JP4516889B2 - Magnetic bearing device and variable weight part replacement method for magnetic bearing device - Google Patents
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Description
本発明は、磁気軸受装置、特に回転体に装着されている可変重量部の交換を必要とする磁気軸受装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetic bearing device, and more particularly to a magnetic bearing device that requires replacement of a variable weight portion mounted on a rotating body.
従来の磁気軸受装置としては、主軸の先端に装着されている工具を交換するときに、主軸を軸方向前部側に移動させ、係合部材と保護軸受とを係合せしめて、主軸の軸方向前部側への移動を規制するものがあった(例えば特許文献1参照)。 As a conventional magnetic bearing device, when changing the tool mounted on the tip of the main shaft, the main shaft is moved to the front side in the axial direction, and the engaging member and the protective bearing are engaged with each other. There is one that restricts the movement to the front side (see, for example, Patent Document 1).
図5,図6は、前記特許文献1に記載された従来の磁気軸受装置を示すものである。
5 and 6 show a conventional magnetic bearing device described in
図6において、101は主軸、102は前部アンギュラ玉軸受、103は後部アンギュラ玉軸受、104はナット、105は後部ラジアル磁気軸受、106は前部ラジアル磁気軸受、107は前部スラスト磁気軸受、108は後部ステータ、109は前部ステータ、110は軸受制御手段である。
In FIG. 6, 101 is a main shaft, 102 is a front angular contact ball bearing, 103 is a rear angular contact ball bearing, 104 is a nut, 105 is a rear radial magnetic bearing, 106 is a front radial magnetic bearing, 107 is a front thrust magnetic bearing,
前記構成の従来の磁気軸受装置において、通常状態では、主軸101はスラスト磁気軸受107によって、その中立位置に位置するようにスラスト方向に支持されていて、図5(a)に示すように、主軸101の後端部に螺着されたナット104と後部アンギュラ玉軸受(保護軸受)103との間に、所定の空隙tが形成されているが、上述した前部ステータ108の吸引力の増加によって、図5(b)に示すように、主軸101が軸方向前部側、すなわち、矢示方向に移動し、ナット104が後部アンギュラ玉軸受103に当接する。
In the conventional magnetic bearing device having the above-described configuration, in the normal state, the
ついで、工具交換手段(図示せず)の作動により、主軸101に装着された使用済みの工具Tをその受容部から引き抜いた後、新たな工具Tを主軸101に装着する際、工具Tのテーパ部と主軸101の受容部との密着によって、主軸101に引き抜き方向の加重が作用したとしても、ナット104と後部アンギュラ玉軸受103とが既に当接,係合していることから、主軸101が軸方向前部側に更に移動することはなく、後部アンギュラ玉軸受103に作用する荷重が動荷重に比べて値の小さい静荷重となる。
Next, when the tool T is pulled out from the receiving portion by the operation of the tool changing means (not shown) and the new tool T is mounted on the
これにより、ナット104と後部アンギュラ玉軸受103との衝突を防止することができ、後部アンギュラ玉軸受103が損傷することを防止していた。
しかしながら、前記従来の構成では、自動工具交換時におけるラジアル磁気軸受の動作が不明であり、例えば、自動工具交換時にラジアル磁気軸受が磁気浮上状態となっている場合は、自動工具交換時に工具交換用のアームから主軸が受ける負荷により主軸位置が変動し工具交換ができなかったり、変動を防止するために自動工具交換スピードを遅くしなければならないという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, the operation of the radial magnetic bearing at the time of automatic tool change is unknown. For example, when the radial magnetic bearing is in a magnetic levitation state at the time of automatic tool change, The main shaft position fluctuates due to the load received by the main shaft from the arm, and the tool cannot be changed, or the automatic tool changing speed has to be slowed to prevent the fluctuation.
