JP2955296B2 - 工作機械の主軸同期制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 この発明は、対向する２本の主軸を有する工作機械の
主軸制御装置に関するもので、２本の主軸の回転速度や
位相を同期させて運転するための制御装置に関するもの
である。

《従来の技術》 対向する２本の主軸を有する工作機械、例えば旋盤に
おいては、第１主軸から第２主軸にワークを移し代える
ときや細長いワークを加工するときに、ワークの両側を
２本の主軸で同時に把持して旋削加工を行うときがあ
る。このときに第１主軸と第２主軸に位相差や速度差が
生じると、ワークに捩り応力が作用し、ワークがねじ切
られたり、チャック爪が滑ってワークに瑕が付いたり、
ワークの位相がずれる等の問題が発生するので、第１主
軸と第２主軸を同期回転させる制御装置が必要になる。

従来この種の制御装置としては、NC装置から各主軸を
駆動するモータ制御部に速度を指令する制御信号を与
え、且つ主軸に取り付けたエンコーダで主軸の位相や速
度を計測してその信号をモータ制御部やNC装置にフィー
ドバックする構造とし、この制御系を第１主軸と第２主
軸のそれぞれに設けて両主軸間の同期運転、即ち共通の
ワークを把持した状態での加速、減速、等速運転などの
制御を行っている。しかしこのような各主軸毎の独立し
た制御では、各主軸の慣性の差異、主軸モータの加減速
特性の差異等のために正確な同期運転を行うことができ
ず、前述したワークの捩れや把持部分の滑り等の問題が
起こることがあった。

そこである種の装置においては、モータ制御部及び主
軸モータに主従関係を持たせ、従の主軸が主の主軸に追
従するように制御する制御装置が提案されてきた。それ
によると、両主軸間に把持されたワークに許容範囲内の
捩り力を残しておき、そのままで加速や減速、等速運転
をさせるようになっている。

《発明が解決しようとする課題》 しかし、機械の運転効率を高めるために加減速時間を
極力短くする要請が高まり、それを達成するために大ト
ルクの主軸モータが用いられるようになると、従来の追
従制御装置では両主軸間の慣性の違いや加減速特性の違
いをカバーすることが難しくなってきた。そのため、細
いワークでは素材の捩れ破断をおこし、太いワークでは
チャック爪の当り部で滑りが発生してワークを瑕付ける
現象が再び発生してきた。その理由は、各主軸の制御装
置がクローズドループの制御をしているために指令速度
値に対する駆動剛性が高く、主軸モータの出力の大半が
主軸の慣性に抗して主軸を急激に加速させるエネルギー
となるほどにモータの出力を大きくしてあるので、ワー
クに悪影響を残さない程度の許容範囲内の捩じり力では
急激に加減速を行わせたときの主軸の慣性の差および途
中速度毎に変化するモータの速度特性の差を吸収するこ
とができないためである。

そこでこの発明は、慣性や速度特性の差が大きな主軸
相互間の速度や位相の同期制御をより確実に行うことが
でき、且つ急激な加減速運転にも追従できる同期制御装
置を得ることを課題としている。

《課題を解決するための手段》 この発明では、各主軸11a、11bにその回転速度や相対
位相を検出する主軸エンコーダ27を設け、それらが発生
する信号を微小単位時間を区切って計測して相互の大小
関係を比較する遅速弁別回路54と、一単位の補正値を設
定するための補正値設定器55と、NC装置46から各主軸モ
ータのモータ制御部52a、52bに与えられる速度指令を補
正する速度指令補正回路58a、58bと、前記遅速弁別回路
の出力に基いて前記測定指令補正回路に前記一単位の補
正値を加算又は減算信号として入力する補正指令回路56
とを備えた同期制御装置を設け、位相の進んだ側にはこ
れを遅らせる方向に、位相の遅れた側にはこれを進める
方向に微細時間間隔で補正動作を繰り返させる構造を採
用している。

主軸エンコーダとは、旋削回転時に主軸の回転を検出
するエンコーダを意味する。前記遅速弁別回路54は、主
軸11a、11bの加減速動作時は各主軸の位相差を検出して
比較し、主軸11a、11bの定速回転時は各主軸の回転速度
差を検出して比較する構造とするのが、定速回転時のハ
ンチングを避ける上でより好ましい。また、２本の主軸
はそれぞれ単独運転させる必要もあるので、前記同期制
御装置を制御系から切り離すための切換器57を設けてい
る。

