CNC 旋盤、フライス盤、またはルーターが正確な切削を行う様子を見たことがある人なら、おそらくスピンドルが 1 つの固定速度で回転するだけではないことに気づいたでしょう。軽いアルミニウムの切断では高速に立ち上がり、深いスチールの溝ではゆっくりとした安定したペースに戻し、ネジ山をタッピングする場合は逆方向に切り替えることもできます。すべてが瞬く間に行われます。この柔軟性は単なる優れた機能ではありません。これにより、最新の工作機械が正確かつ効率的になり、航空宇宙部品のプロトタイピングからカスタム木製家具の製作まであらゆる作業に対応できる多用途性が実現しました。このスピンドルのスムーズでダイナミックなパフォーマンスの背後には、ほとんどのオペレーターが立ち止まって考えない主力製品、それが可変周波数ドライブ (VFD) です。工作機械スピンドル用 VFD のサプライヤーとして、私は毎週、VFD が魔法を実現することは知っているものの、その方法については完全にはわかっていない機械工場のオーナーやオペレーターと話をしています。そこで今日は、これらのドライブの中核となる動作原理を説明します。過度に専門用語は使わず、ショップにとって重要な実際の日常的な事柄だけを取り上げます。
まず、おそらくすでにご存知の基本的なことから始めましょう。ほとんどの工作機械のスピンドル モーターは AC (交流) モーターです。昔は、スピンドルの速度を変更したい場合は、モーター シャフトのプーリーやギアを交換する必要がありましたが、扱いにくく、時間がかかり、また固定速度は数種類しかありませんでした。 VFD では、CNC コントロールをタップするだけで、その場でデジタル的に速度を調整できるようになり、すべてが変わりました。しかし、どうやって？ここで重要なのは、AC モーターの速度はランダムではないということです。それは、モーターに供給される電力の周波数とモーター内の磁極の数という 2 つのことに関係しています。式は単純ですが、速度 = (120 × 周波数) / 極数という VFD のすべての動作の基礎となります。たとえば、スピンドル モーターに 4 極がある場合、標準の 60Hz 電源 (北米のほとんどで使用されているもの) で動作させると、1,800 RPM の固定速度が得られます。その周波数を 120Hz まで上げると、3,600 RPM にジャンプします。プーリー交換は必要ありません。それが核心ですが、工作機械のスピンドルについて話す場合、通常の HVAC ファンやコンベア ベルト VFD よりもはるかに高い精度と信頼性が必要となります。
ここで、通常の VFD と工作機械スピンドル専用に構築された VFD の仕組みを混同する人がほとんどです。基本的な VFD (倉庫のフォークリフトやオフィスのエレベーターのドアに電力を供給するものなど) は、軽い負荷に合わせて速度を調整するように設計されていますが、スピンドルは継続的に大きなストレスにさらされており、金属、プラスチック、または木材を切断するため、遅延や不整合が部品を台無しにする可能性があります。だからこそ私たちの工作機械主軸用VFDは異なる方法で構築されており、標準の VFD にはない機能が備わっています。工場に供給される電力からスピンドル自体の回転に至るまで、このタイプの VFD がどのように機能するかを段階的に説明します。
最初のステップ: 固定回線の AC 電源を取り込みます。工作機械を壁に接続すると、安定した電力が供給されます。ほとんどの工場では、地域に応じて 3 相 380 V または 480 V のライン電力が供給されます。その電力は固定周波数 (通常は 50Hz または 60Hz) と固定電圧です。標準的な VFD は周波数を調整するだけですが、スピンドルはバランスを保つために電圧も必要です。 VFD の内部構造を詳しく見てみましょう。整流器、DC リンク、インバーターの 3 つの主要部分です。
まずは整流器。その仕事は、入力 AC 電力を受け取り、それを直流 (DC) に変換することです。大きなコンデンサを見たことがあるなら、それはここの整流段の一部です。 DC リンク (VFD の中央部分) は、その DC 電力を蓄え、バッファーのように機能します。これは重要です。なぜなら、スピンドルの回転速度が速くなったり、突然大きな切削が行われたとき (鋼部品の硬い箇所に当たるなど)、DC リンクがその蓄えられた電力を解放してサージに対応できるためです。電圧低下や失速、工具の破損は発生しません。工作機械のスピンドルにとって、このバッファは単に便利なだけではありません。それは交渉の余地のないものです。通常の VFD は重切削中に深く沈み込みすぎるため、スピンドルの速度が不均一になり、粗い切削や工具の破損につながる可能性があります。私たちの380v CNC スピンドル周波数インバーターは、加工に伴う急激な負荷変化に特化して設計された特大 DC リンクを備えているため、心配する必要はありません。
