NC装置の共振について

Question

宜しくお願いします。

三菱電機製のCNCで小型工作機械を作ってますが、機械納入後1年ほどで半数近いお客様から共振が発生すると連絡があります。
この1年後に1回設定したら次は移設でもしない限り起こりません。

メーカーに確認したところ、最初に作った機械で共振周波数を見付け、以降の機械はそれと同じ周波数を設定して下さい。との回答でした。
しかし、同じ機械を作る事も少ないのと、同じ機械であっても予め設定した周波数でも共振が発生し、結局違う周波数に設定したら直った事もあります。
一度、出荷前にテストで300Hzに設定したら共振する機械があったのですが、納入後に共振が発生したので300Hzに設定したら共振が止まった装置もありました。

装置はX-Yクロステーブルで、下がY軸、その上にX軸が乗ってます。
今までの9割以上はX軸で発生してます。
ストロークは200～600mm程度で、搭載パレットサイズなどが毎回違います。(リピート以外)
モーターは300W/450W/500Wクラスです。
モーターとボールネジの接続はオルダム式のカップリングを使用しています。
ボールネジはリード6～10mmで、径は20mmくらいです。

私としては共振が起こらない機械にしたいだけなので、下記の内容が知りたいと思っております。
1.出荷前に発生しうる共振周波数を見付けられるのか？
2.共振が起こらないメカ構造に出来るのか？
3.昔、同じような機械構造で、安川製のCNCでは起こらなかったのはなぜか？
4.ファナック等、その他のCNCでは起こらないのか？

何かご存知の方がいらっしゃいましたら、小さな情報でも構いませんので教えて頂ければ助かります。
宜しくお願いします。

色々調べていたら「設備診断」で共振を測定する機器があるようですね。
この測定器で共振周波数が分かるのでしょうか？
併せてお分かりになる方がいらっしゃいましたら、どうぞ宜しくお願いします。

Answer

とりあえず、調整がうまくいったようでよかったですね。
　
　モータメーカのフィールドエンジニアも意外に制御の知識が乏しかったりすることが多々あるようです。最近のサーボドライバはオートチューニング機能が当たり前に載っているので、機能のオペレーションとしてしか覚えない人が多いせいかもしれないですね。
　ＣＮＣやドライバの取説に、内部のブロック線図が載っていると思います。これらを少しずつ解読していくことをおすすめします。自分も精密位置決めを仕事のメインテーマとしていますが、機構の剛性とアクチュエータの周波数応答が把握できていれば、ブロック線図をもとに、ある程度机上でのゲイン推定が可能と思います。
　以上、今後の参考にしてみて下さい。

Answer

スレを残す件は全く問題ないですよ。
　来月の装置立ち上げも、うまくいくことを期待しています。
　ガンバって下さい。

Answer

自分も少し出張で間を開けてしまい、申し訳ありません。
　また、早速文献を手に入れられたようで、なによりです。

最初のご質問の内容から、機械系の技術者の方と思っていましたが、電気系がご専門のようですね。
　自分自身は機械系出身で、ずっと電気系との接点にあたる分野で仕事をしてきましたが、実は自分自身も機械振動はあまり得意な方でなかったですね。ただ自分の経験から思うのは、どちらかというと理論的な解釈は電気系出身の人のほうが交流回路理論に倣って考えれば非常にとっつきやすいということです。交流回路と機械振動の理論的な相似関係に注目されるといいと思います。

私の今の専門と比較的近い分野でもあるようですし、いつかじっくりお話しできるといいかも知れませんね。
　こちらこそ、今後とも宜しくお願いします。

Answer

先日補足で書いた文献の他に、日本機械学会から

”JSMEテキストシリーズ　振動学”
”JSMEテキストシリーズ　制御工学”

あたりも分かりやすくていいと思います。

Answer

まず、測定器に関しては、例えば小野測器のDS-2000＋加速度ピックアップなどが測定器として挙げられますし、他にもいろいろあると思います。小型の３軸ピックアップなどを複数用いれば、モード形状を特定することも可能です。
　
　機械系の共振で、質問の内容からすれば最初はよかったのに何らかの経時変化から共振が起き始めるということのようですね。例えばボールネジのベアリングと軸、またはハウジングの拘束は確実ですか？　フレッチングの進行で微妙にはめあい部の接触状態が変わり、機構周りの共振周波数が変化するのはよく考えられることですが、もともと出荷段階の調整でも振動的なのかもしれません。
　
　質問の回答ですが、

１．機械系の共振周波数は上で述べた測定器を用いなくても、例えば位置偏差の時間変化を観測できれば計測することが可能です。ただし、これはサーボドライバやＣＮＣコントローラのモニタ機能や性能によってどこまで見えるかが決まります。周波数の上限は、”サンプリングの定理”　を満たす範囲に限定されるためです。
　また、機構設計の段階でCAEを用いるのも有効です。実機データの蓄積と解析の両輪が必要ですが、共振周波数の設計段階での把握には必要な技術です。

２．共振発生とその抑制は、あくまでも機械の振動特性＋運動制御の複合的な問題です。機構には必ず複数の機械的な共振周波数が存在し、機構設計上はまず常用する振動帯域から共振周波数を避けるように機械の振動特性を設定します。回転軸の危険速度の設計は、本質的にこの議論と同じです。そのほか、案内機構と駆動力点の配置を工夫して、不要なモーメントが発生しないようにするのも工夫のひとつです。
　
　次に、制御側から対策可能な内容の本質は、機械系の共振周波数を刺激しないように駆動することです。一般的に行われるのはノッチフィルタの設定ですが、これは機械系の共振周波数に近い周波数成分の駆動力をカットすることですし、そのほか加減速のプロファイルを機械系の特性を考慮して決定するのはサブミクロン以上の位置決め用途ではよく行うことです。

３．４．メーカーを替えると機械系の挙動が変化するのは、単にコントローラだけの問題でもなく、サーボドライバ内部の電流分解能や演算速度でも影響を受けます。また同じメーカーでも、サーボモータのシリーズによって応答周波数が雲泥の差・・・　というのもよくある話です。また、コントローラ側でも同様に内部演算の速度が違うでしょうから、結果的に機械系の挙動が変わるのは十分起こり得ます。

”共振が起こらない機械にしたい”　と質問にはありますが、正しい解釈は　”必要な帯域に共振周波数が存在しない”　ということになります。また共振周波数と固有周波数を混同している人や資料が多いですし、制御理論との接点でもあるので、機械振動の理論を少しずつ勉強されることをおすすめします。

今まで相当な数の本を読んできましたが、機械振動学の関係で比較的読みやすいと個人的に思っているのは、以下の２冊でしょうか。

振動工学の基礎　（コロナ社）
　機械振動学　（工業調査会）

また、機構全般に関しては、これが非常にわかりやすいと思います。

超精密システムの設計技術　（コロナ社）

自分はもともとサーボモータの設計から始まって、今では精密位置決めの機構やそのためのソフトウェアサーボ系の開発を担当しています。若手の連中にもいろいろと教科書をあてがう意味で文献を読ませていますが、”即効性”　のある本はなかなかなくて、結局のところは自分が書いた論文・資料を教科書にしていることが大半かも知れません。

NC装置の共振について