JP4300698B2 - 磁気軸受装置の制御方法および加工装置の制御方法 - Google Patents
磁気軸受装置の制御方法および加工装置の制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4300698B2 JP4300698B2 JP2000320586A JP2000320586A JP4300698B2 JP 4300698 B2 JP4300698 B2 JP 4300698B2 JP 2000320586 A JP2000320586 A JP 2000320586A JP 2000320586 A JP2000320586 A JP 2000320586A JP 4300698 B2 JP4300698 B2 JP 4300698B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rotating body
- natural frequency
- electromagnet
- notch filter
- magnetic bearing
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受を構成する電磁石に流す電流を制御し、非接触で回転体を所定位置に支持する磁気軸受装置の制御方法とそれを用いた加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁石により回転体を非接触支持する磁気軸受スピンドル装置の制御方法としては、特開平５−１１８３２８号に公開されたものがある。図１３はこの磁気軸受装置の制御系のブロック図である。
【０００３】
図１３に示すように、回転軸１０４に取り付けられた回転子ヨーク１０５と、この回転子ヨーク１０５から微小間隔の距離を置いてケーシング１０１に取り付けられた電磁石固定子１０２と、回転軸１０４とケーシング間１０１の相対変位を測定する変位センサ１０６と、この変位センサ１０６からの変位信号をもとに回転子ヨーク１０５と電磁石固定子１０２間に作用する磁気吸引力を制御する補償回路１０７および電力増幅器１０８と、あらかじめ定められた回転軸系の伝達関数を設定する伝達関数設定部１１１と、この伝達関数設定部１１１で設定する伝達関数を模擬し補償回路１０７または電力増幅器１０８の出力を入力することにより擬似信号を発生する適応ディジタルフィルタ１１５と、この適応ディジタルフィルタ１１５の入力側あるいは出力側に設けられたハイパス回路１１６と、前記変位信号から前記擬似信号を減算した信号に基づき前記磁気吸引力を制御する補償回路１０７と、前記変位信号から前記擬似信号を減算した信号を同定誤差検出回路１１７で検出し、この誤差が小さくなるように適応ディジタルフィルタ１１５を逐次修正するシステム同定回路１１０から構成されている。
【０００４】
次に、このように構成された磁気軸受装置の動作を説明する。回転軸１０４の伝達関数を測定するため回転軸１０４を非接触支持回転させた後、伝達関数設定部１１１中のパルス発生器１１３でパルスを発生させ、このパルスは加算器１２３に入力され、電力増幅器１０８を経由してケーシング１０１に固定された電磁石固定子１０２に巻かれたコイル１０３に電流を流し、電磁石固定子１０２から回転軸１０４に電磁力による外乱を与え、その時の回転軸１０４の変位を変位センサ１０６で測定する。その後、変位センサ１０６の出力は伝達関数測定器１１２に入力され、回転軸系の伝達関数が伝達関数測定器１１２によって測定され、その測定された伝達関数は適応ディジタルフィルタ１１５に入力される。適応ディジタルフィルタ１１５は伝達関数測定器１１２よりの回転軸系の伝達関数に基づいて、回転軸系の共振点毎に対応した単数のノッチフィルタを設定して擬似信号を発生する。そして、この擬似信号はハイパス回路１１６によって、制御周波数、例えば回転周波数以下の低周波部分がカットされ高周波成分のみの擬似信号が加算器１２１に減算入力される。加算器１２１では変位センサの出力信号である擬似信号が減算され、この減算された信号は誤差信号検出回路１１７に入力され、これによって変位信号と擬似信号との誤差が小さくなるように、適応ディジタルフィルタ１１５が逐次修正される。また、加算器１２１の出力は加算器１２２に入力され、ここで回転軸１０４の位置目標値から減算され、この減算された信号が補償回路１０７に入力されこの補償回路１０７からの出力によって電力増幅器１０８が動作し、コイル１０３に電流を流し、電磁石固定子１０２と回転子ヨーク間１０５に生じる電磁吸引力によって回転軸１０４の位置を制御する。
【０００５】
このようにして、変位信号が擬似信号によって減算された後の信号は回転軸の制御に必要な制御周波数以下の成分を主に持ち、この信号をもとに磁気軸受を制御することにより、高周波成分の回転軸の曲げ固有モードの成分が除去されることにより、不必要な制御を行わないようになり、結果的に回転軸の振動、発振の問題を除去した制御を行えることになる。図１３中のＳ−１は変位センサ１０６で検出した変位信号のスペクトルを示し、Ｓ−２は擬似信号のスペクトルを示している。Ｓ−１の高周波領域のピークは、回転軸の曲げ固有モードによる極を示す。Ｓ−２の制御周波数より大きい回転軸の曲げ固有モードの極が適応ディジタルフィルタ１１５の模擬により形成され、且つハイパス回路１１６で低周波成分が除去されていることが示されている。Ｓ−３は変位信号から疑似信号を減算した後のスペクトルで、制御周波数より小さい周波数では回転軸の制御に本来必要な変位信号のままであり、制御周波数以上では従来問題となっていた曲げ固有モードのピークがなくなるか、逆に窪んだスペクトルとなる。
【０００６】
上記構成の磁気軸受装置は、回転軸の曲げ固有モードによる振動、発振の原因となった制御周波数以上の高周波成分のスペクトル上のピークが除去されることから、回転軸の制御を安定に行うことのできる磁気軸受装置を実現する構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような方法では、回転軸の一端に可変重量部、例えば工作機械における工具が装着される場合、可変重量部が変更されると可変重量部の変化により、回転軸と可変重量部を合わせた回転体全体の重量、重心位置、固有振動数が変化する。回転体の固有振動数は、回転軸のもつ固有振動数と可変重量部のもつ固有振動数が融合した固有振動数となる。磁気軸受の制御特性は回転体がある一定の状態で最適になるように設定されているため、可変重量部が変化し回転体の重量、重心位置、固有振動数が変化すると、回転時における回転体の振れ回りの増大や、回転体の発振現象といった制御の不安定現象が発生する。
【０００８】
この制御の不安定現象は、回転体の重量、重心位置の変化により、制御対象である磁気軸受スピンドル装置と制御回路に設定されている制御ゲインとのマッチングにずれが生じることや、回転体の固有振動数の変化により、例えば固有振動数成分を減衰させるための一手段である適応ディジタルフィルタで設定されるノッチフィルタの設定周波数と固有振動数とにずれが生じるために発生する。
【０００９】
また、工作機械において回転体に工具が装着される場合は、工具形状、工具位置、工具重量等が大幅に変化するため回転体の固有振動数を計算により正確に求めるのは非常に困難である。
【００１０】
このような不安定現象に対して、上記従来例では回転軸を非接触支持回転させた後、伝達関数を測定し、その伝達関数に基づいて適応ディジタルフィルタより回転軸系の共振点毎に対応した単数のノッチフィルタを設定し擬似信号を発生させ、制御周波数以上の信号を変位センサ信号から減算することにより安定化を図っている。しかし、工具交換時には固有振動数がステップ状に急激かつ不連続に変化するため、回転軸の非接触支持回転後に適応ディジタルフィルタの応答が間に合わなければ、磁気軸受の制御ループは不安定となり、回転体が落下する恐れがある。このように回転体が浮上できなければ、伝達関数の測定は不可能となり、この方法では調整不可能となる。
【００１１】
本発明は、上記した課題の解決を図るものであり、回転体の可変重量部変動による固有振動数変動の測定機能および固有振動数減衰部の設定機能を持つ磁気軸受制御装置と、それを用いた加工装置を簡便な構成をもって効果的に実現することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、回転体の非接触支持前に前記回転体の想定した固有振動数付近に複数のフィルタを所望の間隔で合成する第１合成工程と、前記第１合成したフィルタにより前記回転体の想定した固有振動数を減衰した駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、前記非接触支持した回転体を回転させる工程と、前記センサの測定に基づき前記回転体の固有振動数を測定する工程と、前記測定された固有振動を抑制するように前記フィルタを合成する第２合成工程と、前記第２合成したフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持するものである。
