に停電したときの、タッピングを終えるまでの動作パターンとエネルギ／電圧の推移を示す図である。図５において、(ａ)は動作パターンを示し、（ｂ）はエネルギを示し、（ｃ）は主軸モータ３２の主軸速度（主軸回転数）を示し、（ｄ）はコンデンサ１８の電圧を示す。図５において、横軸は時間を表している。

タップ切込み中は主軸モータ３２が十分高速で回転している。したがって、コンデンサ１８に残っている電気エネルギ（キャパシタエネルギ）と工具軸（主軸モータ３２）の運動エネルギとの合計が、装置の持っている総エネルギ（エネルギ残量）となる。図５（ｂ）では、太い実線が総エネルギを示している。

この例では、タッピングよりの戻り作業（タップ引上げ）を予定通りの主軸速度（主軸回転数）で行えば、図５（ｂ）の×印の場所で動作不可能となる。これに対して、戻り（タップ引上げ）の主軸速度（主軸回転数）を、タップ切込み時の主軸速度（主軸回転数）よりも下げたことで、タッピングを戻り（タップ引上げ）まで実行できていることが分かる。

図６を参照して、タップ切込み終了時の停止中に停電したときのエネルギ残量について説明する。図６は、タップ切込み終了時の停止中に停電したときの、タッピングを終えるまでの動作パターンとエネルギ／電圧の推移を示す図である。図６において、(ａ)は動作パターンを示し、（ｂ）はエネルギを示し、（ｃ）は主軸モータ３２の主軸速度（回転数）を示し、（ｄ）はコンデンサ１８の電圧を示す。図６において、横軸は時間を表している。

タップ切込み終了時、主軸モータ３２はその回転を停止している。しかしながら、主軸モータ３２の運動エネルギはコンデンサ１８に回生エネルギとして蓄えられている。この時蓄えられているコンデンサ１８の電気エネルギ（キャパシタエネルギ）は、図５の場合のタップ切込み終了時の電気エネルギ（キャパシタエネルギ）より大きくなっている。

以上では、２つの例を示したが、他の時点で停電した場合にも同様に「停電時のエネルギ」と「残っている工程を実行するためのエネルギ」とを計算することが可能である。コントローラ２４は、この計算によって得られたエネルギを基にして停電後のシーケンスを決定する。

タップ切込み中に停電し、エネルギ残量を計算した結果、主軸速度を下げても戻り作業（タップ引上げ）まで完了することが不可能と判断されたときには、タップ切込みのみを行った時点で作業を終了し、戻り作業を行わない運転も可能である。

次に、図７および図８を参照して、主電源エネルギと電圧について説明する。

ＮＣコントローラ（切削加工機）の電源は、制御電源と主電源（コンバータ）とに分けられる。制御電源は弱電の制御回路（コントローラ２４）に使用され、主電源（コンバータ）はモータ動力に使用される。制御電源は消費される電力が小さいことと条件によらず消費される電力が一定であることにより、特に考慮する必要はない。

これに対して、主電源（コンバータ）は状態によって大きく変化する。通電中のモータ駆動時は、一定速、加速にかかわらず、コンデンサ１８は、ＡＣ電源電圧×√２に等しい電圧を保つ。これは、次の理由による。

第１に、ＡＣ電源１４のインピーダンスは、一般的に十分低く、主軸モータ３２の加速による電力消費での電圧降下は十分に小さいからである。

第２に、整流器１６として、図８に示されるように、三相全波整流を使用するため、コンデンサ１８に蓄えられている電気エネルギを全て使い切ったときでも、図７に示されるように、電圧降下は１３％でしかないからである。

減速中は主軸モータ３２を含めた機械系の運動エネルギが電気エネルギ（回生エネルギ）としてコンデンサ１８に戻されるので、図５（ｄ）および図６（ｄ）に示されるように、コンデンサ電圧が上昇する。

停電後の主電源電圧（コンデンサ１８の電圧）は、主電源（コンバータ）とインバータ（モータ）間でのエネルギの出し入れによって決まり、Ｅ＝（１／２）ＣＶ^２の関係で変化する。ここで、Ｅはエネルギ、Ｃはコンデンサ容量、Ｖは電圧である。

