JPH0457655A - 制振機能を有する工作機械の主軸装置 - 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、回転主軸を電動機の回転子で構成するいわゆ
るビルトインモータ方式の主軸装置に関するものであり
、特に制振機能を有する工作機械の主軸装置に関する。

〔従来の技術〕

先端に加工工具を装着する回転主軸を誘導電動機の回転
子で構成する工作機械はビルトインタイブとして知られ
ている。

このような工作機械では、電動機自身が発生する振動と
先端の加工工具がワークを加工するときに発生する振動
とが主として生じる。

一般に高速回転するモータにおいて発生する自励振動は
、モータ自身の軸重芯のずれや軸のクリアランスによる
回転アンバランスに起因する場合と、モータに接続され
る従動側負荷（この場合は加工工具による加工）に起因
する場合とある。このような振動はモータを搭載する工
作機械の性能に太き（影響する。

このような振動に対する一般的な対策としてパッシブ型
制振機構とアクティブ型制振機構が提案されている。

パッシブ型の一例として、従動側の軸に液体や鋼球を密
封したリングを装着する自動バランス機構が提案されて
いる。この方式では軸の回転と共に生じる遠心力により
、液体や鋼球がリング内で一定の状態に分散配置される
性質を利用し振動を吸収するものである。このように振
動そのものを抑止せずに発生した振動を制動する点でパ
ッシブ型制振機構と呼ばれる。

一方、積極的に振動を抑止するアクティブ型制振機構が
ある。例えば、モータの軸を磁気的に受ける磁気軸受に
おいて磁気軸受の励磁を軸回転と発生する振動に合わせ
て積極的に制振する方式や、空気軸受のエアパッドと軸
の間の間隙を制御して動剛性を変化させ制振する方式が
提案されている。

しかし、上述の制振方式はパッシブ型にしろアクティブ
型にしろ振動そのものに着目してこれを抑制しようとす
るものである。

一方、誘導モータや同期モータ等のＡＣモータをサーボ
系に使用する提案は従来から多くなされており、例えば
誘導モータのベクトル制御方式を適用したＡＣサーボモ
ータがある。この方式は、詳細は後述するが、基本的に
ＡＣサーボモータに人力される電流を電流検出器で検出
し、回転速度を速度検出器で検出し、さらに、回転子位
置を位置検出器により検出し、これらを各々フィードバ
ックすることにより電流制御、速度制御、及び位置制御
を行うものである。

本発明は工作機械の主軸装置にこのＡＣサーボモータの
制御方式と、さらにモータの制振機能をも持たせること
により、ビルトインタイブのモータでなる主軸装置を有
した工作機械の全体的振動に対処するものである。

従来、ビルトインタイブの工作機械の誘導電動機は前述
の自動バランス機構による制振制御が採用され、電動機
のサーボ機構による制振制御は行われていない。

ビルトインタイブの工作機械に前記誘導電動機を使用し
、これをサーボ制御する場合、従来のサーボ制御装置で
は以下の問題がある。

第９図は従来のＡＣサーボモータの制御装置ブロック構
成図である。図中、ＩＭは誘導モータ、ＳＳは回転位置
検出器、ＣＴは電流検出器、ＰＩは電力変換器、ＣＡは
電流制御増幅器、ＰＡはＣＡとＰＩを総称した電力増幅
器、ＣＧは３相電流指令発生回路である。

回転位置検出器ＳＳは例えばロータリ・エンコーダであ
り、絶対位相０丁を出力するアブソリニート・エンコー
ダである。また位相を微分した回転速度Ｗｒを出力する
ようにすることも可能である。

電力変換器ＰＩは内蔵コンバータ（図示せず）により交
流を直流に変換し、次に内蔵インバータ（図示せず）に
よりその直流を交流に変換し、電流制御増幅器ＣＡの出
力をモータを駆動し得る大きさの電力にしてモータＩＭ
に供給する。

電流検出器ＣＴは各巻線に流れる電流を検出し、検出電
流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを対応する電流制御増幅器ＣＡにフ
ィードバックする。

電流制御増幅器ＣＡは各相巻線毎に設けられ、フィード
バックされた各検出電流ｉｕ＝　ｉｖ・ｉｗと対応する
電流指令値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとを加算し、その結果を増
幅して電力変換器ＰＩに送る。

