JP4559912B2

JP4559912B2 - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP4559912B2
Application number: JP2005142459A
Authority: JP
Inventors: 功田代; 亨中川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-05-16
Also published as: JP2006316959A

Description

本発明は、主軸をラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させて受ける磁気軸受装置に係り、特に、主軸の熱膨張を補正する必要のある磁気軸受装置に関するものである。

従来の磁気軸受装置としては、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の位置制御指令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により、熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを補正するものがあった（例えば特許文献１参照）。図４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。

図４において、工作機械用の磁気軸受装置は、主軸３１を磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂとにより固定側から磁気浮上させると共に、主軸３１をモータ手段（図示せず）で回転駆動し、主軸３１の端部に取り付けられた加工ツール３２をワークの表面に押し付けて加工を行うように構成されている。

磁気ラジアル軸受手段Ａは、主軸３１の軸方向に所定間隔で配置されたラジアル磁気軸受電磁石であるラジアルマグネットステータ２２，２４と、主軸３１のラジアル位置を検出するラジアルセンサ２８，２９，４０，４１とからなる。磁気スラスト軸受手段Ｂは、主軸３１に配置されたスラスト板３９と、その両側に配置されたスラスト磁気軸受電磁石であるスラストマグネットステータ２６，２７と、主軸３１のスラスト位置を検出するスラストセンサ３０と、スラスト制御手段１１１とからなる。また、図中の１０は位相補償器、１０はパワー（電流）増幅器であり、それぞれスラスト制御手段１１１を構成している。

前記構成の磁気軸受装置において、参照センサとしてラジアル変位センサ４０を使用し、このラジアル変位センサ４０の出力を補正演算器１１５に入力する。通常の工作機械用の磁気軸受装置では、スラスト方向はスラスト変位センサ３０とスラスト位置ターゲット面３１ｃとのギャップｇを規定値に近づけるように制御している。

しかし、主軸３１の温度が上昇すると、それに伴って主軸３１のスラスト位置ターゲット面３１ｃから主軸端面３１ｂまでの加工ツール取付部３１ａにスラスト方向の伸びが発生して加工ツール取付部３１ａの長さｍが長くなり、ツールホルダー３７を介して装着された工具３２の軸先端の位置がずれてしまい、上記のようなスラスト制御手段による自動制御だけでは加工ツール取付部３１ａの熱膨張によるスラスト方向の伸びΔｍが補正されないため、十分な加工精度が得られない。

そこで、磁気スラスト軸受手段Ｂのスラスト変位センサ３０の出力信号と位置指令との加算点に加工ツール取付部３１ａの熱膨張による伸びΔｍに基づく補正量を加算して主軸３１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１１７には演算部としての補正演算器１１５が設けられている。補正演算器１１５の処理内容は、ラジアル変位センサ４０から送られる主軸径ｄによる関数ｆ（Ｎ，ｄ）から加工ツール取付部３１ａの長さｍの伸びΔｍを算出するよう構成されている。

主軸３１の伸びが発生すると、ラジアル変位センサ４０からの出力信号が補正演算器１１５に入力され、主軸径ｄの膨張から主軸３１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３１の回転数Ｎが補正演算器１１５に入力され、補正量が算出される。この補正量が位置指令に加算され、加工ツール取付部３１ａ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３２の先端位置のズレを自動的に補正でき、ワークに高精度の加工処理を行える磁気軸受装置となっていた。
特開２００１―２６９８２８号公報

しかしながら、従来の磁気軸受装置は、主軸の径を検出するセンサがラジアル方向１箇所のみである場合、加工負荷により主軸がラジアル方向に変位した場合、主軸が伸びていなくても、スラスト方向の主軸の伸び補正機能が動作してしまう。