次に、図９を参照して、モータの動作限界と主電源電圧／速度との関係について説明する。図９はモータ制御の模式図である。

主電源電圧（コンデンサ１８の電圧）Ｖｓが降下したとき、どこまで主軸モータ３２を正常動作させることができるかは、主に主軸モータ３２の主軸回転数によって決まる。

主電源電圧（コンデンサ１８の電圧）Ｖｓを制御部（ドライバ）２７で制御し、スピンドルモータ３２に与え制御する。このため、主電源電圧（コンデンサ１８の電圧）Ｖｓは、モータ端子間電圧ピーク値の１０〜２０Ｖ以上必要である。

モータ電圧Ｖｍは、電機子抵抗Ｒ、電機子インダクタンスＬ、誘起電圧定数Ｋ、モータ電流Ｉｍ、速度によって決まる。すなわち、
Ｖｍ＝｜Ｉｍ×（Ｒ＋ｊ・Ｌ×２πｆ）＋Ｋ・ｆ｜
ここで、ｆは速度に比例する周波数を表す。

一般的に電機子抵抗Ｒは小さいため、モータ電圧Ｖｍは速度（主軸回転数）に比例していると考えて良い。これにより、モータ回転数を下げると、モータ電圧Ｖｍが下がり、スピンドルモータ３２が動作可能な主電源電圧（コンデンサ１８の電圧）Ｖｓの下限が広がることが分かる。

以下では、比較的小型のフライス盤での動作を例にとって説明する。

装置仕様は次の通りである。モータサイズは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とも１ｋＷであり、主軸モータ３２は３ｋＷである。主軸モータ３２をＳ軸と呼ぶ。Ｓ軸定格回転数は６０００ｒｐｍである。Ｓ軸誘起電圧定数（端子間）は２４ｍＶ（ｒｍｓ）／分である。Ｓ軸定格電流は１５Ａ（ｒｍｓ）である。タップ中の電流は５Ａ（ｒｐｍ）とする。Ｓ軸電機子抵抗（端子間）Ｒは１．０Ωである。Ｓ軸電機子インダクタンス（端子間）Ｌは１．０ｍＨである。Ｓ軸イナーシャは３０×１０^−４ｋｇ・ｍ^２である。ボール数は４である。

図１０を参照して、電源部としては、入力電源電圧Ｖｓが２００Ｖｒｍｓであり、コンデンサ１８の容量が１００，０００μＦである。

次に損失について説明する。前述したように、ＮＣコントローラ制御部（コントローラ２４）は、別電源により供給されるため、損失はモータ部のみを考慮する。モータ部の損失には、モータ３１〜３４の電気的損失のほか、ドライバ（インバータ）２６〜２９の損失（電力消費）とモータ３１〜３４および機械の摩擦損失とを含む。モータ部の損失は、動作状態によって変わる。ここでは、停止しているＸ軸モータ３３及びＹ軸モータ３４の損失が各３０Ｗ、低速で動作する工具軸移動用モータ３１の損失が４０Ｗ、Ｓ軸（主軸モータ３２）の損失が２００Ｗとする。従って、損失の合計は４００Ｗとなる。

次に、図１１を参照して、動作について説明する。Ｒ点より主軸モータ３２を回転し、Ｚ軸（工具軸移動用モータ３１）も同期して移動を開始する。被切削物（ワーク）１２はＲ点より約１５ｍｍ下方にあり、タップ１１の先端が被切削物（ワーク）１２に到達する前に主軸モータ３２の加速を終えているものとする。タップ１１の深さは、Ｒ点より５０ｍｍとする。タップ戻りの主軸回転数は、正常時、往きと同じ主軸回転数とし、異常時は往きの半分の主軸回転数とする。タッピング時回転速度（主軸回転数）は６０００ｒｐｍであり、ネジピッチは１．０ｍｍ、主軸加速時間は０．３秒であるとする。

次に、停電発生タイミングについて説明する。停電はＲ点より２０ｍｍ下方で発生したものとする。停電後処理は次の通りである。タッピングを最後まで（Ｒ点の下５０ｍｍまで）処理し、Ｒ点へ戻るとする。

次に、計算例について説明する。

停電時の総エネルギは、電気エネルギと運動エネルギとから成る。

スピンドルモータ３２の回転が停止しているときは、電気エネルギＥｅのみで、次の式で表される。

Ｅｅ＝（１／２）ＣＶ^２＝（１／２）・１００００・１０^−６・２８３^２
＝４００Ｊ（ジュール）
Ｓ軸加速終了後の運動エネルギＥｋは、次式で表される。

Ｅｋ＝（１／２）Ｊω^２＝（１／２）・３０・１０^−４・（２π１００）^２
＝５９２Ｊ（ジュール）
停電したときの総エネルギは、上記２つのエネルギの合算で、９９２Ｊとなる。

