DE69416885T2

DE69416885T2 - Magnetlagervorrichtung

Info

Publication number: DE69416885T2
Application number: DE69416885T
Authority: DE
Inventors: Hirochika Ueyama
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2014-04-14
Also published as: JP3135410B2; DE69416885D1; JPH06300041A; US5530306A; EP0620376B1; EP0620376A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetlagervorrichtung des Typs, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist. Eine derartige Vorrichtung ist aus der JP-A-2097714 bekannt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Magnetlagervorrichtung zum Anheben einer Spindel einer Werkzeugmaschine und zum Steuern von deren Position.
Herkömmlicherweise ist eine Magnetlagervorrichtung bekannt, die zum Haltern eines rotierenden Elements, wie zum Beispiel eines Rotors einer Spindel einer Werkzeugmaschine, durch Magnetkräfte von zwei Magnetlagern, die an zwei Positionen in der Axialrichtung mit Spiel zwischen den Magnetlagern und dem Rotor angeordnet sind, zum Feststellen der Position des Rotors durch einen Positionssensor sowie zum Steuern eines den Elektromagneten in den beiden Magnetlagern zugeführten Stroms auf der Basis eines Detektionssignals des Positionssensors ausgebildet sind, um dadurch den Rotor in einer Bezugsposition (einer Zielposition) zu halten.
Ferner werden bei der vorstehend beschriebenen Steuerung die Translationsbewegung und die Kippbewegung hinsichtlich des Schwerpunkts des Rotors separat gesteuert.
Wenn jedoch bei der vorstehend beschriebenen Magnetlagervorrichtung ein Werkzeug, wie zum Beispiel ein Schleifwerkzeug oder ein Schneidwerkzeug, das an einem Ende des Rotors angebracht ist, im Verlauf der Arbeitsvorgänge ausgetauscht wird, ändert sich die Zustandsgröße, wie zum Beispiel die Position des Schwerpunkts des Rotors, so daß zum Beispiel eine Positionssteuerung instabil wird.
Aus diesem Grund ist eine Steuervorrichtung angegeben worden, die derart ausgebildet ist, daß das Gewicht eines Werkzeugs durch eine Eingabevorrichtung eingegeben wird, wenn das Werkzeug ausgetauscht wird, um zum Beispiel die Position des Schwerpunkts zu bestimmen (vgl. japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 97714/1990 = JP-A-2097714).
Bei der vorstehend beschriebenen Steuervorrichtung muß jedoch das Gewicht des Werkzeugs zuvor erfaßt werden, so daß das Austauschen des Werkzeugs viel Zeit und Arbeit erforderlich macht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Magnetlagervorrichtung, die die neue Position des Schwerpunkts selbst dann automatisch feststellen kann, wenn ein zusätzliches schweres Produkt an einem rotierenden Element angebracht wird, und die sich in geeigneter Weise insbesondere dann verwenden läßt, wenn die Translationsbewegung und die Kippbewegung hinsichtlich des Schwerpunkts des rotierenden Elements separat gesteuert werden.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist. Weiterbildungen sind in den Unteransprüche angegeben.
Zum Erreichen des vorstehend beschriebenen Ziels gibt die vorliegende Erfindung somit eine Magnetlagervorrichtung an, die folgendes aufweist:
ein erstes und ein zweites Radial-Magnetlager, von denen jedes eine Vielzahl von Elektromagneten aufweist, um magnetische Anziehungskräfte, die von den Elektromagneten erzeugt werden, auf ein rotierendes Element mit einer Rotationsachse längs der horizontalen Richtung an zwei Positionen auszuüben, die in der axialen Richtung des rotierenden Elements voneinander beab standet sind und jeweils das rotierende Element in Radialrichtung mit Spiel hinsichtlich des rotierenden Elements lagern;
eine erste und eine zweite Positionsdetektionseinrichtung zum jeweiligen Detektieren der Positionen in der Radialrichtung des rotierenden Elements an den beiden Positionen in der Axialrichtung des rotierenden Elements;
eine Steuervorrichtung zum Einstellen der magnetischen Anziehungskräfte, die jeweils von den Elektromagneten in dem ersten und dem zweiten Radial-Magnetlager erzeugt werden, auf der Basis von Ausgangssignalen der ersten und der zweiten Positionsdetektionseinrichtung, um das rotierende Element in einer vorbestimmten Position in der Radialrichtung zu halten; und
eine Einrichtung zum Einstellen von Koeffizienten in der Steuervorrichtung, um die Position des Schwerpunkts zu berücksichtigen,
wobei die Einrichtung zum Einstellen von Koeffizienten in der Steuervorrichtung folgendes aufweist:
eine Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der magnetischen Anziehungskraft, die von jedem der Radial-Magnetlager erzeugt wird, auf der Basis des Ausgangssignals von jeder der Positionsdetektionseinrichtungen, eines Werts eines Steuerstroms, der den Elektromagneten in dem Radial-Magnetlager zugeführt wird, sowie eines Anziehungskraft- Koeffizienten der Elektromagneten in dem Radial-Magnetlager, und
