JPS62228323A - スピンドル制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、数種の機械加工を自動的に行なうことができ
るマシニングセンタの工具交換機構における、タッピン
グ動作を制御するスピンドル制御装置に関する。

（従来の技術） 輪郭制御によるフライス削り、各種の固定サイクルによ
る穴開けやタッピングなどができるマシニングセンタが
開発され、多くの工場で使用されるようになった。この
マシニングセンタによるタッピング動作は、スピンドル
にタッパを装着した後、Ｚ軸の送りモータを動作させて
被切削材にあけられた穴の入口にタッパの先端を近づけ
、スピンドルを回転させながら、Ｚ軸の送りモータを引
続いて動作させてタッパを穴の中に切り込ませて穴の内
面にねじを切る。所定長だけねじ切りしたところでスピ
ンドルを逆回転させるとともにＺ軸の送りモータを逆回
転させてタッパを抜き去る。

ところで、従来のマシニングセンタによるタンピング動
作は、スピンドルモータとＺ軸の送りモータとを関連付
けて制御しておらず、たとえばスピンドルの回転数に応
じてＺ軸の送りモータの回転数を決めるというように各
々独立して速度制御していた。このため、（１）Ｚ軸の
送すモータ停止後スピンドルモータが減速停止するまで
タッパのねじ切りが続けられてタッパが伸びる。

（２）実際のスピンドルモータの回転数が設定回転数と
誤差分があるために突込み時に伸び、引上げ時に縮む。

（３）スピンドルモータが、減速または停止中にＺ軸の
送りモータが逆転してタッパを逆方向に引張り、タッパ
が伸びる。（４）スピンドルモータが逆転加速中にＺ軸
の送りモータが逆転していて夕７パを逆方向に引張るこ
とによりタッパが伸びる、という不都合が生じる場合が
あって、ネジ山をいためたりネジの寸法精度を悪くする
原因になっていた。また、タッパに無理な力が加わるた
め、高価なタッパを被損させるような不都合も生じてい
た。

このため、次のようにタッピング動作を行なう制御装置
が開発されている。即ち、タッピング加工を行なう際、
第６図に示すように、テーブル１がタッピング動作時に
被切削材２を押し上げ、また切削が終了したとき被切削
材２を引き下す速度すわなちＺ軸方向の送り速度をｆｍ
［ｍｍ／ｍｉｎ］、主軸の回転速度すなわちタップ３の
回転速度をＮｓ［ｒｐｍ］、ねじ４のピッチをＰとすれ
ば、これらの間に、 ｆ　ｍ　＝　Ｎ　ｓ　１１Ｆ　　　　　　　　　　　−
（１）という関係が常に得られれば、タップ３は伸び縮
みせずに穴５の中にねじを切りながら押し進み、タップ
３が逆転したときにも同様に伸び縮みせずに引き抜かれ
るわけである。そこで、タッピング動作を行なうに当り
、まずタップの深さｄｔとピッチＰからタップ３が切削
を開始してから終了するまでの回転回数Ｎを割り出しく
　Ｎ　＝　ｄｔ　）、かつ全切削長文を下式により算出
する。

πＸ　ｄＸＮ＝文（ｄ：タップ直径）　・・・（２）一
方、タッピング加工時、タップの回転速度Ｎｓはいくら
でも上げられるというものではなく、タップの硬さや被
切削材の材質により切削速度Ｖｅというものが決められ
ており、ちなみに通常の止め穴のタッピング時の切削速
度は８ｍ／ｍｉｎ以下、軽金属の被切削材でタップが超
硬の場合の切削速度は２５ｍ／ｍｉｎ以下である。そし
て、この切削速度により切削時間Ｔを下記（３）式より
得る。

Ｔ＝ｆＬ／Ｖｅ　　　　　　　　　　　　　−（３）こ
の（３）式の見に（２）式を代入し、Ｎ／Ｔ＝ＮｓのＴ
に（３）式を代入して、下式によりＮＳを得る。

Ｎｓ＝二■−−（４） Ｌ・ｄ このようにして、タップの回転速度Ｎｓを得た後、（１
）式よりＺ軸方向の送り速度ｆｍを回転速度Ｎｓに同期
せしめてタッピング動作を行なうものである。

第７図は、このようなタッピング動作を行なう制御装置
のブロック図である０図において、ＮＣ制御装ｆｉａは
、スピンドルモータｄの速度指令電圧発生回路すと、テ
ープ１し駆動モータにの演算回路りに指令信号を出力す
る。切換装置ｍの接点が■側に接続されている時には、
スピンドルモータに対して速度制御モードが設定され、
速度制御ユニットは、速度指令電圧発生回路すからの信
号と速度発電機ｅからの信号により偏差信号を形成し、
所定速度でスピンドルモータｄを駆動する。

