JPS63103686A - スピンドル制御方法 - 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、加速、減速の動作時間を短縮した、スピンド
ル制御方法に関する。

（従来技術） 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
タを逆回転さ也てタップを抜き去り、いわゆるリジット
タッピングが行なわれるものである。

タッピング加工を行なう際には、第２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ｆ　ｍ　［ｍｍ／ｍ　Ｅ　
ｎｌ　、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、ｔ　　ｍ　　＝　　Ｎ　　ｓ　　１１　ｐ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　−（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。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
＝　（ｄｔ／Ｐ）］　、かつ全切削長立を下式により算
出する。

πＸｄＸＮ＝又（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＝文／　Ｖ　ｅ　　　　　　　　　　　　・・・（３
）、この（３）式の文に（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。

Ｎｓ＝　［Ｖｅ／　（π・ｄ）］　　　　　−（４）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３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を先端に
取付けた主軸（スピンドル）１０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１は、テーブル駆動用交流モータ２
２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ｖｃ統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。

切換装置１８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２１６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ダ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、
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２
１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。

（発明が解決しようとする問題点） このようなタッピング加工において、スピンドルモータ
のトルク−回転数特性は第４図に示されるような特性と
なっている。図において横軸には回転数Ｎを、縦軸には
トルクＴをとっており、Ｎｂは最大トルクＴｍが得られ
る回転数である。

タッピング加工においては、スピンドルにはイナーシャ
が付加されているので、Ｚ軸よりも動作が遅いため、加
速を最大限のパワーにより制御し、減速時の急速停止を
行なうために、第５図のような加速、減速特性をＮＣ制
御装置より速度指令としてスピンドルサーボ回路に与え
ている。ここで、最大トルクＴｍが得られる回転数Ｎｂ
までの加速期間である時間Ｏからｔｌまでは直線的に加
速し、以後最大回転数までの増速は指数関数の特性によ
り行なう、減速時には、最大回転数から回転数Ｎｂまで
は指数関数の特性で減速し、回転数Ｎｂが得られた時間
ｔ２から回転数零までの時間ｔ５までの間は直線的に速
度を減少させている。

ところで、第１図（ａ）のような加減速の特性でスピン
ドルモータとＺ軸モータとを関連して制御する際に、時
刻ｔ。で加速を開始して最大回転数Ｎｍまで増速し、時
刻ｔｃで減速を開始して時刻ｔｅで回転数零になるよう
に、第５図の特性でスピンドルモータを駆動すると、斜
線部の部分ＡとＢとが一致せず、スピンドルモータとＺ
軸モータとの同期制御が行なえな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、スピンドルモータとＺ軸モータとの同期を
とりつつ、スピンドルモータを最大限のパワーで加速す
るスピンドル制御方法を提供するものである。

（問題点を解消するための手段） 本発明のスピンドル制御方法は、数値制御装置から指令
される速度信号により駆動されるスピンドルモータと、
被加工物が載置されたテーブルを駆動するＺ軸モータと
を具備し、双方のモータを同期合せして駆動するスピン
ドル制御方法において、スピンドルモータは、最大トル
クが得られる回転数（Ｎ　ｂ）と速度零との間の加速減
速は直線状の特性で制御し、前記回転数Ｎトと最大回転
数との間の加速減速は指数関数状の特性で制御すると共
に、双方のモータの加速開始時点を遅らせることにより
同期合せを行なうことを特徴とするものである。

（作用） 本発明は、スピンドルモータとＺ軸モータとを同期して
制御する際に、スピンドルモータは最大トルクが得られ
る回転数（Ｎト）と速度零との間は直線状の特性で、ま
た回転数Ｎドと最大回転数との間は指数関数状の特性で
加速減速を行ない、スピンドルモータとＺ軸モータとの
加速開始時点を遅らせているので、双方モータの同期合
せを行ないつつ、スピンドルモータは最大パワーで加速
でき、動作時間を短縮できる。