【００１３】
これにより、回転体の固有振動数が不明な場合において、回転体の最初の浮上時に回転体の落下を防止することができる。
【００１４】
さらに第１の発明において、回転体の固有振動数を測定する工程の後、前記測定された回転体の固有振動数の１次固有振動数のみを抑制するように前記フィルタを合成する第３合成工程と、前記第３合成したフィルタにより前記回転体の１次固有振動数のみを減衰させる駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、その後前記回転体の１次固有振動数以外の高次固有振動数を測定する工程と、前記測定された回転体の固有振動数の１次固有振動数と高次固有振動数を抑制するように前記フィルタを合成する第４合成工程と、前記第４合成したフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する事も可能である。
【００１５】
これにより、回転体の高次の固有振動数の測定精度を上げることができる。
【００１６】
また第２の発明は、工具を装着可能な回転体の非接触支持前に前記回転体の想定した固有振動数付近に複数のノッチフィルタを所望の間隔で合成する第１合成工程と、前記第１合成したノッチフィルタにより前記回転体の固有振動数を減衰した駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、前記非接触支持した回転体を回転させる工程と、前記センサの測定に基づき前記回転体の固有振動数を測定する工程と、前記測定された固有振動を抑制するように前記ノッチフィルタを合成する第２合成工程と、前記第２合成したノッチフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持し回転体に装着した工具により被加工物を加工するものである。
【００１７】
これにより、工具を取りつけた回転体の回転時の固有振動数を減衰させ精密な被加工物の加工を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の磁気軸受制御装置を示す一実施例について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、本発明の磁気軸受装置を工作機械の機械回転軸の軸受として構成した例について説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
第一の実施形態の磁気軸受制御装置により駆動される磁気軸受スピンドル装置は、図１に示すように、本体の回転体端部に可変重量部（工具）を装着して水平に配置された回転体６７と、その回転体を所定の位置に非接触支持する磁気軸受とを備えたものである。
【００２０】
図１において、６７は回転軸５０の一端に工具６５を装着した回転体、５１はモータロータ、５２はモータステータである。５３と５４はフロント側ラジアル軸受、５５と５６はリア側ラジアル軸受、５７と５８はスラスト軸受である。これら軸受５３〜５８は、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから構成され、回転体６７を所定位置に非接触で支持している。固定側の軸受５４，５６，５８は電磁石からなり、ラジアル軸受５４，５６は回転体６７の周囲に、例えば９０゜の中心角で左右に４個づつ配置されている。またスラスト軸受は回転体５０を取り巻くリング状に配置されている。５９，６０はフロント側とリア側のラジアル変位センサ、６１はスラスト変位センサ、６２，６３は保護ベアリング、６４はケーシングである。回転体５０の軸心からの変位はセンサ５９，６０により、スラスト方向の変位はセンサ６１により検出される。
【００２１】
上記固定側のラジアル軸受５４，５６およびスラスト軸受５８の電磁石への駆動電流を、磁気軸受制御装置を用いて制御することにより、磁気軸受スピンドル装置７の回転軸の空間的位置を制御することができる。
【００２２】
図２は磁気軸受制御装置のブロック図である。磁気軸受制御装置は磁気軸受スピンドル装置７を制御するため、回転体の位置を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ信号により磁気軸受の駆動電流を制御する磁気軸受制御回路（ディジタル演算処理部）１４を備えている。
【００２３】
上記磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部で行われる演算はディジタル演算により行われるため、ＭＰＵにソフトウェアプログラムとして格納されている。
【００２４】
この磁気軸受制御装置の制御動作を図２を参照して詳しく説明する。まず、制御対象となる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体である回転体の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２によりディジタル信号に変換し、固有振動数成分減衰部３に出力する。第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号は、固有振動数成分減衰部３により回転体の曲げの固有振動数成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３の出力は加算部８に入力され位置指令から減算処理される。第１加算部８の出力は位相補償部４に入力される。
【００２５】
固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタ（帯域阻止型フィルタ）で構成される。ディジタルノッチフィルタの周波数は、回転体６７の固有振動数測定前は、初期パラメータテーブル３１より読み込まれ、固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２で設定される。固有振動数測定後は、固有振動数演算部１１の演算結果に基づき、固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２で設定される。
【００２６】
回転体６７の固有振動数は回転軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部の出力信号を比例、微分、積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置内の電磁石に駆動電流を供給する。
【００２７】
次に固有振動数の測定動作について説明する。図１に示す磁気軸受スピンドル装置７は、回転体の回転軸５０が浮上していない状態では、保護ベアリング６２，６３に回転体６７が接触しているので、固有振動を測定することは不可能である。つまり、浮上させてから固有振動数を測定する必要がある。
【００２８】
しかし、回転体６７を浮上させるためには、前にも述べたように、図２に示す変位センサ回路１の信号から固有振動数減衰部３で前記回転体の固有振動数の成分を減衰させる必要がある。ところが可変重量部の工具交換により、回転体の固有振動数が変化するので、この範囲をカバーして減衰させる広帯域のフィルタが必要となる。
【００２９】
ただし、このフィルタが、固有振動数による共振を完全に取り除くほどの大きな減衰特性を持つと、制御系全体では１次の固有振動数の共振現象が起こらない可能性が高く、共振周波数での変位センサ回路１による測定信号が小さくなる。この信号は分解能が有限である第１Ａ／Ｄ変換器２を通してＭＰＵ等で構成されるディジタル演算処理部１４内で演算するため、入力レベルが小さいとＳＮ比の悪い測定となり、１次固有振動数の測定を誤まる恐れがある。つまり広帯域で減衰量の小さなフィルタが必要となる。
【００３０】
そこで、図３（ａ）に示すように、本来の共振周波数減衰に必要な高減衰ノッチフィルタ３２ではなく、フィルタの次数を落とすなどの方法で得られる図３（ｂ）に示す減衰量の小さな基本ノッチフィルタ３３をもちいる。その減衰量の小さな基本ノッチフィルタ３３を複数合成し、広帯域で低減衰な特性を持つノッチフィルタを得る。具体的には固有振動数の変化の範囲で、適切な間隔を空けた周波数の基本ノッチフィルタ３３を複数用意し、初期パラメータテーブル３１にそのパラメータを記述しておく。
【００３１】
