JP2007263143A

JP2007263143A - 工作機械用磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2007263143A
Application number: JP2006085218A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kameno; 浩徳亀野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】工具の振れ回り量を高精度で測定することができる工作機械用磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】磁気軸受制御装置は、工具ドレス時に求められた位相−変位波形を浮上目標位置とすることによって加工中の工具のラジアル方向の振れ回り量をゼロとする振れ回り制御手段12を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、たとえば内面研削盤などのような工作機械において、先端に工具が取付けられて回転駆動される回転軸を支持する制御型の磁気軸受装置に関する。

工作機械用磁気軸受装置として、研削用砥石（工具）が取り付けられている回転軸をラジアル方向に非接触支持するための複数組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転軸のラジアル方向の位置を検出するための複数組のラジアル位置センサと、磁気軸受の電磁石に励磁電流を供給する磁気軸受制御装置とを備えているものが知られている（特許文献１）。
特開平９−１０８９９１号公報

上記特許文献１のものでは、転がり軸受に代えて、制御型の磁気軸受装置を使用することにより、高速回転、高送り速度での加工が可能となったが、砥石の振れ回り量については、これがワークの仕上げ精度（直角度、平面度など）に大きな影響を与えるにもかからず、管理または制御することはできなかった。

この発明の目的は、工具の振れ回り量を高精度で制御することができる工作機械用磁気軸受装置を提供することにある。

この発明による工作機械用磁気軸受装置は、工具が取り付けられている回転軸をラジアル方向に非接触支持するための複数組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転軸のラジアル方向の位置を検出するための複数組のラジアルセンサと、磁気軸受の電磁石に励磁電流を供給する磁気軸受制御装置とを備えている工作機械用磁気軸受装置において、磁気軸受制御装置は、工具ドレス時に求められた位相−変位波形を浮上目標位置とすることによって加工中の工具のラジアル方向の振れ回り量をゼロとする振れ回り制御手段を備えていることを特徴とするものである。

工作機械は、たとえば内面研削盤などのように、回転駆動される回転軸の先端に砥石（またはその他の工具）が取り付けられたスピンドルを備えたものであり、スピンドルは、例えば、ケーシング、ケーシング内に水平または垂直に配置された回転軸、回転軸を非接触支持する１つの制御型アキシアル磁気軸受および前後または上下の２つの制御型ラジアル磁気軸受、ならびに、回転軸のアキシアル方向の位置を検出するための１つのアキシアル位置センサおよび回転軸のラジアル方向の位置を検出するための前後または上下の２つのラジアル位置センサを備えているものとされる。ここで、通常、各ラジアル磁気軸受は、Ｘ軸方向磁気軸受およびＹ軸方向磁気軸受からなるものとされ、各ラジアル位置センサは、Ｘ軸方向位置センサおよびＹ軸方向位置センサからなるものとされる。

磁気軸受制御装置は、各制御軸（Ｘ軸およびＹ軸）の電磁石制御信号出力手段、電磁石駆動手段などを有しており、電磁石制御信号出力手段は、各制御軸の１対の電磁石に対する励磁電流信号を出力し、電磁石駆動手段は、該１対の電磁石に対して、励磁電流信号に比例する励磁電流を供給する。各電磁石に対する励磁電流信号は、定常電流信号と制御電流信号を合わせたものであり、各電磁石に供給する励磁電流は、定常電流と制御電流を合わせたものである。定常電流（および定常電流信号）は、回転軸の該制御軸方向の位置にかかわらず、一定の値である。制御電流（および制御電流信号）は、回転軸の該制御軸方向の位置によって変化する。各制御軸の１対の電磁石について、制御電流（および制御電流信号）の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆である。

