JP2004169888A

JP2004169888A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2004169888A
Application number: JP2002339595A
Authority: JP
Inventors: Susumu Nakagawa; 享中川; Isao Tashiro; 功田代
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】加工の状態や主軸の設置環境に依らず主軸の温度上昇ひいては熱膨張を適度に抑制し、対となるスラストマグネットステータの電流アンバランスを低減し、ワークに精度良く加工処理が施せると同時に主軸の加工能力の低下を抑制することができる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃからスラスト方向に突出して加工ツール８が取り付けられる加工ツール取付部１ａと、主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍位置の主軸１の径を検出する参照センサ５ａと、参照センサ５ａの検出情報に基づいてスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段１７と、参照センサ５ａの検出情報に基づいて主軸１内に流す流体流量を求め、流量制御器２３の流量指令値とする流量演算器２２を備えたものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械などに適用される磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、図面を参照しながら従来の工作機械用の磁気軸受装置について説明する。図３は従来の一般的な工作機械用の磁気軸受装置の構成を示す一部分解斜視図および電気系統のブロック図、図４は図３に示す装置の加工ツール取付部の要部を示す拡大側面図、図５は従来の工作機械用の磁気軸受装置の他の例を示す断面図および電気系統のブロック図、図６は図５に示す装置において、スラスト板が中立位置にある場合の説明図、図７は図５に示す装置において、主軸が膨張した時、スラスト補正演算をしない場合の説明図、図８は図５に示す装置において、主軸が膨張した時、スラスト補正演算をした場合の説明図である。
【０００３】
図３および図４に示す従来の一般的な工作機械用の磁気軸受装置は、主軸１を磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂとで固定側から磁気浮上させると共に、主軸１をモータ手段７で回転駆動し、主軸１の端部に取り付けられた加工ツール８を矢印Ｙ（図４（ｂ）参照）で示すようにラジアル方向にワーク９の表面に押し付けて加工を行うように構成されている。
【０００４】
磁気ラジアル軸受手段Ａは、主軸１の軸方向に所定間隔で配置されたラジアルマグネットステータ２ａ，２ｂと、主軸１のラジアル位置を検出するラジアルセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、ラジアル制御手段１４とからなる。磁気スラスト軸受手段Ｂは、主軸１の基端部側に配置されたスラスト板３を中央にしてその両側に配置されたスラストマグネットステータ４ａ，４ｂと、主軸１のスラスト位置を検出するスラストセンサ６と、スラスト制御手段（後述）とからなる。
【０００５】
磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂによって主軸１が磁気浮上すると、ラジアルセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによってラジアル方向の位置が検出され、ラジアル制御手段１４の制御、例えばＰＩＤ制御により主軸１が基準信号で決められた中心位置にくるようラジアルマグネットステータ２ａ，２ｂの電流が制御される。同様に、スラスト方向についてもスラストセンサ６とスラスト制御手段によって主軸１の位置制御が行われる。
【０００６】
主軸１の端部には、図４（ａ）に示すように、スラスト位置ターゲット面１ｃからスラスト方向に突出して加工ツール８が取り付けられる加工ツール取付部１ａが形成されている。この加工ツール取付部１ａにツールホルダー１６を介して加工ツール８が装着され、図４（ｂ）に示すように、磁気浮上した主軸１をモータ手段７によって回転駆動して、加工ツール８をワーク９に当接させて矢印Ｙ方向に押圧することでワーク９に所定の加工処理が施される。このとき、磁気軸受装置はケーシングに装着されている。ワーク９の加工処理時には、上述のように主軸１は磁気浮上すると共にモータ手段７によって回転駆動されるため、温度上昇により主軸１が熱膨張してスラスト方向への延びが発生する。
