JP2001293637A - Magnetic bearing device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気軸受を構成す
る電磁石に流す電流を制御し、端部に工具（可変重量
部）を有する回転体を所定位置に非接触支持する磁気軸
受装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic bearing device which controls a current flowing through an electromagnet constituting a magnetic bearing and supports a rotating body having a tool (variable weight) at a predetermined position in a non-contact manner. It is.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、この種の磁気軸受装置としては、
特開平１０−２９１０２号公報に開示されたものがあ
る。図５はこの磁気軸受スピンドル装置とそれを制御す
る制御装置を示す概略構成図であり、図６はこの制御装
置に記憶された磁気軸受の制御特性の一例を示すグラフ
である。2. Description of the Related Art Conventionally, as this type of magnetic bearing device,
There is one disclosed in JP-A-10-29102. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing the magnetic bearing spindle device and a control device for controlling the same, and FIG. 6 is a graph showing an example of the control characteristics of the magnetic bearing stored in the control device.
【０００３】図５に示すように、磁気軸受スピンドル装
置１０１は、ケーシング１０４、主軸（回転体本体）１
０５の一端に工具（可変重量部）１１８を装着した回転
体１１９、スラスト磁気軸受１０６、ラジアル磁気軸受
１０７、１０８、スラスト位置センサ１０９、ラジアル
位置センサ１１０、１１１、高周波モータ１１２から構
成されている。そして磁気軸受制御装置１２０は、セン
サ駆動回路１１３、Ａ／Ｄコンバータ１１４、工作機械
の加工制御手段としての数値制御装置１０２と自動工具
交換装置１０３からの情報を入力する磁気軸受制御回路
１１５、Ｄ／Ａコンバータ１１６、パワーアンプ１１７
から構成されている。As shown in FIG. 5, a magnetic bearing spindle device 101 includes a casing 104, a main shaft (rotary body) 1
A rotary body 119 having a tool (variable weight part) 118 attached to one end of the magnetic disk 05, a thrust magnetic bearing 106, radial magnetic bearings 107 and 108, a thrust position sensor 109, radial position sensors 110 and 111, and a high-frequency motor 112. . The magnetic bearing control device 120 includes a sensor drive circuit 113, an A / D converter 114, a magnetic bearing control circuit 115 that inputs information from the numerical control device 102 as a machining control device of the machine tool, and a magnetic bearing control circuit 115 that inputs information from the automatic tool changer 103. / A converter 116, power amplifier 117
It is composed of
【０００４】センサ駆動回路１１３からのアナログ位置
検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ１１４によりデジタル位
置検出信号に変換されて、磁気軸受制御回路１１５に入
力される。磁気軸受制御回路１１５は、前記デジタル位
置検出信号すなわち回転体１１９のスラスト方向および
ラジアル方向の変位に基づいて各磁気軸受１０６、１０
７、１０８の電磁石１０６ａ、１０７ａ、１０８ａに供
給する駆動電流の大きさを制御するためのものであり、
デジタル信号処理プロセッサは、デジタル信号を入力し
てデジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可
能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指
す。磁気軸受制御回路１１５からのデジタル制御信号は
Ｄ／Ａコンバータ１１６によりアナログ制御信号に変換
され、このアナログ制御信号に基づいて、パワーアンプ
１１７から各電磁石１０６ａ、１０７ａ、１０８ａに駆
動電流が供給され、その結果、回転体１１９が電磁石１
０６ａ、１０７ａ、１０８ａにより吸引されてスラスト
方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持され
る。[0004] The analog position detection signal from the sensor drive circuit 113 is converted into a digital position detection signal by the A / D converter 114 and input to the magnetic bearing control circuit 115. The magnetic bearing control circuit 115 controls each of the magnetic bearings 106, 10 based on the digital position detection signal, that is, the displacement of the rotating body 119 in the thrust direction and the radial direction.
7, for controlling the magnitude of the drive current supplied to the electromagnets 106a, 107a, 108a,
The digital signal processor refers to dedicated hardware that inputs a digital signal and outputs a digital signal, is software-programmable, and is capable of high-speed real-time processing. The digital control signal from the magnetic bearing control circuit 115 is converted into an analog control signal by the D / A converter 116, and a drive current is supplied from the power amplifier 117 to each of the electromagnets 106a, 107a, 108a based on the analog control signal. As a result, the rotating body 119 is
It is sucked by 06a, 107a, and 108a and is supported in a non-contact manner at predetermined positions in the thrust direction and the radial direction.
【０００５】主軸１０５の一端に装着される工具１１８
は、自動工具交換装置１０３により、工作機械の加工制
御手段としての数値制御装置１０２からの工具番号指令
に基づいて、他の種類のものと自動的に交換されるよう
になっている。A tool 118 attached to one end of the spindle 105
Are automatically exchanged by the automatic tool changer 103 for another type based on a tool number command from the numerical controller 102 as a machining control means of the machine tool.
