JP2019209399A - Main spindle system of machine tool - Google Patents

Main spindle system of machine tool Download PDF

Info

Publication number
JP2019209399A
JP2019209399A JP2018105077A JP2018105077A JP2019209399A JP 2019209399 A JP2019209399 A JP 2019209399A JP 2018105077 A JP2018105077 A JP 2018105077A JP 2018105077 A JP2018105077 A JP 2018105077A JP 2019209399 A JP2019209399 A JP 2019209399A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spindle
control
displacement
machine tool
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018105077A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
近藤　英二
Eiji Kondo
英二 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kagoshima University NUC
Original Assignee
Kagoshima University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kagoshima University NUC filed Critical Kagoshima University NUC
Priority to JP2018105077A priority Critical patent/JP2019209399A/en
Publication of JP2019209399A publication Critical patent/JP2019209399A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Rolling Contact Bearings (AREA)
  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
  • Turning (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

To provide a main spindle system of a machine tool capable of improving machining accuracy and machining efficiency.SOLUTION: A main spindle system 1 includes a spindle motor 2, a spindle 3, a spindle housing 4, a rolling bearing 5 and an active control magnetic bearing 6. The spindle 3 is connected with the spindle motor 2 at +Z end in the direction of a rotational shaft AX and a rotational tool T is attached at -Z end in the direction of the rotational shaft AX. The spindle housing 4 houses the spindle 3. The rolling bearing 5 is inserted between the spindle housing 4 and the spindle 3 on a first position Z1 nearer to the spindle motor 2 than the rotational tool T and supports the spindle 3 in a radial direction. The active control magnetic bearing 6 is inserted between the spindle housing 4 and the spindle 3 on a second position Z2 nearer to the rotational tool T than the spindle motor 2 and can control displacement in a radial direction of the spindle 3.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、工作機械の主軸システムに関する。   The present invention relates to a spindle system of a machine tool.

マシニングセンタなどの回転工具用の工作機械に対する加工精度、加工能率の向上に対する要求が一段と高まっている（例えば、特許文献１参照）。その上、工作機械には、複雑な形状の加工品を加工できるようにすることが求められるようになってきている。加工品を複雑な形状に加工するには、長くて小径な回転工具の使用が不可欠である。さらには、安定した加工を行うため、工作機械に対して加工状態を監視する機能を有することが求められている。   There is a growing demand for improved machining accuracy and machining efficiency for machine tools for rotating tools such as machining centers (see, for example, Patent Document 1). In addition, machine tools are required to be able to machine workpieces with complex shapes. In order to process a workpiece into a complicated shape, it is indispensable to use a long and small rotating tool. Furthermore, in order to perform stable machining, the machine tool is required to have a function of monitoring the machining state.

特開２００３−８９０２６号公報JP 2003-89026 A

回転工具を用いた切削加工における加工精度、加工能率を低下させる主な要因は、びびり振動の発生と切削抵抗によるたわみである。回転工具に小径で長いものを用いた場合には、回転工具の特性、すなわち剛性及び減衰がどのようなものであっても、びびり振動及びたわみの影響がさらに大きくなるのは明らかである。   The main factors that reduce machining accuracy and machining efficiency in cutting using a rotary tool are chatter vibration and deflection due to cutting resistance. Obviously, when a rotating tool having a small diameter and a long diameter is used, the effects of chatter vibration and deflection are further increased regardless of the characteristics of the rotating tool, that is, rigidity and damping.

回転工具の先端での剛性と減衰に影響を与えるのが、回転工具を保持するスピンドルを回転可能に支持する軸受である。スピンドルを支持する軸受は、スピンドルモータ側に１つ、回転工具側に１つ必要となり、少なくとも２つの軸受が必要となる。   It is the bearing that rotatably supports the spindle that holds the rotary tool that affects the rigidity and damping at the tip of the rotary tool. One bearing for supporting the spindle is required on the spindle motor side and one on the rotary tool side, and at least two bearings are required.

軸受として一般的なものに転がり軸受がある。スピンドルを受動的に接触支持する軸受である転がり軸受を用いた場合には、スピンドルの剛性を高めスピンドルを安定して回転させることができる。しかしながら、スピンドルを支持する軸受を２つとも転がり軸受とした場合には、長くて小径な回転工具に発生するびびり振動やたわみを低減するのには限界がある。   There is a rolling bearing as a general bearing. When a rolling bearing that is a bearing that passively supports the spindle is used, the rigidity of the spindle can be increased and the spindle can be rotated stably. However, when both of the bearings supporting the spindle are rolling bearings, there is a limit in reducing chatter vibration and deflection generated in a long and small-diameter rotating tool.

一方、非接触な方法で、能動的にスピンドルを軸支する軸受として、能動制御磁気軸受がある。スピンドルを支持する軸受として磁気軸受を使った場合には、回転工具の運動制御が可能となるため、長くて小径な回転工具のびびり振動の低減、回転工具のたわみの制御及び状態監視機能を期待することができる。しかしながら、スピンドルを支持する軸受を２つとも能動制御磁気軸受とした場合には、制御系が複雑となって、切削抵抗などの外乱に対する安定性が低下するおそれがある。また、能動制御磁気軸受は、高価であるという不都合もある。   On the other hand, there is an active control magnetic bearing as a bearing that actively supports the spindle in a non-contact manner. When a magnetic bearing is used as a bearing to support the spindle, it is possible to control the motion of the rotary tool, so it is expected to reduce chatter vibration of the long and small-diameter rotary tool, control the deflection of the rotary tool, and monitor the condition. can do. However, if both of the bearings supporting the spindle are active control magnetic bearings, the control system becomes complicated and the stability against disturbances such as cutting resistance may be reduced. In addition, the active control magnetic bearing is disadvantageous in that it is expensive.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、加工精度及び加工能率を向上することができる工作機械の主軸システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a spindle system of a machine tool that can improve machining accuracy and machining efficiency.

上記目的を達成するため、本発明に係る工作機械の主軸システムは、
回転軸の方向の一端で回転工具が装着されるスピンドルと、
前記スピンドルを収容するスピンドル筐体と、
第１の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルをラジアル方向に支持する転がり軸受と、
前記第１の位置よりも前記回転工具に近い第２の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルの前記第２の位置でのラジアル方向の変位を制御可能な能動制御磁気軸受と、
を備える。 In order to achieve the above object, a spindle system of a machine tool according to the present invention includes:
A spindle on which a rotary tool is mounted at one end in the direction of the rotation axis;
A spindle housing that houses the spindle;
A rolling bearing that is inserted between the spindle housing and the spindle at a first position and supports the spindle in a radial direction;
Inserted between the spindle housing and the spindle at a second position closer to the rotary tool than the first position, and the radial displacement of the spindle at the second position can be controlled. Active control magnetic bearings;
Is provided.

この場合、前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルの前記第２の位置の端部に固定された強磁性体と、
前記強磁性体に対して、前記スピンドルのラジアル方向に配置され、前記強磁性体を前記スピンドルのラジアル方向に吸引する電磁コイルと、
前記電磁コイルに流す電流を制御する制御部と、
を備える、
こととしてもよい。 In this case, the active control magnetic bearing is
A ferromagnetic body fixed to an end of the spindle at the second position;
An electromagnetic coil that is arranged in a radial direction of the spindle with respect to the ferromagnetic body and attracts the ferromagnetic body in a radial direction of the spindle;
A control unit for controlling a current flowing through the electromagnetic coil;
Comprising
It is good as well.

また、前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルのラジアル方向の変位を検出する変位センサを備え、
前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位に基づいて、フィードバック制御を行い、前記電磁コイルに電流を流す電流を制御する、
こととしてもよい。 The active control magnetic bearing is
A displacement sensor for detecting a radial displacement of the spindle;
The controller is
Based on the displacement detected by the displacement sensor, feedback control is performed to control a current flowing through the electromagnetic coil.
It is good as well.

前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位及びフィードバック制御の制御情報の少なくとも１つを記録又はモニタリング可能である、
こととしてもよい。 The controller is
It is possible to record or monitor at least one of displacement detected by the displacement sensor and control information of feedback control.
It is good as well.

前記制御部は、
比例要素及び積分要素の少なくとも一方を含むフィードバック制御を行う、
こととしてもよい。 The controller is
Performing feedback control including at least one of a proportional element and an integral element;
It is good as well.