こうして図４（ａ）に示すように、適切な間隔を空けた複数の周波数のノッチフィルタ３４を合成すると、図４（ｂ）に示すように、広帯域で低減衰の特性を持つノッチフィルタ３５を実現できる。
【００３２】
また、図３に示す基本ノッチフィルタ３３を同じ周波数で複数個合成すれば、高減衰のノッチフィルタ３２も作成できる。したがって、基本ノッチフィルタ３３の合成で、広帯域・低減衰ノッチフィルタ３５（図４（ｂ））も、高減衰のノッチフィルタ３２も、実現できる。
【００３３】
以上のように想定した回転体の固有振動数付近に複数のノッチフィルタを初期設定し広帯域で低減衰のフィルタとして回転体を浮上させた後、以下の手段で固有振動数の測定を行う。
【００３４】
図２に示す除去外乱発生手段であるパルス発生器１３で発生したパルスは、第１加算器８に位置指令値、固有振動数成分減衰器３の出力と共に入力され、位相補償器４、Ｄ／Ａ変換器５、パワー増幅回路６を経由して磁気軸受スピンドル装置７内の電磁石から回転体に電磁力によって外乱が与えられる。磁気軸受において、外力に対する変位の周波数特性は、制御周波数以上の領域（慣性領域）では４０ｄＢ／ｄｅｃとなるため、パルス発生器１３からのパルス信号は位相補償部４の微分処理を経由させることにより制御周波数以上の領域に確実に外乱を与えることができる。ここで、パルス発生器１３によって発生されるパルスは、チャープ信号、Ｓｗｅｐｔ Ｓｉｎｅ、パルス信号、ホワイトノイズである。パルス発生器１３での外乱入力時、センサ回路１の出力を第１微分器９に入力し微分処理し、第１微分器９の出力を第２Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタル信号に変換する。第１微分器９は、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力をディジタル演算による微分器により構成してもよい。また、微分しなくても固有振動数が測定できる場合は、この微分処理を省略してもよい。第１微分器９の出力を固有振動数演算部１１に入力し固有振動数を演算する。
【００３５】
固有振動数演算部１１は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により回転体の固有振動数を演算する。求められた固有振動数は共振倍率の大きいものから決められた個数を固有振動数成分減衰部３における設定周波数とし、固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２に出力される。
【００３６】
固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２では、固有振動数演算部１１からの出力である固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部３のパラメータの設定を行う。
【００３７】
具体的には、固有振動数毎に、それを減衰させる複数の基本ディジタルノッチフィルタ３４（図４（ａ））の周波数を設定する。また、共振倍率の大きさにより、基本ノッチフィルタ３４を同じ周波数で合成して高減衰ノッチフィルタ３２（図３（ａ））とするか否かを判断する。
【００３８】
図２に示す固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２の出力により固有振動数成分減衰部３のパラメータが変更され、回転体６７の固有振動数の特性に応じたノッチフィルタが設定されて安定した制御特性をうることができる。その例として図５に可変重量部をＡからＢに変更し、回転体の固有振動数が変化した場合の固有振動数減衰部のフィルタ特性を示す。
【００３９】
以上のように構成することにより、可変重量部が変更され、図２に示す磁気軸受制御装置に可変重量部変更信号が入力されると、外乱発生手段、固有振動数演算部１１、固有振動数成分減衰部パラメータ演算部１２でそれぞれ演算が行われ、固有振動数減衰部３では可変重量部６５に対応したディジタルノッチフィルタの各パラメータがそれぞれ自動的に変更され、常に最適な制御が行われる。これにより回転体の固有振動数が変化した場合であっても、回転体の最初の浮上時に発生する、回転体の落下や振動を防止することが出来る。
【００４０】
なお可変重量変更信号は、例えば工作機械の場合、加工機に搭載されている数値制御装置であるＮＣ装置より入力される。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態２の磁気軸受制御装置を図６に示す。第２の実施形態では、第２Ａ／Ｄ変換器１０の前にＡ／Ｄ入力ゲイン切替器４０が挿入されている以外は、第１の実施形態の実施例と同様である。
【００４２】
実施の形態１と同様に、初期パラメータテーブル３１をセットした後、固有振動数を測定すると、図７に示す様に、２次以上の高次共振に比べ、基本の固有振動数である１次共振が高く観測される場合が多い。従来例でも、可変重量部の工具交換により、固有振動数が変化し、固有振動数減衰部の周波数とずれた場合は、１次共振が大きくなるので、この傾向はさらに増加する。
【００４３】
従来例では回転体の落下の危険性があるが、本実施例においては、一番確実に除去しなければならない１次の固有振動数の測定が精度良く行えるので、そのこと自体は好ましい。
【００４４】
ただし、１次共振が２次以上の高次共振に比べ大きい場合、１次共振による振動の影響が２次以上の高次の共振データを判別出来ない可能性がある。図７はその一例で、１次共振による振動が２次共振を覆い隠している場合である。
【００４５】
また、図６に示すこれらの極端に振幅の違う共振成分を含むセンサ回路１の信号は、有限の入力範囲と分解能を持つ第２Ａ／Ｄ変換器１０を通してデジタル演算処理部１４で演算処理されるので、精度良く回転体の高次固有振動数を測定することが困難となる。
【００４６】
そこで、図８に示すフローチャートに従って、固有振動数を測定することにより、精度の高い回転体の高次固有振動数の測定を実現する。
【００４７】
まず、実施の形態１と同様に想定した回転体の固有振動数付近に複数のノッチフィルタを初期設定する（ステップ：Ｓ１）。次に回転体を停止状態から浮上させて１回目の回転体の固有振動数を測定する（ステップ：Ｓ２）。そして１次固有振動数のみを演算し求める（ステップ：Ｓ３）。この演算結果から図６に示す固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２で、回転体の１次固有振動数に対するノッチフィルタのみのパラメータを設定し、固有振動数成分減衰部３に出力する（ステップ：Ｓ４）。
【００４８】
この状況下で、２回目の回転体の固有振動数の測定を実施する（ステップ：５）。すると、図９に示すように、１次固有振動数の共振が抑えられた回転体の固有振動数の測定グラフが得られる。この結果、回転体の高次の固有振動数が明確になり、より正確に高次の固有振動数を測定することが可能となる。そしてこの測定データを基に固有振動数演算を行う（ステップ：Ｓ６）。最後に固有振動数成分減衰部３に回転体の１次固有振動数以外の固有振動数を減衰するパラメータを設定する（ステップ：Ｓ７）。この状態で回転体を浮上回転し加工等の動作を行う。
【００４９】
ただし、この段階でも、図６に示す回転体の１次共振のレベルに合わせ、第２Ａ／Ｄ変換器１０の入力レンジやパルス発生器１３の出力パルス振幅が調整されているため、検出信号は１次共振と比べて小さく、精度良く測定するには不十分な場合がある。
【００５０】
そこで、図８に示すフローチャートと同様のステップ：Ｓ１〜Ｓ６の後、さらに図１０のフローチャートに示すように、ステップ：Ｓ６で求めた高次の共振信号の振幅が所定値以下の時（ステップ：Ｓ８）は、固定振動数演算部１１がＡ／Ｄ入力切替器４０に入力レンジの切替を指示するか、あるいはパルス発生器１３に出力パルス振幅の増加を指示し（ステップ：Ｓ９）、固有振動数の再測定を実行する（ステップ：Ｓ１０）。そうすると、図１１に示すように、図１０に比べ振幅の大きな回転体の高次固有振動数の観測信号が得られる。以上のことを実行してから、回転体の固有振動演算を行い、固有振動数成分減衰部３にパラメータを設定する（ステップ：Ｓ１１）。この方法によりさらに精度良く回転体の固有振動数、特に高次固有振動数を減衰させることが可能になる。
【００５１】
また図１２は、上記第１，２の実施形態の回転体に工具を設け、被加工物を加工する加工装置の外観図で、７は磁気スピンドル装置、６５は工具、２０２は金型等の被加工物、２０３はＹ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＹ軸アクチュエータ、２０４はＺ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＺ軸アクチュエータ、２０５はＸ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＸ軸アクチュエータ、２０６はＸ軸回りの回転運動を生じさせる回転運動駆動装置である回転軸アクチュエータである。工具６５は、磁気スピンドル装置７の回転軸に設けられて、工具６５により被加工物２０２を加工するものである。
