JPH04340105A - 数値制御装置 - 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、工作機械の主軸モータを制御する数値制御装
置に関する。

（従来の技術） 最近の工作機械では数値制御装置により主軸モータの回
転角度や回転数を制御することが可能となり、複合加工
旋盤におけるＣ軸制御、２スピンドル旋盤における主軸
の同期回転制御及びマシニングセンタ等における同期タ
ップ機能の制御等が普及しつつある。

ところが、工作機械は一般に、加工するワークサイズ、
使用チャック、使用工具等によって主軸モータの負荷イ
ナーシャが大きく変化するため、その補正を行いながら
運転する必要がある。そのため、従来の数値制御装置は
、最大負荷イナーシャ時を想定して設定された主軸モー
タの制御用サーボパラメータや加工プログラムにより与
えられたデータを元に、主軸モータの負荷イナーシャの
補正量を算出しながら工作機械の数値制御を行っている
。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来の数値制御装置において、最大負荷イナー
シャを想定してサーボパラメータを設定する場合には、
軽負荷イナーシャに対応した主軸モータの制御が行えな
いので、加工誤差が大きくなったりモータの加減速時間
が長くなるという問題があった。また、加工プログラム
データから負荷イナーシャを計算する場合には、オペレ
ータによるデータ入力ミスのために誤ったイナーシャを
算出したり、複雑な形状の加工ワークを使用した場合の
負荷イナーシャが正確に算出できないという問題があっ
た。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本
発明の目的は、工作機械の使用条件によって大きく変動
する主軸の負荷イナーシャに対応して、自動的かつ正確
に工作機械の主軸モータを制御する事ができる数値制御
装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、工作機械の主軸モータを制御する数値制御装
置に関するものであり、本発明の上記目的は、非切削中
における主軸モータの加速時の加速トルクを検出する第
１の検出手段と、前記加速の開始からモータ指令回転数
に達するまでの加速時間を検出する第２の検出手段と、
前記検出された加速トルク、加速時間及び前記モータ指
令回転数から主軸系全イナーシャを算出する算出手段と
、予め主軸系全イナーシャの大きさ毎に設定されたサー
ボパラメータから、前記算出された主軸系全イナーシャ
に対応するサーボパラメータを選択する選択手段とを具
備する事によって達成される。

（作用） 本発明は、主軸モータの指令回転数、加速トルク及び加
速時間により主軸系全イナーシャを算出し、その主軸系
全イナーシャに対応したサーボパラメータにより主軸モ
ータの制御を行うので、使用チャック、加工・ワークサ
イズ及び使用工具の違いによる主軸系全イナーシャの大
きな変動に対応でき、サーボシステムの能力を十分に発
揮することができる。

（実施例） 第１図及び第２図は本発明の数値制御装置の一例を示す
ブロック図であり、第１図は主軸系全イナーシャを算出
する部分の一例を示すブロック図、第２図は算出された
主軸系全イナーシャに基づいてサーボパラメータを変更
して主軸モータを制御する部分の一例を示すブロック図
である。

第１図のブロック図においては、まず、オペレータによ
って作成された加工プログラムが加工プログラム解析部
３２にて解析され、主軸回転数指令ＳＡと非切削中を示
す動作モード信号ＳＢとが生成されて主軸モータ回転数
指令部３１及び主軸イナーシャ算出部２４へそれぞれ送
出される。加工プログラム解析部３２から主軸モータ回
転数指令部３１に読込まれた主軸回転数指令ＳＡにより
、モータ指令回転数ＳＣが生成されてモータ速度制御部
２１と加速時間検出部２３と主軸イナーシャ算出部２４
とに送出される。

一方、主軸モータ８の速度は、主軸モータ８に取付けら
れた速度検出器４０によって検出され速度検出値ＳＥと
してモータ速度制御部２１と加速時間検出部２３とに送
出される。モータ速度制御部２１に読込まれた速度検出
値ＳＥは、主軸モータ回転数指令部３１からモータ速度
制御部２１に読込まれたモータ指令回転数ＳＣと共に解
析されて、モータ速度制御信号ＳＤが生成されて主軸モ
ータ８に送出され、主軸モータ８の回転速度が制御され
る。

