JP4353610B2 - 工作機械用の磁気軸受装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械用の磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６〜図８は、従来の工作機械用の磁気軸受装置を示す。
図６は主軸１のラジアル制御系の詳細を示し、図７は加工ツールの取り付け状態を、図８はケーシング１０に装着された磁気軸受装置の構成を示す。
【０００３】
工作機械用の磁気軸受装置は、主軸１を磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂとで固定側から磁気浮上させるとともに、主軸１をモータ手段７で回転駆動し、主軸１の端部に取り付けられた加工ツール８を、矢印Ｙで示すようにラジアル方向にワーク９の表面に押し付けて加工を行うよう構成されている。
【０００４】
磁気ラジアル軸受手段Ａは、主軸１の軸方向に所定間隔で配置されたラジアルマグネットステータ２ａ，２ｂと、主軸１のラジアル位置を検出するラジアルセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、ラジアル制御手段１４とからなる。磁気スラスト軸受手段Ｂは、主軸１の基端部側に配置されたスラスト板３を中央にしてその両側に配置されたスラストマグネットステータ４ａ，４ｂと、主軸１のスラスト位置を検出するスラストセンサ６と、スラスト制御手段１１とからなる。
【０００５】
磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂによって主軸１が磁気浮上すると、ラジアルセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによってラジアル方向の位置が検出され、ラジアル制御手段１４の制御、例えばＰＩＤ制御により主軸１が基準信号で決められた中心位置にくるようラジアルマグネットステータ２ａ，２ｂの電流が制御される。同様に、スラスト方向についてもスラストセンサ６とスラスト制御手段１１によって主軸１の位置制御が行われる。
【０００６】
１２は位相補償器、１９は電流増幅器であり、それぞれスラスト制御手段１１を構成している。
主軸１の端部には、図７（ａ）に示すように、スラスト位置ターゲット面１ｃからスラスト方向に突出して加工ツール８が取り付けられる加工ツール取付部１ａが形成されている。この加工ツール取付部１ａにツールホルダー１６を介して加工ツール８が装着され、図７（ｂ）に示すように、磁気浮上した主軸１をモータ手段７によって回転駆動して、加工ツール８をワーク９に当接させて矢印Ｙ方向に押圧することでワーク９に所定の加工処理が施される。このとき、磁気軸受装置はケーシング１０に装着されており、ケーシング１０の取り付けフランジ１０ａが取付面２０に固定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ワーク９の加工処理時には、上述のように、主軸１は磁気浮上するとともにモータ手段７によって回転駆動されるため、温度上昇により主軸１が熱膨張してスラスト方向への延びが発生する。
【０００８】
スラスト制御手段１１は、スラストセンサ６で主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃとのギャップｇを検出して、このギャップｇが規定値に近づくようにスラストマグネットステータ４ａ，４ｂの励磁を制御しているが、主軸１の温度が上昇するとそれにともなってスラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの加工ツール取付部１ａにスラスト方向の伸びが発生して加工ツール取付部１ａの長さｍが長くなり、ツールホルダー１６を介して装着された加工ツール８の軸先端の位置がずれて、上記のようなスラスト制御手段１１による自動制御だけでは、依然として十分な加工精度が得られない。
【０００９】
本発明は前記問題点を解決し、主軸の熱膨張によっても、ワークに精度良く加工処理が施せる工作機械用の磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の工作機械用の磁気軸受装置は、主軸の温度関数を測定するセンサと、この検出情報より主軸の温度関数を算出してスラスト制御を補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
この本発明によると、主軸の熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワークに高精度の加工処理を行える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の工作機械用の磁気軸受装置は、主軸を磁気ラジアル軸受手段と磁気スラスト軸受手段とで固定側から磁気浮上させるとともに、前記主軸をモータ手段で回転駆動し、前記主軸に取り付けられた加工ツールによるワークの加工に使用される工作機械用の磁気軸受装置であって、前記主軸を取り囲むケーシングに前記ケーシングの温度を検出する温度センサーを設け、前記磁気スラスト軸受手段には、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト磁気駆動部と、主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラストセンサと、スラストセンサの検出ギャップが規定値に近づくように前記スラスト磁気駆動部を励磁するスラスト制御手段を設け、主軸の前記スラスト位置ターゲット面からスラスト方向に突出して前記加工ツールが取り付けられる加工ツール取付部を設け、主軸の前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸の径を検出する参照センサを設け、前記参照センサの検出情報と前記温度センサーの検出情報に基づいて前記主軸の温度情報を計算してこれを前記加工ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換し、この加工ツール取付部の温度膨張長さ分を、前記スラストセンサの検出に基づくスラスト制御手段によるスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２記載の工作機械用の磁気軸受装置は、主軸を磁気ラジアル軸受手段と