JPS63124790A - 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、加減速特性を改善した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
る穴明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
にタップを直接装着した後、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プの先端を近
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プ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
転させてタップを抜き去るものである。

次にこのようなタッピング動作の原理について説明する
。

タッピング加工を行なう際、第３図に示すように、テー
ブルｌ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を引き下す速度すなわ
ちＺ軸方向の送り速度をｆｙｌ　［ｍｍ／ｍ　ｉ　ｎｌ
　、主軸の回転速度すなわちタップ３の回転速度をＮｓ
　［ｒｐｍｌ　、ねじ４のピッチをＰとすれば、これら
の間に、 ｆ　ｍ＝Ｎ　ｓ　ＩＩＰ　　　　　　　　　＝　（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込み、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、本発明においては、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［Ｎ＝　（ｄ　ｔ／Ｐ）］　、かつ全切削長
文を下式により算出する。

πＸｄＸＮ＝交（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ＶＣというものが決められてお
り、ちなみに通常の１１−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ー７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　＝　ｌ　／　Ｖ　ｃ　　　　　　　　　　・・・（
３）この（３）式の見に（２）式を代入し、Ｎ／Ｔ＝Ｎ
ｓのＴに（３）式を代入して、下式によりＮＳを得る。

Ｎ５＝（ｖＣ／πｄ）　　　　　・・・（４）このよう
にしてタップの回転速度Ｎｓを得た後、（１）式により
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４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
係付けるためのスピンドル制御装置のブロック図である
０図において、交流スピンドルモータ１３の出力軸１４
は、連結装置１１を介して、タップ３を先端上取付けた
主軸ｌＯと連結されており、タップ３の位置は、ポジシ
ョンコーダ１２により検出される。また、テーブルｌ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１１８は。

接点をａ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ｂ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。

一方、ＮＣ制御装置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コー
ダ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。

このような従来のスピンドル制御装置においては、デジ
タル値で与えられるＣＰＵ等からの指令信号と、モータ
負荷の位置信号との偏差信号を位置レジスタに保持して
スピンドル及びＺ軸モータの駆動信号を形成し、この駆
動信号をモータ負荷の移動に合わせて常時調整すること
により、スピンドルとＺ軸との同期制御を行なっている
。

（発明が解決しようとする問題点） このように、従来のスピンドル制御装置においては、モ
ータ負荷の位置信号をパルスエンコーダにより検出して
フィードバックし、ＣＰＵの偏差カウンタによりパルス
をカウントして、累積カウンタの内容が零になるように
直線状加減速の特性でスピンドルモータを制御している
。このような従来回路においては、第５図のスピンドル
モータの加減速特性図において、時刻ｔ２−ｔ５間の定
速状態時に外乱等の影響により、ａ部のように減算され
ないでパルスが残存する場合があり、この残存パルスは
、時刻１．−１４間の減速制御時に減算され、ｂ部のよ
うに減速特性が変化する。このような減速特性の変化に
より、リジットタッピングの精度が悪くなるという問題
があった。

そこで、本発明はこのような従来技術の問題点の解消を
目的として、加減速特性を改善したスピンドル制御装置
を提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明のスピンドル制御装置は、サーボドライバにより
制御されるスピンドルモータと、スピンドルとねじ切り
される被加工物との相対的な位置を変更するＺ軸モータ
とを同時２軸制御するＣＮＣ装置を具備するスピンドル
制御装置において、スピンドルモータの直線状加速、定
速運転、直線状減速の速度パターンを、定速運転から直
線状減速への切替時点でスピンドルの位置偏差分の補正
を行なう特性で形成する速度パターン形成手段、該速度
パターン形成手段により形成された速度パターンを１ブ
ロツク分の命令として記憶する記憶手段、該記憶手段に
記憶された速度パターンを読出しサーボドライバに出力
する制御手段とを有することを特徴とするものである。

（作用） 本発明のスピンドル制御装置は、スピンドルを直線状に
加減速するものにおいて、定常運転から直線状の減速に
特性を切替える時点で、スピンドルの位置偏差分の補正
を行なうように、予めパターン化した命令を１ブロツク
の命令としてＣＰＵに設定するので、精度の良いリジッ
トタッピング処理が行なえる。

（実施例） 以下、図により本発明の実施例について説明する０本発
明によるリジットタッピング処理は１次のような手順で
行なうことを基本としている。

（１）マシニングセンタにおいて、主軸オリエンテーシ
ョン動作を行ない、その際にオーバシュートがなく、オ
リエンテーション動作ができる最高回転数（Ｎ　ｏ　ｍ
　ａ　ｘ）を求める。

（２）最高回転数を所定の定数で除算した値を、その主
軸でとれる最高のポジションゲインとして求める０例え
ば、Ｎ　ｏ　ｍ　ａ　ｘを１６５Ｏｒｐｍ、定数を５５
とすると、ポジションゲインは、１６５０÷５５＝３０
　（１／５ｅｅ）となる。

（３）Ｚ軸のポジションゲインを、主軸のポジションゲ
インと同じ値に設定する。

（４）主軸とＺ軸の時定数を決定するために、使用する
最高回転数から主軸のイナーシャをもって加速減速でき
る最短の時間を計算する。この例では、Ｔａｃｕｉ＝１
１３ｍ５ｅｃとすると、この値にマージンをとって実際
の時定数としてＴａ＝１５０ｍｓｅｃを設定する。

（５）サーボモータをこの時定数により加減速運転する
。

第１図（ａ）は、本発明が適用されるスピンドル制御装
置の概略のブロック図である０本発明においては、ＣＮ
Ｃ装置によりスピンドルとＺ軸の同時２軸制御を行なう
ものであるが、第１図（ａ）によりその制御の概略につ
いて説明する。