前記制御部は、
前記フィードバック制御により生成された電流指令をバイアス電流値で補正し、
前記バイアス電流値で補正された電流指令に従って、前記電磁コイルに電流を流す、
こととしてもよい。 The controller is
Correct the current command generated by the feedback control with a bias current value,
In accordance with the current command corrected with the bias current value, a current is passed through the electromagnetic coil.
It is good as well.

前記スピンドルは、その他端に接続されたモータ又は前記第１の位置と前記第２の位置に挿入されたビルトインモータにより回転駆動される、
こととしてもよい。 The spindle is rotationally driven by a motor connected to the other end or a built-in motor inserted in the first position and the second position.
It is good as well.

本発明によれば、スピンドルの軸受として、回転工具に近い方は磁気軸受が用いられ、遠い方は転がり軸受が用いられる。これにより、転がり軸受によりスピンドルの安定した回転を確保しつつ、能動制御磁気軸受により、電磁力を用いた外乱に強い制御系を採用することにより、回転工具のびびり振動の低減、回転工具のたわみの制御をすることができ、さらには加工状態を監視することができる。この結果、加工精度及び加工能率を向上することができる。   According to the present invention, as the spindle bearing, a magnetic bearing is used near the rotary tool, and a rolling bearing is used farther away. This makes it possible to reduce chatter vibration of the rotating tool and deflection of the rotating tool by adopting a control system that is resistant to disturbances using electromagnetic force, while ensuring stable rotation of the spindle by the rolling bearing. Can be controlled, and further, the machining state can be monitored. As a result, processing accuracy and processing efficiency can be improved.

本発明の実施の形態に係る工作機械の主軸システムの構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing composition of a spindle system of a machine tool concerning an embodiment of the invention. 能動制御磁気軸受におけるステータの構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the stator in an active control magnetic bearing. 打撃試験において制御磁気軸受のロータを打撃した場合のコンプライアンスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the compliance at the time of hit | damaging the rotor of a control magnetic bearing in an impact test. 本発明の実施の形態に係る工作機械の主軸システムにおける自由振動のパラメータの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the parameter of the free vibration in the spindle system of the machine tool which concerns on embodiment of this invention. スピンドルの能動制御磁気軸受の位置でのばね特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spring characteristic in the position of the active control magnetic bearing of a spindle. 能動制御磁気軸受の電磁コイルのステップ応答の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the step response of the electromagnetic coil of an active control magnetic bearing. 電磁コイル電流とスピンドルのたわみとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an electromagnetic coil electric current and the bending of a spindle. 能動制御磁気軸受の制御部の内部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the internal structure of the control part of an active control magnetic bearing. 能動制御磁気軸受のコントローラにおけるフィードバック制御系の構成を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the structure of the feedback control system in the controller of an active control magnetic bearing. （Ａ）は、ＰＩＤ制御及びＰＩ制御の制御パラメータの一例を示す図である。（Ｂ）は、ＰＩＤ制御のステップ応答の一例を示す図である。（Ｃ）は、ＰＩ制御のステップ応答の一例を示す図である。(A) is a figure which shows an example of the control parameter of PID control and PI control. (B) is a figure which shows an example of the step response of PID control. (C) is a figure which shows an example of the step response of PI control. （Ａ）は、スピンドルの変位が振動する様子を示すグラフである。（Ｂ）は、スピンドルの変位に対応する磁力の変化を示すグラフである。(A) is a graph which shows a mode that the displacement of a spindle vibrates. (B) is a graph which shows the change of the magnetic force corresponding to the displacement of a spindle. 工作機械の主軸システムの構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a structure of the spindle system of a machine tool.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。全図において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号が付されている。本実施の形態に係る工作機械の主軸システムは、回転工具を用いて切削加工を行うマシニングセンタに適用される。この主軸システムは、回転工具を回転させるスピンドルに発生するびびり振動の低減又はたわみの制御及び加工状態の監視を実現すべく、回転工具を回転させるスピンドルを支持する軸受を、回転工具から遠い方では転がり軸受を採用し、近い方では能動制御磁気軸受を採用する点に特徴を有する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all drawings, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals. The spindle system of the machine tool according to the present embodiment is applied to a machining center that performs cutting using a rotary tool. In order to reduce chatter vibration generated in the spindle that rotates the rotating tool or to control deflection and monitor the machining state, this spindle system has a bearing that supports the spindle that rotates the rotating tool at a position far from the rotating tool. A rolling bearing is used, and an active control magnetic bearing is adopted in the near side.

図１に示すように、主軸システム１は、主軸モータとしてのスピンドルモータ２と、回転体としてのスピンドル３と、回転軸筐体としてのスピンドル筐体４と、転がり軸受５と、能動制御磁気軸受６と、を備える。   As shown in FIG. 1, a spindle system 1 includes a spindle motor 2 as a spindle motor, a spindle 3 as a rotating body, a spindle casing 4 as a rotating shaft casing, a rolling bearing 5, and an active control magnetic bearing. 6.

スピンドルモータ２は、不図示のマシニングセンタの筐体に収容されている。スピンドルモータ２の固定子は、マシニングセンタの筐体に固定されている。スピンドルモータ２の回転子は、連結部２Ａを介してスピンドル３の回転軸ＡＸの＋Ｚ端に連結されている。スピンドルモータ２の回転子は、数千回転［ｒｐｍ］から、数万回転［ｒｐｍ］での回転が可能である。   The spindle motor 2 is accommodated in a housing of a machining center (not shown). The stator of the spindle motor 2 is fixed to the housing of the machining center. The rotor of the spindle motor 2 is connected to the + Z end of the rotation axis AX of the spindle 3 through the connecting portion 2A. The rotor of the spindle motor 2 can rotate from several thousand revolutions [rpm] to tens of thousands of revolutions [rpm].

スピンドル３は、回転軸ＡＸの方向に延びる円柱状の部材であり、例えば金属製（例えば炭素鋼）である。スピンドル３は、スピンドルモータ２の回転、すなわち回転子の回転ンに従って、回転軸ＡＸ周りに回転する。   The spindle 3 is a columnar member extending in the direction of the rotation axis AX, and is made of, for example, metal (for example, carbon steel). The spindle 3 rotates around the rotation axis AX according to the rotation of the spindle motor 2, that is, the rotation of the rotor.

スピンドル３の回転軸ＡＸの方向の−Ｚ側端には、チャック３Ａが取り付けられている。チャック３Ａには回転工具Ｔが取り付けられる。すなわち、スピンドル３の回転軸ＡＸの−Ｚ側端には回転工具Ｔが装着される。回転工具Ｔには、例えばエンドミルがある。スピンドルモータ２の回転により、スピンドル３及び回転工具Ｔが回転し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に可動な加工テーブル８に固定されたワークＷの切削加工が行われる。   A chuck 3 </ b> A is attached to the −Z side end of the spindle 3 in the direction of the rotation axis AX. A rotating tool T is attached to the chuck 3A. That is, the rotary tool T is attached to the −Z side end of the rotation axis AX of the spindle 3. An example of the rotary tool T is an end mill. As the spindle motor 2 rotates, the spindle 3 and the rotary tool T rotate, and the workpiece W fixed to the machining table 8 movable in the X, Y, and Z axis directions is cut.

スピンドル筐体４は、マシニングセンタの筐体の一部である。スピンドル筐体４は、円筒状の筐体であり、その内部にスピンドル３を回転軸ＡＸ周りに回転可能に収容する。図１では、スピンドル筐体４は、一部が破断して、その断面が図示されている。   The spindle housing 4 is a part of the housing of the machining center. The spindle housing 4 is a cylindrical housing, and accommodates the spindle 3 in a rotatable manner around the rotation axis AX. In FIG. 1, a part of the spindle housing 4 is broken, and a cross section thereof is shown.

転がり軸受５は、転動体（接触玉）を２つの部品の間に置くことで荷重をラジアル方向に支持する軸受である。転がり軸受５は、回転工具Ｔよりもスピンドルモータ２に近い第１の位置Ｚ１で、スピンドル筐体４とスピンドル３との間に挿入されている。本実施の形態では、転がり軸受５が２つ取り付けられている。   The rolling bearing 5 is a bearing that supports a load in a radial direction by placing a rolling element (contact ball) between two parts. The rolling bearing 5 is inserted between the spindle housing 4 and the spindle 3 at a first position Z1 closer to the spindle motor 2 than the rotary tool T. In the present embodiment, two rolling bearings 5 are attached.