工具の振れ回り量は、互いに直交する軸をＸ軸およびＹ軸とし、例えば、次式によってＸ軸方向の振れＸｔおよびＹ軸方向の振れＹｔを求めることができる。

Ｘｔ＝｛（Ｘ１−Ｘ１_０）＋（Ｘ２−Ｘ２_０）｝（Ｌ＋Ｌｔ）／Ｌ−（Ｘ２−Ｘ２_０）
Ｙｔ＝｛（Ｙ１−Ｙ１_０）＋（Ｙ２−Ｙ２_０）｝（Ｌ＋Ｌｔ）／Ｌ−（Ｙ２−Ｙ２_０）
ただし、Ｌは、２つのラジアル位置センサ間の距離、Ｌｔは、工具とこれに近いラジアル位置センサとの距離であり、Ｘ１_０，Ｙ１_０，Ｘ２_０およびＹ２_０は、工具ドレス時の回転軸振れ回り量を各ラジアル位置センサで計測した定格回転数での時間−変位波形であり、Ｘ１，Ｙ１，Ｘ２およびＹ２は、加工中の回転軸振れ回り量を各ラジアル位置センサで計測した定格回転数での時間−変位波形である。なお、この振れ回り量の式は、回転軸が剛体であるとして求められたものである。

そこで、上記式のＸｔおよびＹｔがゼロとなるように浮上目標位置を設定することにより、工具の振れ回り量が常にゼロとなる制御が可能となる。

工具ドレス時の変位波形は、例えば、定格回転数における時間−変位波形として求められ、この変位波形が、定格回転時の時間と回転軸の位相との関係を利用して、位相−変位波形に変換される。加工中の工具の変位波形は、位相の関数であり、位相計測手段（例えば回転センサ）によって位相が計測され、時々刻々変化する浮上目標位置に応じて、励磁電流が制御され、工具のラジアル方向の変位が変化させられる。

振れ回り制御手段は、工具ドレス時に各ラジアル位置センサで計測された定格回転数での時間−変位波形を位相−変位波形に変換して浮上目標位置とする浮上目標位置設定手段と、工具のラジアル方向の変位が位相計測手段によって計測された位相に対応する浮上目標位置となるように電磁石の励磁電流を変化させる振れ回り量補償手段とを有しているものとされることが好ましい。

振れ回り量は、回転軸の位相（回転角度）の関数であるため、浮上目標位置も回転軸の位相の関数となる。したがって、回転軸の位相を検出する位相計測手段が必要となるが、この位相計測は、回転軸の回転速度を求める回転センサを利用することができ、ハードウェアの構成を新たに追加する必要はない。浮上目標位置が回転軸の位相によって時々刻々変化するので、振れ回り制御には、高速演算可能なＤＳＰなどが使用される。ＤＳＰはディジタル信号処理プロセッサの略で、ディジタル信号処理プロセッサとは、ディジタル信号を入力してディ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。

この発明の工作機械用磁気軸受装置によると、工具の振れ回り量を制御してこれをゼロにすることができ、これにより、ワークの歩留まりを向上させることができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明による工作機械用磁気軸受装置とその制御装置の主要部を示している。なお、以下の説明において、上下左右は図１についていうものとする。

磁気軸受装置は、５自由度制御形のもので、先端（左端）に砥石(9)などの工具が取り付けられる左右にのびる回転軸(1) を非接触支持する１つのアキシアル方向磁気軸受（図示略）および左右２つのラジアル方向磁気軸受(2)(3)を備えている。

アキシアル方向磁気軸受は、回転軸(1) をＺ軸方向（左右方向）に支持するものである。ラジアル方向磁気軸受(2)(3)は、回転軸(1) をラジアル方向に支持するものである。各ラジアル方向磁気軸受(2)(3)には、回転軸(1) をＺ軸と直交するＸ軸方向（上下方向）に支持する部分（Ｘ軸方向磁気軸受）と、Ｚ軸およびＸ軸と直交するＹ軸方向（図１の紙面と直交する方向）に支持する部分（Ｙ軸方向磁気軸受）とがあり、図１にはＸ軸方向磁気軸受(4)(5)が示されている。各ラジアル方向磁気軸受(2)(3)に対応して、Ｘ軸方向位置センサ(7a)(7b)(8a)(8b)およびＹ軸方向位置センサからなるラジアル位置センサが設けられている。アキシアル方向磁気軸受およびラジアル方向磁気軸受(2)(3)は、磁気軸受制御装置(6)によって制御されている。

