《CNC工作機械の振動除去方法》
CNC工作機械は現代の工業生産において重要な役割を果たしています。しかしながら、振動問題はオペレーターやメーカーをしばしば悩ませています。CNC工作機械の振動の原因は比較的複雑です。機械面では、除去不可能な伝達ギャップ、弾性変形、摩擦抵抗といった多くの要因に加え、サーボシステムの関連パラメータの影響も重要な側面となります。そこで、CNC工作機械メーカーがCNC工作機械の振動を解消するための方法を詳しくご紹介します。
I. 位置ループゲインの低減
比例積分微分制御器は、CNC工作機械において重要な役割を果たす多機能制御器です。電流信号と電圧信号に比例ゲインを効果的に適用できるだけでなく、出力信号の遅れや進みの問題も調整できます。出力電流と出力電圧の遅れや進みが原因で、発振障害が発生することがあります。このような場合、PID制御を用いて出力電流と出力電圧の位相を調整することができます。
位置ループゲインは、CNC工作機械の制御システムにおける重要なパラメータです。位置ループゲインが高すぎると、システムは位置誤差に対して過度に敏感になり、振動が発生しやすくなります。位置ループゲインを下げると、システムの応答速度が低下し、振動の可能性を低減できます。
位置ループゲインを調整する際には、工作機械の機種や加工要件に応じて適切に設定する必要があります。一般的には、位置ループゲインをまず比較的低いレベルに下げ、その後、工作機械の動作を観察しながら徐々に上げ、加工精度の要件を満たし、振動を回避できる最適な値を見つけます。
比例積分微分制御器は、CNC工作機械において重要な役割を果たす多機能制御器です。電流信号と電圧信号に比例ゲインを効果的に適用できるだけでなく、出力信号の遅れや進みの問題も調整できます。出力電流と出力電圧の遅れや進みが原因で、発振障害が発生することがあります。このような場合、PID制御を用いて出力電流と出力電圧の位相を調整することができます。
位置ループゲインは、CNC工作機械の制御システムにおける重要なパラメータです。位置ループゲインが高すぎると、システムは位置誤差に対して過度に敏感になり、振動が発生しやすくなります。位置ループゲインを下げると、システムの応答速度が低下し、振動の可能性を低減できます。
位置ループゲインを調整する際には、工作機械の機種や加工要件に応じて適切に設定する必要があります。一般的には、位置ループゲインをまず比較的低いレベルに下げ、その後、工作機械の動作を観察しながら徐々に上げ、加工精度の要件を満たし、振動を回避できる最適な値を見つけます。
II. 閉ループサーボシステムのパラメータ調整
セミクローズドループサーボシステム
一部のCNCサーボシステムでは、セミクローズドループデバイスが使用されています。セミクローズドループサーボシステムを調整する際には、ローカルセミクローズドループシステムが振動しないことを確認する必要があります。フルクローズドループサーボシステムでは、ローカルセミクローズドループシステムが安定していることを前提にパラメータ調整を行うため、調整方法は両者に共通しています。
セミクローズドループサーボシステムは、モーターの回転角度または速度を検出することで、工作機械の位置情報を間接的にフィードバックします。パラメータを調整する際には、以下の点に注意する必要があります。
(1) 速度ループパラメータ：速度ループゲインと積分時定数の設定は、システムの安定性と応答速度に大きな影響を与えます。速度ループゲインが高すぎるとシステム応答が速くなりすぎて振動が発生しやすくなります。一方、積分時定数が長すぎるとシステム応答が遅くなり、処理効率に影響を与えます。
（2）位置ループパラメータ：位置ループゲインとフィルタパラメータを調整することで、システムの位置精度と安定性を向上させることができます。位置ループゲインが高すぎると発振が発生し、フィルタはフィードバック信号内の高周波ノイズを除去し、システムの安定性を向上させることができます。
フルクローズドループサーボシステム
フルクローズドループサーボシステムは、工作機械の実際の位置を直接検出することで、正確な位置制御を実現します。フルクローズドループサーボシステムを調整する際には、システムの安定性と精度を確保するために、パラメータをより慎重に選択する必要があります。
フルクローズドループサーボシステムのパラメータ調整には、主に次の側面が含まれます。
(1) 位置ループゲイン：セミクローズドループシステムと同様に、位置ループゲインが高すぎると発振につながります。しかし、フルクローズドループシステムは位置誤差をより正確に検出するため、位置ループゲインを比較的高く設定することでシステムの位置精度を向上させることができます。
