JP2004169869A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気軸受スピンドル装置に対して工具の種類及び工具無しの状態でも工具を自動交換できるよう制御する磁気軸受制御装置を提供する。
【解決手段】クランプ状態、クランプ状態以外を検出する検出信号と、ツール交換用アームの状態信号とを用いてチューニング動作を行うタイミングを決定し、工具交換時に回転体の固有振動数、重心、重量を測定して制御特性及び固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更することにより、非接触支持したまま正確に工具交換を行うことができる。
【選択図】 図１
【解決手段】クランプ状態、クランプ状態以外を検出する検出信号と、ツール交換用アームの状態信号とを用いてチューニング動作を行うタイミングを決定し、工具交換時に回転体の固有振動数、重心、重量を測定して制御特性及び固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更することにより、非接触支持したまま正確に工具交換を行うことができる。
【選択図】 図１
Description
【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て回転体を所定位置に支持する磁気軸受の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような磁気軸受制御装置として、図６に示すように、縦型の磁気軸受スピンドル装置１０１の回転を制御するように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図６において、磁気軸受スピンドル装置１０１は、ケーシング１０４内の鉛直方向にスピンドル１０５が配設され、このスピンドル１０５を非接触に支持する１組のアキシャル磁気軸受１０６と上下２組のラジアル磁気軸受１０７、１０８と、スピンドル１０５のアキシャル方向の変位を検出する１個のアキシャル位置センサ１０９と、スピンドル１０５のラジアル方向の変位を検出する上下２組のラジアル位置センサ１１０、１１１と、スピンドル１０５を高速回転させる高周波電動機１１２と、スピンドル１０５のアキシャル方向及びラジアル方向の可動範囲を規制してアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８で支持されない状態のスピンドル１０５を機械的に接触支持する上下２組のタッチダウン軸受１１３、１１４とを設けて構成されている。
【０００４】
この磁気軸受スピンドル装置１０１を制御するために設けられた主制御装置１１６は、アキシャル位置センサ１０９及びラジアル位置センサ１１０、１１１により検出されたスピンドル１０５のアキシャル方向及びラジアル方向の変位に基づいてアキシャル磁気軸受１０６の電磁石１０６ａ及びラジアル磁気軸受１０７、１０８の電磁石１０７ａ，１０８ａに供給する励磁電流を制御すると共に、回転制御装置１１７を介して高周波電動機１１２の回転を制御するもので、その主要部はデジタル信号処理プロセッサにより構成されている。回転制御装置１１７は、主制御装置１１６からの指令に基づいて高周波電動機１１２の回転を制御するもので、公知のインバータにより構成されている。
【０００５】
スピンドル１０５の先端部には、ツールホルダと一体化された工具１２１が装着され、中空構造に形成されたスピンドル１０５内には、そのアキシャル方向の移動により前記工具１２１のアンクランプ、クランプを制御するドローバ１２２が設けられている。このドローバ１２２の後端部はスピンドル１０５の後端より上方に突出しており、後端に位置検出用のフランジ１２２ａが形成されている。このフランジ１２２ａの位置を検出してドローバ１２２の状態を検知するために、図７に拡大図示するように、アンクランプ状態であることを検知する第１センサ１２４、クランプ状態であることを検知する第２センサ１２５、工具無しの状態であることを検知する第３センサ１２６が設けられている。これらの第１〜第３の各センサ１２４、１２５、１２６の検知出力は主制御装置１１６に入力され、主制御装置１１６は第１〜第３の各センサ１２４、１２５、１２６の検知出力に基づいてアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によるスピンドル１０５の支持及び高周波電動機１１２によるスピンドル１０５の回転を制御する。
【０００６】
上記構成において、主制御装置１１６は、ドローバ１２２がクランプ状態にあるときは、アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によるスピンドル１０５の支持及び高周波電動機１１２によるスピンドル１０５の回転を可能とし、ドローバ１２２がアンクランプ状態あるいは工具無しの状態にあるときは、アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によるスピンドル１０５の支持及び高周波電動機１１２によるスピンドル１０５の回転を不可能に制御する。例えば、工具交換が終了したときに、ドローバ１２２がクランプ状態にあれば、直ぐにアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８を作動させてスピンドル１０５を非接触支持する。スピンドル１０５に工具１２１が装着されていない状態、即ちドローバ１２２がアンクランプ状態あるいは工具無しの状態にあるときは、数値制御装置１０２からの指令にかかわらずアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８を作動状態にしてスピンドル１０５の非接触支持を行わないようにすると共に、数値制御装置１０２から回転指令が出力されても高周波電動機１１２を駆動しないのでスピンドル１０５は回転しないように制御される。
【０００７】
即ち、スピンドル１０５に工具１２１が装着されている状態とされていない状態とでは、工具１２１の重量によりスピンドル１０５全体の重量や固有振動数などが変化する。アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８の制御特性は、スピンドル１０５に工具１２１が装着されているときに最適となるように調整されているので、スピンドル１０５に工具１２１が装着されていない状態ではアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８の制御特性が必ずしも最適にならず、アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によりスピンドル１０５を非接触支持して回転させると、スピンドル１０５に発振が生じることがある。そこで、この磁気軸受スピンドル装置では、スピンドル１０５に工具１２１が装着されていない状態では、スピンドル１０５の非接触支持及び回転がなされないように制御することにより発振が生じないように構成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−４３９１０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような磁気軸受スピンドル装置を工作機械に搭載し、複数種類の工具を交換しながら加工を行う場合、自動工具交換の一般的な手順として、ツールホルダの角度と回転体（スピンドル）の角度とを合わせるように、回転体を決められた角度で停止させるオリエント動作を行った後、ツール交換用アームが現在回転体に装着されているツールホルダをつかみ、アンクランプにした後、ツール交換用アームがツールホルダを引き抜き、ツールホルダを工作機械に備えられているマガジンに収納する。同時に次に装着するツールホルダを回転体に挿入し、クランプさせた後、ツール交換用アームを原点位置に戻して工具交換を完了する。
