生産稼働中にフルチルトで稼働する高速工作機械のスピンドルのそばに立ったことがあれば、そこから発せられる鋭く持続的な騒音が単なる煩わしさではなく、効率を損ない、オペレーターの快適性を損ない、さらには行われている作業の精度にさえ影響を与える問題であることをご存知でしょう。工作機械スピンドル用の VFD を専門とするサプライヤーとして、私は何年にもわたって CNC 工作機械工場、自動車部品メーカー、金型製造施設がまさにこの問題を解決できるよう支援してきました。スピンドル システムのノイズの原因が単一であることはほとんどなく、問題を修正するには技術的なノウハウと実世界の経験の組み合わせが必要だからです。
まずはなぜVFD関連のノイズが目立つのかから見ていきましょう。固定速度で動作する従来のラインパワーモーターとは異なり、スピンドル VFD はスピンドルに必要な RPM に合わせて周波数を調整します。この可変動作が、高速フライス加工、穴あけ、精密仕上げなどの作業に不可欠な理由です。しかし、その可変スイッチングにより電気的および機械的ノイズも発生し、スピンドル全体の騒音レベルが増幅される可能性があります。 VFD 設定の単純な設定ミスにより、システムの騒音が 90 dB (掃除機の騒音よりわずかに高い) から 105 dB (チェーンソーと同じくらいの騒音) を超えるのを見たことがあります。幸いなことに、このノイズのほとんどは的を絞った調整で防ぐことができ、多くの修正には高価な機器を交換する必要がありません。
まず、最も見落とされがちな VFD ノイズの電気的側面について話しましょう。 VFD は、電源ケーブルに沿って伝わる高周波スイッチング信号を生成し、ノイズとして放射したり、隣接するコンポーネントに振動を誘発したりする可能性のある電磁干渉 (EMI) を生成します。使用する電源ケーブルの種類と長さは、ここで大きな違いをもたらします。たとえば、VFD からスピンドル モーターまで長い電源ケーブル (たとえば 10 メートル以上) を配線している場合、高周波信号がワイヤに沿って往復して反射し、電気ノイズと物理的振動の両方が増幅されます。私は常に、高速スピンドル VFD アプリケーション向けに特別に評価されたシールド付きツイストペア電源ケーブルを使用することをお勧めします。標準のシールドなしケーブルは EMI を効果的にブロックせず、ノイズがマシンのフレーム内に漏れてしまいます。もう 1 つの重要なステップは接地です。 VFD とスピンドル モーターのアース接続が不十分だとアース ループが発生し、可聴音に変換される余分な電気ノイズが発生します。私は、VFD シャーシのアース ラグをマシンのメイン アース ポイントに締め、モーターのケーシングとマシン ベッドの間に別のアース線を追加するだけで、数十のノイズの多いシステムを修正してきました。これにより、ループが切断され、ほとんどのオペレーターがチューニングを学習しているものの、揺れることができないような低レベルのハムノイズが除去されます。
電気ノイズの低減に関しては、VFD 自体の選択が大きな役割を果たします。工作機械スピンドル用のすべての VFD が同じように構築されているわけではありません。多くの汎用 VFD は高周波フィルタリングを省略しているため、スイッチング ノイズが増加します。そのため、サプライヤーの当社チームは、スピンドル用途向けに特別に設計された、EMI フィルターと正弦波フィルターを内蔵した VFD モデルに焦点を当てています。正弦波フィルターは、VFD の方形波出力を正弦波に近い状態に平滑化し、モーターへの電気的ストレスと可聴ノイズの両方を引き起こす電圧スパイクを低減します。 380V システムで作業するユーザーのために、当社の 380v CNC スピンドル周波数インバータはこれらのフィルタを標準として設計されています。これは、380V が高出力工作機械スピンドルの最も一般的な電圧であり、オペレータの安全を守るために追加のノイズ軽減が必要であることがわかっているためです。私は最近、汎用 VFD から当社の 380v CNC スピンドル周波数インバーターに切り替えた金型工場と仕事をしました。その結果、最初の 1 週間でスピンドルの騒音が 12 dB 削減されました。作業ベイに追加の消音パネルを追加する必要がなくなるほどです。
