JP4228325B2 - Magnetic bearing control device for machine tool and control method thereof - Google Patents

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JP4228325B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸に用いられる磁気軸受装置の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気吸引力を利用する吸引制御型の磁気軸受は、軸受剛性が高く、比較的大きな負荷を精度よく支えることができるので産業界で広く用いられつつある。特に、加工精度と生産性が求められる工作機械については、主軸への適用が試みられている。制御型磁気軸受には、非接触支持して支持摩擦が小さいため高速回転ができることや、軸受の損失が小さいこと、寿命が非常に長いことなどの利点がある半面、浮上する回転軸の機械共振が制御ループに入って振動しやすいという問題がある。ところがその共振は制御ループにフィルタを挿入することによって抑えられることが多数報告されており、その問題は少なくなっている。フィルタには様々な構成が用いられているが、代表的なものがノッチフィルタである。ノッチフィルタを用いると、機械系の共振周波数の信号が制御ループを巡回する時に大幅に減衰され、他の周波数の信号が影響を受けないため、共振することなく安定浮上できるのである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、機械の共振周波数を十分に低減するフィルターを設けていても、工作機主軸に取り付けたカッタがワークに接触する加工中は、カッタがワークに接していない時の機械系の共振周波数に比べて機械系の共振周波数が低下するので、予め設定したフィルタの周波数と現実の機械系の共振周波数が合わなくなり、制御系が安定性を失い発振しやすくなるという問題があった。
加工中の発振を回避するため、カッタがワークに接している時の共振周波数を予め測定してフィルタを設定する方法も試みられたが、その場合は、加工していない時の安定性が不足して発振しやすくなるという問題があった。
本発明は、加工していない時も、加工している時も、主軸を支える磁気軸受の制御系を安定にし、工作機主軸の性能を向上させることを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の工作機械用磁気軸受装置は、回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御して前記アンプに指令を送る制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなり、そのフィルタ制御器は、前記制御器の信号または前記センサの信号から前記機械系の固有振動成分を演算するfi演算器と、前記モータの駆動トルクを検出するトルクセンサの信号、または前記固定子の電流から、前記回転子にかかる負荷wを検出するW演算器と、NC装置の加工指令を受けてデータを収集するときは、前記fi演算器が演算した固有振動数fijと前記W演算器が演算した負荷wとを受けてそれぞれメモリに記憶し、NC装置の加工指令を受けて前記特定周波数を求めるときは、NC装置の加工指令と前記メモリに記憶された情報から前記機械系の固有振動数に対応する周波数を演算する統制器と、その統制器の情報を受けて前記フィルタの前記特定周波数を設定する指令器と、からなることを特徴としている。
また、本発明の工作機械用磁気軸受制御装置の制御方法は、NC装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器が補償動作をするときは、予め記録された負荷wと機械系の固有振動数との関係から、その加工指令に対応する固有振動数fiを求め、加工が開始されるとその固有振動数を前記フィルタの前記特定周波数に設定し、加工が終了すると元の設定に戻す、という手順で動作することを特徴としている。さらに、NC装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器がデータ収集動作をするときは、加工が開始されたことを検知すると、前記回転子にかかる負荷wと機械系の固有振動数fiを求めて所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリング値を合計し、その合計値をサンプリング数で割り算して平均値を求め、加工が終了したことを検知すると、求めた負荷wと機械系の固有振動数fiの平均値を記憶する、という手順で動作することを特徴としている。
このようにしているため、加工によって機械系の共振周波数が変化しても、それにあわせてフィルタの特定周波数が変化するので、制御系の安定性が損なわれること無く安定した軸受を維持できるのである。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図1は本発明の構成を示す工作機械用磁気軸受制御装置のブロック図である。図において、10は本発明の工作機械用磁気軸受制御装置であり、30は工作機械用磁気軸受制御装置10によって制御され、工作機主軸を支える軸受である。工作機械用磁気軸受制御装置10は、制御器11と、フィルタ12、分配器13、アンプ14、15、センサアンプ16、フィルタ制御器20から構成され、軸受30は回転子34と、上固定子32、下固定子33、センサ31から構成されている。上固定子32と下固定子33は回転子34の上下にエアギャップを介して工作機主軸の図示しないフレーム等に固定されており、センサ31が回転子34の浮上位置を検出するために同じくフレーム等に固定されている。上下の固定子32、33に電流を供給すると、それぞれ回転子34との間に磁気吸引力を生じて近づけるよう作用する。上下固定子32、33と回転子34の相対位置を検出するセンサ31は、非接触で検出するため、渦電流や、静電気、光等を利用するものが望ましく、実用性という点から特に渦電流形センサが望ましい。センサ31はセンサアンプ16によって作動し、検出信号もセンサアンプ16によって増幅される。そしてセンサアンプ16の出力が回転子34の浮上位置を表す信号になっている。