【００５２】
Ｚ軸アクチュエータ２０４は、磁気スピンドル装置７を有するＸ軸アクチュエータ２０５をＺ軸方向に並進移動させることにより、磁気スピンドル装置７をＺ軸方向に並進移動させるためのものである。また、Ｘ軸アクチュエータ２０５は、磁気スピンドル装置７をＸ軸方向に並進移動させるためのものである。また、回転軸アクチュエータ２０６は、載置台２０７上に載置された被加工物２０２をＸ軸回りに回転移動させるためのものである。また、Ｙ軸アクチュエータ２０３は、被加工物２０２を有する回転運動用アクチュエータ２０６をＹ軸方向に並進移動させるためのものである。アクチュエータ２０３、２０４、２０５、２０６のそれぞれの独立した駆動により、上記工具６１で被加工物２０２に様々な形状の加工を精度良く行うことができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、第１の発明は、固有振動数減衰部に、可変重量部の変動による１次固有振動数変動の範囲に複数のノッチフィルタを所定の間隔で合成したものを初期値として設定することにより、回転体の落下と１次固有振動数の測定ミスの防止を実現できる。
【００５４】
また第２の発明は、最初に１次固有振動数のみを測定し、この１次固有振動に対する固有振動数成分減衰部を設定した後、２次以後の高次の固有振動数を測定することにより、高次の固有振動数測定精度を上げることで、確実な高次の固有振動の減衰を実現できる。
【００５５】
さらに、磁気軸受により工具を回転させる加工装置にこの磁気軸受制御方法を用いることで被加工物を高精度に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の磁気軸受装置の構成を示す断面図
【図２】 本発明の実施の形態１の磁気軸受装置の制御装置の構成を示すブロック図
【図３】 本発明の実施の形態１に係わるノッチフィルタの特性を示すグラフ
【図４】 本発明の実施の形態１に係わるノッチフィルタの合成を示すグラフ
【図５】 本発明の実施の形態１に係わる固有振動数成分減衰部の一例を示すゲイン線図
【図６】 本発明の実施の形態２の磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図７】 磁気軸受の回転体の１次共振振幅が大きく２次以上の高次共振振幅が小さい時の共振振幅を示すグラフ
【図８】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数測定の手順を示すフローチャート
【図９】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数の測定値を示すグラフ
【図１０】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数測定の手順を示すフローチャート
【図１１】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数の測定値を示すグラフ
【図１２】 本発明の実施の形態に係わる加工装置の外観図
【図１３】 従来の磁気軸受装置の制御系を示すブロック図
【符号の説明】
１ センサ回路
３ 固有振動数成分減衰部
４ 位相補償部
６ パワー増幅回路
７ 磁気軸受スピンドル装置
９ 第１微分器
１０ 固有振動数演算部
１２ 固有振動数成分減衰パラメータ設定部
１３ パルス発生器
２４ 磁気軸受制御装置
３１ 初期パラメータテーブル
３２ 光減衰ノッチフィルタ
３３ 基本ノッチフィルタ
３４ 複数の基本ノッチフィルタ
３５ 基本ノッチフィルタの合成
５０ 回転軸
５３，５５，５７ 回転側の磁気軸受
５４，５６，５８ 固定側の磁気軸受（電磁石）
６５ 可変重量部（工具、物体）
６７ 回転体
２０２ 被加工物
２０７ 載置台（載置手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受を構成する電磁石に流す電流を制御し、非接触で回転体を所定位置に支持する磁気軸受装置の制御方法とそれを用いた加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁石により回転体を非接触支持する磁気軸受スピンドル装置の制御方法としては、特開平５−１１８３２８号に公開されたものがある。図１３はこの磁気軸受装置の制御系のブロック図である。
【０００３】
図１３に示すように、回転軸１０４に取り付けられた回転子ヨーク１０５と、この回転子ヨーク１０５から微小間隔の距離を置いてケーシング１０１に取り付けられた電磁石固定子１０２と、回転軸１０４とケーシング間１０１の相対変位を測定する変位センサ１０６と、この変位センサ１０６からの変位信号をもとに回転子ヨーク１０５と電磁石固定子１０２間に作用する磁気吸引力を制御する補償回路１０７および電力増幅器１０８と、あらかじめ定められた回転軸系の伝達関数を設定する伝達関数設定部１１１と、この伝達関数設定部１１１で設定する伝達関数を模擬し補償回路１０７または電力増幅器１０８の出力を入力することにより擬似信号を発生する適応ディジタルフィルタ１１５と、この適応ディジタルフィルタ１１５の入力側あるいは出力側に設けられたハイパス回路１１６と、前記変位信号から前記擬似信号を減算した信号に基づき前記磁気吸引力を制御する補償回路１０７と、前記変位信号から前記擬似信号を減算した信号を同定誤差検出回路１１７で検出し、この誤差が小さくなるように適応ディジタルフィルタ１１５を逐次修正するシステム同定回路１１０から構成されている。
【０００４】
次に、このように構成された磁気軸受装置の動作を説明する。回転軸１０４の伝達関数を測定するため回転軸１０４を非接触支持回転させた後、伝達関数設定部１１１中のパルス発生器１１３でパルスを発生させ、このパルスは加算器１２３に入力され、電力増幅器１０８を経由してケーシング１０１に固定された電磁石固定子１０２に巻かれたコイル１０３に電流を流し、電磁石固定子１０２から回転軸１０４に電磁力による外乱を与え、その時の回転軸１０４の変位を変位センサ１０６で測定する。その後、変位センサ１０６の出力は伝達関数測定器１１２に入力され、回転軸系の伝達関数が伝達関数測定器１１２によって測定され、その測定された伝達関数は適応ディジタルフィルタ１１５に入力される。適応ディジタルフィルタ１１５は伝達関数測定器１１２よりの回転軸系の伝達関数に基づいて、回転軸系の共振点毎に対応した単数のノッチフィルタを設定して擬似信号を発生する。そして、この擬似信号はハイパス回路１１６によって、制御周波数、例えば回転周波数以下の低周波部分がカットされ高周波成分のみの擬似信号が加算器１２１に減算入力される。加算器１２１では変位センサの出力信号である擬似信号が減算され、この減算された信号は誤差信号検出回路１１７に入力され、これによって変位信号と擬似信号との誤差が小さくなるように、適応ディジタルフィルタ１１５が逐次修正される。また、加算器１２１の出力は加算器１２２に入力され、ここで回転軸１０４の位置目標値から減算され、この減算された信号が補償回路１０７に入力されこの補償回路１０７からの出力によって電力増幅器１０８が動作し、コイル１０３に電流を流し、電磁石固定子１０２と回転子ヨーク間１０５に生じる電磁吸引力によって回転軸１０４の位置を制御する。
【０００５】
このようにして、変位信号が擬似信号によって減算された後の信号は回転軸の制御に必要な制御周波数以下の成分を主に持ち、この信号をもとに磁気軸受を制御することにより、高周波成分の回転軸の曲げ固有モードの成分が除去されることにより、不必要な制御を行わないようになり、結果的に回転軸の振動、発振の問題を除去した制御を行えることになる。図１３中のＳ−１は変位センサ１０６で検出した変位信号のスペクトルを示し、Ｓ−２は擬似信号のスペクトルを示している。Ｓ−１の高周波領域のピークは、回転軸の曲げ固有モードによる極を示す。Ｓ−２の制御周波数より大きい回転軸の曲げ固有モードの極が適応ディジタルフィルタ１１５の模擬により形成され、且つハイパス回路１１６で低周波成分が除去されていることが示されている。Ｓ−３は変位信号から疑似信号を減算した後のスペクトルで、制御周波数より小さい周波数では回転軸の制御に本来必要な変位信号のままであり、制御周波数以上では従来問題となっていた曲げ固有モードのピークがなくなるか、逆に窪んだスペクトルとなる。