３相電流指令発生回路ＣＧは電流振幅指令Ｉ、及びすべ
り周波数指令ｗｓと回転速度ｗｒＯ差のすべり周波数Ｗ
１とに基づき各電流指令ＩｕＩｖ、Ｉｗを発生する。

第１０図は従来の励磁コイルの結線図である。図示のよ
うに、４個のＵ相コイノペＵＩ　・Ｕ２Ｕ３　　・Ｕ、
は全て並列接続され、電力変換器ＰＩに接続される。そ
してＶ相、Ｗ相についても全く同様に接続されている。

従って、各相毎に電流を電流検出器ＣＴにより一括検出
し電流制御増幅器ＣＡにフィードバックし各相毎に電流
を一括制御する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の従来技術において、パッシブ型制振機構やアクテ
ィブ型制振機構のように振動そのものを抑制する対策で
は、パッシブ型にあっては従属側負荷の変動によるアン
バランスは完全には救済できずに残り、またアクティブ
型にあっては制振機構を極めて複雑かつ高価なものにす
る問題がある。

また、ＡＣサーボモータにおいても制御装置では上述の
ように各相の励磁コイルを並列接続し一括制御するたｔ
微妙な振動制御（制振）まではできないという不都合が
ある。

本発明の目的は、従来のＡＣサーボモータの制御方式を
改良し、ＡＣサーボ制御機能と併せてモータの制振機能
をも持たせることにより、ビルトインタイブの主軸モー
タを有する工作機械の振動を高精度で抑止可能とする工
作機械の主軸装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理構成図である。

本発明は、先端に加工工具（Ｔ）を装着する主軸（８）
を電動機（Ｍ）の回転子（６）と一体的に構成する工作
機械の主軸装置であって、前記主軸の回転位置及び回転
速度を検出する回転位置検出器（ＳＳ）と、前記主軸を
覆うハウジング（３）の外壁に配置され主軸自体及び加
工工具に起因する振動を検出する振動検出器（ＶＴ）と
、前記回転位置検出器及び振動検出器からの検出信号（
αθｒ）をフィードバックし、前記誘導電動機に供給す
る各相電流（Ｉ）の励磁強度を制御し、前記振動を抑止
する制振制御装置（１）とを備えることを特徴とするも
のである。

尚、図中、４．７はベアリング、５は固定子コイルであ
る。

本発明の主軸装置の制振制御装置（１）は第２図に基本
構成を示すように、電動機（Ｍ）の各相巻線毎に取り出
されたリード線（Ｌｌ〜ＬＮ）と、前記リード線毎に接
続された電力増幅器（ＰＡＩ〜ＰＡＮ）と、前記主軸装
置の振動を検出する振動検出器（ＶＴ）により検出され
た振動（α）に基づき、各相に供給する電流の位相（θ
ｍ）と振幅（ｍ）を主軸装置の振動が最小となるように
予め設定し、かつ、フィードバックされた振動に基づき
、設定された位相と振幅を制御する電流制御手ｉ　（Ｃ
Ｃ）と、前記電流制御手段から入力された位相及び振幅
と、主軸の回転位置及び回転速度を検出する回転位置検
出器（ＳＳ）により検出された回転位置信号（θ「）と
に基づき、前記各電力増幅器に対し変調された各相電流
を供給する制振変調手段（ＭＣ，〜ＭＣ，）とを備え、
各相巻線に供給する励磁電流の位相及び振幅を励磁コイ
ル毎に順次変化させ、かつ前記回転位置信号に同期して
前記変化を時間的移動させることにより、系の振動を最
小値に制御するようにしたことを特徴とする。

詳述すると、本発明によれば、先端に加工工具を装着す
る回転主軸を電動機の回転子で構成する工作機械の主軸
装置において、前記電動機の各相巻線毎に増幅した電流
を供給する電力増幅手段と、前記回転主軸のハウジング
から検出する振動に基づき、前記各電力増幅手段の各相
に供給する電流の大きさと位相を前記振動が極力小さく
なるように制御する電流制御手段と、該電流制御手段か
ら出力された電流の大きさ及び位相と前記回転主軸の回
転位置信号とに基づき、前記各電力増幅手段に対し変調
された各相電流を順次供給する制振変調手段とを具備す
ることを特徴とする制振機能を有する工作機械の主軸装
置が提供される。

〔作　用〕

本発明の主軸装置の制振制御装置では、誘導モータもし
くは同期モータにおいて、従来並列接続され一括制御さ
れてきた励磁コイルを第４図に示すように各コイル個別
に制御し、基本的には並列接続時と同様の制御を各コイ
ルに加える。