また、自動工具交換時、ラジアル磁気軸受が磁気浮上状態となっていない場合は、ラジアル方向の位置が、その都度、変動するため自動工具交換ができないという課題を有していた。 Further, when the radial magnetic bearing is not in a magnetically levitated state at the time of automatic tool change, there is a problem that the automatic tool change cannot be performed because the position in the radial direction changes each time.
また、特許文献1で解決しようとしている課題は、自動工具交換の際に保護軸受が損傷することを防止することであり、本発明の課題である自動工具交換時の主軸の位置決めとは異なる。
The problem to be solved in
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換を行うことができる磁気軸受主軸を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a magnetic bearing main shaft that is highly reliable and can perform automatic tool change in a short time.
前記目的を達成するために、本発明は、制御電流により浮上制御されるラジアル磁気軸受電磁石,スラスト磁気軸受電磁石によって支承され、回転、停止制御される回転体を含み、前記回転体に装着される可変重量部の交換時に、外部より印加される可変重量部交換信号に基づき磁気浮上モードおよび可変重量部交換モードを判別するモード判別部と、前記モード判別部の信号により前記ラジアル磁気軸受電磁石,前記スラスト磁気軸受電磁石の磁気浮上支承をコントロールする磁気浮上モード処理部と、前記モード判別部の信号により可変重量部の交換時に、前記ラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部と、前記スラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部と、前記回転体が可変重量部交換可能位置に移動したことを判別する可変重量部交換位置検出部とにより構成している可変重量部交換モード処理部とを有し、可変重量部の交換を行うものである。
In order to achieve the above object, the present invention includes a radial magnetic bearing electromagnet that is levitated and controlled by a control current, and a rotating body that is supported by a thrust magnetic bearing electromagnet and that is controlled to rotate and stop, and is mounted on the rotating body. A mode discriminating unit for discriminating a magnetic levitation mode and a variable weight unit exchanging mode based on a variable weight unit exchanging signal applied from the outside when exchanging the variable weight unit; a magnetic levitation mode processing unit for controlling the magnetic suspension bearing of the thrust magnetic bearing electromagnet, by a signal of the mode determination unit when replacing the variable parts, and bias command generating unit for applying a bias current to the radial magnetic bearing electromagnet a bias command generating unit for applying a bias current to the thrust magnetic bearing electromagnet, the times A variable weight part replacement mode processing unit configured by a variable weight part replacement position detection unit that determines that the body has moved to a variable weight part replaceable position, and performs variable weight part replacement. .
前記構成によって、可変重量部の交換時にラジアル磁気軸受電磁石とスラスト磁気軸受電磁石とにバイアス電流を印加し、回転体をラジアル保護部材に接触させて位置決めし、可変重量部の交換を実現することができる。
With the above configuration, when the variable weight portion is replaced, a bias current is applied to the radial magnetic bearing electromagnet and the thrust magnetic bearing electromagnet, and the rotating body is brought into contact with the radial protection member to be positioned, thereby realizing the replacement of the variable weight portion. it can.
以上のように、本発明によれば、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換が行える磁気軸受主軸を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a magnetic bearing spindle that is highly reliable and that can perform automatic tool change in a short time.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(参考例)
図1は本発明の参考例である磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図、図2は本参考例における磁気軸受装置の具体例を示す断面図、図3は本参考例における磁気軸受装置のドローバの構成を示す断面図である。
( Reference example )
Block diagram showing the overall arrangement of FIG. 1 is a magnetic bearing device is a reference example of the present invention, cross-sectional view showing a specific example of a magnetic bearing device 2 in the present reference example, FIG. 3 is a magnetic bearing device of this reference example It is sectional drawing which shows the structure of a draw bar.