【００１０】
図５に示すように、ツール交換用アームがツールホルダ６７をつかみ、これを回転体５０に装着するためにアキシャル方向に移動するときのツールホルダ６７の中心と回転体５０の中心とを合わせる必要があり、中心がずれているとツールホルダ６７を回転体５０に装着することができない。従って、回転体５０は決められた位置に支持されていることが必要となる。
【００１１】
実際の工作機械のオペレーションにおいて、工作機械の立ち上げ時に磁気軸受スピンドル装置にどのような工具が装着されているかは様々であり、ツールホルダが装着されていないこともある。ツールホルダが装着されていないときには前述の工具交換手順によりツールホルダを装着するが、そのときに回転体は決められた位置で支持されている必要があり、オリエント動作を行うために回転可能である必要もある。
【００１２】
しかしながら、前述した従来構成の磁気軸受スピンドル装置では、工具交換を行うときにスピンドルに工具が装着されている状態と装着されていない状態とでの重量の変化に伴う発振を避けるため、工具が装着されていない状態ではスピンドルの非接触支持及び回転を禁止しているため、スピンドルは決まった位置に正確に支持されない。従って、工具を装着するためにツール交換用アームがツールホルダをつかんでアキシャル方向に移動させたとき、ツールホルダの中心とスピンドルの中心とが一致しない状態となり、ツールホルダをスピンドルに装着できない問題が発生する。
【００１３】
この従来技術に係る問題点を解決すべく、本願出願人は先に特願２０００−３１２７２８号として磁気軸受制御装置を提案した。その構成は、図２に示す磁気軸受スピンドル装置７を制御するための磁気軸受制御装置であって、図８に示すように構成されている。
【００１４】
上記磁気軸受制御装置を構成する各部の詳細については後述するが、この磁気軸受制御装置によれば、磁気軸受スピンドル装置７に装着される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５０の固有振動数の変化に対して固有振動数成分減衰部３の特性を自動的に変更して、回転体５０の発振現象の発生を防止することは勿論、回転体５０の重量及び重心位置の変化に応じて制御特性を自動的に変更し、可変重量部の重量変更に応じて最適な制御を行う磁気軸受制御装置が得られる。
【００１５】
しかしながら、工作機械に磁気軸受スピンドル装置を搭載した場合に、ツール交換用アームが回転体５０に装着されているツールホルダをつかんでいる状態で固有振動数の測定及び演算、可変重量部の重量及び重心位置の変化に対応させた制御パラメータの演算を行うと誤った演算結果となり、工具交換後に回転体５０の発振などの不安定な状態が発生する問題点が生じた。
【００１６】
本発明が目的とするところは、上記従来技術に係る磁気軸受制御装置の問題点を解決して実用性の高い磁気軸受制御装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の磁気軸受制御装置は、端部に可変重量部が着脱可能に装着された軸状の回転体を所定位置に非接触で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサから出力されたセンサ信号により前記電磁石に供給する駆動電流を制御する制御回路と、回転体内を軸方向に移動して前記可変重量部の着脱を制御するドローバとを備えてなる磁気軸受制御装置であって、前記センサ信号に基づいて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、回転体に外乱を与える外乱発生手段と、外乱により変化する回転体の位置情報から回転体の固有振動数を測定して前記固有振動数成分減衰部のパラメータを変更するパラメータ設定部と、電磁石への駆動電流から回転体の重量を演算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から回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、前記可変重量部重量演算部及び重心位置演算部それぞれの出力信号から制御パラメータを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及び前記固有振動数成分減衰部の出力信号に基づいて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位相補償部と、前記ドローバの軸方向の位置を検出することにより可変重量部のクランプ状態又はアンクランプ状態を検出する工具装着状態検出手段と、可変重量部のツール交換用アームの状態を検出するツール交換用アーム状態検出手段と、このツール交換用アーム状態検出手段及び前記工具装着状態検出手段それぞれの検出出力に基づいて外乱発生手段及び固有振動数演算及びパラメータ設定部、可変重量部重量演算部、重心位置演算部の演算結果によりパラメータを変更するチューニング開始手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、工作機械に磁気軸受スピンドル装置を搭載した場合に、可変重量部のクランプ又はアンクランプ状態を検出する工具装着状態検出手段からの検出信号と、ツール交換用アーム状態検出手段からの検出信号とを用いてチューニング動作を実行するタイミングを決定し、工具の交換時に回転体の固有振動数及び重心、重量を測定して制御特性及び固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更し、最適な制御を行うため、発振現象は発生せず、回転体を非接触したまま工具交換を行うことができる。
【００１９】
上記構成において、可変重量部重量演算部は、回転体が軸方向を水平にしたものであるとき、回転体を非接触支持するラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受のうち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検出することができる。
【００２０】
また、固有振動数演算部により求められた曲げ一次の固定振動数以下の割合に回転体の最高周波数を制限することにより、回転体の回転数が曲げ一次の固有振動数（危険速度）に近づくことを防止して安定な回転を保つことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２２】
図１は、本実施形態に係る磁気軸受制御装置の構成を示すもので、図２に示す磁気軸受スピンドル装置７を制御できるように構成されたものである。
【００２３】