磁気スラスト軸受手段とで固定側から磁気浮上させるとともに、前記主軸をモータ手段で回転駆動し、前記主軸に取り付けられた加工ツールによるワークの加工に使用される工作機械用の磁気軸受装置であって、前記主軸を取り囲むケーシングに前記ケーシングの温度を検出する温度センサーを設け、前記磁気スラスト軸受手段には、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト磁気駆動部と、主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラストセンサと、スラストセンサの検出ギャップが規定値に近づくように前記スラスト磁気駆動部を励磁するスラスト制御手段を設け、主軸の前記スラスト位置ターゲット面からスラスト方向に突出して前記加工ツールが取り付けられる加工ツール取付部を設け、主軸の加工ツール取付部または前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸をターゲットとして表面温度を検出する非接触センサを設け、前記非接触センサの検出情報と前記温度センサーの検出情報に基づいて前記加工ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換し、この加工ツール取付部の温度膨張長さ分を、前記スラストセンサの検出に基づくスラスト制御手段によるスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図５を用いて説明する。
なお、従来例を示す図６〜図８と同様をなすものには同一の符号を付けて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１と図２は、本発明の（実施の形態１）を示す。
この（実施の形態１）では、主軸１を測定する参照センサと、参照センサの検出情報より主軸１の温度関数に基づいてスラスト制御を補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けて、熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを精度良く補正できるようにした点で従来例とは異なる。
【００２０】
図１に示すように、上記従来例を示す図６〜図８と同様に構成された工作機械用の磁気軸受装置において、参照センサは、回転駆動する主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍位置の主軸１の径を検出するものであり、主軸１の周囲に複数配置されたラジアルセンサ５ａ〜５ｄのうちからここではスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍に配置されたラジアルセンサ５ａを用いた。
【００２１】
主軸１が熱膨張するとその径が大きくなるため、このラジアルセンサ５ａにより主軸１の径から主軸１の温度を検知して、主軸１の伸びに伴なって膨張して加工ツール８の先端位置のズレとなる加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００２２】
加工ツール取付部位置補正手段１７を詳しく説明する。
上記のように構成された工作機械用の磁気軸受装置では、上記従来例と同様に、加工処理時における主軸１の熱膨張をスラスト制御手段１１によってスラストセンサ６とスラスト位置ターゲット面１ｃとのギャップｇを規定値ｇ0に近づけるように制御している。
【００２３】
しかし、このスラスト制御手段１１による制御だけでは加工ツール取付部１ａの熱膨張によるスラスト方向の伸びΔｍが補正されない。
そこで、スラスト制御手段１１のスラストセンサ６の出力信号と位置指令との加算点に加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍに基づく補正量を加算して主軸１の位置補正を行えるよう、加工ツール取付部位置補正手段１７には演算部としての補正演算器１５が設けられている。
【００２４】
補正演算器１５の中身は、ラジアルセンサ５ａから送られた主軸径ｄによる関数ｆ（Ｎ，ｄ）から加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍを算出するよう構成されている。ここでＮは主軸１の回転膨張も考慮したためで、簡易的には関数ｆ（ｄ）で説明できる。
【００２５】
具体的には、ラジアルセンサ５ａの出力信号から主軸１の温度変化ΔＴは、下記▲１▼式にて求められる。
【００２６】
【数１】
ここで、αは主軸熱膨張係数、ｄは主軸径、ｄ0は停止状態の主軸径、ｄNは遠心膨張時の主軸径であり、遠心膨張時の主軸径ｄNはあらかじめ構造解析により主軸１の回転数Ｎと主軸径ｄとから求められる。
【００２７】
スラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの長さｍのスラスト方向への伸びΔｍは、下記▲２▼式にて表される。
Δｍ＝α×ｍ×ΔＴ ▲２▼
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、位置指令により入力されたギャップｇの規定値ｇ0に近づくようにスラスト制御手段１１により前記のスラスト制御が行われる。
【００２８】
主軸１の伸びが発生すると、ラジアルセンサ５ａからの出力信号が補正演算器１５に入力され、主軸径ｄの膨張から主軸１の温度情報が検出される。また、さらに精度良く補正を行うために、主軸１の回転数Ｎが補正演算器１５に入力され、上記▲１▼，▲２▼式より補正量が算出される。
【００２９】
スラスト制御の補正量は下記▲３▼式にて表される。
補正量＝−Δｍ ▲３▼
この補正量が位置指令に加算され、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツールの先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワークに高精度の加工処理を行える。
【００３０】
なお、上記説明では遠心膨張はラジアル方向単独だけで考えているが、さらに実際には回転によってスラスト方向にも膨張しており、補正演算器１５の中ではその分を考えて出力信号は上記▲２▼式に加えて下記▲４▼式が出力されるように構成されている。
【００３１】
Δｍt＝Δｍ＋ΔｍN ▲４▼
この場合の補正量は−Δｍtで表され、スラスト方向の遠心膨張分ΔｍNは、あらかじめ構造解析により回転数Ｎと主軸径ｄとから求められる。