【０００７】
前記スラスト制御手段は、スラストセンサ６で主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃとのギャップｇを検出して、このギャップｇが規定値に近づくようにスラストマグネットステータ４ａ，４ｂの励磁を制御するように動作するが、主軸１の温度が上昇するとそれに伴ってスラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの加工ツール取付部１ａにスラスト方向の伸びが発生して加工ツール取付部１ａの長さｍが長くなり、ツールホルダー１６を介して装着された加工ツール８の軸先端の位置がずれてくるような事態が発生する場合があり、このような場合には上記のようなスラスト制御手段による自動制御だけでは、十分な加工精度が得られない。
【０００８】
磁気軸受装置における温度上昇と熱変形を抑制する発明として特許文献１を例示できる。
【０００９】
図５以下に示す工作機械用の磁気軸受装置は、このような問題点を解決し、主軸の熱膨張によっても、ワークに精度良く加工処理が施せる工作機械用の磁気軸受装置を提供することを目的として提案されたものであり、以下、この従来装置について説明する。なお、既述した装置と同一の部分については同一符号を用い、その詳細な説明は省略する。
【００１０】
図５に示すように、参照センサは、回転駆動する主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍位置の主軸１の径を検出するものであり、主軸１の周囲に複数配置されたラジアルセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのうちからここではスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍に配置されたラジアルセンサ５ａを用い、主軸１が熱膨張するとその径が大きくなるため、このラジアルセンサ５ａにより主軸１の径から主軸１の温度を検知して、主軸１の伸びに伴なって膨張して加工ツール８の先端位置のズレとなる加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。なお、上記の磁気軸受装置はケーシング１０に装着されており、ケーシング１０の取り付けフランジ１０ａが取付面２０に固定されている。
【００１１】
次に、この加工ツール取付部位置補正手段１７の機能について説明するに、上記のように構成された工作機械用の磁気軸受装置では、既述した従来例と同様に、加工処理時における主軸１の熱膨張をスラスト制御手段１１によりスラストセンサ６とスラスト位置ターゲット面１ｃとのギャップｇを規定値ｇ_０に近づけるように制御している。
【００１２】
しかし、このスラスト制御手段１１による制御だけでは加工ツール取付部１ａの膨張によるスラスト方向の伸び△ｍが補正されない。そこで、スラスト制御手段１１のスラストセンサ６の出力信号と位置指令との加算点に加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸び△ｍに基づく補正量を加算して主軸１の位置補正を行えるよう、加工ツール取付部位置補正手段１７には演算部としての補正演算器１５が設けられている。
【００１３】
補正演算器１５の中身は、ラジアルセンサ５ａから送られた主軸径ｄによる関数ｆ（Ｎ，ｄ）から加工ツール取付部１ａの長さｍの伸び△ｍを算出するよう構成されている。ここでＮは主軸１の回転膨張も考慮したためで、簡易的には関数ｆ（ｄ）で説明できる。
【００１４】
具体的には、ラジアルセンサ５ａの出力信号から主軸１の温度変化△Ｔは、（数１）にて求められる。
【００１５】
【数１】
ΔＴ＝（ｄ−ｄ_Ｎ）／（α×ｄ_０）
ここで、αは主軸熱膨張係数、ｄは主軸径、ｄ_０は停止状態の主軸径、ｄ_Ｎは遠心膨張時の主軸径であり、遠心膨張時の主軸径ｄ_Ｎはあらかじめ構造解析により主軸１の回転数Ｎと主軸径ｄとから求められる。
【００１６】
スラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの長さｍのスラスト方向への伸び△ｍは、（数２）にて表される。
【００１７】
【数２】
△ｍ＝α×ｍ×△Ｔ
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、位置指令により入力されたギャップｇの規定値ｇ_０に近づくようにスラスト制御手段１１により前記のスラスト制御が行われる。
