ニュース - マシニングセンター用サーボシステムの構成と要件をご存知ですか？

「マシニングセンタ用サーボシステムの構成と要件の詳細解説」

I. マシニングセンター用サーボシステムの構成
現代のマシニングセンターでは、サーボシステムが重要な役割を果たしています。サーボシステムは、サーボ回路、サーボ駆動装置、機械伝達機構、および駆動部品で構成されています。
サーボシステムの主な機能は、数値制御システムから発行される送り速度および変位指令信号を受信することです。まず、サーボ駆動回路はこれらの指令信号に対して所定の変換および電力増幅を行います。次に、ステッピングモーター、DCサーボモーター、ACサーボモーターなどのサーボ駆動装置と機械的な伝達機構を介して、工作機械のワークテーブルや主軸台などの駆動部品を駆動し、ワークの送りと迅速な移動を実現します。数値制御機械において、CNC装置は指令を出す「頭脳」のようなものであり、サーボシステムは数値制御機械の「手足」のような実行機構であり、CNC装置からの動作指令を正確に実行することができます。
一般的な工作機械の駆動システムと比較して、マシニングセンターのサーボシステムは本質的な違いがあります。指令信号に基づいて駆動部品の移動速度と位置を正確に制御し、複数の駆動部品が一定の規則に従って動作することで合成された移動軌跡を実現できます。そのため、サーボシステムには高い精度、安定性、そして高速応答性が求められます。

II. サーボシステムの要件

高精度
数値制御機械は、あらかじめ設定されたプログラムに従って自動的に加工を行います。そのため、高精度・高品質のワークを加工するには、サーボシステム自体の精度が求められます。一般的に、その精度はミクロンレベルに達する必要があります。これは、現代の製造業において、ワークに対する精度要求がますます高まっているためです。特に航空宇宙、自動車製造、電子機器などの分野では、わずかな誤差でも深刻な結果につながる可能性があります。
高精度制御を実現するために、サーボシステムはエンコーダや格子定規などの高度なセンサー技術を採用し、駆動部品の位置と速度をリアルタイムで監視する必要があります。同時に、サーボ駆動装置も高精度制御アルゴリズムを備え、モーターの速度とトルクを正確に制御する必要があります。さらに、機械伝達機構の精度もサーボシステムの精度に重要な影響を与えます。そのため、マシニングセンターの設計・製造においては、ボールねじやリニアガイドなどの高精度な伝達部品を選定し、サーボシステムの精度要件を満たす必要があります。
高速応答
高速応答は、サーボシステムの動特性を示す重要な指標の一つです。サーボシステムは、コマンド信号に対する追従誤差が小さく、応答速度が速く、安定性に優れていることが求められます。具体的には、与えられた入力後、システムが短時間（通常は200ミリ秒、場合によっては数十ミリ秒以内）で元の安定状態に到達または回復できることが求められます。
高速応答能力は、マシニングセンターの加工効率と加工品質に重要な影響を与えます。高速加工では、工具とワークの接触時間が非常に短くなります。サーボシステムは指令信号に迅速に応答し、工具の位置と速度を調整することで、加工精度と面品質を確保する必要があります。同時に、複雑な形状のワークを加工する場合、サーボシステムは指令信号の変化に迅速に応答し、多軸連動制御を実現することで、加工精度と加工効率を確保する必要があります。
サーボシステムの高速応答能力を向上させるには、高性能なサーボ駆動装置と制御アルゴリズムを採用する必要があります。例えば、応答速度が速く、トルクが大きく、速度制御範囲が広いACサーボモータを使用することで、マシニングセンターの高速加工要件を満たすことができます。同時に、PID制御、ファジー制御、ニューラルネットワーク制御などの高度な制御アルゴリズムを採用することで、サーボシステムの応答速度と安定性を向上させることができます。
広い速度調整範囲
切削工具、ワーク材質、加工要件はそれぞれ異なるため、数値制御機械があらゆる状況下で最適な切削条件を確保するために、サーボシステムは十分な速度制御範囲を備えていなければなりません。これにより、高速加工要件と低速送り要件の両方を満たすことができます。
高速加工においては、加工効率を向上させるために、サーボシステムは高い速度と加速度を提供する必要があります。一方、低速送りにおいては、加工精度と表面品質を確保するために、サーボシステムは安定した低速トルクを提供する必要があります。そのため、サーボシステムの速度制御範囲は、通常、毎分数千回転、場合によっては数万回転に達する必要があります。
広い速度制御範囲を実現するには、高性能なサーボ駆動装置と速度制御方法を採用する必要があります。例えば、AC可変周波数速度制御技術を用いることで、モーターの無段階速度制御を実現でき、広い速度制御範囲、高効率、優れた信頼性が得られます。同時に、ベクトル制御や直接トルク制御などの高度な制御アルゴリズムを採用することで、モーターの速度制御性能と効率を向上させることができます。
高い信頼性
数値制御機械の稼働率は非常に高く、24時間連続稼働することも珍しくありません。そのため、信頼性の高い動作が求められます。システムの信頼性は、故障間隔の平均値、つまり故障が発生しない平均時間に基づいて評価されることが多く、この時間が長いほど優れています。
サーボシステムの信頼性を向上させるには、高品質の部品と高度な製造プロセスを採用する必要があります。同時に、サーボシステムの安定した信頼性の高い性能を確保するために、厳格なテストと品質管理を実施する必要があります。さらに、冗長設計と故障診断技術を採用することで、システムのフォールトトレランスと故障診断能力を向上させ、故障発生時に迅速に修復し、マシニングセンターの正常な動作を確保する必要があります。
低速でも大きなトルク
数値制御工作機械は、低速域で重切削を行うことが多いため、切削加工の要求を満たすために、送りサーボシステムは低速域でも大きなトルク出力が求められます。
重切削加工においては、工具とワークピース間の切削力は非常に大きくなります。サーボシステムは、切削力を克服し、加工のスムーズな進行を確保するために十分なトルクを供給できる必要があります。低速高トルク出力を実現するには、高性能サーボ駆動装置とモーターを採用する必要があります。例えば、高トルク密度、高効率、優れた信頼性を備えた永久磁石同期モーターを使用することで、マシニングセンターの低速高トルク要件を満たすことができます。同時に、ダイレクトトルク制御などの高度な制御アルゴリズムを採用することで、モーターのトルク出力能力と効率を向上させることができます。
結論として、マシニングセンターのサーボシステムは数値制御機械の重要な部分であり、その性能はマシニングセンターの加工精度、効率、信頼性に直接影響します。したがって、マシニングセンターの設計・製造においては、サーボシステムの構成と要件を十分に考慮し、サーボシステムの性能と品質を向上させ、現代の製造業の開発ニーズを満たすために、先進的な技術と設備を選択する必要があります。