また、切換袋ａｍの接点が■側に接続されると、スピン
ドルモータに対して位置制御モードが設定され、レゾル
バｆの信号が入力される定位置停止制御回路ｇからの信
号により、スピンドルモータｄには所定の位置制御が行
なわれる。このとき、レゾルバの信号は演算回路りにフ
ィードバックされ、テーブル駆動モータｋに対してもス
ピンドルモータと同期した位置制御信号が形成され、テ
ーブル駆動モータには、パルスコーダ立の信号がフィー
ドバックされる位置制御装置ｉ、速度制御ユニットｊに
より、前記したような所定の同期制御が行なわれる。

（発明が解決しようとする問題点） このような従来の制御装置は、サーボ制御系がアナログ
装置により構成され、スピンドルモータに対して弱め界
磁制御を行なっていたので、速度指令電圧に対する立上
り、立下りの応答遅れが生じ、精密なタップ加工ができ
ないという問題があった。また、テーブル駆動モータは
、スピンドルモータに設けられたレゾルバの信号がフィ
ードバックされ、スピンドルモータと同期制御されてい
たため、フィードバック系の信号伝達遅れが生じ、スピ
ンドルモータと正確に同期制御できず、精度良くタップ
加工が行なえないという問題があった。そこで、本発明
はサーボ系をデジタル化すると共に、スピンドルモータ
とテーブル駆動モータに対してフィードフォワード制御
を行なうことにより前記した従来技術の問題点を解消し
た、スピンドル制御装置の提供を目的とするものである
。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、スピンドルを駆動する第１の交流モータと、
被加工物を載置するテーブルをＺ軸（上下軸）方向に駆
動する第２の交流モータと、デジタルスピンドルアンプ
と、Ｚ軸サーボアンプと、ランプ関数発生器とを具備し
、デジタルスピンドルアンプには、スピンドルに取付け
たポジションコータからの位置信号と外部指令信号とを
入力して、第１の交流モータをベクトル制御するものに
おいて、スピンドルとテーブルの加速制御時に、ランプ
関数発生器からの所定の時定数を有するランプ関数をデ
ジタルスピンドルアンプとＺ軸サーボアンプに供給する
ことにより、スピンドルとテーブルの同期送りをフィー
ドフォワードで制御するスピンドル制御装置を提供する
ことにより、前記した従来技術の問題点を解消するもの
である。

（作用） 本発明は、交流スピンドルモータをデジタルスピンドル
アンプによりベクトル制御している。このため、非線形
制御が可能となり、指令信号に対する応答遅れも少なく
なり、制御性能が向上する。また、スピンドルと被加工
物蔵置テーブルの加速制御時には、ランプ関数によりス
ピンドル及びテーブルの同期送りをフィードフォワード
制御で行なっているので、切削負荷変動が生じても、正
確な同期送りが可能となり、加工精度が高められる。

（実施例） 以下、図により本発明の実施例について説明する。

第１図は、タッピング動作を行なうにあたり、Ｚ軸方向
の送り速度ｆｍと回転速度Ｎｓを上記（１）式により関
係付けるための本発明のスピンドル制御装置のブロック
図である０図におし１て、交流スピンドルモータ１３の
出力軸１４は、連結袋２ｔ１１を介して、タップ３を先
端に取付けた主軸１０と連結されており、タップ３の位
置は、ポジションコータ１２により検出される。また、
テーブル１は、テーブル駆動用交流モータ２２と連結さ
れ、送り速度ｆｍでＺ軸方向に駆動される。

ＮＣ制御装置１６は、交流スピンドルモータに対する速
度指令信号と、後述するような交流スピンドルモータ及
びテーブル駆動用モータ２２に対する同期指令信号を出
力する。切換装置１８は、接点を■側に接続すると、交
流スピンドルモータに対して位置制御モードを設定し、
接点を■側に接続すると速度制御モードを設定する。ス
ピンドルサーボ回路はデジタル回路で構成され、交流ス
ピンドルモータをベクトル制御する。テーブル駆動用交
流モータ２２に取付けられたパルスコーダ２３の信号は
、Ｚ軸位置制御回路２０及びＺ軸サーボ回路２１にフィ
ードバックされる。

次に、この制御装置の動作について説明する。

切換装ｆｉ１８の接点を■側に接続してスピンドル位置
制御モードに設定すると、紙テープ１５によるプログラ
ムでＮＣ装置１６が動作して位置制御指令をスピンドル
位置制御回路１７に送出する。

スピンドル位置制御回路１７には、主軸１０の位置を検
出するポジションコータ１２の検出信号が入力され、両
者の偏差信号がスピンドルサーボ回路１９に与えられる
。交流スピンドルモータ１３は、スピンドルサーボ回路
１９からの出力信号によりデジタル制御される。一方、
Ｎ　ＣｉｖＩ　ｇｉ装置１６からの出力信号は、Ｚ軸位
置制御回路２０に送入され・Ｚ軸位置制御回路２０は、
テーブル駆動用交流モータ２２の位置を検出するパルス
発生器２３からの出力信号と、ＮＣ制御装置１６からの
指令信号とを比較して、誤差信号をＺ軸サーボ回路２１
に印加する。テーブル駆動用交流モータ２２は、Ｚ軸サ
ーボ回路２１からの出力信号によりデジタル制御される
。