（2）速度ループパラメータ：速度ループゲインと積分時定数の設定は、工作機械の動特性と加工要件に応じて調整する必要があります。一般的に、速度ループゲインはセミクローズドループシステムよりもわずかに高く設定することで、システムの応答速度を向上させることができます。
(3) フィルタパラメータ：フルクローズドループシステムはフィードバック信号のノイズに対してより敏感であるため、ノイズを除去するために適切なフィルタパラメータを設定する必要があります。フィルタの種類とパラメータの選択は、具体的なアプリケーションシナリオに応じて調整する必要があります。
セミクローズドループサーボシステム
一部のCNCサーボシステムでは、セミクローズドループデバイスが使用されています。セミクローズドループサーボシステムを調整する際には、ローカルセミクローズドループシステムが振動しないことを確認する必要があります。フルクローズドループサーボシステムでは、ローカルセミクローズドループシステムが安定していることを前提にパラメータ調整を行うため、調整方法は両者に共通しています。
セミクローズドループサーボシステムは、モーターの回転角度または速度を検出することで、工作機械の位置情報を間接的にフィードバックします。パラメータを調整する際には、以下の点に注意する必要があります。
(1) 速度ループパラメータ：速度ループゲインと積分時定数の設定は、システムの安定性と応答速度に大きな影響を与えます。速度ループゲインが高すぎるとシステム応答が速くなりすぎて振動が発生しやすくなります。一方、積分時定数が長すぎるとシステム応答が遅くなり、処理効率に影響を与えます。
（2）位置ループパラメータ：位置ループゲインとフィルタパラメータを調整することで、システムの位置精度と安定性を向上させることができます。位置ループゲインが高すぎると発振が発生し、フィルタはフィードバック信号内の高周波ノイズを除去し、システムの安定性を向上させることができます。
フルクローズドループサーボシステム
フルクローズドループサーボシステムは、工作機械の実際の位置を直接検出することで、正確な位置制御を実現します。フルクローズドループサーボシステムを調整する際には、システムの安定性と精度を確保するために、パラメータをより慎重に選択する必要があります。
フルクローズドループサーボシステムのパラメータ調整には、主に次の側面が含まれます。
(1) 位置ループゲイン：セミクローズドループシステムと同様に、位置ループゲインが高すぎると発振につながります。しかし、フルクローズドループシステムは位置誤差をより正確に検出するため、位置ループゲインを比較的高く設定することでシステムの位置精度を向上させることができます。
（2）速度ループパラメータ：速度ループゲインと積分時定数の設定は、工作機械の動特性と加工要件に応じて調整する必要があります。一般的に、速度ループゲインはセミクローズドループシステムよりもわずかに高く設定することで、システムの応答速度を向上させることができます。
(3) フィルタパラメータ：フルクローズドループシステムはフィードバック信号のノイズに対してより敏感であるため、ノイズを除去するために適切なフィルタパラメータを設定する必要があります。フィルタの種類とパラメータの選択は、具体的なアプリケーションシナリオに応じて調整する必要があります。
III.高周波抑制機能の採用
上記は低周波振動に対するパラメータ最適化手法についてです。CNC工作機械のCNCシステムは、機械部品の振動要因により高周波高調波を含むフィードバック信号を生成することがあります。これにより出力トルクが一定でなくなり、振動が発生します。このような高周波振動が発生する状況では、速度ループに一次ローパスフィルタリンク、つまりトルクフィルタを追加することができます。
トルクフィルタは、フィードバック信号内の高周波高調波を効果的に除去し、出力トルクの安定性を高め、振動を低減します。トルクフィルタのパラメータを選択する際には、以下の要素を考慮する必要があります。
(1) カットオフ周波数：カットオフ周波数は、フィルタの高周波信号に対する減衰度合いを決定します。カットオフ周波数が低すぎるとシステムの応答速度に影響し、高すぎると高周波高調波を効果的に除去できなくなります。
（2）フィルタの種類：一般的なフィルタの種類には、バターワースフィルタ、チェビシェフフィルタなどがあります。異なるタイプのフィルタは異なる周波数応答特性を持ち、特定のアプリケーションシナリオに応じて選択する必要があります。