図２において、磁気軸受スピンドル装置７は、回転体５０をフロント側ラジアル軸受５３、５４と、リア側ラジアル軸受５５、５６と、スラスト軸受５７、５８とにより非接触に支持すると共に、モータロータ５１とモータステータ５２とにより回転駆動するように構成されている。各軸受５３〜５８はそれぞれ回転側のロータと固定側のステータとからなり、固定側は電磁石で構成され、この電磁石への駆動電流を磁気軸受制御装置によって制御することにより、回転体５０の空間的位置を制御することができる。
【００２４】
磁気軸受制御装置による制御を可能にするために、フロント側及びリア側にラジアル変位センサ５９、６０と、スラスト変位センサ６１とが設けられ、回転体５０のラジアル方向の変位とスラスト方向の変位とが検出される。これらのセンサは渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。尚、６２、６３は保護ベアリング、６４はケーシングである。
【００２５】
回転体５０の先端部には工具６５を保持したツールホルダ６７が装着され、ツールホルダ６７の回転体５０に対するクランプ、アンクランプは、回転体５０の内部に設けられたドローバ７０により制御される。図３は、回転体５０内に設けられたドローバ７０の構成を示すもので、先端に前記ツールホルダ６７をクランプするためのクランプ部７７が設けられたドローバ７０は、バネ７１により後方に付勢された状態で回転体５０内に収容され、油圧シリンダ７２の先端方向への加圧によりバネ７１の付勢に抗して先端側に前進できるように構成されている。先端のクランプ部７７はドローバ７０が油圧シリンダ７２により前進したとき開き、油圧シリンダ７２の油圧が解除されてバネ７１の付勢によりドローバ７０が後退したときに閉じるように形成されている。ドローバ７０が前進するとクランプ部７７が開いてアンクランプ状態になってクランプしていたツールホルダ６７の取り外しが可能となり、このアンクランプ状態でクランプ部７７にツールホルダ６７を挿入して、油圧シリンダ７２の油圧を解除してドローバ７０を後退させると、クランプ部７７が閉じるのでツールホルダ６７はクランプされ、回転体５０にツールホルダ６７が装着される。
【００２６】
前記油圧シリンダ７２の移動位置を検出するために、状態検知センサであるクランプセンサ７４及びアンクランプセンサ７５とセンサターゲット７３とが設けられている。これらのセンサは例えば近接スイッチにより構成され、クランプセンサ７４はドローバ７０がクランプ位置、即ち後退位置にあるときに、アンクランプセンサ７５はドローバ７０がアンクランプ位置、即ち前進位置にあるときに、それぞれオンの状態になる。
【００２７】
上記構成からなる磁気軸受スピンドル装置７は、図４に示すように工作機械に搭載される。工具６５を交換するときには、図示するように磁気軸受スピンドル装置７を所定の工具交換位置に移動させ、ツールホルダ６７の角度と回転体５０の角度を合わせるために回転体５０を決められた角度で停止させるオリエント動作を行った後、ツール交換用アーム２０８により回転体５０に装着されているツールホルダ６７をつかみ、前述したドローバ７０のアンクランプ動作によりツールホルダ６７がアンクランプ状態になると、ツール交換用アーム２０８はツールホルダ６７を引き抜き、工作機械に設けられているマガジンに収納する。これと同時に、次に装着するツールホルダ６７を回転体５０に挿入し、前述したドローバ７０によるクランプ動作により回転体５０にツールホルダ６７を装着する。ツールホルダ６７の交換が終了すると、ツール交換用アーム２０８を原点位置に戻して工具交換の作業は完了する。
【００２８】
図１において、回転体５０の位置を検出するセンサからの検出出力を処理するセンサ回路１の出力は第１Ａ／Ｄ変換器２によりデジタル変換されてデジタル演算処理部１４の固有振動数成分減衰部３に入力される。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５０の固有振動数に設定されている。回転体５０の固有振動数は回転体５０の曲げの固有振動数と可変重量部（工具）６５の固有振動数及びツールホルダ６７の固有振動数とが融合された周波数である。
【００２９】
前記固有振動数成分減衰部３により固有振動数成分を減衰させた出力は加算部８に入力され、位置指令値から減算処理されて位相補償部４に入力される。位相補償部４は加算部８からの入力信号を比例、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た出力をＤ／Ａ変換器５に入力する。Ｄ／Ａ変換器５のアナログ出力はパワー増幅回路６に入力して増幅され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置７の電磁石に駆動電流を供給する。
【００３０】
次に、上記固有振動数の測定動作について説明する。外乱発生手段３０を構成するパルス発生器１３が発生したパルス信号は、位置指令値及び固有振動数成分減衰部３の出力と共に加算部８に入力され、位相補償部４、Ｄ／Ａ変換器５、パワー増幅回路６を経由して電磁石から回転体５０に外乱が与えられる。磁気軸受において外力に対する変位の周波数は、制御周波数以上の領域（慣性領域）では４０ｄＢ／ｄｅｃとなるため、パルス発生器１３からのパルス信号は位相補償部４の微分処理を経由させることにより、制御周波数以上の領域に確実に外乱を与えることができる。この外乱の入力時に、センサ回路１の出力を微分器９に入力して微分処理し、この微分器９の出力を第２Ａ／Ｄ変換器１０によりデジタル変換し、固有振動数演算部１１に入力して回転体５０の固有振動数を演算する。
【００３１】
固有振動数演算部１１は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により回転体５０の固有振動数を演算する。求められた固有振動数は、共振倍率の大きいものから決められた個数を固有振動数成分減衰部３における設定周波数として固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２に出力する。固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２では固有振動数演算部１１から出力された固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部３のパラメータの設定を行う。具体的には、複数のデジタルノッチフィルタのパラメータを固有振動数毎に設定する。設定の方法は、パラメータを再計算して求める方法と、予め設定周波数に対するパラメータのテーブルを用意し、固有振動数に対応したパラメータをテーブルから取得する方法がある。固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２の出力により固有振動数成分減衰部３のパラメータが変更され、回転体５０の特性に応じたノッチフィルタが設定され、安定した制御特性を得ることができる。
【００３２】
次いで、回転体５０の重量に変化を及ぼす可変重量部（工具）６５及びツールホルダ６７の重量測定動作について説明する。本実施形態に係る磁気軸受スピンドル装置７では、回転体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３Ａ／Ｄ変換器１７によりデジタル変換して可変重量部重量演算部１８に入力する。可変重量部重量演算部１８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 を用いて可変重量部６５の重量を演算する。尚、Ｋは電磁石によって決まる既知の定数、Ｚは回転体５０と電磁石との間のギャップであり、回転体５０を一定の位置に支持している状態では一定である。