また、実際の主軸は回転周波数の振れ回りが発生するが、その振れ回りが非軸対称の変位である場合にも伸び補正機能が正しく動作しない場合がある。

また、加工条件、例えば主軸の工具付近に切削液等をかけるなどにより主軸の先端の温度状態が変化し、補正機能が正しく動作しない場合があるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、加工中や回転による振れ回りがある状態においても、スラスト方向の主軸の伸び補正機能が正しく動作し、高精度に加工が行える磁気軸受装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の磁気軸受装置は、主軸をラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気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する磁気軸受装置であって、前記スラスト磁気軸受手段には、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト電磁石と、前記主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラスト変位センサと、前記スラスト変位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電磁石を励磁するスラスト制御手段と、前記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ツールが取り付けられるツール取付部と、前記主軸の前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置に配置され、かつ前記主軸を介してラジアル方向に対向して配置された一対のラジアル変位センサによって前記主軸の径を検出する参照センサと、前記対向するラジアル変位センサの出力を加算する加算器と、前記加算器により加算された前記一対のラジアル変位センサの出力より前記主軸の回転周波数成分を除去するフィルタ処理部とにより構成される主軸径検出処理部と、前記主軸径検出処理部の出力に基づいて前記主軸の温度情報を計算して、これを前記ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換する主軸伸び演算部と、プロセス状態信号を入力して前記主軸伸び演算部の演算結果の補正値を演算する補正値演算部と、前記主軸伸び演算部と前記補正値演算部との出力により、最終的な前記主軸の伸び補正値を演算する補正指令演算部とにより構成される伸び補正演算部と、前記伸び補正演算部の出力を前記スラスト変位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の位置制御指令に加算してスラスト制御補正することにより、スラスト方向の前記主軸の伸び補正を行うものである。

前記構成によって、加工負荷による主軸のラジアル方向の変位に対して、主軸のスラスト位置ターゲット面の近傍位置に配置され、かつ主軸を介してラジアル方向に対向して配置された一対のラジアル変位センサによって主軸の径を検出する参照センサからの信号を加算することにより、このラジアル方向の変位分をキャンセルすることができる。また、回転周波数成分を除去するフィルタ処理により非軸対象の回転振れが発生した場合において、回転振れ信号を遮断することができる。また、プロセス条件により主軸の状態が変化する場合においてもプロセス状態信号を基に、伸び補正値を補正することができる。

以上のように、本発明によれば、主軸のスラスト位置ターゲット面の近傍位置に配置され、かつ主軸を介してラジアル方向に対向して配置された一対のラジアル変位センサによって当該主軸の径を検出し、加算器により加算した一対のラジアル変位センサの出力からフィルタ処理部により主軸の回転周波数成分を除去することによって、加工中や回転による振れ回りがある状態においても、スラスト方向の主軸の伸び補正機能が正しく動作し、高精度に加工が行える磁気軸受装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、従来例を示す図４と同様な部材については同一の符号を付けた。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図、図２は図１の実施形態１における要部拡大図である。

図１および図２において、工作機械用の磁気軸受装置は、主軸３１を磁気ラジアル軸受手段Ａと磁気スラスト軸受手段Ｂとにより固定側から磁気浮上させると共に、主軸３１を後述するように回転駆動し、主軸３１の端部に取り付けられたツールとしての工具３２を、ワーク４４の表面に押し付けて加工を行うように構成されている。

また、３１は主軸であり、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およびツール取付部であるツールホルダー３７が取り付けられている。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、主軸３１の変位を検出するラジアル変位センサ２８，２９、４０，４１、スラスト変位センサ３０が配置され、主軸３１は所定位置に非接触で支持されている。

ここで、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５は、主軸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、スラスト電磁石であるスラスト磁気軸受電磁石２６，２７は、主軸３１を取り巻くリング状に配置されている。また、ラジアルセンサであるラジアル変位センサ２８，２９，４０，４１、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。

主軸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に電流を流すことにより主軸３１を回転駆動させ、主軸３１の端部に取り付けられた工具３２を、図２に矢印Ｙで示すように、ラジアル方向にワーク４４の表面に押し付けて加工を行うよう構成されている。なお、３８はケーシングであり、ケーシング３８の取り付けフランジ３８ａが取付面４５に固定されている。