（3）フィルタ次数：フィルタ次数が高いほど高周波信号に対する減衰効果は向上しますが、同時にシステムの計算負荷も増加します。フィルタ次数を選択する際には、システムの性能と計算リソースを総合的に考慮する必要があります。
上記は低周波振動に対するパラメータ最適化手法についてです。CNC工作機械のCNCシステムは、機械部品の振動要因により高周波高調波を含むフィードバック信号を生成することがあります。これにより出力トルクが一定でなくなり、振動が発生します。このような高周波振動が発生する状況では、速度ループに一次ローパスフィルタリンク、つまりトルクフィルタを追加することができます。
トルクフィルタは、フィードバック信号内の高周波高調波を効果的に除去し、出力トルクの安定性を高め、振動を低減します。トルクフィルタのパラメータを選択する際には、以下の要素を考慮する必要があります。
(1) カットオフ周波数：カットオフ周波数は、フィルタの高周波信号に対する減衰度合いを決定します。カットオフ周波数が低すぎるとシステムの応答速度に影響し、高すぎると高周波高調波を効果的に除去できなくなります。
（2）フィルタの種類：一般的なフィルタの種類には、バターワースフィルタ、チェビシェフフィルタなどがあります。異なるタイプのフィルタは異なる周波数応答特性を持ち、特定のアプリケーションシナリオに応じて選択する必要があります。
（3）フィルタ次数：フィルタ次数が高いほど高周波信号に対する減衰効果は向上しますが、同時にシステムの計算負荷も増加します。フィルタ次数を選択する際には、システムの性能と計算リソースを総合的に考慮する必要があります。
さらに、CNC 工作機械の振動をさらに排除するために、次のような対策も講じることができます。
機械構造の最適化
工作機械のガイドレール、リードスクリュー、ベアリングなどの機械部品を点検し、取り付け精度とはめあいクリアランスが要件を満たしていることを確認してください。摩耗が激しい部品は、適時に交換または修理してください。同時に、工作機械のカウンターウェイトとバランスを適切に調整し、機械振動の発生を低減してください。
制御システムの耐干渉能力を向上させる
CNC工作機械の制御システムは、電磁干渉、電力変動などの外部干渉の影響を受けやすいです。制御システムの耐干渉能力を向上させるために、次の対策を講じることができます。
（１）電磁干渉の影響を低減するためにシールドケーブルおよび接地対策を採用する。
（２）電源電圧を安定させるために電源フィルタを設置する。
（３）制御システムのソフトウェアアルゴリズムを最適化し、システムの耐干渉性能を向上させる。
定期的なメンテナンスと維持
CNC工作機械は定期的にメンテナンスと保守を行い、工作機械の各部を清掃し、潤滑システムと冷却システムの動作状態を確認し、摩耗した部品と潤滑油を適時に交換してください。これにより、工作機械の安定した性能が確保され、振動の発生を低減できます。
機械構造の最適化
工作機械のガイドレール、リードスクリュー、ベアリングなどの機械部品を点検し、取り付け精度とはめあいクリアランスが要件を満たしていることを確認してください。摩耗が激しい部品は、適時に交換または修理してください。同時に、工作機械のカウンターウェイトとバランスを適切に調整し、機械振動の発生を低減してください。
制御システムの耐干渉能力を向上させる
CNC工作機械の制御システムは、電磁干渉、電力変動などの外部干渉の影響を受けやすいです。制御システムの耐干渉能力を向上させるために、次の対策を講じることができます。
（１）電磁干渉の影響を低減するためにシールドケーブルおよび接地対策を採用する。
（２）電源電圧を安定させるために電源フィルタを設置する。
（３）制御システムのソフトウェアアルゴリズムを最適化し、システムの耐干渉性能を向上させる。
定期的なメンテナンスと維持
CNC工作機械は定期的にメンテナンスと保守を行い、工作機械の各部を清掃し、潤滑システムと冷却システムの動作状態を確認し、摩耗した部品と潤滑油を適時に交換してください。これにより、工作機械の安定した性能が確保され、振動の発生を低減できます。
結論として、CNC工作機械の振動を抑制するには、機械的要因と電気的要因を総合的に考慮する必要があります。サーボシステムのパラメータを適切に調整し、高周波抑制機能を採用し、機械構造を最適化し、制御システムの耐干渉性を向上させ、定期的な保守とメンテナンスを実施することで、振動の発生を効果的に低減し、工作機械の加工精度と安定性を向上させることができます。