【００１８】
主軸１の伸びが発生すると、ラジアルセンサ５ａからの出力信号が補正演算器１５に入力され、主軸径ｄの膨張から主軸１の温度情報が検出される。また、さらに精度良く補正を行うために、主軸１の回転数Ｎが補正演算器１５に入力され、上記の（数１），（数２）より補正量が算出される。
【００１９】
スラスト制御の補正量は（数３）にて表される。
【００２０】
【数３】
補正量＝−△ｍ
この補正量が位置指令に加算され、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸び△ｍが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツールの先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワークに高精度の加工処理を行うことが可能となる。
【００２１】
しかし、この補正により、スラスト制御の能力が著しく劣化するという問題が発生する。
【００２２】
図６は、主軸１が回転していないなどの温度上昇がない場合を示しており、主軸１のスラスト位置を検出するスラストセンサ６とスラスト制御手段１１により、スラストセンサ６と主軸１のギャップをｇ_０に保ち、スラスト板３はスラストマグネットステータ４ａ，４ｂの中央に位置するよう制御されている。スラストマグネットステータ４ａ，４ｂのスラスト板３に対する吸引力Ｆは一般的に（数４）で表される。
【００２３】
【数４】
Ｆ＝Ｋ・ｉ^２／ｈ_０ ^２
ここで、Ｋは電磁石の特性によって決定される定数、ｉはスラストマグネットステータのコイルに流れる電流、ｈ_０はスラスト板３とスラストマグネットステータとのギャップである。図６下部にスラストマグネットステータ４ａ，４ｂに流れる電流波形を示してあるが、両者の電流値は同等でスラスト板３は両側にあるスラストマグネットステータ４ａ，４ｂから同等の力で吸引され釣り合い状態にある。
【００２４】
図７は、主軸１が高速回転しているなど、主軸１が温度上昇しかつ補正演算器１５を作動させない場合を示すものである。主軸１のスラスト位置を検出するスラストセンサ６とスラスト制御手段１１により、スラストセンサ６と主軸１のギャップはｇ_０に保たれている。しかし、主軸１の温度上昇により、加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸びは△ｍとなっている。同時に温度上昇により主軸１はスラスト位置ターゲット面１ｃを基準にして加工ツールと反対方向にも熱膨張する。したがって、スラスト板３はスラストマグネットステータ４ａ，４ｂの中央からやや右方に位置することになる。この時のスラストマグネットステータ４ａ，４ｂに流れる電流波形を図７下部に示す。スラストマグネットステータ４ａとスラスト板３のギャップの方が広くなるため、スラストマグネットステータ４ａの方がスラストマグネットステータ４ｂより、かなり電流が多く流れており、逆にスラストマグネットステータ４ｂには、スラスト板３が中央にある場合より、少ない電流が流れることになり、この状態でスラスト板３は両側にあるスラストマグネットステータ４ａ，４ｂから同等の力で吸引され釣り合い状態にある。
【００２５】
図８は、主軸１が高速回転しているなど、主軸１が温度上昇しかつ補正演算器１５を作動させた場合を示すものである。つまり、この従来例における補正手段が機能している状態を示している。主軸１の温度上昇が前述の図７の状態と同等であるとすると、補正演算器１５はスラストセンサ６と主軸１のギャップをｇ_０＋△ｍに修正し、加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸びを補正する。図７の状態から主軸１は△ｍだけ左方に移動することになり、スラスト板３はスラストマグネットステータ４ａ，４ｂの中央から一段と右方に位置することになる。この時のスラストマグネットステータ４ａ，４ｂに流れる電流波形を図８下部に示す。スラストマグネットステータ４ａとスラスト板３のギャップはさらに広くなるため、スラストマグネットステータ４ａには一段と電流が多く流れ、逆にスラストマグネットステータ４ｂには、図７の状態よりさらに少ない電流が流れることになる。この状態でスラスト板３は両側にあるスラストマグネットステータ４ａ，４ｂから同等の力で吸引され釣り合い状態にある。
【００２６】
【特許文献１】
特開２００１−３３００３３号公報
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成では、加工能力の低下が問題となる。すなわち、ワーク９の加工処理時には、加工反力により、主軸１のスラスト方向にも力が加わっているにもかかわらず、前述のようにスラストマグネットステータ４ａにはすでに一段と多くの電流が流れているため、スラストマグネットステータ４ａの余力は著しく低下しており、加工反力に抗して主軸１を支持する能力の低下、つまり、加工能力が低下するという問題点がある。
