JPH0297714A - 磁気浮上体の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、工作機械の磁気軸受型スピンドルのロータあ
るいは磁気浮上搬送装置の搬送浮上体等のように磁力に
より浮上保持される磁気浮上体の制御装置に関する。

（従来の技術） 従来、磁気浮上体（以下「浮上体」という）の浮上位置
制御としては、位置センサからの検出信号をフィードバ
ックして行なわれている。

例えば、磁気軸受型スピンドルのロータの場合は、ロー
タの長手方向の２箇所を電磁石の磁力により浮上保持す
るとともに、その浮上位置を位置センサにより検出し、
この位置センサの検出信号をブリッジ回路その他の処理
回路で処理し、ロータが所定の基準位置（目標位置）に
浮上保持されるように電磁石の励磁電流が制御されてい
る。

また、この制御においては、ロータの平行状態と傾斜状
態とをそれぞれ別々に制御するところの、平行モード制
御および傾斜モード制御とを分別して制御することも行
なわれている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の浮上体の制御装置においては
、フィードバック制御により浮上体が所定位置に浮上保
持されるように構成されているが、途中で浮上体の一部
分または全体の重量等が変化すると制御系の補償条件が
崩れ、浮上状態が不安定になる欠点があった。

例えば、工作機械のロータの場合、そのロータ先端に取
付けられている砥石あるいは刃物等の工具が交換された
場合、ロータの重心位置、質量。

慣性モーメント平行力および傾斜力が変化するため、制
御系の補償条件が崩れ、浮上状態が不安定となって動剛
性が低下する等の不具合が生ずることがあった。

また、磁気浮上搬送装置の搬送の場合も、搬送物重量の
変化または搬送アームの交換等により搬送浮上体の重量
が変化して上述のような不具合が発生することがあった
。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するためになされたものであ
って、その構成は工作機械の磁気軸受型スピンドルのロ
ータあるいは磁気浮上搬送装置の搬送浮上体等の電磁石
により浮上保持される磁気浮上体と、該磁気浮上体の浮
上位置を検出する位置センサと、該位置センサの検出し
た検出信号を処理してフィードバック制御する制御手段
とからなり、該制御手段により前記電磁石の励磁電流を
調整して磁気浮上体を所定位置に浮上保持させるように
した磁気浮上体の制御装置において、前記制御手段には
前記磁気浮上体の一部分または全体の重量が変化したと
き、その重量を基に磁気浮上体の質量、慣性モーメント
または重心位置のいずれか一つ以上を演算し、かっこの
演算結果により前記制御手段のゲイン増減量を演算する
演算手段が付加されているとともに、該演算手段からの
ゲイン増加信号またはゲイン減少信号により前記磁気浮
上体の制御条件を補正する補正回路が設けられているこ
とを特徴とするものであり、また、前記制御手段には前
記磁気浮上体の一部分または全体の重量が変化したとき
、その重量を基に磁気浮上体の質量、慣性モーメントま
たは重心位置のいずれか一つ以上を演算し、かつこの演
算結果により前記制御手段のゲイン増減量を演算する演
算手段が付加されているとともに、該演算手段からのゲ
イン増加信号またはゲイン減少信号により前記磁気浮上
体の制御条件を補正する補正回路が設けられていること
を特徴とするものである。

（作用） 本発明では、浮上体の質量、慣性モーメントおよび重心
位置が変化したときはその変化に応じて制御手段の制御
ゲインが補正され、変化後の値で浮上制御される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明装置の第１の実施例（請求項１に係る
発明）の概略構成を示すブロック図であって、ａは浮上
体としてのロータ１を備えた工作機械のスピンドルであ
る。このロータ１の一端には工具としての砥石が着脱自
在に設けられているとともに、前輪電磁石３ａ、３ｂお
よび後軸電磁石４ａ、４ｂによりロータ１の半径方向が
浮」二保持されている。

ロータｌの半径方向位置は前軸および後軸電磁石３ａ、
３ｂおよび４ａ、４ｂに隣接して設けられた前軸位置セ
ンサ５ａ、５ｂおよび後軸位置センサ６　ａ　＊　　６
ｂにより検出され、その検出信号は後述の制御手段へ送
出されている。

ロータ１の軸方向の軸受は、ロータ１に設けられたリン
グ部材１゛を電磁石７ａ〜７ｄの磁力により浮上保持し
て行なわれ、この浮上保持力の調整は位置センサ８ａ、
８ｂによりリング部材１′の位置を検出し、この検出信
号を図示しない制御手段によりフィードバック制御して
行なわれている。

