JP7104613B2

JP7104613B2 - 工作機械の制御装置

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Publication number: JP7104613B2
Application number: JP2018227848A
Authority: JP
Inventors: 元澄由良
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: CN111266876A; CN111266876B; DE102019132442A1; US20200183361A1; US11048235B2; JP2020091623A

Description

本発明は、工作機械の送り軸や主軸を駆動する制御装置の改良に関するもので、特に停電時の制御に関するものである。

工作機械では、ワークや工具を制御することによって、ワークを所定の形状に加工する。例えば、マシニングセンタ等では、工具を取り付けた主軸をスピンドルモータで回転駆動するとともに、ワークや工具（主軸）を移動させる送り軸をサーボモータでボールネジまたはギア等を介して直線駆動または回転駆動する。

図５は、特許文献１に示される従来の制御装置の構成を示すブロック図である。交流電源１は、コンバータ２に入力される。コンバータ２は、入力される交流電圧を直流電圧に変換して、送り軸用インバータ３および４、主軸用インバータ５に供給する。数値制御装置６は、ワークを所定の形状に加工するよう、送り軸用インバータ３および４、主軸用インバータ５に位置指令値または速度指令値を入力する。送り軸用インバータ３および４、主軸用インバータ５は、数値制御装置６からの指令値に従って、サーボモータ７および８、スピンドルモータ９を駆動する。

停電時に何の対策もしないと、送り軸用インバータ３および４、主軸用インバータ５が直流電力を消費するため、直流バス電圧が低下し、モータの制御が維持できなくなる。その結果、工具軌跡を指定通りに制御することが困難となる。そこで特許文献１の装置では、停電時には工具をワーク（加工対象）から退避させるように停止させて、ワークまたは工具の破損を防止している。

また、図６に、特許文献２に示される従来技術による制御装置のブロック図を示す。停電の多くは時間的に短い瞬時電圧低下であり、かつ、工作機械の動作状態は軽負荷である場合が多いので、瞬時電圧低下では直流バス電圧が低下しない場合が多い。そこで、この従来装置では、直流電圧検出値が低下していない場合には、保護動作開始判定部１７が停止や退避などの保護動作を開始せず、モータ７を駆動するインバータ３は運転を継続している。

さらに、特許文献３には、図６に示したような瞬時電圧低下時に保護動作を行わないことを目的とした制御装置において、停電耐量が異なる複数の機器を組合せた場合に対応して、複数の停電検出条件を用いた複数の停電検出信号を生成し、機器ごとに適切な保護動作の開始を制御している。

特開２０１１－２０９９３６号公報特開２０１６－０６３７０５号公報特開２０１７－２００２６４号公報

図５に示した特許文献１の従来技術によって、停電時に工具やワークの破損を防止して安全に停止することが可能となった。しかしながら、停電の多くを占める瞬時電圧低下においても、退避動作によって加工を中断するため、生産性の低下が課題である。

図６に示した特許文献２の従来技術、および特許文献３の従来技術では、直流バス電圧が低下しない程度の軽負荷運転時の瞬時電圧低下においては、加工を中断せずに運転を継続することが可能となった。しかしながら、加工負荷が大きく直流バス電圧が低下する場合には運転を継続しないため、生産性の低下が課題である。また、これらの従来技術において、停電を判定するための直流バス電圧アラームレベルを予め低く設定すれば、その設定レベルまで直流バス電圧が低下しても運転を継続できる可能性がある。しかしながら、直流バス電圧アラームレベルを低くした場合は、複数のインバータユニットを接続する直流バス配線の不良等による電圧低下が各個のインバータにおいて検出できず、過熱による事故や故障が発生する課題がある。

本発明の目的は、複数のインバータにより送り軸モータおよび主軸モータを駆動する工作機械の制御装置において、瞬時電圧低下の発生時に加工を継続でき、かつ正常時は各個のインバータにおいて適正な制御状態であることを確実に監視して電圧低下による過熱を防止することができるシステムを提供することにある。