eine Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Position des Schwerpunkts des rotierenden Elements auf der Basis eines Vergleichs der festgestellten magnetischen Anziehungskräfte, die von beiden Radial-Magnetlagern erzeugt werden, wobei das Ausgangssignal der Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung der Steuervorrichtung zugeführt wird.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung bestimmt die Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung die magnetische Anziehungskraft, die von jedem der Radial-Magnetlager erzeugt wird, auf der Basis des Ausgangssignals von jeder der Positionsdetektionseinrichtungen, des Werts des Steuerstroms, der den Elektromagneten in dem Radial-Magnetlager zugeführt wird, sowie des Anziehungskraft-Koeffizienten der Elektromagneten in dem Radial-Magnetlager, und die Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung bestimmt die Position des Schwerpunkts auf der Basis des Vergleichs der festgestellten magnetischen Anziehungskräfte, die von beiden Radial-Magnetlagern erzeugt werden.
Insbesondere wird selbst dann, wenn ein zusätzlicher Gegenstand mit einem unbekannten Gewicht an dem rotierenden Element angebracht wird, die Position des Schwerpunkts auf der Basis der magnetischen Anziehungskraft, die von jedem der Radial- Magnetlager erzeugt wird, nach der Anbringung des zusätzlichen Gegenstands festgestellt, so daß es möglich wird, eine exakte Position des Schwerpunkts festzustellen.
Somit ist die vorliegende Erfindung zur Anwendung bei einer Vorrichtung zum Haltern einer Spindel einer Werkzeugmaschine geeignet. Außerdem ist die vorliegende Erfindung zur Anwendung bei einem System zum getrennten Steuern der Translationsbewegung und der Kippbewegung hinsichtlich des Schwerpunkts des rotierenden Elements, d. h. eines separaten Steuersystems geeignet. Der Grund hierfür besteht darin, daß bei dem separaten Steuersystem die Position des Schwerpunkts des rotierenden Elements im voraus bestimmt werden muß.
Ferner zeichnet sich die vorliegende Erfindung bei einer bevorzugten Ausführungsform dadurch aus, daß das Ausgangssignal von jeder Positionsdetektionseinrichtung durch Addieren eines Korrektursignals korrigiert wird, das derart eingestellt wird, daß das Ergebnis der durch die Magnetanziehungskraft-Bestim mungseinrichtung ausgeführten Bestimmung zum Zeitpunkt der Entlastung Null wird. In diesem Fall läßt sich eine mit hoher Genauigkeit erfolgende Arbeitsweise der magnetischen Anziehungskräfte ausführen, so daß es möglich wird, die Position des Schwerpunkts des rotierenden Elements mit hoher Genauigkeit festzustellen und somit die Position des rotierenden Elements mit hoher Genauigkeit zu steuern.
Die vorstehenden sowie weitere Ziele, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen noch deutlicher.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Konstruktion einer Magnetlagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der positionsmäßigen Beziehung zwischen einem rotierenden Element, Elektromagneten in Magnetlagern sowie Positionssensoren in der Magnetlagervorrichtung;
Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer X-Achsen-Richtungs-Steuervorrichtung;
Fig. 4 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung; und
Fig. 5 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines modifizierten Beispiels einer Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen, die Ausführungsbeispiele darstellen, ausführlich beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Hauptteil einer Magnetlagervorrichtung vom Steuertyp mit fünf Freiheitsgraden sowie ihrer Steuervorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe "obere", "untere" sowie "links" und "rechts" auf die Anordnung in Fig. 1.
Die Magnetlagervorrichtung weist ein Axial-Magnetlager (nicht gezeigt) sowie links und rechts zwei Radial-Magnetlager 2 und 3 zum Lagern eines rotierenden Elements 1 mit Spiel hinsichtlich des rotierenden Elements 1 auf.
Das Axial-Magnetlager lagert das rotierende Element 1 in der Z-Achsen-Richtung (in der horizontalen Richtung, d. h. in der in Fig. 1 in der zwischen der linken und der rechten Seite verlaufenden Richtung). Die Radial-Magnetlager 2 und 3 lagern das rotierende Element 1 in der Radialrichtung. Jedes der Radial-Magnetlager 2 und 3 weist einen Bereich zum Lagern des rotierenden Elements 1 in der X-Achsen-Richtung orthogonal zu der Z-Achse (in der vertikalen Richtung, d. h. in der in Fig. 1 senkrecht verlaufenden Richtung) (ein X-Achsen-Richtungs-Magnetlager) sowie einen Bereich zum Lagern des rotierenden Elements 1 in der Y-Achsen-Richtung orthogonal zu der Z-Achse und der X-Achse auf (der zu der Blattebene der Fig. 1 orthogonalen Richtung) (ein Y-Achsen-Richtungs-Magnetlager).