制御器11は回転子34の浮上位置を指令する位置指令xsとセンサアンプ16の差の信号を入力すると、その位相と利得を制御して出力する。この制御器にはPID制御器が多く用いられるが、同じように機能することができればこれに限るものではない。フィルタ12は入力信号をフィルタリングして出力する回路であり、ノッチフィルタと位相進みフィルタを含んで、それぞれ中心周波数が外部信号cによって制御できるようになっている。分配器13は入力信号に所定の演算を行って2つの信号を出力する。その演算とは、磁気吸引力の非線形特性を補償して磁気軸受制御系全体を見かけ上線形化するための演算を含んでおり、特公平3-43766号、特公平63-19734号などに記載の技術が用いられる。従って、センサアンプの信号を入力して演算に用いられるが、図面を簡素化するため、また本発明の趣旨がそこにあるわけではないので省略している。アンプ14、15は入力信号に比例した電流を出力し、上下固定子32、33に電力を供給する。
【0006】
フィルタ制御器20は、fi演算器21と、W演算器22、メモリ23、指令器24、統制器25から構成されている。fi演算器21はFFTの演算機能を備えており、センサ31によって検出され、センサアンプ16から出力される回転子34の位置信号xと、制御器11の指令信号の何れかを受けて周波数解析をする。そして、回転子を含む機械系の共振周波数を求めて信号fijを出力する。ここにiは共振周波数の次数であり、jは負荷の大きさに対応する番号である。
【0007】
W演算器22は、回転子34に加えられた駆動トルクの信号、又は軸受30に印加される電流を入力し、回転子34の負荷の大きさを演算して対応する信号Wを出力する。回転子34にはモータが接続されおり、回転子34とモータの間に設けられたトルクセンサによって回転子34に加えられるトルクが検出される。トルクセンサは、このほか電気的に検出するものであってもよく、回転子34に加えられるトルクが検出できれば構成が限定されるものではない。トルクTが検出されれば、NC加工情報に含まれるカッタの直径Dを用いて次式によって径方向の負荷Wが求められる。
W=T/(D/2) (1)
【0008】
軸受30の電流から負荷を求めるときは、電磁石の吸引力が電流の2乗に比例することから、上固定子32の電流I1と下固定子33の電流I2から支持する方向の力W1が次式によって求まる。
W1=k(I12+I22) k:定数 (2)
なお、磁気吸引力は厳密にはエアギャップの2乗に反比例するので、その性質を取り込んだ式を用いて演算してもよい。
この支持力W1の方向と直交する方向の支持力W2も同じようにして求めることができ、これらによって軸受30の支持力、すなわち負荷の大きさWが次式によって求められる。
W=√(W12+W22) (3)
【0009】
統制器25は、データ収集段階では、NC装置のNC加工情報に含まれる加工指令を受けると、fi演算器21の信号fijとW演算器22の信号Wを入力し、所定の周期でサンプリングして加算する。そして同時に加算値を加算回数で割り算して平均値を求め、サンプリングを終えるとj番目の負荷wjに対応するデータf1j、f2j、f3j、…をメモリ23に格納する。また一方で、補償段階では、NC装置の加工指令を受けると、その指令に対応する機械系の共振周波数を演算する。その演算は次のようにして行われる。メモリ23に格納されているデータは、離散的な負荷wj(=w1、w2、w3、…)に対応するデータが格納されているので、加工情報を入力するとそれから負荷の大きさWを求める。加工情報には回転速度や、カッタ径、切込み深さ、ワーク材料係数、カッタや軸受電流に基づく補正係数が含まれており、経験則から負荷Wが求められる。次にメモリに格納されたデータから負荷Wに対応する機械系の共振周波数fijを補間計算する。負荷Wに最も近く、W1<W<W2という関係にあるW1、W2のデータがわかっており、それぞれに対応する機械共振周波数f1j(=f11,f12,f13,…)とf2j(=f21,f22,f23,…)がわかっているとき、負荷Wに対応する機械共振周波数fjは次式で求められる。
fj=f1j+a・(f2j−f1j)
a=(W−W1)/(W2−W1) (4)
こうして機械共振周波数が求められると指令器24に出力する。
【0010】
指令器24は、その周波数に対応してフィルタ12の特定周波数を調整するための変換回路を含んでいる。可変周波数形のフィルタ12がアナログ回路で構成され、オペアンプに外部接続された抵抗器の大きさで特定周波数を調整するような状態変数形フィルタで構成されている場合、並列又は直列接続された多数の抵抗器の一部をアナログスイッチで短絡し、短絡していない抵抗器によって特定周波数を決めることができる。この場合、指令器24にはデコーダとアナログスイッチを備え、求められた周波数をデコードしてアナログスイッチを機能させ、所定の抵抗器を短絡させて特定周波数に設定することができる。デコードの仕方は当該フィルタの技術分野において公知であるので詳細な説明を省略する。本発明の趣旨によれば、指令器24は上記の機能が果たせればどんな構成をしてもよく、状態変数形フィルタだけに対応する回路構成に限るものではない。
【0011】
このような構成をした工作機械用磁気軸受制御装置10が浮上制御するときは次のように動作する。センサ31がセンサアンプ16によって駆動され、固定子31、32に対する回転子34の位置を検出するとセンサアンプ16で信号に変換される。その信号が位置指令xsと比較され制御器11に入力される。回転子34が指令位置より下に位置していれば上に移動させる信号を出力し、上に位置していれば下に移動させる信号を出力する。その信号はフィルタ12を通過する際、回転子34を含む機械系の固有振動数成分を除去される。そして2つの信号に分割されアンプ14、15に電流指令が与えられて上固定子32と下固定子33に電流が供給される。この電流によって回転子34との間に磁気吸引力が生じ、回転子34を所望の位置に保持する。以上は従来の軸受と同じ動作である。
【0012】