能動制御磁気軸受６は、回転体を磁気浮上によって能動的に支持する軸受である。能動制御磁気軸受６は、第１の位置Ｚ１よりも回転工具Ｔに近い第２の位置Ｚ２で、スピンドル筐体４とスピンドル３との間に挿入されている。能動制御磁気軸受６は、スピンドル３の第２の位置Ｚ２でのラジアル方向の変位を制御可能である。能動制御磁気軸受６は、磁気浮上による非接触支持を行うため、摩耗が生じない。そのため、潤滑油が不要であり、軸受の寿命は半永久的である。   The active control magnetic bearing 6 is a bearing that actively supports the rotating body by magnetic levitation. The active control magnetic bearing 6 is inserted between the spindle housing 4 and the spindle 3 at a second position Z2 closer to the rotary tool T than the first position Z1. The active control magnetic bearing 6 can control the radial displacement of the spindle 3 at the second position Z2. Since the active control magnetic bearing 6 performs non-contact support by magnetic levitation, no wear occurs. Therefore, no lubricating oil is required and the life of the bearing is semi-permanent.

能動制御磁気軸受６は、強磁性体としてのロータ１０と、電磁コイルを備えるステータ１１と、変位センサ１２と、制御部１３と、を備える。   The active control magnetic bearing 6 includes a rotor 10 as a ferromagnetic body, a stator 11 including an electromagnetic coil, a displacement sensor 12, and a control unit 13.

ロータ１０は、スピンドル３の第２の位置Ｚ２に固定される強磁性体から成る部材である。ロータ１０は、図２に示すように、スピンドル３と同心に取り付けられた円環状の部材である。強磁性とは、隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ物質の磁性をいう。ロータ１０としては、例えば、ケイ素鋼板が用いられる。ケイ素鋼板とは、鉄に少量のケイ素を加えた合金であり、透磁率が比較的高く、安価であることから変圧器やモータの鉄心用の磁性材料として最も多く用いられている。   The rotor 10 is a member made of a ferromagnetic material fixed to the second position Z2 of the spindle 3. As shown in FIG. 2, the rotor 10 is an annular member attached concentrically with the spindle 3. Ferromagnetism refers to the magnetism of a substance in which adjacent spins are aligned in the same direction and have a large magnetic moment as a whole. As the rotor 10, for example, a silicon steel plate is used. A silicon steel sheet is an alloy obtained by adding a small amount of silicon to iron, and is most frequently used as a magnetic material for iron cores of transformers and motors because of its relatively high permeability and low cost.

ステータ１１は、図２に示すように、スピンドル３及びロータ１０と同心に配置された円環状の部材である。ステータ１１とロータ１０との間には、空隙が設けられている。ステータ１１は、全体で８つの電磁石ユニット２０を備える。８つの電磁石ユニット２０は、ロータ１０及びスピンドル３を中心とする円周上に均等に配列されている。ここで、ロータ１０及びスピンドル３の中心をＸＹＺ直交座標系の原点とする。この場合、Ｚ軸とスピンドル３の回転軸ＡＸとが一致する。   As shown in FIG. 2, the stator 11 is an annular member arranged concentrically with the spindle 3 and the rotor 10. A gap is provided between the stator 11 and the rotor 10. The stator 11 includes eight electromagnet units 20 in total. The eight electromagnet units 20 are evenly arranged on the circumference around the rotor 10 and the spindle 3. Here, the center of the rotor 10 and the spindle 3 is the origin of the XYZ orthogonal coordinate system. In this case, the Z axis coincides with the rotation axis AX of the spindle 3.

電磁石ユニット２０は、鉄心２１と、コイル２２とを備える。鉄心２１は、例えばケイ素鋼板である。コイル２２に電流が流れることにより、電磁石ユニット２０には、ロータ１０に対する磁界による吸引力が発生する。なお、８つの電磁石ユニット２０では、コイル２２に電流が流れたときのスピンドル３の極性の向きは、原点Ｏを中心とする半径方向に関して同じである。   The electromagnet unit 20 includes an iron core 21 and a coil 22. The iron core 21 is a silicon steel plate, for example. When an electric current flows through the coil 22, an attractive force due to a magnetic field with respect to the rotor 10 is generated in the electromagnet unit 20. In the eight electromagnet units 20, the direction of the polarity of the spindle 3 when a current flows through the coil 22 is the same with respect to the radial direction around the origin O.

電磁石ユニット２０は、２つで一組のユニットを構成する。ステータ１１は、このようなユニットとして、駆動部１１ｘｐ、１１ｘｎ、１１ｙｐ、１１ｙｎを備える。駆動部１１ｘｐは、ロータ１０及びスピンドル３の＋Ｘ側に配置されており、駆動部１１ｘｎは、ロータ１０及びスピンドル３の−Ｘ側に配置されている。さらに、駆動部１１ｙｐは、ロータ１０及びスピンドル３の＋Ｙ側に配置されており、駆動部１１ｙｎは、ロータ１０及びスピンドル３の−Ｙ側に配置されている。   Two electromagnet units 20 constitute a set of units. The stator 11 includes drive units 11xp, 11xn, 11yp, and 11yn as such units. The drive unit 11xp is disposed on the + X side of the rotor 10 and the spindle 3, and the drive unit 11xn is disposed on the −X side of the rotor 10 and the spindle 3. Further, the drive unit 11 yp is disposed on the + Y side of the rotor 10 and the spindle 3, and the drive unit 11 yn is disposed on the −Y side of the rotor 10 and the spindle 3.

駆動部１１ｘｐを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を＋Ｘ方向に磁力ｆＥＭ（図８参照）で吸引する。一方、駆動部１１ｘｎを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を−Ｘ方向に磁力ｆＥＭで吸引する。駆動部１１ｘｐ，１１ｘｎのいずれか一方がスピンドル３及びロータ１０を吸引することにより、スピンドル３及びロータ１０のＸ位置を制御する。 When current is passed through the coils 22 of the pair of electromagnet units 20 constituting the drive unit 11xp, they become electromagnets, and the rotor 10 and the spindle 3 are attracted in the + X direction with a magnetic force f EM (see FIG. 8). On the other hand, when an electric current is applied to the coil 22 of the pair of electromagnet unit 20 constituting the driving unit 11Xn, they become electromagnets, sucking in force f EM rotor 10 and the spindle 3 in the -X direction. One of the drive units 11xp and 11xn sucks the spindle 3 and the rotor 10, thereby controlling the X position of the spindle 3 and the rotor 10.

また、駆動部１１ｙｐを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を＋Ｙ方向に磁力ｆＥＭで吸引する。一方、駆動部１１ｙｎを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を−Ｙ方向に磁力ｆＥＭで吸引する。駆動部１１ｙｐ，１１ｙｎのいずれか一方は、スピンドル３及びロータ１０を吸引することにより、スピンドル３及びロータ１０のＹ位置を制御する。 Further, when an electric current is applied to the coil 22 of the pair of electromagnet unit 20 constituting the driving unit 11Yp, they become electromagnets, sucking in force f EM rotor 10 and the spindle 3 in the + Y direction. On the other hand, when an electric current is applied to the coil 22 of the pair of electromagnet unit 20 constituting the driving unit 11Yn, they become electromagnets, sucking in force f EM rotor 10 and the spindle 3 in the -Y direction. One of the drive units 11 yp and 11 yn controls the Y position of the spindle 3 and the rotor 10 by sucking the spindle 3 and the rotor 10.

変位センサ１２は、スピンドル３及びロータ１０のラジアル方向の変位、具体的にはＸ軸方向の変位Ｘ、Ｙ軸方向の変位Ｙを検出する。変位センサ１２は、静電容量センサ又は渦電流センサなどが用いられる。検出された変位Ｘ，Ｙは、制御部１３のフィードバック制御の観測量として用いられる。   The displacement sensor 12 detects the displacement of the spindle 3 and the rotor 10 in the radial direction, specifically, the displacement X in the X-axis direction and the displacement Y in the Y-axis direction. As the displacement sensor 12, a capacitance sensor or an eddy current sensor is used. The detected displacements X and Y are used as observation amounts for feedback control of the control unit 13.

