JP2006316960A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高くかつ短時間で自動工具交換が行える磁気軸受主軸を実現する。
【解決手段】モード判別部１２と、バイアス指令発生部１０、パワー増幅器８，９、可変重量部交換位置検出部１１とにより構成される可変重量部交換モード処理部１４とを備え、可変重量部４０（例えば工具）を交換するときに、特定のラジアル磁気軸受電磁石２２，２４にバイアス電流を印加し、回転体３１を決められた位置に固定することにより、工具交換時の位置決めを可能にし、信頼性が高く、かつ短時間での自動工具の交換を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気軸受装置、特に回転体に装着されている可変重量部の交換を必要とする磁気軸受装置に関するものである。

従来の磁気軸受装置としては、主軸の先端に装着されている工具を交換するときに、主軸を軸方向前部側に移動させ、係合部材と保護軸受とを係合せしめて、主軸の軸方向前部側への移動を規制するものがあった（例えば特許文献１参照）。

図５，図６は、前記特許文献１に記載された従来の磁気軸受装置を示すものである。

図６において、１０１は主軸、１０２は前部アンギュラ玉軸受、１０３は後部アンギュラ玉軸受、１０４はナット、１０５は後部ラジアル磁気軸受、１０６は前部ラジアル磁気軸受、１０７は前部スラスト磁気軸受、１０８は後部ステータ、１０９は前部ステータ、１１０は軸受制御手段である。

前記構成の従来の磁気軸受装置において、通常状態では、主軸１０１はスラスト磁気軸受１０７によって、その中立位置に位置するようにスラスト方向に支持されていて、図５（ａ）に示すように、主軸１０１の後端部に螺着されたナット１０４と後部アンギュラ玉軸受（保護軸受）１０３との間に、所定の空隙ｔが形成されているが、上述した前部ステータ１０８の吸引力の増加によって、図５（ｂ）に示すように、主軸１０１が軸方向前部側、すなわち、矢示方向に移動し、ナット１０４が後部アンギュラ玉軸受１０３に当接する。

ついで、工具交換手段（図示せず）の作動により、主軸１０１に装着された使用済みの工具Ｔをその受容部から引き抜いた後、新たな工具Ｔを主軸１０１に装着する際、工具Ｔのテーパ部と主軸１０１の受容部との密着によって、主軸１０１に引き抜き方向の加重が作用したとしても、ナット１０４と後部アンギュラ玉軸受１０３とが既に当接，係合していることから、主軸１０１が軸方向前部側に更に移動することはなく、後部アンギュラ玉軸受１０３に作用する荷重が動荷重に比べて値の小さい静荷重となる。

これにより、ナット１０４と後部アンギュラ玉軸受１０３との衝突を防止することができ、後部アンギュラ玉軸受１０３が損傷することを防止していた。
特開２０００−１７６７７７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、自動工具交換時におけるラジアル磁気軸受の動作が不明であり、例えば、自動工具交換時にラジアル磁気軸受が磁気浮上状態となっている場合は、自動工具交換時に工具交換用のアームから主軸が受ける負荷により主軸位置が変動し工具交換ができなかったり、変動を防止するために自動工具交換スピードを遅くしなければならないという課題を有していた。

また、自動工具交換時、ラジアル磁気軸受が磁気浮上状態となっていない場合は、ラジアル方向の位置が、その都度、変動するため自動工具交換ができないという課題を有していた。

また、特許文献１で解決しようとしている課題は、自動工具交換の際に保護軸受が損傷することを防止することであり、本発明の課題である自動工具交換時の主軸の位置決めとは異なる。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換を行うことができる磁気軸受主軸を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、制御電流により浮上制御されるラジアル磁気軸受電磁石，スラスト磁気軸受電磁石によって支承され、回転、停止制御される回転体を含み、前記回転体に装着される可変重量部の交換時に、外部より印加される可変重量部交換信号に基づき磁気浮上モードおよび可変重量部交換モードを判別するモード判別部と、前記モード判別部の信号により前記ラジアル磁気軸受電磁石，前記スラスト磁気軸受電磁石の磁気浮上支承をコントロールする磁気浮上モード処理部と、前記モード判別部の信号により可変重量部の交換時に前記ラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部と前記回転体が可変重量部交換可能位置に移動したことを判別する可変重量部交換位置検出部とにより構成している可変重量部交換モード処理部とを有し、可変重量部の交換を行うものである。