次に、工作機械用磁気軸受制御装置10が機械系の共振周波数を収集する過程について図4のフローチャートを用いて説明する。NC装置によって加工が開始されると主軸は待機位置から移動し始め、ワークに近づく(S1)。カッタがワークに接触すると主軸にかかる負荷が変化するためW演算器22の出力信号が変化し、加工開始が検知される(S2)。主軸がワークに近づいている間は、W演算器22の出力信号は変化しないので、変化が現れるまで待たれる。加工開始が検知された後は、所定のサンプリング周期でfi演算器21の出力、すなわちfijと、W演算器22の出力がサンプリングされ、加算して合計値が求められ、同時にサンプリング数で割り算されて平均値が求められる(S3)。次にW演算器22の出力が初期状態に戻ったことが検知されると加工終了と判断され(S4)、求められたfi、wの平均値がメモリ23に格納される(S5)。以上のデータ収集は負荷の大きさを様々に変えて行われ、収集されたデータは、図3に示すように、負荷の大きさwの順に記録される。
【0013】
次に加工中の機械共振周波数を補償して安定化を図る補償過程について、図5のフローチャートを用いて説明する。NC装置によって加工が開始されると、まず、統制器25が加工指令から負荷wと負荷wに対応する機械共振周波数fiを演算する(S12)。負荷wは、回転数やカッタ径、切込み深さ、ワーク材料係数、カッタや軸受電流による補正係数などから経験的に決まり、予め対応づけられているので、加工指令が与えられるとすぐに求められる。メモリ23に格納されているデータは図3に示すような離散的なデータであるので、(4)式を用い、補間計算して負荷wに対応する機械共振周波数が求められる。次にw演算器22の出力が変化して加工開始が検知されると(S13)、統制器25で求めた機械共振周波数を指令器24に出力し、フィルタ12の特定周波数を変化させる(S14)。加工終了が検知されるまでは加工中であるので、この状態が維持される。加工が終了するとW演算器22の出力が元に戻るので、それによって加工終了を検知し(S15)、指令器24の指令を元に戻してフィルタ12の特定周波数を元に戻す(S16)。
以上のように動作するので、加工中にカッタがワークに接触して機械共振周波数が変化しても、その変化に見合ってフィルタの特定周波数が変更されるので、軸受制御系が不安定となることなく、安定した主軸の状態が維持されるのである。
【0014】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、主軸に取り付けたカッタがワークに接触して機械固有振動数が変化しても、安定支持することができるので、高速化した主軸の性能を損なうことなく安定した加工を維持でき、工作機械の高性能化を推進することができるという実用的効果が得られるのである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図
【図2】フィルタの構成を示すブロック図
【図3】メモリの内容を説明する表
【図4】データ収集手順を示すフローチャート
【図5】加工時の動作手順を示すフローチャート
【符号の説明】
10 磁気軸受制御装置
11 制御器
12 フィルタ
13 分配器
14、15 アンプ
16 センサアンプ
20 フィルタ制御器
21 fi演算器
22 W演算器
23 メモリ
24 指令器
25 統制器
30 軸受
31 センサ
32 上固定子
33 下固定子
34 回転子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a magnetic bearing device used for a spindle of a machine tool.
[0002]
[Prior art]
Attraction control type magnetic bearings using magnetic attraction force are being widely used in the industry because they have high bearing rigidity and can support relatively large loads with high accuracy. In particular, application to spindles has been attempted for machine tools that require machining accuracy and productivity. Control-type magnetic bearings have advantages such as non-contact support and low support friction, so that high-speed rotation is possible, bearing loss is small, and the service life is very long. Has a problem that it easily enters the control loop and vibrates. However, it has been reported that the resonance can be suppressed by inserting a filter in the control loop, and the problem is reduced. Various configurations are used for the filter, but a typical one is a notch filter. When the notch filter is used, the signal at the resonance frequency of the mechanical system is greatly attenuated when circulating through the control loop, and signals at other frequencies are not affected.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if a filter that sufficiently reduces the resonance frequency of the machine is provided, the machining frequency when the cutter attached to the machine tool spindle is in contact with the workpiece is compared with the resonance frequency of the mechanical system when the cutter is not in contact with the workpiece. Since the resonance frequency of the mechanical system is lowered, the preset filter frequency and the resonance frequency of the actual mechanical system are not matched, and there is a problem that the control system loses stability and is likely to oscillate.