【００３２】
また、上記説明では主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍に配置されたラジアルセンサ５ａを参照センサとしたが、参照センサをスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍で加工ツール取付部１ａの外周部の径を測るように構成することにより、より精度よくスラスト制御を行える。また、参照センサとしてラジアルセンサ５ａとは別のセンサを配置してもよい。
【００３３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の（実施の形態２）を示す。
この（実施の形態２）では、参照センサの代りに非接触センサ１８を用いて直接に主軸１の温度情報を検出できるようにした点で異なるが、それ以外の構成は上記（実施の形態１）と同様である。
【００３４】
上記（実施の形態１）と同様に構成された工作機械用の磁気軸受装置において、非接触センサ１８は加工ツール取付部１ａの近傍位置に配置されており、この非接触センサ１８が主軸１の表面温度を検出すると、上記と同様に加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００３５】
この（実施の形態２）では非接触センサ１８により直接に主軸１の表面温度が検出されるため、演算部としての補正演算器１５の構成はより簡易となる。
具体的には、補正演算器１５の中身は、非接触センサ１８から送られた主軸１の温度による関数ｆ（ΔＴ）から加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍを算出するよう構成されている。スラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの長さｍのスラスト方向への伸びΔｍは、上記▲２▼式にて表される。
【００３６】
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、位置指令により入力されたギャップｇの規定値ｇ0に近づくようにスラスト制御手段１１により前記のスラスト制御が行われる。
【００３７】
主軸１の伸びが発生すると、非接触センサ１８からの出力信号が補正演算器１５に入力され、主軸１の温度情報から上記▲２▼式より補正量−Δｍが算出される。
この補正量が位置指令に加算され、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍも考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツール８の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク９に高精度の加工処理を行える。
【００３８】
また、上記（実施の形態１）と同様に主軸１のスラスト方向への遠心膨張ΔｍNや主軸回転数Ｎを考慮すれば、さらに精度良くスラスト制御の補正を実行できる。
【００３９】
なお、上記説明では、非接触センサ１８を加工ツール取付部１ａの近傍位置に設けたが、スラスト位置ターゲット面の近傍の加工ツール取付部１ａの表面温度を検出するように構成してもよい。
【００４０】
（実施の形態３）
図４は、本発明の（実施の形態３）を示す。
この（実施の形態３）では、ケーシング１０に温度センサー２１を設けてケーシング１０の熱膨張も考慮して補正を行うようにした点で異なるが、それ以外の構成は上記（実施の形態１）と同様である。
【００４１】
具体的には、主軸１を取り囲むケーシング１０にはケーシング１０の温度を検出する温度センサー２１が配置されている。
主軸１の温度上昇に伴ってケーシング１０の温度が上昇して熱膨張すると、ケーシング１０に設けられたラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置にズレが生じるため、この温度センサー２１によりケーシング１０の温度を検知してケーシング１０の位置補正をしてラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置補正を行うとともに、上記（実施の形態１）と同様に加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００４２】
補正演算器１５の中身は、ラジアルセンサ５ａから送られた主軸径ｄの情報と温度センサー２１から送られたケーシング１０の温度情報ΔＴｃよる関数ｆ（ｄ，ΔＴｃ，Ｎ）から、加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍとケーシング１０の長さＬの伸びΔＬを算出するよう構成されている。ここでＮは上記と同様に主軸１の回転膨張も考慮したためで、簡易的には関数ｆ（ｄ，ΔＴｃ）で説明できる。
【００４３】
温度センサー２１から送られたケーシング１０の温度情報ΔＴｃより、ケーシング１０の長さＬの伸びΔＬは、下記▲５▼式にて求められる。
ΔＬ＝αC×Ｌ×ΔＴｃ ▲５▼
ここで、αCはケーシング熱膨張係数、ΔＴｃはケーシングの温度変化である。
【００４４】
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、上記と同様のスラスト制御が行われる。
主軸１の伸びが発生すると、補正演算器１５の中では、ラジアルセンサ５ａからの出力信号よる主軸径ｄの膨張と主軸１の回転数Ｎに加えて、温度センサー２１からの出力信号によりケーシング１０の伸びΔＬが考慮され、出力信号は上記▲２▼式に加えて下記▲６▼式が出力されるよう構成されている。
【００４５】
Δｍt＝Δｍ＋ΔＬ ▲６▼
この場合のスラスト制御の補正量は−Δｍtで表され、この補正量が位置指令に加算されて、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍとケーシング１０の伸びΔＬとが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツール８の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク９に高精度の加工処理を行える。
【００４６】
なお、上記説明では遠心膨張はラジアル方向単独だけで考えているが、さらに実際には回転によってスラスト方向にも膨張しており、補正演算器１５の中ではその分を考えて出力信号は上記▲６▼式に変えて下記▲７▼式が出力されるように構成されている。