【００３３】
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５０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５０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５０の重量の変化を演算することができる。回転体５０の一端に可変重量部６５及びツールホルダ６７を装着しない状態での電磁石の駆動電流は予めわかっているので、回転体５０全体の重量の変化から可変重量部重量演算部１８によって可変重量部６５及びツールホルダ６７の変化を演算することができる。
【００３４】
可変重量部重量演算部１８で演算された重量が入力される重心位置演算部１９は、回転体５０の重量ｍを変数とした関数ｆ（ｍ）により回転体５０の重心位置を演算する。重心位置は、例えば回転体５０の構造が変わる点で回転体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。
【００３５】
制御パラメータ演算部２０には、可変重量部重量演算部１８及び重心位置演算部１９からの出力信号が入力される。回転体５０の重量及び重心位置の変化は磁気軸受のモデルが変化することなので、制御パラメータ演算部２０は変化したモデルに対応した制御パラメータを演算して位相補償部４に出力する。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て評価関数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を用いることができる。
【００３６】
工作機械が稼動開始したとき、磁気軸受スピンドル装置７にどのような工具６５が装着されるかは様々である。そこで、クランプセンサ７４からのクランプ信号及びアンクランプセンサ７５からのアンクランプ信号、ツール交換用アーム２０８の状態信号をチューニング開始判定部３５に入力し、回転体５０を非接触支持していない状態から非接触支持されるときは、定常範囲内に回転体５０が支持された直後に、クランプ状態で且つツール交換用アーム２０８が原点位置にある場合には、固有振動数の測定、可変重量部６５及びツールホルダ６７の重量測定、重心位置演算部１９、制御パラメータ演算部２０を動作させ、自動的にチューニングを行うことにより、現状の回転体５０に対して最適な制御が行われる。工作機械が稼動開始したとき、クランプ状態でない場合やツール交換用アーム２０８が原点位置でない場合は、非接触支持を禁止している。
【００３７】
工具交換時には、回転体５０が非接触支持状態のまま上記工具交換手順に従ってクランプ以外の状態からクランプ状態になる状態の変化且つツール交換用アーム２０８が原点位置にある場合には、固有振動数の測定、可変重量部６５及びツールホルダ６７の重量測定、重心位置演算部１９、制御パラメータ演算部２０を動作させ、自動的にチューニングを行うことにより、現在の回転体５０に対して最適な制御が行われる。ツール交換用アーム２０８は原点位置にあるという条件以外に、ツールホルダ６７から離れてから、ある時間が経過した後という条件でもよい。
【００３８】
また、固有振動数演算部１１内の演算結果のうち、回転体５０の曲げ一次の固有振動数の例えば７０％の周波数を演算し、工作機械の加工制御手段としてのＮＣ装置２８にモータの最高回転数信号を出力するようにすると、回転体５０の回転数が曲げ一次の固有振動数（危険速度）に近づくことを防いで安定した回転を保つことができる。前記モータの最高回転数は、曲げ一次の固有振動数の６０〜８０％に設定するのが望ましい。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、工作機械に磁気軸受スピンドル装置を搭載した場合に、工具のクランプ状態及びクランプ状態以外を検出する工具状態検出信号と、ツール交換用アームの状態信号とを用いてチューニング動作を行うタイミングを決定し、工具交換時に回転体の固有振動数及び重心、重量を測定して、制御特性及び固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更し、最適な制御を行うため、発振現象は発生せず、非接触支持したまま工具交換を行うことができる磁気軸受制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】制御対象とする磁気軸受スピンドル装置の構成を示す断面図。
【図３】ドローバの構成を示す断面図。
【図４】ツール交換用アームによる工具交換の構成を示す斜視図。
【図５】回転体にツールホルダを装着する状態を説明する斜視図。
【図６】従来技術に係る磁気軸受とその制御装置の構成を示す断面図。
【図７】同上磁気軸受の部分拡大図。
【図８】従来の磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１ センサ回路
３ 固有振動数成分減衰部
４ 位相補償部
６ パワー増幅回路
７ 磁気軸受スピンドル装置
９ 微分器
１１ 固有振動数演算部
１２ 固有振動数成分減衰部パラメータ設定部
１３ パルス発生器
１８ 可変重量部重量演算部
１９ 重心位置演算部
２０ 制御パラメータ演算部
３５ チューニング開始判定部
５０ 回転体
６５ 可変重量部（工具）
６７ 可変重量部（ツールホルダ）
７０ ドローバ
７４ クランプセンサ
７５ アンクランプセンサ
２０８ ツール交換用アーム
【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て回転体を所定位置に支持する磁気軸受の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような磁気軸受制御装置として、図６に示すように、縦型の磁気軸受スピンドル装置１０１の回転を制御するように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図６において、磁気軸受スピンドル装置１０１は、ケーシング１０４内の鉛直方向にスピンドル１０５が配設され、このスピンドル１０５を非接触に支持する１組のアキシャル磁気軸受１０６と上下２組のラジアル磁気軸受１０７、１０８と、スピンドル１０５のアキシャル方向の変位を検出する１個のアキシャル位置センサ１０９と、スピンドル１０５のラジアル方向の変位を検出する上下２組のラジアル位置センサ１１０、１１１と、スピンドル１０５を高速回転させる高周波電動機１１２と、スピンドル１０５のアキシャル方向及びラジアル方向の可動範囲を規制してアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８で支持されない状態のスピンドル１０５を機械的に接触支持する上下２組のタッチダウン軸受１１３、１１４とを設けて構成されている。
【０００４】