ロータ１の回転は誘導コイル９により行なわれている。

すなわち、この誘導コイル９は図示しない駆動手段によ
り回転磁界を発生し、回転子としてのロータ１を所定回
転数で回転するように構成されている。

ｂは制御手段であって、その基本構成はロータ１の浮上
状態を平行モードと傾斜モードに分別するための平行モ
ード処理系路Ａ、傾斜モード処理系路Ｂ、およびこれら
画処理系路Ａ、　８間に接続されているクロス処理系路
Ｃ，Ｄ、　Ｅ、　Ｆから構成されている。

平行モード処理系路Ａおよび傾斜モード処理系路Ｂには
それぞれ前軸位置センサ５ａ、５ｂおよび後軸位置セン
サ６ａ、６ｂの位置信号を処理する位置処理回路１０ａ
、１０ｂ、平行モード制御回路１１．傾斜モード制御回
路１２およびこれら両制御回路１１．１２からの出力信
号を基に各電磁石３ａ〜４ｂへ励磁電流を供給する駆動
回路１３ａ〜１３ｄが設けられているとともに、各処理
系路Ａ−Ｆに補正回路としての後述する乗算回路が設け
られている。

Ｃは演算手段であって、物理定数演算回路３０およびゲ
イン増減量演算回路３１から構成され、これらはＯＰア
ンプ等の組合せからなるアナログ回路により構成しても
よく、またＣＰＵ、ＲＯＭ。

ＲＡＭ等の組合せからなるディジタル回路により構成し
てもよい。そしてこの演算手段Ｃは、工具交換等により
ロータ１の重量が変化した際に、上述の制御手段すの各
乗算回路１４〜２１へその変化に相当する信号を送出す
るように構成されている。

ここで、本実施例の動作を説明する前に第２図を参照し
て浮上体重量変化に伴う重心位置変化。

傾斜角、平行力および傾斜力変化を説明する。

今、工具変換前のロータ１は、前軸センサ５ａ。

５ｂによりその位置はｄ、と検出され、一方後軸センサ
６ａ、６ｂによりその位置はｄ２と検出され、ている。

また、ロータ１の重心位置Ｇは前軸側（前軸位置センサ
５ａ、５ｂ側）より！、および後軸側（後軸位置センサ
６ａ、６ｂ）より！２の位置にあるものとする。

ところで、工具（砥石２）が交換されると、交換前の工
具とその工具の重量の差により、重心位置がＧ　（、ｇ
＋　、　ｉ！、２）からＧ　−（、ｇ　−＋　、　ｌ　
−２）へ変化する。この変化により、重心移動量は当初
の重心移動量ｄｏからｄ−Ｏに変化する。これら重心移
動量（ロータの動きに伴う移動量）は実線と破線のベク
トルで図示されており、これらは下式に示す式によって
表わすことができる。

ｄ−。

また、傾斜角θ″は下式により示される。

さらに、ステイナーの定理より工具取付は後のロータ１
の傾斜方向の慣性モーメントＪ゛はＪ−＝Ｊ＋Ｍｆｏ２
＋Ｊ　ｖ＋ｍ、ｇｒ２（Ｊはロータだけの慣性モーメン
ト、Ｍはロータだけの重量、Ｊｔは工具の慣性モーメン
ト、ｍは工具の重量、ｌＴは工具の重心とロータ１の重
心Ｇ゛との距離）の式から求めることができる。

また、第２図（Ｆｌ）、　　（Ｆ２）で示されるように
、ロータ１の前軸位置センサ５ａ、５ｂ側にはＦ＋（前
軸平行力）の平行力が働き、後軸位置センサ６ａ、６ｂ
側にはＦ２　　（後軸平行力）の平行力が働いており、
したがって総合の平行力Ｆ。

はＦｏ！Ｆ、＋Ｆ２で示すことができる。

一方、ロータ１の傾斜力は、ロータ１が工具交換なしの
当初においてはその傾斜力Ｔ。はＴ。＝Ｆ＋、ｔ！＋　
　Ｆ２ｉ！、２で表わされる（ただし、電磁石とセンサ
は重心から等距離にあるものとする）。

このため、 および後軸平行力 が導かれる。

ところで、工具交換のためロータ１の重心がＧ′に変化
した場合、上述の傾斜力Ｔ。はＴ′に変化する。この傾
斜力Ｔ′はＴ−＝Ｆ、、ｇ−、−Ｆ２　ｉ！、−２に変
化する。この式はＴ−＝Ｆ、、ｇ−−（Ｆｏ　　Ｆ＋）
、ｅ−ｔと変形することができ、これからＦｌが導かれ
、同様にしてＦ２が導かれ、さらに１２−　＋　＋Ｊ２
−２　＝１　＋　＋１！、２を代入して下式が得られる
。