【００４７】
Δｍt＝Δｍ＋ΔｍN＋ΔＬ ▲７▼
この場合の一般式は関数ｆ（ｄ，ΔＴｃ，Ｎ）で表される。
（実施の形態４）
図５は、本発明の（実施の形態４）を示す。
【００４８】
この（実施の形態４）では、ケーシング１０に温度センサー２１を設けてケーシング１０の熱膨張も考慮して補正を行うようにした点で異なるが、それ以外の構成は上記（実施の形態２）と同様である。
【００４９】
具体的には、主軸１を取り囲むケーシング１０にはケーシング１０の温度を検出する温度センサー２１が配置されている。
主軸１の温度上昇に伴ってケーシング１０の温度が上昇して熱膨張すると、ケーシング１０に設けられたラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置にズレが生じるため、この温度センサー２１によりケーシング１０の温度を検知してケーシング１０の位置補正をしてラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置補正を行うとともに、上記（実施の形態２）と同様に加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００５０】
補正演算器１５の中身は、非接触センサ１８からの主軸１の温度情報と温度センサー２１からのケーシング１０の温度情報ΔＴｃによる関数ｆ（ΔＴ，ΔＴｃ）から、加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍとケーシング１０の長さＬの伸びΔＬを算出するよう構成されている。なお、ここで主軸１の回転膨張を考慮して主軸１の回転数Ｎを入力するようにしてもよい。
【００５１】
温度センサー２１から送られたケーシング１０の温度情報ΔＴｃより、ケーシング１０の長さＬの伸びΔＬは、上記▲５▼式にて求められる。
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、上記と同様のスラスト制御が行われる。
【００５２】
主軸１の伸びが発生すると、補正演算器１５の中では、非接触センサ１８からの出力信号による主軸１の温度情報に加えて、温度センサー２１からの出力信号によりケーシング１０の伸びΔＬが考慮され、上記▲６▼式で表される出力信号が出力される。
【００５３】
この補正量−Δｍtが位置指令に加算されて、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍとケーシング１０の伸びΔＬとが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツール８の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク９に高精度の加工処理を行える。
【００５４】
また、この（実施の形態４）においても上記と同様に主軸１のスラスト方向への遠心膨張ΔｍNを考慮すれば、さらに精度良く補正を行える。
また、上記説明では、非接触センサ１８を加工ツール取付部１ａの近傍位置に設けたが、スラスト位置ターゲット面の近傍の加工ツール取付部１ａの表面温度を検出するように構成してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明の工作機械用の磁気軸受装置によると、主軸のスラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸径を検出する参照センサと、前記参照センサの検出情報に基づく主軸の温度情報から加工ツール取付部の温度膨張長さ分をスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段とを設けることで、熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを精度良く補正して、精度良くワークに加工処理が施せる工作機械用の磁気軸受装置が実現できる。
【００５６】
また、参照センサの代りに表面温度を検出する非接触センサを用いても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の（実施の形態１）における工作機械用の磁気軸受装置の構成図
【図２】同実施の形態の要部拡大図
【図３】本発明の（実施の形態２）における工作機械用の磁気軸受装置の要部を示す構成図
【図４】本発明の（実施の形態３）における工作機械用の磁気軸受装置の要部を示す構成図
【図５】本発明の（実施の形態４）における工作機械用の磁気軸受装置の要部を示す構成図
【図６】従来の磁気軸受の構成図
【図７】同従来例の磁気軸受装置の先端部を説明する構成図
【図８】従来の磁気軸受装置の構成図
【符号の説明】
１ 主軸
１ａ 加工ツール取付部
１ｃ スラスト位置ターゲット面
５ａ ラジアルセンサ
８ 加工ツール
９ ワーク
１０ ケーシング
１０ａ 取付フランジ
１５ 補正演算器
１７ 加工ツール取付部位置補正手段
１８ 非接触センサ
２１ 温度センサー
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械用の磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６〜図８は、従来の工作機械用の磁気軸受装置を示す。
図６は主軸１のラジアル制御系の詳細を示し、図７は加工ツールの取り付け状態を、図８はケーシング１０に装着された磁気軸受装置の構成を示す。
【０００３】
工作機械用の磁気軸受装置は、主軸１を磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂとで固定側から磁気浮上させるとともに、主軸１をモータ手段７で回転駆動し、主軸１の端部に取り付けられた加工ツール８を、矢印Ｙで示すようにラジアル方向にワーク９の表面に押し付けて加工を行うよう構成されている。
【０００４】
磁気ラジアル軸受手段Ａは、主軸１の軸方向に所定間隔で配置されたラジアルマグネットステータ２ａ，２ｂと、主軸１のラジアル位置を検出するラジアルセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、ラジアル制御手段１４とからなる。磁気スラスト軸受手段Ｂは、主軸１の基端部側に配置されたスラスト板３を中央にしてその両側に配置されたスラストマグネットステータ４ａ，４ｂと、主軸１のスラスト位置を検出するスラストセンサ６と、スラスト制御手段１１とからなる。
