JP2008229806A - 磁気軸受装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 主軸の回転数を下げずに、主軸の共振を抑制できる工作機械用主軸装置を提供する。
【解決手段】 工作機械用主軸装置は、ハウジング1に対し支持用軸受装置3,4により支持されて電動モータ5により回転させられる主軸2の先端の工具装着部2aに工具6が装着されるものである。主軸2の工具装着部2aの周囲に、複数の電磁石12a,12b,12c,12dを備えた振動抑制用ラジアル磁気軸受9と、工具装着部2aの径方向の変位を検出するための複数のラジアル変位センサ14a,14b,14c,14dが設けられ、工具装着部2aを所定位置に支持するためにラジアル変位センサ14a〜14dの出力に基づいてラジアル磁気軸受9の電磁石12a〜12dを制御する電磁石制御装置が設けられている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工作機械用主軸装置、さらに詳しくは、先端に工具が装着されて回転させられる主軸を備えた工作機械用主軸装置に関する。
上記のような工作機械用主軸装置では、工具の刃数と主軸の回転周波数の積もしくはその整数倍が、主軸の固有振動数と一致するか、またはその近傍にあるときに、共振（びびり振動）が起こり、加工面が荒れることがある。
このような共振の発生を防止するため、工具の刃数と主軸の回転周波数の積もしくはその整数倍が、主軸の固有振動数と一致しないように、主軸の回転数を下げて加工を行うことが提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００２−０３９１７７号公報
ところが、上記のように主軸の回転数を下げて加工を行うと、加工時間が増加するという問題が生じる。
この発明の目的は、上記の問題を解決し、主軸の回転数を下げずに、主軸の共振を抑制できる工作機械用主軸装置を提供することにある。
この発明による工作機械用主軸装置は、ハウジングに対し支持用軸受手段により支持されて駆動手段により回転させられる主軸の先端の工具装着部に工具が装着される工作機械用主軸装置において、主軸の工具装着部の周囲に、複数の電磁石を備えた振動抑制用ラジアル磁気軸受と、工具装着部の径方向の変位を検出するための複数のラジアル変位センサが設けられ、工具装着部を所定位置に支持するためにラジアル変位センサの出力に基づいてラジアル磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段が設けられていることを特徴とするものである。
主軸の工具装着部の周囲に設けられた振動抑制用ラジアル磁気軸受により、工具装着部が所定位置に支持されるため、主軸の回転数を下げなくても、主軸の共振の発生が抑制される。
ラジアル磁気軸受は、たとえば、互いに直交する２つの径方向にそれぞれ１対ずつの電磁石を備えている。しかし、ラジアル磁気軸受は、工具装着部の周囲を円周方向に３等分する位置に配置された３個の電磁石を備えたものであってもよい。
ラジアル変位センサは、たとえば、上記２つの径方向に１対ずつ設けられる。
この発明の工作機械用主軸装置において、たとえば、電磁石制御手段が、ラジアル変位センサの出力から工具装着部の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、検出された共振周波数に対して位相進み制御を行う位相進み制御手段とを備えている。
このようにすれば、主軸の共振の発生をより効果的に抑制することができる。
共振周波数の検出は、たとえば、変位センサの出力をＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いて周波数分析することにより行われる。
位相進み制御手段は、たとえば、ソフトウェアによって構成されるディジタル位相進みフィルタである。
この発明の工作機械用主軸装置によれば、上述のように、主軸の回転数を下げずに、主軸の共振の発生を抑制することができる。
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
図１は、主軸装置の主要部の機械的構成の１例を示す縦断面図である。図２は、図１の主軸装置の振動抑制装置の部分を拡大して示す横断面図（図１のII−II線の拡大断面図）である。図３は、振動抑制装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。
主軸装置は、鉛直円筒状のハウジング(1)の内側で軸心が鉛直な主軸(2)が回転する縦型のものである。以下の説明において、主軸(2)の軸心の方向（上下方向）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（水平方向）をＸ軸およびＹ軸とする。
主軸(2)の上端寄りの部分と下端寄りの部分の２箇所が、軸受装置(3)(4)により、ハウジング(1)に回転支持されている。各軸受装置(3)(4)は、転がり軸受よりなる。この例では、上側の軸受装置(3)は深みぞ玉軸受よりなり、下側の軸受装置(3)は２個のアンギュラ玉軸受が組み合わされたものである。２組の軸受装置(3)(4)は、支持用軸受手段を構成し、主軸(2)を軸方向および径方向に回転支持する。
上下の軸受装置(3)(4)の間の部分に、主軸(2)を回転駆動する駆動手段を構成する内蔵型電動モータ(5)が設けられている。モータ(5)は、ハウジング(1)側のステータ(5a)と、主軸(2)側のロータ(5b)とから構成されている。
下側の軸受装置(4)より下側の主軸(2)の部分は、ハウジング(1)より下方に突出し、工具装着部(2a)となっている。そして、この工具装着部(2a)に、下側から工具(6)が装着される。この例では、エンドミルが装着されている。工具装着部(2a)に装着される工具(6)は、交換可能である。
ハウジング(1)の下端面に、鉛直円筒状の支持部材(7)が固定されている。支持部材(7)は、主軸(2)と同心で、工具装着部(2a)を取り囲んでいる。そして、支持部材(7)の内周面に、振動抑制装置(8)を構成する振動抑制用制御型ラジアル磁気軸受(9)およびラジアル変位センサユニット(10)が、工具装着部(2a)を取り囲むように取り付けられている。