【０００６】磁気軸受制御回路１１５には、図６に示す
ような工具重量に応じたＡ、Ｂ、Ｃ３種類の制御特性が
記憶されている。制御特性には、例えば、ＰＩＤ制御の
制御ゲインなどが含まれる。また、磁気軸受制御回路１
１５には図示はされないが、工具重量を測定するための
工具重量測定手段、および測定した工具重量に基づいて
３組の磁気軸受１０６、１０７、１０８の制御特性を切
換えるための制御特性切換え手段が設けられている。工
具重量測定手段は、主軸１０５が水平に配置されている
場合はラジアル磁気軸受１０７、１０８の各電磁石１０
７ａ、１０８ａの駆動電流を測定することにより工具重
量を測定する。この工具重量測定手段による工具重量の
変化に応じて、制御特性切換え手段は、固定側の磁気軸
受の制御特性を、制御回路１１５に記憶された別な制御
特性に切換えることによって適正な制御特性への自動的
な変更を行っていた。The magnetic bearing control circuit 115 stores three types of control characteristics A, B and C according to the tool weight as shown in FIG. The control characteristics include, for example, a control gain of PID control. In addition, the magnetic bearing control circuit 1
Although not shown in FIG. 15, tool weight measuring means for measuring tool weight and control characteristic switching means for switching control characteristics of the three sets of magnetic bearings 106, 107 and 108 based on the measured tool weight are provided. Is provided. When the main shaft 105 is disposed horizontally, the tool weight measuring means is provided for each of the electromagnets 10 of the radial magnetic bearings 107 and 108.
The tool weight is measured by measuring the drive current of 7a and 108a. In response to a change in the tool weight by the tool weight measuring means, the control characteristic switching means switches the control characteristic of the fixed magnetic bearing to another control characteristic stored in the control circuit 115 to thereby obtain an appropriate control characteristic. Was making automatic changes.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】一般的に、主軸１０５
の一端に装着される工具１１８の種類が変更されると、
工具重量の変化により主軸１０５と工具１１８を合わせ
た回転体１１９の重量が変化し、回転体１１９の重心位
置や固有振動数が変化する。磁気軸受の制御特性は回転
体１１９がある一定の状態で最適になるように設定され
ているため、工具の種類が変化して回転体１１９の重心
位置や固有振動数が変化すると、回転時における回転体
１１９の振れ回りの増大や、回転体１１９の発振現象と
いった制御の不安定現象が発生する。Generally, the spindle 105
When the type of the tool 118 attached to one end of the is changed,
Due to the change in the tool weight, the weight of the rotating body 119 including the main shaft 105 and the tool 118 changes, and the position of the center of gravity and the natural frequency of the rotating body 119 change. Since the control characteristics of the magnetic bearing are set so as to be optimal when the rotating body 119 is in a certain state, when the type of tool changes and the position of the center of gravity or the natural frequency of the rotating body 119 changes, when the rotating body 119 rotates, An unstable control phenomenon such as an increase in whirling of the rotating body 119 and an oscillation phenomenon of the rotating body 119 occurs.
【０００８】この制御の不安定現象は、回転体１１９の
重量の変化による重心位置の変化により、制御対象であ
る磁気軸受スピンドル装置１０１と制御回路１１５に設
定されている制御ゲインとのマッチングにずれが生じる
ことや、回転体１１９の固有振動数の変化により、例え
ば固有振動数成分を減衰させるための１手段であるノッ
チフィルタの設定周波数と固有振動数とにずれが生じる
ために発生する。This unstable control phenomenon is caused by a change in the matching between the magnetic bearing spindle device 101 to be controlled and the control gain set in the control circuit 115 due to a change in the position of the center of gravity due to a change in the weight of the rotating body 119. Occurs, or a change in the natural frequency of the rotating body 119 causes a shift between the set frequency of the notch filter, which is one means for attenuating the natural frequency component, and the natural frequency, for example.
【０００９】このような不安定現象に対して上記従来例
では、制御回路１１５に記憶されている別な制御特性に
切換えることによって制御特性の変更を行っているのみ
で、固有振動数の変化に応じて固有振動数成分を減衰さ
せる手段の特性の変更は行われていない。In the above-mentioned conventional example, the control characteristic is changed only by switching to another control characteristic stored in the control circuit 115. Accordingly, the characteristic of the means for attenuating the natural frequency component is not changed.
【００１０】このため上記従来例では、工具１１８の交
換後に回転体１１９の発振現象が生じ、磁気軸受の制御
が不安定になるという問題点が解消されない。Therefore, in the above conventional example, the problem that the oscillation of the rotating body 119 occurs after the tool 118 is replaced and the control of the magnetic bearing becomes unstable cannot be solved.
【００１１】そこで本発明は上記問題点に鑑み、工具の
種類の変更に伴う回転体の重心位置の変化に応じて制御
特性を自動的に変更させることに加えて、回転体の固有
振動数の変化に応じても、固有振動数成分減衰部の特性
を自動的に変更して最適な制御を行うことのできる磁気
軸受装置を提供することを目的とするものである。In view of the above problems, the present invention not only automatically changes the control characteristics in accordance with the change in the position of the center of gravity of the rotating body due to the change in the type of tool, but also reduces the natural frequency of the rotating body. It is an object of the present invention to provide a magnetic bearing device that can automatically change the characteristic of the natural frequency component damping unit and perform optimal control even when the change occurs.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、端部に可変重量部を有する軸状の回転体を所
定の位置に非接触支持する電磁石を備え、かつ前記回転
体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ信号
により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路とを備
えた磁気軸受装置において、前記センサ信号から前記回
転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰
部と、この固有振動数成分減衰部の出力信号を入力し、
前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力
するコントロール部と、電磁石の駆動電流を入力し、前
記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演算部
と、この可変重量部重量演算部の出力信号により、回転
体の重心位置を演算する重心位置演算部と、可変重量部
重量演算部の出力信号により、回転体の固有振動数を演
算する固有振動数演算部と、重心位置演算部、固有振動
数演算部および可変重量部重量演算部の出力により、前
記固有振動数成分減衰部とコントロール部に必要な制御
パラメータをそれぞれ演算する制御パラメータ演算部
と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、コン
トロール部と固有振動数成分減衰部の各制御パラメータ
を、前記可変重量部の変更信号に対応した値に設定する
制御パラメータ設定手段とを有することを特徴とするも
のである。According to the present invention, there is provided an electromagnet for supporting a shaft-like rotating body having a variable weight portion at an end in a non-contact manner at a predetermined position. In a magnetic bearing device including a sensor for detecting a position and a circuit for controlling a drive current flowing through the electromagnet based on a sensor signal of the sensor, a natural frequency for attenuating a natural frequency component of the rotating body from the sensor signal Component damping part and the output signal of the natural frequency component damping part,
A control unit for outputting a control signal for controlling a drive current of the electromagnet; a variable weight unit weight calculation unit for inputting a drive current of the electromagnet and measuring the weight of the variable weight unit; A center-of-gravity position calculating unit that calculates the center of gravity of the rotating body based on the output signal of the unit; a natural frequency calculating unit that calculates the natural frequency of the rotating body based on the output signal of the variable weight unit weight calculating unit; A control parameter calculating section for calculating control parameters required for the natural frequency component damping section and the control section, respectively, based on outputs of the section, the natural frequency calculating section and the variable weight section weight calculating section, and an output of the control parameter calculating section. Control parameter setting means for setting each control parameter of the control section and the natural frequency component damping section to a value corresponding to the change signal of the variable weight section based on It is characterized in that it has and.