【０００５】
磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂによって主軸１が磁気浮上すると、ラジアルセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによってラジアル方向の位置が検出され、ラジアル制御手段１４の制御、例えばＰＩＤ制御により主軸１が基準信号で決められた中心位置にくるようラジアルマグネットステータ２ａ，２ｂの電流が制御される。同様に、スラスト方向についてもスラストセンサ６とスラスト制御手段１１によって主軸１の位置制御が行われる。
【０００６】
１２は位相補償器、１９は電流増幅器であり、それぞれスラスト制御手段１１を構成している。
主軸１の端部には、図７（ａ）に示すように、スラスト位置ターゲット面１ｃからスラスト方向に突出して加工ツール８が取り付けられる加工ツール取付部１ａが形成されている。この加工ツール取付部１ａにツールホルダー１６を介して加工ツール８が装着され、図７（ｂ）に示すように、磁気浮上した主軸１をモータ手段７によって回転駆動して、加工ツール８をワーク９に当接させて矢印Ｙ方向に押圧することでワーク９に所定の加工処理が施される。このとき、磁気軸受装置はケーシング１０に装着されており、ケーシング１０の取り付けフランジ１０ａが取付面２０に固定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ワーク９の加工処理時には、上述のように、主軸１は磁気浮上するとともにモータ手段７によって回転駆動されるため、温度上昇により主軸１が熱膨張してスラスト方向への延びが発生する。
【０００８】
スラスト制御手段１１は、スラストセンサ６で主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃとのギャップｇを検出して、このギャップｇが規定値に近づくようにスラストマグネットステータ４ａ，４ｂの励磁を制御しているが、主軸１の温度が上昇するとそれにともなってスラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの加工ツール取付部１ａにスラスト方向の伸びが発生して加工ツール取付部１ａの長さｍが長くなり、ツールホルダー１６を介して装着された加工ツール８の軸先端の位置がずれて、上記のようなスラスト制御手段１１による自動制御だけでは、依然として十分な加工精度が得られない。
【０００９】
本発明は前記問題点を解決し、主軸の熱膨張によっても、ワークに精度良く加工処理が施せる工作機械用の磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の工作機械用の磁気軸受装置は、主軸の温度関数を測定するセンサと、この検出情報より主軸の温度関数を算出してスラスト制御を補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
この本発明によると、主軸の熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワークに高精度の加工処理を行える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の工作機械用の磁気軸受装置は、主軸を磁気ラジアル軸受手段と磁気スラスト軸受手段とで固定側から磁気浮上させるとともに、前記主軸をモータ手段で回転駆動し、前記主軸に取り付けられた加工ツールによるワークの加工に使用される工作機械用の磁気軸受装置であって、前記主軸を取り囲むケーシングに前記ケーシングの温度を検出する温度センサーを設け、前記磁気スラスト軸受手段には、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト磁気駆動部と、主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラストセンサと、スラストセンサの検出ギャップが規定値に近づくように前記スラスト磁気駆動部を励磁するスラスト制御手段を設け、主軸の前記スラスト位置ターゲット面からスラスト方向に突出して前記加工ツールが取り付けられる加工ツール取付部を設け、主軸の前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸の径を検出する参照センサを設け、前記参照センサの検出情報と前記温度センサーの検出情報に基づいて前記主軸の温度情報を計算してこれを前記加工ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換し、この加工ツール取付部の温度膨張長さ分を、前記スラストセンサの検出に基づくスラスト制御手段によるスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２記載の工作機械用の磁気軸受装置は、主軸を磁気ラジアル軸受手段と磁気スラスト軸受手段とで固定側から磁気浮上させるとともに、前記主軸をモータ手段で回転駆動し、前記主軸に取り付けられた加工ツールによるワークの加工に使用される工作機械用の磁気軸受装置であって、前記主軸を取り囲むケーシングに前記ケーシングの温度を検出する温度センサーを設け、前記磁気スラスト軸受手段には、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト磁気駆動部と、主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラストセンサと、スラストセンサの検出ギャップが規定値に近づくように前記スラスト磁気駆動部を励磁するスラスト制御手段を設け、主軸の前記スラスト位置ターゲット面からスラスト方向に突出して前記加工ツールが取り付けられる加工ツール取付部を設け、主軸の加工ツール取付部または前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸をターゲットとして表面温度を検出する非接触センサを設け、前記非接触センサの検出情報と前記温度センサーの検出情報に基づいて前記加工ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換し、この加工ツール取付部の温度膨張長さ分を、前記スラストセンサの検出に基づくスラスト制御手段によるスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図５を用いて説明する。
