JP6625957B2 - 工作機械の数値制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、誘導モータからなる主軸モータと、送り軸駆動用モータとを備える工作機械の数値制御装置に関する。
主軸と送り軸とを有する工作機械を用いてワークを加工する際、主軸の動きと送り軸の動きとが連動する場合が、比較的多い。このような場合、工作機械を制御する数値制御装置では、主軸に係る特性値や測定値を用いて送り軸を制御したり、逆に、送り軸に係る特性値や測定値を用いて主軸を制御したりすることが、一般的に実施されている。
例えば、特許文献１は、主軸モータとして用いられているスピンドルモータの実速度に急激な変動があった場合でも高精度の加工を可能とするため、スピンドルモータの回転数について、回転数の変化量を用いて補正したデータを用いて、送り速度を制御する技術を開示している。
また、特許文献２は、１枚目に加工する半導体ウェーハ等の被加工物について、１回の加工によって所望の平坦度に加工するため、加工中のモータの負荷電流値が所望平坦度に対応する最大負荷電流値以下になるように、加工送り手段の送り速度を制御する技術を開示している。
また、特許文献３は、金型加工の加工状態を把握するため、静圧磁気複合軸受の励磁電流を検出する技術を開示している。
特開平５−６９２７５号公報 特開２０１３−５６３９２号公報 特開２０００−２６３３７７号公報
工作機械の主軸モータとして、誘導モータが用いられることがある。ここで誘導モータとは、固定子（ステータ）コイルに励磁電流を流して回転磁界を発生させると共に、回転子（ロータ）に誘導電流を発生させ、その電磁力により、回転子が回転磁界の回転を追いかけるように回転するモータのことである。誘導モータには、固定子コイルに励磁電流が流れることにより発熱が伴うという欠点がある。この欠点の回避を目的として、誘導モータに対する負荷が軽く、高いトルクが必要とされない場合に、回転磁界の磁束又は励磁電流を弱める技術がある。しかし、この技術を用いた場合、主軸モータである誘導モータの磁束を弱めることによりトルクが小さくなった状態で、送り軸駆動用モータにより、主軸モータに対して大きな負荷が与えられる重切削（切削抵抗が大きい切削）を開始すると、切削開始時の急激な負荷変動により、主軸速度が大きく低下したり、主軸が停止したりする場合がある。
この点、上記の特許文献１及び２は、発熱を低減させると共に、主軸速度の低下や主軸の停止を未然に防ぐことを目的としてはいなかった。また、特許文献３は、検出された励磁電流値は、あくまで加工状態を把握するために用いられるにすぎなかった。
そこで、本発明は、発熱の低減と重切削時の安定的な切削を実現する、工作機械の数値制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る工作機械の数値制御装置（例えば、後述の数値制御装置１００、２００）は、誘導モータからなる主軸モータ（例えば、後述の誘導モータ１２５）と、送り軸駆動用モータ（例えば、後述のサーボモータ１４５）とを備える工作機械（例えば、後述の工作機械１５０）を制御する数値制御装置であって、前記主軸モータの現在の磁束量を取得する磁束量取得手段（例えば、後述の磁束量取得手段１０２）と、前記磁束量に基づいて、前記送り軸駆動用モータの速度を変更する速度変更手段（例えば、後述の速度変更手段１０３）と、を更に備える。
前記磁束量取得手段（例えば、後述の磁束量取得手段１０２）は、前記主軸モータ（例えば、後述の誘導モータ１２５）の現在の磁束量を推定し、推定した磁束量を現在の磁束量として取得してもよい。
前記速度変更手段（例えば、後述の速度変更手段１０３）は、最大磁束量に対する前記現在の磁束量の割合である磁束量割合に基づいて、前記送り軸駆動用モータ（例えば、後述のサーボモータ１４５）の速度を変更してもよい。