ラジアル磁気軸受(9)は、工具装着部(2a)の外周に設けられたターゲット(11)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（ラジアル電磁石）(12a)(12b)と、ターゲット(11)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（ラジアル電磁石）(12c)(12d)とを備えている。これらの電磁石は、符号(12)で総称する。
ラジアル変位センサユニット(10)は、１対の電磁石(12a)(12b)のすぐ下方において工具装着部(2a)の外周に設けられたターゲット(13)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(14a)(14b)と、１対の電磁石(12c)(12d)のすぐ下方において工具装着部(2a)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(14c)(14d)とを備えている。これらの変位センサは、符号(14)で総称する。
電磁石(12)および変位センサ(14)は、電磁石制御手段を構成する電磁石制御装置(15)に電気的に接続されている。
電磁石制御装置(15)は、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ（ディジタル処理プロセッサ）(16)を備えている。ＤＳＰ(16)は、機能的に、変位検出部(17)、励磁電流制御部(18)、共振周波数検出手段としての共振周波数検出部(19)および位相進み制御手段としての位相進み制御部(20)を備えている。
変位検出部(17)は、１対の変位センサ(14a)(14b)の出力に基づいて工具装着部(2a)のＸ軸方向の変位を検出し、他の１対の変位センサ(14c)(14d)の出力に基づいて工具装着部(2a)のＹ軸方向の変位を検出する。
励磁電流制御部(18)は、工具装着部(2a)のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位に基づいて、各変位が所定値（通常は０）となるように、各電磁石(12)に供給する励磁電流を制御する。励磁電流は、一定の定常電流と変位により変化する制御電流とを合わせたものである。励磁電流制御部(18)は、たとえばＰＩＤ制御により、変位に基づいて、各電磁石(12)に対する制御電流を求め、この制御電流と定常電流とを合わせた励磁電流を対応する電磁石(12)に供給する。
このように、ラジアル磁気軸受(9)によって工具装着部(2a)が所定位置（通常は変位が０となる位置）に支持され、主軸(2)の共振の発生が抑制される。
共振周波数検出部(19)は、たとえば、変位センサ(14)の出力をＦＦＴを用いて周波数分析することにより、主軸(2)の共振周波数を検出する。
位相進み制御部(20)は、検出された主軸(2)の共振周波数に対して位相進み制御を行う。位相進み部(20)は、たとえば、ソフトウェアによって構成されるディジタル位相進みフィルタである。
このような位相進み制御を行うことにより、主軸(2)の共振の発生がより効果的に抑制される。
励磁電流制御部(18)は、また、変位検出部(17)により検出された工具装着部(2a)の変位のピーク値が所定のしきい値を越えたかどうかを調べ、しきい値を越えている場合は、制御ゲインを通常値より高めて、磁気軸受(9)の剛性値を通常値より高くする。そして、磁気軸受(9)の剛性値をある程度高くしても変位のピーク値がしきい値を越える場合は、振動が過大であると判断して、警告を発し、好ましくは、加工を停止する。
主軸装置の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
上記実施形態では、支持用軸受手段が、２組の転がり軸受よりなる接触式のものであるが、支持用軸受手段は、他の形式の接触式のものであってもよいし、たとえば１組のアキシアル磁気軸受と２組のラジアル磁気軸受よりなる非接触式のもの、あるいは他の形式の非接触式のもの、接触式と非接触式を合わせたものなどであってもよい。
図１は、この発明の実施形態を示す工作機械用主軸装置の縦断面図である。 図２は、図１のII−II線の拡大断面図である。 図３は、工作機械用主軸装置の共振抑制装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。
符号の説明
(1) ハウジング
(2) 主軸
(2a) 工具装着部
(3)(4) 軸受装置
(5) 電動モータ
(6) 工具
(8) 振動抑制装置
(9) 振動抑制用制御型ラジアル磁気軸受
(12a)(12b)(12c)(12d) ラジアル電磁石
(14a)(14b)(14c)(14d) ラジアル変位センサ
(19) 共振周波数検出部
(20) 位相進み制御部

Claims (2)

  1. ハウジングに対し支持用軸受手段により支持されて駆動手段により回転させられる主軸の先端の工具装着部に工具が装着される工作機械用主軸装置において、
    主軸の工具装着部の周囲に、複数の電磁石を備えた振動抑制用ラジアル磁気軸受と、工具装着部の径方向の変位を検出するための複数のラジアル変位センサが設けられ、工具装着部を所定位置に支持するためにラジアル変位センサの出力に基づいてラジアル磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段が設けられていることを特徴とする工作機械用主軸装置。
  2. 電磁石制御手段が、ラジアル変位センサの出力から工具装着部の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、検出された共振周波数に対して位相進み制御を行う位相進み制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１の工作機械用主軸装置。
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