一方、主軸、回転子及び加工工具の重心ずれによる遠心
力は、モータ回転数によりその大きさを変化させ、モー
タ回転速度と同じ回転速度で移動しながらラジアル方向
に発生する。ある瞬間ある回転角度位置において、モー
タの励磁電流を制御して遠心力と同じ大きさで方向反対
の吸引力をロータとステータとの間で発生させ、かつこ
の吸引力をモータの回転速度と同じ回転速度で移動させ
ると、遠心力と吸引力とが相殺されて遠心力に起因する
振動がなくなる。

また遠心力の大きさが変化する場合は、その遠心力の大
きさに応じて吸引力の大きさも変化させるのである。

つまり、励磁コイルに与える電流を上述の各コイル個別
に制御するのに重畳する形で、ロータ回転に同期しかつ
遠心力に見合った大きさ及び位相差を持った励磁強度に
変調する。これにより吸弓力が周方向で変化することに
なり、遠心力を打ち消しながら回転力が得られることに
なる。

〔実施例〕

第３図は本発明の主軸装置に用いる制振制御装置の一実
施例ブロック構成図である。第３図において、従来と同
一の構成要素には同一の参照符号を与える。図中、ＶＴ
は振動検出器、ＰＣは電流制御手段としての割振位相・
振幅指令発生回路、ＭＣは制振変調回路である。

前述のように、誘導モータの機械的構造は変わらないが
、第４図に示すように、単に巻線１極毎にリード線を取
り出す。従って、電流検出器、電力変換器、電流制御増
幅器、制振変調回路等は図示のように全て極数分の組数
だけ（本実施例では４組）必要となる。即ち、ＣＴ、〜
ＣＴ、は電流検出器、Ｐｌ、−Ｐｌ、は電力変換器、Ｃ
Ａ　１〜ＣＡ　ｔは電流制御増幅器、ＭＣ，〜ＭＣ，は
制振変調回路であり４組設けられる。但し、電力変換器
はそのまま４倍必要ではなく４分の１の性能のものを４
台設ければよい。

このように、制御装置は極数分だけ並列に電力変換器等
を接続し、これらに供給する電流指令値に、制振を目的
とする指令値（制振指令値）を掛は合わせる構造とする
。

後述する第６図で説明するように、各励磁コイルの制振
指令値は目的の場所の振動が最小となるように、周方向
に１を中心とする正弦分布をなし、ロータの回転とある
位相差を持って進行する。正弦分布の振幅係数と位相差
は学習制御によって回転開始からの僅かの時間で法釣ら
れ、回転中も常に最適化を続けることが可能である。

第５図は第３図の制振変調回路の一実施例ブロック構成
図である。第５図において、ＭＴは乗算器、ＡＤは加算
器、ＡＭＰは増幅器、ＯＳＣは第６図（Ｃ）に示す正弦
波をＮ種類発振する正弦波発振器である。この場合、正
弦波発振器○ｓｃには制振位相・振幅指令発生回路ＰＣ
から位相θｍと振幅係数ｍが入力され、さらに、回転位
置検出器ＳＳで検出された回転位置信号θｒを入力し、
下式の如き正弦波をＮ種類出力する。

５ｉｎ（θγ＋θｍ＋（２π／Ｎ）Ｘｉ）　　−ｒｉ）
ここで、Ｎは励磁コイルの数（本実施例ではＮ＝１２）
であり、ｉは０〜（Ｎ−１）の整数である。

発振器ＯＳＣは式（１）を各組毎にｉ＝Ｑ〜１１まで出
力すると各々の乗算器ＭＴにおいて振幅係数ｍが乗じら
れ、さらに加算器ＡＤにて電流指令発生回路ＣＧからの
各相の電流指令値Ｉｕ、Ｉｖ。

Ｊｗが加えられる。この結果、例えばＵ相について下式
が得られる。

Ｉｕｍ　＝Ｉｕ　（１＋ｍ　−５ｉｎ（θｒ＋θｍ＋（
２π／１２）　Ｘｌ））・・・（２） ここで工ｕ１は１＝０、Ｉｕ２は１＝３、Ｉｕ。

はｉ＝５、Ｉｕｍは１＝９である。

■相、Ｗ相についても全く同様にして求めることができ
る。

第６図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は第５図回路の基本動作
の説明図である。（ａ）において、制振変調回路ＭＣは
３相電流指令発生回路ＣＧからのＵ。

Ｖ、Ｗ相の３相交流を受けると、回転位置信号θｒ及び
位相θｍと振幅係数ｍに基づき第５図の具体的回路によ
りＩｕ＋〜ＩＷａを出力する。

（ｂ）において、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相で１相が４組の場合
、図示のように１２個の励磁コイルとなる。