図1,図2において、31は回転体、41は回転体31に、モータロータ35、ラジアル磁気軸受ロータ33,34、スラスト磁気軸受ロータ39、工具32およびツールホルダ37により構成される可変重量部40が取り付けられた主軸である。このラジアル磁気軸受ロータ33,34、スラスト磁気軸受ロータ39から微小間隔の距離をおいてラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25、スラスト磁気軸受電磁石26,27、回転体31の変位を検出するラジアル変位センサ28,29、スラスト変位センサ30が配置され、回転体31は所定位置に非接触で支持されている。
In FIGS. 1 and 2,
ここで、ラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25は、回転体31の周囲に、例えば90°の中心角で左右に4個ずつ配置され、また、スラスト磁気軸受電磁石26,27は回転体31を取り巻くリング状に配置されている。また、ラジアル変位センサ28,29、スラスト変位センサ30としては、よく知られた渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。20は保護ベアリングなどよりなる保護部材であり、例えば玉軸受を使用し、ラジアル方向、スラスト方向兼用となっている。回転体31にはモータロータ35が取り付けられ、モータ駆動装置42によりモータステータ36に電流を流し回転体31を回転駆動させる。なお、図2において、38はケーシングである。
Here, the radial magnetic bearing
次に、本参考例における磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置1について説明する。
Next, the magnetic
磁気軸受制御装置1は、外部からの可変重量部の交換を指示するための可変重量部交換信号Sg1と該可変重量部交換信号Sg1を受信し、受信した処理内容へモードを切り替えるモード判別部12と、通常の磁気浮上を行うための磁気浮上モード時に、ラジアル変位センサ28,29、スラスト変位センサ30からの変位信号と前記変位信号と位置指令値との減算を行う加算器2,3と、これら加算器2,3の出力をもとに回転体31とラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25、スラスト磁気軸受電磁石26,27間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償器4,5およびパワー増幅器6,7と、可変重量部40の交換を行うための可変重量部交換モード時に、ラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部10と、スラスト磁気軸受電磁石26,27への電流印加を遮断するための電流指令0を出力するスライド指令発生部15と、回転体31の位置を検出し、回転体31が可変重量部40の交換位置にあることを検出する可変重量部交換位置検出部11とから構成されている。
The magnetic
ここで、加算器2,3、位相補償器4,5、パワー増幅器6,7は磁気浮上モード時に磁気軸受を制御する磁気浮上モード処理部13を構成し、また、バイアス指令発生部10、パワー増幅器8,9、可変重量部交換位置検出部11は可変重量部交換モード処理部14を構成している。ラジアル磁気軸受け制御装置のパワー増幅器6,パワー増幅器8は共用することができる。また、スラスト磁気軸受制御構造のパワー増幅器7,パワー増幅器9も共用することができる。
Here, the adders 2 and 3, the
次に、その動作を説明する。まず、通常状態では常に軸受として機能させる必要があるため、モード判別部12が可変重量部交換信号Sg1より磁気浮上モードであることを受信すると、回転体31の変位をラジアル変位センサ28,29、スラスト変位センサ30で検出し、その出力信号を加算器2,3に印加する。加算器2,3では回転体31の指令位置(目標位置)から前記出力信号を減算し、減算された信号が位相補償器4,5に入力され、この位相補償器4,5からの出力によってパワー増幅器6,7が動作し、ラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25、スラスト磁気軸受電磁石26,27に電流を流し、ラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25とラジアル磁気軸受ロータ33,34間、スラスト磁気軸受電磁石26,27とスラスト磁気軸受ロータ39間に生じる磁気吸引力によって回転体31のラジアル方向およびスラスト方向の位置を浮上制御する。ラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25、スラスト磁気軸受電磁石26,27に電流が印加されていないとき、回転体31は保護部材20で支持される。回転体31の回転方向の制御は、モータ駆動装置42により行われる。
Next, the operation will be described. First, since it is necessary to always function as a bearing in the normal state, when the mode
次に、可変重量部40を交換するとき、モード判別部12が可変重量部交換信号Sg1より可変重量部交換モードであることを受信すると、モード判別部12により、磁気浮上処理モードから可変重量部交換モードへ処理が移行する。可変重量部交換モード処理部14では、まず、ラジアル磁気軸受電磁石22,23,24,25、スラスト磁気軸受電磁石26,27への電流の印加を停止する。次に決められたラジアル磁気軸受電磁石、例えばラジアル磁気軸受電磁石22,24のみにバイアス電流を印加するようバイアス指令発生部10で設定を行う。バイアス電流を印加する電磁石は、工具交換時に加工機に設置されている工具交換用のアーム(図示されていない)から、回転体31が受ける力の方向を考慮して決定する。