In order to avoid oscillation during machining, an attempt was also made to set the filter by measuring the resonance frequency in advance when the cutter is in contact with the workpiece, but in that case, the stability when not machining is insufficient. As a result, there is a problem that oscillation tends to occur.
An object of the present invention is to stabilize the control system of the magnetic bearing that supports the main shaft and improve the performance of the machine tool main shaft, both when it is not being processed and when it is being processed.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, a magnetic bearing device for a machine tool according to the present invention includes a rotor, a motor that applies torque to the rotor, a stator including an electromagnet, a sensor that detects the position of the rotor with respect to the stator, and a fixed An amplifier that supplies current to the child, a controller that sends a command to the amplifier by controlling the difference from the difference between the command position and the position of the stator detected by the sensor, and the controller or A filter provided at the front and rear and having a specific frequency set so as to remove the natural frequency component of the mechanical system including the rotor from the passing signal, and a filter controller for controlling the specific frequency. The controller includes a fi calculator that calculates a natural vibration component of the mechanical system from the signal of the controller or the signal of the sensor, and a signal of a torque sensor that detects a driving torque of the motor, Or, when collecting data by receiving a machining command from the NC device and a processing command of the NC device from a current of the stator and a load w applied to the rotor, the natural frequency fij calculated by the fi calculator And the load w calculated by the W calculator are respectively stored in the memory, and when obtaining the specific frequency in response to the machining command of the NC device, the machining command of the NC device and the information stored in the memory are used. The controller comprises a controller that calculates a frequency corresponding to the natural frequency of the mechanical system, and a commander that receives the information of the controller and sets the specific frequency of the filter.