この磁気軸受スピンドル装置１０１を制御するために設けられた主制御装置１１６は、アキシャル位置センサ１０９及びラジアル位置センサ１１０、１１１により検出されたスピンドル１０５のアキシャル方向及びラジアル方向の変位に基づいてアキシャル磁気軸受１０６の電磁石１０６ａ及びラジアル磁気軸受１０７、１０８の電磁石１０７ａ，１０８ａに供給する励磁電流を制御すると共に、回転制御装置１１７を介して高周波電動機１１２の回転を制御するもので、その主要部はデジタル信号処理プロセッサにより構成されている。回転制御装置１１７は、主制御装置１１６からの指令に基づいて高周波電動機１１２の回転を制御するもので、公知のインバータにより構成されている。
【０００５】
スピンドル１０５の先端部には、ツールホルダと一体化された工具１２１が装着され、中空構造に形成されたスピンドル１０５内には、そのアキシャル方向の移動により前記工具１２１のアンクランプ、クランプを制御するドローバ１２２が設けられている。このドローバ１２２の後端部はスピンドル１０５の後端より上方に突出しており、後端に位置検出用のフランジ１２２ａが形成されている。このフランジ１２２ａの位置を検出してドローバ１２２の状態を検知するために、図７に拡大図示するように、アンクランプ状態であることを検知する第１センサ１２４、クランプ状態であることを検知する第２センサ１２５、工具無しの状態であることを検知する第３センサ１２６が設けられている。これらの第１〜第３の各センサ１２４、１２５、１２６の検知出力は主制御装置１１６に入力され、主制御装置１１６は第１〜第３の各センサ１２４、１２５、１２６の検知出力に基づいてアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によるスピンドル１０５の支持及び高周波電動機１１２によるスピンドル１０５の回転を制御する。
【０００６】
上記構成において、主制御装置１１６は、ドローバ１２２がクランプ状態にあるときは、アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によるスピンドル１０５の支持及び高周波電動機１１２によるスピンドル１０５の回転を可能とし、ドローバ１２２がアンクランプ状態あるいは工具無しの状態にあるときは、アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によるスピンドル１０５の支持及び高周波電動機１１２によるスピンドル１０５の回転を不可能に制御する。例えば、工具交換が終了したときに、ドローバ１２２がクランプ状態にあれば、直ぐにアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８を作動させてスピンドル１０５を非接触支持する。スピンドル１０５に工具１２１が装着されていない状態、即ちドローバ１２２がアンクランプ状態あるいは工具無しの状態にあるときは、数値制御装置１０２からの指令にかかわらずアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８を作動状態にしてスピンドル１０５の非接触支持を行わないようにすると共に、数値制御装置１０２から回転指令が出力されても高周波電動機１１２を駆動しないのでスピンドル１０５は回転しないように制御される。
【０００７】
即ち、スピンドル１０５に工具１２１が装着されている状態とされていない状態とでは、工具１２１の重量によりスピンドル１０５全体の重量や固有振動数などが変化する。アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８の制御特性は、スピンドル１０５に工具１２１が装着されているときに最適となるように調整されているので、スピンドル１０５に工具１２１が装着されていない状態ではアキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８の制御特性が必ずしも最適にならず、アキシャル磁気軸受１０６及びラジアル磁気軸受１０７、１０８によりスピンドル１０５を非接触支持して回転させると、スピンドル１０５に発振が生じることがある。そこで、この磁気軸受スピンドル装置では、スピンドル１０５に工具１２１が装着されていない状態では、スピンドル１０５の非接触支持及び回転がなされないように制御することにより発振が生じないように構成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−４３９１０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような磁気軸受スピンドル装置を工作機械に搭載し、複数種類の工具を交換しながら加工を行う場合、自動工具交換の一般的な手順として、ツールホルダの角度と回転体（スピンドル）の角度とを合わせるように、回転体を決められた角度で停止させるオリエント動作を行った後、ツール交換用アームが現在回転体に装着されているツールホルダをつかみ、アンクランプにした後、ツール交換用アームがツールホルダを引き抜き、ツールホルダを工作機械に備えられているマガジンに収納する。同時に次に装着するツールホルダを回転体に挿入し、クランプさせた後、ツール交換用アームを原点位置に戻して工具交換を完了する。
【００１０】
図５に示すように、ツール交換用アームがツールホルダ６７をつかみ、これを回転体５０に装着するためにアキシャル方向に移動するときのツールホルダ６７の中心と回転体５０の中心とを合わせる必要があり、中心がずれているとツールホルダ６７を回転体５０に装着することができない。従って、回転体５０は決められた位置に支持されていることが必要となる。
【００１１】
実際の工作機械のオペレーションにおいて、工作機械の立ち上げ時に磁気軸受スピンドル装置にどのような工具が装着されているかは様々であり、ツールホルダが装着されていないこともある。ツールホルダが装着されていないときには前述の工具交換手順によりツールホルダを装着するが、そのときに回転体は決められた位置で支持されている必要があり、オリエント動作を行うために回転可能である必要もある。
【００１２】
しかしながら、前述した従来構成の磁気軸受スピンドル装置では、工具交換を行うときにスピンドルに工具が装着されている状態と装着されていない状態とでの重量の変化に伴う発振を避けるため、工具が装着されていない状態ではスピンドルの非接触支持及び回転を禁止しているため、スピンドルは決まった位置に正確に支持されない。従って、工具を装着するためにツール交換用アームがツールホルダをつかんでアキシャル方向に移動させたとき、ツールホルダの中心とスピンドルの中心とが一致しない状態となり、ツールホルダをスピンドルに装着できない問題が発生する。
【００１３】
この従来技術に係る問題点を解決すべく、本願出願人は先に特願２０００−３１２７２８号として磁気軸受制御装置を提案した。その構成は、図２に示す磁気軸受スピンドル装置７を制御するための磁気軸受制御装置であって、図８に示すように構成されている。
【００１４】
上記磁気軸受制御装置を構成する各部の詳細については後述するが、この磁気軸受制御装置によれば、磁気軸受スピンドル装置７に装着される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５０の固有振動数の変化に対して固有振動数成分減衰部３の特性を自動的に変更して、回転体５０の発振現象の発生を防止することは勿論、回転体５０の重量及び重心位置の変化に応じて制御特性を自動的に変更し、可変重量部の重量変更に応じて最適な制御を行う磁気軸受制御装置が得られる。