次に、スラスト制御手段であるスラスト磁気軸受制御装置１について説明する。主軸３１の径を検出する参照センサとして、回転駆動する主軸３１の周囲に複数配置されたラジアル変位センサ２８，２９，４０，４１のうちから、本例ではスラスト位置ターゲット面３１ｃの近傍に対向して配置されたラジアル変位センサ２８，４０を用いた。

主軸３１が熱膨張すると、その径が大きくなるため、このラジアル変位センサ２８，４０により主軸３１の径から主軸３１の温度を検知することができる。しかし、従来の磁気軸受装置に示されるように、ラジアル変位センサ４０を１つのみを使用した場合において、加工中に主軸３１が受ける加工負荷などにより主軸３１が変位した場合に、ラジアル変位センサ４０が変位を検出するため、実際に主軸３１は熱膨張していなくても、この変位が熱膨張分と認識されてしまう。

そこで、対向するラジアル変位センサ２８，４０を用い、加算器２によりラジアル変位センサ２８と４０の出力を加算することにより前記変位分をキャンセルしている。また、実際に主軸３１を回転させると、回転周波数に同期した回転振れが発生する。この振れは、軸対称である場合もあるし、非軸対称の場合もある。この回転振れをラジアル変位センサ２８，４０が検出するため、この回転振れの影響をなくすために加算器２の出力をフィルタ処理部３に通すことにより回転周波数の信号を遮断する。フィルタ処理部３としては、例えば、加工で使用する回転周波数以上の周波数を十分減衰させることができるように設定したローパスフィルタなどで構成することが考えられる。加算器２とフィルタ処理部３で構成される処理を主軸径検出処理部４とする。

主軸径検出処理部４の出力は主軸径ｄに相当する。この主軸径ｄ信号と主軸回転数信号を主軸伸び演算部５に入力する。主軸伸び演算部５は関数ｆ（Ｎ，ｄ）から加工ツール取付部３１ａの長さｍの伸びΔｍ_ｔを算出するよう構成されている。ここでＮは主軸３１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。

具体的には、主軸径検出処理４の出力である主軸径ｄから主軸１の温度変化ΔＴは、（数１）の式にて求められる。

ここで、αは主軸熱膨張係数、ｄは主軸径、ｄ_０は停止状態の主軸径、ｄ_Ｎは遠心膨張時の主軸径であり、遠心膨張時の主軸径ｄ_Ｎは、あらかじめ構造解析により主軸３１の回転数Ｎと主軸径ｄとから求められる。

スラスト位置ターゲット面３１ｃから主軸端面３１ｂまでの長さｍのスラスト方向への熱膨張による伸びΔｍ_１は、（数２）の式にて表される。

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、主軸伸び演算部５の中では、その分を考えて出力信号は前記式に加えて、（数３）の式が出力されるように構成されている。

スラスト方向の遠心膨張分Δｍ_Ｎ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。

しかし、実際の加工においては、加工条件、例えば工具先端に切削液等をかけるなどにより主軸３１の温度分布が変化し、実際の主軸３１の伸びと、（数３）の式の計算結果とにズレが生じる場合がある。

そのために、加工の条件や、磁気軸受装置のラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５、主軸３１間の冷却エアーの温度等の磁気軸受装置の状態をプロセス状態信号として補正値演算部６に入力し、前記（数３）の式の結果を補正するための補正値を求める。補正値演算部６は、演算で求めることが可能な補正量は演算で求め、演算結果を補正指令演算部７に出力する。演算で求めることが困難である場合は実験値等を用い、プロセス状態信号を条件として、その条件に合う補正値を出力するようにテーブル化しておくなどの方法で補正指令演算部７に出力する。

主軸伸び演算部５の出力Δｍ_ｔと補正値演算部６の出力βを補正指令演算部７に出力する。補正指令演算部７ではΔｍ_ｔ、βを用い、実際の補正指令を演算する。例えば、βが補正係数である場合は、（数４），（数５）の式などにより表される。