Die X-Achsen-Richtungs-Magnetlager 4 und 5 sind in Fig. 1 dargestellt. Die Radial-Magnetlager 2 und 3 weisen einen Bereich zum Steuern der X-Achsen-Richtungs-Magnetlager 4 und 5 (eine X-Achsen-Richtungs-Steuervorrichtung) sowie einen Bereich zum Steuern der Y-Achsen-Richtungs-Magnetlager auf. Die X-Achsen- Richtungs-Steuervorrichtung 6 ist in Fig. 1 dargestellt.
Ferner sind Positionssensoren 31 und 32 zum Detektieren der Verlagerung des rotierenden Elements 1 jeweils in der Nähe der Radial-Magnetlager 2 und 3 angeordnet. Die Positionssensoren 31 und 32 weisen jeweils Bereiche zum Detektieren der Position des rotierenden Elements 1 in der X-Achsen-Richtung (Positionssensoren 7a und 7b sowie 8a und 8b) sowie Bereiche zum Detektieren der Position desselben in der Y-Achsen-Richtung (nicht gezeigt) auf.
Das linke Radial-Magnetlager 2 wird im folgenden als erstes Radial-Magnetlager bezeichnet, und das rechte Radial-Magnetlager 3 wird im folgenden als zweites Radial-Magnetlager bezeichnet. Außerdem wird das linke X-Achsen-Richtungs-Magnetlager 4 im folgenden als erstes Magnetlager bezeichnet, und das rechte X-Achsen-Richtungs-Magnetlager 5 wird im folgenden als zweites Magnetlager bezeichnet.
Die X-Achsen-Richtungs-Magnetlager 4 und 5 sowie die X-Achsen- Richtungs-Steuervorrichtung 6, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, steuern die Translationsbewegung und die Kippbewegung des rotierenden Elements 1 in einer X-Z-Ebene in getrennter Weise. Bei der Translationsbewegung handelt es sich um eine Bewegung in der X-Achsen-Richtung des Schwerpunkts des rotierenden Elements 1, und bei der Kippbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des rotierenden Elements 1 um eine Achse, die durch den Schwerpunkt des rotierenden Elements 1 sowie parallel zu der Y-Achse verläuft.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß bei der Anbringung eines unbekannten, zusätzlichen Gegenstands an dem rotierenden Element 1, so daß sich die Position des Schwerpunkts verändert, eine Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung 50 die Position des Schwerpunkts auf der Basis der magnetischen Anziehungskräfte F1 bzw. F2 bestimmt, die durch ein Paar Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtungen 40A und 40B bestimmt werden, um dadurch Koeffizienten hinsichtlich der Position des Schwerpunkts für Arbeitsvorgänge zu ändern, die von der X-Achsen-Richtungs-Steuervorrichtung 6 ausgeführt werden.
Die Details der Arbeitsvorgänge, die von den Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtungen 40A und 40B sowie von der Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung 50 ausgeführt werden, werden später beschrieben.
Die X-Achsen-Richtungs-Magnetlager 4 und 5 weisen jeweils ein Paar Elektromagneten 4a und 4b sowie ein Paar Elektromagneten 5a und 5b auf, die derart angeordnet sind, daß das rotierende Element 1 auf seinen beiden Seiten in X-Achsen-Richtung dazwischen angeordnet ist. Die Elektromagneten 4a und 4b des ersten Magnetlagers 4 werden im folgenden als erste Elektromagneten bezeichnet, und die Elektromagneten 5a und 5b des zweiten Magnetlagers 5 werden im folgenden als zweite Magnetlager bezeichnet.
Die vorstehend beschriebenen Paare der Positionssensoren 7a und 7b sowie 8a und 8b sind jeweils in der Nähe der Elektromagneten 4a und 4b sowie 5a und 5b der X-Achsen-Richtungs-Magnetlager 4 und 5 angeordnet, so daß das rotierende Element 1 auf seinen beiden Seiten in X-Achsen-Richtung dazwischen angeordnet ist. Die Positionssensoren 7a und 7b, die in der Nähe des ersten Magnetlagers 4 angeordnet sind, werden im folgenden als erste Positionssensoren bezeichnet, und die Positionssensoren 8a und 8b, die in der Nähe des zweiten Magnetlagers 5 angeordnet sind, werden im folgenden als zweite Positionssensoren bezeichnet.
Ausgangssignale des Paares der ersten Positionssensoren 7a und 7b werden in einen ersten Subtrahierer 10 eingegeben, um dadurch die Verlagerung in der X-Achsen-Richtung X1 auf der linken Seite des rotierenden Elements 1 festzustellen. Die Ausgangssignale des Paares der zweiten Positionssensoren 8a und 8b werden in einen zweiten Subtrahierer 11 eingegeben, um dadurch die Verlagerung in der X-Achsen-Richtung X2 auf der rechten Seite des rotierenden Elements 1 festzustellen.
Die ersten Positionssensoren 7a und 7b und der erste Subtrahierer 10 bilden eine erste Positionsdetektionseinrichtung zum Detektieren der Position in der X-Achsen-Richtung auf der linken Seite des rotierenden Elements 1. Die zweiten Positionssensoren 8a und 8b und der Subtrahierer 11 bilden eine zweite Positionsdetektionseinrichtung zum Detektieren der Position in der X-Achsen-Richtung auf der rechten Seite des rotierenden Elements 1.