次に、図１２を参照して、停電後Ｚ点までの総エネルギの変化について説明する。

タッピング中のＺ軸位置は、次のようになる。まず、Ｚ軸方向の速度ｖは、次式で表される。

ｖ＝ネジピッチ×回転速度＝１．０ｍｍ×６０００ｒｐｍ
＝６０００（ｍｍ／分）＝１００（ｍｍ／秒）
図１２において、（Ａ）はタッピング動作の主軸速度（回転数）を示し、（Ｂ）はＺ軸位置の変化を示す。図１２において、破線は通常動作を示し、実線は停電時動作を示す。通常動作においては、タップ引上げ時は切削時と同じ回転数（主軸回転数）である６０００ｒｐｍで逆転する。一方、停電時動作においては、タップ引上げ時は切削時の半分の回転数（主軸回転数）である３０００ｒｐｍで逆転する。図１２の横軸は時間を表している。

次に、図１２における各ポイント（ａ〜ｈ）でのエネルギを計算する。

ａ点はスピンドル加速開始時を示し、時刻ｔ＝０秒であり、停電時を基準とすると、−０．３５秒である。このときの、スピンドルモータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝０
Ｅｅ＝４００Ｊ（電圧：２８２．８Ｖ）
ｂ点はスピンドル加速終了時を示し、時刻ｔ＝０．３秒であり、停電時を基準とすると、−０．０５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝５９２Ｊ
Ｅｅ＝４００Ｊ（電圧：２８２．８Ｖ）
ｃ点は停電時を示し、時刻ｔ＝０．３５秒であり、停電時を基準として、０．０秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝５９２Ｊ
Ｅｅ＝４００Ｊ（電圧：２８２．８Ｖ）
ｄ点はスピンドル減速開始時を示し、時刻ｔ＝０．５秒であり、停電時を基準とすると、０．１５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝５９２Ｊ
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×０．１５秒）
＝３４０Ｊ（電圧：２６０．８Ｖ）
ここで、停電後は、ＡＣ電源１４からの電力供給はない。主軸回転数は規定の速度を保つように制御され、運動エネルギは変化しない。制御の電力、モータの損失、機械的摩擦等の損失分がコンデンサ１８より供給され（４００Ｗ）、電気エネルギＥｅが低下していく。

ｅ点はスピンドル減速終了時を示し、時刻ｔ＝０．８秒であり、停電時を基準とすると、０．４５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝０
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×０．４５秒）＋５９２Ｊ
＝８１２Ｊ（電圧：４０３Ｖ）
これは、スピンドルモータ３２の運動エネルギＥｋ＝５９２Ｊがすべてコンデンサ１８に回生エネルギとして戻るからである。

ｆ点はスピンドル逆転加速終了時（３０００ｒｐｍ）を示し、時刻ｔ＝１．１秒であり、停電時を基準とすると、０．７５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝１４８Ｊ
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×０．７５秒）＋（５９２Ｊ−１４８Ｊ）
＝５４４Ｊ（電圧：３２９．９Ｖ）
ｆ′点はスピンドル逆転加速終了時（６０００ｒｐｍ）を示し、時刻ｔ＝１．１秒であり、停電時を基準とすると、０．７５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝５９２Ｊ
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×０．７５秒）＋（５９２Ｊ−５９２Ｊ）
＝１００Ｊ（電圧：１４１．４Ｖ）
ｇ点はスピンドル減速開始時（３０００ｒｐｍ）を示し、時刻ｔ＝１．８秒であり、停電時を基準とすると、１．４５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝１４８Ｊ
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×１．４５秒）＋（５９２Ｊ−１４８Ｊ）
＝２６４Ｊ（電圧：２２９．８Ｖ）
ｇ′点はスピンドル逆転加速終了時（６０００ｒｐｍ）を示し、時刻ｔ＝１．３秒であり、停電時を基準とすると、０．９５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝５９２Ｊ
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×０．９５秒）＋（５９２Ｊ−５９２Ｊ）
＝２０Ｊ（電圧：６３．２Ｖ）
ｈ点はスピンドル停止時（３０００ｒｐｍ）を示し、時刻ｔ＝２．１秒であり、停電時を基準とすると、１．７５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝０
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×１．７５秒）＋５９２Ｊ
＝２９２Ｊ（電圧：２４１．７Ｖ）
ｈ′点はスピンドル停止時（６０００ｒｐｍ）を示し、時刻ｔ＝１．６秒であり、停電時を基準とすると、１．２５秒である。このときの、主軸モータ３２の運動エネルギＥｋとコンデンサ１８の電気エネルギＥｅは、次のように表される。

