JP3421903B2 - 工作機械用磁気軸受スピンドル装置 - Google Patents

工作機械用磁気軸受スピンドル装置

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Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、工作機械用磁気
軸受スピンドル装置、さらに詳しくは、たとえばマシニ
ングセンタなどのように、工具が装着されるスピンドル
が複数組の制御型磁気軸受により非接触支持され、スピ
ンドルに装着される工具を他の種類のものと自動的に交
換可能な工作機械用磁気軸受スピンドル装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】工作機械用磁気軸受スピンドル装置は、
通常、工具が装着されるスピンドルと、スピンドルを非
接触支持する複数組の制御型磁気軸受（たとえば１組の
アキシアル磁気軸受および２組のラジアル磁気軸受）
と、磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置とを備えてい
る。磁気軸受制御装置は、通常、位置センサにより検出
されたスピンドルのアキシアル方向およびラジアル方向
の変位に基づいて、ＰＩＤ制御により各磁気軸受の電磁
石の励磁電流を制御するが、従来のスピンドル装置で
は、磁気軸受制御装置はゲインなどの制御特性を１種類
だけ採用しており、スピンドルに装着される工具の種類
が変わっても制御特性は一定であった。 【０００３】ところで、上記のようなスピンドル装置に
おいては、スピンドルに装着される工具の種類が変わる
と、その重量の違いにより、スピンドルと工具を合わせ
たスピンドル全体の重量が変わり、スピンドル全体の固
有振動数などが変わる。ところが、上記のように磁気軸
受の制御特性が一定であるため、工具によっては磁気軸
受の制御特性が必ずしも最適にならず、磁気軸受による
スピンドルの位置制御が不安定になって、これが加工面
の品質や工具寿命に悪影響を及ぼすという問題があっ
た。 【０００４】そこで、作業者が２種類の磁気軸受の制御
特性をマニュアル操作で切換えるようになったスピンド
ル装置が提案されている。ところが、この場合は、制御
特性の切換えが作業者のマニュアル操作によるため、操
作が面倒であるばかりでなく、切換えが必ずしも適切で
はなく、常に適切な条件で加工ができるとは限らないと
いう問題がある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】この発明は、スピンド
ルが鉛直に配置された縦型の工作機械用磁気軸受スピン
ドル装置において、工具の重量によって磁気軸受の制御
特性を自動的に、簡単かつ確実に切換えることができる
ようにすることを目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明による工作機械用磁気軸受スピンドル装置は、鉛直に
配置されて工具が装着されるスピンドルが制御型のアキ
シアル磁気軸受とラジアル磁気軸受により非接触支持さ
れ、前記スピンドルに装着される工具を他の種類のもの
と自動的に交換可能な工作機械用磁気軸受スピンドル装
置において、前記磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段
が、工具重量の範囲に応じた制御特性を記憶しており、
前記アキシアル磁気軸受の励磁電流を測定することによ
り工具重量を測定する工具重量測定手段と、測定した工
具重量に基づいて記憶されている前記磁気軸受の制御特
性を自動的に切換える制御特性切換手段とを備えている
ことを特徴とするものである。 【０００７】スピンドルは、通常、１組のアキシアル磁
気軸受と２組のラジアル磁気軸受により支持される。ア
キシアル磁気軸受は、通常、アキシアル方向に対をなす
１対の電磁石を備えており、これらの電磁石の磁気吸引
力によりスピンドルがアキシアル方向の一定位置に非接
触支持される。各ラジアル磁気軸受は、通常、互いに直
交する２つのラジアル方向に対をなす２対の電磁石を備
えており、各対の電磁石の磁気吸引力によりスピンドル
が２つのラジアル方向の一定位置に非接触支持される。
そして、鉛直方向に対をなす電磁石については、１対の
電磁石の磁気吸引力の差によってスピンドルの重量が支
持される。また、電磁石の磁気吸引力と励磁電流との間
には、一定の関係がある。したがって、スピンドルに工
具を装着した状態で、鉛直方向に対をなす各対の電磁石
の励磁電流を測定すれば、工具を合わせたスピンドルの
重量を演算によって求めることができる。スピンドルの