そして、主軸モータ８を駆動するための主軸モータ電流
が検出されて、モータ電流検出値ＳＦとして電流→トル
ク変換・検出部２２に読込まれ、加速トルクＳＧに変換
されて主軸イナーシャ算出部２４に送出される。

また、速度検出器４０から加速時間検出部２３に読込ま
れた速度検出値ＳＥは、主軸モータ回転数指令部３１か
ら加速時間検出部２３に読込まれたモータ指令回転数Ｓ
Ｃと比較され、モータ指令回転数ＳＣに到達するまでの
時間が検出されて加速時間ＳＨとして主軸イナーシャ算
出部２４に送出される。

加工プログラム解析部３２から送出された動作モード信
号ＳＢ、主軸モータ回転数指令部３１から送出されたモ
ータ指令回転数ＳＣ、電流→トルク変換・検出部２２か
ら送出された加速トルクＳＧ及び加速時間検出部２３か
ら送出された加速時間ＳＨは、主軸イナーシャ算出部２
４に読込まれ、演算されて主軸系全イナーシャＳＩが算
出されて第２図のサーボパラメータ格納選択部３４に送
出されるようになっている。

第２図においては、まず、オペレータによってデータ入
力部３３を介して入力された複数のサーボパラメータＳ
Ｊが、第３図に示すようにそれぞれの主軸系全イナーシ
ャに対応した位置ループゲインＳＫ、速度ループゲイン
ＳＬ、加減速時定数ＳＭの３つのパラメータとしてサー
ボパラメータ格納・選択部３４に格納される。

サーボパラメータ格納・選択部３４に格納されている複
数のサーボパラメータＳＪのうち、主軸イナーシャ算出
部２４からサーボパラメータ格納・選択部３４に読込ま
れた主軸系全イナーシャＳＩに最適なものが選択され、
選択されたサーボパラメータに含まれる位置ループゲイ
ンＳＫ、速度ループゲインＳＬ及び加減速時定数ＳＭが
、位置ループゲインメモリ２５、速度ループゲインメモ
リ２６及び加減速時定数メモリ２７にそれぞれ記憶され
る。

一方、主軸モータ８を駆動するための主軸モータ電流が
検出され、モータ電流検出値ＳＦとして位置／速度制御
部２８に送出される。また、主軸モータ８に取り付けら
れた位置／速度検出器４１にて主軸モータ８の軸の位置
と速度が検出され、位置／速度検出値ＳＯとして位置／
速度制御部２８に送出される。

主軸モータ８で検出されたモータ電流検出値ＳＦと位置
／速度検出器４１で検出された位置／速度検出値ＳＯは
位置／速度制御部２８に読込まれ、位置ループゲインメ
モリ２５、速度ループゲインメモリ２６及び加減速時定
数メモリ２７にそれぞれ記憶されている位置ループゲイ
ンＳＫ、速度ループゲインＳＬ及び加減速時定数ＳＭを
基に解析され、位置／速度制御信号ＳＮが算出されて主
軸モータ８に送出され、主軸モータ８の軸の位置と速度
が制御されるようになっている。

ここで、第４図は本発明の数値制御装置によって制御さ
れる工作機械の第一の例を示す図であり、Ｃ軸を備えた
複合加工旋盤の構成図である。

主軸１に取付けられたチャック２に加工ワーク３が把持
されており、加工ワーク３の円周方向の位置は位置検出
器４によって検出される。主軸１は主軸１に取付けられ
たプーリー５が主軸駆動ベルト７を介して主軸モータ８
に取付けられたプーリー６によって駆動されることによ
り回転する。

従って、主軸モータ８の軸の位置及び速度を制御するこ
とにより、加工ワーク３の円周方向の位置及び回転速度
を決定することができる（Ｃ軸制御）。そして、刃物台
１０に取付けられた回転工具９（例えばドリル）でＣ軸
制御された加工ワーク３を加工する。この様な複合加工
旋盤では、加工ワーク３自体のサイズや重量の変化及び
チャック２の加工ワーク３に応じたサイズや重量の変化
が存在するので、主軸モータ８からみた負荷イナーシャ
が変化する。