次に、機械ノイズはスピンドル全体のノイズの最大の原因となることが多く、VFD のプログラム方法と密接に関係しています。 VFD を使用すると、スピンドルの加速率と減速率を設定できます。これらが速すぎると、モーターとスピンドル シャフトに急激なトルク変化が発生し、振動が発生して騒音に変わります。たとえば、私が訪れたショップではスピンドルが 6,000 RPM に達するたびに悲鳴を上げるようになっており、問題は加速ランプが短すぎることが判明しました。オペレータは、2 秒で速度が上昇するデフォルトの VFD 設定のままにしていましたが、スピンドルが 0 RPM から 6,000 RPM までスムーズに移動するには 10 秒の速度上昇が必要でした。それを調整したら、悲鳴は消えました。もう 1 つの機械的トリガーは共鳴です。スピンドルには固有周波数があり、VFD がその周波数と一致する速度で動作すると、大きな振動ハム音が発生します。ここでの修正は、VFD の「スキップ速度」設定を調整することです。これにより、スピンドルが共振周波数に達しないように、スピンドルが回避する RPM の範囲を設定できるようになります。 VFD に数行のプログラミングを追加するだけで、スキップ速度によって、悪質なオペレーターがマシンを別のベイに移動して作業するほどのノイズが除去されるのを見てきました。
VFD とは関係がないように見えますが、機械的な位置合わせも重要な役割を果たします。スピンドル モーターがツール ホルダーまたは機械のドライブ シャフトと完全に位置合わせされていない場合、VFD は速度を維持するためにより懸命に動作する必要があり、振動と騒音が増加します。新しいスピンドル VFD を取り付けるときは、完全な位置合わせチェックを常にお勧めします。0.1mm の位置ずれでもノイズ レベルが 5 dB 増加する可能性があるためです。多くのオペレーターは、VFD が唯一の変数であると考えているため、このステップをスキップしますが、実際には、VFD は機械的欠陥を増幅させます。モーターのバランスがわずかに崩れると、VFD はそれを補うために余分な電流を送り、より多くの電気ノイズを発生させて機械システムに送り込みます。そのため、当社の工作機械スピンドル用 VFD の設置前チェックにはアライメント検証が含まれています。当社では、単に装置を送ってそのまま放置するのではなく、初日からセットアップが最適化されていることを確認します。
見落とされがちなもう 1 つの領域は、VFD の搬送周波数です。キャリア周波数は、VFD が出力を切り替える速度であり、ノイズ レベルに直接影響します。キャリア周波数が高くなると、VFD はよりスムーズなトルクを提供できるようになりますが、オペレーターにとって煩わしい高音のノイズも発生します。キャリア周波数が低いほど静かになりますが、トルクリップルが発生し、特に低速でスピンドルが荒く動作する可能性があります。ほとんどの高速スピンドルのスイートスポットは 8 kHz ～ 12 kHz ですが、これはモーターとマシンのフレームによって異なる場合があります。たとえば、小型の 2.2 kW スピンドルは 10 kHz で最適に動作する可能性がありますが、大型の 15 kW スピンドルでは鋭い高音の鳴き声を避けるために 8 kHz が必要になる場合があります。私は顧客向けにキャリア周波数の調整に何時間も費やしてきましたが、ほとんどの場合、1 ～ 2 kHz の調整で、スピンドルのパフォーマンスを犠牲にすることなく、ノイズを 3 ～ 5 dB 削減できます。これは単純な変更ですが、ほとんどの一般的な VFD マニュアルには記載されていない変更です。そのため、新しい VFD をセットアップするたびに、サポート チームがお客様にこの変更について説明します。