Further, the control method of the magnetic bearing control device for machine tool according to the present invention is such that when the machining command of the NC device is received and the filter controller performs a compensation operation, the load w recorded in advance and the natural frequency of the mechanical system are recorded. From the relationship, the natural frequency fi corresponding to the machining command is obtained, the natural frequency is set to the specific frequency of the filter when machining is started, and the original setting is restored when machining is completed. It is characterized by operating according to procedures. Further, when the filter controller performs a data collection operation in response to a machining command from the NC device, when detecting that machining has started, the load w applied to the rotor and the natural frequency fi of the mechanical system are obtained. Sampling at a predetermined sampling period, summing the sampling values, dividing the total value by the number of samplings to obtain an average value, and detecting the completion of machining, the obtained load w and the natural frequency of the mechanical system It is characterized by operating in the procedure of storing the average value of fi.
As a result, even if the resonance frequency of the mechanical system changes due to machining, the specific frequency of the filter changes accordingly, so that a stable bearing can be maintained without impairing the stability of the control system. .
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a magnetic bearing control device for a machine tool showing the configuration of the present invention. In the figure, reference numeral 10 denotes a machine tool magnetic bearing control device according to the present invention, and 30 denotes a bearing which is controlled by the machine tool magnetic bearing control device 10 and supports a machine tool main shaft. The machine tool magnetic bearing control device 10 includes a controller 11, a filter 12, a distributor 13, amplifiers 14 and 15, a sensor amplifier 16, and a filter controller 20, and the bearing 30 includes a rotor 34 and an upper stator. 32, a lower stator 33, and a sensor 31. The upper stator 32 and the lower stator 33 are fixed above and below the rotor 34 via an air gap to a frame (not shown) of the machine tool spindle, and the sensor 31 detects the flying position of the rotor 34 in the same manner. It is fixed to the frame. When a current is supplied to the upper and lower stators 32 and 33, a magnetic attractive force is generated between the stator 34 and the rotor 34 so as to approach each other. The sensor 31 for detecting the relative positions of the upper and lower stators 32 and 33 and the rotor 34 is detected in a non-contact manner. Therefore, it is preferable to use eddy current, static electricity, light, or the like. A shape sensor is desirable. The sensor 31 is operated by the sensor amplifier 16, and the detection signal is also amplified by the sensor amplifier 16. The output of the sensor amplifier 16 is a signal representing the floating position of the rotor 34. When the controller 11 receives a position command xs for instructing the flying position of the rotor 34 and a signal indicating the difference between the sensor amplifier 16, the controller 11 controls the phase and gain and outputs the result. A PID controller is often used as this controller, but the controller is not limited to this as long as it can function in the same manner. The filter 12 is a circuit that filters and outputs an input signal, and includes a notch filter and a phase advance filter, and the center frequency can be controlled by the external signal c. The distributor 13 performs a predetermined calculation on the input signal and outputs two signals. The calculation includes a calculation for compensating the non-linear characteristic of the magnetic attraction force and apparently linearizing the entire magnetic bearing control system, and is described in Japanese Patent Publication Nos. 3-43766 and 63-19734. Technology is used. Therefore, although the signal of the sensor amplifier is inputted and used for the calculation, it is omitted for simplifying the drawing and because the gist of the present invention is not there. The amplifiers 14 and 15 output a current proportional to the input signal and supply power to the upper and lower stators 32 and 33.
[0006]
The filter controller 20 includes a fi computing unit 21, a W computing unit 22, a memory 23, a command unit 24, and a control unit 25. The fi calculator 21 has an FFT calculation function, and receives either the position signal x of the rotor 34 detected by the sensor 31 and output from the sensor amplifier 16 or the command signal of the controller 11 to analyze the frequency. do. Then, the resonance frequency of the mechanical system including the rotor is obtained and a signal fij is output. Here, i is the order of the resonance frequency, and j is a number corresponding to the magnitude of the load.