また、第５図は本発明の数値制御装置によって制御され
る工作機械の第二の例を示す図であり、左右２つの主軸
が対向する２スピンドル旋盤の構成図である。主軸１に
取付けられたチャック２とサブ主軸１２に取付けられた
チャック１４とに加工ワーク３が把持されている。主軸
１は主軸１に取付けられたプーリー５が主軸駆動ベルト
７を介して主軸モータ８に取付けられたプーリー６によ
って駆動されることにより回転する。また、サブ主軸１
２はサブ主軸モータ１３によって駆動されることにより
回転する。従って、主軸モータ８及びサブ主軸モータ１
３の軸の位置及び速度を同期制御することにより、加工
ワーク３の円周方向の位置及び回転速度を決定すること
ができる。そして、刃物台１０に取付られた突切り工具
１１で加工ワーク３を加工する。この様な２スピンドル
旋盤においても第４図の複合加工旋盤と同様に負荷イナ
ーシャが変化する。

上述した各旋盤の様に、モータを用いてある負荷を指令
回転数Ｎへ加速する場合、第６図（ａ）に示す様にある
時刻ｔ０からモータに指令回転数Ｎで回転するための指
令を出力しても、同図（ｂ）の様にモータの実回転数は
指令回転数Ｎに達するのに加速時間Ｔが必要となる。そ
の際に必要な加速トルクＴａは同図（ｃ）の様になり、
一般に次式（１）で表される。

但し　Ｔａ：加速トルク Ｎ：モータ指令回転数 ＪＬ：負荷イナーシャ ＪＭ：モータロータイナーシャ Ｔ：加速時間 上式（１）は、モータを用いてある負荷を加速する場合
、その時のモータ指令回転数Ｎ、加速トルクＴａ及び加
速時間Ｔがわかれば、モータロータを含む駆動系の全イ
ナーシャ（ＪＭ＋ＪＬ）が算出可能であることを示して
いる。即ち、主軸イナーシャ算出部２４は上式（１）を
用いて主軸系全イナーシャＳＩ（ＪＭ＋ＪＬ）を算出し
ている。

第７図は本発明の数値制御装置の主要部の動作例を示す
フローチャートである。まず、加工プログラム解析部３
２が加工プログラムを解析して、工作機械が切削中か否
かを判定する（ステップＳ１）。これは、工作機械が切
削中である場合、切削負荷が主軸にかかるので正確な加
速トルクが検出できないためである。

工作機械が切削中である場合、サーボパラメータ格納・
選択部３４は位置ループゲインメモリ２５、速度ループ
ゲインメモリ２６及び加減速時定数メモリ２７に記憶さ
れている前回のモータ制御用の各パラメータを採用し（
ステップＳ８）、全ての処理を終了する。一方、工作機
械が切削中でない場合、モータ速度制御部２１は主軸モ
ータ８がモータ指令回転数ＳＣ（Ｎ）に達するまで主軸
モータ８を加速し（ステップＳ２）、その際に電流→ト
ルク変換・検出部２２は主軸モータ８にかかる加速トル
クＳＧ（Ｔａ）を検出して主軸イナーシャ算出部２４に
送出し（ステップＳ３）、また、加速時間検出部２３は
主軸モータ８の回転数がモータ指令回転数ＳＣ（Ｎ）に
達するまでの加速時間ＳＨ（Ｔ）を検出して主軸イナー
シャ算出部２４に送出する（ステップＳ４）。

主軸イナーシャ算出部２４は、主軸モータ回転数指令部
３１から読込んだモータ指令回転数ＳＣ（Ｎ）、電流→
トルク変換・検出部２２から読込んだ加速トルクＳＧ（
Ｔａ）及び加速時間検出部２３から読込んだ加速時間Ｓ
Ｈ（Ｔ）を用いて、前式（１）に従って主軸系全イナー
シャＳＩ（ＪＭ＋ＪＬ）を算出する（ステップＳ５）。

次に、サーボパラメータ格納・選択部３４は主軸イナー
シャ算出部２４で算出された主軸系全イナーシャＳＩ（
ＪＭ＋ＪＬ）に従ってサーボパラメータを選択し（ステ
ップＳ６）、その結果に従って位置ループゲインメモリ
２５、速度ループゲインメモリ２６及び加減速時定数メ
モリ２７に記憶されている位置ループゲインＳＫ、速度
ループゲインＳＬ及び加減速時定数ＳＭを変更し（ステ
ップＳ７）、全ての処理を終了する。