上述のように、ステータ１１は、ロータ１０の位置を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に制御する。   As described above, the stator 11 controls the position of the rotor 10 in the X-axis direction and the Y-axis direction.

このように、本実施の形態に係る主軸システム１は、スピンドル３が、回転工具Ｔから遠い方は転がり軸受５、近い方は能動制御磁気軸受６で支えられたいわゆるハイブリッド主軸ともいうべきものである。図３には、能動制御磁気軸受６のロータ１０を打撃する打撃試験を行った場合のコンプライアンス（変位／力）が示されている。図３に示すように、ロータ１０のコンプライアンスでは、２ヶ所にピークが見られる。振動数が低い方のピークはロータ１０の固有振動数に対応し、振動数が高い方のピークは回転工具Ｔの先端の固有振動数に対応している。したがって、回転工具Ｔ及びスピンドル３は、２自由度の振動系で近似することができる。   As described above, the spindle system 1 according to the present embodiment is a so-called hybrid spindle in which the spindle 3 is supported by the rolling bearing 5 at the far side from the rotary tool T and the active control magnetic bearing 6 at the near side. is there. FIG. 3 shows the compliance (displacement / force) when a striking test for striking the rotor 10 of the active control magnetic bearing 6 is performed. As shown in FIG. 3, peaks are observed at two locations in the compliance of the rotor 10. The peak with the lower frequency corresponds to the natural frequency of the rotor 10, and the peak with the higher frequency corresponds to the natural frequency of the tip of the rotary tool T. Therefore, the rotary tool T and the spindle 3 can be approximated by a vibration system having two degrees of freedom.

図４には、主軸システム１における自由振動のパラメータの一例が示されている。図４に示すように、スピンドル３（炭素鋼）の固有振動数Ω１は、５９０Ｈｚであり、回転工具Ｔ（エンドミル）の固有振動数Ω２は、６２５Ｈｚである。また、スピンドル３（炭素鋼）の減衰係数ζ１は、０．０１５であり、回転工具Ｔ（エンドミル）の減衰係数ζ２は、０．００７である。 FIG. 4 shows an example of free vibration parameters in the spindle system 1. As shown in FIG. 4, the natural frequency Ω 1 of the spindle 3 (carbon steel) is 590 Hz, and the natural frequency Ω 2 of the rotary tool T (end mill) is 625 Hz. Further, the damping coefficient ζ 1 of the spindle 3 (carbon steel) is 0.015, and the damping coefficient ζ 2 of the rotary tool T (end mill) is 0.007.

また、図５には、スピンドル３のばね特性が示されている。ロータ１０に力Ｆを加えれば、スピンドル３はＸ軸方向及びＹ軸方向にたわむ。力Ｆとたわみδとの間には、図５に示すような線形関係（Ｆ＝３．５０３δ＋１．５０１）がある。したがって、能動制御磁気軸受６のステータ１１によりロータ１０に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に力Ｆを加えることにより、スピンドル３のＸ、Ｙ位置を制御することができる。   FIG. 5 shows the spring characteristics of the spindle 3. When a force F is applied to the rotor 10, the spindle 3 bends in the X-axis direction and the Y-axis direction. There is a linear relationship (F = 3.503δ + 1.501) between the force F and the deflection δ as shown in FIG. Therefore, the X and Y positions of the spindle 3 can be controlled by applying a force F in the X axis direction and the Y axis direction to the rotor 10 by the stator 11 of the active control magnetic bearing 6.

図６には、能動制御磁気軸受６の電磁石ユニット２０のコイル２２の応答特性の一例が示されている。図６に示すように、ステータ１１の電磁石ユニット２０のコイル２２にステップ状の電流を流したときにコイルに流れるコイル電流の応答は、コイル２２のインダクタンスのために実測値、理論値ともに一次遅れとなっている。その時定数は０．５秒程度であり、能動制御磁気軸受６は、スピンドル３のＸ軸方向及びＹ軸方向の制御について、十分な応答性を有している。   FIG. 6 shows an example of response characteristics of the coil 22 of the electromagnet unit 20 of the active control magnetic bearing 6. As shown in FIG. 6, the response of the coil current flowing in the coil when a stepped current is passed through the coil 22 of the electromagnet unit 20 of the stator 11 is first-order lag for both the measured value and the theoretical value due to the inductance of the coil 22. It has become. The time constant is about 0.5 seconds, and the active control magnetic bearing 6 has sufficient responsiveness in controlling the spindle 3 in the X-axis direction and the Y-axis direction.

ただし、図７に示すように、電磁石ユニット２０のコイル２２に流れるコイル電流と、スピンドル３の撓みとの関係（バイアスなし）は、２次曲線となっており、非線形（without bias）となっている。そこで、能動制御磁気軸受６では、制御部１３が、コイル電流値Ｉｒをバイアス電流値ＩＢで補正することにより、コイル２２に流れるコイル電流と、スピンドル３の撓みとの関係を線形(with bias)とする必要がある。 However, as shown in FIG. 7, the relationship between the coil current flowing through the coil 22 of the electromagnet unit 20 and the bending of the spindle 3 (no bias) is a quadratic curve and is non-linear (without bias). Yes. Therefore, the active control magnetic bearing 6, the control unit 13, by correcting the coil current value Ir in the bias current I B, a coil current flowing through the coil 22, linear (with bias the relationship between the deflection of the spindle 3 ).

制御部１３は、ステータ１１に流す電流を制御する。制御部１３は、変位センサ１２で検出された変位Ｘ，Ｙに基づいて、フィードバック制御を行い、電流指令Ｉｒを生成する。制御部１３は、生成した電流指令に従った電流を、ステータ１１の電磁石ユニット２０のコイル２２に流す。これにより、ステータ１１がロータ１０を磁力ｆＥＭで吸引し、スピンドル３及びロータ１０のラジアル方向の変位Ｘ、Ｙをキャンセルする。 The control unit 13 controls the current that flows through the stator 11. The control unit 13 performs feedback control based on the displacements X and Y detected by the displacement sensor 12, and generates a current command Ir. The control unit 13 causes a current according to the generated current command to flow through the coil 22 of the electromagnet unit 20 of the stator 11. As a result, the stator 11 attracts the rotor 10 with the magnetic force fEM and cancels the radial displacements X and Y of the spindle 3 and the rotor 10.

制御部１３の詳細な構成について説明する。図８には、制御部１３における、スピンドル３及びロータ１０のＸ位置を制御する制御系の構成が示されている。図８に示すように、制御部１３は、コントローラ３０を中心に構成されている。制御部１３は、コントローラ３０と、ローパスフィルタ３１と、電圧アンプ３２と、スイッチ回路３３と、バイアス付与手段３４ｐ、３４ｎと、加算部３５ｐ，３５ｎと、電流アンプ３６ｐ，３６ｎと、を備える。   A detailed configuration of the control unit 13 will be described. FIG. 8 shows a configuration of a control system for controlling the X position of the spindle 3 and the rotor 10 in the control unit 13. As shown in FIG. 8, the control unit 13 is configured around a controller 30. The control unit 13 includes a controller 30, a low-pass filter 31, a voltage amplifier 32, a switch circuit 33, bias applying units 34p and 34n, addition units 35p and 35n, and current amplifiers 36p and 36n.

変位センサ１２は、ロータ１０の変位Ｘを検出し、その変位Ｘに関する電気信号を出力する。ロータ１０の変位Ｘが０であるときの変位センサ１２内のギャップはＸ０である。変位センサ１２では、ギャップにおけるＸ０からの変化が変位Ｘとして検出され、その変位Ｘに対応する電気信号が出力される。ローパスフィルタ３１は、変位センサ１２から出力された電気信号を入力し、電気信号に含まれるカットオフ周波数以下の周波数成分を除去する。 The displacement sensor 12 detects the displacement X of the rotor 10 and outputs an electrical signal related to the displacement X. Gap displacement sensor 12 when the displacement X of the rotor 10 is zero is X 0. In the displacement sensor 12, the change from X 0 in the gap is detected as a displacement X, an electric signal corresponding to the displacement X is output. The low-pass filter 31 receives the electrical signal output from the displacement sensor 12 and removes a frequency component equal to or lower than the cutoff frequency included in the electrical signal.

電圧アンプ３２は、ローパスフィルタ３１で高周波成分が除去された電圧信号を線形増幅して、出力する。   The voltage amplifier 32 linearly amplifies the voltage signal from which the high frequency component has been removed by the low pass filter 31 and outputs the voltage signal.