【０００６】
上記構成の磁気軸受装置は、回転軸の曲げ固有モードによる振動、発振の原因となった制御周波数以上の高周波成分のスペクトル上のピークが除去されることから、回転軸の制御を安定に行うことのできる磁気軸受装置を実現する構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような方法では、回転軸の一端に可変重量部、例えば工作機械における工具が装着される場合、可変重量部が変更されると可変重量部の変化により、回転軸と可変重量部を合わせた回転体全体の重量、重心位置、固有振動数が変化する。回転体の固有振動数は、回転軸のもつ固有振動数と可変重量部のもつ固有振動数が融合した固有振動数となる。磁気軸受の制御特性は回転体がある一定の状態で最適になるように設定されているため、可変重量部が変化し回転体の重量、重心位置、固有振動数が変化すると、回転時における回転体の振れ回りの増大や、回転体の発振現象といった制御の不安定現象が発生する。
【０００８】
この制御の不安定現象は、回転体の重量、重心位置の変化により、制御対象である磁気軸受スピンドル装置と制御回路に設定されている制御ゲインとのマッチングにずれが生じることや、回転体の固有振動数の変化により、例えば固有振動数成分を減衰させるための一手段である適応ディジタルフィルタで設定されるノッチフィルタの設定周波数と固有振動数とにずれが生じるために発生する。
【０００９】
また、工作機械において回転体に工具が装着される場合は、工具形状、工具位置、工具重量等が大幅に変化するため回転体の固有振動数を計算により正確に求めるのは非常に困難である。
【００１０】
このような不安定現象に対して、上記従来例では回転軸を非接触支持回転させた後、伝達関数を測定し、その伝達関数に基づいて適応ディジタルフィルタより回転軸系の共振点毎に対応した単数のノッチフィルタを設定し擬似信号を発生させ、制御周波数以上の信号を変位センサ信号から減算することにより安定化を図っている。しかし、工具交換時には固有振動数がステップ状に急激かつ不連続に変化するため、回転軸の非接触支持回転後に適応ディジタルフィルタの応答が間に合わなければ、磁気軸受の制御ループは不安定となり、回転体が落下する恐れがある。このように回転体が浮上できなければ、伝達関数の測定は不可能となり、この方法では調整不可能となる。
【００１１】
本発明は、上記した課題の解決を図るものであり、回転体の可変重量部変動による固有振動数変動の測定機能および固有振動数減衰部の設定機能を持つ磁気軸受制御装置と、それを用いた加工装置を簡便な構成をもって効果的に実現することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、回転体の非接触支持前に前記回転体の想定した固有振動数付近に複数のフィルタを所望の間隔で合成する第１合成工程と、前記第１合成したフィルタにより前記回転体の想定した固有振動数を減衰した駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、前記非接触支持した回転体を回転させる工程と、前記センサの測定に基づき前記回転体の固有振動数を測定する工程と、前記測定された固有振動を抑制するように前記フィルタを合成する第２合成工程と、前記第２合成したフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持するものである。
【００１３】
これにより、回転体の固有振動数が不明な場合において、回転体の最初の浮上時に回転体の落下を防止することができる。
【００１４】
さらに第１の発明において、回転体の固有振動数を測定する工程の後、前記測定された回転体の固有振動数の１次固有振動数のみを抑制するように前記フィルタを合成する第３合成工程と、前記第３合成したフィルタにより前記回転体の１次固有振動数のみを減衰させる駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、その後前記回転体の１次固有振動数以外の高次固有振動数を測定する工程と、前記測定された回転体の固有振動数の１次固有振動数と高次固有振動数を抑制するように前記フィルタを合成する第４合成工程と、前記第４合成したフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する事も可能である。
【００１５】
これにより、回転体の高次の固有振動数の測定精度を上げることができる。
【００１６】
また第２の発明は、工具を装着可能な回転体の非接触支持前に前記回転体の想定した固有振動数付近に複数のノッチフィルタを所望の間隔で合成する第１合成工程と、前記第１合成したノッチフィルタにより前記回転体の固有振動数を減衰した駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、前記非接触支持した回転体を回転させる工程と、前記センサの測定に基づき前記回転体の固有振動数を測定する工程と、前記測定された固有振動を抑制するように前記ノッチフィルタを合成する第２合成工程と、前記第２合成したノッチフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持し回転体に装着した工具により被加工物を加工するものである。
【００１７】
これにより、工具を取りつけた回転体の回転時の固有振動数を減衰させ精密な被加工物の加工を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の磁気軸受制御装置を示す一実施例について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、本発明の磁気軸受装置を工作機械の機械回転軸の軸受として構成した例について説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
第一の実施形態の磁気軸受制御装置により駆動される磁気軸受スピンドル装置は、図１に示すように、本体の回転体端部に可変重量部（工具）を装着して水平に配置された回転体６７と、その回転体を所定の位置に非接触支持する磁気軸受とを備えたものである。
【００２０】
図１において、６７は回転軸５０の一端に工具６５を装着した回転体、５１はモータロータ、５２はモータステータである。５３と５４はフロント側ラジアル軸受、５５と５６はリア側ラジアル軸受、５７と５８はスラスト軸受である。これら軸受５３〜５８は、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから構成され、回転体６７を所定位置に非接触で支持している。固定側の軸受５４，５６，５８は電磁石からなり、ラジアル軸受５４，５６は回転体６７の周囲に、例えば９０゜の中心角で左右に４個づつ配置されている。またスラスト軸受は回転体５０を取り巻くリング状に配置されている。５９，６０はフロント側とリア側のラジアル変位センサ、６１はスラスト変位センサ、６２，６３は保護ベアリング、６４はケーシングである。回転体５０の軸心からの変位はセンサ５９，６０により、スラスト方向の変位はセンサ６１により検出される。
【００２１】
上記固定側のラジアル軸受５４，５６およびスラスト軸受５８の電磁石への駆動電流を、磁気軸受制御装置を用いて制御することにより、磁気軸受スピンドル装置７の回転軸の空間的位置を制御することができる。
【００２２】
図２は磁気軸受制御装置のブロック図である。磁気軸受制御装置は磁気軸受スピンドル装置７を制御するため、回転体の位置を検出するセンサ回路１と、センサ回路１からのセンサ信号により磁気軸受の駆動電流を制御する磁気軸受制御回路（ディジタル演算処理部）１４を備えている。
【００２３】
上記磁気軸受制御回路としてのディジタル演算処理部で行われる演算はディジタル演算により行われるため、ＭＰＵにソフトウェアプログラムとして格納されている。
【００２４】
この磁気軸受制御装置の制御動作を図２を参照して詳しく説明する。まず、制御対象となる磁気軸受スピンドル装置７のうち、制御の主体である回転体の位置を検出するセンサ回路１の出力を第１Ａ／Ｄ変換器２によりディジタル信号に変換し、固有振動数成分減衰部３に出力する。第１Ａ／Ｄ変換器２の出力信号は、固有振動数成分減衰部３により回転体の曲げの固有振動数成分を減衰させ、固有振動数成分減衰部３の出力は加算部８に入力され位置指令から減算処理される。第１加算部８の出力は位相補償部４に入力される。
【００２５】
