WO1989002618A1 - Synchronization control of spindle motor and feed motor - Google Patents

Description

明 細 書 ス ピン ドルモータ と送りモータ との同期制御方法 技術分野

本発明は工作機械における主軸の回転速度と、 該主軸とヮ ―ク との相対直線移動速度とを同期させた機棱加工を行う際 において、 これら 2つの方向の駆動を行うモータを加減速制 御する方法に関する。 従って、 例えばねじ切り作業 （タ ッ ピ ング） における工具主軸の回転速度と、 該工具主軸をワーク に対して直線移動させる場合の直線移動速度とをねじのピッ チに合致する様同期さ^るための各モータの加減速させる同 期制御方法として利用可能である。 背景技術

従来、 ねじ切り作業の様に工具主軸の回転と回転軸線方向 への直線送り とが所定の関係を有する必要のある場合にも、 主軸回転用のス ピ ン ドルモータ と主軸頭送り用の送りサ一ボ モータとは必ずしも同期して回転してはおらず、 工具の主軸 への取り付け部分にばねを設け、 工具主軸の回転速度に対す る直線送り速度のねじピ ッチに対する誤差を上記ばねによつ て吸収していた。 然しながら、 ス ピ ン ドルモータを高速回転 させた場合に、 送りサ -ボモ —タの回転を直,線運動に変換し て主軸頭を主軸の中心軸線方向へ移動させるラチュ 、ン' ト機構 等に ト ラブルを生ずるこ とがあり、 またタ プが固定されて いないのでねじの加工精度が充分ではなかつた。

そこで主軸 HI転用のス ピン ドルモータと主軸頭送り用の送 りサ―ボモータとを完全に同期させて駆動する方法が採用さ れる様になつてきた。 一般にス ピン ドルモータは減速機を使 用せず、 直接に主軸を回転駆動させるが、 送りサーボモータ は減速機を介して主軸頭を直線駆動させるので、 スピン ドル モータの主軸の回転加速性能と比較して、 上記送りサーボモ ータによる主軸頭送りの場合の加速性能は 1 0倍から 2 0倍 程も大きい。 従って、 両モータを同期させて使用する場合に は、 加速性能の低いス ピン ドルモータの加速性能に応じて、 トルク一定の条件、 即ち一定加速度又は一定減速度でタツバ 一を増速、 又は減速している。 ' - - 然しながら、 ス ピン ドル-モータ の面転速度に対する出力 ト ルク の限界を示す限舁 トルク曲線は一定直線ではな.いので、 上記定トルク条拌による同期作動では必ずしもス ピン ドルモ ータの性能を最大限に使用しておらず、 タ ッ ピング等の加工 作業の能率には改善の余地を残していた。 発明の開示

依って本究明は斯る問題点の解決を図るべく、 加工作業の 能率を最大限に向上させ、 製品の加工時間の短縮を図ること を百的とする。

上記目的に鑑みて本発明は、 工作機搣における主軸をス ピ ン ドルサーボモータ-によって回転させる回転速度と、 該主軸 とワ ー ク との相封位置を送り移動させる送りサーボモ ータに よる直線移動速度とを同期させて機搣加工を行う両モータの 同期制御方法であつて、 前記ス ピ ン ドルサーボモータの限界 トルク曲線に沿って該ス ピ ン ドルサーボモータ と前記送り サ —ボモータ とを同期駆動させる こ とを特徴とする機椟加工に おけるス ピ ン ドルサーボモータ と送り サーボモータ との同期 制御方法を提供する。

ス ピ ン ドルサーボモ ータ による主軸の回転加速性能は、 上' 記送り サーボモータによる相対直線送り の加速性能より低い が、 その限界回転加速性能曲線である限舁 トルク曲線に ¾つ てス ピ ン ドルモータを使用する と、 機棱加工が最も能率良く 行え得る。 図面の簡単な説明 - - 第 1 図は制御対象の各モ一タに対する.本発明に係る加減速 同期バタ一ンを従来のバタ一ンと比較した説明図、