コントローラ３０は、電圧アンプ３２で線形増幅された変位Ｘに対応する電圧信号を入力する。コントローラ３０は、入力された電圧信号に基づいてフィードバック制御を行い、電流指令Ｉｒを出力する。   The controller 30 inputs a voltage signal corresponding to the displacement X linearly amplified by the voltage amplifier 32. The controller 30 performs feedback control based on the input voltage signal and outputs a current command Ir.

スイッチ回路３３は、コントローラ３０から出力された電流指令Ｉｒの極性に基づいて、電流指令Ｉｒの出力先を切り換える。具体的には、電流指令Ｉｒが正である場合には、スイッチ回路３３は、電流アンプ３６ｐに電流指令Ｉｒを出力する。電流指令Ｉｒが正であるということは、変位センサ１２で検出されるｘが負であり、スピンドル３を＋Ｘ方向に変位させる必要があるためである。この一方、スイッチ回路３３は、電流指令Ｉｒが負である場合には、電流アンプ３６ｎに電流指令Ｉｒを出力する。電流指令Ｉｒが負であるということは、変位センサ１２で検出されるｘが正であり、スピンドル３を−Ｘ方向に変位させる必要があるためである。   The switch circuit 33 switches the output destination of the current command Ir based on the polarity of the current command Ir output from the controller 30. Specifically, when the current command Ir is positive, the switch circuit 33 outputs the current command Ir to the current amplifier 36p. The fact that the current command Ir is positive is because x detected by the displacement sensor 12 is negative and the spindle 3 needs to be displaced in the + X direction. On the other hand, when the current command Ir is negative, the switch circuit 33 outputs the current command Ir to the current amplifier 36n. The current command Ir is negative because x detected by the displacement sensor 12 is positive and the spindle 3 needs to be displaced in the −X direction.

バイアス付与手段３４ｐ，３４ｎから一定のバイアス電流値ＩＢを出力する。加算部３５ｐ，３５ｎは、スイッチ回路３３から出力された電流指令Ｉｒを、バイアス電流値ＩＢで補正する。具体的には、電流指令Ｉｒが正である場合には、バイアス電流値ＩＢは電流指令Ｉｒに加算され、電流指令Ｉｒが負である場合には、バイアス電流値ＩＢは電流指令Ｉｒから減算される。図７に示すように、このバイアス電流値ＩＢは、コイル電流とスピンドル３の変位Ｘ、Ｙとの線形性を向上するために用いられる。 Biasing means 34p, and outputs a constant bias current I B from 34n. Adding section 35p, 35n is a current command Ir outputted from the switch circuit 33 is corrected by the bias current I B. Specifically, if the current command Ir is positive, the bias current value I B is added to the current command Ir, if the current command Ir is negative, the bias current value I B is a current command Ir Subtracted. As shown in FIG. 7, the bias current value I B, the displacement X of the coil current and the spindle 3, is used to improve the linearity of the Y.

電流アンプ３６ｐ，３６ｎは、バイアス電流値ＩＢが加算された電流指令Ｉｒ’を線形増幅して出力する。出力された電流は、電磁石ユニット２０のコイル２２に流れる。電磁石ユニット２０のコイル２２に電流が流れると、ステータ１１が、ロータ１０を吸引してロータ１０のＸ位置を制御する。 Current amplifier 36p, 36n is a current command Ir 'which bias current I B is added linearly amplified output. The output current flows through the coil 22 of the electromagnet unit 20. When a current flows through the coil 22 of the electromagnet unit 20, the stator 11 attracts the rotor 10 and controls the X position of the rotor 10.

制御部１３には、図８に示すＸ位置の制御系に加え、同様の構成を有するＹ位置の制御系を備えている。制御部１３は、Ｘ位置の制御系と、Ｙ位置の制御系とをそれぞれ動作させて、スピンドル３のＸ位置及びＹ位置の制御を行う。   In addition to the X position control system shown in FIG. 8, the control unit 13 includes a Y position control system having the same configuration. The control unit 13 controls the X position and the Y position of the spindle 3 by operating the X position control system and the Y position control system, respectively.

コントローラ３０は、フィードバック制御として、ＰＩＤ（比例積分微分）制御又はＰＩ（比例積分）制御を行う。図９には、制御部１３において構築された制御ブロックが示されている。Ｘは、変位センサ１２で検出された変位である。変位センサ１２は、変位Ｘに対応する電気信号を出力する。その変換係数はＨである。出力された電気信号は、ローパスフィルタ３１、電圧アンプ３２を経て、コントローラ３０に入力される。   The controller 30 performs PID (proportional integral derivative) control or PI (proportional integral) control as feedback control. FIG. 9 shows a control block constructed in the control unit 13. X is the displacement detected by the displacement sensor 12. The displacement sensor 12 outputs an electrical signal corresponding to the displacement X. The conversion coefficient is H. The output electric signal is input to the controller 30 through the low pass filter 31 and the voltage amplifier 32.

コントローラ３０は、電圧アンプ３２から出力された変位Ｘに対応する電気信号を入力し、その電気信号と目標値Ｉとの偏差ｅを算出する。コントローラ３０は、ＰＩＤ制御器４０を備えている。算出された偏差ｅは、ＰＩＤ制御器４０に入力される。   The controller 30 inputs an electrical signal corresponding to the displacement X output from the voltage amplifier 32 and calculates a deviation e between the electrical signal and the target value I. The controller 30 includes a PID controller 40. The calculated deviation e is input to the PID controller 40.

ＰＩＤ制御器４０は、ＰＩＤ制御を行って電流指令Ｉｒを生成して出力する。ＰＩＤ制御器４０は、比例要素による比例動作、積分要素による積分動作、微分要素による微分動作を行う。比例動作は、入力された変位Ｘに対応する信号の偏差に、予め設定された比例ゲインＫｐを乗算して、比例動作に基づく電流指令を生成する動作である。また、積分動作は、入力された変位Ｘに対応する信号の偏差の積分値に、積分ゲイン（積分時定数の逆数）ＫＩを乗算して、積分動作に基づく電流指令を算出する動作である。微分動作は、入力された変位Ｘに対応する信号の微分値に、微分ゲイン（微分時間）ＫＤを乗算して、微分動作に基づく電流指令を生成する動作である。ＰＩＤ制御器４０は、比例動作に基づく電流指令と、積分動作に基づく電流指令と、微分動作に基づく電流指令とを加算して、それらの加算値を電流指令Ｉｒとして出力する。 The PID controller 40 performs PID control to generate and output a current command Ir. The PID controller 40 performs a proportional operation using a proportional element, an integration operation using an integral element, and a differential operation using a differential element. Proportional action is the deviation of the signal corresponding to the input displacement X, it is multiplied by a proportional gain K p, which is set in advance, an operation for generating a current command based on the proportional operation. Further, the integration operation, the integral value of the difference of the signal corresponding to the input displacement X, the integral gain by multiplying the K I (the reciprocal of the integration time constant) is the operation of calculating a current command based on the integral action . Derivative action, the differential value of the signal corresponding to the input displacement X, is multiplied by a derivative gain (derivative time) K D, is an operation that generates a current command based on the differential operation. PID controller 40 includes a current command based on the proportional operation, a current command based on the integration operation, by adding the current command based on the differential operation, and outputs them summed value as the current command I r.

制御部１３では、コントローラ３０のＰＩＤ制御器４０から出力された電流指令Ｉｒが、バイアス電流値ＩＢで補正されて、電流アンプ３６ｐ，３６ｎで線形増幅される。そして、制御部１３は、電流アンプ３６ｐ，３６ｎで電流に変換された電流指令Ｉｒ’に対応するコイル電流を、駆動部１１ｘｐ又は１１ｘｎの電磁石ユニット２０のコイル２２に流す。そして、電磁石ユニット２０で発生する磁力ｆＥＭにより、ロータ１０が吸引される。本実施の形態では、このようにして、変位ＸがＸ０に維持される。 The control unit 13, the current command Ir output from the PID controller 40 of the controller 30, is corrected by the bias current I B, the current amplifier 36p, it is linearly amplified by 36n. Then, the control unit 13 causes the coil current corresponding to the current command Ir ′ converted into the current by the current amplifiers 36p and 36n to flow through the coil 22 of the electromagnet unit 20 of the drive unit 11xp or 11xn. Then, the rotor 10 is attracted by the magnetic force f EM generated by the electromagnet unit 20. In this embodiment, in this way, the displacement X is maintained at X 0.

また、図３のコンプライアンスに示す固有振動数１２４０Ｈｚに対しては、制御部１３に、ローパスフィルタ３１を挿入することでフィードバック制御系の発振が抑制されている。そのカットオフ周波数は例えば８００Ｈｚである。   Further, with respect to the natural frequency 1240 Hz shown in the compliance of FIG. 3, the oscillation of the feedback control system is suppressed by inserting the low-pass filter 31 into the control unit 13. The cutoff frequency is 800 Hz, for example.

Ｙ軸方向についても、図９に示すフィードバック制御系が構成されており、これにより、変位Ｙが制御される。   Also in the Y-axis direction, the feedback control system shown in FIG. 9 is configured, and thereby the displacement Y is controlled.

ＰＩＤ制御器４０の比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩ、微分ゲインＫＤは、限界感度法により決定することができる。図１０（Ａ）には、ＰＩＤ制御器４０における比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩ、微分ゲインＫＤの一例が示されている。 The proportional gain K P , integral gain K I , and differential gain K D of the PID controller 40 can be determined by the limit sensitivity method. FIG. 10A illustrates an example of the proportional gain K P , the integral gain K I , and the differential gain K D in the PID controller 40.

図１０（Ｂ）は、ＰＩＤ制御器４０において、変位Ｘを、ステップ状に変化させたときの工具変位のステップ応答である。図１０（Ｂ）に示すように、ＰＩＤ制御を行った場合のステップ応答の結果で、立ち上がり時間は約４ｍｓで、オーバーシュートもほとんど見られなかった。すなわち、能動制御磁気軸受６においてＰＩＤ制御を行うことにより、２５０Ｈｚ程度の応答性を期待することができる。   FIG. 10B shows a step response of the tool displacement when the displacement X is changed stepwise in the PID controller 40. As shown in FIG. 10B, as a result of the step response when PID control is performed, the rise time is about 4 ms and almost no overshoot is observed. That is, responsiveness of about 250 Hz can be expected by performing PID control in the active control magnetic bearing 6.

本実施の形態では、コントローラ３０において、ＰＩＤ制御に代えて、ＰＩ制御を行うことも可能である。図１０（Ｃ）は、ＰＩ制御を行った場合の工具変位のステップ応答の結果である。図１０（Ａ）には、ＰＩ制御における比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩの一例が示されている。図１０（Ｃ）に示すように、ＰＩ制御の場合には、立ち上がり時間は９ｍｓとなり、微分動作がないことにより応答性は低下し、立ち上がり時間は約２倍になった。 In the present embodiment, the controller 30 can perform PI control instead of PID control. FIG. 10C shows the result of the step response of the tool displacement when the PI control is performed. FIG. 10A shows an example of a proportional gain K P and an integral gain K I in PI control. As shown in FIG. 10 (C), in the case of PI control, the rise time was 9 ms, and the response was lowered due to the absence of the differential operation, and the rise time was approximately doubled.

なお、制御部１３では、回転工具Ｔを用いた切削中の変位Ｘ，Ｙ及び電流指令Ｉｒ、偏差ｅを含むフィードバックの制御情報の少なくとも１つを記録又はモニタリングすることができる。これにより、制御部１３は、マシニングセンタにおける回転工具Ｔによる加工状態を監視することができる。   The control unit 13 can record or monitor at least one of feedback control information including displacements X and Y during cutting using the rotary tool T, current command Ir, and deviation e. Thereby, the control part 13 can monitor the processing state by the rotary tool T in a machining center.

制御部１３によれば、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、スピンドル３の変位Ｘの振動的な変動（点線）に応じて、その変位Ｘを打ち消す磁力ｆＥＭを、スピンドル３に与える。これにより、太い実線に示すように、変位Ｘの変動を打ち消すことができる。これにより、回転工具Ｔの切削により発生するびびり振動の低減又は回転工具Ｔのたわみの制御を行うことができる。 According to the control unit 13, as shown in FIGS. 11A and 11B, the magnetic force f EM that cancels the displacement X according to the vibrational fluctuation (dotted line) of the displacement X of the spindle 3 is Apply to spindle 3. Thereby, as shown by the thick solid line, the variation of the displacement X can be canceled. Thereby, the chatter vibration generated by the cutting of the rotary tool T can be reduced or the deflection of the rotary tool T can be controlled.

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、スピンドル３の軸受として、回転工具Ｔに近い方は能動制御磁気軸受６が用いられ、回転工具Ｔから遠い方は転がり軸受５が用いられる。これにより、転がり軸受５によりスピンドル３の安定した回転を確保しつつ、能動制御磁気軸受６の電磁力を用いた外乱に強い制御系を採用することにより、回転工具Ｔのびびり振動を低減し、回転工具Ｔのたわみを制御することができるうえ、加工状態を監視することができる。この結果、加工精度及び加工能率を向上することができる。   As described above in detail, according to the present embodiment, as the bearing of the spindle 3, the active control magnetic bearing 6 is used closer to the rotary tool T, and the rolling bearing 5 is used farther from the rotary tool T. It is done. This reduces chatter vibration of the rotary tool T by adopting a control system that is resistant to disturbance using the electromagnetic force of the active control magnetic bearing 6 while ensuring stable rotation of the spindle 3 by the rolling bearing 5. The deflection of the rotary tool T can be controlled and the machining state can be monitored. As a result, processing accuracy and processing efficiency can be improved.

このように、回転工具Ｔのびびり振動を低減し、回転工具Ｔのたわみを制御することができるため、回転工具Ｔを長くて小径なものとし、複雑な形状の加工品の加工も可能となる。   In this way, chatter vibration of the rotary tool T can be reduced and the deflection of the rotary tool T can be controlled. Therefore, the rotary tool T can be made long and small in diameter, and a workpiece having a complicated shape can be processed. .

また、能動制御磁気軸受６は、非接触にスピンドル３を支持するため、軸受の長寿命化を実現することができる。また、一方で、スピンドル３の上部では、転がり軸受５が採用されているので、主軸システム１の剛性の低減を抑制することができるうえ、主軸システム１を安価なものとすることができる。   In addition, since the active control magnetic bearing 6 supports the spindle 3 in a non-contact manner, the life of the bearing can be extended. On the other hand, since the rolling bearing 5 is employed in the upper part of the spindle 3, it is possible to suppress a reduction in rigidity of the main spindle system 1 and to make the main spindle system 1 inexpensive.

また、図１２に示すように、スピンドルモータ２に代えて、ビルトインモータ２’を備える主軸システム１’を用いるようにしてもよい。ビルトインモータ２’は、回転子２Ｂと、固定子２Ｃとを備える。回転子２Ｂは、スピンドル３に同心に固定され、固定子２Ｃは、マシニングセンサのスピンドル筐体４’の内部空間に回転子２Ｂに対向する位置に固定されている。固定子２Ｃで発生する電磁力により、回転子２Ｂが回転し、これに伴いスピンドル３が回転する。すなわち、スピンドル３は、ビルトインモータ２’により回転駆動される。   Further, as shown in FIG. 12, a spindle system 1 ′ having a built-in motor 2 ′ may be used instead of the spindle motor 2. The built-in motor 2 'includes a rotor 2B and a stator 2C. The rotor 2B is fixed concentrically to the spindle 3, and the stator 2C is fixed to the internal space of the spindle housing 4 'of the machining sensor at a position facing the rotor 2B. The rotor 2B is rotated by the electromagnetic force generated by the stator 2C, and the spindle 3 is rotated accordingly. That is, the spindle 3 is rotationally driven by the built-in motor 2 '.

スピンドル３の駆動源としてビルトインモータ２’を用いる場合には、ビルトインモータ２’は、転がり軸受５と、能動制御磁気軸受６との間に挿入される。このような構成を有する主軸システム１’においても、転がり軸受５によりスピンドル３の安定した回転を確保しつつ、能動制御磁気軸受６の電磁力を用いた外乱に強い制御系を採用することにより、回転工具Ｔのびびり振動を低減し、回転工具Ｔのたわみを制御することができるうえ、加工状態を監視することができる。   When the built-in motor 2 ′ is used as a drive source for the spindle 3, the built-in motor 2 ′ is inserted between the rolling bearing 5 and the active control magnetic bearing 6. Even in the spindle system 1 ′ having such a configuration, by adopting a control system that is resistant to disturbance using the electromagnetic force of the active control magnetic bearing 6 while ensuring stable rotation of the spindle 3 by the rolling bearing 5. The chatter vibration of the rotary tool T can be reduced, the deflection of the rotary tool T can be controlled, and the machining state can be monitored.

なお、上記実施の形態では、能動制御磁気軸受６では、変位センサ１２で検出される変位Ｘ、Ｙに基づいてフィードバック制御を行った。しかしながら、本発明はこれには限られない。電磁石ユニット２０のコイル２２を流れる電流の変化に基づいて、スピンドル３の変位Ｘ，Ｙを検出するようにしてもよい。   In the above embodiment, the active control magnetic bearing 6 performs feedback control based on the displacements X and Y detected by the displacement sensor 12. However, the present invention is not limited to this. The displacements X and Y of the spindle 3 may be detected based on a change in the current flowing through the coil 22 of the electromagnet unit 20.

また、上記実施の形態では、限界感度法によりＰＩＤ制御の各種ゲイン等の制御パラメータを調整した。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、ステップ応答法により、ＰＩＤ制御の各種ゲインを調整するようにしてもよい。   In the above embodiment, control parameters such as various gains of PID control are adjusted by the limit sensitivity method. However, the present invention is not limited to this. For example, various gains for PID control may be adjusted by a step response method.

また、上記実施の形態では、能動制御磁気軸受６における制御方式として、ＰＩＤ制御又はＰＩ制御を用いた。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、比例動作よりも積分動作を重視するＩ−ＰＤ制御を行うようにしてもよい。他に、比例動作のみのＰ制御や、積分動作を除くＰＤ制御を行うようにしてもよい。すなわち、制御部１３は、比例要素及び積分要素の少なくとも一方を含むフィードバック制御を行うようにすればよい。また、フィードバック制御にフィードフォワード制御を組み合わせるようにしてもよい。また、ファジイ理論に基づく非線形制御を採用するようにしてもよい。このように、本発明は、制御方式には限定されない。   Moreover, in the said embodiment, PID control or PI control was used as a control system in the active control magnetic bearing 6. However, the present invention is not limited to this. For example, you may make it perform I-PD control which attaches importance to integral operation rather than proportional operation. In addition, P control only for proportional operation and PD control excluding integration operation may be performed. In other words, the control unit 13 may perform feedback control including at least one of a proportional element and an integral element. Further, the feedforward control may be combined with the feedback control. Moreover, you may make it employ | adopt the nonlinear control based on a fuzzy theory. Thus, the present invention is not limited to the control method.

なお、上記実施の形態では、マシニングセンタのスピンドルに本発明を適用する場合について説明したが、本発明はこれには限られない。旋盤のスピンドルに本発明を適用することができる。また、回転工具Ｔを用いる他の工作機械（例えばフライス盤）に本発明を適用することができる。   In the above embodiment, the case where the present invention is applied to the spindle of a machining center has been described. However, the present invention is not limited to this. The present invention can be applied to a lathe spindle. Further, the present invention can be applied to other machine tools (for example, a milling machine) using the rotary tool T.

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。   Various embodiments and modifications can be made to the present invention without departing from the broad spirit and scope of the present invention. The above-described embodiments are for explaining the present invention and do not limit the scope of the present invention. In other words, the scope of the present invention is shown not by the embodiments but by the claims. Various modifications within the scope of the claims and within the scope of the equivalent invention are considered to be within the scope of the present invention.

本発明は、マシニングセンタ等の工作機械のスピンドルに適用することができる。特に、長くて小径な回転工具を用いた複雑な形状の加工品の切削加工に適用することができる。   The present invention can be applied to a spindle of a machine tool such as a machining center. In particular, the present invention can be applied to cutting a workpiece having a complicated shape using a long and small-diameter rotating tool.

１，１’ 主軸システム、２ スピンドルモータ、２’ ビルトインモータ、２Ａ 連結部、２Ｂ 回転子、２Ｃ 固定子、３ スピンドル、３Ａ チャック、４，４’ スピンドル筐体、５ 転がり軸受、６ 能動制御磁気軸受、８ 加工テーブル、１０ ロータ、１１ ステータ、１１ｘｐ，１１ｘｎ，１１ｙｐ，１１ｙｎ 駆動部、１２ 変位センサ、１３ 制御部、２０ 電磁石ユニット、２１ 鉄心、２２ コイル、３０ コントローラ、３１ ローパスフィルタ、３２ 電圧アンプ、３３ スイッチ回路、３４ｐ，３４ｎ バイアス付与手段、３５ｐ，３５ｎ 加算部、３６ｐ，３６ｎ 電流アンプ、４０ ＰＩＤ制御器、Ｔ 回転工具、Ｗ ワーク   1,1 'spindle system, 2 spindle motor, 2' built-in motor, 2A connecting part, 2B rotor, 2C stator, 3 spindle, 3A chuck, 4,4 'spindle housing, 5 rolling bearing, 6 active control magnetism Bearing, 8 Processing table, 10 Rotor, 11 Stator, 11xp, 11xn, 11yp, 11yn Drive unit, 12 Displacement sensor, 13 Control unit, 20 Electromagnet unit, 21 Iron core, 22 Coil, 30 Controller, 31 Low pass filter, 32 Voltage amplifier , 33 switch circuit, 34p, 34n bias applying means, 35p, 35n adder, 36p, 36n current amplifier, 40 PID controller, T rotary tool, W work

Claims (7)

回転軸の方向の一端で回転工具が装着されるスピンドルと、
前記スピンドルを収容するスピンドル筐体と、
第１の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルをラジアル方向に支持する転がり軸受と、
前記第１の位置よりも前記回転工具に近い第２の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルの前記第２の位置でのラジアル方向の変位を制御可能な能動制御磁気軸受と、
を備える、工作機械の主軸システム。 A spindle on which a rotary tool is mounted at one end in the direction of the rotation axis;
A spindle housing that houses the spindle;
A rolling bearing that is inserted between the spindle housing and the spindle at a first position and supports the spindle in a radial direction;
Inserted between the spindle housing and the spindle at a second position closer to the rotary tool than the first position, and the radial displacement of the spindle at the second position can be controlled. Active control magnetic bearings;
A spindle system for machine tools. 前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルの前記第２の位置の端部に固定された強磁性体と、
前記強磁性体に対して、前記スピンドルのラジアル方向に配置され、前記強磁性体を前記スピンドルのラジアル方向に吸引する電磁コイルと、
前記電磁コイルに流す電流を制御する制御部と、
を備える、
請求項１に記載の工作機械の主軸システム。 The active control magnetic bearing comprises:
A ferromagnetic body fixed to an end of the spindle at the second position;
An electromagnetic coil that is arranged in a radial direction of the spindle with respect to the ferromagnetic body and attracts the ferromagnetic body in a radial direction of the spindle;
A control unit for controlling a current flowing through the electromagnetic coil;
Comprising
The spindle system of the machine tool according to claim 1. 前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルのラジアル方向の変位を検出する変位センサを備え、
前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位に基づいて、フィードバック制御を行い、前記電磁コイルに電流を流す電流を制御する、
請求項２に記載の工作機械の主軸システム。 The active control magnetic bearing comprises:
A displacement sensor for detecting a radial displacement of the spindle;
The controller is
Based on the displacement detected by the displacement sensor, feedback control is performed to control a current flowing through the electromagnetic coil.
The spindle system of the machine tool according to claim 2. 前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位及びフィードバック制御の制御情報の少なくとも１つを記録又はモニタリング可能である、
請求項３に記載の工作機械の主軸システム。 The controller is
It is possible to record or monitor at least one of displacement detected by the displacement sensor and control information of feedback control.
The spindle system of the machine tool according to claim 3. 前記制御部は、
比例要素及び積分要素の少なくとも一方を含むフィードバック制御を行う、
請求項３又は４に記載の工作機械の主軸システム。 The controller is
Performing feedback control including at least one of a proportional element and an integral element;
The spindle system of the machine tool according to claim 3 or 4. 前記制御部は、
前記フィードバック制御により生成された電流指令をバイアス電流値で補正し、
前記バイアス電流値で補正された電流指令に従って、前記電磁コイルに電流を流す、
請求項５に記載の工作機械の主軸システム。 The controller is
Correct the current command generated by the feedback control with a bias current value,
In accordance with the current command corrected with the bias current value, a current is passed through the electromagnetic coil.
The spindle system of the machine tool according to claim 5. 前記スピンドルは、その他端に接続されたモータ又は前記第１の位置と前記第２の位置に挿入されたビルトインモータにより回転駆動される、
請求項１から６のいずれか一項に記載の工作機械の主軸システム。 The spindle is rotationally driven by a motor connected to the other end or a built-in motor inserted in the first position and the second position.
The spindle system of the machine tool according to any one of claims 1 to 6.
JP2018105077A 2018-05-31 2018-05-31 Main spindle system of machine tool Pending JP2019209399A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018105077A JP2019209399A (en) 2018-05-31 2018-05-31 Main spindle system of machine tool