（実施例） 以下、図により本発明の実施例について説明する。最初
に、本発明において用いられるＣＮＣ二軸同時制御装置
の概要について説明する。第３図は、このような制御装
置の概略のブロック図である。

この制御システムは、Ｘ軸及びＹ軸の二輪サーボモータ
Ｍについての位置パラメータ及び速度パラメ、−夕を設
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、パルス幅変調（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、このシステムの動作
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置信号とを検出する。

本発明によるリジットタッピング処理は、第４図に示さ
れたようなＣＮＣ二軸同時制御装置を用いて、主軸（ス
ピンドル）及び二軸の二軸制御を行なうものであり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（Ｎｏ　ｗａ
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、Ｎｏ　ｗａｘを１６５Ｏｒｐｍ、定数を５５とする
と、ポジションゲインは、１６５０÷５５＝３０　（１
／５ｅｃ）となる。

（３）二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）主軸と二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、Ｔ　ａｃｔ４　
＝　１１３ｒａｓｅｃ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＝１５０　ｔａｓｅｃ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
。

本発明においては、上記のようにして設定された特性に
よりスピンドルモータを制御するものであり、第１図（
ａ）において、スピンドルモータと二軸駆動用モータの
起動時間を従来のｔａからｔｂに遅らせておき、斜線Ａ
（ｔａからｔｄまでの時間と回転数ＯからＮｍまでに囲
まれた部分）とＢの面積が等しくなるように制御する。

即ち、スピンドルモータの回転数ＯからＮｂまでの加速
は、時刻ｔｂからｔｃまでの間、直線状に上昇させ、回
転数Ｎｂから最大回転数Ｎｍまでの時刻ｔＣからｔｄま
での間は指数関数状に増速し、減速時には、最大回転数
Ｎｍから回転数Ｎｂまでの時刻ｔｅとｔｆとの間では、
指数関数状の特性で制御する。また１回転数Ｎｂから回
転数本までの時刻ｔｆとｔｇとの間では、直線状の特性
で制御する。

なお、タッピング加工時のスピンドルモータの加減速制
御は、第１図（ｂ）の特性で、実線のように表わされ、
応答性が破線のようになる他の通常の加工時の応答より
も速くなるので、励磁の遅れが生じないように、外部信
号により予め励磁が強められるように特性が設定、され
ている。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明の
精神から逸れないかぎりで、種々の異なる実施例は容易
に構成できるから、本発明は前記特許請求の範囲におい
て記載した限定以外、特定の実施例に制約されるもので
はない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、スピンドルモー
タと二軸モータとの加速開始時点とを遅らせて加速する
と共に、スピンドルモータの加速、減速特性を、一定速
度までの直線状特性と指数関数状の特性を併用している
ので、スピンドルモータと二軸モータとの同期をとりつ
つ、スピンドルモータを最大限のパワーで加速させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（＆）、（ｂ）は本発明の特性図、第２図はタッ
ピング加工の説明図、第３図は回路図、第４図、第５図
はスピンドルモータの特性図、第６図はＣＮＣ同時二軸
制御装置の概略ブロック図である。 １・・・テーブル、２・・・被加工物、３・・・タップ
、４・・・ねじ、１０・・・主軸、１３・・・スピンド
ルモータ、２２・・・テーブル駆動用モータ。 特許出願人　　ファナック株式会社 代　　理　　人　　　弁理士　　辻　　　　　實第１図
（ｂ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 数値制御（ＮＣ）装置から指令される速度信号により駆
   動されるスピンドルモータと、被加工物が載置されたテ
   ーブルを駆動するＺ軸モータとを具備し、双方のモータ
   を同期合せして駆動するスピンドル制御方法において、
   スピンドルモータは、最大トルクが得られる回転数（Ｎ
   ｂ）と速度零との間の加速減速は直線状の特性で制御し
   、前記回転数Ｎｂと最大回転数との間の加速減速は指数
   関数状の特性で制御すると共に、双方のモータの加速開
   始時点を遅らせることにより同期合せを行なうことを特
   徴とするスピンドル制御方法。