【００１５】
しかしながら、工作機械に磁気軸受スピンドル装置を搭載した場合に、ツール交換用アームが回転体５０に装着されているツールホルダをつかんでいる状態で固有振動数の測定及び演算、可変重量部の重量及び重心位置の変化に対応させた制御パラメータの演算を行うと誤った演算結果となり、工具交換後に回転体５０の発振などの不安定な状態が発生する問題点が生じた。
【００１６】
本発明が目的とするところは、上記従来技術に係る磁気軸受制御装置の問題点を解決して実用性の高い磁気軸受制御装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の磁気軸受制御装置は、端部に可変重量部が着脱可能に装着された軸状の回転体を所定位置に非接触で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサから出力されたセンサ信号により前記電磁石に供給する駆動電流を制御する制御回路と、回転体内を軸方向に移動して前記可変重量部の着脱を制御するドローバとを備えてなる磁気軸受制御装置であって、前記センサ信号に基づいて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、回転体に外乱を与える外乱発生手段と、外乱により変化する回転体の位置情報から回転体の固有振動数を測定して前記固有振動数成分減衰部のパラメータを変更するパラメータ設定部と、電磁石への駆動電流から回転体の重量を演算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から回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、前記可変重量部重量演算部及び重心位置演算部それぞれの出力信号から制御パラメータを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及び前記固有振動数成分減衰部の出力信号に基づいて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位相補償部と、前記ドローバの軸方向の位置を検出することにより可変重量部のクランプ状態又はアンクランプ状態を検出する工具装着状態検出手段と、可変重量部のツール交換用アームの状態を検出するツール交換用アーム状態検出手段と、このツール交換用アーム状態検出手段及び前記工具装着状態検出手段それぞれの検出出力に基づいて外乱発生手段及び固有振動数演算及びパラメータ設定部、可変重量部重量演算部、重心位置演算部の演算結果によりパラメータを変更するチューニング開始手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、工作機械に磁気軸受スピンドル装置を搭載した場合に、可変重量部のクランプ又はアンクランプ状態を検出する工具装着状態検出手段からの検出信号と、ツール交換用アーム状態検出手段からの検出信号とを用いてチューニング動作を実行するタイミングを決定し、工具の交換時に回転体の固有振動数及び重心、重量を測定して制御特性及び固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更し、最適な制御を行うため、発振現象は発生せず、回転体を非接触したまま工具交換を行うことができる。
【００１９】
上記構成において、可変重量部重量演算部は、回転体が軸方向を水平にしたものであるとき、回転体を非接触支持するラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受のうち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検出することができる。
【００２０】
また、固有振動数演算部により求められた曲げ一次の固定振動数以下の割合に回転体の最高周波数を制限することにより、回転体の回転数が曲げ一次の固有振動数（危険速度）に近づくことを防止して安定な回転を保つことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２２】
図１は、本実施形態に係る磁気軸受制御装置の構成を示すもので、図２に示す磁気軸受スピンドル装置７を制御できるように構成されたものである。
【００２３】
図２において、磁気軸受スピンドル装置７は、回転体５０をフロント側ラジアル軸受５３、５４と、リア側ラジアル軸受５５、５６と、スラスト軸受５７、５８とにより非接触に支持すると共に、モータロータ５１とモータステータ５２とにより回転駆動するように構成されている。各軸受５３〜５８はそれぞれ回転側のロータと固定側のステータとからなり、固定側は電磁石で構成され、この電磁石への駆動電流を磁気軸受制御装置によって制御することにより、回転体５０の空間的位置を制御することができる。
【００２４】
磁気軸受制御装置による制御を可能にするために、フロント側及びリア側にラジアル変位センサ５９、６０と、スラスト変位センサ６１とが設けられ、回転体５０のラジアル方向の変位とスラスト方向の変位とが検出される。これらのセンサは渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。尚、６２、６３は保護ベアリング、６４はケーシングである。
【００２５】
回転体５０の先端部には工具６５を保持したツールホルダ６７が装着され、ツールホルダ６７の回転体５０に対するクランプ、アンクランプは、回転体５０の内部に設けられたドローバ７０により制御される。図３は、回転体５０内に設けられたドローバ７０の構成を示すもので、先端に前記ツールホルダ６７をクランプするためのクランプ部７７が設けられたドローバ７０は、バネ７１により後方に付勢された状態で回転体５０内に収容され、油圧シリンダ７２の先端方向への加圧によりバネ７１の付勢に抗して先端側に前進できるように構成されている。先端のクランプ部７７はドローバ７０が油圧シリンダ７２により前進したとき開き、油圧シリンダ７２の油圧が解除されてバネ７１の付勢によりドローバ７０が後退したときに閉じるように形成されている。ドローバ７０が前進するとクランプ部７７が開いてアンクランプ状態になってクランプしていたツールホルダ６７の取り外しが可能となり、このアンクランプ状態でクランプ部７７にツールホルダ６７を挿入して、油圧シリンダ７２の油圧を解除してドローバ７０を後退させると、クランプ部７７が閉じるのでツールホルダ６７はクランプされ、回転体５０にツールホルダ６７が装着される。
【００２６】
前記油圧シリンダ７２の移動位置を検出するために、状態検知センサであるクランプセンサ７４及びアンクランプセンサ７５とセンサターゲット７３とが設けられている。これらのセンサは例えば近接スイッチにより構成され、クランプセンサ７４はドローバ７０がクランプ位置、即ち後退位置にあるときに、アンクランプセンサ７５はドローバ７０がアンクランプ位置、即ち前進位置にあるときに、それぞれオンの状態になる。
【００２７】