Ｅｋ＝０
Ｅｅ＝４００Ｊ−（４００Ｗ×１．２５秒）＋５９２Ｊ
＝４９２Ｊ（電圧：３１３．７Ｖ）
尚、主軸モータ３２の運動エネルギは、主軸モータ３２の回転数が３０００ｒｐｍのときは、
Ｅｋ＝（１／２）Ｊω^２＝（１／２）・３０・１０^−４・（２π５０）^２
＝１４８Ｊ（ジュール）
であり、主軸モータ３２の回転数が６０００ｒｐｍのときは、
Ｅｋ＝（１／２）Ｊω^２＝（１／２）・３０・１０^−４・（２π１００）^２
＝５９２Ｊ（ジュール）
である。

図１３は図１２の場合におけるコンデンサ１８の電圧変化を計算して求めた例を示す。

この例では、タップ戻し回転数（主軸回転数）が６０００ｒｐｍ時に主電源電圧（コンデンサ１８の電圧）が６３Ｖまで低下するが、タップ戻し回転数（主軸回転数）が３０００ｒｐｍ時には２２９Ｖと高くなっていることが分かる。さらに、タップ戻し回転数（主軸回転数）が６０００ｒｐｍ時では、モータ電圧Ｖｍは、前述した式より２１０Ｖとなり、ドライバ部２７に−１４７Ｖ＝（６３−２１０）Ｖとなり大幅に不足し、制御が困難となる。これに対して、タップ戻し回転数（主軸回転数）が３０００ｒｐｍ時では、モータ電圧Ｖｍは、前述した式より１０９Ｖであり、ドライバ部２７には１１０Ｖ＝（２２９−１０９）Ｖと十分な余裕がある状態となる。

尚、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を脱逸しない範囲内で種々の変更が可能なのはいうまでもない。例えば、上述した実施の形態では、切削加工がタッピングの場合を例に挙げて説明しているが、ドリリング等の他の切削加工にも適用できるのは言うまでもない。また、ドリリングの場合において、停電がドリル切込み中に起こった場合には、ドリル切込みを継続して行い、停電後のドリルの主軸回転数を停電前の主軸回転数よりも低くして行うように制御しても良い。同様に、停電が工具交換動作中に起こった場合には、工具交換を継続して行ない、図1に示すように、インバータ３０を介し工具交換用モータ３５の回転数を通常より低くして行うように制御しても良い。これにより、コンデンサ１８に蓄えられた残留エネルギにより工具交換動作を最後まで終了させる。

本発明の一実施の形態による停電時制御方法が適用される工作機械を示すブロック図である。タッピングの基本的な動作パターンを示す図である。図２のブロックＩ〜Ｘの動作、停電時の処理、および再開時処理を説明した図である。図１に示された切削加工機の動作状態とエネルギ移動を説明するための図である。タップ切込み中に停電した時のエネルギ残量を説明するためのタイムチャートである。タップ切込み終了時の停止中に停電したときのエネルギ残量を説明するためのタイムチャートである。図１に図示した工作機械に使用されるコンデンサの電圧降下を説明するための図である。主電源エネルギと電圧とを説明するためのブロック図である。モータの動作限界と主電源電圧／速度との関係を説明するための図である。本発明の具体的な動作例を説明するために使用される電源部を示すブロック図である。本発明の具体的な動作を説明するための概略断面図である。停電後Ｚ点までの総エネルギの変化を説明するためのタイムチャートである。図１２の場合におけるコンデンサの電圧変化を計算で求めた例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０工作機械
１１タップ
１２ワーク（被切削物）
１４ＡＣ電源
１６整流器
１８コンデンサ
２０電源遮断検出器
２２電圧検出器
２４コントローラ
２６〜３０インバータ（ドライバ）
３１工具軸移動用モータ
３２主軸モータ
３３Ｘ軸モータ
３４Ｙ軸モータ
３５工具交換用モータ