《作用》 上記同期制御装置53は、主軸エンコーダ27からの信号
を比較して位相の進んだ軸側に対してはそれを遅らせる
方向に速度指令をオフセットして入力し、逆に位相の遅
れた軸側にはそれを進める方向に速度指令をオフセット
して入力をすることにより、回転特性や慣性特性をカバ
ーして双方の主軸11a、11bの速度差や位相差を零にする
よう制御している。このようにそれぞれの主軸モータ制
御部52a、52bにNC装置46から与えられる速度指令を共通
指令として上記補正をして入力させ、速度差や位相差を
修正する方式は、従来多用されて来た追従方式つまり一
方を主として他方を追従させる方式と異なり、互いに他
方に追従させる制御を行うことで両主軸の平均値を目標
に追従させていることになる。

これにより、位相差や速度差を補正するときの各軸当
たりの補正量が片側追従方式の半分で済むこととなり、
サーボハンチングを抑えて高速回転中や急速加減速中で
のより速やかな追従動作を行わせることができる。

また従来の制御では、速度差や位相差の検出において
はその偏差量を検出し、その差分に相当する指令値を計
算で求めるようにしていたが、それでは計算処理に時間
を要し、補正を掛ける繰り返し周期を短くすることがで
きないので、旋盤のように高速回転をし且つ加減速時間
の短いものでは、補正値を算出した頃には両主軸間の速
度差や位相差が変化してしまい、時間遅れのある粗い制
御となって同期精度を保つことはできなかった。これに
対して本発明では、繰り返し制御周期を短くするために
位相差や速度差から補正指令値を導くまでの一切の計算
を省き、単に遅速を弁別するに止めてその量を問題にせ
ず、設定された一定値の補正値を単純に加算又は減算し
て指令値を得るようにしている。設定する単位の補正値
は、個々のモータの特性を考慮して予め個々に設定し、
また、ワークの質量等を考慮して個々の加工プログラム
で設定するようにする。これによって補正動作の繰り返
し周期はミリセカンド単位となり、殆ど連続して補正す
ることができ、また適切な単位補正値を設定することに
よってハンチングを起こすことなく速やかな同期制御を
行わせることができる。

また、エンコーダの信号のサンプリングについては、
加減速運転中には両主軸の位相差を弁別して加速度制御
をし、定速運転中は速度差を弁別して速度制御をしてい
る。この点も従来方式と異なり、加減速中にワークに作
用する危険のある大きな捩りトルクを確実に防止でき、
且つ定速運転中のハンチングを有効に防止できる要因と
なっている。

また制御装置が各主軸毎にフィードバック制御をして
いるものでは回転剛性が高いので、主軸位相差の発生は
直ちにワークを捩るかチャック爪が滑るかの現象を発生
させる。本発明では、互いに相手主軸に追従して位相を
合わせるようにしているので、主軸相互の位相差を許容
範囲内に抑えることができ、ワークの捩りやチャック爪
の滑りのない安定した加減速運転ができるようになっ
た。

また所定の補正値を入力する際に、速度差や位相差が
ある一定値以下の場合には不感帯として同期制御装置か
ら補正信号が出ないようにして、制御ハンチングを防ぎ
運転を安定させることができる。そして両主軸を各独立
した回転速度で運転する場合には、上記切換器57で同期
制御装置を切り離すことにより、各主軸の独立運転にも
充分に対応できる。

《実施例》 （１） 全体構成 第１図は２主軸対向型CNC旋盤の一例を模式的に示す
平面図である。以下の説明においては、主軸方向をＺ軸
方向と言い、Ｚ軸と直交する方向をＸ軸方向という。図
中、１はベース、2aは第１主軸台、2bは第２主軸台、3a
はタレット型の第１刃物台、3bは同第２刃物台である。
ベース１は、上面を45度手前側に傾斜させたスラント型
で、このベースに固定した第１主軸台2aに対向して第２
主軸台2bがＺスライド６を介してＺ軸方向にのみ摺動自
在に配置され、この主軸台2a、2bの奥側に刃物台3a、3b
が配置されている。そして第１刃物台3aはＺスライドと
Ｘスライドを備えたZXスライド７を介してＺ及びＸ両方
向に摺動自在で、第２刃物台2bはＸスライド８を介して
Ｘ軸方向にのみ摺動自在に装着されている。そして第１
主軸台2aに装着されたワークは第１刃物台3aの工具で、
第２主軸台2bに装着されたワークは第２刃物台3bの工具
で加工される。

（３） 主軸台 主軸台2a、2bには、第２図に示すように、それぞれ主
軸11、主軸に固定されたチャック19、チャック開閉用の
チャックシリンダ20、主軸モータ21、ブレーキ装置22、
主軸割出し駆動装置23、主軸割出し駆動装置と主軸とを
係脱するシフト歯車対24、25及びエンコーダ26、27が装
着されている。主軸モータ21は、Ｖベルト28伝動により
主軸を駆動しており、主軸11の回転角は、タイミングベ
ルト29で主軸と連結された主軸エンコーダ27で検出され
ている。