主軸伸び演算部５と補正値演算部６と補正指令演算部７で構成される処理を伸び補正演算部８とする。

スラスト磁気軸受の制御は、通常は、位置指令により入力されたギャップｇの規定値に近づくようにスラスト変位センサ３０、加算器９、位相補償器１０、パワー増幅器１１からなるスラスト制御補正部により制御が行われる。

主軸３１の伸びが発生すると、ラジアル変位センサ２８，４０からの出力信号が主軸径検出処理部４に入力され、主軸径検出処理部４の出力、主軸回転数信号、プロセス状態信号を伸び補正演算部８に入力し、（数４），（数５）の式より補正量が算出される。

スラスト制御の補正量は（数６）の式にて表される。

この補正量が加算器９に入力され位置指令に加算されて、加工ツール取付部３１ａ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、工具３２の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク４４に高精度の加工処理を行うことができる。

（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２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。実施形態２は、実施形態１とはケーシング３８に温度センサ４３を設けてケーシング３８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、それ以外の構成は実施形態１と同様である。

具体的には、主軸３１を取り囲むケーシング３８にはケーシング３８の温度を検出する温度センサ４３が配置されている。主軸３１の温度上昇に伴ってケーシング３８の温度が上昇して熱膨張すると、ケーシング３８に設けられたラジアル変位センサ２８，２９，４０，４１とスラスト変位センサ３０の位置にズレが生じるため、この温度センサ４３によりケーシング３８の温度を検知して、実施形態１と同様に加工ツール取付部３１ａ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、伸び補正演算部８が構成されている。

温度センサ４３の出力は、主軸伸び演算部５に入力され、主軸伸び演算部５では、主軸径検出処理４から送られた主軸径ｄの情報と温度センサ４３から送られたケーシング３８の温度情報ΔＴ_ｃによる関数ｆ（ｄ，ΔＴ_ｃ，Ｎ）から、加工ツール取付部３１ａの長さｍの伸び（Δｍ１＋Δｍ_Ｎ）とケーシング３８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は前記と同様に主軸３１の回転膨張も考慮したためで、簡易的には関数ｆ（ｄ，ΔＴ_ｃ）で説明できる。

温度センサ４３から送られたケーシング３８の温度情報ΔＴ_ｃより、ケーシング３８の長さＬの伸びΔＬは、（数７）の式にて求められる。

ここで、α_Ｃはケーシング熱膨張係数、ΔＴ_ｃはケーシングの温度変化である。

このように構成された磁気軸受装置では、通常は、前記と同様のスラスト制御が行われる。主軸３１の伸びが発生すると、主軸伸び演算部５において、主軸径検出処理部４からの出力信号よる主軸径ｄの膨張と主軸３１の回転数Ｎに加えて、温度センサ４３からの出力信号によりケーシング３１の伸びΔＬが考慮され、出力信号は前記の式に加えて（数８）の式が出力されるよう構成されている。

また、補正指令演算部７により、補正値演算部６による補正値βを考慮し、（数９），（数１０）の式などにより表される演算が行われる。

この場合のスラスト制御の補正量は−Δｍで表され、この補正量が伸び補正演算部８より加算器９に出力され、加算器により位置指令に加算されて、加工ツール取付部３１ａの熱膨張による伸びとケーシング３８の伸びとが考慮され、スラスト位置制御が補正されるため、工具３２の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク４４に高精度の加工処理を行うことができる。

本発明の磁気軸受装置は、工作機械用の磁気軸受装置において有効であり、また主軸の熱膨張に対して補正をかけ、主軸先端位置を高精度に保つことができるため、ＣＤやＤＶＤなどの原盤の製作に使用されるカッティングマシーンの用途にも適用できる。

本発明の実施形態１における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図本発明の実施形態１における要部拡大図本発明の実施形態２における磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図従来の磁気軸受装置の全体構成を示すブロック図