Claims

工作機械の切削加工動作を含む諸動作中に停電したときの停電時制御方法であって、前記停電時にエネルギ残量に基づいて前記動作を継続して最後まで前記動作を終了させることを特徴とする停電時制御方法。
前記動作が切削加工のとき、前記エネルギ残量が、コンデンサに蓄えられた電気エネルギと前記切削加工を行う主軸の運動エネルギとの合計である請求項１に記載の停電時制御方法。
前記切削加工がタッピングあるいはドリリングであり、ワークへの加工が始まっているか又は始まっている可能性があるときに、前記タッピングあるいはドリリングを継続することを特徴とする請求項２に記載の停電時制御方法。
前記停電がタップあるいはドリル切込み中に起こった場合には、該タップあるいはドリル切込みを主軸回転数を変えずに継続して行い、前記タップあるいはドリル切込み後のタップあるいはドリル引上げを、前記主軸回転数を前記タップあるいはドリル切込み時の主軸回転数よりも低くして行うことを特徴とする請求項３に記載の停電時制御方法。
前記動作が、工具交換動作であることを特徴とする請求項１に記載の停電時制御方法。
電源が遮断したことを検出して、前記電源が遮断したときに検出信号を出力する遮断検出回路と、
前記電源の遮断が工作機械の切削加工動作を含む諸動作中に起こったとき、前記検出信号に応答して、エネルギ残量に基づいて前記動作を継続して最後まで前記動作を終了させるように制御するコントローラと
を有する工作機械。
前記電源からのエネルギ及び回生エネルギを電気エネルギとして蓄積するコンデンサを更に備え、
前記動作が切削加工のとき、前記コントローラは、前記コンデンサに蓄積された電気エネルギと前記切削加工を行う主軸の運動エネルギとの合計を前記エネルギ残量として求めることを特徴とする請求項６に記載の工作機械。
前記切削加工がタッピングあるいはドリリングである場合、前記コントローラは、ワークへの加工が始まっているか又は始まっている可能性があるときに、前記タッピングあるいはドリリングを継続することを特徴とする請求項７に記載の工作機械。
前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器を更に備え、
前記コントローラは、前記電圧検出器で検出された前記コンデンサの電圧低下を考慮して、タップあるいはドリル引上げ時の主軸回転数を選択することを特徴とする請求項８に記載の工作機械。
前記電源の遮断がタップあるいはドリル切込み中に起こった場合、前記コントローラは、前記タップあるいはドリル切込みを前記主軸回転数を変えずに継続して行い、前記タップあるいはドリル引上げを、前記主軸回転数を前記タップあるいはドリル切込み時の主軸回転数よりも低くして行うことを特徴とする請求項９に記載の工作機械。
前記動作が、工具交換動作であることを特徴とする請求項６に記載の工作機械。
電源が遮断したことを検出して、前記電源が遮断したときに検出信号を出力する遮断検出回路と、
前記電源の遮断が工作機械の切削加工動作を含む諸動作中に起こったとき、前記検出信号に応答して、エネルギ残量に基づいて前記動作を継続して最後まで前記動作を終了させるように制御するコントローラと
を有する工作機械用制御装置。
前記電源からのエネルギ及び回生エネルギを電気エネルギとして蓄積するコンデンサを更に備え、
前記動作が切削加工のとき、前記コントローラは、前記コンデンサに蓄積された電気エネルギと前記切削加工を行う主軸の運動エネルギとの合計を前記エネルギ残量として求めることを特徴とする請求項１２に記載の工作機械用制御装置。
前記切削加工がタッピングあるいはドリリングである場合、前記コントローラは、ワークへの加工が始まっているか又は始まっている可能性があるときに、前記タッピングあるいはドリリングを継続することを特徴とする請求項１３に記載の工作機械用制御装置。
前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器を更に備え、
前記コントローラは、前記電圧検出器で検出された前記コンデンサの電圧低下を考慮して、タップあるいはドリル引上げ時の主軸回転数を選択することを特徴とする請求項１４に記載の工作機械用制御装置。
前記電源の遮断がタップあるいはドリル切込み中に起こった場合、前記コントローラは、前記タップあるいはドリル切込みを前記主軸回転数を変えずに継続して行い、前記タップあるいはドリル引上げを、前記主軸回転数を前記タップあるいはドリル切込み時の主軸回転数よりも低くして行うことを特徴とする請求項１５に記載の工作機械用制御装置。
前記動作が、工具交換動作であることを特徴とする請求項１２に記載の工作機械用制御装置。