重量は一定で予めわかっているから、上記の演算結果よ
り、工具重量の演算すなわち測定ができる。そして、測
定した工具重量に基づいて、磁気軸受の制御特性を自動
的に切換えることができる。 【０００８】このように、この発明によれば、工具の重
量によって磁気軸受の制御特性を自動的に切換えること
ができ、切換え操作が簡単でかつ確実である。そして、
工具の重量に応じた制御特性に確実に切換えることがで
きるため、常に各工具について適切な条件で加工を行う
ことができ、加工面の品質や工具寿命が向上する。ま
た、磁気軸受スピンドル装置に元来備わっている磁気軸
受の励磁電流を測定することにより工具重量を測定する
ことができるので、工具重量測定のためにとくに機械的
構成を付加する必要がない。 【０００９】スピンドルが鉛直に配置された縦型の磁気
軸受スピンドル装置の場合、鉛直方向に対をなすアキシ
アル磁気軸受の１対の電磁石の磁気吸引力の差によりス
ピンドルの重量が支持される。したがって、アキシアル
磁気軸受の電磁石の励磁電流を測定することにより、前
記同様に、工具重量を測定することができる。 【００１０】したがって、この発明によれば、縦型の磁
気軸受スピンドル装置において、前記の効果が全て奏さ
れる。 【００１１】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
をマシニングセンタなどの工作機械に適用した実施形態
について説明する。 【００１２】図１は１実施形態を示し、これには、磁気
軸受スピンドル装置(1)、ならびに工作機械の加工制御
手段としての数値制御装置（以下、「ＮＣ装置」と略
す。）(2)および自動工具交換手段としての自動工具交
換装置(3)が概略的に示されている。 【００１３】スピンドル装置(1)は縦型のものであり、
ケーシング(4)内に鉛直に配置されたスピンドル(5)を備
えている。ケーシング(4)内には、また、スピンドル(5)
を非接触支持するための制御型磁気軸受である１組のア
キシアル磁気軸受(6)および上下２組のラジアル磁気軸
受(7)(8)、スピンドル(5)のアキシアル方向の変位を検
出するための１個のアキシアル位置センサ(9)、スピン
ドル(5)のラジアル方向の変位を検出するための上下２
組のラジアル位置センサ(10)(11)、ならびにスピンドル
(5)を高速回転させる回転駆動手段としての高周波モー
タ(12)が設けられている。通常、アキシアル磁気軸受
(6)はアキシアル方向に対をなす１対の電磁石(6a)か
ら、各ラジアル磁気軸受(7)(8)は互いに直交する２つの
ラジアル方向に対をなす２対の電磁石(7a)(8a)から構成
されている。以下の説明において、互いに直交する２つ
のラジアル方向の制御軸（水平軸）をＸ軸およびＹ軸、
これらと直交するアキシアル方向の制御軸（鉛直軸）を
Ｚ軸とする。図１には、ラジアル磁気軸受(7)(8)の電磁
石(7a)(8a)およびラジアル位置センサ(10)(11)について
は、Ｘ軸方向のものだけが図示されている。なお、これ
ら磁気軸受(6)(7)(8)、位置センサ(9)(10)(11)について
は、公知のものであるから、詳細な説明は省略する。 【００１４】アキシアル位置センサ(9)およびラジアル
位置センサ(10)(11)はセンサ駆動回路(13)によって駆動
され、センサ駆動回路(13)は、各位置センサ(9)(10)(1
1)の出力に基づいて、スピンドル(5)のアキシアル方向
（Ｚ軸方向）、２つのラジアル方向（Ｘ軸方向およびＹ
軸方向）の変位を検出する。センサ駆動回路(13)からの
アナログ位置検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ(14)により
ディジタル位置検出信号に変換されて、磁気軸受制御手
段としての磁気軸受制御装置(15)に入力する。磁気軸受
制御装置(15)は、上記のディジタル位置検出信号すなわ
ちスピンドル(5)のアキシアル方向およびラジアル方向
の変位に基づいて各磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(6a)(7
a)(8a)に供給する励磁電流の大きさを制御するためのも
のであり、ディジタル信号処理プロセッサ（Digital Si
gnal Processor）より構成されている。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。な
お、以下、これを「ＤＳＰ」と略すことにする。磁気軸
受制御装置(15)からのディジタル制御信号はＤ／Ａコン
バータ(16)によりアナログ制御信号に変換され、このア
ナログ制御信号に基づいて、パワーアンプ(17)から各電