なお、説明の便宜のため、Ｘ軸とＹ軸の２軸制御につい
て説明するが、これは、本発明のスピンドルとＺ軸とに
対応させることができる。第１図（ａ）に示したＣＮＣ
同時２軸制御装置は、Ｘ軸及びＹ軸の２軸サ一ボモータ
Ｍについての位置パラメータ及び速度パラメータを設定
するホストコンピュータＡと、位置決め制御アルゴリズ
ム（ａ）及び偏差カウンタアルゴリズム（ｂ）が設定さ
れるＣＰＵＢと、サーボアンプ、パルス幅変ｙＪ（ＰＷ
Ｍ）部、ドライバからなるサーボドライバブロックＣを
主要な構成要素としている０次に、このブロック図の動
作について説明する。ホストコンピュータＡは、Ｘ軸、
Ｙ軸各負荷の移動量を設定し、ＣＰＵＢでは、位置決め
制御アルゴリズムでＸ軸、Ｙ軸それぞれについて速度パ
ターンに分解する。速度パターンに分解されたパルスの
重み関数は、サイクルタイムＴｓｅｃ毎にパラレル（ま
たはシリアル）に偏差カウンタに送られ、パルスエンコ
ーダ出力が入力される移動量カウンタの内容と比較され
、偏差カウンタ出力を形成する。この偏差カウンタ出力
はサーボドライバブロックＣに送出され、ＴＳｅＣ毎に
サーボ側ではカウンタ内容に従った、即ち、設定された
速度（加減速）パターンに従った動作を繰返し、目標値
に達した時点で作動を停止する。

なお、図においてＤＡはデジタル信号をアナログ値に変
換するＤＡ変換器、ＣＴはサーボモータの電流を検出す
る変流器で、検出した電流により電流制御のマイナール
ープを構成する。ＴＧは速度検出器、ＰＣはパルスエン
コーダで、それぞれ速度信号と位Ｒ信号とを検出する。

第１図（ｂ）は、本発明によるスピンドル制御装置の要
部を示すブロック図である。第１図（ａ）のブロック図
とは、ＣＰＵＢの構成が異なっているが、その他の構成
は第１図（ＩＬ）と同様なので詳細な説明は省略する０
本発明においては、ＣＰＵＢにパターンメモリ（Ｃ１）
〜（Ｃ２）を設け、ソフトウェアスイッチ５１〜Ｓ４に
より、偏差カウンタ（ｂ）とパターンメモリ（ＣＩ）〜
（Ｃ２）とを、位置決め制御アルゴリズム（ａ）と切替
え接続できるように構成している。

スピンドルモータに対応するこのパターンメモリ（Ｃ）
には、後述するように第２図に示すような直線状加減速
特性の命令が記憶される。

第２図は、本発明によるスピンドルモータの加減速特性
を示す特性図である０図に示すように、時刻ｔ１とｔ２
の間では直線加速を行ない、時刻ｔ２とｔ４の間では定
速運転、時刻ｔ４とｔ５の間では直線減速を行なうが、
本発明においては、フィードバック信号による位置偏差
の誤差分は、従来のように減速時に補正するのではなく
、定常運転から減速運転に切換える最後の部分である時
刻ｔ３において補正を行ない、時刻ｔ１とＥ２間の斜線
の面積Ａと、時刻ｔ３とｔ５の間の斜線の部分Ｂの面積
が等しくなるように予めパターン化してｌブロックの命
令としてパターンメモリに収納しておくものである。そ
して、リジットタッピング加工時には、スイッチをパタ
ーンメモリ側に切替えて、予め収納されているパターン
命令を読出し、これによって第２図のような直線状加減
速の特性でスピンドルモータを制御する。

以上、この発明をある程度詳細にその最も好ましい実施
態様について説明したが、その好ましい実施態様の説明
は、構成の詳細な部分についての変形、特許請求の範囲
に記載された本発明の精神に反しない限りでの種々な変
形、あるいはそれらを組み合わせたものに変更できるこ
とは明らかである。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、ＣＮＣ装置により
スピンドルモータを直線状の特性で加減速制御する際に
、定常運転時に生ずる位置偏差分の補正を、定常運転か
ら減速運転に切替る最後の時点で行なうように予めパタ
ーン化した特性を１ブロツクの命令としてＣＰＵに設定
しておくので、リジットタッピングの精度を良好に保つ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の基本的構成を示すブロック図、
第１図（ｂ）は本発明の要部を示すブロック図、第２図
は本発明の特性図、第３図はリジットタップの説明図、
第４図はスピンドル制御装置の一例を示すブロック図、
第５図は従来例の特性図である。 １・・・テーブル、３・・・タップ、１０・・・主軸、
１３・・・交流スピンドルモータ、１６・・・ＮＧ装置
、２２・・・テーブル駆動用交流モータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. サーボドライバにより制御されるスピンドルモータと、
   スピンドルとねじ切りされる被加工物との相対的位置を
   変更するＺ軸モータとを同時２軸制御するＣＮＣ装置を
   具備するスピンドル制御装置において、スピンドルモー
   タの直線状加速、定速運転、直線状減速の速度パターン
   を、定速運転から直線状減速への切替時点でスピンドル
   の位置偏差分の補正を行なう特性で形成する速度パター
   ン形成手段、該速度パターン形成手段により形成された
   速度パターンを１ブロック分の命令として記憶する記憶
   手段、該記憶手段に記憶された速度パターンを読出しサ
   ーボドライバに出力する制御手段とを有することを特徴
   とするスピンドル制御装置。