VFD 関連のノイズに関しては、熱も隠れた敵です。 VFDは動作中に大量の熱を発生し、過熱すると失火が始まり、出力が不規則になりノイズが発生します。そのため、VFD 自体とスピンドル モーターの両方にとって、適切な冷却が重要です。多くのショップでは、VFD を密閉した換気のないキャビネットに設置しているため、VFD の内部コンポーネントが発熱し、スイッチング エラーや余分なノイズが発生します。冷却ファンを備えた換気の良いエンクロージャに VFD を設置するか、追加の外部冷却を必要としない統合ヒートシンクを備えた VFD を使用することをお勧めします。当社の工作機械主軸用 VFD モデルには、効率的に熱を放散するアルミニウム製ヒートシンクが搭載されているため、連続的な高負荷運転でも冷却状態が維持され、熱関連ノイズの可能性が低減されます。
電気的、プログラミング、機械的要因に対処したら、さらに小さな調整を行うことで大きな違いが生じる可能性があります。たとえば、残留騒音を吸収するために、機械のフレームやスピンドル ハウジングに消音材を追加することができます。振動伝達を低減するために、スピンドルとマシンベッドの間に独立気泡フォームパッドとゴム製グロメットを使用しました。これらの小さな変更により、さらに 2 ～ 3 dB の騒音低減が可能になります。また、定期的なメンテナンスも重要です。時間の経過とともに、ほこりや破片が VFD のヒートシンクに蓄積して冷却が低下し、スピンドル ベアリングが摩耗して振動や騒音が増加する可能性があります。 VFD の接続とスピンドルの位置を毎月チェックすることで、再発するノイズの問題のほとんどを防ぐことができ、長期的には店舗の時間と費用を節約できます。
私はこれらの修正が実際の顧客に対してどのように機能するかを直接見てきました。昨年、ある精密エンジニアリング会社が当社に相談に来ました。その理由は、同社の 10 kW 高速スピンドルが仕上げフライス加工中に 108 dB に達し、OSHA の騒音制限を超えており、オペレーターの雇用が困難になっていたためです。まず、既存のVFDをチェックすることから始めました。これは正弦波フィルターのない汎用モデルでした。正弦波と EMI フィルターを内蔵した 380v CNC スピンドル周波数インバーターに置き換えることをお勧めします。次に、加速ランプを 2 秒から 12 秒に調整し、スキップ速度を 7,200 RPM (スピンドルの共振周波数) に設定し、モーターとスピンドルの位置を調整しました。また、マシンの筐体に独立気泡フォームの層を追加しました。結果？スピンドルの騒音は限界値を大幅に下回る 95 dB に低下し、スムーズなスピンドル動作により振動が低減されたため、仕上げフライス加工精度は 7% 向上しました。これは、すべての技術的な調整を行う価値があるという具体的な結果です。
ノイズの多いスピンドルに対処している場合、VFD またはスピンドル全体を交換する必要があると考えがちですが、ほとんどの場合、修正はより簡単です。プログラミングを少し調整したり、電気接続を改善したり、スピンドル アプリケーション専用に設計された VFD を使用したりすれば、多額の投資をせずに問題を解決できます。工作機械スピンドル用 VFD のサプライヤーとして、当社の目標は単に機器を販売することではなく、お客様が業務をより効率的に実行し、チームの快適性を維持し、仕事の価値を高める精度を維持できるよう支援することです。高速走行時の鋭い鳴き音や、すべての動作中に持続する低いハム音に対処する場合でも、セットアップに合わせたソリューションがあります。
スピンドルノイズの問題に対処し、VFD セットアップを最適化してパフォーマンスを向上させ、より静かな動作を実現する準備ができている場合は、私たちがお手伝いします。私たちのチームは、騒音関連の問題を解決し、スピンドルの生産性を向上させるために、小規模な作業現場から大規模な自動車製造施設に至るまで、何百もの機械工場と協力してきました。
参考文献
- Machinery's Handbook: Volume 1、Tools、第 31 版、Industrial Press Inc.、2020、スピンドル VFD の操作とノイズ軽減に関するセクション
- 産業機械の EMC 規格、IEC 61800-3: 可変速電力駆動システム、国際電気標準会議、2018 年
- 工作機械スピンドル用 VFD アプリケーション ガイド、オートメーション ダイレクト技術文書、2022 年
- 産業用モーターの騒音と振動の制御、国立労働安全衛生研究所 (NIOSH)、2021 年