【００１３】本発明によれば、例えば請求項４記載の磁
気軸受スピンドル装置に適用される場合、回転体が水平
（横置き）に配置されている場合、回転体の端部の工具
（可変重量部）の交換によって工具変更信号が数値制御
装置から制御回路に入力され、工具の種類の変化により
工具と回転体本体を合わせた回転体の重量が変化する
と、ラジアル方向の磁気軸受の駆動電流が変化し、この
駆動電流を工具重量演算部が演算することにより、工具
の重量を測定する。この工具重量演算部の出力信号によ
り、重心位置演算部が回転体の重心位置を演算すると共
に、固有振動数演算部が回転体の固有振動数を演算す
る。回転体の重量やその重心位置は磁気軸受の駆動電流
を制御するコントロール部の状態フィードバック係数を
決定するための制御パラメータに含まれるものである。According to the present invention, for example, when the present invention is applied to a magnetic bearing spindle device according to the fourth aspect, when the rotating body is arranged horizontally (horizontally), a tool (variable weight) at the end of the rotating body is provided. The tool change signal is input to the control circuit from the numerical controller by the replacement of the part), and when the weight of the rotating body including the tool and the rotating body changes due to the change in the type of the tool, the drive current of the radial magnetic bearing is reduced. The tool current is calculated by the tool weight calculator, and the tool weight is measured. Based on the output signal of the tool weight calculating section, the center of gravity position calculating section calculates the position of the center of gravity of the rotating body, and the natural frequency calculating section calculates the natural frequency of the rotating body. The weight of the rotating body and the position of the center of gravity are included in the control parameters for determining the state feedback coefficient of the control unit that controls the drive current of the magnetic bearing.
【００１４】そこで制御パラメータ演算部は、前記重心
位置の変化に伴う重心位置演算部の出力信号によってコ
ントロール部の状態フィードバック係数を再計算し、工
具に対応した制御パラメータに変更することによって制
御特性を常に最適な設定とすることができる。また制御
パラメータ演算部は、回転体の曲げの固有振動数の変化
に伴う固有振動数演算部の出力信号によって固有振動数
成分減衰部の設定された制御パラメータを再計算し、工
具に対応した値に変更することによって、回転体の曲げ
の固有振動数と固有振動数成分減衰部の設定周波数を常
に一致させることができるので、実際の固有振動数と固
有振動数成分減衰部の設定周波数のずれによって生じる
不安定現象の発生を防止し、安定な特性を得ることがで
きる。Therefore, the control parameter calculation section recalculates the state feedback coefficient of the control section based on the output signal of the center of gravity position calculation section in accordance with the change of the center of gravity, and changes the control characteristic to the control parameter corresponding to the tool. The optimum setting can always be obtained. The control parameter calculation unit recalculates the control parameters set in the natural frequency component damping unit based on the output signal of the natural frequency calculation unit accompanying the change in the natural frequency of the bending of the rotating body, and obtains a value corresponding to the tool. In this case, the natural frequency of the bending of the rotating body and the set frequency of the natural frequency component attenuating section can always be matched, so that the difference between the actual natural frequency and the set frequency of the natural frequency component attenuating section can be obtained. Instability caused by the occurrence can be prevented, and stable characteristics can be obtained.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
〜図４を用いて説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
This will be described using FIGS.
【００１６】図１は、本実施形態の磁気軸受装置の構成
を示すブロック図である。この磁気軸受装置により支持
される磁気軸受スピンドル装置７は、後述する図２に示
すように、本体の端部に工具（可変重量部）を装着して
水平に配置された回転体と、その回転体を所定の位置に
非接触支持する磁気軸受とを備えたものである。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the magnetic bearing device of the present embodiment. The magnetic bearing spindle device 7 supported by the magnetic bearing device includes, as shown in FIG. 2 to be described later, a rotating body horizontally mounted with a tool (variable weight portion) attached to an end of a main body, and a rotating body thereof. A magnetic bearing for supporting the body in a predetermined position in a non-contact manner.
【００１７】図１に示すように、磁気軸受スピンドル装
置７を制御する磁気軸受制御装置１５は、回転体の位置
を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ
信号により磁気軸受の駆動電流を制御するデジタル演算
処理部（磁気軸受制御回路）１３と、回転体の位置や回
転速度を制御するために加工機械に搭載され、デジタル
演算処理部１３に工具変更信号を出力するＮＣ装置（数
値制御装置）１６を備えている。As shown in FIG. 1, a magnetic bearing control device 15 for controlling the magnetic bearing spindle device 7 includes a sensor circuit 1 for detecting the position of the rotating body, and a driving current for the magnetic bearing based on a sensor signal from the sensor circuit 1. Processing unit (magnetic bearing control circuit) 13 for controlling the position and rotation speed of the rotating body, and an NC device (numerical value) that is mounted on the processing machine and outputs a tool change signal to the digital processing unit 13 (Control device) 16.