なお、従来例を示す図６〜図８と同様をなすものには同一の符号を付けて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１と図２は、本発明の（実施の形態１）を示す。
この（実施の形態１）では、主軸１を測定する参照センサと、参照センサの検出情報より主軸１の温度関数に基づいてスラスト制御を補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けて、熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを精度良く補正できるようにした点で従来例とは異なる。
【００２０】
図１に示すように、上記従来例を示す図６〜図８と同様に構成された工作機械用の磁気軸受装置において、参照センサは、回転駆動する主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍位置の主軸１の径を検出するものであり、主軸１の周囲に複数配置されたラジアルセンサ５ａ〜５ｄのうちからここではスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍に配置されたラジアルセンサ５ａを用いた。
【００２１】
主軸１が熱膨張するとその径が大きくなるため、このラジアルセンサ５ａにより主軸１の径から主軸１の温度を検知して、主軸１の伸びに伴なって膨張して加工ツール８の先端位置のズレとなる加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００２２】
加工ツール取付部位置補正手段１７を詳しく説明する。
上記のように構成された工作機械用の磁気軸受装置では、上記従来例と同様に、加工処理時における主軸１の熱膨張をスラスト制御手段１１によってスラストセンサ６とスラスト位置ターゲット面１ｃとのギャップｇを規定値ｇ0に近づけるように制御している。
【００２３】
しかし、このスラスト制御手段１１による制御だけでは加工ツール取付部１ａの熱膨張によるスラスト方向の伸びΔｍが補正されない。
そこで、スラスト制御手段１１のスラストセンサ６の出力信号と位置指令との加算点に加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍに基づく補正量を加算して主軸１の位置補正を行えるよう、加工ツール取付部位置補正手段１７には演算部としての補正演算器１５が設けられている。
【００２４】
補正演算器１５の中身は、ラジアルセンサ５ａから送られた主軸径ｄによる関数ｆ（Ｎ，ｄ）から加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍを算出するよう構成されている。ここでＮは主軸１の回転膨張も考慮したためで、簡易的には関数ｆ（ｄ）で説明できる。
【００２５】
具体的には、ラジアルセンサ５ａの出力信号から主軸１の温度変化ΔＴは、下記▲１▼式にて求められる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
スラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの長さｍのスラスト方向への伸びΔｍは、下記▲２▼式にて表される。
Δｍ＝α×ｍ×ΔＴ ▲２▼
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、位置指令により入力されたギャップｇの規定値ｇ0に近づくようにスラスト制御手段１１により前記のスラスト制御が行われる。
【００２８】
主軸１の伸びが発生すると、ラジアルセンサ５ａからの出力信号が補正演算器１５に入力され、主軸径ｄの膨張から主軸１の温度情報が検出される。また、さらに精度良く補正を行うために、主軸１の回転数Ｎが補正演算器１５に入力され、上記▲１▼，▲２▼式より補正量が算出される。
【００２９】
スラスト制御の補正量は下記▲３▼式にて表される。
補正量＝−Δｍ ▲３▼
この補正量が位置指令に加算され、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツールの先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワークに高精度の加工処理を行える。
【００３０】
なお、上記説明では遠心膨張はラジアル方向単独だけで考えているが、さらに実際には回転によってスラスト方向にも膨張しており、補正演算器１５の中ではその分を考えて出力信号は上記▲２▼式に加えて下記▲４▼式が出力されるように構成されている。
【００３１】
Δｍt＝Δｍ＋ΔｍN ▲４▼
この場合の補正量は−Δｍtで表され、スラスト方向の遠心膨張分ΔｍNは、あらかじめ構造解析により回転数Ｎと主軸径ｄとから求められる。
【００３２】
また、上記説明では主軸１のスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍に配置されたラジアルセンサ５ａを参照センサとしたが、参照センサをスラスト位置ターゲット面１ｃの近傍で加工ツール取付部１ａの外周部の径を測るように構成することにより、より精度よくスラスト制御を行える。また、参照センサとしてラジアルセンサ５ａとは別のセンサを配置してもよい。
【００３３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の（実施の形態２）を示す。
この（実施の形態２）では、参照センサの代りに非接触センサ１８を用いて直接に主軸１の温度情報を検出できるようにした点で異なるが、それ以外の構成は上記（実施の形態１）と同様である。
【００３４】
上記（実施の形態１）と同様に構成された工作機械用の磁気軸受装置において、非接触センサ１８は加工ツール取付部１ａの近傍位置に配置されており、この非接触センサ１８が主軸１の表面温度を検出すると、上記と同様に加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００３５】
この（実施の形態２）では非接触センサ１８により直接に主軸１の表面温度が検出されるため、演算部としての補正演算器１５の構成はより簡易となる。