最後の 3 番目の部分はインバーターです。ここで速度調整の魔法が実際に行われます。整流器は入力 AC を DC に変換し、今度はインバーターがその DC を受け取って AC に戻します。ただし、壁からの同じ固定された安定した AC ではありません。 CNC コードに基づいて、指定された周波数と電圧でカスタム AC 電源を生成します。その仕組みは次のとおりです。インバータの内部には、多数のトランジスタがあります (最新のものは IGBT、または絶縁ゲート バイポーラ トランジスタで、古い部品よりもはるかに高速で効率的です)。これらのトランジスタは、1 秒間に数千回という非常に高速なスイッチのオンとオフを繰り返して、一連の小さな AC パルスを生成し、合計すると滑らかで連続的な AC 波形になります。トランジスタのスイッチングが速くなると、生成される AC 電力の周波数が高くなり、スピンドルの回転が速くなります。
ちょっと待ってください。でも、なぜ電圧も調整するのでしょうか?速度に関する古い公式を思い出してください。ただし、ここにはもう 1 つのルールがあります。AC モーターが過熱したり損傷したりすることなくスムーズに動作するには、電圧と周波数の比 (V/f) が一定に保たれなければなりません。モーターを低周波数 (低速) で動作させる場合、過熱を引き起こすモーターコアの過度の磁化を避けるために必要な電圧が低くなります。高周波数で動作する場合、重い負荷を処理するために十分な電力をモーターに送り込むために、より多くの電圧が必要になります。標準的な VFD は固定 V/f 比を使用することがよくありますが、工作機械では主軸負荷が大きく変化するため、可変 V/f が必要です。これはスピンドル固有の VFD のもう 1 つの重要な機能です。周波数に加えて電圧を調整するようにプログラムできるため、低速では適切な量の電力が供給され、高速では、深い切削中にスピンドルの回転を強力に保つのに十分な電圧が上昇します。そのため、12,000 RPM のミルを 1,000 RPM で稼働させても、途切れや過熱がなく、粗いカットを行うことができます。
さて、スピンドル VFD と標準 VFD の違いについて話しましょう。多くのショップが間違った部品を購入してお金を無駄にしているのはそこだからです。よく見かけるのですが、あるショップが安価な汎用VFDを安いという理由で購入すると、1か月も経たないうちにスピンドルから異音が発生したり、ベアリングが早く摩耗したり、工具が破損したりするのです。なぜ？工作機械のスピンドルは、他のほとんどの産業用モーターよりもはるかに高速で動作します。20,000 RPM、30,000 RPM、一部の特殊工具ではさらに高速になります。一般的な VFD は、たとえば 1,800 Hz までしか処理できないように設計されていますが、当社のスピンドル VFD は最大 400 Hz (高速アプリケーションの場合はそれ以上) まで対応できるため、モーターに余分なストレスをかけることなく、超高速 RPM に達することができます。また、応答時間もはるかに速くなります。たとえば、CNC 制御がスピンドルに 0.5 秒で 10,000 RPM まで速度を上げるように指示した場合、VFD は遅れません。その波形を即座に調整するので、カットに遅れが生じません。
もう一つの大きな点はトルク制御です。トルクは基本的に、材料を切断するためにスピンドルが必要とする「ねじれ」です。スピンドルがステンレス鋼に深さ 2 インチのスロットを切削する場合、アルミニウムに小さな穴を開ける場合よりもはるかに多くのトルクが必要です。優れたスピンドル VFD はリアルタイムでトルクを調整できるため、スピンドルが硬い箇所に当たった場合、速度が低下することなく、適切な速度で回転を続けるために自動的に電力が追加されます。一般的な VFD ではそれができません。失速するか速度が上がりすぎて、カットが台無しになってしまいます。私たちが構築したのは、工作機械主軸用VFDVFD が対応できずに部品を廃棄することにうんざりしていた何百人もの機械工からのフィードバックに基づいた、正確なダイナミック トルク制御を備えています。