・・・（４） ・・・　（５） したがって、演算手段Ｃの物理定数演算回路３０は、こ
こにロータ１の初期値としての物理定数である重量Ｍ、
慣性モーメントＪ２重心位置Ｇ＜１　＋　＋１！　２　
）および工具重心位置を設定しておき、工具交換の際、
その工具の重量ｍを物理定数演算回路３０に可変抵抗器
等の人力手段により人力すれば、その工具の重量ｍに相
当する物理定数のＭ−、Ｊ＝および！０が上述の関係式
に従ってゲイン増減量演算回路３１に出力することがで
きる。

なお、一般に工具の慣性モーメントは小さいため、ここ
では省略したが慣性モーメントの大きな工具を用いる場
合はさらに慣性モーメントの人力を追加すればよい。ま
た、工具重心位置も一般に大きく変化することがないた
め初期値として設定したが、大きく変化する場合にはさ
らに工具重心位置の入力を追加すればよい。

上述の構成からなる本実施例の制御動作のうち、まず重
心位置変化、傾斜角、質量変化および慣性モーメント変
化について説明する。

まず、砥石２が交換されない場合は、適正な制御条件で
浮上保持される。すなわち、物理定数演算回路３０から
出力される各出力信号Ｍ−，Ｊ−および１２ｏ　（、ｇ
−＋、、ｅ−２）に相当する各出力の変化はなく、重心
位置Ｇ（所定の前軸距離！１゜後軸距離１２）、前軸位
置ｄ　ｌ　ｒ後軸位置ｄ２＋質ｆｆ１Ｍおよび慣性モー
メントＪを基に所定の基準位置になるようにフィードバ
ック制御される。つまり、この場合は従来と同様に、両
位置処理回路１０ａ、１０ｂからの位置信号（ｄ　Ｉ／
　（、ｇ＋　＋ｉ、２）、ｄ２／　（、ｇ＋　＋６２）
）は平行モード処理系路Ａ、傾斜モード処理系路Ｂ、ｌ
記両処理系路Ａ、　　Ｂと減算回路２２．２３により接
続されるクロス処理系路Ｃ，Ｆおよび上記画処理系路Ａ
。

Ｂと加算回路２４．２５により接続されるクロス処理系
路り、　　Ｆにより平行モードと傾斜モードとに分別さ
れて制御される。この際、平行モード処理系路Ａおよび
傾斜モード処理系路Ｂに設けられている平行モード制御
回路１１および傾斜モード制御回路１２は、制御信号を
安定に保持するように信号処理し、これにより各電磁石
３ａ〜４ｂの駆動回路１３ａ〜１３ｄを介して励磁電流
が制御される。

ところで、工具が交換されたときは、その交換された工
具の重ｆ１ｍが物理定数演算回路３０に人力される。こ
れにより、ここからその重量ｍに相当するＭ−、Ｊ−お
よびｉｏ　（、ｅ−＋、、ｅ−２）の各物理定数がゲイ
ン増減量演算回路３１へ送出される。

このため、ゲイン増減量演算回路３１からは質量の変化
（Ｍ′）に相当する出力信号が送出されるが、この変化
は平行モード制御にのみ影響を与えるので、これを平行
モード制御回路１１の前段に設けである補正回路の乗算
回路１４．１９に送出し、ここでこの質量変化に伴う制
御ゲインが調整される。

また、ゲイン増減量演算回路３１からは慣性モーメント
の変化（Ｊ′）に相当する出力信号が送出されるが、こ
の変化は傾斜モード制御にのみ影響を与えるので、これ
を傾斜モード制御回路１２の前段に設けられている補正
回路の乗算回路１６゜１８に送出し、ここでこの慣性モ
ーメント変化に伴う制御ゲインか調整される。

さらに、ゲイン増減量演算回路３１からは重心位置の変
化分１．　ｏ　（、ｇ　−＋　、　！！、　−２）に相
当する出力信号が送出されるが、これらは平行モード制
御回路１１の前後に設けられた補正回路としての乗算回
路１４．１５およびクロス処理系路り、　　Ｅに設けら
れた乗算回路１９．２０に人力される。

