セミクローズド制御のままでも、50個加工後にボールねじが最大120µmも熱膨張して不良品が出ます。
金属加工の現場では、サーボ制御の方式が加工精度に直結します。多くのマシニングセンタで採用されている「セミクローズドループ方式」は、ACサーボモータの回転軸またはボールねじに取り付けたロータリエンコーダで回転角度を検知し、そこからテーブルや主軸頭の位置を「間接的に」推定する制御です。
構造がシンプルで応答性も高いため普及していますが、根本的な弱点があります。ボールねじのピッチ誤差・バックラッシュ・熱膨張などの機械的誤差が、そのまま加工精度に影響するという点です。
つまり、ボールねじが原因です。
「フルクローズドループ方式（フルクローズド制御）」は、テーブルやサドルなど実際に動く機械端に直接リニアエンコーダ（リニアスケール）を取り付け、その位置をリアルタイムに検出してフィードバックします。モータ側ではなく、機械の実際の動きを直接見ているため、ボールねじの誤差・熱膨張・バックラッシュを含めた「現実の位置ずれ」をそのまま補正できます。
これが原則です。
位置制御の視点で整理すると、セミクローズドでは「モータが指定角度まで回ったか」を管理しているのに対し、フルクローズドでは「テーブルが指定位置まで実際に動いたか」を管理しています。この差が、加工精度として数値に現れます。
芝浦工業大学の澤武一教授が解説するように、フルクローズドは運動体の実際の位置を検出するため、指令値と実際値の誤差が発生しにくく、0.0001mm（0.1µm）単位の高精度位置検出が可能です。主に超精密マシニングセンタや、精度要求が厳しい金属加工工程で採用されています。
マシニングセンタの基礎講座 – 運動軸の制御方式（モノタロウ）：セミクローズドとフルクローズドの違いを図解で解説しています
金属加工の現場で見落とされがちな事実があります。それが「ボールねじの熱膨張」による精度劣化です。Renishawが実施した検証テストでは、高品質なCNC立形マシニングセンタを使って、セミクローズドとフルクローズドの精度差を数値で比較しました。
結果は明確でした。
ワーク1個加工後の時点で、セミクローズドループではボールねじの熱膨張によって位置決め精度が約15µmずれていました。一方、フルクローズドループ（リニアエンコーダON）では、室温時とほぼ同等の精度を維持していました。
さらに同じワークを50個加工した後では、セミクローズドでは約120µmの誤差が発生しています。120µmというのは、0.12mmです。たとえば直径10mmのシャフトの公差を±0.05mmに設定していた場合、これだけで基準値をはるかに超えます。フルクローズドでは、50個加工後でも誤差が15µm以内に収まっていました。
数字の差は8倍です。
この差が生じる理由はシンプルです。ボールねじは加工中の摩擦熱によって膨張します。膨張量は加工時間が長くなるほど蓄積されていき、セミクローズドではそれを「誤差」として検出できません。一方フルクローズドは、リニアエンコーダが機械端の実際の変位を直接計測するため、熱膨張をリアルタイムに補正できます。
意外ですね。
精度の高いボールねじを使っていても、長時間の量産加工では熱膨張の影響からは逃れられません。フルクローズドにすることで、精密ボールねじのコストをかけずに同等以上の精度を維持できる場合があります。この視点は、設備投資の判断にも関係します。
Renishaw：CNC工作機械においてボールねじの熱が精度に及ぼす影響｜フルクローズドとセミクローズドの精度比較データが掲載されています
三菱電機のサーボシステム「MELSERVO」では、MR-J4シリーズ・MR-J5シリーズの両方で標準からフルクローズド制御に対応しています。ここを正しく理解することが、現場での機種選定ミスを防ぐ第一歩です。
まずMR-J4シリーズについてです。MR-J4-B/MR-J4-A/MR-J4-GFなどは標準でフルクローズド制御に対応しており、2線式シリアルリニアエンコーダとの接続が可能です。ただし、4線式シリアルおよびABZ相差動出力タイプのエンコーダを使う場合は、MR-J4-GF-RJ/MR-J4-B-RJ/MR-J4-A-RJのように「-RJ」サフィックスの付いたモデルが必要になります。ここが一つの注意ポイントです。
また、MR-J4-DU\_B4-RJ100・MR-J4W3-B・MR-J4-03A6など一部モデルはフルクローズド制御に非対応です。カタログのスペック欄を確認する習慣が条件です。