固有振動数成分減衰部３は複数個のディジタルノッチフィルタ（帯域阻止型フィルタ）で構成される。ディジタルノッチフィルタの周波数は、回転体６７の固有振動数測定前は、初期パラメータテーブル３１より読み込まれ、固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２で設定される。固有振動数測定後は、固有振動数演算部１１の演算結果に基づき、固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２で設定される。
【００２６】
回転体６７の固有振動数は回転軸５０の曲げの固有振動数と可変重量部６５の固有振動数とが融合された周波数である。位相補償部４は、第１加算部８の出力を入力し、磁気軸受を構成する電磁石の駆動電流を制御するための制御信号を出力する。位相補償部４は、第１加算部の出力信号を比例、微分、積分演算し、それぞれの演算結果に状態フィードバック係数をかけてＤ／Ａ変換器５に出力し、Ｄ／Ａ変換器５でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５の出力はパワー増幅回路６に入力され、パワー増幅回路６は磁気軸受スピンドル装置内の電磁石に駆動電流を供給する。
【００２７】
次に固有振動数の測定動作について説明する。図１に示す磁気軸受スピンドル装置７は、回転体の回転軸５０が浮上していない状態では、保護ベアリング６２，６３に回転体６７が接触しているので、固有振動を測定することは不可能である。つまり、浮上させてから固有振動数を測定する必要がある。
【００２８】
しかし、回転体６７を浮上させるためには、前にも述べたように、図２に示す変位センサ回路１の信号から固有振動数減衰部３で前記回転体の固有振動数の成分を減衰させる必要がある。ところが可変重量部の工具交換により、回転体の固有振動数が変化するので、この範囲をカバーして減衰させる広帯域のフィルタが必要となる。
【００２９】
ただし、このフィルタが、固有振動数による共振を完全に取り除くほどの大きな減衰特性を持つと、制御系全体では１次の固有振動数の共振現象が起こらない可能性が高く、共振周波数での変位センサ回路１による測定信号が小さくなる。この信号は分解能が有限である第１Ａ／Ｄ変換器２を通してＭＰＵ等で構成されるディジタル演算処理部１４内で演算するため、入力レベルが小さいとＳＮ比の悪い測定となり、１次固有振動数の測定を誤まる恐れがある。つまり広帯域で減衰量の小さなフィルタが必要となる。
【００３０】
そこで、図３（ａ）に示すように、本来の共振周波数減衰に必要な高減衰ノッチフィルタ３２ではなく、フィルタの次数を落とすなどの方法で得られる図３（ｂ）に示す減衰量の小さな基本ノッチフィルタ３３をもちいる。その減衰量の小さな基本ノッチフィルタ３３を複数合成し、広帯域で低減衰な特性を持つノッチフィルタを得る。具体的には固有振動数の変化の範囲で、適切な間隔を空けた周波数の基本ノッチフィルタ３３を複数用意し、初期パラメータテーブル３１にそのパラメータを記述しておく。
【００３１】
こうして図４（ａ）に示すように、適切な間隔を空けた複数の周波数のノッチフィルタ３４を合成すると、図４（ｂ）に示すように、広帯域で低減衰の特性を持つノッチフィルタ３５を実現できる。
【００３２】
また、図３に示す基本ノッチフィルタ３３を同じ周波数で複数個合成すれば、高減衰のノッチフィルタ３２も作成できる。したがって、基本ノッチフィルタ３３の合成で、広帯域・低減衰ノッチフィルタ３５（図４（ｂ））も、高減衰のノッチフィルタ３２も、実現できる。
【００３３】
以上のように想定した回転体の固有振動数付近に複数のノッチフィルタを初期設定し広帯域で低減衰のフィルタとして回転体を浮上させた後、以下の手段で固有振動数の測定を行う。
【００３４】
図２に示す除去外乱発生手段であるパルス発生器１３で発生したパルスは、第１加算器８に位置指令値、固有振動数成分減衰器３の出力と共に入力され、位相補償器４、Ｄ／Ａ変換器５、パワー増幅回路６を経由して磁気軸受スピンドル装置７内の電磁石から回転体に電磁力によって外乱が与えられる。磁気軸受において、外力に対する変位の周波数特性は、制御周波数以上の領域（慣性領域）では４０ｄＢ／ｄｅｃとなるため、パルス発生器１３からのパルス信号は位相補償部４の微分処理を経由させることにより制御周波数以上の領域に確実に外乱を与えることができる。ここで、パルス発生器１３によって発生されるパルスは、チャープ信号、Ｓｗｅｐｔ Ｓｉｎｅ、パルス信号、ホワイトノイズである。パルス発生器１３での外乱入力時、センサ回路１の出力を第１微分器９に入力し微分処理し、第１微分器９の出力を第２Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタル信号に変換する。第１微分器９は、第１Ａ／Ｄ変換器２の出力をディジタル演算による微分器により構成してもよい。また、微分しなくても固有振動数が測定できる場合は、この微分処理を省略してもよい。第１微分器９の出力を固有振動数演算部１１に入力し固有振動数を演算する。
【００３５】
固有振動数演算部１１は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により回転体の固有振動数を演算する。求められた固有振動数は共振倍率の大きいものから決められた個数を固有振動数成分減衰部３における設定周波数とし、固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２に出力される。
【００３６】
固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２では、固有振動数演算部１１からの出力である固有振動数に対応した固有振動数成分減衰部３のパラメータの設定を行う。
【００３７】
具体的には、固有振動数毎に、それを減衰させる複数の基本ディジタルノッチフィルタ３４（図４（ａ））の周波数を設定する。また、共振倍率の大きさにより、基本ノッチフィルタ３４を同じ周波数で合成して高減衰ノッチフィルタ３２（図３（ａ））とするか否かを判断する。
【００３８】
図２に示す固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２の出力により固有振動数成分減衰部３のパラメータが変更され、回転体６７の固有振動数の特性に応じたノッチフィルタが設定されて安定した制御特性をうることができる。その例として図５に可変重量部をＡからＢに変更し、回転体の固有振動数が変化した場合の固有振動数減衰部のフィルタ特性を示す。
【００３９】
以上のように構成することにより、可変重量部が変更され、図２に示す磁気軸受制御装置に可変重量部変更信号が入力されると、外乱発生手段、固有振動数演算部１１、固有振動数成分減衰部パラメータ演算部１２でそれぞれ演算が行われ、固有振動数減衰部３では可変重量部６５に対応したディジタルノッチフィルタの各パラメータがそれぞれ自動的に変更され、常に最適な制御が行われる。これにより回転体の固有振動数が変化した場合であっても、回転体の最初の浮上時に発生する、回転体の落下や振動を防止することが出来る。
【００４０】
なお可変重量変更信号は、例えば工作機械の場合、加工機に搭載されている数値制御装置であるＮＣ装置より入力される。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態２の磁気軸受制御装置を図６に示す。第２の実施形態では、第２Ａ／Ｄ変換器１０の前にＡ／Ｄ入力ゲイン切替器４０が挿入されている以外は、第１の実施形態の実施例と同様である。
【００４２】
実施の形態１と同様に、初期パラメータテーブル３１をセットした後、固有振動数を測定すると、図７に示す様に、２次以上の高次共振に比べ、基本の固有振動数である１次共振が高く観測される場合が多い。従来例でも、可変重量部の工具交換により、固有振動数が変化し、固有振動数減衰部の周波数とずれた場合は、１次共振が大きくなるので、この傾向はさらに増加する。
【００４３】
従来例では回転体の落下の危険性があるが、本実施例においては、一番確実に除去しなければならない１次の固有振動数の測定が精度良く行えるので、そのこと自体は好ましい。
【００４４】
ただし、１次共振が２次以上の高次共振に比べ大きい場合、１次共振による振動の影響が２次以上の高次の共振データを判別出来ない可能性がある。図７はその一例で、１次共振による振動が２次共振を覆い隠している場合である。
【００４５】
また、図６に示すこれらの極端に振幅の違う共振成分を含むセンサ回路１の信号は、有限の入力範囲と分解能を持つ第２Ａ／Ｄ変換器１０を通してデジタル演算処理部１４で演算処理されるので、精度良く回転体の高次固有振動数を測定することが困難となる。
【００４６】
そこで、図８に示すフローチャートに従って、固有振動数を測定することにより、精度の高い回転体の高次固有振動数の測定を実現する。
【００４７】