Ein Treibersignal C1 der ersten Elektromagneten 4a und 4b, bei dem es sich um ein erstes Ausgangssignal der Steuervorrichtung 6 handelt, wird in einen ersten Leistungsverstärker 12 eingegeben, der eine Elektromagnet-Treibereinrichtung zum Ansteuern des oberen linken Elektromagneten 4a bildet, und wird in einen zweiten Leistungsverstärker 14 eingegeben, der eine Elektromagnet-Treibereinrichtung zum Ansteuern des unteren linken Magneten 4b über einen Inverter 13 bildet.
Ein konstanter, stationärer Strom fließt durch Spulen der ersten Elektromagneten 4a und 4b, wenn das Treibersignal C1 Null beträgt, wobei der Wert des die Spulen durchfließenden Stroms durch das Treibersignal C1 gesteuert wird.
Ein Treibersignal C2 der zweiten Elektromagneten 5a und 5b, bei dem es sich um ein zweites Ausgangssignal der Steuervorrichtung 6 handelt, wird in einen dritten Leistungsverstärker 15 eingegeben, der eine Elektromagnet-Treibereinrichtung zum Ansteuern des oberen rechten Elektromagneten 5a bildet, und wird in einen vierten Leistungsverstärker 17 eingegeben, der eine Elektromagnet-Treibereinrichtung zum Ansteuern des unteren rechten Elektromagneten 5b über einen Inverter 16 bildet.
Ein konstanter, stationärer Strom durchfließt auch die Spulen der zweiten Elektromagneten 5a und 5b, wenn das Treibersignal C2 Null beträgt, wobei der Wert des die Spulen durchfließenden Stroms durch das Treibersignal C2 gesteuert wird. Auf diese Weise werden die Werte der Ströme, die durch die Spulen der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b fließen, somit gesteuert, wobei die Translationsbewegung und die Kippbewegung des rotierenden Elements 1 getrennt gesteuert werden.
Fig. 2 zeigt die positionsmäßige Beziehung zwischen dem rotierenden Element 1, den Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b sowie den Positionssensoren 7a, 7b, 8a und 8b.
In Fig. 2 ist der Schwerpunkt des rotierenden Elements 1 durch G dargestellt. Die Distanz in Axialrichtung von dem Schwerpunkt G bis zu den ersten Elektromagneten 4a und 4b ist mit M1 dargestellt, die Distanz in der gleichen Richtung von dem Schwerpunkt G bis zu den zweiten Elektromagneten 5a und 5b ist mit M2 bezeichnet, die Distanz in der gleichen Richtung von dem Schwerpunkt G bis zu den ersten Positionssensoren 7a und 7b ist mit S1 bezeichnet, und die Distanz in der gleichen Richtung von dem Schwerpunkt G bis zu den zweiten Positionssensoren 8a und 8b ist mit 52 bezeichnet.
Ferner sei angenommen, daß M1 + M2 = MM (Konstante) beträgt und das S1 + S2 = SS (Konstante) beträgt. Ferner ist der Wert der Verlagerung in der X-Achsen-Richtung des Schwerpunkts G als XG dargestellt, und der Wert der Kippbewegung um den Schwerpunkt G des rotierenden Elements 1 in einer X-Z-Ebene, d. h. der Wert der Kippbewegung des rotierenden Elements 1 um eine Achse parallel zu der durch den Schwerpunkt G verlaufenden Y-Achse ist mit θY bezeichnet.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Steuervorrichtung 6. In Fig. 3 wird ein Ausgangssignal X1 des ersten Subtrahierers 10 in einem ersten Verstärker 20 multipliziert mit [S2/(S1 + S2)], und das Produkt aus X1 und [S2/(S1 + S2)] wird in einen ersten Addierer 21 eingegeben, und ein Ausgangssignal X2 des zweiten Subtrahierers 11 wird in einem zweiten Verstärker 22 multipliziert mit [S1(S1 + S2)], und das Produkt aus X2 und [S1/(S1 + S2)] wird in den ersten Addierer 21 eingegeben. Die jeweiligen Produkte werden in dem ersten Addierer 21 addiert, um dadurch den Wert der Verlagerung XG zu bestimmen.
In dem ersten und dem zweiten Verstärker 20 und 22 werden die Ausgangssignale X1 und X2 jeweils mit Koeffizienten multipliziert, die auf den Distanzen S1 und S2 von dem Schwerpunkt G bis zu den Positionssensoren 7a und 7b sowie den Positionssensoren 8a und 8b basieren, und die jeweiligen Produkte von X1 und X2 sowie die Koeffizienten werden zusammenaddiert. Selbst wenn die Distanzen nicht gleich sind, läßt sich somit der Wert der Verlagerung XG stets exakt bestimmen.
Der erste und der zweite Verstärker 20 und 22 sowie der erste Addierer 21 bilden eine Verlagerungswert-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des Wertes der Verlagerung XG des rotierenden Elements 1 auf der Basis der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Subtrahierers 10 und 11.
Die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Subtrahierers 10 und 11 werden ferner in zwei Eingangsanschlüsse eines dritten Subtrahierers 23 eingespeist, so daß der Kippwert θY des rotierenden Elements 1 bestimmt wird. Der dritte Subtrahierer 23 bildet eine Kippwert-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des Wertes des Kippens θY des rotierenden Elements 1 auf der Basis der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Subtrahierers 10 und 11.