【００１８】前記デジタル演算処理部１３は、前記セン
サ信号から磁気軸受スピンドル装置７の回転体の固有振
動数成分を減衰させる固有振動数成分減衰部３と、この
固有振動数成分減衰部３の出力信号を入力し、電磁石の
駆動電流を制御するための制御信号を出力するコントロ
ール部４と、電磁石の駆動電流を入力し、前記工具の重
量を測定する工具重量演算部９と、この工具重量演算部
９の出力信号により、回転体の重心位置を演算する重心
位置演算部１１と、工具重量演算部９の出力信号によ
り、回転体の固有振動数を演算する固有振動数演算部１
０と、重心位置演算部１１、固有振動数演算部１０およ
び工具重量演算部９の出力により、固有振動数成分減衰
部３とコントロール部４に必要なパラメータをそれぞれ
演算する制御パラメータ演算部１２とから構成されてい
る。この制御パラメータ演算部１２の出力に基づいて、
コントロール部４と固有振動数成分減衰部３の各制御パ
ラメータを、工具の変更信号に対応した制御パラメータ
にそれぞれ変更できるようになっている。The digital arithmetic processing unit 13 includes a natural frequency component attenuating unit 3 for attenuating a natural frequency component of a rotating body of the magnetic bearing spindle device 7 from the sensor signal, and an output of the natural frequency component attenuating unit 3. A control unit 4 for inputting a signal and outputting a control signal for controlling a driving current of the electromagnet; a tool weight calculating unit 9 for inputting a driving current of the electromagnet and measuring the weight of the tool; A center-of-gravity position calculator 11 that calculates the center of gravity of the rotating body based on the output signal of the unit 9, and a natural frequency calculator 1 that calculates the natural frequency of the rotor based on the output signal of the tool weight calculator 9.
A control parameter calculator 12 for calculating parameters required for the natural frequency component attenuator 3 and the controller 4 based on 0 and outputs from the center of gravity position calculator 11, natural frequency calculator 10 and tool weight calculator 9; It is composed of Based on the output of the control parameter calculator 12,
Each control parameter of the control unit 4 and the natural frequency component damping unit 3 can be changed to a control parameter corresponding to a tool change signal.
【００１９】上記磁気軸受制御回路としてのデジタル演
算処理部１３で行われる演算はデジタル演算により行わ
れるため、ＤＳＰ（Digital Signal Processor) にソフ
トウェアプログラムとして格納されている。The operation performed by the digital operation processing unit 13 as the magnetic bearing control circuit is performed by a digital operation, and is stored as a software program in a DSP (Digital Signal Processor).
【００２０】磁気軸受スピンドル装置７の構成を図２を
用いて説明する。図２において６７は主軸（本体）５０
の一端に工具６５を装着した回転体、５１はモータロー
タ、５２はステータモータである。５３と５４はフロン
ト側ラジアル軸受、５５と５６はリア側ラジアル軸受、
５７、５８はスラスト軸受である。これら軸受５３〜５
８は、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから
構成され、回転体６７を所定位置に非接触で支持してい
る。固定側の軸受５４、５６、５８は電磁石からなり、
ラジアル軸受５４、５６は回転体６７の周囲に、例えば
９０°の中心角で左右に４個づつ配置されている。また
スラスト軸受５８は回転体６７を取り巻くリング状に配
置されている。The configuration of the magnetic bearing spindle device 7 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, 67 is a main shaft (main body) 50.
Is a rotating body having a tool 65 mounted at one end, 51 is a motor rotor, and 52 is a stator motor. 53 and 54 are front radial bearings, 55 and 56 are rear radial bearings,
57 and 58 are thrust bearings. These bearings 53-5
Reference numerals 8 each include a rotor on the rotating side and a stator on the fixed side, and support the rotating body 67 at a predetermined position in a non-contact manner. The fixed-side bearings 54, 56, 58 are made of electromagnets,
The four radial bearings 54 and 56 are disposed around the rotating body 67 at a central angle of 90 °, for example, on the left and right sides. The thrust bearing 58 is arranged in a ring shape surrounding the rotating body 67.
【００２１】５９、６０はフロート側とリア側のラジア
ル変位センサ、６１はスラスト変位センサ、６２、６３
は保護ベアリング、６４はケーシングである。回転体６
７の軸心からの変位はセンサ５９、６０により、スラス
ト方向の変位はセンサ６１により検出される。これらセ
ンサ５９〜６１としては、よく知られた渦電流形セン
サ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。Numerals 59 and 60 are radial displacement sensors on the float side and rear side, 61 is a thrust displacement sensor, and 62 and 63.
Is a protective bearing, and 64 is a casing. Rotating body 6
The displacement from the axis of 7 is detected by sensors 59 and 60, and the displacement in the thrust direction is detected by sensor 61. As the sensors 59 to 61, well-known eddy current sensors, capacitance sensors, optical sensors, and the like are used.
【００２２】上記固定側のラジアル軸受５４、５６およ
びスラスト軸受５８の電磁石への駆動電流を、図１に示
したデジタル演算処理部１３により制御することによ
り、磁気軸受制御装置１５が磁気軸受スピンドル装置７
の空間的位置を制御することができる。By controlling the drive current to the electromagnets of the fixed-side radial bearings 54 and 56 and the thrust bearing 58 by the digital processing unit 13 shown in FIG. 1, the magnetic bearing control device 15 can control the magnetic bearing spindle device. 7
Can be controlled.