各Ｘ軸方向磁気軸受(4)(5)は、回転軸(1) をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石(4a)(4b)(5a)(5b)を備えている。また、各電磁石(4a)(4b)(5a)(5b)の近傍に、回転軸(1) のＸ軸方向の位置を検出するための１対のＸ軸方向位置センサ(7a)(7b)(8a)(8b)が回転軸(1) をＸ軸方向の両側から挟むように配置されている。

左側の１対のＸ軸方向位置センサ(7a)(7b)の出力は第１減算器(10)に入力し、これによって回転軸(1) の左側部分のＸ軸方向変位Ｘ１が演算される。右側の１対の位置センサ(8a)(8b)の出力は第２減算器(11)に入力し、これによって回転軸(1) の右側部分のＸ軸方向変位Ｘ２が演算される。

Ｙ軸方向についても、制御方向がＸ軸方向からＹ軸方向に変わるだけで、上記と同様であり、各Ｙ軸方向位置センサの出力によって、回転軸(1) の左側部分のＹ軸方向変位Ｙ１および同右側部分のＹ軸方向変位Ｙ２が演算される。

制御装置(6)には、加工中の砥石(9)の振れ回り量に応じた制御を行う振れ回り量制御回路（振れ回り量制御手段）(12)が設けられている。回転軸(1) の左側部分のＸ軸方向変位Ｘ１、同Ｙ軸方向変位Ｙ１、右側部分のＸ軸方向変位Ｘ２および同Ｙ軸方向変位Ｙ２は、この振れ回り量制御回路(12)に入力されている。

回転軸(1)の右端部に、凹部(25a)を有するターゲット部(25)が設けられており、回転軸(1)の回転速度を検出する回転センサ(26)がこの凹部(25a)を臨むように設けられている。回転センサ(26)は、凹部(25a)の位置を基準にした回転軸(1)の位相θを検知しており、この位相θも振れ回り量制御回路(12)に入力されている。

振れ回り量制御回路(12)は、図２に示すように、浮上目標位置設定回路（浮上目標位置設定手段）(31)および振れ回り量補償回路（振れ回り量補償手段）(32)を備えている。

浮上目標位置設定回路(31)には、砥石(9)をドレスする時の回転軸(1)振れ回り量を各ラジアル位置センサ(7a)(7b)(8a)(8b)で計測した定格回転数での時間−変位波形が位相−変位波形に変換され、その位相−変位波形Ｘ１_０，Ｙ１_０，Ｘ２_０およびＹ２_０が浮上目標位置として設定されている。

図２には、変位波形Ｘ１_０がほぼ正弦波となる例を示しているが、Ｙ１_０，Ｘ２_０およびＹ２_０についてもこのような波形に対応する情報が例えば制御テーブルの形で蓄積される。砥石(9)のドレス時には、各ラジアル位置センサ(7a)(7b)(8a)(8b)による回転軸(1)の振れ回り量計測が合わせて行われ、ドレス終了毎に浮上目標位置が書き換えられる。

