KR100355760B1 - Method and apparatus for controlling state of ball bearing using exciter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자기 방식의 비접촉식 가진기를 이용하여 주축의 운전부하에 따른 주축 강성을 실시간으로 보상 제어할 수 있도록 한 전자기 가진기를 이용한 주축 베어링 상태 제어 기법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 지능형 주축에 전자기 방식의 가진기를 사용하여 회전축을 가진하고, 진동 센서를 통해 회전시의 진동을 감지하며, 감지된 진동신호에 나타나는 주파수 응답을 분석하여 베어링의 강성 변화 및 예압 등과 같은 베어링의 상태를 검출하며, 이 검출 결과에 의거하여 가진기의 구동을 제어함으로써, 주축의 회전 정도와 강성을 최적 상태로 제어하기 때문에 지능형 주축 시스템의 안정성을 증진시킬 수 있을 뿐만 아니라 고속고정도의 성능을 실현할 수 있는 것이다.The present invention relates to a spindle bearing state control technique using an electromagnetic exciter capable of compensating and controlling the spindle stiffness according to the driving load of the spindle in real time using an electromagnetic contactless exciter. It uses an electromagnetic exciter to have a rotating shaft, detects vibration during rotation through a vibration sensor, and analyzes the frequency response appearing in the detected vibration signal to detect the bearing's state such as a change in bearing stiffness and preload, By controlling the driving of the exciter based on this detection result, the rotational degree and rigidity of the spindle can be optimally controlled, thereby increasing the stability of the intelligent spindle system and realizing high-speed, high-precision performance.
Description
본 발명은 주축 베어링의 상태를 제어하는 기법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기 가진기를 이용하여 주축 베어링의 상태를 감시 및 보상 제어하는 데 적합한 전자기 가진기를 이용한 주축 베어링 상태 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for controlling a state of a spindle bearing, and more particularly, to a method and apparatus for controlling a state of a spindle bearing using an electromagnetic exciter suitable for monitoring and compensating control of a state of the spindle bearing using an electromagnetic exciter. .
잘 알려진 바와같이, 생산 현장에서 가장 널리 이용되고 있는 볼 베어링으로 지지되는 고속 주축계는 운전중에 베어링이나 모터의 발열에 의한 열변형을 받게 되는 데, 이러한 열변형은 주축의 정적 강성, 동특성의 많은 변화를 야기시킨다. 특히, 운전부하 조건의 변화에 따른 발열량 변화와 냉각 조건, 주위 온도의 변화는 주축의 강성을 변화시키는 주요한 요인으로 작용하여, 운전중 주축 회전의 안정성과 가공 정도 등에 많은 문제점을 야기시킨다.As is well known, high speed spindle systems supported by ball bearings, which are most widely used in production, are subject to thermal deformation due to heat generation of bearings and motors during operation, which is characterized by a large number of static stiffness and dynamic characteristics of the spindle. Cause change. In particular, the change in the calorific value, the cooling condition and the change in the ambient temperature according to the change of the operating load condition act as a major factor to change the stiffness of the spindle, causing many problems such as the stability of the spindle rotation and the degree of machining.
따라서, 상기한 문제점들을 해결하기 위해서는 운전중에 사용되는 주축 내부의 베어링 상태를 실시간으로 모니터하여 베어링을 최적 상태로 보상 제어하는 것이 매우 필요하나, 이러한 기법들에 대해서는 현재로써 전혀 알려진 바가 없는 실정이다.Therefore, in order to solve the above problems, it is very necessary to monitor the bearing state inside the main spindle used during operation in real time to compensate and control the bearing to the optimum state, but these techniques are not known at present.
본 발명은 상기한 점에 착안하여 안출한 것으로, 전자기 방식의 비접촉식 가진기를 이용하여 주축의 운전부하에 따른 주축 강성을 실시간으로 보상 제어할 수 있는 전자기 가진기를 이용한 주축 베어링 상태 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above points, and provides a spindle bearing state control method and apparatus using an electromagnetic exciter capable of compensating and controlling the spindle stiffness according to the driving load of the spindle in real time using an electromagnetic contactless exciter. Its purpose is to.