【００２３】この磁気軸受制御装置１５の制御動作を図
１と図２を参照して詳しく説明する。まず、制御対象と
なる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体であ
る回転体６７の位置を検出するセンサ回路１の出力信号
を第１Ａ／Ｄ変換器２によりデジタル信号に変換し、固
有振動数成分減衰部３に出力する。第１Ａ／Ｄ変換器２
の出力信号は、固有振動数成分減衰部３により回転体６
７の曲げの固有振動数成分を減衰させ、コントロール部
４に入力される。The control operation of the magnetic bearing control device 15 will be described in detail with reference to FIGS. First, of the magnetic bearing spindle device 7 to be controlled, the output signal of the sensor circuit 1 for detecting the position of the rotating body 67, which is the main control body, is converted into a digital signal by the first A / D converter 2, and the natural vibration Output to the number component attenuator 3. First A / D converter 2
Is output from the rotating body 6 by the natural frequency component damping unit 3.
The natural frequency component of the bending at 7 is attenuated and input to the control unit 4.
【００２４】固有振動数成分減衰部３は複数個のデジタ
ルノッチフィルタで構成され、デジタルノッチフィルタ
の設定周波数は回転体６７の曲げの固有振動数に設定さ
れている。コントロール部４は、固有振動数成分減衰部
３の出力を入力し、磁気軸受５４、５６、５８を構成す
る電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力す
る。コントロール部４は、回転体６７の位置信号から固
有振動数成分を減衰させた信号である固有振動数成分減
衰部３の出力信号を比例、微分積分演算し、それぞれの
演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換
器５に出力し、このＤ／Ａ変換器５でアナログ信号に変
換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に
入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置
７内の電磁石の駆動電流を供給する。The natural frequency component attenuator 3 is composed of a plurality of digital notch filters, and the set frequency of the digital notch filter is set to the natural frequency of the bending of the rotating body 67. The control unit 4 receives the output of the natural frequency component attenuating unit 3 and outputs a control signal for controlling the drive current of the electromagnets constituting the magnetic bearings 54, 56, 58. The control unit 4 performs proportional and differential integration calculations on the output signal of the natural frequency component attenuating unit 3, which is a signal obtained by attenuating the natural frequency component from the position signal of the rotating body 67, and adds a state feedback coefficient to each calculation result. The signal is output to the D / A converter 5 and converted into an analog signal by the D / A converter 5. The output of the D / A converter 5 is input to a power amplification circuit 6, which supplies a drive current for an electromagnet in a magnetic bearing spindle device 7.
【００２５】本実施形態の磁気軸受スピンドル装置７で
は、主軸５０が水平に配置されているので、固定側のラ
ジアル軸受５４、５６の駆動電流を第２Ａ／Ｄ変換器８
によりデジタル信号に変換して工具重量演算部９に入力
する。工具重量演算部９では電磁石の磁気吸引力Ｆと電
磁石駆動電流Ｉとの関係Ｆ＝Ｋ・（Ｉ／Ｚ）2 を用いて
工具重量を演算し、工具重量情報を出力する。Ｋは電磁
石によって決まる定数で、予めわかっている。またＺは
回転体６７と電磁石とのギャップであり、回転体６７を
一定の位置に支持している状態では一定であり、予めわ
かっている。In the magnetic bearing spindle device 7 of the present embodiment, since the main shaft 50 is disposed horizontally, the drive current of the fixed-side radial bearings 54 and 56 is supplied to the second A / D converter 8.
, And is input to the tool weight calculation unit 9. The tool weight calculator 9 calculates the tool weight using the relation F = K · (I / Z) 2 between the magnetic attraction force F of the electromagnet and the electromagnet drive current I, and outputs tool weight information. K is a constant determined by the electromagnet and is known in advance. Z is a gap between the rotating body 67 and the electromagnet, and is constant when the rotating body 67 is supported at a fixed position, and is known in advance.
【００２６】上記のような横置きタイプの磁気軸受スピ
ンドル装置７では、２組のラジアル軸受５４、５６の鉛
直方向に対をなすＸ軸方向の電磁石の磁気吸引力の差に
よって回転体６７の重量が支持され、上側の電磁石によ
る上向きの磁気吸引力と下側の電磁石による下向きの磁
気吸引力との差が回転体６７の重量となる。従って、電
磁石の駆動電流の変化を測定することにより、回転体６
７の重量の変化を演算することができる。主軸５０の一
端に工具６５を装着しない場合の電磁石の駆動電流は予
めわかっているので、工具６５を装着した場合の駆動電
流がわかれば、回転体６７全体の重量の変化（工具の重
量）が、工具重量演算部９により演算できる。また工具
６５を装着しない主軸５０のみの場合の重量との差をと
って工具６５の重量を演算してもよい。工具重量演算部
９の出力は、固有振動数演算部１０と重心位置演算部１
１に入力される。In the horizontal type magnetic bearing spindle device 7 as described above, the weight of the rotating body 67 is determined by the difference in magnetic attraction between the two pairs of radial bearings 54 and 56 in the X-axis direction, which is a pair in the vertical direction. And the difference between the upward magnetic attraction force of the upper electromagnet and the downward magnetic attraction force of the lower electromagnet is the weight of the rotating body 67. Therefore, by measuring the change in the driving current of the electromagnet, the rotating body 6 is measured.