したがって、乗算回路１４からは位置検出回路１０ａか
らｄ＋　／　（、ｇ＋　＋ｉ２）に相当する出力が得ら
れているため（ｄ＋、ｅ”２）：／　（、ｇ＋＋乏２）
相当の出力信号が得られ、また乗算回路１９からは位置
検出回路１０ａからｄ２　／　（ｉ！、＋　＋１２）に
相当する出力が得られているため（ｄ２．ｇ−＋　）／
　（、ｅ＋　＋１２）相当の出力信号が得られる。これ
ら出力信号は平行モード制御回路１１の前段に設けられ
た加算回路２４で加算処理されることにより上述の（２
）式で示される新たな重心位置Ｇ′の制御ゲイン出力が
なされる。

一方、傾斜角θ−は、位置検出回路１０ａの出力がクロ
ス処理系路Ｃの乗算回路１８を介して傾斜モード処理系
路Ｂの加算器２２に入力されるので、この減算回路２２
からは上述の（３）式で示される傾斜角−θ′が出力さ
れる。

次に平行力および傾斜力の制御動作について説明する。

この制御動作は平行モード制御回路１１の後段の乗算回
路１５およびクロス処理系路Ｅに設けられた乗算回路２
０でゲイン制御される。

すなわち、平行モード制御回路１１の後段の乗算回路１
５に工具交換後の重心位置変化分（ｌ′１）に相当する
出力を入力することにより、またクロス処理系路Ｆの乗
算回路２０に工具交換後の重心位置変化分（、ｇ　−２
）に相当する出力を入力することにより各モード制御処
理系路Ａ、　　Ｂに設けられた減算回路２３および加算
回路２５から上記（４）および（５）に相当する平行力
および傾斜力の制御ゲインが得られる。これにより各駆
動回路１３ａ〜１３ｄは各電磁石３ａ、　　３ｂ、　４
ａ。

４ｂに励磁電流が供給されてロータ１の浮上位置が制御
される。

なお、上述の説明では特定の乗算回路（図示の入力信号
（ｌ′２等）の付加された回路）にのみゲイン増減信号
が入力されるようにしたが、これは説明の便宜のためで
あって、各乗算回路１４〜２１ヘゲイン増減信号を入力
し、ロータ１を所定の制御条件へ浮上保持させるように
してもよいことは勿論である。

以上のように、本実施例においては工具交換時に演算手
段Ｃからその工具重量に対応した質量。

慣性モーメントおよび重心位置が変化したとき、これを
補正するように制御ゲインが調整されるので、制御手段
すではその入力に基づいてロータ１の制御条件が補正さ
れ、そのロータ１の真の質量。

慣性モーメントおよび重心位置により制御される。

したがって、ロータ１は適正な制御条件に保持されるた
め、安定した所定の剛性力を備えた浮」二保持力が得ら
れる。

第３図および第４図は本発明装置の第２の実施例（請求
項２に係る発明）に係るもので、上述の第１実施例では
工具交換時に工具重量ｍを演算手段Ｃに人力するように
したが、本実施例ではこれを省略できるようにしたもの
である。

すなわち、本実施例では工具交換時に工作作業に先立ち
工具の交換されたロータ１を強制的に振動させ、その振
動の状態から質量、慣性モーメントおよび重心位置を検
出するようにしたものである。

このため、第１実施例の物理定数演算回路３０の代わり
に、発振回路（ＯＳＣ）４０．検波回路４１および制御
回路４２を設け、一方制御手段ｂの傾斜モード制御回路
１２の前段に加算回路２６を設けてこれに０３Ｃ４０の
発振信号を入力するようにし、さらに平行モード制御回
路１１の前段から検波回路４１へ検出信号を入力するよ
うに構成している。

以上の構成からなる本実施例の動作を第４図のフローチ
ャートを参照して説明する。

まず、スピンドルａ（第３図は第１図のスピンドルａの
部分が省略して示されている）が駆動開始されると、ロ
ータ１が浮上される（ステップ１００）。この場合、工
具交換がなければ工作作業が開始されるが（ステップ１
０２否定）、工具交換が行なわれたときにはロータ１の
浮」二目標位置を変更するためリセットボタン（図示せ
ず）が押される（ステップ１０２肯定、１０４）。

リセットボタンが押されると一定時間０８Ｃ４０が発振
しくステップ１０６）、この発振信号が加算器２６に供
給されると傾斜モード制御回路１２が発振してロータ１
を振動させる。

この傾斜モードの振動においてロータ１が初期重心位置
Ｇ（第２図参照）であれば平行モードは影響を受けない
が、工具交換によってその重心位置がＧ′に変わったと
きにその変位（、ｅｏ）に比例した分だけ振動を発生す
る。そこで本実施例ではこの振動は検波回路４１で検出
するようになっている。