[0007]
The W calculator 22 receives a drive torque signal applied to the rotor 34 or a current applied to the bearing 30, calculates the load size of the rotor 34, and outputs a corresponding signal W. A motor is connected to the rotor 34, and a torque applied to the rotor 34 is detected by a torque sensor provided between the rotor 34 and the motor. In addition, the torque sensor may be one that is electrically detected, and the configuration is not limited as long as the torque applied to the rotor 34 can be detected. When the torque T is detected, the radial load W is obtained by the following equation using the cutter diameter D included in the NC machining information.
W = T / (D / 2) (1)
[0008]
When the load is obtained from the current of the bearing 30, since the attractive force of the electromagnet is proportional to the square of the current, the force W 1 in the supporting direction from the current I 1 of the upper stator 32 and the current I 2 of the lower stator 33 is the next. It is obtained by the formula.
W1 = k (I1 2 + I2 2 ) k: constant (2)
Strictly speaking, the magnetic attractive force is inversely proportional to the square of the air gap, and may be calculated using an equation that incorporates this property.
The support force W2 in a direction orthogonal to the direction of the support force W1 can be obtained in the same manner, and the support force of the bearing 30, that is, the load magnitude W is obtained by the following equation.
W = √ (W1 2 + W2 2 ) (3)
[0009]
In the data collection stage, when receiving the machining command included in the NC machining information of the NC device, the controller 25 inputs the signal fij of the fi computing unit 21 and the signal W of the W computing unit 22 and samples them at a predetermined cycle. And add. At the same time, the addition value is divided by the number of additions to obtain an average value. When sampling is completed, data f1j, f2j, f3j,... Corresponding to the jth load wj are stored in the memory 23. On the other hand, in the compensation stage, when a machining command for the NC device is received, the resonance frequency of the mechanical system corresponding to the command is calculated. The calculation is performed as follows. Since the data stored in the memory 23 stores data corresponding to discrete loads wj (= w1, w2, w3,...), When processing information is input, the load magnitude W is obtained therefrom. The machining information includes a rotational speed, a cutter diameter, a cutting depth, a workpiece material coefficient, a correction coefficient based on the cutter and the bearing current, and the load W is obtained from an empirical rule. Next, the resonance frequency fij of the mechanical system corresponding to the load W is interpolated from the data stored in the memory. Data of W1 and W2 that are closest to the load W and have a relationship of W1 <W <W2 are known, and corresponding mechanical resonance frequencies f1j (= f11, f12, f13,...) And f2j (= f21, f22). , F23,...), The mechanical resonance frequency fj corresponding to the load W is obtained by the following equation.
fj = f1j + a · (f2j−f1j)
a = (W−W1) / (W2−W1) (4)
When the mechanical resonance frequency is thus obtained, it is output to the command unit 24.
[0010]
The command device 24 includes a conversion circuit for adjusting a specific frequency of the filter 12 corresponding to the frequency. When the variable frequency type filter 12 is configured by an analog circuit and is configured by a state variable type filter that adjusts a specific frequency by the size of a resistor externally connected to the operational amplifier, a large number of parallel frequency or series connected A specific frequency can be determined by short-circuiting a part of the resistor with an analog switch and using a resistor that is not short-circuited. In this case, the command unit 24 includes a decoder and an analog switch, and the obtained frequency can be decoded to function the analog switch, and a predetermined resistor can be short-circuited to set a specific frequency. Since the decoding method is known in the technical field of the filter, detailed description thereof is omitted. According to the gist of the present invention, the command unit 24 may have any configuration as long as the above function can be performed, and is not limited to a circuit configuration corresponding to only the state variable filter.
[0011]
When the magnetic bearing control device 10 for machine tool having such a configuration controls the levitation, it operates as follows. When the sensor 31 is driven by the sensor amplifier 16 and the position of the rotor 34 with respect to the stators 31 and 32 is detected, the sensor amplifier 16 converts the position into a signal. The signal is compared with the position command xs and input to the controller 11. If the rotor 34 is positioned below the command position, a signal to move up is output, and if it is positioned above, a signal to move down is output. When the signal passes through the filter 12, the natural frequency component of the mechanical system including the rotor 34 is removed. Then, the signal is divided into two signals, a current command is given to the amplifiers 14 and 15, and current is supplied to the upper stator 32 and the lower stator 33. This current causes a magnetic attractive force between the rotor 34 and the rotor 34 in a desired position. The above is the same operation as a conventional bearing.