7 can be calculated. Since the drive current of the electromagnet when the tool 65 is not mounted on one end of the main shaft 50 is known in advance, if the drive current when the tool 65 is mounted is known, the change in the weight of the entire rotating body 67 (the weight of the tool) can be reduced. , Can be calculated by the tool weight calculator 9. Alternatively, the weight of the tool 65 may be calculated by taking the difference from the weight when only the spindle 50 without the tool 65 is mounted. The output of the tool weight calculator 9 is output from the natural frequency calculator 10 and the center of gravity position calculator 1.
1 is input.
【００２７】固有振動数演算部１０は、回転体６７の重
量ｍを変数とした関数ｆ1 （ｍ）により回転体６７の曲
げの固有振動数を演算し出力する。回転体６７の曲げの
固有振動数は、例えば、回転体６７の構造の変わる点で
主軸５０を輪切りにして１つ１つのＳＥＣＴとし、それ
ぞれのＳＥＣＴについて断面積、断面２次モーメント、
ヤング率、ポアソン比、密度をあたえ、ビーム要素に近
似して演算する方法などがあり、回転体６７のモデル化
の条件によりその重量ｍの関数とすることができる。The natural frequency calculating section 10 calculates and outputs the bending natural frequency of the rotating body 67 by using a function f 1 (m) using the weight m of the rotating body 67 as a variable. The natural frequency of the bending of the rotating body 67 is, for example, the main shaft 50 is cut at each point where the structure of the rotating body 67 changes, so that each SECT has a cross-sectional area, a second moment of area,
There is a method of giving a Young's modulus, a Poisson's ratio, a density, and performing calculation by approximating a beam element. The function can be a function of the weight m depending on the modeling conditions of the rotating body 67.
【００２８】重心位置演算部１１は、回転体６７の重量
ｍを変数とした関数ｆ1 （ｍ）により回転体６７の重心
位置を演算し出力する。その重心位置は、例えば、回転
体６７の構造の変わる点で主軸５０を輪切りにして１つ
１つのＳＥＣＴとし、それぞれのＳＥＣＴのモーメント
をつなぎ合わせることにより重心位置を演算する。The center-of-gravity position calculating section 11 calculates and outputs the center-of-gravity position of the rotating body 67 using a function f 1 (m) using the weight m of the rotating body 67 as a variable. The position of the center of gravity is calculated by, for example, slicing the main shaft 50 at a point where the structure of the rotating body 67 changes, making each SECT one by one, and connecting the moments of the respective SECTs.
【００２９】制御パラメータ演算部１２は、工具重量演
算部９、固有振動数演算部１０および重心位置演算部１
１の各出力を入力する。回転体６７の重量および重心位
置の変化は磁気軸受のモデルが変化することであるの
で、制御パラメータ演算部１２では変化したモデルに対
応した制御パラメータを演算し出力する。制御パラメー
タの演算方法は、例えば、磁気軸受のモデルに対して最
適レギュレータの手法を用い、評価関数Ｊの値を最小に
する最適な制御入力を演算し、状態フィードバック係数
を求める方法などがある。The control parameter calculator 12 includes a tool weight calculator 9, a natural frequency calculator 10, and a center of gravity position calculator 1.
1 are input. Since the change in the weight and the position of the center of gravity of the rotating body 67 changes the model of the magnetic bearing, the control parameter calculation unit 12 calculates and outputs control parameters corresponding to the changed model. As a method of calculating the control parameters, for example, there is a method of calculating an optimal control input for minimizing the value of the evaluation function J using a method of an optimal regulator for a model of a magnetic bearing, and obtaining a state feedback coefficient.
【００３０】また、固有振動数演算部１０の出力である
回転体６７の固有振動数については、固有振動数成分減
衰部３の構成要素であるデジタルノッチフィルタの伝達
関数の各パラメータを演算し出力する。デジタルノッチ
フィルタの設定周波数は、回転体６７の曲げの固有振動
数と一致しており、デジタルノッチフィルタの伝達関数
の各パラメータは、設定周波数がわかれば演算により求
めることができる。As for the natural frequency of the rotating body 67, which is the output of the natural frequency calculator 10, the parameters of the transfer function of the digital notch filter, which is a component of the natural frequency component attenuator 3, are calculated and output. I do. The set frequency of the digital notch filter matches the natural frequency of bending of the rotating body 67, and each parameter of the transfer function of the digital notch filter can be obtained by calculation if the set frequency is known.
【００３１】制御パラメータ演算部１２からの状態フィ
ードバック係数はコントロール部４に、固有振動数演算
部１０のデジタルノッチフィルタからの各パラメータは
固有振動数成分減衰部３にそれぞれ出力される。The state feedback coefficient from the control parameter calculator 12 is output to the controller 4, and each parameter from the digital notch filter of the natural frequency calculator 10 is output to the natural frequency component attenuator 3.
【００３２】主軸５０の一端に装着されている工具６５
が交換され、デジタル演算処理部１３にＮＣ装置１６か
ら工具変更信号が入力されると、工具重量演算部９、固
有振動数演算部１０、重心位置演算部１１および制御パ
ラメータ演算部１２でそれぞれ演算が行われ、コントロ
ール部４では変更された工具に対応した状態フィードバ
ック係数が、固有振動数成分減衰部３では前記工具に対
応したデジタルノッチフィルタの各パラメータがそれぞ
れ自動的に変更され、常に最適な制御パラメータに設定
（制御パラメータ設定手段として機能）することができ
る。A tool 65 attached to one end of the spindle 50
Are exchanged, and when the tool change signal is input from the NC device 16 to the digital operation processing unit 13, the tool weight operation unit 9, the natural frequency operation unit 10, the center of gravity position operation unit 11, and the control parameter operation unit 12 respectively calculate The control section 4 automatically changes the state feedback coefficient corresponding to the changed tool, and the natural frequency component attenuating section 3 automatically changes each parameter of the digital notch filter corresponding to the tool. It can be set as a control parameter (function as control parameter setting means).