前記構成によって、可変重量部の交換時にラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加し、回転体をラジアル保護部材に接触させて位置決めし、可変重量部の交換を実現することができる。

以上のように、本発明によれば、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換が行える磁気軸受主軸を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図、図２は本実施形態における磁気軸受装置の具体例を示す断面図、図３は本実施形態における磁気軸受装置のドローバの構成を示す断面図である。

図１，図２において、３１は回転体、４１は回転体３１に、モータロータ３５、ラジアル磁気軸受ロータ３３，３４、スラスト磁気軸受ロータ３９、工具３２およびツールホルダ３７により構成される可変重量部４０が取り付けられた主軸である。このラジアル磁気軸受ロータ３３，３４、スラスト磁気軸受ロータ３９から微小間隔の距離をおいてラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７、回転体３１の変位を検出するラジアル変位センサ２８，２９、スラスト変位センサ３０が配置され、回転体３１は所定位置に非接触で支持されている。

ここで、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５は、回転体３１の周囲に、例えば９０°の中心角で左右に４個ずつ配置され、また、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７は回転体３１を取り巻くリング状に配置されている。また、ラジアル変位センサ２８，２９、スラスト変位センサ３０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。２０は保護ベアリングなどよりなる保護部材であり、例えば玉軸受を使用し、ラジアル方向、スラスト方向兼用となっている。回転体３１にはモータロータ３５が取り付けられ、モータ駆動装置４２によりモータステータ３６に電流を流し回転体３１を回転駆動させる。なお、図２において、３８はケーシングである。

次に、実施形態１における磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置１について説明する。

磁気軸受制御装置１は、外部からの可変重量部の交換を指示するための可変重量部交換信号Ｓｇ１と該可変重量部交換信号Ｓｇ１を受信し、受信した処理内容へモードを切り替えるモード判別部１２と、通常の磁気浮上を行うための磁気浮上モード時に、ラジアル変位センサ２８，２９、スラスト変位センサ３０からの変位信号と前記変位信号と位置指令値との減算を行う加算器２，３と、これら加算器２，３の出力をもとに回転体３１とラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償器４，５およびパワー増幅器６，７と、可変重量部４０の交換を行うための可変重量部交換モード時に、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部１０と、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７への電流印加を遮断するための電流指令０を出力するスライド指令発生部１５と、回転体３１の位置を検出し、回転体３１が可変重量部４０の交換位置にあることを検出する可変重量部交換位置検出部１１とから構成されている。

ここで、加算器２，３、位相補償器４，５、パワー増幅器６，７は磁気浮上モード時に磁気軸受を制御する磁気浮上モード処理部１３を構成し、また、バイアス指令発生部１０、パワー増幅器８，９、可変重量部交換位置検出部１１は可変重量部交換モード処理部１４を構成している。ラジアル磁気軸受け制御装置のパワー増幅器６，パワー増幅器８は共用することができる。また、スラスト磁気軸受制御構造のパワー増幅器７，パワー増幅器９も共用することができる。

次に、その動作を説明する。まず、通常状態では常に軸受として機能させる必要があるため、モード判別部１２が可変重量部交換信号Ｓｇ１より磁気浮上モードであることを受信すると、回転体３１の変位をラジアル変位センサ２８，２９、スラスト変位センサ３０で検出し、その出力信号を加算器２，３に印加する。加算器２，３では回転体３１の指令位置（目標位置）から前記出力信号を減算し、減算された信号が位相補償器４，５に入力され、この位相補償器４，５からの出力によってパワー増幅器６，７が動作し、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７に電流を流し、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５とラジアル磁気軸受ロータ３３，３４間、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７とスラスト磁気軸受ロータ３９間に生じる磁気吸引力によって回転体３１のラジアル方向およびスラスト方向の位置を浮上制御する。ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７に電流が印加されていないとき、回転体３１は保護部材２０で支持される。回転体３１の回転方向の制御は、モータ駆動装置４２により行われる。

次に、可変重量部４０を交換するとき、モード判別部１２が可変重量部交換信号Ｓｇ１より可変重量部交換モードであることを受信すると、モード判別部１２により、磁気浮上処理モードから可変重量部交換モードへ処理が移行する。可変重量部交換モード処理部１４では、まず、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７への電流の印加を停止する。次に決められたラジアル磁気軸受電磁石、例えばラジアル磁気軸受電磁石２２，２４のみにバイアス電流を印加するようバイアス指令発生部１０で設定を行う。バイアス電流を印加する電磁石は、工具交換時に加工機に設置されている工具交換用のアーム（図示されていない）から、回転体３１が受ける力の方向を考慮して決定する。