したがって、検波回路４１は０８Ｃ４０からタイミング
信号を受けるとともに、平行モード処理系路ＡとＤを加
算した信号から発振信号を受けるとその信号を検波処理
して制御回路４２に送出する。

制御回路４２では検波回路４１から受けた信号を処理し
てゲイン増減量演算回路３１へ送出する。

このゲイン増減量演算回路３１からは各乗算回路１４〜
２１へ出力してクロス比例制御を行ない（ステップ１０
８）、このクロス比例制御の割合を変化させて平行モー
ド処理系路Ａがバランスのとれた状態、すなわち発振し
ない状態を検出してそのときの制御ゲインを保持する（
ステップ１１０肯定、１１２）。

次いで、０８Ｃ４０の駆動を止め、」−配所たな制御ゲ
インで制御手段すを作動させて工作作業が開始され、再
び工具交換が行なわれたときは再びステップ１０４に戻
り（ステップ１１６，１１８肯定）、作業終了まで上述
の工程が繰り返えされる（ステップ１１８否定、１２０
）。

以上の実施例においては、工具交換時にその重量を人力
するという手間が省略でき、工作作業性を一段と高める
ことができる。

なお、上述の実施例では浮上体としてロータの例を示し
たが、これを磁気浮」二様送装置の搬送浮上体としても
よい。また、浮上体の質量、慣性モーメントおよび重心
位置で制御ゲインを調整するようにしたが、このうちの
いずれか１つまたは２つで簡易に制御するようにしても
よい。

また、平行および傾斜モードに分離せずに独立して制御
する場合においても、同様に浮上体の質量、慣性モーメ
ントおよび重心位置に対する制御条件の補正を行なうこ
とができることは勿論である。

（効果） 本発明は、工具等が交換されて浮」一体の質量。

慣性モーメントまたは重心位置が変化したとき、その変
化分を補正するように制御ゲインが調整されるので、制
御手段はその浮上体の真の質量、慣性モーメントあるい
は重心位置を基に制御される。

このため浮上体は適正な制御条件に保持されるため、安
定した所定の剛性力あるいは浮」二保持力で浮上保持さ
れる効果を有することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の第１実施例の概略構成を示すブロ
ック図、第２図は浮上体の重心位置の関係を示す説明図
、第３図は本発明装置の第２実施例の概！ｌＩ２！措成
を示すブロック図および第４図はそのフローチャートで
ある。 １・・・ロータ（磁気浮上体） ２・・・砥石（工具） ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ・・・電磁石 ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ−・−位置センサ１０ａ、１０
ｂ・・・位置検出回路 １１・・・平行モード制御回路 １２・・・傾斜モード制御回路 １３ａ〜１３ｄ・・・駆動回路 ａ・・・スピンドル ｂ・・・制御手段 Ｃ・・・演算手段 特許出願人　　セイコー精機株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作機械の磁気軸受型スピンドルのロータあるいは
   磁気浮上搬送装置の搬送浮上体等の電磁石により浮上保
   持される磁気浮上体と、該磁気浮上体の浮上位置を検出
   する位置センサと、該位置センサの検出した検出信号を
   処理してフィードバック制御する制御手段とからなり、
   該制御手段により前記電磁石の励磁電流を調整して磁気
   浮上体を所定位置に浮上保持させるようにした磁気浮上
   体の制御装置において、 前記制御手段には前記磁気浮上体の一部分または全体の
   重量が変化したとき、その重量を基に磁気浮上体の質量
   、慣性モーメントまたは重心位置のいずれか一つ以上を
   演算し、かつこの演算結果により前記制御手段のゲイン
   増減量を演算する演算手段が付加されているとともに、
   該演算手段からのゲイン増加信号またはゲイン減少信号
   により前記磁気浮上体の制御条件を補正する補正回路が
   設けられていることを特徴とする磁気浮上体の制御装置
   。 ２、請求項１記載の磁気浮上体の制御装置において、 前記制御手段には前記磁気浮上体の一部分または全体の
   重量が変化したとき、その磁気浮上体を強制振動させて
   振動状態を検出し、その検出結果により前記制御手段の
   ゲイン増減量を演算する演算手段が付加されているとと
   もに、該演算手段からのゲイン増加信号またはゲイン減
   少信号により前記磁気浮上体の制御条件を補正する補正
   回路が設けられていることを特徴とする磁気浮上体の制
   御装置。