本発明に係る工作機械の制御装置は、
交流電源電圧を直流電圧に変換して直流バスに出力するコンバータと、
前記コンバータから供給された直流電圧を交流に変換して複数の送り軸モータおよび主軸モータを駆動する複数のインバータと、
前記コンバータに入力された交流電源の電圧値を検出する交流電圧検出回路と、
前記コンバータの出力する直流電圧を検出する第１直流電圧検出回路と、
前記複数のインバータの各個に設けられ、入力された直流電圧を検出する第２直流電圧検出回路と、
前記複数のインバータの各個に設けられ、前記第２直流電圧検出回路の検出値がしきい値Ｖ_AL2を下回った場合にアラームを検出する低電圧アラーム判定部と、
前記交流電圧検出回路が検出した電源電圧値が所定の値を下回った場合に、停電準備モードと判定する、停電準備判定部と、
前記停電準備判定部が前記停電準備モードを判定中に前記第１直流電圧検出回路の検出値が所定のしきい値Ｖ_AL1を下回った場合、または前記停電準備モードと判定されている状態が所定時間を超えて継続した場合に、停電と判定するとともに前記複数のインバータに対して送り軸の停止もしくは退避動作を指令する停電判定部とを備え、
前記停電準備判定部が前記停電準備モードと判定している間、前記低電圧アラーム判定部におけるしきい値Ｖ_AL2を、正常時の値から前記第１直流電圧検出回路におけるしきい値Ｖ_AL1よりも小さな値に切り換えることを特徴とする。

本発明の別の態様では、前記停電準備判定部が停電準備モードの判定中に、
前記複数のインバータでは前記第２直流電圧検出回路の検出値Ｖ_DCと、Ｖ_PL>Ｖ_AL1の関係を満たす出力制限電圧Ｖ_PLとの差に応じてモータ出力を次式（１）による出力低減率Ｐ_Limに制限することを特徴とする。

本発明による工作機械の制御装置は、瞬時電圧低下が発生している期間において送り軸や主軸を駆動するインバータが直流バス電圧の低下によって各々で停止することがなく、停電判定部による停電の判定によって協調した停止処理を行うことができる。また交流電圧検出回路がコンバータに入力される交流電源の電圧を監視し、瞬時電圧低下が解消した場合には停電と判定しないまま正常運転に復帰するため、加工を中断することなく継続できる。

また、電源電圧が正常な期間において、インバータ各個に入力される直流バス電圧を第２直流電圧検出回路及び低電圧アラーム判定部により監視しているので、直流バス配線の不良等に起因する電圧低下による過熱等を未然に防止することができる。

さらに、瞬時電圧低下が発生している期間において、直流バス電圧がしきい値_AL1に近くなるまで低下するとモータ出力を制限するため、直流バス電圧の低下が抑制できるので、交流電源電圧の復帰を待って正常運転に復帰することができる。

本発明の一実施形態を示すブロック図である。本発明の実施例の動作を示す第１のタイムチャートである。本発明の実施例の動作を示す第２のタイムチャートである。本発明の実施例の動作を示す第３のタイムチャートである。従来技術による工作機械の制御装置を示すブロック図である。従来技術による別の工作機械制御装置を示すブロック図である。

図１は本発明に係る装置の一実施例を示すブロック図である。なお、図５および図６に示した従来技術例と同一要素には同一番号を付してあり、その説明は省略する。また、簡単化のため２つの送り軸モータと１つの主軸モータを含む構成で説明するが、この構成に限定するものではない。

交流電圧検出回路１３はコンバータに入力される交流電源電圧を検出し、停電準備判定部１８に出力している。停電準備判定部１８では電源電圧が所定値以下に低下すると、装置の現在の動作モードを停電準備モードと判定し、停電判定部１９に対して停電準備モード信号を出力すると同時に、送り軸用インバータ３および４、主軸用インバータ５に設けられた低電圧アラーム判定部２０ａ、２０ｂ、２０ｃに対してアラームしきい値の変更を指令する。

ここで、低電圧アラーム判定部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、およびアラームしきい値Ｖ_AL2について説明する。交流電源を全波整流回路で直流に変換するとき、交流電源電圧の実効値Ｖ_rmsに対して直流電圧は