実施形態１において、磁気軸受装置の軸方向が鉛直方向に設置されている（立形）場合は、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７への電流印加を停止するために電流指令を０にする。これにより、回転体３１は保護部材２０のスラスト支持側に接触することになる。スラスト磁気軸受電磁石２６，２７に電流を印加しない方法として、パワー増幅器９の内部でスラスト磁気軸受電磁石２６，２７に電流を印加しないよう駆動用の素子を動作させないようにしてもよい。次に、設定されたラジアル磁気軸受電磁石２２，２４にバイアス電流を印加する。これにより、回転体３１は決められた方向に移動し、保護部材２０のラジアル支持側と接触した状態となる。

工具交換においては、加工機側に設置されているアームと回転体３１の位置を決められた場所に保つ必要がある。この位置を工具交換ポイントとする。ラジアル変位センサ２８，２９、スラスト変位センサ３０の出力を可変重量部交換位置検出部１１に入力し、回転体３１が工具交換ポイントに移動したか否かを判別する。工具交換ポイントに回転体３１が移動している場合は、工具交換の動作に移行する。工具交換ポイントに回転体３１が移動できなかった場合は、一度、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２４へのバイアス電流の印加を停止し、再度、バイアス電流を印加する。

そして、可変重量部交換位置検出部１１にて再度工具交換ポイントに回転体３１が移動したか否かを判別する。工具交換ポイントに回転体３１が移動している場合は、工具交換の動作に移行する。工具交換ポイントに回転体３１が移動できなかった場合には、決められた回数、前記処理をリトライする。決められた回数リトライをしても、工具交換ポイントに回転体３１が移動できなかった場合は、工具交換動作を停止し、エラーを発報するなどの処理を行う。

次に、工具交換の動作について説明する。回転体３１の先端部には工具３２を保持したツールホルダ３７が装着され、ツールホルダ３７の回転体３１に対するクランプ、アンクランプは、回転体３１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３１内に設けられたドローバ７０の構成を示すものであり、先端に前記ツールホルダ３７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３１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。工具交換ポイントへ回転体３１が移動した後、工具交換用のアームがツールホルダを掴む。

次に、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３７の取り外しが可能となり、アームがツールホルダを引き抜く。次に、このアンクランプ状態で、加工機の動作によりアームが新しいツールホルダ３７をクランプ部７７へと挿入する。次に、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が閉じるためツールホルダ３７はクランプされ、回転体３１にツールホルダ３７が装着される。

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およ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、すなわ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、すなわち前進位置にあるときに、それぞれオンの状態になる。

このように工具交換が実施された後、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２４へのバイアス電流印加を停止する。次に、モード判別部１２により、可変重量部交換信号Ｓｇ１の指示が磁気浮上モードであることを確認し、磁気浮上モードへと移行して、磁気浮上状態となる。

実施形態１に係る構成によれば、自動工具交換時に、設定したラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加し、回転体を工具交換ポイントへ位置決めすることによりにより、回転体に加工機に設置されているアームからの力が加わっても工具交換を行うことができ、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換可能が行える磁気軸受主軸を提供することができる。

（実施形態２）
前記実施形態１は磁気軸受装置の軸方向が鉛直方向（立形）に設置されている場合であった。この立形の場合は、スラスト磁気軸受電磁石に電流を印加しない場合は、重力により回転体が保護軸受のスラスト支持側に接触した状態になるため、スラスト方向の工具交換ポイントを一定位置にすることができる。

しかし、磁気軸受装置の軸方向が鉛直方向と９０°なす方向に設置（横形）されている場合には、スラスト方向も制御して位置決めする必要がある。実施形態２は、このような横形の構成について考慮したものである。

図４は本発明の実施形態２における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図である。なお、基本的には実施形態１の構成と同様であって、図１〜図３にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

図４に示すように、実施形態２は可変重量部交換モード処理部１４のスラスト磁気軸受制御装置にもバイアス指令発生部１６を設けている。実施形態１において、自動工具交換時の可変重量部交換モードにおける可変重量部交換モード処理部１４において設定したラジアル磁気軸受電磁石２２，２４にのみバイアス電流を印加していたが、実施形態２においては、設定したラジアル磁気軸受電磁石２２，２４に加えて、バイアス指令発生部１６とパワー増幅器９により、スラスト磁気軸受電磁石２６，または２７のどちらかにもバイアス電流を印加し、工具位置決めポイントへ回転体３１を固定する。その他の構成，動作については実施形態１と同様である。