上記の数値制御装置（例えば、後述の数値制御装置１００、２００）は、前記磁束量取得手段（例えば、後述の磁束量取得手段１０２）から前記現在の磁束量を受信し、前記磁束量割合を計算する割合計算手段（例えば、後述の割合計算手段１０４）と、前記割合計算手段により計算された前記磁束量割合を、前記速度変更手段に通知する割合通知手段（例えば、後述の割合通知手段１０５）と、を更に備えてもよい。
前記数値制御装置（例えば、後述の数値制御装置１００、２００）が加工プログラムを実行することにより、送り速度指令値が生成され、前記速度変更手段は、前記送り速度指令値に前記磁束量割合を乗じることにより送り速度値を決定し、前記送り速度値に基づいて、前記送り軸駆動用モータの速度を変更してもよい。
本発明によれば、発熱の低減と重切削時の安定的な切削を実現する、工作機械の数値制御装置を提供することができる。
本発明の概念図である。 本発明の第１実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る制御システムの動作を示す図である。 本発明における磁束量の推定方法の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る制御システムの動作を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る制御システムの動作を示す図である。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図４を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の基本的な概念を示す図である。ここで、制御システム５０は、数値制御装置５１、主軸制御部５２、送り軸制御部５３、主軸モータとしての誘導モータ５４、送り軸駆動用モータとしてのサーボモータ５５を備える。また、数値制御装置５１は、主軸制御部５２を介して、誘導モータ５４を制御し、送り軸制御部５３を介して、サーボモータ５５を制御するものとする。
主軸モータとして誘導モータを用いる場合、負荷が重くなるにつれて、生成する磁束量を徐々に上げていかないと、誘導モータの最大能力は出せない。この点、上記の繰り返しとなるが、誘導モータ５４の磁束が弱い状態で、重切削を開始すると、切削開始時の急激な負荷変動により、主軸速度が大きく低下したり、主軸が停止したりする場合がある。そこで、主軸制御部５２は、誘導モータ５４の磁束量を取得する。主軸制御部５２は、この磁束量、又は、他の一例として、誘導モータ５４における最大磁束量に対する現在の磁束量の割合（以下「磁束量割合」ともいう。）を数値制御装置５１に送信する。数値制御装置５１は、この磁束量のデータ、又は、磁束量割合を考慮して、送り軸制御部５３に、移動指令（切削送り量）を送信する。送り軸制御部５３は、数値制御装置５１から受信した移動指令（切削送り量）に応じて、サーボモータ５５を制御する。
なお、上記のように、主軸制御部５２から、数値制御装置５１に対し、磁束量又は磁束量割合を送信しているが、実際には、主軸制御部５２と数値制御装置５１とは、一定周期毎に双方向の通信をしている。そのため、この通信内において、磁束量又は磁束量割合を、主軸制御部５２から数値制御装置５１に渡してもよい。
図２は、本発明の第１実施形態に係る数値制御システム１０の構成例を示す。数値制御システム１０は、数値制御装置１００と、工作機械１５０と備える。工作機械１５０は、加工物１１０を取り付ける主軸１１５と、変速器１２０と、上記の主軸モータとしての誘導モータ１２５であって、変速器１２０を介して主軸１１５を回転させる主軸モータとしての誘導モータ１２５と、誘導モータ１２５の駆動電流を出力するアンプ１３０と、上記の加工物１１０を切削する刃物１３５と、刃物１３５を軸方向に移動させるボールねじ１４０と、上記の送り軸駆動用モータとして、ボールねじ１４０を回転させるサーボモータ１４５とを備える。