Next, when the
本参考例において、磁気軸受装置の軸方向が鉛直方向に設置されている(立形)場合は、スラスト磁気軸受電磁石26,27への電流印加を停止するために電流指令を0にする。これにより、回転体31は保護部材20のスラスト支持側に接触することになる。スラスト磁気軸受電磁石26,27に電流を印加しない方法として、パワー増幅器9の内部でスラスト磁気軸受電磁石26,27に電流を印加しないよう駆動用の素子を動作させないようにしてもよい。次に、設定されたラジアル磁気軸受電磁石22,24にバイアス電流を印加する。これにより、回転体31は決められた方向に移動し、保護部材20のラジアル支持側と接触した状態となる。
In this reference example , when the axial direction of the magnetic bearing device is installed in the vertical direction (vertical type), the current command is set to 0 in order to stop the current application to the thrust
工具交換においては、加工機側に設置されているアームと回転体31の位置を決められた場所に保つ必要がある。この位置を工具交換ポイントとする。ラジアル変位センサ28,29、スラスト変位センサ30の出力を可変重量部交換位置検出部11に入力し、回転体31が工具交換ポイントに移動したか否かを判別する。工具交換ポイントに回転体31が移動している場合は、工具交換の動作に移行する。工具交換ポイントに回転体31が移動できなかった場合は、一度、ラジアル磁気軸受電磁石22,24へのバイアス電流の印加を停止し、再度、バイアス電流を印加する。
In the tool change, it is necessary to keep the position of the arm installed on the processing machine side and the
そして、可変重量部交換位置検出部11にて再度工具交換ポイントに回転体31が移動したか否かを判別する。工具交換ポイントに回転体31が移動している場合は、工具交換の動作に移行する。工具交換ポイントに回転体31が移動できなかった場合には、決められた回数、前記処理をリトライする。決められた回数リトライをしても、工具交換ポイントに回転体31が移動できなかった場合は、工具交換動作を停止し、エラーを発報するなどの処理を行う。
Then, the variable weight portion
次に、工具交換の動作について説明する。回転体31の先端部には工具32を保持したツールホルダ37が装着され、ツールホルダ37の回転体31に対するクランプ、アンクランプは、回転体31の内部に設けられたドローバ70により制御される。
Next, the tool change operation will be described. A
図3は回転体31内に設けられたドローバ70の構成を示すものであり、先端に前記ツールホルダ37をクランプするためのクランプ部77が設けられたドローバ70は、バネ71により後方に付勢された状態で回転体31内に収容され、油圧シリンダ72の先端方向への加圧によりバネ71の付勢に抗して先端側に前進できるように構成されている。先端のクランプ部77はドローバ70が油圧シリンダ72により前進したとき開き、油圧シリンダ72の油圧が解除されてバネ71の付勢によりドローバ70が後退したときに閉じるように形成されている。工具交換ポイントへ回転体31が移動した後、工具交換用のアームがツールホルダを掴む。
FIG. 3 shows a configuration of a draw bar 70 provided in the
次に、ドローバ70が前進するとクランプ部77が開いてアンクランプ状態になってクランプしていたツールホルダ37の取り外しが可能となり、アームがツールホルダを引き抜く。次に、このアンクランプ状態で、加工機の動作によりアームが新しいツールホルダ37をクランプ部77へと挿入する。次に、油圧シリンダ72の油圧を解除してドローバ70を後退させると、クランプ部77が閉じるためツールホルダ37はクランプされ、回転体31にツールホルダ37が装着される。
Next, when the draw bar 70 moves forward, the
前記油圧シリンダ72の移動位置を検出するために、状態検知センサであるクランプセンサ74およびアンクランプセンサ75とセンサターゲット73とが設けられている。これらのセンサは、例えば近接スイッチにより構成され、クランプセンサ74はドローバ70がクランプ位置、すなわち後退位置にあるときに、アンクランプセンサ75はドローバ70がアンクランプ位置、すなわち前進位置にあるときに、それぞれオンの状態になる。 In order to detect the movement position of the hydraulic cylinder 72, a clamp sensor 74 and an unclamp sensor 75, which are state detection sensors, and a sensor target 73 are provided. These sensors are constituted by, for example, proximity switches, the clamp sensor 74 is when the draw bar 70 is in the clamp position, that is, the retracted position, and the unclamp sensor 75 is when the draw bar 70 is in the unclamp position, that is, the forward position. Each is turned on.