ブレーキ装置22は、主軸の回転角度位置を確保する必
要のある場合には全力で主軸21に固定されたブレーキデ
ィスク31をクランプし、フライス加工のときは半ブレー
キにして主軸モータ21の出力トルクが一定になるように
制御している。

主軸割出し駆動装置23は、エンコーダ26を内蔵した割
出しモータ40、その出力軸に固定されたウォーム41及び
これに噛合するウォームホイール42、ウォームホイール
軸43に精密スプラインで軸方向移動自在に装着されたシ
フト歯車24、主軸11に固着された歯車25、シフトフォー
ク44及びシフトシリンダ45で構成されている。ワークを
割出しフライス加工や孔明け加工するときには、シフト
シリンダ45で歯車24と25とを噛合させ（第２図示の状
態）、割出しモータ40の回転をウォーム歯車対41、42で
減速して主軸11を回転させ、所定角度での位置決めや低
速回転させながらのコンターリングのフライス加工を行
う。この主軸割出し駆動装置の動作は、この発明の内容
には関係がないので、ここでは省略する。なお、この発
明の制御装置は、このような主軸割出駆動装置23を設け
ないで主軸モータ21を主軸11に直結して割出し動作を行
わせる装置にも採用することができる。

（４） 主軸モータ制御装置 主軸モータ21の制御ブロックを第３図に示す。第１及
び第２主軸モータ21a、21bは、個別運転されるときに
は、CNC装置46からの個別の速度指令を受けたモータ制
御部52a、52bが個々にその速度を制御している。想像線
で囲んで示す同期制御装置53は、遅速弁別回路54、補正
値設定器55、補正指令回路56、切換器57並びに第１及び
第２速度指令補正回路58a、58bからなる。遅速弁別回路
54は、ミリセカンド単位の微少時間におけるエンコーダ
26、27の出力パルスをカウントし、その大小により第１
主軸11と第２主軸11とに位相差や速度差が生じているか
どうかを監視している。

第１主軸と第２主軸を同期駆動するときには、切換器
57で第１主軸側の速度指令が第１及び第２モータ制御部
52a、52bの両者に与えられるようにすると共に補正信号
が速度指令補正回路58に与えられるように制御回路が切
り換えられ、位相の遅れた側には当該補正値を加算入力
して、この一連の制御をミリセカンドオーダの短い時間
間隔で連続して行うことにより、第１主軸11aと第２主
軸11bの位相ないし速度を同期させている。

第４図は遅速弁別回路54の例を示したもので、主軸エ
ンコーダ27のカウントパルスを所定幅で切り出してカウ
ンタ63a、63bで計数し、その差を比較器64で弁別するよ
うにしたものである。主軸エンコーダ27は、所定角毎に
基準角パルスを発生する基準位相検出スリット65（第５
図）を有し、この基準角パルスは、ワンショット回路6
6、アンドゲート67、オアゲート68を介してカウントパ
ルスを切り出すアンドゲート69に入力されている。一
方、主軸モータ21の加速信号及び減速信号は、オアゲー
ト70で共通信号（加減速信号）Ｐとなって上記アンドゲ
ート67に与えられると共にインバータ71を経て上記オア
ゲート68に与えられている。また、カウントパルスの切
り出し幅を規定するワンショット回路72が設けられ、こ
のワンショット回路は所定時間間隔（サンプリング時間
間隔）で与えられるタイミングパルスTPでトリガされ、
その出力は切り出しアンドゲート69a、69bの入力信号と
なっている。なお第４図には、第２主軸側の回路が一部
省略されているが、添字ａを付した第１主軸側の回路と
同様な回路が第２主軸側にも設けられていることは勿論
である。また上記加速信号及び減速信号は、例えば、カ
ウンタ63a、63bの前前回のカウント値と前回のカウント
値とを比較してそれが許容値以上大きいか小さいときに
出力するようにすればよい。