上記構成からなる磁気軸受スピンドル装置７は、図４に示すように工作機械に搭載される。工具６５を交換するときには、図示するように磁気軸受スピンドル装置７を所定の工具交換位置に移動させ、ツールホルダ６７の角度と回転体５０の角度を合わせるために回転体５０を決められた角度で停止させるオリエント動作を行った後、ツール交換用アーム２０８により回転体５０に装着されているツールホルダ６７をつかみ、前述したドローバ７０のアンクランプ動作によりツールホルダ６７がアンクランプ状態になると、ツール交換用アーム２０８はツールホルダ６７を引き抜き、工作機械に設けられているマガジンに収納する。これと同時に、次に装着するツールホルダ６７を回転体５０に挿入し、前述したドローバ７０によるクランプ動作により回転体５０にツールホルダ６７を装着する。ツールホルダ６７の交換が終了すると、ツール交換用アーム２０８を原点位置に戻して工具交換の作業は完了する。
【００２８】
図１において、回転体５０の位置を検出するセンサからの検出出力を処理するセンサ回路１の出力は第１Ａ／Ｄ変換器２によりデジタル変換されてデジタル演算処理部１４の固有振動数成分減衰部３に入力される。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５０の固有振動数に設定されている。回転体５０の固有振動数は回転体５０の曲げの固有振動数と可変重量部（工具）６５の固有振動数及びツールホルダ６７の固有振動数とが融合された周波数である。
【００２９】
前記固有振動数成分減衰部３により固有振動数成分を減衰させた出力は加算部８に入力され、位置指令値から減算処理されて位相補償部４に入力される。位相補償部４は加算部８からの入力信号を比例、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た出力をＤ／Ａ変換器５に入力する。Ｄ／Ａ変換器５のアナログ出力はパワー増幅回路６に入力して増幅され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置７の電磁石に駆動電流を供給する。
【００３０】
次に、上記固有振動数の測定動作について説明する。外乱発生手段３０を構成するパルス発生器１３が発生したパルス信号は、位置指令値及び固有振動数成分減衰部３の出力と共に加算部８に入力され、位相補償部４、Ｄ／Ａ変換器５、パワー増幅回路６を経由して電磁石から回転体５０に外乱が与えられる。磁気軸受において外力に対する変位の周波数は、制御周波数以上の領域（慣性領域）では４０ｄＢ／ｄｅｃとなるため、パルス発生器１３からのパルス信号は位相補償部４の微分処理を経由させることにより、制御周波数以上の領域に確実に外乱を与えることができる。この外乱の入力時に、センサ回路１の出力を微分器９に入力して微分処理し、この微分器９の出力を第２Ａ／Ｄ変換器１０によりデジタル変換し、固有振動数演算部１１に入力して回転体５０の固有振動数を演算する。
【００３１】
固有振動数演算部１１は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により回転体５０の固有振動数を演算する。求められた固有振動数は、共振倍率の大きいものから決められた個数を固有振動数成分減衰部３における設定周波数として固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２に出力する。固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２では固有振動数演算部１１から出力された固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部３のパラメータの設定を行う。具体的には、複数のデジタルノッチフィルタのパラメータを固有振動数毎に設定する。設定の方法は、パラメータを再計算して求める方法と、予め設定周波数に対するパラメータのテーブルを用意し、固有振動数に対応したパラメータをテーブルから取得する方法がある。固有振動数成分減衰部パラメータ設定部１２の出力により固有振動数成分減衰部３のパラメータが変更され、回転体５０の特性に応じたノッチフィルタが設定され、安定した制御特性を得ることができる。
【００３２】
次いで、回転体５０の重量に変化を及ぼす可変重量部（工具）６５及びツールホルダ６７の重量測定動作について説明する。本実施形態に係る磁気軸受スピンドル装置７では、回転体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３Ａ／Ｄ変換器１７によりデジタル変換して可変重量部重量演算部１８に入力する。可変重量部重量演算部１８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 を用いて可変重量部６５の重量を演算する。尚、Ｋは電磁石によって決まる既知の定数、Ｚは回転体５０と電磁石との間のギャップであり、回転体５０を一定の位置に支持している状態では一定である。
【００３３】
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５０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５０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５０の重量の変化を演算することができる。回転体５０の一端に可変重量部６５及びツールホルダ６７を装着しない状態での電磁石の駆動電流は予めわかっているので、回転体５０全体の重量の変化から可変重量部重量演算部１８によって可変重量部６５及びツールホルダ６７の変化を演算することができる。
【００３４】
可変重量部重量演算部１８で演算された重量が入力される重心位置演算部１９は、回転体５０の重量ｍを変数とした関数ｆ（ｍ）により回転体５０の重心位置を演算する。重心位置は、例えば回転体５０の構造が変わる点で回転体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。
【００３５】
制御パラメータ演算部２０には、可変重量部重量演算部１８及び重心位置演算部１９からの出力信号が入力される。回転体５０の重量及び重心位置の変化は磁気軸受のモデルが変化することなので、制御パラメータ演算部２０は変化したモデルに対応した制御パラメータを演算して位相補償部４に出力する。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て評価関数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を用いることができる。
【００３６】
工作機械が稼動開始したとき、磁気軸受スピンドル装置７にどのような工具６５が装着されるかは様々である。そこで、クランプセンサ７４からのクランプ信号及びアンクランプセンサ７５からのアンクランプ信号、ツール交換用アーム２０８の状態信号をチューニング開始判定部３５に入力し、回転体５０を非接触支持していない状態から非接触支持されるときは、定常範囲内に回転体５０が支持された直後に、クランプ状態で且つツール交換用アーム２０８が原点位置にある場合には、固有振動数の測定、可変重量部６５及びツールホルダ６７の重量測定、重心位置演算部１９、制御パラメータ演算部２０を動作させ、自動的にチューニングを行うことにより、現状の回転体５０に対して最適な制御が行われる。工作機械が稼動開始したとき、クランプ状態でない場合やツール交換用アーム２０８が原点位置でない場合は、非接触支持を禁止している。
【００３７】