具体的には、補正演算器１５の中身は、非接触センサ１８から送られた主軸１の温度による関数ｆ（ΔＴ）から加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍを算出するよう構成されている。スラスト位置ターゲット面１ｃから主軸端面１ｂまでの長さｍのスラスト方向への伸びΔｍは、上記▲２▼式にて表される。
【００３６】
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、位置指令により入力されたギャップｇの規定値ｇ0に近づくようにスラスト制御手段１１により前記のスラスト制御が行われる。
【００３７】
主軸１の伸びが発生すると、非接触センサ１８からの出力信号が補正演算器１５に入力され、主軸１の温度情報から上記▲２▼式より補正量−Δｍが算出される。
この補正量が位置指令に加算され、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍも考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツール８の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク９に高精度の加工処理を行える。
【００３８】
また、上記（実施の形態１）と同様に主軸１のスラスト方向への遠心膨張ΔｍNや主軸回転数Ｎを考慮すれば、さらに精度良くスラスト制御の補正を実行できる。
【００３９】
なお、上記説明では、非接触センサ１８を加工ツール取付部１ａの近傍位置に設けたが、スラスト位置ターゲット面の近傍の加工ツール取付部１ａの表面温度を検出するように構成してもよい。
【００４０】
（実施の形態３）
図４は、本発明の（実施の形態３）を示す。
この（実施の形態３）では、ケーシング１０に温度センサー２１を設けてケーシング１０の熱膨張も考慮して補正を行うようにした点で異なるが、それ以外の構成は上記（実施の形態１）と同様である。
【００４１】
具体的には、主軸１を取り囲むケーシング１０にはケーシング１０の温度を検出する温度センサー２１が配置されている。
主軸１の温度上昇に伴ってケーシング１０の温度が上昇して熱膨張すると、ケーシング１０に設けられたラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置にズレが生じるため、この温度センサー２１によりケーシング１０の温度を検知してケーシング１０の位置補正をしてラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置補正を行うとともに、上記（実施の形態１）と同様に加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００４２】
補正演算器１５の中身は、ラジアルセンサ５ａから送られた主軸径ｄの情報と温度センサー２１から送られたケーシング１０の温度情報ΔＴｃよる関数ｆ（ｄ，ΔＴｃ，Ｎ）から、加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍとケーシング１０の長さＬの伸びΔＬを算出するよう構成されている。ここでＮは上記と同様に主軸１の回転膨張も考慮したためで、簡易的には関数ｆ（ｄ，ΔＴｃ）で説明できる。
【００４３】
温度センサー２１から送られたケーシング１０の温度情報ΔＴｃより、ケーシング１０の長さＬの伸びΔＬは、下記▲５▼式にて求められる。
ΔＬ＝αC×Ｌ×ΔＴｃ ▲５▼
ここで、αCはケーシング熱膨張係数、ΔＴｃはケーシングの温度変化である。
【００４４】
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、上記と同様のスラスト制御が行われる。
主軸１の伸びが発生すると、補正演算器１５の中では、ラジアルセンサ５ａからの出力信号よる主軸径ｄの膨張と主軸１の回転数Ｎに加えて、温度センサー２１からの出力信号によりケーシング１０の伸びΔＬが考慮され、出力信号は上記▲２▼式に加えて下記▲６▼式が出力されるよう構成されている。
【００４５】
Δｍt＝Δｍ＋ΔＬ ▲６▼
この場合のスラスト制御の補正量は−Δｍtで表され、この補正量が位置指令に加算されて、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍとケーシング１０の伸びΔＬとが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツール８の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク９に高精度の加工処理を行える。
【００４６】
なお、上記説明では遠心膨張はラジアル方向単独だけで考えているが、さらに実際には回転によってスラスト方向にも膨張しており、補正演算器１５の中ではその分を考えて出力信号は上記▲６▼式に変えて下記▲７▼式が出力されるように構成されている。
【００４７】
Δｍt＝Δｍ＋ΔｍN＋ΔＬ ▲７▼
この場合の一般式は関数ｆ（ｄ，ΔＴｃ，Ｎ）で表される。
（実施の形態４）
図５は、本発明の（実施の形態４）を示す。
【００４８】
この（実施の形態４）では、ケーシング１０に温度センサー２１を設けてケーシング１０の熱膨張も考慮して補正を行うようにした点で異なるが、それ以外の構成は上記（実施の形態２）と同様である。
【００４９】
具体的には、主軸１を取り囲むケーシング１０にはケーシング１０の温度を検出する温度センサー２１が配置されている。
主軸１の温度上昇に伴ってケーシング１０の温度が上昇して熱膨張すると、ケーシング１０に設けられたラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置にズレが生じるため、この温度センサー２１によりケーシング１０の温度を検知してケーシング１０の位置補正をしてラジアルセンサ５ａ〜５ｄとスラストセンサ６の位置補正を行うとともに、上記（実施の形態２）と同様に加工ツール取付部１ａのスラスト方向の伸び分をスラスト制御で補正するように、加工ツール取付部位置補正手段１７が構成されている。
【００５０】
補正演算器１５の中身は、非接触センサ１８からの主軸１の温度情報と温度センサー２１からのケーシング１０の温度情報ΔＴｃによる関数ｆ（ΔＴ，ΔＴｃ）から、加工ツール取付部１ａの長さｍの伸びΔｍとケーシング１０の長さＬの伸びΔＬを算出するよう構成されている。なお、ここで主軸１の回転膨張を考慮して主軸１の回転数Ｎを入力するようにしてもよい。
【００５１】