であり、例えば２００Ｖ系の電源であれば約２８３Ｖとなる。一般的なインバータは直流電圧２８３Ｖを前提に設計され、直流電圧が低下するとモータを適正に制御できないため、例えば－２０～－３０％程度にしきい値Ｖ_AL2を設定することが通常である。

また、工作機械のように複数のモータを使用する用途では、複数のインバータ間を直流バスで接続することが一般的である。この直流バス配線が接続不良となると、その不良部分が発熱し、焼損事故が発生する可能性がある。そのため、低電圧アラーム判定部はインバータの各個に設ける。

停電準備判定部１８が停電準備モードと判定している期間は、電源電圧が低下しているので通常の低電圧アラームレベルよりも直流バス電圧が低下する可能性がある。しかしながら、統計により瞬時電圧低下の大多数は数ms～１００ms程度であることが知られており、このような短時間であれば送り軸の位置制御や主軸モータの速度制御に殆ど影響を与えない。そこで、停電準備モード中は直流バス電圧の低下を許容するよう、低電圧アラームしきい値Ｖ_AL2をＶ_AL1＞Ｖ_AL2を満たす低い値に変更する。なお、Ｖ_AL1については後述する。

停電判定部１９は、停電準備モードが所定時間（例えば１００ms）継続するか、もしくは直流電圧検出回路１６の検出値が所定の値Ｖ_AL1を下回った場合に停電と判定し、送り軸インバータ３および４に退避動作または停止を指令する。

停電準備モード中において、送り軸インバータ３または４について低電圧アラーム判定部２０ａまたは２０ｂが個々に低電圧アラームを検出すると、その検出するタイミングの差によって工具の動作軌跡が指令軌跡から逸脱し、ワークや工具を破損する可能性がある。すなわち、ある送り軸インバータに入力される電圧について低電圧アラームが検出されると、数値制御装置６はその送り軸インバータを停止させるので、そのインバータにより駆動される送り軸モータが停止する。この例の２つの送り軸インバータ３及び４についての低電圧アラームの検出に時間差があると、送り軸モータ７及び８の一方がまず停止し、しばらくしてからもう一方が停止することになる。このように送り軸モータ７及び８の停止に時間差が生じると、工具の動作軌跡が指令軌跡から逸脱してしまう事態が起こり得る。

そこで、停電準備モード中は低電圧アラームしきい値Ｖ_AL2を、停電判定部１９が停電と判定するしきい値Ｖ_AL1よりも低い値に設定する。これにより、退避動作もしくは停止動作を行うタイミングは、停電判定部１９の停電出力によって一括で制御されるので、複数の送り軸が同期して動作でき、指令軌跡から逸脱しない。

図２は、図１の実施例の動作を示すタイムチャートであり、瞬時電圧低下が所定時間（例として１００ms）を超えて継続した場合の動作を示す。

時刻ｔ1において、瞬時電圧低下によって電源電圧が停電準備モードしきい値を下回ったことが検出され、停電準備モード信号がオンになり、直流バス電圧の低電圧アラームのしきい値Ｖ_AL2が通常時の値から低い値に変更される。

瞬時電圧低下が発生している期間は、主軸モータや送り軸モータの負荷によって直流バス電圧が低下する。図２はこれら負荷が小さい場合を示しており、時刻ｔ1から徐々に直流バス電圧が低下する。しかし、上述のように低電圧アラームのしきい値Ｖ_AL2を低い値に変更しているので低電圧アラームは発生しない。

時刻ｔ1から１００msが経過すると、停電判定部は停電であると判定し、停電信号を出力する。なお、この１００msを決定する要因は、制御回路電源や油圧系統の保持時間である。１００msを超えると、主軸や送り軸が動作を継続しても、その他の工作機械構成要素が不適切な挙動を起こす可能性があるため、安全のため加工を停止するのである。従って、この時間は１００msに限定されず、制御電源や油圧系統の保持時間に合わせて適宜、設定する。

停電信号がオンになると、送り軸の退避動作を行う。退避する軸はワークと工具の位置関係によって決められるが、一般的には上下方向に動作する軸を上方向に退避する。

図３は、図２に比べて主軸、送り軸の負荷が大きい場合であって、後述するモータの出力制限処理を行わない場合の動作を示すタイムチャートである。この例では、時刻ｔ1において瞬時電圧低下が発生した後、直流バス電圧が主軸、送り軸の負荷によって減少し、時刻ｔ3において停電判定部におけるしきい値Ｖ_AL1を下回る。この時、停電判定部は停電と判定し、停電信号をオンする。その後は図２と同様に送り軸の退避動作を行う。