このように工具交換が実施された後、ラジアル磁気軸受電磁石22,24へのバイアス電流印加を停止する。次に、モード判別部12により、可変重量部交換信号Sg1の指示が磁気浮上モードであることを確認し、磁気浮上モードへと移行して、磁気浮上状態となる。
After the tool is changed in this way, the application of the bias current to the radial
本参考例の構成によれば、自動工具交換時に、設定したラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加し、回転体を工具交換ポイントへ位置決めすることにより、回転体に加工機に設置されているアームからの力が加わっても工具交換を行うことができ、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換可能が行える磁気軸受主軸を提供することができる。
According to the configuration of the present embodiment, when the automatic tool change, the bias current is applied to the radial magnetic bearing electromagnet set, the rotary body Ri by the positioning to tool change point, it is installed in the processing machine to the rotating body Thus, it is possible to provide a magnetic bearing spindle that can perform tool change even when force is applied from an arm that is present, has high reliability, and can perform automatic tool change in a short time.
(実施形態)
前記参考例は磁気軸受装置の軸方向が鉛直方向(立形)に設置されている場合であった。この立形の場合は、スラスト磁気軸受電磁石に電流を印加しない場合は、重力により回転体が保護軸受のスラスト支持側に接触した状態になるため、スラスト方向の工具交換ポイントを一定位置にすることができる。
(Working-shaped state)
The reference example was a case where the axial direction of the magnetic bearing device was installed in the vertical direction (vertical shape). In the case of this vertical type, if no current is applied to the thrust magnetic bearing electromagnet, the rotating body will be in contact with the thrust support side of the protective bearing due to gravity, so the tool change point in the thrust direction should be a fixed position. Can do.
しかし、磁気軸受装置の軸方向が鉛直方向と90°なす方向に設置(横形)されている場合には、スラスト方向も制御して位置決めする必要がある。実施形態は、このような横形の構成について考慮したものである。
However, when the axial direction of the magnetic bearing device is installed in a direction 90 ° to the vertical direction (horizontal), it is necessary to control the thrust direction for positioning. Exemplary type state is obtained by taking into account the structure of such a lateral.
図4は本発明の実施形態における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図である。なお、基本的には前記参考例の構成と同様であって、図1〜図3にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
Figure 4 is a block diagram showing an overall configuration of a magnetic bearing device definitive in practice forms state of the present invention. In addition, it is the same as that of the structure of the said reference example fundamentally, Comprising: The same code | symbol is attached | subjected to the member corresponding to the member demonstrated in FIGS. 1-3, and detailed description is abbreviate | omitted.