磁石(6a)(7a)(8a)に励磁電流が供給され、その結果、ス
ピンドル(5)が電磁石(6a)(7a)(8a)により吸引されてア
キシアル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支
持される。各磁気軸受(6)(7)(8)における各制御軸の１
対の電磁石(6a)(7a)(8a)に供給される励磁電流は、互い
に等しい一定の定常電流にスピンドル(5) の制御軸方向
の位置によって制御される制御電流が加わったものであ
る。 【００１５】スピンドル(5)の下端に工具(18)が装着さ
れ、自動工具交換装置(3)により、ＮＣ装置(2)からの工
具番号指令に基づいて、工具(18)が他の種類のものと自
動的に交換されるようになっている。なお、自動工具交
換装置(3)については、公知のものであるから、その具
体的な構成の図示および説明は省略する。ＮＣ装置(2)
からの工具番号指令は、磁気軸受制御装置(15)にも入力
する。 【００１６】ＮＣ装置(2)は、スピンドル(5)の回転速度
を制御するとともに、ケーシング(4)すなわちスピンド
ル(5)の位置、移動方向および移動速度などを制御し、
これにより、工具(18)の回転速度、切込み量および送り
速度が制御される。 【００１７】磁気軸受制御装置(15)には、工具重量に応
じた３種類の制御特性が記憶されている。すなわち、工
具重量が比較的軽い軽量範囲、比較的重い重量範囲、お
よびこれらの間の中間範囲に分けられ、軽量範囲の工具
用の軽量制御特性、中間範囲の工具用の中間制御特性、
および重量範囲の工具用の重量制御特性が磁気軸受制御
装置(15)に記憶されている。制御特性には、たとえば、
ＰＩＤ制御の制御ゲインなどが含まれる。また、磁気軸
受制御装置(15)には、工具重量を測定するための工具重
量測定手段、および測定した工具重量に基づいて３組の
磁気軸受(6)(7)(8)の制御特性を切換えるための制御特
性切換え手段が設けられている。すなわち、磁気軸受制
御装置(15)を構成するＤＳＰに、工具重量測定手段およ
び制御特性切換手段を構成するソフトウェアプログラム
が格納されている。この場合、工具重量測定手段は、ア
キシアル磁気軸受(6)の各電磁石(6a)の励磁電流を測定
することにより工具重量を測定するものである。次に、
図２のフローチャートを参照して、工具重量測定および
制御特性切換えの１例について説明する。 【００１８】図２において、まず、スピンドル(5)が、
回転していない状態でＸ、ＹおよびＺ軸の中立位置に非
接触支持され（ステップ１）、この状態で、アキシアル
磁気軸受(6)の各電磁石(6a)の励磁電流が測定される
（ステップ２）。この励磁電流は、たとえば、各電磁石
(6a)に電流測定用の抵抗を接続して、直接測定すること
ができる。あるいは、直接測定を行わずに、磁気軸受制
御装置(15)からＤ／Ａコンバータ(16)に送られる定常電
流および制御電流に対応するディジタル信号値を取り込
んで、演算により励磁電流を求めることもできる。 【００１９】電磁石(6a)の励磁電流の測定が終了したな
らば、その測定値に基づいて、工具重量が演算される
（ステップ３）。図１のような縦型のスピンドル装置
(1)の場合、鉛直方向に対をなすアキシアル磁気軸受(6)
の電磁石(6a)の磁気吸引力の差によってスピンドル(5)
の重量が支持され、上側の電磁石(6a)による上向きの磁
気吸引力と下側の電磁石(6a)による下向きの磁気吸引力
との差がスピンドル(5)の重量となる。また、各電磁石
(6a)の磁気吸引力Ｆと励磁電流Ｉとの間には、次の式で
表わされるような一定の関係がある。 【００２０】Ｆ＝Ｋ・（Ｉ／Ｚ）２ Ｋは電磁石(6a)によって決まる定数であり、予めわかっ
ている。また、Ｚは各電磁石(6a)とスピンドル(5)との
間のＺ軸方向の空隙の大きさで、スピンドル(5)が中立
位置に支持されている状態では一定であり、その値も予
めわかっている。したがって、スピンドル(5)に工具(1
8)を装着した状態で、電磁石(6a)の励磁電流を測定すれ
ば、工具(18)を合わせたスピンドル(15)の重量を上記の
式により演算で求めることができる。スピンドル(5)自
体の重量は一定で、その値が磁気軸受制御装置(15)に記
憶されており、上記の演算結果からスピンドル(5)の重
量を差し引くことにより、工具重量が求められる。 【００２１】工具重量の演算が終了したならば、測定し
た工具重量が一定の軽量側境界値以下であるかどうか調
べられ（ステップ４）、そうであれば、ステップ５に進
んで、軽量制御特性に切換えられ、処理が終了する。ス
テップ４において、工具重量が軽量側境界値以下でなか