単なる理論ではないように、実際の例を使ってこれをまとめてみましょう。 CNC 旋盤を稼働させてアルミニウムの自動車部品を加工しているとします。まずは大まかな切断から始めます。アルミニウムは切断速度が速く、大量の材料を除去するため、スピンドルを 3,000 RPM で回転させる必要があります。 CNC は VFD に「周波数を 100 Hz、電圧を 240 V に設定してください」という信号を送信します。整流器は 380V の入力 AC を DC に変換し、DC リンクに送信します。インバーターの IGBT は、モーターが 3,000 RPM で必要とする V/f 比に一致する、240 V で 100 Hz AC を生成するレートでスイッチングを開始します。スピンドルはスムーズに回転を開始し、過熱することなく重い荒加工を処理します。次に、仕上げカットに切り替えます。10,000 RPM だけで非常に滑らかな表面が得られます。 CNC コントロールをタップして速度を調整すると、VFD が即座に周波数を 333 Hz までクランクし、電圧を調整して比率を適切に保ちます。スピンドルは 1 秒以内に 10,000 RPM にジャンプし、ぎくしゃくしたり振動したりすることもないので、仕上げのカットは完璧です。タッピング操作で逆転する必要がある場合、インバータは波形の極性を反転するだけで、設定した正確な速度でスピンドルが逆回転します。スイッチやギアを操作する必要はありません。
ちょっと待って、ここで解決すべき一般的な誤解はありますか?はい、大きな問題です。高速スイッチングのトランジスタが電気的な「ノイズ」 (dv/dt ノイズと呼ばれます) を生成するため、VFD がモーターに損傷を与えるのではないかと考える人もいます。このノイズによりモーター巻線に余分な熱が発生し、時間の経過とともに絶縁体が摩耗する可能性があります。しかし、スピンドル固有の VFD は、インバーターとモーターの間にフィルター技術を追加することでこの問題を解決し、電圧パルスが鋭くないように平滑化します。当社の VFD にはそれが組み込まれているため、追加のフィルターを購入したり、スピンドル モーターを破損するリスクを負ったりする必要はありません。一般的な VFD はコスト削減のためにそれを省略することが多いため、スピンドルに使用すると故障が早くなります。
もう 1 つの質問は、「専用スピンドル VFD は本当に必要ですか? それとも通常の VFD を使用できますか?」という質問です。軽い趣味の作業を行うだけであれば、一般的な VFD で十分な仕事ができるかもしれませんが、生産工場を経営している場合、大量の部品を加工している場合、またはスチールやチタンなどの硬質材料を扱っている場合、スピンドル VFD はただあれば便利というだけでなく、不可欠なものです。追加機能 (ダイナミック トルク、高周波数範囲、ノイズ フィルタリング) により、スピンドルの寿命が長くなり、工具の破損が減り、スクラップが減り、サイクル タイムが短縮されます。お客様が安価な VFD から当社の VFD に切り替えたことがあります。380v CNC スピンドル周波数インバーター最初の 1 か月間だけで工具の摩耗が 30% 削減されました。これは実質的なお金の節約になります。
さて、これを読んでいるあなたが、店に古い VFD がいっぱいで頭痛の種になっている場合、または新しい CNC マシンを装備していて、最初から適切なドライブを確実に入手したいと考えている場合は、ここが私がお手伝いできるところです。当社は、万能の VFD を販売しているわけではありません。機械工、店舗マネージャー、さらには CNC 技術者と協力して、必要なスピンドル速度範囲、電圧、負荷容量を正確に把握しています。そのため、必要のない機能にお金を払ったり、必要な機能をケチったりすることはありません。小型の 3 軸フライス盤を稼働している場合でも、大型の 5 軸マシニング センターを稼働している場合でも、当社は特定のワークロードを処理できるように構築された工作機械スピンドル用の VFD を用意しています。
金属を切断するためではなく、ボックスを移動するために作られたドライブに時間とお金を無駄にしないでください。スピンドルのパフォーマンスをアップグレードする準備ができている場合、またはどの VFD がマシンに適しているかについて質問がある場合は、今すぐ当社のチームに連絡して、ニーズについて話し合ってください。私たちは機械工でもあります。そのため、仕様だけでなく、ダウンタイムを減らし、より完璧な部品を使用して、工場の運営をよりスムーズにするための必要なものを提供します。
参考文献
- ボーズ、BK「最新のパワー エレクトロニクスと AC ドライブ」。プレンティス・ホール、2002年。
- スピンドル技術協会「高速スピンドルドライブの基礎」機械加工科学ジャーナル、Vol. 14、No.2、2019、45-52ページ。
- アレン・ブラッドリーの産業オートメーション。 「工作機械用の可変周波数ドライブ: 設計とアプリケーションのガイドライン」。 2021年。
- 米国規格協会。 「産業機械用交流可変周波数ドライブ」 ANSI 規格 C84.1-2020。