【００３３】工具６５がＣからＤに交換されたときのコ
ントロール部４の特性変更の１例を図３に、固有振動数
成分減衰部３の特性変更の１例を図４にそれぞれ示す。FIG. 3 shows an example of the characteristic change of the control unit 4 when the tool 65 is changed from C to D, and FIG. 4 shows an example of the characteristic change of the natural frequency component damping unit 3.
【００３４】以上のように本実施形態によれば、工具６
５の重量と主軸５０の重量を合わせた回転体６７の重
量、回転体６７の重心位置は電磁石の駆動電流を制御す
るコントロール部４の状態フィードバック係数を決定す
るための制御パラメータに含まれるものであることか
ら、工具６５の重量や回転体６７の重心位置を演算し、
工具６５の種類の変化に応じてコントロール部４の状態
フィードバック係数を再計算して変更することにより、
制御特性を常に最適な設定とすることができる。また、
工具６５の重量の情報から回転体６７の曲げの固有振動
数を演算し、その固有振動数の変化に応じて、固有振動
数成分減衰部３の設定された制御パラメータを再計算し
て変更することにより、回転体６７の曲げの固有振動数
と固有振動数成分減衰部３の設定周波数を常に一致さ
せ、安定した特性を得ることができる。As described above, according to the present embodiment, the tool 6
The weight of the rotating body 67, which is the sum of the weight of the spindle 5 and the weight of the main shaft 50, and the position of the center of gravity of the rotating body 67 are included in the control parameters for determining the state feedback coefficient of the control unit 4 for controlling the driving current of the electromagnet. Therefore, the weight of the tool 65 and the position of the center of gravity of the rotating body 67 are calculated,
By recalculating and changing the state feedback coefficient of the control unit 4 according to the change in the type of the tool 65,
The control characteristics can always be set to optimal settings. Also,
The natural frequency of the bending of the rotating body 67 is calculated from the information on the weight of the tool 65, and the control parameter set in the natural frequency component damping unit 3 is recalculated and changed according to the change in the natural frequency. Thereby, the natural frequency of the bending of the rotating body 67 and the set frequency of the natural frequency component attenuating section 3 are always matched, and stable characteristics can be obtained.
【００３５】本発明は上記の実施形態に示すほか、種々
の態様に構成することができる。例えば、固有振動数演
算部１０で求めた固有振動数（曲げ１次の固有振動数）
をＮＣ装置１６に出力し、ＮＣ装置において前記固有振
動数に対して所定の割合（例えば７０％）の回転数を求
め、それを回転体６７の最高回転数として主軸５０の回
転数を前記最高回転数以下の回転速度で回転するように
制御し、前記回転体６７の回転が前記固有振動数（危険
速度）に近づくことを防ぎ、安全な回転を保つようにす
ることができる。最高回転数は固有振動数の６０％〜８
０％に設定するのが望ましい。The present invention can be configured in various modes in addition to the embodiments described above. For example, the natural frequency (first-order bending natural frequency) obtained by the natural frequency calculation unit 10
Is output to the NC device 16 and the NC device calculates the rotation speed at a predetermined ratio (for example, 70%) with respect to the natural frequency. By controlling the rotation at a rotation speed equal to or lower than the rotation speed, it is possible to prevent the rotation of the rotating body 67 from approaching the natural frequency (critical speed), and to maintain a safe rotation. Maximum rotation speed is 60% to 8 of natural frequency
It is desirable to set it to 0%.
【００３６】また、前記最高回転数をデジタル演算処理
部１３で演算し、最高回転数をＮＣ装置１６に出力して
もよい。The maximum rotation speed may be calculated by the digital processing unit 13 and the maximum rotation speed may be output to the NC unit 16.
【００３７】[0037]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、可変重量
部の重量変更例えば、工具の種類の変更に伴う回転体の
重心位置の変化に応じて制御特性を自動的に変更させる
ことは勿論、回転体の固有振動数の変化に応じても、固
有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更させて回転体
の発振現象の発生を防止することができ、可変重量部の
重量変更に応じて最適に制御を行うことができる磁気軸
受装置が得られる。As described above, according to the present invention, it is possible to automatically change the control characteristics according to a change in the weight of the variable weight portion, for example, a change in the position of the center of gravity of the rotating body due to a change in the type of tool. Of course, even when the natural frequency of the rotating body changes, the characteristic of the natural frequency component attenuating section can be automatically changed to prevent the occurrence of the oscillation phenomenon of the rotating body, and the weight change of the variable weight section can be prevented. Thus, a magnetic bearing device capable of optimally performing control according to the above is obtained.
【図１】本発明の一実施形態における磁気軸受制御装置
の制御装置の構成を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device of a magnetic bearing control device according to an embodiment of the present invention.
【図２】同実施形態における磁気軸受スピンドル装置の
構成を示す断面図。FIG. 2 is an exemplary sectional view showing the configuration of the magnetic bearing spindle device according to the embodiment;
【図３】同実施形態におけるコントロール部の特性変更
の１例を示すグラフ。FIG. 3 is a graph showing an example of a change in characteristics of a control unit in the embodiment.
【図４】同実施形態における固有振動数成分減衰部の特
性変更の１例を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing an example of a change in characteristics of a natural frequency component damping unit according to the embodiment.
【図５】従来の磁気軸受スピンドル装置の磁気軸受制御
装置を示す概略構成図。FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a magnetic bearing control device of a conventional magnetic bearing spindle device.