図4に示すように、実施形態は可変重量部交換モード処理部14のスラスト磁気軸受制御装置にもバイアス指令発生部16を設けている。実施形態1において、自動工具交換時の可変重量部交換モードにおける可変重量部交換モード処理部14において設定したラジアル磁気軸受電磁石22,24にのみバイアス電流を印加していたが、実施形態2においては、設定したラジアル磁気軸受電磁石22,24に加えて、バイアス指令発生部16とパワー増幅器9により、スラスト磁気軸受電磁石26,または27のどちらかにもバイアス電流を印加し、工具位置決めポイントへ回転体31を固定する。その他の構成,動作については参考例と同様である。
As shown in FIG. 4, exemplary type state is provided with a bias
実施形態に係る構成によれば、磁気軸受装置を横形に設置した場合にも、自動工具交換時に、設定したラジアル磁気軸受電磁石およびスラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加し、回転体を工具交換ポイントに位置決めすることにより、回転体に加工機に設置されているアームからの力が加わっても工具交換を行うことができ、信頼性が高く、かつ短時間で自動工具交換可能が行える磁気軸受主軸を提供することができる。
According to the configuration according to the exemplary shape condition, even when the installed magnetic bearing apparatus in horizontal, in the automatic tool change, the bias current is applied to the radial magnetic bearing electromagnets and a thrust magnetic bearing electromagnet set, the tool exchange rotator By positioning at the point, the magnetic bearing can perform tool change even when force is applied to the rotating body from the arm installed on the processing machine, and it is highly reliable and can automatically change tools in a short time. A main shaft can be provided.
本発明は、信頼性が高く、かつ短時間で工具交換可能が可能であるため、工具交換が必要であるマシニングセンタをはじめとして、工作物を無人加工することができる研削盤(グラインディングセンター)の用途にも適用できる。 Since the present invention is highly reliable and enables tool change in a short time, a grinding machine (grinding center) capable of unmanned machining of a workpiece such as a machining center that requires tool change is required. It can also be applied to applications.
1 磁気軸受制御装置
2,3 加算器
4,5 位相補償器
6,7,8,9 パワー増幅器
10,16 バイアス指令発生部
11 可変重量部交換位置検出部
12 モード判別部
13 磁気浮上モード処理部
14 可変重量部交換モード処理部
15 スラスト指令発生部
20 保護部材
22,23,24,25 ラジアル磁気軸受電磁石
26,27 スラスト磁気軸受電磁石
28,29 ラジアル変位センサ
30 スラスト変位センサ
31 回転体
32 工具
33,34 ラジアル磁気軸受ロータ
35 モータロータ
36 モータステータ
37 ツールホルダ
38 ケーシング
39 スラスト磁気軸受ロータ
40 可変重量部
41 主軸
42 モータ駆動装置
70 ドローバ
71 バネ
72 油圧シリンダ
73 センサターゲット
74 クランプセンサ
75 アンクランプセンサ
Sg1 可変重量部交換信号
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記回転体に装着される可変重量部の交換時に、外部より印加される可変重量部交換信号に基づき磁気浮上モードおよび可変重量部交換モードを判別するモード判別部と、
前記モード判別部の信号により前記ラジアル磁気軸受電磁石および前記スラスト磁気軸受電磁石の磁気浮上支承をコントロールする磁気浮上モード処理部と、前記モード判別部の信号により前記可変重量部の交換時に、前記ラジアル磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部と、前記スラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生部と、前記回転体が前記可変重量部の交換可能位置に移動したことを判別する可変重量部交換位置検出部とにより構成される可変重量部交換モード処理部とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。 In the magnetic bearing device for controlling the levitation by the control current of the radial magnetic bearing electromagnet and the thrust magnetic bearing electromagnet,
A mode discriminating unit for discriminating a magnetic levitation mode and a variable weight part exchange mode based on a variable weight part exchange signal applied from the outside when exchanging the variable weight part attached to the rotating body;
A magnetic levitation mode processing unit for controlling the magnetic levitation bearing of the radial magnetic bearing electromagnet and the thrust magnetic bearing electromagnet according to a signal from the mode determination unit; and the radial magnetism when the variable weight unit is replaced by a signal from the mode determination unit. A bias command generating unit for applying a bias current to the bearing electromagnet, a bias command generating unit for applying a bias current to the thrust magnetic bearing electromagnet, and the rotating body moved to the replaceable position of the variable weight unit. A magnetic bearing device, comprising: a variable weight part replacement mode processing unit configured to include a variable weight part replacement position detecting unit for determining this.
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