Das Ausgangssignal XG des ersten Addierers 21 wird in eine PID-Steuerschaltung 24 für die Translationsbewegung eingegeben, die eine Translationsbewegungs-Steuereinrichtung bildet, und ein derartiges Translationsbewegungs-Steuersignal D1, bei dem der Wert der Verlagerung XG Null wird, wird von der Schaltung 24 ausgegeben.
Das Ausgangssignal θY des dritten Substrahierers 23 wird in eine PID-Steuerschaltung 25 für die Kippbewegung eingegeben, die eine Kippbewegungs-Steuereinrichtung bildet, und es wird ein derartiges Kippbewegungs-Steuersignal D2, bei dem der Kippwert θY Null wird, von der Schaltung 25 abgegeben.
Die Ausgangssignale D1 und D2 der beiden Steuerschaltungen 24 und 25 werden in Eingangsanschlüsse eines zweiten Addierers 26 eingespeist, und ein Treibersignal C1 für die ersten Elektromagneten 4a und 4b wird von dem Addierer 26 abgegeben. Das Translationsbewegung-Steuersignal D1 wird über einen dritten Verstärker 27 in einen vierten Subtrahierer 28 eingegeben, und das Kippbewegungs-Steuersignal D2 wird über einen vierten Verstärker 29 in einen vierten Substrahierer 28 eingegeben.
Von dem dritten Verstärker 27 wird ein erster Koeffizient A1 multipliziert mit dem Translationsbewegungs-Steuersignal D1 abgegeben, und von dem vierten Verstärker 29 wird ein zweiter Koeffizient A2 multipliziert mit dem Kippbewegungs-Steuersignal D2 abgegeben.
In dem vierten Substrahierer 28 wird A2 multipliziert mit dem Kippbewegungs-Steuersignal D2 subtrahiert von A1 multipliziert mit dem Translationsbewegungs-Steuersignal D1, so daß ein Treibersignal C2 der zweiten Elektromagneten 5a und 5b abgegeben wird.
Das erste Signal A1 und das zweite Signal A2 stellen sich wie folgt dar:
A1 = (K1/K2) · (I01/I02) · (M1/M2) ... (1)
A2 = (K1/K2) · (I01/I02) ...(2)
In den Gleichungen ist K1 ein Anziehungskraft-Koeffizient der ersten Elektromagneten 4a und 4b, K2 ist ein Anziehungskraft- Koeffizient der zweiten Elektromagneten 5a und 5b, I01 ist ein Wert eines stationären Stroms, der den ersten Elektromagneten 4a und 4b zugeführt wird, und I02 ist ein Wert eines stationären Stroms, der den zweiten Elektromagneten 5a und 5b zugeführt wird.
Zum Steuern der Translationsbewegung und der Kippbewegung bei der vorstehend beschriebenen Magnetlagervorrichtung in vollständig voneinander getrennter Weise ist es erforderlich, daß durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b, die durch das Translationsbewegungs-Steuersignal D1 erzeugt werden, keine neue Kippbewegung hervorgerufen wird, und daß durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 5b, 5a und 5b, die durch das Kippbewegungs-Steuersignal D2 erzeugt werden, keine neue Translationsbewegung hervorgerufen wird.
Die Bedingungen, unter denen durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b, die durch das Translationsbewegungs-Steuersignal D1 erzeugt werden, keine neue Kippbewegung hervorgerufen wird, sind derart, daß kein Moment zum Hervorrufen einer Kippbewegung durch die Anziehungskraft F1 der ersten Elektromagneten 4a und 4b proportional zu einem Steuerstromwert IC1, der durch das Translationsbewegungs-Steuersignal D1 erzeugt wird, sowie die Anziehungskraft F2 der zweiten Elektromagneten 5a und 5b proportional zu einem Steuerstromwert IC2, der durch das Kippbewegungs- Steuersignal D2 erzeugt wird, hervorgerufen wird. Die Beziehung zwischen IC1 und IC2, die diese Bedingungen erfüllt, ist wie folgt:
IC2/IC1 = (K1/K2) · (I01/I02) · (M1/M2) ...(3)
In dieser Gleichung entspricht eine rechte Seite dem ersten Koeffizienten A1. Bei der vorstehend beschriebenen Magnetlagervorrichtung wird das Translationsbewegungs-Steuersignal D1 direkt in den zweiten Addierer 26 eingegeben, um dadurch das Treibersignal C1 für die ersten Elektromagneten 4a und 4b abzugeben, und A1 multipliziert mit dem Translationsbewegungs- Steuersignal D1 wird in den vierten Subtrahierer 28 eingegeben, um das Treibersignal C2 für die zweiten Elektromagneten 5a und 5b abzugeben, so daß IC1 und IC2 die Bedingungen der vorstehend genannten Gleichung erfüllen. Infolgedessen wird keine neue Kippbewegung durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b hervorgerufen, die durch das Translationsbewegungs-Steuersignal D1 erzeugt werden.
Die Bedingungen, unter denen keine neue Translationsbewegung durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b hervorgerufen wird, die durch das Kippbewegungs-Steuersignal D2 erzeugt werden, sind derart, daß die Anziehungskraft F1 der ersten Elektromagneten 4a und 4b proportional zu dem Steuerstromwert IC1, der durch das Kippbewegungs-Steuersignal D2 erzeugt wird, sowie die Anziehungskraft F2 der zweiten Elektromagneten 5a und 5b proportional zu dem Steuerstromwert IC2, der durch das Kippbewegungs-Steuersignal D2 erzeugt wird, im Gleichgewicht sind. Die Beziehung zwischen IC1 und IC2 unter Erfüllung dieser Bedingungen ist wie folgt:
IC2/IC1 = (K1/K2) · (I01/I02) ...(4)
In dieser Gleichung ist die rechte Seite gleich dem zweiten Koeffizienten A2. Bei der vorstehend beschriebenen Magnetlagervorrichtung wird das Kippbewegungs-Steuersignal D2 direkt in den zweiten Addierer 26 eingegeben, um dadurch das Treiber signal C1 für die ersten Elektromagneten 4a und 4b abzugeben, und A2 multipliziert mit dem Kippbewegungs-Steuersignal D2 wird in den vierten Subtrahierer 28 eingegeben, um dadurch das Treibersignal C2 für die zweiten Elektromagneten 5a und 5b abzugeben, so daß IC1 und IC2 die Bedingungen der vorstehend genannten Gleichung erfüllen. Infolgedessen wird keine neue Translationsbewegung durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b hervorgerufen, die durch das Kippbewegungs-Steuersignal D2 erzeugt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Magnetlagervorrichtung wird somit durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Magneten 4a, 4b, 5a und 5b, die durch das Translationsbewegungs-Steuersignal D1 erzeugt werden, keine neue Kippbewegung hervorgerufen, und durch die Anziehungskräfte der ersten und der zweiten Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b, die durch das Kippbewegungs-Steuersignal D2 erzeugt werden, wird keine neue Translationswegung hervorgerufen, so daß es möglich wird, die Translationsbewegung und die Kippbewegung in vollständig voneinander getrennter Weise zu steuern.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der Arbeitsvorgänge, die von den Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtungen 40A und 40B sowie der Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung 50 in einem Fall ausgeführt werden, in dem zum Beispiel das Werkzeug ausgetauscht wird. Eine Magnetanziehungskraft F, die durch Elektromagneten auf einen Gegenstand ausgeübt wird, wird allgemein dargestellt durch F = K(I/X)², und zwar unter Verwendung eines Stroms I, der durch die Elektromagneten fließt, der Distanz X zwischen den Elektromagneten und dem Gegenstand sowie eines Anziehungskraft-Koeffizienten K der Elektromagneten.
Die Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtungen 40A und 40B bestimmen somit jeweils eine magnetische Anziehungskraft F1 der ersten Elektromagneten 4a und 4b sowie eine magnetische Anziehungskraft F2 der Elektromagneten 5a und 5b durch die nachfolgend genannten Operations-Ausdrücke:
F1 = K1[IX1a/(X0 + X1)]² - K1[IX1b/(X0 - X1)]² ... (5)
F2 = K2[IX2a/(X0 + X2)]² - K2[IX2b/(X0 - X2)]² ... (6)
In diesen Ausdrücken ist IX1a ein Steuerstromwert des ersten Elektromagneten 4a, IX1b ist ein Steuerstromwert des ersten Elektromagneten 4b, und X1 ist der Wert der Verlagerung des rotierenden Elements 1 in Richtung auf den Elektromagneten 4b ausgehend von dem Zentrum der Elektromagneten 4a und 4b.
Ferner ist IX2a ein Steuerstromwert des zweiten Elektromagneten 5a, IX2b ist ein Steuerstromwert des zweiten Elektromagneten 5b, und X2 ist der Wert der Verlagerung des rotierenden Elements 1 in Richtung auf den Elektromagneten 5b ausgehend von dem Zentrum der Elektromagneten 5a und 5b. Ferner ist X0 ein eingestellter Luftspaltwert zwischen dem rotierenden Element 1 und jedem der Elektromagneten 4a, 4b, 5a und 5b.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung 40A. Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 zu sehen ist, werden der Steuerstromwert IX1a des ersten Elektromagneten 4a, der Steuerstromwert IX1b des ersten Elektromagneten 4b, der Wert der Verlagerung X1 des rotierenden Elements 1 in Richtung auf den Elektromagneten 4b ausgehend von der Mitte der Elektromagneten 4a und 4b sowie das dem eingestellten Luftspaltwert entsprechende Signal X0 in die Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung 40A eingespeist.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 zu sehen ist, handelt es sich bei Signalen mit einem Wert von (X0 + X1) und einem Wert von (X0 - X1), die durch Addition und Subtraktion in einem Addierer 41 und einem Subtrahierer 42 gebildet werden, jeweils um Signale, die Spalten zwischen den Elektromagneten und dem rotierenden Element 1 entsprechen. Dividierer 43 und 44 empfangen die jeweiligen Signale IX1a und IX1b sowie die Signale (X0 + X1) und (X0 - X1) zum Ausführen der Operationen IX1a/(X0 + X1) sowie IX1b/(X0 - X1).