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018105077A JP2019209399A (en) 2018-05-31 2018-05-31 Main spindle system of machine tool

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019209399A true JP2019209399A (en) 2019-12-12

Family

ID=68846155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018105077A Pending JP2019209399A (en) 2018-05-31 2018-05-31 Main spindle system of machine tool

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2019209399A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021148155A (en) * 2020-03-17 2021-09-27 Ntn株式会社 Magnetic bearing device and low temperature liquefied gas feed pump
CN114012188A (en) * 2021-11-19 2022-02-08 哈尔滨工业大学 Magnetic suspension servo drive spindle macro-micro composite micro-electrical discharge machining method and device
JP2022532268A (en) * 2020-05-29 2022-07-14 江▲蘇▼大学 How to build an active magnetic bearing controller based on the reference table method

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01501298A (en) * 1986-11-13 1989-05-11 ソシエテ　ヨーロペンヌ　ドゥ　プロピュルション Workpiece carrying spindle assemblies with magnetic bearings and devices for providing such assemblies for extremely high precision machine tools
JPH03231316A (en) * 1990-02-07 1991-10-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magnetic bearing controller
JPH0643347U (en) * 1992-11-24 1994-06-07 光洋精工株式会社 Spindle unit
JPH08338432A (en) * 1995-06-14 1996-12-24 Ntn Corp Magnetic bearing spindle device
JP2000018246A (en) * 1998-07-02 2000-01-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Turning gear
JP2000176777A (en) * 1998-12-08 2000-06-27 Mori Seiki Co Ltd Control method for main spindle head
JP2001041239A (en) * 1999-07-28 2001-02-13 Seiko Seiki Co Ltd Magnetic bearing device
JP2002071532A (en) * 2000-08-30 2002-03-08 Ebara Corp Reaction measuring device for mechanical element
JP2003089026A (en) * 2001-09-17 2003-03-25 Toyoda Mach Works Ltd Main spindle device for machine tool
JP2004132537A (en) * 2002-08-13 2004-04-30 Ebara Corp Magnetic bearing control device
JP2004339954A (en) * 2003-05-13 2004-12-02 Shimadzu Corp Turbo molecular pump device
JP2005061573A (en) * 2003-08-19 2005-03-10 Shimadzu Corp Magnetic bearing control device and magnetic floating device
JP2008229806A (en) * 2007-03-23 2008-10-02 Jtekt Corp Magnetic bearing device
JP2009291916A (en) * 2008-06-09 2009-12-17 Jtekt Corp Machine tool
JP2014119083A (en) * 2012-12-19 2014-06-30 Daikin Ind Ltd Magnetic bearing device and compressor
JP2014228091A (en) * 2013-05-24 2014-12-08 ダイキン工業株式会社 Magnetic bearing device and compressor

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01501298A (en) * 1986-11-13 1989-05-11 ソシエテ　ヨーロペンヌ　ドゥ　プロピュルション Workpiece carrying spindle assemblies with magnetic bearings and devices for providing such assemblies for extremely high precision machine tools
JPH03231316A (en) * 1990-02-07 1991-10-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magnetic bearing controller
JPH0643347U (en) * 1992-11-24 1994-06-07 光洋精工株式会社 Spindle unit
JPH08338432A (en) * 1995-06-14 1996-12-24 Ntn Corp Magnetic bearing spindle device
JP2000018246A (en) * 1998-07-02 2000-01-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Turning gear
JP2000176777A (en) * 1998-12-08 2000-06-27 Mori Seiki Co Ltd Control method for main spindle head
JP2001041239A (en) * 1999-07-28 2001-02-13 Seiko Seiki Co Ltd Magnetic bearing device
JP2002071532A (en) * 2000-08-30 2002-03-08 Ebara Corp Reaction measuring device for mechanical element
JP2003089026A (en) * 2001-09-17 2003-03-25 Toyoda Mach Works Ltd Main spindle device for machine tool
JP2004132537A (en) * 2002-08-13 2004-04-30 Ebara Corp Magnetic bearing control device
JP2004339954A (en) * 2003-05-13 2004-12-02 Shimadzu Corp Turbo molecular pump device
JP2005061573A (en) * 2003-08-19 2005-03-10 Shimadzu Corp Magnetic bearing control device and magnetic floating device
JP2008229806A (en) * 2007-03-23 2008-10-02 Jtekt Corp Magnetic bearing device
JP2009291916A (en) * 2008-06-09 2009-12-17 Jtekt Corp Machine tool
JP2014119083A (en) * 2012-12-19 2014-06-30 Daikin Ind Ltd Magnetic bearing device and compressor
JP2014228091A (en) * 2013-05-24 2014-12-08 ダイキン工業株式会社 Magnetic bearing device and compressor

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021148155A (en) * 2020-03-17 2021-09-27 Ntn株式会社 Magnetic bearing device and low temperature liquefied gas feed pump
JP7382864B2 (en) 2020-03-17 2023-11-17 Ntn株式会社 Magnetic bearing device and low temperature liquefied gas pump
JP2022532268A (en) * 2020-05-29 2022-07-14 江▲蘇▼大学 How to build an active magnetic bearing controller based on the reference table method
JP7267642B2 (en) 2020-05-29 2023-05-02 江▲蘇▼大学 How to build an active magnetic bearing controller based on the lookup table method
CN114012188A (en) * 2021-11-19 2022-02-08 哈尔滨工业大学 Magnetic suspension servo drive spindle macro-micro composite micro-electrical discharge machining method and device
CN114012188B (en) * 2021-11-19 2022-12-16 哈尔滨工业大学 Magnetic suspension servo drive spindle macro-micro composite micro-electrical discharge machining method and device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2019209399A (en) Main spindle system of machine tool
US6508614B1 (en) Spindle device and machine tool utilizing the same
JP6351400B2 (en) Improved active magnetic bearing control system
JP2004150628A (en) Magnetic bearing device with vibration suppressing function, magnetic bearing device with vibration estimating function, and pump device mounted therewith
CN116182765B (en) Self-calibration control method and device of displacement sensor based on magnetic suspension bearing
JP6903485B2 (en) Vibration damping device and processing machine
JP3789650B2 (en) Processing machine and spindle device thereof
JP2021058968A (en) Main shaft system of machine tool
JP7231148B2 (en) Spindle device
Park et al. A magnetically suspended miniature spindle and its application for tool orbit control
JP2009014101A (en) Bearing device and machine tool having the same
JP4890196B2 (en) Vibration removal device
JP2000263377A (en) Metal mold machining device
JP2022023779A (en) Method for manufacturing electric motor or vacuum equipment with electric motor
JP2009071930A (en) Current drive type actuator drive control unit
JP4811780B2 (en) Linear motor, machine tool and measuring instrument
JP2004324895A (en) Static pressure magnetic combined bearing
WO2005045266A1 (en) Power amplification device and magnetic bearing
JP2020059102A (en) Main spindle device
JP2023135298A (en) Spindle unit of machine tool and system using the same
WO2024190785A1 (en) Bearing control device, magnetic bearing device, rotary machine, magnetic bearing device setting method
KR101184310B1 (en) Active compensated spindle, rotational accuracy compensating method using the same, and machining device having the same
JP2021188726A (en) Magnetic bearing unit and control parameter determination method
Prasad et al. Modelling and Control of Power-Converter-Fed Electromagnetic Bearing
JPH1113761A (en) Hydrostatic magnetic composite bearing

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210416

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220131

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220208

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220408

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220816

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221012

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20230207