以上のように、主軸系全イナーシャが変化した場合、変
化後の主軸系全イナーシャに従ったサーボパラメータを
自動的に選択して主軸モータを制御する事ができる。

なお、上述の実施例においては数値制御旋盤を例にとっ
て説明したが、本発明の数値制御装置は、その他の工作
機械、例えば使用する刃物によって主軸系全イナーシャ
が変化するマシニングセンタにも適用できる。また、主
軸モータ８の制御に使用するサーボパラメータ群をＳＪ
１からＳＪ５の５組とし、そのデータ内容も位置ループ
ゲインＳＫ、速度ループゲインＳＬ及び加減速時定数Ｓ
Ｍの３種類としたが、サーボパラメータ群をさらに増加
してきめ細かく主軸系全イナーシャの変化に対応したり
、他のデータ内容、例えば機械系ロストモーション量や
Ｃ軸早送り速度等を追加してさらに多種多様な主軸系全
イナーシャの変化に対応することができる。

（発明の効果） 以上のように、本発明の数値制御装置によれば、主軸モ
ータの動作時に測定した各種のデータを解析することに
よって主軸系全イナーシャを算出し、さらに予め用意さ
れた複数のサーボパラメータの中から算出された主軸系
全イナーシャに最適なサーボパラメータを選択し、それ
を基に主軸モータを制御する事ができるので、主軸系全
イナーシャの変動に自動的に対処して主軸を安定して制
御することができ、加工精度の向上や加減速時間の短縮
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の数値制御装置の一例を示す
ブロック図、第３図は本発明装置に用いられるサーボパ
ラメータ群の一例を示す図、第４図及び第５図はそれぞ
れ本発明装置によって制御される工作機械の一例を示す
構成図、第６図は本発明装置による主軸加速時の各種デ
ータの変化を示す図、第７図は本発明装置の主要部の動
作例を示すフローチャートである。 １…主軸、２，１４…チャック、３…加工ワーク、４…
位置検出器、５，６…プーリー、７…主軸駆動ベルト、
８…主軸モータ、９…回転工具、１０…刃物台、１１…
突切り工具、１２…サブ主軸、１３…サブ主軸モータ、
２１…モータ速度制御部、２２…電流→トルク変換・検
出部、２３…加速時間検出部、２４…主軸イナーシャ算
出部、２５…位置ループゲインメモリ、２６…速度ルー
プゲインメモリ、２７…加減速時定数メモリ、２８…位
置／速度制御部、３１…主軸モータ回転数指令部、３２
…加工プログラム解析部、３３…データ入力部、３４…
サーボパラメータ格納・選択部、４０…速度検出器、４
１…位置／速度検出器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工作機械の主軸モータを制御する数値制御
   装置において、非切削中における主軸モータの加速時の
   加速トルクを検出する第１の検出手段と、前記加速の開
   始からモータ指令回転数に達するまでの加速時間を検出
   する第２の検出手段と、前記検出された加速トルク、加
   速時間及び前記モータ指令回転数から主軸系全イナーシ
   ャを算出する算出手段と、予め主軸系全イナーシャの大
   きさ毎に設定されたサーボパラメータから、前記算出さ
   れた主軸系全イナーシャに対応するサーボパラメータを
   選択する選択手段とを備えた事を特徴とする数値制御装
   置。
2. 【請求項２】旋削モードにおける非切削中に算出された
   主軸系全イナーシャに従ってＣ軸制御時のサーボゲイン
   及び加減速時定数を選択し、選択したサーボゲイン及び
   加減速時定数に従って主軸モータを制御するようにした
   請求項１に記載の数値制御装置。
3. 【請求項３】対向主軸の非同期回転かつ非切削中に算出
   された各主軸系全イナーシャに従って同期回転制御時の
   サーボゲイン及び加減速時定数を選択し、選択した各主
   軸のサーボゲイン及び加減速時定数に従って各主軸モー
   タを制御するようにした請求項１に記載の数値制御装置
   。