工具交換時には、回転体５０が非接触支持状態のまま上記工具交換手順に従ってクランプ以外の状態からクランプ状態になる状態の変化且つツール交換用アーム２０８が原点位置にある場合には、固有振動数の測定、可変重量部６５及びツールホルダ６７の重量測定、重心位置演算部１９、制御パラメータ演算部２０を動作させ、自動的にチューニングを行うことにより、現在の回転体５０に対して最適な制御が行われる。ツール交換用アーム２０８は原点位置にあるという条件以外に、ツールホルダ６７から離れてから、ある時間が経過した後という条件でもよい。
【００３８】
また、固有振動数演算部１１内の演算結果のうち、回転体５０の曲げ一次の固有振動数の例えば７０％の周波数を演算し、工作機械の加工制御手段としてのＮＣ装置２８にモータの最高回転数信号を出力するようにすると、回転体５０の回転数が曲げ一次の固有振動数（危険速度）に近づくことを防いで安定した回転を保つことができる。前記モータの最高回転数は、曲げ一次の固有振動数の６０〜８０％に設定するのが望ましい。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、工作機械に磁気軸受スピンドル装置を搭載した場合に、工具のクランプ状態及びクランプ状態以外を検出する工具状態検出信号と、ツール交換用アームの状態信号とを用いてチューニング動作を行うタイミングを決定し、工具交換時に回転体の固有振動数及び重心、重量を測定して、制御特性及び固有振動数成分減衰部の特性を自動的に変更し、最適な制御を行うため、発振現象は発生せず、非接触支持したまま工具交換を行うことができる磁気軸受制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】制御対象とする磁気軸受スピンドル装置の構成を示す断面図。
【図３】ドローバの構成を示す断面図。
【図４】ツール交換用アームによる工具交換の構成を示す斜視図。
【図５】回転体にツールホルダを装着する状態を説明する斜視図。
【図６】従来技術に係る磁気軸受とその制御装置の構成を示す断面図。
【図７】同上磁気軸受の部分拡大図。
【図８】従来の磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１ センサ回路
３ 固有振動数成分減衰部
４ 位相補償部
６ パワー増幅回路
７ 磁気軸受スピンドル装置
９ 微分器
１１ 固有振動数演算部
１２ 固有振動数成分減衰部パラメータ設定部
１３ パルス発生器
１８ 可変重量部重量演算部
１９ 重心位置演算部
２０ 制御パラメータ演算部
３５ チューニング開始判定部
５０ 回転体
６５ 可変重量部（工具）
６７ 可変重量部（ツールホルダ）
７０ ドローバ
７４ クランプセンサ
７５ アンクランプセンサ
２０８ ツール交換用アーム
Claims (4)
- 端部に可変重量部が着脱可能に装着された軸状の回転体を所定位置に非接触で支持する電磁石と、前記回転体の位置を検出するセンサと、このセンサから出力されたセンサ信号により前記電磁石に供給する駆動電流を制御する制御回路と、回転体内を軸方向に移動して前記可変重量部の着脱を制御するドローバとを備えてなる磁気軸受制御装置であって、前記センサ信号に基づいて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、回転体に外乱を与える外乱発生手段と、外乱により変化する回転体の位置情報から回転体の固有振動数を測定して前記固有振動数成分減衰部のパラメータを変更するパラメータ設定部と、電磁石への駆動電流から回転体の重量を演算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から回転体の重心位置を演算する重心位置演算部と、前記可変重量部重量演算部及び重心位置演算部それぞれの出力信号から制御パラメータを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及び前記固有振動数成分減衰部の出力信号に基づいて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位相補償部と、前記ドローバの軸方向の位置を検出することにより可変重量部のクランプ状態又はアンクランプ状態を検出する工具装着状態検出手段と、可変重量部の交換用アームの状態を検出するツール交換用アーム状態検出手段と、このツール交換用アーム状態検出手段及び前記工具装着状態検出手段それぞれの検出出力に基づいて外乱発生手段及び固有振動数演算及びパラメータ設定部、可変重量部重量演算部、重心位置演算部の演算結果によりパラメータを変更するチューニング開始手段とを備えてなることを特徴とする磁気軸受制御装置。
- 可変重量部重量演算部は、軸方向を水平にした回転体を非接触支持するラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受の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検出する請求項１に記載の磁気軸受制御装置。
- 固有振動数演算部により求められた曲げ一次の固定振動数以下の割合に回転体の最高周波数を制限する請求項１又は２に記載の磁気軸受制御装置。
- 可変重量部が回転体の端部に装着される工具である請求項１〜３いずれか一項に記載の磁気軸受制御装置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006316960A (ja) * | 2005-05-16 | 2006-11-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 磁気軸受装置および磁気軸受装置の可変重量部交換方法 |
| JP2015030079A (ja) * | 2013-08-06 | 2015-02-16 | セイコーインスツル株式会社 | クイル装置、及び研削加工装置 |
| CN111002088A (zh) * | 2018-10-04 | 2020-04-14 | 大隈株式会社 | 机床 |
-
2002
- 2002-11-22 JP JP2002338726A patent/JP2004169869A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006316960A (ja) * | 2005-05-16 | 2006-11-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 磁気軸受装置および磁気軸受装置の可変重量部交換方法 |
| JP4516889B2 (ja) * | 2005-05-16 | 2010-08-04 | パナソニック株式会社 | 磁気軸受装置および磁気軸受装置の可変重量部交換方法 |
| JP2015030079A (ja) * | 2013-08-06 | 2015-02-16 | セイコーインスツル株式会社 | クイル装置、及び研削加工装置 |
| CN111002088A (zh) * | 2018-10-04 | 2020-04-14 | 大隈株式会社 | 机床 |
| CN111002088B (zh) * | 2018-10-04 | 2023-09-12 | 大隈株式会社 | 机床 |
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