また、数値制御装置１００は、誘導モータ１２５の回転に伴って回転する主軸１１５に取り付けられた加工物１１０に対して、ボールねじ１４０の回転に伴って移動する刃物１３５により所望の切削加工を行うように、上記の誘導モータ１２５とサーボモータ１４５とを制御する。具体的には、数値制御装置１００は、アンプ１３０に対して一定回転指令信号を入力する一定回転指令手段１０１と、アンプ１３０から、誘導モータ１２５の現在の磁束量を取得する磁束量取得手段１０２と、現在の磁束量に基づいて、サーボモータ１４５の速度を変更する速度変更手段１０３とを備える。軸が回転するモータの場合、速度とは回転速度のことである。ここで、図示はしないが、数値制御装置１００は、通常の数値制御装置と同様の構成要素及び機能を備えてもよい。
なお、モータは、軸が回転するモータに制限されず、リニアモータであってもよい。リニアモータの場合、速度とは直線状又は曲線状の速度のことである。図２のアンプ１３０は、図１の主軸制御部５２に対応する。また、図２の速度変更手段１０３は、図１の送り軸制御部５３に対応する。
図３は、第１実施形態に係る数値制御システム１０の動作を示す。
ステップＳ１１において、磁束量取得手段１０２は、アンプ１３０から、誘導モータ１２５の現在の磁束量Φを取得する。
ステップＳ１２において、速度変更手段１０３は、磁束量取得手段１０２が取得した、誘導モータ１２５の現在の磁束量Φに応じて、サーボモータ１４５の回転速度を変更する。具体的には、現在の磁束量Φが大きいときには、サーボモータ１４５の回転速度を大きくし、一方、現在の磁束量Φが小さいときには、サーボモータ１４５の回転速度を小さくする。送り軸であるボールねじ１４０の送り速度は、サーボモータ１４５の回転速度と、ボールねじ１４０のピッチ幅の積となるため、サーボモータ１４５の回転速度の変更により、送り軸の送り速度が変更される。
なお、磁束量取得手段１０２は、誘導モータ１２５の現在の磁束量Φを、誘導モータ１２５において直接取得してもよく、又は検知してもよい。あるいは、例えば、誘導モータ１２５の励磁電流量等に応じて、現在の磁束量Φを推定してもよい。ここで、推定方法の一例について、図４を参照しながら説明する。
誘導モータの磁束量Φは、磁束を作るための励磁電流（Ｉｄ）と、誘導モータの相互インダクタンスＭとの積に比例する。誘導モータの数値制御装置は、目標とする磁束量に応じて励磁電流を変化させるが、実際の磁束は、励磁電流の変化に対し、時定数τ（ｓ）の一次遅れの応答を示す。励磁電流Ｉｄ＝０かつ磁束量Φ＝０の状態から、一定の励磁電流Ｉｄを流し続けたとき、ｔ（ｓｅｃ）後の磁束量Φ（ｔ）は、図４に示すように、以下の式で推定される。
Φ（ｔ）＝Ｍ×Ｉｄ×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ（ｓ）））
実際の計算では、励磁電流Ｉｄには、励磁電流の指令値、又はフィードバック値のいずれかを使用し、制御周期毎に得られるＭ×Ｉｄに対し、時定数τの一次ローパスフィルタを適用して得られる出力を、磁束推定値として使用する。
〔第１実施形態による効果〕
第１実施形態に係る数値制御システム１０においては、誘導モータの磁束量に応じて送り速度を変更することにより、発熱の低減と重切削時の安定的な切削ができる。
具体的には、誘導モータにおける固定子コイルに励磁電流が流れることにより発熱が伴うという欠点の回避を目的として、誘導モータに対する負荷が軽く、高いトルクが必要とされない場合に、回転磁界の磁束又は励磁電流を弱める技術を用いた場合を想定する。この場合、主軸モータである誘導モータの磁束を弱めることによりトルクが小さくなった状態で、送り軸駆動用モータにより、主軸モータに対して大きな負荷が与えられる重切削（切削抵抗が大きい切削）を開始すると、切削開始時に急激な負荷変動が発生する。しかし、本実施形態においては、現在の磁束量Φが小さいときには、サーボモータ１４５の速度を小さくする制御を行っている。サーボモータ１４５の速度が小さければ、切削抵抗は比較的小さい。そのため、現在の磁束量Φが小さいときには、主軸モータに対して大きな負荷を与えることを防ぐと同時に、重切削時においても安定的な切削ができる。