まず、実施の形態１と同様に想定した回転体の固有振動数付近に複数のノッチフィルタを初期設定する（ステップ：Ｓ１）。次に回転体を停止状態から浮上させて１回目の回転体の固有振動数を測定する（ステップ：Ｓ２）。そして１次固有振動数のみを演算し求める（ステップ：Ｓ３）。この演算結果から図６に示す固有振動数成分減衰パラメータ設定部１２で、回転体の１次固有振動数に対するノッチフィルタのみのパラメータを設定し、固有振動数成分減衰部３に出力する（ステップ：Ｓ４）。
【００４８】
この状況下で、２回目の回転体の固有振動数の測定を実施する（ステップ：５）。すると、図９に示すように、１次固有振動数の共振が抑えられた回転体の固有振動数の測定グラフが得られる。この結果、回転体の高次の固有振動数が明確になり、より正確に高次の固有振動数を測定することが可能となる。そしてこの測定データを基に固有振動数演算を行う（ステップ：Ｓ６）。最後に固有振動数成分減衰部３に回転体の１次固有振動数以外の固有振動数を減衰するパラメータを設定する（ステップ：Ｓ７）。この状態で回転体を浮上回転し加工等の動作を行う。
【００４９】
ただし、この段階でも、図６に示す回転体の１次共振のレベルに合わせ、第２Ａ／Ｄ変換器１０の入力レンジやパルス発生器１３の出力パルス振幅が調整されているため、検出信号は１次共振と比べて小さく、精度良く測定するには不十分な場合がある。
【００５０】
そこで、図８に示すフローチャートと同様のステップ：Ｓ１〜Ｓ６の後、さらに図１０のフローチャートに示すように、ステップ：Ｓ６で求めた高次の共振信号の振幅が所定値以下の時（ステップ：Ｓ８）は、固定振動数演算部１１がＡ／Ｄ入力切替器４０に入力レンジの切替を指示するか、あるいはパルス発生器１３に出力パルス振幅の増加を指示し（ステップ：Ｓ９）、固有振動数の再測定を実行する（ステップ：Ｓ１０）。そうすると、図１１に示すように、図１０に比べ振幅の大きな回転体の高次固有振動数の観測信号が得られる。以上のことを実行してから、回転体の固有振動演算を行い、固有振動数成分減衰部３にパラメータを設定する（ステップ：Ｓ１１）。この方法によりさらに精度良く回転体の固有振動数、特に高次固有振動数を減衰させることが可能になる。
【００５１】
また図１２は、上記第１，２の実施形態の回転体に工具を設け、被加工物を加工する加工装置の外観図で、７は磁気スピンドル装置、６５は工具、２０２は金型等の被加工物、２０３はＹ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＹ軸アクチュエータ、２０４はＺ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＺ軸アクチュエータ、２０５はＸ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＸ軸アクチュエータ、２０６はＸ軸回りの回転運動を生じさせる回転運動駆動装置である回転軸アクチュエータである。工具６５は、磁気スピンドル装置７の回転軸に設けられて、工具６５により被加工物２０２を加工するものである。
【００５２】
Ｚ軸アクチュエータ２０４は、磁気スピンドル装置７を有するＸ軸アクチュエータ２０５をＺ軸方向に並進移動させることにより、磁気スピンドル装置７をＺ軸方向に並進移動させるためのものである。また、Ｘ軸アクチュエータ２０５は、磁気スピンドル装置７をＸ軸方向に並進移動させるためのものである。また、回転軸アクチュエータ２０６は、載置台２０７上に載置された被加工物２０２をＸ軸回りに回転移動させるためのものである。また、Ｙ軸アクチュエータ２０３は、被加工物２０２を有する回転運動用アクチュエータ２０６をＹ軸方向に並進移動させるためのものである。アクチュエータ２０３、２０４、２０５、２０６のそれぞれの独立した駆動により、上記工具６１で被加工物２０２に様々な形状の加工を精度良く行うことができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、第１の発明は、固有振動数減衰部に、可変重量部の変動による１次固有振動数変動の範囲に複数のノッチフィルタを所定の間隔で合成したものを初期値として設定することにより、回転体の落下と１次固有振動数の測定ミスの防止を実現できる。
【００５４】
また第２の発明は、最初に１次固有振動数のみを測定し、この１次固有振動に対する固有振動数成分減衰部を設定した後、２次以後の高次の固有振動数を測定することにより、高次の固有振動数測定精度を上げることで、確実な高次の固有振動の減衰を実現できる。
【００５５】
さらに、磁気軸受により工具を回転させる加工装置にこの磁気軸受制御方法を用いることで被加工物を高精度に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の磁気軸受装置の構成を示す断面図
【図２】 本発明の実施の形態１の磁気軸受装置の制御装置の構成を示すブロック図
【図３】 本発明の実施の形態１に係わるノッチフィルタの特性を示すグラフ
【図４】 本発明の実施の形態１に係わるノッチフィルタの合成を示すグラフ
【図５】 本発明の実施の形態１に係わる固有振動数成分減衰部の一例を示すゲイン線図
【図６】 本発明の実施の形態２の磁気軸受の制御装置の構成を示すブロック図
【図７】 磁気軸受の回転体の１次共振振幅が大きく２次以上の高次共振振幅が小さい時の共振振幅を示すグラフ
【図８】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数測定の手順を示すフローチャート
【図９】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数の測定値を示すグラフ
【図１０】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数測定の手順を示すフローチャート
【図１１】 本発明の実施の形態２に係わる固有振動数の測定値を示すグラフ
【図１２】 本発明の実施の形態に係わる加工装置の外観図
【図１３】 従来の磁気軸受装置の制御系を示すブロック図
【符号の説明】
１ センサ回路
３ 固有振動数成分減衰部
４ 位相補償部
６ パワー増幅回路
７ 磁気軸受スピンドル装置
９ 第１微分器
１０ 固有振動数演算部
１２ 固有振動数成分減衰パラメータ設定部
１３ パルス発生器
２４ 磁気軸受制御装置
３１ 初期パラメータテーブル
３２ 光減衰ノッチフィルタ
３３ 基本ノッチフィルタ
３４ 複数の基本ノッチフィルタ
３５ 基本ノッチフィルタの合成
５０ 回転軸
５３，５５，５７ 回転側の磁気軸受
５４，５６，５８ 固定側の磁気軸受（電磁石）
６５ 可変重量部（工具、物体）
６７ 回転体
２０２ 被加工物
２０７ 載置台（載置手段）
Claims (4)
- 回転体を電磁石により所定の位置に支持し、前記回転体の位置をセンサにより検出し、前記センサにより検出された信号に基づいて前記電磁石に流す電流を制御し、回転体を非接触支持する磁気軸受装置の制御方法において、
前記回転体の非接触支持前に前記回転体の想定した固有振動数付近に複数のノッチフィルタを所望の間隔で合成する第１合成工程と、前記第１合成したノッチフィルタにより前記回転体の想定した固有振動数を減衰した駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、前記非接触支持した回転体を回転させる工程と、前記センサの測定に基づき前記回転体の固有振動数を測定する工程と、前記測定された固有振動を抑制するように前記ノッチフィルタを合成する第２合成工程と、前記第２合成したノッチフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持することを特徴とする磁気軸受装置の制御方法。 - 前記回転体の固有振動数を測定する工程の後、前記測定された回転体の固有振動数の１次固有振動数のみを抑制するように前記ノッチフィルタを合成する第３合成工程と、前記第３合成したノッチフィルタにより前記回転体の１次固有振動数のみを減衰させる駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、さらに前記回転体の１次固有振動数以外の高次固有振動数を測定する工程と、前記測定された回転体の固有振動数の１次固有振動数と高次固有振動数を抑制するように前記ノッチフィルタを合成する第４合成工程と、前記第４合成したノッチフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持することを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置の制御方法。