った場合は、ステップ６に進んで、工具重量が軽量側境
界値より大きい一定の重量側境界値以上であるかどうか
調べられ、そうであれば、ステップ７に進んで、重量制
御特性に切換えられ、処理が終了する。ステップ６にお
いて、工具重量が重量側境界値以上でなかった場合は、
ステップ８に進んで、中間制御特性に切換えられ、処理
が終了する。この制御特性の切換は、３組の磁気軸受
(6)(7)(8)の全てについて行われる。 【００２２】図３に、磁気軸受制御装置(15)に記憶され
ている３種類の制御特性の１例が示されている。図３は
アキシアル磁気軸受(6)についての制御特性を示し、Ａ
は軽量制御特性、Ｂは中間制御特性、Ｃは重量制御特性
をそれぞれ示している。また、横軸は回転数すなわち周
波数（ＨZ）を対数目盛で表わし、縦軸は制御ゲイン
（ｄＢ）を表わしている。各ラジアル磁気軸受(7)(8)に
ついても、同様に、３種類の制御特性が記憶されてお
り、工具重量によって切換えられる。 【００２３】上記のフローチャートにおいて、ステップ
１〜３の部分が工具重量測定手段を構成し、ステップ４
〜８の部分が制御特性切換手段を構成している。 【００２４】上記の工具重量測定および制御特性切換え
は、工具(18)が交換される度に行うようにしてもよい。
一般の工作機械では、工具番号と工具の種類との関係が
不変である場合が多い。そのような場合、工具重量測定
および制御特性切換えは、各工具について、その工具に
よる加工を行う前の任意の時点において１回だけ行うよ
うにしてもよい。その場合、工具重量測定および制御特
性切換えを行ったときに、磁気軸受制御装置(15)および
ＮＣ装置(2)の少なくとも一方に、工具重量および選択
された制御特性の少なくとも一方を工具番号とともに記
憶しておき、以後は、その工具(18)が装着されたとき
に、記憶されている工具重量から上記と同様に制御特性
の切換を行うか、あるいは記憶されている制御特性に切
換えるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】 【図１】図１は、この発明の第１実施形態を示す磁気軸
受スピンドル装置の概略構成図である。 【図２】図２は、工具重量測定および制御特性切換えの
１例を示すフローチャートである。 【図３】図３は、磁気軸受の制御特性の１例を示すグラ
フである。 【符号の説明】 (1) 磁気軸受スピンドル装置 (5) スピンドル (6) アキシアル磁気軸受 (6a) 電磁石 (7)(8) ラジアル磁気軸受 (7a)(8a) 電磁石 (9) アキシアル位置センサ (10)(11) ラジアル位置センサ (12) 高周波モータ (15) 磁気軸受制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−86438（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−72215（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−97714（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−33024（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23B 19/02 B23Q 17/00 G01G 7/04 G01G 17/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】鉛直に配置されて工具が装着されるスピン
    ドルが制御型のアキシアル磁気軸受とラジアル磁気軸受
    により非接触支持され、前記スピンドルに装着される工
    具を他の種類のものと自動的に交換可能な工作機械用磁
    気軸受スピンドル装置において、 前記磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段が、工具重量
    の範囲に応じた制御特性を記憶しており、前記アキシア
    ル磁気軸受の励磁電流を測定することにより工具重量を
    測定する工具重量測定手段と、測定した工具重量に基づ
    いて記憶されている前記磁気軸受の制御特性を自動的に
    切換える制御特性切換手段とを備えていることを特徴と
    する工作機械用磁気軸受スピンドル装置。
JP18587696A 1996-07-16 1996-07-16 工作機械用磁気軸受スピンドル装置 Expired - Fee Related JP3421903B2 (ja)

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