上記構成において、主軸11a、11bが定速運転中のとき
は、加減速信号ＰがＬレベルとなり、インバータ71の反
転によりオアゲート68の出力はＨレベルを維持するの
で、ワンショット回路72のパルス幅でカウントパルスが
第６図（ａ）に示すように切り出される。そして若し第
１主軸11aと第２主軸11bとの間に速度差があれば、第１
カウンタ63aと第２カウンタ63bとのカウント値に差異が
生じ、その大小が比較器64で弁別される。また、主軸11
が加減速中であるときには、ワンショット回路72のパル
スが立ち上がった後基準角パルスでトリガされたワンシ
ョット回路66のパルスが立ち上がってからエンコーダ27
a、27bの出力パルスがカウントされるので、位相が早い
側のカウント開始時点が早くなり、例えば速度が同じで
あったとしても位相の早い側のカウント値が大きくなる
（第６図（ｂ））。従って定速回転のときと同様に第１
カウンタ63aと第２カウンタ63bのカウント値を比較する
ことにより、位相差を弁別することができる。

補正値設定器55には、単位時間間隔毎に与える速度補
正値が設定されている。この補正値は、前述したように
CNCプログラムで与えるようにすることもできる。補正
指令回路56は、遅速弁別回路54の出力を受けて、補正値
設定器55に設定された補正値を減算又は加算指令として
速度指令補正回路58に与える。勿論、位相や速度が進ん
だ側には減算指令として、遅れた側には加算指令として
補正値が与えられる。また、速度指令補正回路58は、CN
C装置46から与えられた速度指令にこの補正値を加減し
てモータ制御部52に速度指令を与える。

なお上記実施例では、理解を容易にするために同期制
御装置をハード構成で示しているが、コンピュータのソ
フトウエアで構成することも勿論可能であり、実際には
ソフトウエア構成の方がフレキシビリテイが高いのでよ
り好ましい。

《発明の効果》 上記作用の項で詳述したように、この発明の同期制御
装置によれば、非常に短い時間間隔で第１主軸と第２主
軸の位相ないし速度差を検出して時間遅れなく連続的に
主軸モータに与えられる速度指令を補正できるので、定
速運転中は勿論、急激な加減速運転が行われているとき
でも２本の主軸の位相や速度を正確に同期させることが
できる。また、制御構造が簡単であるので、簡易に実施
することができ、設定値をワークの大きさや加工状態に
合わせてCNC装置で設定されるようにすることにより、
ハンチングやワークに作用する捩り応力を確実に回避す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示す図で、第１図は２主軸対
向型CNC旋盤のベース上の機器配置の例を示す図、第２
図は主軸駆動装置の機器を展開して示す図、第３図は主
軸同期制御装置の全体構成を示すブロック図、第４図は
遅速弁別回路の回路例を示す図、第５図は主軸エンコー
ダを示す図、第６図は遅速弁別回路で切り出されるパル
スを例示する図である。 図中、 2:主軸台、3:刃物台 11:主軸、21:主軸モータ 27:主軸エンコーダ、53:同期制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23Q 15/00 B23B 3/30 - 3/32

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに独立した回転駆動装置を有する２本
   の主軸をそれぞれ単独で運転する他に双方の主軸を同期
   制御して加減速や定速回転を行わせる工作機械の主軸同
   期制御装置において、各主軸（11a、11b）の回転速度や
   相対位相を検出するエンコーダ（26、27）と、それらが
   発生する信号を微小単位時間を区切って計測して相互の
   大小関係を比較する遅速弁別回路（54）と、一単位の補
   正値を設定するための補正値設定器（55）と、各主軸
   （11a、11b）の回転を制御するモータ制御部（52a、52
   b）にNC装置（46）から与えられる速度指令を補正する
   速度指令補正回路（58a、58b）と、前記遅速弁別回路の
   出力に基いて前記速度指令補正回路に前記一単位の補正
   値を加算又は減算信号として入力する補正指令回路（5
   6）とを備え、位相の進んだ側にはこれを遅らせる方向
   に、位相の遅れた側にはこれを進める方向に微細時間間
   隔で補正動作を繰り返すことを特徴とする工作機械の主
   軸同期制御装置。
2. 【請求項２】前記遅速弁別回路（54）が、主軸（11a、1
   1b）の加減速動作時は各主軸の位相差を検出して比較
   し、主軸（11a、11b）の定速回転時は各主軸の回転速度
   差を検出して比較することを特徴とする、請求項１記載
   の工作機械の主軸同期制御装置。
3. 【請求項３】切換器（57）が設けられ、各主軸を単独運
   転するときには速度指令補正回路（58a、58b）への補正
   値の入力が遮断されると共に各主軸モータ（21a、21b）
   のモータ制御部（52a、52b）にはNC装置（46）から各別
   の速度指令が与えられ、各主軸を同期運転するときには
   速度指令補正回路（58a、58b）へ上記補正値が入力され
   ると共に各主軸モータ（21a、21b）のモータ制御部（52
   a、52b）にはNC装置（46）から共通の速度指令が与えら
   れることを特徴とする、請求項１又は２記載の工作機械
   の主軸同期制御装置。