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図５を参照しながら詳述する。
第２実施形態に係る制御システム２０は、第１実施形態に係る数値制御システム１０と基本的には同一の構成を備えるため、その図示を省略する。ただし、第１実施形態とは異なり、数値制御装置１００が、一定回転指令手段１０１、磁束量取得手段１０２、速度変更手段１０３に加えて、割合計算手段１０４（不図示）を更に備える。
割合計算手段１０４は、磁束量取得手段１０２によって取得された現在の磁束量Φが、誘導モータ１２５の最大磁束量Φｍａｘに占める割合を計算する。更に、割合計算手段１０４は、この計算された磁束量割合を速度変更手段１０３に送信し、速度変更手段１０３は、この磁束量割合に基づいて、サーボモータ１４５の回転速度を変更する。送り軸の送り速度は、サーボモータ１４５の回転速度と、ボールねじ１４０のピッチ幅との積となるため、回転速度の変更により、送り軸の送り速度が変更される。
図５は、第２実施形態に係る数値制御システム２０の動作を示す。
ステップＳ２１において、磁束量取得手段１０２は、アンプ１３０から、誘導モータ１２５の現在の磁束量Φを取得する。
ステップＳ２２において、割合計算手段１０４は、磁束量取得手段１０２によって取得された現在の磁束量Φが、誘導モータ１２５の最大磁束量Φｍａｘに占める割合Φ／Φｍａｘ（以下「磁束量割合Φ／Φｍａｘ」ともいう。）を計算し、この磁束量割合Φ／Φｍａｘを、速度変更手段１０３に送信する。
ステップＳ２３において、速度変更手段１０３は、割合計算手段１０４によって計算された磁束量割合Φ／Φｍａｘに応じて、サーボモータ１４５の回転速度を変更する。具体的には、現在の磁束量割合Φ／Φｍａｘが大きいときには、サーボモータ１４５の回転速度を大きくし、一方、現在の磁束量割合Φ／Φｍａｘが小さいときには、サーボモータ１４５の回転速度を小さくする。送り軸であるボールねじ１４０の送り速度は、サーボモータ１４５の回転速度と、ボールねじ１４０のピッチ幅の積となるため、回転速度の変更により、送り軸の送り速度が変更される。
〔第２実施形態による効果〕
第２実施形態に係る数値制御システム２０においても、第１実施形態に係る制御システム１０と同様に、誘導モータの磁束量に応じて送り速度を変更することにより、発熱の低減と重切削時の安定的な切削ができる。
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について、図６及び図７を参照しながら詳述する。
図６は、本発明の第３実施形態に係る数値制御システム３０の構成例を示す。なお、第１実施形態に係る数値制御システム１０と同一の構成要素については、同一の符号を用いて示し、その説明を省略する。
制御システム３０は、第１実施形態に係る制御システム１０とは異なり、数値制御装置２００を備える。
数値制御装置２００は、第１実施形態に係る数値制御装置１００とは異なり、割合計算手段１０４及び割合通知手段１０５を更に備える。割合計算手段１０４は、第２実施形態における割合計算手段１０４と同様に、磁束量取得手段１０２によって取得された現在の磁束量Φが、誘導モータ１２５の最大磁束量Φｍａｘに占める割合（磁束量割合Φ／Φｍａｘ）を計算する。また、割合計算手段１０４はこの計算された磁束量割合Φ／Φｍａｘを割合通知手段１０５に送信する。割合通知手段１０５は、割合計算手段１０４から受信した磁束量割合Φ／Φｍａｘを、速度変更手段１０３に通知する。ここで、図示はしないが、数値制御装置２００は、通常の数値制御装置と同様の構成要素及び機能を備えてもよい。
図７は、第３実施形態に係る制御システム３０の動作を示す。
ステップＳ３１において、磁束量取得手段１０２は、アンプ１３０から、誘導モータ１２５の現在の磁束量Φを取得する。