MR-J5シリーズでは、MR-J5-G/MR-J5W2-G/MR-J5D1-G4/MR-J5D2-G4/MR-J5-B/MR-J5W2-B/MR-J5-Aが標準でフルクローズド制御に対応しています。J5世代では26bitの高分解能エンコーダを搭載し、通信規格はCC-Link IE TSNにも対応しています。2.5kHzという高い速度周波数応答により、高速・高精度な運転が可能です。
これは使えそうです。
MR-J5シリーズにはクイックチューニング機能が追加されており、サーボONするだけで自動加振を行い、0.3秒で制御ゲインや機械共振抑制フィルタを調整します。フルクローズド制御はセミクローズドよりも調整が複雑になりやすいため、このような自動調整機能の存在は導入コストの低減に直結します。
エンコーダの種類・ネットワーク仕様・軸数構成を事前に整理してから機種を選ぶ、これが機種選定の基本です。
三菱電機FAサイト：MELSERVO-J5シリーズ 先進性・操作性｜フルクローズド制御対応と各種調整機能の詳細が掲載されています
フルクローズド制御は精度面で優れていますが、現場での導入トラブルとして「振動」や「ハンチング」が発生しやすいという側面があります。この点はセミクローズドと比べて対策が必要になる場面が増えます。
なぜ振動が起きやすいのでしょうか？
フルクローズドでは、機械端のリニアエンコーダがフィードバック源になります。モータ軸とリニアエンコーダの間には、カップリング・ボールねじ・テーブルなどの機械系が存在します。機械系の剛性が低かったり、機械的なガタや共振周波数が低い場合、フィードバックループに遅れが生じて制御が不安定になりやすいです。
厳しいところですね。
三菱電機のサーボFAQでも、フルクローズド制御時のハンチングに対しては「オートチューニングで応答性を下げる」「MR Configurator2でトルク波形を確認する」という対策が案内されています。具体的には以下の手順が有効です。
また、等分割割出し方式はフルクローズド制御モードに非対応という仕様上の制約もあります。タレットなど割出し動作が必要な機械に適用する際は事前に確認が必要です。
MR Configurator2は無償でダウンロードできるソフトウェアです。GX Works3との連携によりシーケンスプログラムからサーボパラメータまで一括管理が可能で、調整作業の効率を大きく上げられます。
三菱電機FA FAQ：ハンチングについて｜オートチューニングによる対策方法が掲載されています
フルクローズド制御の導入を「精度の話」と認識して、コスト面で後回しにしてしまうケースがあります。しかし実際には、精度の改善は生産コストに直接つながっています。
たとえば、量産ラインで0.1mm超の寸法ずれが1ロット発生した場合を考えます。100個加工したうち30個が不良と判定されれば、素材費・機械稼働時間・加工工数がまるごと損失になります。再加工が可能な場合でも、追加の工数と納期遅れが発生します。
痛いですね。
Renishawのテストで確認された通り、セミクローズドループで50個加工を続けると誤差が120µmに達します。精密な金属加工では、この数値は「不良品ライン」を大きく超えるケースが少なくありません。フルクローズドに切り替えることで誤差を15µm以内に抑えられれば、不良品ロスの削減が期待できます。
また、長期的に見ると「ウォームアップ時間の削減」というメリットもあります。セミクローズドでは熱膨張の影響を減らすために機械を暖気運転してから加工を始める習慣が根付いている現場が多いです。フルクローズドであれば、熱膨張をリアルタイムで補正できるため、暖気時間を短縮または省略できる可能性があります。
つまり稼働率が上がるということです。
リニアエンコーダの設置には設備投資が必要になりますが、三菱MELSERVOのMR-J4・J5シリーズは標準でフルクローズド制御に対応しており、追加のオプションユニットなしで構成できます。既存機械へのリニアエンコーダ追加改造と三菱サーボアンプの組み合わせは、精度改善の有力な選択肢の一つです。
フルクローズド導入の投資対効果を判断する際は、「現在の不良率」「暖気時間のコスト」「工具の再調整頻度」を現場で整理してから比較することを検討してください。
三菱電機FAサイト：MELSERVO-J4シリーズ 機械と機能｜フルクローズド制御対応の詳細仕様と組み合わせについて確認できます