温度センサー２１から送られたケーシング１０の温度情報ΔＴｃより、ケーシング１０の長さＬの伸びΔＬは、上記▲５▼式にて求められる。
このように構成された磁気軸受装置では、正常な状態で作動している場合には、上記と同様のスラスト制御が行われる。
【００５２】
主軸１の伸びが発生すると、補正演算器１５の中では、非接触センサ１８からの出力信号による主軸１の温度情報に加えて、温度センサー２１からの出力信号によりケーシング１０の伸びΔＬが考慮され、上記▲６▼式で表される出力信号が出力される。
【００５３】
この補正量−Δｍtが位置指令に加算されて、加工ツール取付部１ａの熱膨張による伸びΔｍとケーシング１０の伸びΔＬとが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツール８の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク９に高精度の加工処理を行える。
【００５４】
また、この（実施の形態４）においても上記と同様に主軸１のスラスト方向への遠心膨張ΔｍNを考慮すれば、さらに精度良く補正を行える。
また、上記説明では、非接触センサ１８を加工ツール取付部１ａの近傍位置に設けたが、スラスト位置ターゲット面の近傍の加工ツール取付部１ａの表面温度を検出するように構成してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明の工作機械用の磁気軸受装置によると、主軸のスラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸径を検出する参照センサと、前記参照センサの検出情報に基づく主軸の温度情報から加工ツール取付部の温度膨張長さ分をスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段とを設けることで、熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを精度良く補正して、精度良くワークに加工処理が施せる工作機械用の磁気軸受装置が実現できる。
【００５６】
また、参照センサの代りに表面温度を検出する非接触センサを用いても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の（実施の形態１）における工作機械用の磁気軸受装置の構成図
【図２】同実施の形態の要部拡大図
【図３】本発明の（実施の形態２）における工作機械用の磁気軸受装置の要部を示す構成図
【図４】本発明の（実施の形態３）における工作機械用の磁気軸受装置の要部を示す構成図
【図５】本発明の（実施の形態４）における工作機械用の磁気軸受装置の要部を示す構成図
【図６】従来の磁気軸受の構成図
【図７】同従来例の磁気軸受装置の先端部を説明する構成図
【図８】従来の磁気軸受装置の構成図
【符号の説明】
１ 主軸
１ａ 加工ツール取付部
１ｃ スラスト位置ターゲット面
５ａ ラジアルセンサ
８ 加工ツール
９ ワーク
１０ ケーシング
１０ａ 取付フランジ
１５ 補正演算器
１７ 加工ツール取付部位置補正手段
１８ 非接触センサ
２１ 温度センサー
Claims (2)
- 主軸を磁気ラジアル軸受手段と磁気スラスト軸受手段とで固定側から磁気浮上させるとともに、前記主軸をモータ手段で回転駆動し、前記主軸に取り付けられた加工ツールによるワークの加工に使用される工作機械用の磁気軸受装置であって、
前記主軸を取り囲むケーシングに前記ケーシングの温度を検出する温度センサーを設け、
前記磁気スラスト軸受手段には、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト磁気駆動部と、主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラストセンサと、スラストセンサの検出ギャップが規定値に近づくように前記スラスト磁気駆動部を励磁するスラスト制御手段を設け、
主軸の前記スラスト位置ターゲット面からスラスト方向に突出して前記加工ツールが取り付けられる加工ツール取付部を設け、
主軸の前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸の径を検出する参照センサを設け、
前記参照センサの検出情報と前記温度センサーの検出情報に基づいて前記主軸の温度情報を計算してこれを前記加工ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換し、この加工ツール取付部の温度膨張長さ分を、前記スラストセンサの検出に基づくスラスト制御手段によるスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けた
工作機械用の磁気軸受装置。 - 主軸を磁気ラジアル軸受手段と磁気スラスト軸受手段とで固定側から磁気浮上させるとともに、前記主軸をモータ手段で回転駆動し、前記主軸に取り付けられた加工ツールによるワークの加工に使用される工作機械用の磁気軸受装置であって、
前記主軸を取り囲むケーシングに前記ケーシングの温度を検出する温度センサーを設け、
前記磁気スラスト軸受手段には、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト磁気駆動部と、主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラストセンサと、スラストセンサの検出ギャップが規定値に近づくように前記スラスト磁気駆動部を励磁するスラスト制御手段を設け、
主軸の前記スラスト位置ターゲット面からスラスト方向に突出して前記加工ツールが取り付けられる加工ツール取付部を設け、
主軸の加工ツール取付部または前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置の主軸をターゲットとして表面温度を検出する非接触センサを設け、
前記非接触センサの検出情報と前記温度センサーの検出情報に基づいて前記加工ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換し、この加工ツール取付部の温度膨張長さ分を、前記スラストセンサの検出に基づくスラスト制御手段によるスラスト方向制御距離に加算してスラスト制御補正する加工ツール取付部位置補正手段を設けた
工作機械用の磁気軸受装置。
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