振れ回り量補償回路(32)には、浮上目標位置設定回路(31)からの浮上目標位置の他に、第１および第２減算器(10)(11)の出力すなわち回転軸(1) の左側部分のＸ軸方向変位Ｘ１およびＹ軸方向変位Ｙ１ならびに回転軸(1) の右側部分のＸ軸方向変位Ｘ２およびＹ軸方向変位Ｙ２が入力され、さらに、回転センサ(26)からの位相θが入力される。振れ回り量補償回路(32)は、各変位Ｘ１，Ｙ１，Ｘ２およびＹ２と砥石(9)ドレス時の変位Ｘ１_０，Ｙ１_０，Ｘ２_０およびＹ２_０との差がゼロとなるように、制御信号を作成する。例えば、同図に示すように、変位Ｘ１が破線で示すようにＸ１_０から外れようとした場合、これを矢印方向に戻す制御信号を出力することにより、Ｘ１＝Ｘ１_０を維持する。同様にして、Ｙ１＝Ｙ１_０，Ｘ２＝Ｘ２_０およびＹ２＝Ｙ２_０が維持される。Ｘ１＝Ｘ１_０とするための制御信号は、図１に示すように、電力増幅器(17)を介して左側のＸ軸方向磁気軸受(4) の一方の電磁石(4a)のコイルに入力するとともに、インバータ(18)および電力増幅器(19)を介して他方の電磁石(4b)のコイルに入力し、これによってこれらの電磁石(4a)(4b)のコイルに流れる電流値が制御される。Ｙ１＝Ｙ１_０とするための制御信号も、同様にして、左側のＹ軸方向磁気軸受の電磁石のコイルに入力し、これによって電磁石のコイルに流れる電流値が制御される。また、Ｘ２＝Ｘ２_０とするための制御信号は、電力増幅器(21)を介して右側のＸ軸方向磁気軸受(5) の一方の電磁石(5a)のコイルに入力するとともに、インバータ(22)および電力増幅器(23)を介して他方の電磁石(5b)のコイルに入力し、これによってこれらの電磁石(5a)(5b)のコイルに流れる電流値が制御される。Ｙ２＝Ｙ２_０とするための制御信号も、同様にして、右側のＹ軸方向磁気軸受の電磁石のコイルに入力し、これによって電磁石のコイルに流れる電流値が制御される。

こうして、磁気軸受装置の構成は、従来と同様とし、制御装置(6)に振れ回り量制御回路(12)を付加することで、ワークの仕上げ精度（直角度、平面度など）に大きな影響を与える砥石(9)の振れ回り量をゼロにすることができる。この結果、ワークの研削面の振れを小さくすることができ、ワークの歩留まりを向上させることができる。

なお、上記実施形態では、回転軸(1)を水平軸として示しているが、回転軸は垂直軸であってもよい。

図１は、この発明による工作機械用磁気軸受装置の実施形態を示す主要部の概略構成図である。図２は、この発明による工作機械用磁気軸受装置の振れ回り量制御手段を示すブロック図である。

符号の説明

(1) 回転軸
(2)(3) ラジアル磁気軸受
(4a)(4b)(5a)(5b) 電磁石
(6) 磁気軸受制御装置
(7a)(7b)(8a)(8b) ラジアル位置センサ
(9) 砥石（工具）
(12) 振れ回り量制御回路（振れ回り量制御手段）
(26) 回転センサ（位相計測手段）
(31) 浮上目標位置設定回路（浮上目標位置設定手段）
(32) 振れ回り量補償回路（振れ回り量補償手段）

Claims

工具が取り付けられている回転軸をラジアル方向に非接触支持するための複数組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転軸のラジアル方向の位置を検出するための複数組のラジアルセンサと、磁気軸受の電磁石に励磁電流を供給する磁気軸受制御装置とを備えている工作機械用磁気軸受装置において、
磁気軸受制御装置は、工具ドレス時に求められた位相−変位波形を浮上目標位置とすることによって加工中の工具のラジアル方向の振れ回り量をゼロとする振れ回り制御手段を備えていることを特徴とする工作機械用磁気軸受装置。
振れ回り制御手段は、工具ドレス時に各ラジアル位置センサで計測された定格回転数での時間−変位波形を位相−変位波形に変換して浮上目標位置とする浮上目標位置設定手段と、工具のラジアル方向の変位が位相計測手段によって計測された位相に対応する浮上目標位置となるように電磁石の励磁電流を変化させる振れ回り量補償手段とを有している請求項１の工作機械用磁気軸受装置。