第 2 図は制御対象であるス ピン ドルサーボモータを加速又 は減速する時の トルク制御のパタ ー ン図、

第 3図は制御対象である送り サーボモータを加速又は減速 する時の ト ルク制御のパタ ー ン図、

第 4図はス ピ ン ドルサ一ボモータ と送り サーボモータ とを 同期させる制御システムの構成を示す略示図である。 発明を実施するための最良の態様 - 以下本発明を添付図面に示す実施例に基いて更に詳細に説 明する 。 第 4図を参照する と、 ピ'ル ト ィ ンス ビ ン ドルサ一ボ モータ 1 2は主軸頭 1 8 に収容され、 主軸 1 0 と同心伏にね じ切り用タ ッ プ 1 4が取り付けられている。 従ってタ ップ 1 4はス ピ ン ドルサーボモータによって面転駆動させられるな —方、 主軸 1 Qは主軸頭 1 8 と兵に主軸 1 0 の中心軸線方^、 即ち Z方向に送りサーボモータ 2 2 によつて直線移動させら れ得る。 主翰頭 1 8 は Z方向に延設されたボールねじ軸 2 0 に沿って、 該ボールねじ敏 2 0 と螺合しているボ一ルナッ ト 4 2を介して滑らかに直線移動可能である。 またこのボール ねじ軸 2 Q はその一端に歯車 2 6が取り付けられており、 送 りサーボモータ 2 2の出力軸に取り付けられた他の歯車 2 8 と嚙合している。 こう して主軸 1 G は主軸頭 1 8 と共に、 送 りサ一ボモ'ータ' 2 2 の駆動力を歯車 2 と 2 6及びボールね じ軸 2 0 :等の減速作用を行う伝達機構を介して受けて Z方向 に直線移動することができる。 - 夫々 のモータ 12 , 22には夫々 の回転速度を検出する検出器 16 , 24、 例えばタコ ジェネレータ又はパルスェ ンコ一ダを取 ^付けている。 検出器 1 6によって検出された主蝕 1 0 の E 転速度 a は主軸制御装置 3 G に入力され、 該主軸制御装置 3 0 は、 後述の同期制御装置 3 6から送信される主軸 1 0 の 回転すべき速度 b の指令信号を受信して、 該指令回転速度 b と実際の回転速度 a との差に応じて所要の駆動電流を流す指 令 cをス ピン ドルサーボモータ 1 2用の電濫装置 4 4 へ送信 する。 即ち、 検出器 1 6 と主軸制御装置 3 0 とによってス ビ ン ドルサーボモータ 1 2 のサ一ボル一プ制欏を行っている 送りサーボモータ 2 2 も同様に、 検 H 2 4 と送り甩制裰 装置 3 4 とによってサ—ボル—プ制御され、 所定の回転速度 に駆動させられる。 ねじ切り作業においては所望のピッ チを 有するタ ップ 1 4を回転させると共に、 この回転数に応じた 移動速度でタ ップ 1 4をその長手方向 （ Z方向） に直線移動 させなければならない。 このためス ピ ン ドルサーボモータ 1 2 と送りサーボモータ 2 2 の夫々の回転数を同期制御させ る必要があり、 その同期制御装置を参照番号 3 6で示してい る。 この同期制御装置 3 6 の送信する回転速度指令信号 b ' を上記送り用制御装置 3 4が受信し、 ス ピン ドルサ—ボモ— タ 2 2 の回転速度を検出した検出器 2 4から送信される検出 回転速度信号 a ' を考慮して所要の駆動電流をスピ ン ドルサ ーボモニタ 2 2へ通電させるベ'く 、 送りサ一ボモータ 2 2用 0電源装置 4 6へ指令信号 c ' を送信する。 以上の主軸制御 装置 3 0 、 送り用制御装置 3 4、 そして同期制御装置 3 6 と はコ ンピュータにおけるソ フ ト ウエアプログラムによ って実 行できる周知技術である。

既述の如く送りサーボモータ 2 2 の駆動力は伝達機構 20 ·. 26 , 28を介して主軸 1 0、 即ちタ ップ 1 4を Z方向に直線移 動させるが、 ス ピ ン ドルサ一ボモータ 1 2 はタ ッ プ 1 4 を直 接的に回転駆動させる。 この様な方法でねじ切り作業をする 場合には、 Z方向の直線移動機構においては伝達機構を適切 に選定することによりタ ップ 1 4 の直線移動速度を適切に選 択できるが、 タ ップ 1 4を回転させるス ピン ドルサーボモ一 タ 1 2 の方は、， 選定すべき伝達機構が存在しないためス ピン ドルサーボモータ 1 2 の性能のみによつて作業限界が定まる 特にタ ップ 1 4に大きな加減速度を与えたねじ切り作業にお いてはスピン ドルサーボモータ 1 2 の性能によつて作業効率 が支配される。

そこで従来では第 2図に示す ¾く、 スピン ドルモータの回 転速度 N 2 に対応した工具 11転速度によつてねじ切り作業を 行う場合には、 点 P 2が トルク限界点であるため、 この トル ク限界点 P 2に対応した トルク T 1 の一定値の条件、 即ち加 速度一定の二点鎮線 1に示す条件でスピン ドルサ -ボモー タの回転速度を N 2 まで加速させ、 また減速させていた。 こ の場合のスピン ドルサーボモータの面転速度 Nの時間 t に対 す.る変化を示したものが第 1図の二点鎮線 6 0であり、 リニ ァ加速、 リ ニア減速となっている。 ¹"方、 この工具 II転速度 と同期さ ¾:た工具送り用の送りサーボモータ'の加減速ライ ン も第 1図の二点鎮線 6 0であり、 この場合の トルク Tも第 3 図に示す如く一定値 T 3であって、 二点鎮線 £ 2に示す条件 で送りサ一ボモータの面転速度を N 4まで加速させ、 また減 速させている。 この トルク一定ライ ン £ 2 は トルク限界線 L 0に対して充分な余裕を有している。