図４は、直流バス電圧に応じて主軸、送り軸モータの出力制限を行う場合の動作タイムチャートである。時刻ｔ1において瞬時電圧低下が発生した後、直流バス電圧が主軸、送り軸の負荷によって低下していくが、この例では、インバータ３，４，５では、直流バス電圧に応じて次のようにモータ出力の制限処理を行う。すなわち、正規のモータ出力を１．０とするとき、出力低減率Ｐ_Limを例えば、

のように演算する。ただし、Ｖ_PLは出力制限電圧であり、停電判定部のしきい値Ｖ_AL1よりも大きな値に設定される。

このように出力制限を行うことによって、図４において直流バス電圧が低下するにつれてモータ出力が制限され、時刻ｔ2において直流バス電圧がＶ_PLに到達するとモータ出力は０となる。この結果、直流バスからの電力消費はモータの巻線発熱やインバータの損失の、最低限のレベルとなり、電圧が殆ど低下しなくなる。Ｖ_PLは停電判定部のしきい値Ｖ_AL1より高く設定しているので、停電と判定することなく運転が継続される。そして、時刻ｔ4で瞬時電圧低下が解消すると正常な運転に復帰できる。

なお、上述の制限は、モータ出力について制限を与えるため、速度が停止している場合のトルク指令には制限を与えない。よって、例えば重力負荷が印加される上下軸においては制限中も保持トルクを維持できるため、重力による落下は発生しない。

１交流電源、２コンバータ、３，４送り軸用インバータ、５主軸用インバータ、６数値制御装置、７，８送り軸モータ、９主軸モータ、１０停電検出部、１１アラームしきい値変更部、１２退避動作指令部、１３交流電圧検出回路、１４電圧振幅演算部、１５停電検出部、１６直流電圧検出回路、１７保護動作開始判定部、１８停電準備判定部、１９停電判定部、２０低電圧アラーム判定部、２１直流電圧検出回路。

Claims

交流電源電圧を直流電圧に変換して直流バスに出力するコンバータと、
前記コンバータから供給された直流電圧を交流に変換して複数の送り軸モータおよび主軸モータを駆動する複数のインバータと、
前記コンバータに入力された交流電源の電圧値を検出する交流電圧検出回路と、
前記コンバータの出力する直流電圧を検出する第１直流電圧検出回路と、
前記複数のインバータの各個に設けられ、入力された直流電圧を検出する第２直流電圧検出回路と、
前記複数のインバータの各個に設けられ、前記第２直流電圧検出回路の検出値がしきい値Ｖ_AL2を下回った場合にアラームを検出する低電圧アラーム判定部と、
前記交流電圧検出回路が検出した電源電圧値が所定の値を下回った場合に、停電準備モードと判定する、停電準備判定部と、
前記停電準備判定部が前記停電準備モードを判定中に前記第１直流電圧検出回路の検出値が所定のしきい値Ｖ_AL1を下回った場合、または前記停電準備モードと判定されている状態が所定時間を超えて継続した場合に、停電と判定するとともに前記複数のインバータに対して送り軸の停止もしくは退避動作を指令する停電判定部とを備え、
前記停電準備判定部が前記停電準備モードと判定している間、前記低電圧アラーム判定部におけるしきい値Ｖ_AL2を、正常時の値から前記第１直流電圧検出回路におけるしきい値Ｖ_AL1よりも小さな値に切り換えることを特徴とする工作機械の制御装置。
請求項１に記載の装置において、
前記停電準備判定部が停電準備モードの判定中に、
前記複数のインバータでは前記第２直流電圧検出回路の検出値Ｖ_DCと、Ｖ_PL>Ｖ_AL1の関係を満たす出力制限電圧Ｖ_PLとの差に応じてモータ出力を次式（１）による出力低減率Ｐ_Limに制限することを特徴とする制御装置。