なお・交流スピンドルモータとテーブル駆動用交流モー
タは、デジタル化されたサーボ回路により、ベクトル制
御されるので、精度の良い制御が行なえる。

次に、交流スピンドルモータを、スピンドルサーボ回路
によりデジタル制御する際の特性について説明する。簡
単のため、第２図のような制御回路により、交流スピン
ドルモータＭｌを制御するものとする。図において、パ
ワー回路Ａは三相交流電源に接続され、交流スピンドル
モータＭ１を制御する。交流スピンドルモータＭ１の位
置信号は、パルス発生器ＰＧにより検出されてデジタル
制御回路Ｂに入力される。また、モータ電流はＣＴによ
り検出されて該制御回路に入力され、制御回路は、制御
信号と、モータの位置信号及び電流値により所定の指令
信号を形成し、パワー回路を駆動してモータをデジタル
制御する。このようなデジタルスピンドルアンプを用い
た応答特性は、第３図のように示される。即ち、ステッ
プ状の速度指令に対して、従来形のアンプ（ロ）は、破
線のような特性であり、実線で示したデジタルスピンド
ルアンプ（イ）を用いた場合に比較して、指令信号に対
する応答特性は、立上り、立下りとも遅れている。即ち
１時刻計１で速度指令信号が与えられると、（イ）は時
刻ｔ２で一定速度に達するか、（ロ）は時刻ｔ５で定速
となり、また、時刻ｔ５で速度指令信号がＯになると、
（イ）は時刻ｔ５で、（ロ）は時刻計６で速度が０にな
っている。

このように、本発明においては、デジタルスピンドルア
ンプを用いることにより、非線形制御が可能となり、制
御特性を大幅に改善できるものである・ 次に、第４図、第５図の特性図により、交流スピンドル
モータとテーブル送り用交流モータとの同期制御につい
て説明する０本発明においては、ＮＣ装置１６に内蔵さ
れたランプ関数発生器から、第４図（ａ）、（ｂ）に示
すようなランプ関数の指令信号を交流スピンドルモータ
およびテーブル駆動用交流モータの制御装置に与えて、
スピンドル軸とテーブルのＺ軸を直線または指数関数で
加速する。即ち、加速時には、ポジションコータからの
位置信号によるフィードバックの重みを少なくし、オー
プンルーズに近い状態で、フィードフォワードによる制
御を行なうものである。このとき、ランプ関数は時定数
を変えて破線のような特性とすることもできる。このよ
うなフィードフォワード制御を行なうことにより、切削
負荷変動が生じた場合でも、精度良くター、プ加工が行
なえる。通常の切削加工時には、スピンドルはポジショ
ンコータからの位置信号をフィードバックして制御され
る。

なお、スピンドルのイナーシャが大きい場合には、第５
図（ａ）に示すように、指令信号に対して二次遅れが生
じてＺ軸指令との同期が取れなくなるの−で、同図（ｂ
）に示すように、２軸指令信号をスピンドル軸指令信号
よりも時間ｔａだけずらして与えることにより、スピン
ドル軸の二次遅れによる影響を平均化して、同期制御の
精度を向上させる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、デジタルスピ
ンドルアンプにより、交流スピンドルモータをベクトル
制御しているので、従来達成できなかった非線形制御が
可能となり、指令信号に対する応答性が改善され、制御
性能が向上する。

また、交流スピンドルモータおよびテーブル駆動用交流
モータに対して、加速時にランプ関数によるフィードフ
ォワード制御を行なうので、スピンドル軸とＺ軸との同
期制御が正確に行なえ、タップ加工が精度良く行なえる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のブロック図、第２図は回路図、第３図
〜第５図は特性図、第６図は説明図、第７図は従来例の
ブロック図である。 １・・・テーブル、３・・・タップ、１０・・・主軸、
１２・・・ポジションコータ、１３・・・交流スピンド
ルモータ、１６・・・ＮＣ装置、１８・・・スピンドル
サーボ回路、２１・・・Ｚ軸サーボ回路、２２・・・テ
ーブル駆動用交流モータ。 特許出願人　　ファナック株式会社 代　理　人　　弁理士　辻　　　實 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. スピンドルを駆動する第１の交流モータと、被加工物を
   載置するテーブルをＺ軸（上下軸）方向に駆動する第２
   の交流モータと、デジタルスピンドルアンプと、Ｚ軸サ
   ーボアンプと、ランプ関数発生器とを具備し、デジタル
   スピンドルアンプには、スピンドルに取付けたポジショ
   ンコータからの位置信号と外部指令信号とを入力して、
   第１の交流モータをベクトル制御するものにおいて、ス
   ピンドルとテーブルの加速制御時に、ランプ関数発生器
   からの所定の時定数を有するランプ関数をデジタルスピ
   ンドルアンプとＺ軸サーボアンプに供給することにより
   、スピンドルとテーブルの同期送りをフィードフォワー
   ドで制御することを特徴とするスピンドル制御装置。