[0012]
Next, the process by which the machine tool magnetic bearing control device 10 collects the resonance frequency of the mechanical system will be described with reference to the flowchart of FIG. When machining is started by the NC device, the spindle starts to move from the standby position and approaches the workpiece (S1). When the cutter comes into contact with the workpiece, the load applied to the spindle changes, so the output signal of the W calculator 22 changes, and the start of machining is detected (S2). While the spindle is approaching the workpiece, the output signal of the W calculator 22 does not change, so it is waited until a change appears. After the start of machining is detected, the output of the fi calculator 21, that is, the output of the fi calculator 22 and the output of the W calculator 22 are sampled and added together to obtain a total value, and simultaneously divided by the number of samples. The average value is obtained (S3). Next, when it is detected that the output of the W computing unit 22 has returned to the initial state, it is determined that the machining has been completed (S4), and the average values of the obtained fi and w are stored in the memory 23 (S5). The above data collection is performed by changing the magnitude of the load in various ways, and the collected data is recorded in the order of the magnitude of the load w as shown in FIG.
[0013]
Next, a compensation process for compensating for the mechanical resonance frequency during the processing for stabilization will be described with reference to the flowchart of FIG. When machining is started by the NC device, the controller 25 first calculates the load w and the machine resonance frequency fi corresponding to the load w from the machining command (S12). The load w is determined empirically from the number of rotations, cutter diameter, depth of cut, workpiece material coefficient, correction coefficient by cutter and bearing current, and is associated in advance, and is obtained as soon as a processing command is given. . Since the data stored in the memory 23 is discrete data as shown in FIG. 3, the mechanical resonance frequency corresponding to the load w is obtained by interpolation calculation using the equation (4). Next, when the output of the w calculator 22 is changed and the start of machining is detected (S13), the mechanical resonance frequency obtained by the controller 25 is output to the command unit 24, and the specific frequency of the filter 12 is changed (S14). ). This state is maintained because machining is in progress until the end of machining is detected. When the processing is completed, the output of the W computing unit 22 is restored to the original value, so that the completion of the processing is detected (S15), the command of the command unit 24 is restored, and the specific frequency of the filter 12 is restored (S16).
Since it operates as described above, even if the cutter contacts the workpiece during machining and the mechanical resonance frequency changes, the specific frequency of the filter is changed in accordance with the change, so the bearing control system becomes unstable. Therefore, a stable main shaft state is maintained.
[0014]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if the cutter attached to the spindle contacts the workpiece and the natural frequency of the machine changes, it can be stably supported without impairing the performance of the spindle that has been speeded up. Practical effects can be obtained in that stable machining can be maintained and higher performance of machine tools can be promoted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a magnetic bearing control device of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a filter. FIG. 3 is a table explaining the contents of a memory. FIG. 5 is a flowchart showing an operation procedure during machining.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Magnetic bearing control apparatus 11 Controller 12 Filter 13 Distributor 14, 15 Amplifier 16 Sensor amplifier 20 Filter controller 21 fi calculator 22 W calculator 23 Memory 24 Commander 25 Controller 30 Bearing 31 Sensor 32 Upper stator 33 Below Stator 34 Rotor

Claims (3)

回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御して前記アンプに指令を送る制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなる工作機械用磁気軸受装置において、
そのフィルタ制御器は、
前記制御器の信号または前記センサの信号から前記機械系の固有振動数成分を演算するfi演算器と、
前記モータの駆動トルクを検出するトルクセンサの信号、または前記固定子の電流から、前記回転子にかかる負荷wを検出するW演算器と、
NC装置の加工指令を受けてデータを収集するときは、前記fi演算器が演算した固有振動数fijと前記W演算器が演算した負荷wとを受けてそれぞれメモリに記憶し、NC装置の制御指令を受けて前記特定周波数を求めるときは、前記NC装置の加工指令と前記メモリに記憶された情報から前記機械系の固有振動数に対応する周波数を演算する統制器と、
その統制器の情報を受けて前記フィルタの前記特定周波数を設定する指令器と、
からなることを特徴とする工作機械用磁気軸受装置。