ステップＳ３２において、割合計算手段１０４は、磁束量取得手段１０２によって取得された磁束量割合Φ／Φｍａｘを計算する。
ステップＳ３３において、割合通知手段１０５は、割合計算手段１０４によって計算された磁束量割合Φ／Φｍａｘを速度変更手段１０３に通知する。
ステップＳ３４において、速度変更手段１０３は、数値制御装置２００で実行される加工プログラムから、送り速度指令値Ｆｐを取得する。
ステップＳ３５において、速度変更手段１０３は、現在の送り速度値Ｆｃを、数式Ｆｃ＝Ｆｐ×Φ／Φｍａｘを用いて決定し、この送り速度値Ｆｃに基づいて、サーボモータ１４５の回転速度を変更する。具体的には、現在の磁束量割合Φ／Φｍａｘが大きいときには、サーボモータ１４５の回転速度を大きくし、一方、現在の磁束量割合Φ／Φｍａｘが小さいときには、サーボモータ１４５の回転速度を小さくする。送り軸であるボールねじ１４０の送り速度は、サーボモータ１４５の回転速度と、ボールねじ１４０のピッチ幅の積となるため、回転速度の変更により、送り軸の送り速度が変更される。
〔第３実施形態による効果〕
第３実施形態に係る制御システム３０においても、第１実施形態に係る制御システム１０、及び第２実施形態に係る制御システム２０と同様に、誘導モータの磁束量に応じて送り速度を変更することにより、発熱の低減と重切削時の安定的な切削ができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
数値制御装置１００または数値制御装置２００による制御方法は、ソフトウェアにより実現される。ソフトウェアによって実現される場合には、このソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータ（数値制御装置１００または数値制御装置２００）にインストールされる。また、これらのプログラムは、リムーバブルメディアに記録されてユーザに配布されてもよいし、ネットワークを介してユーザのコンピュータにダウンロードされることにより配布されてもよい。更に、これらのプログラムは、ダウンロードされることなくネットワークを介したＷｅｂサービスとしてユーザのコンピュータ（数値制御装置１００または数値制御装置２００）に提供されてもよい。
１０ ２０ ３０ 数値制御システム
１００ ２００ 数値制御装置
１０２ 磁束量取得手段
１０３ 速度変更手段
１０４ 割合計算手段
１０５ 割合通知手段
１２５ 誘導モータ（主軸モータ）
１４５ サーボモータ（送り軸駆動用モータ）
１５０ 工作機械

Claims (4)

  1. 誘導モータからなる主軸モータと、送り軸駆動用モータとを備える工作機械を制御する数値制御装置であって、
    前記主軸モータの現在の磁束量を取得する磁束量取得手段と、
    最大磁束量に対する前記現在の磁束量の割合である磁束量割合に基づいて、前記送り軸駆動用モータの速度を変更する速度変更手段と、を更に備える、工作機械の数値制御装置。
  2. 前記磁束量取得手段は、前記主軸モータの現在の磁束量を推定し、推定した磁束量を現在の磁束量として取得する、請求項１に記載の数値制御装置。
  3. 前記磁束量取得手段から前記現在の磁束量を受信し、前記磁束量割合を計算する割合計算手段と、
    前記割合計算手段により計算された前記磁束量割合を、前記速度変更手段に通知する割合通知手段と、
    を更に備える、請求項１又は２に記載の数値制御装置。
  4. 前記数値制御装置が加工プログラムを実行することにより、送り速度指令値が生成され、
    前記速度変更手段は、前記送り速度指令値に前記磁束量割合を乗じることにより送り速度値を決定し、前記送り速度値に基づいて、前記送り軸駆動用モータの速度を変更する、請求項１から３のいずれかに記載の数値制御装置。
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