【００２８】
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、加工の状態や主軸の設置環境に依らず主軸の温度上昇ひいては熱膨張を適度に抑制し、対となるスラストマグネットステータの電流アンバランスを低減し、ワークに精度良く加工処理が施せると同時に主軸の加工能力の低下を抑制することができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受装置は、主軸の温度関数を測定するセンサと、この検出情報より主軸の温度関数を算出してスラスト制御を補正する加工ツール取付部位置補正手段と、前記主軸の温度関数に基づき主軸内部に流す流体の流量値を求めて流量指令とする流量演算手段を備えたものである。
【００３０】
本発明によれば、主軸の熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワークに高精度の加工処理を行えると同時に主軸の加工能力の低下を抑制することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、前記従来のものと同一の部分に付いては同一の符号を用いて、その詳細な説明は省略する。図１は本発明の磁気軸受装置の一実施の形態における構成を示す断面図および電気系統のブロック図、図２は図１に示す装置の加工ツール取付部の要部を示す側面図である。
【００３２】
本実施の形態では、磁気軸受装置本体の構成は前記従来のものに加えて主軸内に流体を流すと共にその流量を制御できるようにした制御手段を設けたものであり、制御手段としては、加工ツール取付部位置補正手段から主軸の温度を検出し、これに基づき主軸内部に流す流体の流量値を決定する流量演算手段を設けて、主軸の設置環境に依らず主軸の温度上昇ひいては熱膨張を適度に抑制し、対となるスラストマグネットステータの電流アンバランスを抑え、主軸の加工能力の低下を抑制するようにしたものである。
【００３３】
図１に示すように、従来例と同様の構成の磁気軸受装置の主軸内に流通溝１ｄを設けて流体を流せるように構成する。参照センサは、回転駆動する主軸１のラスト位置ターゲット面１ｃの近傍位置の主軸１の径を検出するものであり、主軸１の周囲に複数配置されたラジアルセンサ５ａ〜５ｄのうちからここではスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍に配置されたラジアルセンサ５ａを用いた。
【００３４】
主軸１が熱膨張するとその径が大きくなるため、このラジアルセンサ５ａにより主軸１の径から主軸１の温度を検知して、主軸１の伸びに伴なって膨張して加工ツール８の先端位置のズレとなる加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成され、これに加えて、主軸内に冷却用の流体を流す構成をとり、その流量を制御する手段、すなわち、加工ツール取付部位置補正手段１７から主軸１の温度情報を得て、これに基づき主軸内部に流す流体の流量値を決定する流量演算手段となる流量演算器２２と、決定した流量値を指令値として、主軸内に制御された流量の流体を供給する流量制御手段となる流量制御器２３が設けられている。
【００３５】
加工ツール取付部位置補正手段１７は従来例と同様であるので、流量演算器２２を詳しく説明すると、上記のように構成された磁気軸受装置では、主軸の温度上昇に大きな影響を及ぼす要因は主軸の回転数である。したがって、主軸内に流す流体の流量Ｑは主軸の回転数Ｎの関数となる。しかし、ワーク９の材質や加工条件によりモータ手段７の出力には大きな変動が生じ、周囲温度等の環境にも影響されて主軸の温度は変化する。
【００３６】
主軸内の流体流量Ｑは（数５）のように主軸１の温度変化△Ｔの関数として求めることができる。
【００３７】
【数５】
Ｑ＝ｆ_０（△Ｔ）
流量演算器２２による主軸内の流体流量Ｑの決定には、（数６）で表されるように、主軸の回転数Ｎにより基本流量Ｑ_０を決定し、主軸の温度変化△Ｔにより流量修正分△Ｑを求め、これらの和を主軸内の流体流量Ｑとし、流量演算の簡易化を図っている。
【００３８】
【数６】

具体的には、（数７）で表されるように、主軸の温度変化△Ｔが大きいほど流量修正分△Ｑの増分を小さくし、温度調節系の安定化を図っている。
【００３９】
【数７】