【図６】従来の磁気軸受装置における制御特性を示すグ
ラフ。FIG. 6 is a graph showing control characteristics in a conventional magnetic bearing device.
１ センサ回路 ３ 固有振動数成分減衰部 ４ コントロール部 ７ 磁気軸受スピンドル装置 ９ 工具重量演算部（可変重量部重量演算部） １０ 固有振動数演算部 １１ 重心位置演算部 １２ 制御パラメータ演算部 １３ デジタル演算処理部（磁気軸受制御回路） １５ 磁気軸受制御装置 １６ ＮＣ装置（数値制御装置） ５０ 主軸（回転体本体） ５３、５５、５７ 回転側の磁気軸受 ５４、５６、５８ 固定側の磁気軸受（電磁石） ６５ 工具（可変重量部） ６７ 回転体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor circuit 3 Natural frequency component attenuation part 4 Control part 7 Magnetic bearing spindle device 9 Tool weight calculation part (variable weight part weight calculation part) 10 Natural frequency calculation part 11 Center of gravity position calculation part 12 Control parameter calculation part 13 Digital calculation Processing unit (magnetic bearing control circuit) 15 Magnetic bearing control device 16 NC device (numerical control device) 50 Main shaft (rotary body) 53, 55, 57 Rotating magnetic bearing 54, 56, 58 Fixed magnetic bearing (electromagnet) ) 65 Tool (variable weight part) 67 Rotating body
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中田 広之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3C001 KA07 KB09 TB02 TB08 3C029 EE02 3C048 CC00 DD13 EE10 3J102 AA01 BA03 BA19 CA02 CA27 DA02 DA03 DA09 DB05 DB37 GA07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hiroyuki Nakata 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F term (reference) 3C001 KA07 KB09 TB02 TB08 3C029 EE02 3C048 CC00 DD13 EE10 3J102 AA01 BA03 BA19 CA02 CA27 DA02 DA03 DA09 DB05 DB37 GA07
Claims (4)
を所定の位置に非接触支持する電磁石を備え、かつ前記
回転体の位置を検出するセンサと、このセンサのセンサ
信号により前記電磁石に流す駆動電流を制御する回路と
を備えた磁気軸受装置において、前記センサ信号から前
記回転体の固有振動数成分を減衰させる固有振動数成分
減衰部と、この固有振動数成分減衰部の出力信号を入力
し、前記電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を
出力するコントロール部と、電磁石の駆動電流を入力
し、前記可変重量部の重量を測定する可変重量部重量演
算部と、この可変重量部重量演算部の出力信号により、
回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、可変重
量部重量演算部の出力信号により、回転体の固有振動数
を演算する固有振動数演算部と、重心位置演算部、固有
振動数演算部および可変重量部重量演算部の出力によ
り、前記固有振動数成分減衰部とコントロール部に必要
な制御パラメータをそれぞれ演算する制御パラメータ演
算部と、この制御パラメータ演算部の出力に基づいて、
コントロール部と固有振動数成分減衰部の各制御パラメ
ータを、前記可変重量部の変更信号に対応した値に設定
する制御パラメータ設定手段とを有することを特徴とす
る磁気軸受装置。An electromagnet for supporting a shaft-shaped rotating body having a variable weight portion at an end portion in a non-contact manner at a predetermined position, and detecting a position of the rotating body; In a magnetic bearing device comprising a circuit for controlling a drive current flowing through an electromagnet, a natural frequency component attenuator for attenuating a natural frequency component of the rotating body from the sensor signal, and an output of the natural frequency component attenuator A control unit that inputs a signal and outputs a control signal for controlling a drive current of the electromagnet; a variable weight unit weight calculation unit that inputs a drive current of the electromagnet and measures the weight of the variable weight unit; By the output signal of the variable weight part weight calculation part,
A center-of-gravity position calculator for calculating the position of the center of gravity of the rotating body, a natural frequency calculator for calculating a natural frequency of the rotor based on an output signal of the variable weight part weight calculator, a center-of-gravity position calculator, a natural frequency calculation By the output of the unit and the variable weight part weight calculation unit, based on the output of the control parameter calculation unit to calculate the control parameters required for the natural frequency component damping unit and the control unit, based on the output of this control parameter calculation unit,
A magnetic bearing device comprising: control parameter setting means for setting each control parameter of a control section and a natural frequency component damping section to a value corresponding to a change signal of the variable weight section.
振動数に対して、所定の割合の回転数を最高回転数とし
て、回転体を前記最高回転数以下で回転するようにした
請求項１記載の磁気軸受装置。2. A method according to claim 1, wherein the rotation speed is a predetermined ratio relative to the natural frequency of the rotating body determined by the natural frequency calculating section, and the rotating body is rotated at a speed equal to or lower than the maximum rotation speed. Item 7. The magnetic bearing device according to Item 1.
体がラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受により非接触
支持されるものであり、前記可変重量部重量演算部が、
前記ラジアル磁気軸受の駆動電流を測定することにより
可変重量部の重量を測定するものである請求項１または
２に記載の磁気軸受装置。3. The rotating body is horizontally disposed, and the rotating body is supported in a non-contact manner by a radial magnetic bearing and a thrust magnetic bearing.
The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the weight of the variable weight portion is measured by measuring a drive current of the radial magnetic bearing.
れる工具であり、この回転体が請求項３に記載される磁
気軸受装置により支持されるものである磁気軸受スピン
ドル装置。4. A magnetic bearing spindle device wherein the variable weight portion is a tool mounted on an end of a main body of a rotating body, and the rotating body is supported by the magnetic bearing device according to claim 3.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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