符号の説明

Ａ磁気ラジアル軸受手段
Ｂ磁気スラスト軸受手段
１スラスト磁気軸受制御装置
２加算器
３フィルタ処理部
４主軸径検出処理部
５主軸伸び演算部
６補正値演算部
７補正指令演算部
８伸び補正演算部
９加算器
１０位相補償器
１１パワー増幅器
２０，２１保護軸受
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
２８，２９，４０，４１ラジアル変位センサ
３０スラスト変位センサ
３１主軸
３１ａ加工ツール取付部
３１ｂ主軸端面
３１ｃスラスト位置ターゲット面
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ツールホルダー
３８ケーシング
３８ａ取り付けフランジ
３９スラスト磁気軸受ロータ
４２モータ駆動装置
４３温度センサ
４４ワーク
１１１スラスト制御手段
１１５補正演算器
１１７加工ツール取付部位置補正手段

Claims

ツールを端部に取り付け可能な主軸を、ラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させると共に、前記主軸を回転駆動する磁気軸受装置であって、
前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト電磁石と、前記主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラスト変位センサと、前記スラスト変位センサの検出値と規定値の差に基づいて前記スラスト電磁石を励磁するスラスト制御手段と、前記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ツールが取り付けられるツール取付部と、前記主軸の前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置に配置され、かつ前記主軸を介してラジアル方向に対向して配置された一対のラジアル変位センサによって前記主軸の径を検出する参照センサと、前記対向するラジアル変位センサの出力を加算する加算器と、前記加算器により加算された前記一対のラジアル変位センサの出力より前記主軸の回転周波数成分を除去するフィルタ処理部とにより構成される主軸径検出処理部と、
前記主軸径検出処理部の出力に基づいて前記主軸の温度情報を計算して、これを前記ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換する主軸伸び演算部と、プロセス状態信号を入力し、前記主軸伸び演算部の演算結果の補正値を演算する補正値演算部と、前記主軸伸び演算部と前記補正値演算部との出力により前記主軸の伸び補正値を演算する補正指令演算部とにより構成される伸び補正演算部と、
前記伸び補正演算部の出力を前記スラスト変位センサの検出に基づく前記スラスト制御手段によるスラスト方向の位置制御指令に加算してスラスト制御補正するスラスト制御補正部とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
ツールを端部に取り付け可能な主軸を、ラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させると共に、前記主軸を回転駆動する磁気軸受装置であって、
前記主軸を取り囲むケーシングの温度を検出する温度センサと、
前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト電磁石と、前記主軸のスラスト位置ターゲット面を検出するスラスト変位センサと、前記スラスト変位センサの検出値と規定値の差に基づいて前記スラスト電磁石を励磁するスラスト制御手段と、前記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ツールが取り付けられるツール取付部と、前記主軸の前記スラスト位置ターゲット面の近傍位置に配置され、かつ前記主軸を介してラジアル方向に対向して配置された一対のラジアル変位センサによって前記主軸の径を検出する参照センサと、前記対向するラジアル変位センサの出力を加算する加算器と、前記加算器により加算された前記一対のラジアル変位センサの出力より前記主軸の回転周波数成分を除去するフィルタ処理部とにより構成される主軸径検出処理部と、
前記主軸径検出処理と前記温度センサの検出情報に基づいて前記主軸の温度情報を計算して、これを前記ツール取付部のスラスト方向の温度膨張長さに変換する主軸伸び演算部と、プロセス状態信号を入力して前記主軸伸び演算部の演算結果の補正値を演算する補正値演算部と、前記主軸伸び演算部と前記補正値演算部との出力により前記主軸の伸び補正値を演算する補正指令演算部とにより構成される伸び補正演算部と、
前記伸び補正演算部の出力を前記スラスト変位センサの検出に基づく前記スラスト制御手段によるスラスト方向の位置制御指令に加算して、スラスト制御補正するスラスト制御補正部とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
前記参照センサとして、前記ラジアル磁気軸受手段において前記主軸のラジアル方向の位置を検出するラジアルセンサを使用したことを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受装置。
前記主軸伸び演算部により、前記主軸の温度膨張による変形量と該主軸の遠心力による変形量とからスラスト制御補正することを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受装置。