Die Bezugszeichen 45 und 46 bezeichnen Quadrat-Multiplizierer zum Ausführen eines Quadriervorgangs, wobei diese jeweils Signale von dem Dividierer 43 und 44 zur Ausführung von Operationen erhalten, um auf diese Weise Signale [IX1a/(X0 + X1)]² sowie [IX1b/(X0 - X1)]² zu erhalten. Das Signal [IX1b/(X0 - X1)]² wird durch einen Subtrahierer 47 von dem Signal [IX1a/(X0 + X1)]² subtrahiert, und das Ergebnis der Subtraktion wird durch einen Koeffizienten-Multiplizierer 48 mit K1 multipliziert, um dadurch ein Signal F1 zu erhalten, das einen Wert von K1[IX1a/(X0 + X1)]² - K1[IX1b/(X0 - X1)]² aufweist.
Außerdem werden der Steuerstromwert IX2a des zweiten Elektromagneten 4a, der Steuerstromwert IX2b des zweiten Elektromagneten 5b, der Wert der Verlagerung X2 des rotierenden Elements 1 in Richtung auf den Elektromagneten 5b ausgehend von der Mitte der Elektromagneten 5a und 5b sowie das dem eingestellten Luftspaltwert entsprechende Signal X0 in die Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung 40B eingegeben, um dadurch ein Signal F2 in der gleichen Weise wie im Fall der Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung 40A zu erzielen.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der Operationen, die von der Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung 50 zum Auffinden einer neuen Position des Schwerpunkts ausgeführt werden. Die nachfolgende Gleichung gilt ausgehend von einem Gleichgewicht zwischen Momenten, die von Kräften um den Schwerpunkt G erzeugt werden:
M1/M2 = F2/F1 ...(7)
Andererseits gilt die folgende Gleichung:
M1 + M2 = MM (Konstante) ...(8)
Somit finden sich die jeweiligen Distanzen M1 und M2 von dem Schwerpunkt 6 bis zu den ersten und den zweiten Elektromagneten 4a und 4b sowie 5a und 5b auf der Basis der Gleichungen (7) und (8) anhand der beiden nachfolgenden Gleichungen (9) und (10):
M1 = MM/[1 + (F1/F2)) ...(9)
M2 = MM/[1 + (F2/F1)] ... (10)
Außerdem gelten die folgenden Gleichungen:
S1 = M1 + MS ...(11)
S2 = M2 + MS ...(12)
Aufgrund der Gleichungen (9) und (12) ergeben sich die jeweiligen Distanzen S1 und S2 von dem Schwerpunkt 6 bis zu den ersten und zweiten Positionssensoren 7a und 7b sowie 8a und 8b wie folgt:
S1 = MM/[1 + (F1/F2)] + MS ...(13)
S2 = MM/[1 + (F2/F1)] + MS ...(14)
Wenn die Position des Schwerpunkts G zum Beispiel durch Austauschen des Werkzeugs verändert wird, wird der Koeffizient A1 in dem dritten Verstärker 27 auf der Basis eines durch die vorstehend genannte Gleichung (3) erzielten, neuen Werts von M1/M2 geändert, der durch die Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung 50 bestimmt wird.
Ferner werden die jeweiligen Koeffizienten in dem ersten Verstärker 20 und dem zweiten Verstärker 20 auf der Basis von neuen Werten von S1 und S2 geändert.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es selbst dann möglich, eine an den neuen Zustand angepaßte Steuerung auszu führen, wenn ein zusätzlicher Gegenstand mit einem unbekannten Gewicht an dem rotierenden Element 1 angebracht wird, indem lediglich die Position des Schwerpunkts G auf der Basis eines Vergleichs der magnetischen Anziehungskräfte F1 und F2 der Magnetlager 4 und 5 nach der Montage automatisch festgestellt wird und einige der Koeffizienten auf der Basis der festgestellten Position des Schwerpunkts G geändert werden.
Infolgedessen läßt sich die vorliegende Erfindung in einfacher Weise bei einem separaten Steuersystem zum getrennten Steuern der Translationsbewegung und der Kippbewegung hinsichtlich des Schwerpunkts G des rotierenden Elements 1 anwenden. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für die Anwendung bei einem Rotor einer Spindel einer Werkzeugmaschine geeignet.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 zu sehen ist, unterscheidet sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel darin, daß ein Addierer 49 zum Addieren eines Korrektursignals Xmis zum Korrigieren einer Fehlausrichtung zu einem einem eingestellten Luftspalt entsprechenden Signal X0 vorgesehen ist und das dem eingestellten Luftspalt entsprechenden Signal X0 durch ein Signal ersetzt wird, das man durch Addition von (X0 + Xmis) erhält.
Das Korrektursignal Xmis wird im voraus durch eine Volumensteuerung oder dergleichen eingestellt, so daß das Ergebnis der durch die Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung 40A ausgeführten Bestimmung der Magnetanziehungskraft F1 zum Zeitpunkt der Entlastung Null wird. In diesem Fall läßt sich eine mit hoher Genauigkeit erfolgende Bestimmung der magnetischen Anziehungskraft ausführen, wodurch es möglich wird, die Position des Schwerpunkts G des rotierenden Elements 1 mit hoher Genauigkeit aufzufinden und somit die Position des rotierenden Elements 1 mit hoher Genauigkeit zu steuern.
Die vorliegende Erfindung ist zwar ausführlich beschrieben und dargestellt worden, jedoch versteht es sich ganz klar, daß die Beschreibung nur der Veranschaulichung dient und als Beispiel und nicht als Einschränkung zu verstehen ist.