即ち、Ｕ、〜Ｕ４　、■、〜Ｖ４９ｗ１〜ｗ４の１２個
の励磁コイルである。

（Ｃ）は、（ｂ）図を展開したもので、Ｕ、Ｖ。

Ｗの変調を説明する図である。各相Ｕ、Ｖ、Ｗの電流値
を図示のように変調して強弱（振幅係数ｍ）を持たせる
と、例えば同じＵ相でも変調をかけた励磁コイルに強い
吸引力Ｘを生じ、ロータは吸引力の強い方に引き寄せら
れて回転する。しかしこのまま一方向に偏った吸引力Ｘ
では振動を発生することは明らかである。

本発明では吸引力を回転させるため（Ｃ）図のような変
調のカーブを回転位置検出器ｓｓにより検出された回転
位置θｒまたはこれを微分にして得た回転速度ｗｒに同
期して移動させることにある。

一方、一般にモータ軸の振動は重心のずれによる遠心力
により発生する。従って、この遠心力を打ち消す方向に
吸引力を加えれば力関係が相殺されて振動が抑止できる
はずである。よって、本発明では上述のように変調のカ
ーブを回転速度ｗｒに同期して移動させ吸引力を回転さ
せることにより、常に遠心力を打ち消し振動を抑止しよ
うとするものである。

第７図は第３図の制振位相・振幅指令発生回路ＰＣの一
実施例ブロック図である。

ここで、制振変調回路ＭＣに供給する位相θｍと振幅係
数ｍを決定する場合に、基本的に、軸の中心と重心のず
れにより生じる回転アンバランスが予ぬ判明している場
合と、予め判明していない場合に分けられる。前者の場
合では位相θｍは固定であり、振幅係数ｍは回転位置信
号θｒを微分して得られる回転速度ｗｒに比例して変化
する。

後者の場合は例えば、生産効率の点で回転アンバランス
を探し出す余裕がない場合、あるいは工具等の付加物に
より回転アンバランスが生じる場合である。この場合、
位相θｍをＯ〜２πの範囲で、振幅係数ｍを０〜１の範
囲でテーブルをスキャンして振動が最も小さくなる６ｍ
とｍを検索する。

本回路は振動検出器ＶＴにより検出されたモータの振動
αを入力し、上述の２つの場合について学習制御により
求めた位相θｍ及び振幅係数ｍを制振変調回路ＭＣに送
出する回路である。

ＴＢは第８図に示すように各種の位相θｍ及び振幅係数
ｍの組合せを格納するテーブルであり、ＲＯＭに格納さ
れる。ＳＣはテーブルＴＢの位相θｍ及び振幅係数ｍを
スキャンするスキャン手段であり、スキャン結果として
位相θｍ及び振幅係数ｍを出力する。

ＭＯ，Ｃはモード制御回路であり、実際の振動測定前に
学習制御により前述の後者の場合について最適な６ｍと
ｍを求めるモードと、実際の振動制御を行うモードを切
り換える手段である。従って、回転アンバランスが判明
していない場合に、学習制御の段階ではスイッチｓｗ、
、ｓｗ、をスキャン手段側（接点ａ側）に設定して予め
テーブルの位相θｍ及び振幅係数ｍをスキャンし、制振
変調回路ＭＣにこれらの値を順次与え、主軸装置の振動
Ａが最も小さくなるときの位相θｍ及び振幅係数ｍを求
める。求められた６ｍとｍ及び振動Ａは保持回路ＨＯＬ
に保持される。なお、振動Ａは振動算出回路ＶＣにより
一定時間間隔の振動を積分して求めた値である。

次にスイッチｓｗ、、ｓｗ２を接点す側に設定し、この
設定された位相θｍ及び振幅係数ｍを制振変調回路ＭＣ
に供給して実際の振動制御を行う。

一方、工具の変更等、何らかの外部要因により回転アン
バランスが大きくなり主軸装置の振動が大きくなった場
合は、このときに生じた振動αの積分値Ｂを振動算出回
路ＶＣにより求め、比較器ＣＯＭにて予め求めた振動の
最小値Ａと比較する。

この場合、振動Ｂの方が小さければ位相θｍと振幅係数
ｍを変える必要はない。しかし、振動Ｂの方が大きい場
合はモード制御回路ＭＯＣによりスイッチｓｗ、、ｓｗ
、を接点ａ側にし再度テーブルＴＢをスキャンして前述
のようにこの系の振動の最小値を探し出すことになる。