A rotor, a motor for applying torque to the rotor, a stator including an electromagnet, a sensor for detecting the position of the rotor with respect to the stator, an amplifier for supplying current to the stator, and a command position; A controller for controlling the difference from the difference in the position of the stator detected by the sensor to send the command to the amplifier, and a controller provided in or before and after the controller, from the signal passing through the rotor In a magnetic bearing device for a machine tool comprising a filter in which a specific frequency is set so as to remove a natural frequency component of a mechanical system including a filter controller that controls the specific frequency,
The filter controller is
A fi calculator for calculating a natural frequency component of the mechanical system from the signal of the controller or the signal of the sensor;
A W calculator for detecting a load w applied to the rotor from a signal of a torque sensor for detecting a driving torque of the motor or a current of the stator;
When collecting data in response to the machining command of the NC device, the natural frequency fij calculated by the fi calculator and the load w calculated by the W calculator are received and stored in memory, respectively, and control of the NC device is performed. When obtaining the specific frequency in response to a command, a controller that calculates a frequency corresponding to the natural frequency of the mechanical system from the machining command of the NC device and the information stored in the memory,
A command device for receiving the information of the control device and setting the specific frequency of the filter;
A magnetic bearing device for machine tools, comprising:
回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御する制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなる工作機械用磁気軸受装置において、
NC装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器が補償動作をするときは、
予め記録された負荷wと機械系の固有振動数との関係から、その加工指令に対応する固有振動数fiを求め、
加工が開始されるとその固有振動数を前記フィルタの前記特定周波数に設定し、
加工が終了すると元の設定に戻す、
という手順で動作することを特徴とする工作機械用磁気軸受制御装置の制御方法。
A rotor, a motor for applying torque to the rotor, a stator including an electromagnet, a sensor for detecting the position of the rotor with respect to the stator, an amplifier for supplying current to the stator, and a command position; A controller for controlling the difference from the difference in position of the stator detected by the sensor, and a natural vibration of a mechanical system provided in or around the controller and including the rotor from a signal passing therethrough In a magnetic bearing device for a machine tool comprising a filter in which a specific frequency is set so as to remove several components, and a filter controller for controlling the specific frequency,
When the filter controller performs a compensation operation in response to the machining command of the NC device,
From the relationship between the load w recorded in advance and the natural frequency of the mechanical system, the natural frequency fi corresponding to the machining command is obtained,
When processing is started, its natural frequency is set to the specific frequency of the filter,
When processing is complete, restore the original settings.
The control method of the magnetic bearing control apparatus for machine tools characterized by operating according to the procedure.
回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御する制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなる工作機械用磁気軸受装置において、
NC装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器がデータ収集動作をするときは、
加工が開始されたことを検知すると、前記回転子にかかる負荷wと機械系の固有振動数fiを求めて所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリング値を合計し、その合計値をサンプリング数で割り算して平均値を求め、
加工が終了したことを検知すると、求めた負荷wと機械系の固有振動数fiの平均値を記憶する、
という手順で動作することを特徴とする工作機械用磁気軸受制御装置の制御方法。
A rotor, a motor for applying torque to the rotor, a stator including an electromagnet, a sensor for detecting the position of the rotor with respect to the stator, an amplifier for supplying current to the stator, and a command position; A controller for controlling the difference from the difference in position of the stator detected by the sensor, and a natural vibration of a mechanical system provided in or around the controller and including the rotor from a signal passing therethrough In a magnetic bearing device for a machine tool comprising a filter in which a specific frequency is set so as to remove several components, and a filter controller for controlling the specific frequency,
When the filter controller receives a machining command from the NC unit and performs data collection,
When it is detected that machining has started, the load w applied to the rotor and the natural frequency fi of the mechanical system are obtained, sampled at a predetermined sampling period, the sampled values are summed, and the total value is divided by the number of samples. To find the average value,
When it is detected that the machining is completed, the average value of the obtained load w and the natural frequency fi of the mechanical system is stored.
The control method of the magnetic bearing control apparatus for machine tools characterized by operating according to the procedure.
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