ここでｓｉｇｎは符号関数、Ｋ_０、Ｋ_１、α、Ｔ_１は系により決定される定数であり、指数αはα＝１．５〜３の範囲で決定できる。右辺第２項は、流量修正分△Ｑの最大値をＫ_１に制限し、指数関数を用いることにより主軸の温度変化△Ｔが大きいほど流量修正分△Ｑの増分を小さくし、温度調節系の安定化を図っている。
【００４０】
以上のように、本実施の形態によれば、主軸の温度関数を測定するセンサと、この検出情報より主軸の温度関数を算出してスラスト制御を補正する加工ツール取付部位置補正手段に加えて、前記主軸の温度関数に基づき主軸内部に流す流体の流量値を求めて流量指令とする流量演算手段を設けることによって、加工の状態や主軸の設置環境に依らず主軸の温度上昇、ひいては熱膨張が適度に抑制され、対となるスラストマグネットステータの電流アンバランスが低減して、ワークに精度良く加工処理が施せると同時に主軸の加工能力の低下を抑制することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、加工の状態や主軸の設置環境に依らず主軸の温度上昇ひいては熱膨張が適度に抑制され、対となるスラストマグネットステータの電流アンバランスが低減して、ワークに精度良く加工処理が施せると同時に主軸の加工能力の低下を抑制することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気軸受装置の一実施の形態における構成を示す断面図および電気系統のブロック図
【図２】図１に示す装置の加工ツール取付部の要部を示す拡大側面図
【図３】従来の一般的な工作機械用の磁気軸受装置の構成を示す一部分解斜視図および電気系統のブロック図
【図４】図３に示す装置の加工ツール取付部の要部を示す側面図
【図５】従来の工作機械用の磁気軸受装置の他の例を示す断面図および電気系統のブロック図
【図６】図５に示す装置において、スラスト板が中立位置にある場合の説明図
【図７】図５に示す装置において、主軸が膨張した時、スラスト補正演算をしない場合の説明図
【図８】図５に示す装置において、主軸が膨張した時、スラスト補正演算をした場合の説明図
【符号の説明】
１主軸
１ａ加工ツール取付部
１ｃスラスト位置ターゲット面
２ａ，２ｂラジアルマグネットステータ
３スラスト板
４ａ，４ｂスラストマグネットステータ
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄラジアルセンサ
６スラストセンサ
７モータ手段
８加工ツール
９ワーク
１０ケーシング
１０ａ取付フランジ
１１スラスト制御手段
１２位相補償器
１５補正演算器
１６ツールホルダー
１７加工ツール取付部位置補正手段
１９電流増幅器
２２流量演算器
２３流量制御器

Claims

主軸の温度関数を測定するセンサと、前記センサの検出情報より主軸の温度関数を算出してスラスト制御を補正する加工ツール取付部位置補正手段と、前記主軸の温度関数に基づき主軸内部に流す流体の流量値を求めて流量指令とする流量演算手段を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
主軸を磁気ラジアル軸受手段と磁気スラスト軸受手段とで固定側から磁気浮上させ、前記主軸をモータ手段で回転駆動し、かつ流体制御手段により前記主軸の内部に制御された流体を流して前記主軸の温度調節を行うと共に、前記主軸に取り付けられた加工ツールによるワークの加工に使用される磁気軸受装置であって、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト磁気駆動部と、主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラストセンサと、スラストセンサの検出ギャップが規定値に近づくように前記スラスト磁気駆動部を励磁するスラスト制御手段と、主軸の前記スラスト位置ターゲット面からスラスト方向に突出して前記加工ツールが取り付けられる加工ツール取付部と、主軸の前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸の径を検出する参照センサと、前記参照センサの検出情報に基づいて前記主軸の温度情報を計算してこれを前記加工ツール取付部のスラスト方向の温度膨脹長さに変換し、この加工ツール取付部の温度膨張長さ分を、前記スラストセンサの検出に基づくスラスト制御手段によるスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段と、前記加工ツール取付部位置補正手段から前記主軸の温度情報を得、これに基づき主軸内部に流す流体の流量値を求めて、その結果を前記流体制御手段に指令する流量演算手段を設けたことを特徴とする磁気軸受装置。