- 前記測定された回転体の高次固有振動数の共振振幅が所定の値以下である場合に、前記回転体の高次固有振動数の共振振幅が所定の値を超えるまで前記回転体の固有振動を増幅して測定する工程と、前記測定された回転体の固有振動数の１次固有振動数と高次固有振動数を抑制するように前記ノッチフィルタを合成することを特徴とする請求項２に記載の磁気軸受装置の制御方法。
- 工具を装着可能な回転体を電磁石により所定の位置に支持し、前記回転体の位置をセンサにより検出し、前記センサにより検出された信号に基づいて前記電磁石に流す電流を制御し、前記回転体を非接触支持し回転させ、前記回転体に装着された工具により被加工物を加工する加工装置の制御方法において、
前記回転体の非接触支持前に前記回転体の想定した固有振動数付近に複数のノッチフィルタを所望の間隔で合成する第１合成工程と、前記第１合成したノッチフィルタにより前記回転体の想定した固有振動数を減衰した駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持する工程と、前記非接触支持した回転体を回転させる工程と、前記センサの測定に基づき前記回転体の固有振動数を測定する工程と、前記測定された固有振動を抑制するように前記ノッチフィルタを合成する第２合成工程と、前記第２合成したノッチフィルタにより減衰させた駆動電流を前記電磁石に加え回転体を非接触支持することを特徴とする加工装置の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000320586A JP4300698B2 (ja) | 2000-10-20 | 2000-10-20 | 磁気軸受装置の制御方法および加工装置の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000320586A JP4300698B2 (ja) | 2000-10-20 | 2000-10-20 | 磁気軸受装置の制御方法および加工装置の制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002130275A JP2002130275A (ja) | 2002-05-09 |
| JP4300698B2 true JP4300698B2 (ja) | 2009-07-22 |
Family
ID=18798846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000320586A Expired - Fee Related JP4300698B2 (ja) | 2000-10-20 | 2000-10-20 | 磁気軸受装置の制御方法および加工装置の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4300698B2 (ja) |
-
2000
- 2000-10-20 JP JP2000320586A patent/JP4300698B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002130275A (ja) | 2002-05-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7501782B2 (en) | Method and apparatus for controlling a magnetic bearing device | |
| US7038429B2 (en) | Control system for electromechanical arrangements having open-loop instability | |
| US5465035A (en) | Band limited control of a flexible structure using piecewise trigonometric input signals | |
| USRE41035E1 (en) | Magnetic bearing device with vibration restraining function, magnetic bearing device with vibration estimating function, and pump device with the magnetic bearing devices mounted thereto | |
| US5313399A (en) | Adaptive synchronous vibration suppression apparatus | |
| JP3333739B2 (ja) | 故障許容機能を備えた磁気ベアリング制御システム構成 | |
| Chen et al. | Experimental validation of a current-controlled three-pole magnetic rotor-bearing system | |
| KR100744733B1 (ko) | 스캐너 장치 | |
| Yu et al. | A multifrequency disturbances identification and suppression method for the self-sensing AMB rotor system | |
| JP3591111B2 (ja) | 磁気軸受制御装置 | |
| JP4300698B2 (ja) | 磁気軸受装置の制御方法および加工装置の制御方法 | |
| JP4374777B2 (ja) | 磁気軸受の制御装置およびこれを用いた磁気軸受スピンドル装置 | |
| KR100575556B1 (ko) | 자기베어링 주축의 고정밀 진동제어 방법 | |
| JP4436555B2 (ja) | 磁気軸受装置 | |
| WO2019072661A1 (en) | BALANCING A ROTOR IN A MAGNETIC BEARING DEVICE | |
| JP4293695B2 (ja) | 磁気軸受制御装置 | |
| JP2957222B2 (ja) | 能動軸受のロータ支持制御装置 | |
| JP2000257633A (ja) | 磁気軸受制御装置 | |
| JPH11325072A (ja) | 磁気軸受の制御装置及び制御方法 | |
| KR102410575B1 (ko) | 리니어 모터 스테이지의 제어 방법 및 제어 장치 | |
| JP3182197B2 (ja) | 磁気軸受装置 | |
| JPH05288219A (ja) | 磁気軸受装置 | |
| JPH03199711A (ja) | 磁気ベアリングを用いた回転機の振動消去方法及び装置 | |
| Ye et al. | Vibration Suppression for Active Magnetic Bearings Using Adaptive Filter with Iterative Search Algorithm | |
| Dyer et al. | Adaptive influence coefficient control of single-plane active balancing systems for rotating machinery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060605 |
|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20060712 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081201 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081209 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090113 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090331 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120501 Year of fee payment: 3 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090413 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120501 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |