WO1996026471A1 - Method and device for controlling at the time of power failure - Google Patents

Description

明 細 書 停電時制御方法及び装置 技 術 分 野

本発明は停電時制御方法及び装置に関し、 特に、 歯車加工 機 （ホブ盤） 、 歯車研削盤などのように、 ワーク と工具とを常 に同期して運転する必要のある機械において、 加工中に停電が あった場合の制御についての停電時制御方法及び装置に関する _t 背 景 技 術

数値制御工作機械は、 ワークおよび工具をそれぞれ数値制御 するこ とによって、 ワークを所定の形状に加工していく 力 中 には、 ワーク と工具とを常に同期して運転する必要のあるもの がある。 その典型的な例として、 歯車を加工するホブ盤がある ₍ 図 6 はホブ盤の加工概念を示す斜視図である。 この図におい て、 1 はワークであり、 2はこのワーク 1 を加工する工具であ る。 ワーク 1 はワーク用のサーボモータによって回転数が制御 され、 工具 2は工具用のスピン ドルモー夕によってワーク用の サーボモータ と同期を保ちながら回転数が制御されている。 ェ 具 2はまた、 工具軸移動用のサ一ボモータによってワーク 1 と の相対位置が制御されており、 ワーク 1 に近づいたりワーク 1 から離れる方向に制御される。

工具 2 はホブと呼ばれる歯切工具で、 ねじに幾すじかの縦み ぞ （切刃みぞ） を入れて多く の切刃をねじすじ上に作った形状 を有する。 工具 2はその刃すじの方向を歯切り しょう とするヮ ーク 1 の歯すじの方向に合わせて設置される。 この工具 2 を回 転させる と、 刃が次々 に切り込んでワーク 1 を削るが、 刃はね じに沿って分布しているから、 回転とともに切り込む刃は回転 軸の方向に移動する。 したがって、 ワーク 1 をこれに合わせて 回転させれば、 ワーク 1 は歯先部よ り歯底部へと次第に歯が削 りだされる。 このように、 工具 2 はワーク 1 と同期を保ちなが ら回転する こ とによって、 歯車の加工をする こ とができる。 加 ェが終了すれば、 工具 2 は工具軸移動用のサーボモー夕によつ てワーク 1 との干渉位置から退避される。

と ころで、 このようなホブ盤については、 機械の加工中に停 電が発生する と、 工具を回転駆動しているスピン ドルモー夕お よびワークを回転駆動しているサーボモータは、 これらを回転 制御しているアンプへの動力が切断されるため減速停止するこ とになる。 しかもこの減速停止は、 数値制御装置からの回転数 制御を受けているこ とに反して互いに勝手に停止しょう とする ため、 停止まで工具用のスピン ドルモー夕およびワーク用のサ ーボモータは非同期状態で動作するこ とになる。 このように同 期運転中に停電が起きる と、 同期運転が保たれな く なるので、 ワー クおよび工具が破損してしま う こ とがある。

このため、 本願出願人は、 加工中に停電が生じた場合に、 ェ 具とワー ク とが同期を保ちながら工具をワークから速やかに離 すよう にし、 工具をワー クから離すために工具軸移動用モー夕 を駆動するエネルギは工具およびワーク用モータの減速時に得 られる回生エネルギを利用する技術を先に提案した （特願平 6 - 1 8 5 7 1 6 ) 。

しかし、 従来の停電時の制御方法では、 停電時に取り敢えず 工具およびワーク用モータを減速させて回生エネルギを発生さ せ、 そのエネルギで工具軸移動用モータを駆動するようにし、 余分のエネルギについては、 抵抗放電ュニッ 卜で消費させると いう方法にしているので、 停電時の減速制御によるエネルギの 内、 工具軸移動用モ一夕で消費されなかった余分のエネルギを 消費するための抵抗放電ュニッ トを必ず必要としていた。 この ため、 普段は不要な抵抗放電ュニッ トを装備しなければならな い分、 コス ト高となるという問題点があった。 発 明 の 開 示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 工具と ワーク とを常に同期して運転する必要のある機械において、 停 電発生時に工具およびワークを破損するこ となく、 また、 抵抗 放電ュニッ トを必要とせずに停止させることができるような停 電時制御方法を提供するこ とを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、 ワークと工具とが同 期して数値制御される機械の停電時における制御を行う停電時 制御方法において、 停電検出に応答して工具用モータ、 ワーク 用モー夕及び工具軸移動用モー夕を駆動するアンプと入力電源 との間に設置されている電源回生パワー回路の電源回生動作を 停止させ、 無停電電源装置によって電源バッ クア ップされた数 値制御装置により、 前記工具用モータおよびワーク用モ一夕に 対して、 互いに所定の同期を保ちながら、 かつ前記工具軸移動 用モー夕を駆動するのに必要な回生エネルギを発生させる減速 度に制御する制動指令を出し、 前記工具用モータおよびワーク 用モー夕の減速動作によって発生される回生エネルギを基に、 前記数値制御装置により前記工具軸移動用モータを駆動して、 工具をワーク と干渉しない領域まで退避させる、 こ とからなる こ とを特徵とする停電時制御方法が提供される。

上述の手段によれば、 工具をワーク と干渉しない安全な領域 まで退避させるよう工具軸移動用モー夕を駆動するためのエネ ルギを、 工具用モータおよびワーク用モー夕の制動により得ら れる回生エネルギで賄う力 、 その工具用モー夕およびワーク用 モー夕の制動は、 工具軸移動用モー夕を駆動するのに必要なェ ネルギだけを発生するように制御している。 図 面 の 簡 単 な 説 明

図 1 は本発明の停電時制御方法の流れを示すフローチ ヤ一 卜- 図 2は本発明の停電時制御装置の構成を示すブロ ッ ク図、 図 3は第 1 の制動制御方法の説明図、

図 4 は第 2の制動制御方法の説明図、

図 5 は第 3の制動制御方法の説明図、

図 6 はホブ盤の加工概念を示す斜視図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

図 1 は本発明の停電時制御方法の流れを示すフ ロ ーチヤ一 ト である。 この図において、 停電時の制御を行う本発明の停電時 制御方法によれば、 まず、 ワーク と工具とが同期して数値制御 されている機械において、 加工中に停電が発生したかどうかが 監視されている （ステップ S 1 ) 。

ステップ S 1 において、 も し停電が検出されたならば、 工具 用モ一夕、 ワーク用モー夕および工具軸移動用モー夕のための アンプに電源を供給している電源回生パワー回路の電源回生動 作を停止させる （ステップ S 2 ) 。 これによつて、 モー夕の減 速時に発生する回生エネルギを停電中の入力電源側に戻さない ようにする。

次いで、 停電時の動作を保証するため無停電電源装置によつ て電源バッ クア ップされた数値制御装置によ り、 工具用モー夕 およびワーク用モータに対して互いに所定の同期を保ちながら かつ工具軸移動用モータを駆動するのに必要な回生エネルギを 発生させる減速度に制御する制動指令を出す （ステップ S 3 ) , そ して、 工具用モータおよびワーク用モータを減速制動制御 するこ とによって発生されるすべての回生エネルギを工具軸移 動用モータのための動力源と して使用 し、 工具をワーク と干渉 しない領域まで退避させるようにしている （ステップ S 4 ) 。 図 2 は本発明の停電時制御装置の構成を示すブロ ッ ク図であ る。 図において、 1 0 は数値制御装置 （ C N C ) であり、 ホブ 盤などの数値制御歯車工作機械を制御する装置である。 この数 値制御装置 1 0 は、 停電発生時にも制御動作を続ける こ とがで きるよう、 無停電電源装置 （ U P S ) 1 1 によって電源がバッ クア ップされている。 数値制御装置 1 0 の制御出力はアンプ 1 2、 1 3、 1 4 に接続され、 これらアンプ 1 2、 1 3、 1 4 の 出力はそれぞれ工具軸移動用モー夕 1 5、 工具用モー夕 1 6、 ワー ク用モー夕 1 7 に接続されている。

電源回生パワー回路 1 8 は、 その交流側端子にたとえば三相 交流の商用電源とする入力電源が接続され、 直流側端子にはコ ンデンサ （図示しない） によって構成される D C リ ン ク部が接 続されている。 D C リ ンク部は各アンプ 1 2 、 1 3 、 1 4 に並 列に接続されている。 さ らに、 停電検出器 1 9が備えられ、 こ の入力は入力電源に接続され、 出力は電源回生パワー回路 1 8 および数値制御装置 1 0 に接続されている。

停電がな く 数値制御歯車工作機械が正常に加工中は、 数値制 御装置 1 0 により工具用モー夕 1 6 およびワーク用モー夕 1 Ί は常に同期して運転するように制御され、 工具軸移動用モータ 1 5 については工具を加工開始時にワークに近づけたり加工終 了時にワークから離すように制御される。 通常の制御時は、 こ れら工具軸移動用モータ 1 5、 工具用モータ 1 6 およびワーク 用モータ 1 7 は、 アンプ 1 2、 1 3 、 1 4 が電源回生パワー回 路 1 8から電源供給を受けて駆動制御され、 減速制御時には、 減速によって工具用モ一夕 1 6 およびワーク用モータ 1 7 によ り発生される回生エネルギがア ンプ 1 2 、 1 3 、 1 4 および電 源回生パワー回路 1 8 を介して入力電源に帰還される。

数値制御歯車工作機械の加工運転中に停電が発生すると、 停 電検出器 1 9が停電を検出 して停電検出信号を出力する。 電源 回生パワー回路 1 8 は停電検出信号を受けると、 その電源回生 動作、 すなわちィ ンバ一夕機能を停止し、 D C リ ン ク部から入 力電源へ回生エネルギが戻らないようにする。 また、 数値制御 装置 1 0 は停電検出信号を受ける と、 工具用モー夕 1 6 のア ン ブ 1 3 およびワーク用モータ 1 7のアンプ 1 4 に対して、 相互 に同期を保ちながら減速停止させるよう指令すると と もに、 ェ 具軸移動用モータ 1 5 のア ンプ 1 2 に対して、 工具を安全な領 域まで退避させるよう指令する。 このとき、 工具用モ一夕 1 6 およびワー ク用モー夕 1 7 の減速制御は、 これらの減速制御に よって得られる回生エネルギが工具軸移動用モー夕 1 5 の駆動 に必要なエネルギと等し く なるようにされる。 このため、 工具 用モー夕 1 6 およびワー ク用モー夕 1 7 の制動制御により回生 エネルギを発生し、 この回生エネルギはコ ンバータ と して機能 するアンプ 1 3 および 1 4 を介して D C リ ン ク部へ戻される。 D C リ ンク部へ戻された回生エネルギは、 もっぱら工具軸移動 用モータ 1 5 の駆動用電源と して使用され、 工具をワーク との 干渉位置から遠ざける方向に移動させる。

このように、 工具用モータ 1 6 およびワーク用モータ 1 7 は, これらの減速制御によって得られる回生エネルギが工具軸移動 用モー夕 1 5 を駆動するだけのエネルギしか発生しないように- 制動制御されるが、 その制御方法の 3つの具体例について以下 に示す。

図 3 は第 1 の制動制御方法の説明図である。

第 1 の制動制御方法は、 工具用モータおよびワー ク用モータ からの回生エネルギを監視して、 その回生エネルギが所定の値 を越えないように、 工具用モータおよびワーク用モー夕に対し て減速するかしないかの制御、 すなわち、 O N— O F F制御で ある。

工具用モータおよびワーク用モータを制動制御する と、 これ らから回生エネルギを発生し、 発生した回生エネルギはアンプ を介して D C リ ン ク部に溜められ、 さ らに、 D C リ ン ク部から 電源回生パワー回路を介して入力電源に戻される。

こ こで、 ワークの加工中に停電が発生する と、 最初に電源回 生パワー回路の動作が停止され、 これと と もに、 工具用モータ およびワー ク用モータを制動制御し、 工具軸移動用モータをェ 具をワークから離す方向へ駆動制御する。 このとき、 D C リ ン ク部の電圧は回生開始時の電圧 V _{i n l} であったとする。 一般に、 工具用モータが発生する回生エネルギは工具軸移動用モータの 駆動に必要なエネルギよ り も多いので、 工具用モー夕およびヮ ー ク用モータの減速 0 Nの期間はエネルギが余るため、 D C リ ンク部の電圧は上昇する。 D C リ ン ク部の電圧がある設定値 V _{m 4 X} に達すると、 工具用モータの制動制御を停止、 すなわち、 そのアンプの回生動作を停止する。 減速 O F Fの期間は回生ェ ネルギは発生されず、 D C リ ンク部のエネルギはもっぱら工具 軸移動用モータで消費されるので、 D C リ ンク部の電圧は減少 する。 工具用モータの減速 0 F Fの期間中も、 ワーク用モータ は同期を保つよう制動制御される。

D C リ ン ク部の電圧が低下してきて、 回生開始時の電圧 V _{i n} , に達すると、 再び工具用モータの制動制御を開始する。 この ようにして、 減速〇 Nおよび減速〇 F Fの動作を繰り返すこ と により、 工具用モータおよびワーク用モータによ り発生される 回生エネルギは、 ほぼ、 工具軸移動用モータの駆動に必要なェ ネルギに制限されるこ とになる。

図 4 は第 2の制動制御方法の説明図である。

第 2の制動制御方法は、 工具用モータおよびワーク用モー夕 からの回生エネルギを監視し、 その回生エネルギの変化に応じ て、 工具用モー夕およびワーク用モー夕の減速時間をリ アル夕 ィムに制御する方法である。

工具用モータ 1 6 のア ンプは、 数値制御装置 1 0から速度指 合を受ける速度演算部 1 3 1 およびこの速度演算部 1 3 1 の出 力を受ける電流 （ トルク） 演算部 1 3 2 を有している。 電流演 算部 1 3 2 はその出力の電流検出部 1 3 3から出力電流の一部 を入力に帰還して電流ループを構成し、 速度演算部 1 3 1 は入 力に工具用モータ 1 6の位置を検出するパルス発生器 1 3 4 か らの信号を帰還して速度ループを構成している。 ワー ク用モー 夕 1 7 のアンプについても同様に速度演算部 1 4 1 および電流 演算部 1 4 2を有している。 ただし、 ワーク用モー夕 1 7 の速 度指令は、 工具用モータ 1 6 と同期を保っため、 乗算器 1 0 1 によ り、 工具用モータ 1 6 のパルス発生器 1 3 4 からの信号に ギヤ比に相当する比率を掛けた値となっている。

さ らに、 D C リ ン ク部の電圧を入力する減速パワー指令部 2 0 と、 この減速パワー指令部 2 0 の出力を受ける電流指令部 2 1 と、 工具用モー夕 1 6 の電流演算部 1 3 2の前に設けられた スィ ツチ 2 2 とを有している。 減速パワー指令部 2 0 は D C リ ン ク部の回生開始時の電圧 V _{i n} , とその設定最大値 V _{m e x} との 間の電圧変化に対する減速パワーを措令し、 電流指令部 2 1 は 減速パワー指令部 2 0 によって指令された減速パワーを基に電 流指令値を出力する。 スィ ッチ 2 2 は、 通常運転時は電流演算 部 1 3 2が速度演算部 1 3 1 からの電流指令値を受けるよう接 続され、 停電時には電流演算部 1 3 2が電流指令部 2 1 からの 電流指令値を受けるよう接続される。

停電発生時には、 工具用モータ 1 6 およびワー ク用モー夕 1 7の'减逨によ り得られる回生エネルギか工具軸移動用モータの 駆動に必要なエネルギよ り多 く なつた場合には、 D C リ ン ク部 の電圧は上昇する。 この D C リ ン ク部の電圧の上昇に対して、 減速パワーを減少させるパターンで工具用モータ' 1 6 の減速時 間をリ アルタイム制御する。 これは、 減速時間を長く する こ と によ り、 モー夕によって発生される回生エネルギが少な く なる こ とに基づいている。 これにより、 工具用モー夕 1 6 およびヮ ーク用モータ 1 7の減速により得られる回生エネルギは常にェ 具軸移動用モータの駆動に必要なエネルギだけしか発生されず、 余分なエネルギの発生はない。

図 5 は第 3の制動制御方法の説明図である。

第 3の制動制御方法は、 停電時の減速時間をあらかじめ設定 しておき、 停電時にはその減速時間に従って減速していく 方法 である。

減速パター ン指令部 3 0 は、 通常時の減速時間を定めた減速 パターンと停電時の減速時間を定めた減速パターン とを有し、 工具用モータ 1 6 のアンプの前に配置される。 工具用モータ 1 6 のアンプは、 速度演算部 1 3 1 および電流演算部 1 3 2を有 し、 電流演算部 1 3 2 はその出力を検出して入力に帰還する電 流ループを構成し、 速度演算部 1 3 1 は工具用モータ 1 6 の位 置を検出して入力に帰還する速度ループを構成している。

通常運用時は、 減速制御がなされると、 工具用モータ 1 6 は 減速パター ン指令部 3 0 の通常時減速パター ンに従った減速時 間で減速される。 もちろん、 ワーク用モ一夕 1 7 も工具用モー 夕 1 6 に同期して減速される。 停電発生時は、 減速パター ン指 合部 3 0 において、 減速パター ンの切り換えが行われ、 工具用 モー夕 1 6 は減速パター ン指令部 3 0 の停電時減速パター ンに 従った減速時間で減速される。 この停電時減速パター ンは、 停 電時に減速によって得られる工具用モー夕 1 6 およびワー ク用 モータ 1 7の回生エネルギが工具軸移動用モー夕の駆動に必要 なエネルギと等し く なるよう、 試運転でのデータに基づいて求 められる。

また、 この減速パターン指令部 3 0での通常時減速パター ン および停電時減速パターンの減速時間は数値制御装置内におい てパラ メータで設定しておく こ とができる。

以上説明したよう に本発明では、 工具用モータおよびワー ク 用モータを、 これらの減速時に得られる回生エネルギが工具軸 移動用モータによって工具を安全な領域まで退避するのに必要 なエネルギと等し く なるよう に、 制動制御するよう にした。 こ れによ り、 減速時に得られる回生エネルギは余分に発生する こ とがな く 、 余分なエネルギを消費するための抵抗放電ュニッ ト は必要と しない。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . ワーク と工具とが同期して数値制御される機械の停電時 における制御を行う停電時制御方法において、

停電検出に応答して工具用モー夕、 ワーク用モータ及び工具 軸移動用モー夕を駆動するアンプと入力電源との間に設置され ている電源回生パワ ー回路の電源回生動作を停止させ、

無停電電源装置によって電源バッ クア ッ プされた数値制御装 置によ り、 前記工具用モー夕およびワーク用モ一夕に対して、 互いに所定の同期を保ちながら、 かつ前記工具軸移動用モー夕 を駆動するのに必要な回生エネルギを発生させる減速度に制御 する制動指令を出し、

前記工具用モー夕およびワーク用モータの減速動作によって 発生される回生エネルギを基に、 前記数値制御装置によ り前記 工具軸移動用モータを駆動して、 工具をワーク と干渉しない領 域まで退避させる、

こ とからなる こ とを特徴とする停電時制御方法。

2 . 前記制動指令を出すステ ップは、 前記工具用モータおよ びワー ク用モータの減速動作によ り得られる回生エネルギが第 1 の所定値以上になる と前記工具用モータおよびワー ク用モー 夕に対する減速動作を停止させる とと もに前記回生エネルギが 第 1 の所定値より低い第 2の所定値以下になる と前記工具用モ 一夕およびワーク用モー夕に対する減速動作を開始させる こ と を特徵とする請求項 1 記載の停電時制御方法。

3 . 前記第 2の所定値は、 前記工具用モータおよびワー ク用 モー夕の回生開始時の D C リ ン ク部における電圧である こ とを 特徴とする請求項 2記載の停電時制御方法。

4 . 前記制動指令を出すステップは、 前記工具用モータおよ びワーク用モー夕の減速動作によ り得られる回生エネルギを基 にした減速パワーを指合し、 指合された前記減速パワーに応じ た電流指令を出し、 前記電流指令を前記工具用モータの電流演 算部に与えるこ とを特徴とする請求項 1 記載の停電時制御方法 _c

5 . 前記制動指合を出すステッ プは、 前記工具用モータおよ びワーク用モー夕をあらかじめ設定した停電時の減速パター ン に従って減速させる こ とを特徴とする請求項 1 記載の停電時制 御方法。

6 . ワーク と工具とが同期して数値制御される機械の停電時 の制御を行う停電時制御装置において、

入力電源の停電を検出する停電検出装置と、

ワーク、 工具および工具軸移動用のア ンプおよびモー夕が制 御可能に接続されていて、 前記停電検出装置からの停電検出信 号に応答して前記ワーク用および工具用のモー夕をこれらの減 速制御によ り得られる回生エネルギが前記工具軸移動用のモー 夕の駆動に必要なエネルギに等し く なるよ う減速制御する と と もに、 この減速制御によって得られた回生エネルギにより前記 工具軸移動用のモータを駆動して工具をワーク と干渉しない領 域まで退避させる、 数値制御装置と、

交流の入力電源を直流電圧に変換したり前記モータの減速制 御によって発生された回生エネルギを変換して入力電源側に戻 す機能を有し、 前記停電検出装置から停電検出信号を受けたと きには前記回生エネルギの変換動作が停止される、 電源回生パ ヮー回路と、 を備えているこ とを特徴とする停電時制御装置。

7 . 前記数値制御装置は、 無停電電源装置が接続されていて 電源バッ クア ップされているこ とを特徴とする請求項 6記載の 停電時制御装置。

8 . 前記ワーク と工具とが同期して数値制御される機械は、 歯車加工機である こ とを特徴とする請求項 6記載の停電時制御

9 . 前記ワーク と工具とが同期して数値制御される機械は、 歯車研削盤であるこ とを特徴とする請求項 6記載の停電時制御 装置。