Claims

1. Magnetlagervorrichtung, die folgendes aufweist:

- ein erstes und ein zweites Radial-Magnetlager (4, 5), von denen jedes eine Vielzahl von Elektromagneten (4a, 4b, 5a, 5b) aufweist, um magnetische Anziehungskräfte (F1, F2), die von den Elektromagneten erzeugt werden, auf ein rotierendes Element (1) mit einer Rotationsachse längs der horizontalen Richtung (z) an zwei Positionen auszuüben, die in der Axialrichtung des rotierenden Elements (1) voneinander beabstandet sind und jeweils das rotierende Element (1) in Radialrichtung mit Spiel hinsichtlich des rotierenden Elements (1) lagern;

- eine erste und eine zweite Positionsdetektionseinrichtung (31, 32) zum jeweiligen Detektieren der Positionen in der Radialrichtung des rotierenden Elements (1) an den beiden Positionen in der Axialrichtung des rotierenden Elements (1);

- eine Steuervorrichtung (6) zum Einstellen der magnetischen Anziehungskräfte (F1, F2), die jeweils von den Elektromagneten (4a, 4b, 5a, 5b) in dem ersten und dem zweiten Radial-Magnetlager (4, 5) erzeugt werden, auf der Basis von Ausgangssignalen (X1, X2) der ersten und der zweiten Positionsdetektionseinrichtung (31, 32), um das rotierende Element (1) in einer vorbestimmten Position in der Radialrichtung zu halten; und

- eine Einrichtung (20, 22, 27) zum Einstellen von Koeffizienten in der Steuervorrichtung (6), um die Position des Schwerpunkts (G) zu berücksichtigen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung (20, 22, 27) zum Einstellen von Koeffizienten in der Steuervorrichtung (6) folgendes aufweist:

- eine Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung (40A, 40B) zum Bestimmen der magnetischen Anziehungskraft (F1, F2), die von jedem der Radial- Magnetlager (4, 5) erzeugt wird, auf der Basis des Ausgangssignals (X0, X1, X2) von jeder der Positionsdetektionseinrichtungen (31, 32), eines Werts (IX1a, IX1b, IX2a, IX2b) eines Steuerstroms, der den Elektromagneten (4a, 4b, 5a, 5b) in dem Radial- Magnetlager (4, 5) zugeführt wird, sowie eines Anziehungskraft-Koeffizienten (K1, K2) der Elektromagneten (4a, 4b, 5a, 5b) in dem Radial-Magnetlager (4, 5), und

- eine Schwerpunktpositions-Bestimmungseinrichtung (50) zum Bestimmen der Position des Schwerpunkts (G) des rotierenden Elements (1) auf der Basis eines Vergleichs der festgestellten magnetischen Anziehungskräfte (F1, F2), die von beiden Radial-Magnetlagern (4, 5) erzeugt werden, wobei das Ausgangssignal (S1, S2, M1/M2) der Schwerpunktpositions- Bestimmungseinrichtung (40A, 40B) der Steuervorrichtung (6) zugeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal von jeder der ersten und der zweiten Positionsdetektionseintichtung (31, 32) durch Addieren eines Korrektursignals (Xmis) korrigiert wird, das derart eingestellt wird, daß das Ergebnis der durch die Magnetanziehungskraft-Bestimmungseinrichtung (40A) ausgeführten Bestimmung zum Zeitpunkt der Entlastung Null wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner folgendes aufweist:

- eine Verlagerungswert-Bestimmungseinrichtung (20, 21, 22) zum Bestimmen des Wertes der radialen Verlagerung (XG) der festgestellten Position des Schwerpunkts (G) des rotierenden Elements (1) auf der Basis der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Positionsdetektionseinrichtung (31, 32);

- eine Kippwert-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des Wertes des Kippens (θY) um die festgestellte Position des Schwerpunkts (G) des rotierenden Elements (1) auf der Basis der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Positionsdetektionseinrichtung (31, 32);

- eine Translationsbewegungs-Steuereinrichtung (24) zum Abgeben eines derartigen Translationsbewegungs- Steuersignals, daß der Wert der Verlagerung (XG) der festgestellten Position des Schwerpunkts (G) des rotierenden Elements (1) Null wird;

- eine Kippbewegungs-Steuereinrichtung (25) zum Abgeben eines derartigen Kippbewegungs-Steuersignals, daß der Wert des Kippens (θY) um die festgestellte Position des Schwerpunkts (G) des rotierenden Elements (1) Null wird; und

- eine erste und eine zweite Elektromagnet-Treibereinrichtung (14, 17) zum jeweiligen Ansteuern der Elektromagneten (4a, 4b, 5a, 5b) in dem ersten und dem zweiten Radial-Magnetlager (4, 5) auf der Basis der Ausgangssignale der Translationsbewegungs- Steuereinrichtung (24) und der Kippbewegungs-Steuereinrichtung (25).