然しながら実際には、 上記ス ピン ドルサーボモータのリ 二 ァ加減速制御方法では、 該スピン ドルサ—ボモータの加减速 性能に対応する トルク限界曲線 （第 2図に実線で示す。 ） に 対しても余裕が存在する。 従って本癸明では、 スピン ドルサ ーボモータを加 速性能の上限であるこの トルク限界曲線に 沿って使用し、 これによつてねじ切り作業等の作業能率を向 上させる。 従って第 2図に示す様に、 トルク Tが一定値 T 2 の直線 L 1 と、 双曲線し 2 とに沿ってスピン ドルサ—ボモ一 タを加速又は減速する。 この場合の加減速曲線を第 1 図に一 点鎮線 5 0 で示す。 こ の曲線 5 0 は、 ス ピ ン ドルサ—ボモ ー タの回転速度 Nが N 1 ^なる時間 t 1 まで （第 2図において 点 P 1 に到るまで） は直線であり、 時間 t 1 から回転速度 N が N 2 に到る時間 t 2 まで （第 2図において点 P 1 から点 P 2 に到るまで） は放物線である。 減速の場合は第 2図の曲 線し 2を経て直線 L 1 を通るため第 1 図上では時間 t 2 に対 して対称な減速曲線となる。 時間 t 3 は減速時の点 P 1 に対 応する。

以上の様にス ピ ン ドルモータは第 2図においてライ ン L 1 と L 2にぬ ' つて駆動制御され、 常にライ'ン £ 1 より も トルク ャ'が大き く作用している。 従つ'て第 1図に示す加減速ラ イ ン 5 0 の終端までの時間 t 5 は従来のリ ニア加減速ラ イ ン 6 0 の終端までの時間 6 より も短く なる。 即ち、 作業が速く 、 能率のよいことを示す。

一方、 上記ス ピ ン ドルザーボモ ータ と同期させた送り サ— ボモ ータ の ト ルク曲線は第 2図に一点鎮線 L 3及び L 4で示 す通りである。 このライ ン L 3 は トルクが T 4の直線であり . ラ イ ン L 4 は汊曲線である。 こ のライ ン L 3 と L 4 は常に従 来のラ イ ソ ί 2 の ト ルク T 3 より も大きな ト ルク Tが作用し ており、 上述のス ピ ン ドルサ―ボモータの場合と同じ加減速 パター ン となる。 即ち、 従来のリ ニア加減速ライ ン 6 0 の終 は時間 t 6であるが、 本発明の場合の加減速ラ イ ン 5 0 © 終端は t 5 であって時間 t 6 より も短い。 なお第 3図から分 かる様に、 送りサーボモータの加減速では トルク限界線 L 0 に対してまだ余裕がある。

以上の実施例ではス ピ ン ドルサーボモータ の回転速度が N 2 となり、 かつ送りサ一ボモ一タの回転速度が N 4 となつ た後、 すぐに減速させているが、 これら最高回転速度 N 2 と N 4 の各回転祅態を所望時間傑持してタ ッ ビング作業し、 そ の後に滹速してもよい。 この様な面転速度の同期制御方法の 場合も、 前記実施例の場合と同様に作業時間が短く なること は明白である。

また、 第 2図と第 3図に示す各 トルク限界曲線は、 本シス テムの制御装置を構成するコ ンピュータ内の記憶領域に記憶 させておく ことにより、 その ト ルク限界曲線に沿ってス ピ ン ドルサーボモータ 1 2を制御することはソフ トウエアプログ ラムにより実行できる。 ' 以上の説明から明らかな様に本発明によれば、 工具 （主軸） を HI転させるスピ ン ドルサ一ボモータと送りサーボモータ と を常に同期させて面転駆動させているので、 加速又は減速中 においてもねじ切り作業を行う ことができ、 またス ピン ドル サーボモータ の加減速性能を最大 1 度に利用しているため作 業能率が最大となる。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 工作機械における主軸をスピン ドルサーボモータによ つて回転させる回転速度と、 該主軸とワーク との相対位置を 送り移動させる送りサーボモータによる直線移動速度とを同 期させて機械加工を行う両モ ータ の同期制御方法であって、 前記ス ピ ン ドルサーボモータの限界 トルク曲線に沿つて該ス ピン ドルサーボモータ と前記送りサーボモータ とを同期駆動 させることを特徴とする機械加工におけるス ピ ン ドルサ一ボ モータ と送りサーボモータ との同期制御方法。

2. 前記送りサーボモ.ータが前記主軸耷支持した主軸頭を 駆動して成る請求の範囲第 1項記載の機械加工におけるス ピ ン ドルサーボモータと送りサーボモータとの同期制御方法。

3. 前記機械加工がねじ切り作業である請求の範囲第 1項 記載の機械加工におけるス ピ ン ドルサーボモータと送りサ— ボモ― タ との同期制御方法。

4. 前記機械加工がねじ切り作業である請求の範囲第 2項 記載の機械加工におけるス ピ ン ドルサーボモータ と送りサ— ボモータとの同期制御方法。