そして、再度スイッチを接点す側に設定し振動制御を行
う。

なお、保持回路ＨＯＬは、前回の値と今回の値を比較し
小さい方の値を保持するような保持回路であればよい。

第８図は前述のθｍとｍの関係を格納するテーブルの一
例であり、ＲＯＭに格納される。横軸は０ｍ１縦軸は振
幅係数ｍである。θｍの範囲は０〜２πであり、ｍの範
囲は０〜１である。

本発明で用いるすべての加工工具Ｔを、予め主軸８に装
着して回転させ、前述の学習制御によりｍとθｍの値を
各加工工具毎に記憶手段ＭＥ　（第３図）に登録してお
く。そして実際の加工に際して、制振位相、振幅指令発
生回路ＰＣは、工作機械のＮＣ装置からの工具交換指令
に基づき、該記憶手段ＭＥから該当する工具のｍとθｍ
の値をもらい、直ちに制振変調回路ＭＣ，〜ＭＣ，へ送
出する方法もある。この様にすれば、いちいち工具交換
の度に学習制御しなくて済み迅速な制御が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、構造複雑な機械
的制振装置を付加することなく、構造簡単な電気的手段
だけで、精度よくビルトインモータ方式の工作機械の主
軸装置の振動を抑止できる。

また主軸に加工工具を装着したり、加工動作を行ったり
した場合、事前にその系のアンバランスとそれに起因す
る振動について知るところがなくても、回転開始よりわ
ずかの時間で制振でき、更に主軸装置の負荷が変化した
場合にも迅速に対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、 第２図は本発明の制振制御装置の基本構成図、第３図は
本発明の制振制御装置の一実施例ブロック構成図、 第４図は本発明の励磁コイル結線図、 第５図は第３図の制振変調回路の一実施例ブロック図、 第６図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は本発明の詳細な説明図
、 第７図は第３図の制振位相・振幅指令発生回路の一実施
例ブロック構成図、 第８図は第７図のテーブルの一例、 第９図は従来の制御装置のブロック構成図、及び、 第１０図は従来の励磁コイル結線図である。 （符号の説明） ＩＭ・・・誘導電動機、　　ＣＴ・・・電流検出器、Ｐ
Ａ・・・電力増幅器、　　ＰＩ・・・電力変換器、ＣＡ
・・・電流制御増幅器、ＭＣ・・・制振変調回路、ＣＣ
・・・電流制御手段、 ＰＣ・・・制振位相・振幅指令発生回路、ＣＧ・・・３
相電流指令発生回路、 ＶＴ・・・振動検出器、　　ＳＳ・・・回転位置検出器
、ＭＥ・・・記憶手段、　　　１・・・制振制御装置、
２・・・切削刃、　　　　　　３・・・ハウジング、４
．７・・・ベアリング、　　５・・・固定子、６・・・
回転子、　　　　　８・・・主軸、Ｔ・・・加工工具。 Ｕ相コイル 本発明の励磁コイル結線図 第４ＵｊＪ 制振変調回路の一実施例ブロック図 第 図 （ｂ） Ｉ 第６回 几 ２几 θｍｕｍテーブルの一例 第８図 Ｕ相コイル 従来の励磁コイル結線図 第口Ｏ回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端に加工工具を装着する回転主軸を電動機の回転
   子で構成する工作機械の主軸装置において、前記電動機
   の各相巻線毎に増幅した電流を供給する電力増幅手段と
   、前記回転主軸のハウジングから検出する振動に基づき
   、前記各電力増幅手段の各相に供給する電流の大きさと
   位相を前記振動が極力小さくなるように制御する電流制
   御手段と、該電流制御手段から出力された電流の大きさ
   及び位相と前記回転主軸の回転位置信号とに基づき、前
   記各電力増幅手段に対し変調された各相電流を順次供給
   する制振変調手段とを具備することを特徴とする制振機
   能を有する工作機械の主軸装置。 ２、前記電流制御手段は、前記回転主軸に装着される加
   工工具のアンバランスに起因する回転振動を極力小さく
   するための前記各電力増幅手段の各相に供給する電流の
   大きさと位相データとを予め記憶手段に登録しておき、
   前記工作機械の加工工具交換指令に基づき前記記憶手段
   から該当する電流の大きさと位相データを読み出して前
   記各電力増幅手段に供給するように構成した請求項１に
   記載の制振機能を有する工作機械の主軸装置。