実施形態２に係る構成によれば、磁気軸受装置を横形に設置した場合にも、自動工具交換時に、設定したラジアル磁気軸受電磁石およびスラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加し、回転体を工具交換ポイントに位置決めすることにより、回転体に加工機に設置されているアームからの力が加わっても工具交換を行うことができ、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換可能が行える磁気軸受主軸を提供することができる。

本発明は、信頼性が高く、かつ短時間で工具交換可能が可能であるため、工具交換が必要であるマシニングセンタをはじめとして、工作物を無人加工することができる研削盤（グラインディングセンター）の用途にも適用できる。

本発明の実施形態１における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図 実施形態１および実施形態２における磁気軸受装置の具体例を示す断面図 実施形態１および実施形態２における磁気軸受装置のドローバの構成を示す断面図 本発明の実施形態２における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図 従来の磁気軸受装置の主軸ヘッドの制御方法を説明するための説明図 従来の磁気軸受装置を適用した立形マシニングセンタの要部を、主軸ヘッド部を中心として一部ブロック図で示す正面図

符号の説明

１ 磁気軸受制御装置
２，３ 加算器
４，５ 位相補償器
６，７，８，９ パワー増幅器
１０，１６ バイアス指令発生部
１１ 可変重量部交換位置検出部
１２ モード判別部
１３ 磁気浮上モード処理部
１４ 可変重量部交換モード処理部
１５ スラスト指令発生部
２０ 保護部材
２２，２３，２４，２５ ラジアル磁気軸受電磁石
２６，２７ スラスト磁気軸受電磁石
２８，２９ ラジアル変位センサ
３０ スラスト変位センサ
３１ 回転体
３２ 工具
３３，３４ ラジアル磁気軸受ロータ
３５ モータロータ
３６ モータステータ
３７ ツールホルダ
３８ ケーシング
３９ スラスト磁気軸受ロータ
４０ 可変重量部
４１ 主軸
４２ モータ駆動装置
７０ ドローバ
７１ バネ
７２ 油圧シリンダ
７３ センサターゲット
７４ クランプセンサ
７５ アンクランプセンサ
Ｓｇ１ 可変重量部交換信号

Claims (6)

1. 回転体をラジアル磁気軸受電磁石およびスラスト磁気軸受電磁石の制御電流により浮上制御する磁気軸受装置において、
   前記回転体に装着される可変重量部の交換時に、外部より印加される可変重量部交換信号に基づき磁気浮上モードおよび可変重量部交換モードを判別するモード判別部と、
   前記モード判別部の信号により前記ラジアル磁気軸受電磁石および前記スラスト磁気軸受電磁石の磁気浮上支承をコントロールする磁気浮上モード処理部と、前記モード判別部の信号により前記可変重量部の交換時に、前記ラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部と、前記回転体が前記可変重量部の交換可能位置に移動したことを判別する可変重量部交換位置検出部とにより構成される可変重量部交換モード処理部とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
2. 前記可変重量部交換モード処理部に、前記モード判別部の信号により前記可変重量部の交換時に前記スラスト磁気軸受電磁石への電流を遮断するスラスト指令発生部を設けたこと特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
3. 前記可変重量部交換モード処理部に、前記可変重量部の交換時に前記スラスト磁気軸受電磁石へバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部と、前記回転体が前記可変重量部の交換可能位置に移動したことを判別する可変重量部交換位置検出部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
4. ラジアル磁気軸受電磁石およびスラスト磁気軸受電磁石の制御電流により浮上制御する回転体に装着される可変重量部の交換時に、前記ラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加し、前記回転体をラジアル保護部材に接触させ位置決めすることを特徴とする磁気軸受装置の可変重量部交換方法。
5. 前記可変重量部の交換時に、前記スラスト磁気軸受電磁石への電流を遮断することによりスラスト保護部材に前記回転体を接触させることを特徴とする請求項４記載の磁気軸受装置の可変重量部交換方法。
6. 前記可変重量部交換時に、前記スラスト磁気軸受電磁石へバイアス電流を印加することにより前記スラスト保護部材に前記回転体を接触させることを特徴とする請求項４記載の磁気軸受装置の可変重量部交換方法。

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