상기 목적을 달성하기 위한 일관점에 따른 본 발명은, 볼 베어링을 사이에 두고 하우징으로 둘러싸인 회전축을 갖는 주축 시스템의 베어링 상태를 감시 및 보상하는 방법에 있어서, 상기 주축 시스템을 최적 상태로 셋팅하여 운전시킨 상태에서 주축의 초기 강성계수 및 감쇠계수를 산출하여 저장하는 과정; 상기 주축 시스템의 운전중에 발생하는 진동을 감지하고, 상기 회전축의 회전시에 발생하는 주파수 변화를 검출하는 과정; 상기 감지된 진동신호와 상기 검출된 주파수 변화에 의거하여 주파수 응답함수를 구하는 과정; 상기 구해진 주파수 응답함수를 분석하여 상기 주축의 운전중 강성계수 및 운전중 감쇠계수를 산출하는 과정; 및 상기 초기 강성계수 및 감쇠계수와 상기 산출된 운전중 강성계수 및 운전중 감쇠계수를 비교하여 그 변화량을 검출하고, 이 검출된 변화량에 의거하여 상기 하우징내 소정 부분에 장착된 전자기 가진기를 가진시킴으로써 상기 주축의 강성 변화를 보상하는 과정으로 이루어진 전자기 가진기를 이용한 주축 베어링 상태 제어 방법을 제공한다.In accordance with an aspect of the present invention, there is provided a method for monitoring and compensating a bearing state of a spindle system having a rotating shaft surrounded by a housing with a ball bearing interposed therebetween. Calculating and storing an initial stiffness coefficient and a damping coefficient of the main axis in the state of being made; Detecting a vibration generated during operation of the spindle system and detecting a frequency change generated when the rotary shaft is rotated; Obtaining a frequency response function based on the detected vibration signal and the detected frequency change; Calculating a stiffness coefficient during operation and a damping coefficient during operation of the main shaft by analyzing the obtained frequency response function; And comparing the initial stiffness coefficient and the damping coefficient with the calculated stiffness coefficient during operation and the damping coefficient during operation to detect an amount of change, and having an electromagnetic exciter mounted on a predetermined portion of the housing based on the detected amount of change. The present invention provides a spindle bearing state control method using an electromagnetic exciting device, which is configured to compensate for a stiffness change of the spindle.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 관점에 따른 본 발명은, 볼 베어링을 사이에 두고 하우징으로 둘러싸인 회전축을 갖는 주축 시스템의 베어링 상태를 감시 및 보상하는 장치에 있어서, 상기 외부로부터 제공되는 충격파 신호에 상응하는 가진력으로 상기 주축을 가진시키며, 운전중에 발생하는 상기 주축의 주파수 변화 신호를 발생하는 전자기 가진기; 상기 하우징의 소정 부분에 장착되어 상기 주축 시스템에서 발생하는 진동을 감지하는 진동 센서; 상기 감지된 진동신호와 상기 검출된 주파수 변화 신호에 의거하여 주파수 응답함수를 구하는 신호 처리기; 상기 구해진주파수 응답함수를 수치 해석 알고리즘으로 분석하여 상기 주축의 운전중 강성계수 및 운전중 감쇠계수를 산출하고, 기설정되어 저장된 초기 강성계수 및 감쇠계수와 상기 산출된 운전중 강성계수 및 운전중 감쇠계수를 비교하여 그 변화량을 검출하며, 이 검출된 변화량에 상응하는 가진기 구동 제어신호를 발생하는 분석/보상 제어기; 및 상기 분석/보상 제어기로부터 제공되는 가진기 구동 제어신호에 응답하여 가진기 구동을 위한 충격파 신호를 발생하며, 이 발생된 충격파 신호로 상기 전자기 가진기를 구동시키는 가진기 구동기로 이루어진 전자기 가진기를 이용한 주축 베어링 상태 제어 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for monitoring and compensating a bearing state of a spindle system having a rotating shaft surrounded by a housing with a ball bearing interposed therebetween, corresponding to a shock wave signal provided from the outside. An electromagnetic exciter which excites the main shaft by an excitation force and generates a frequency change signal of the main axis generated during operation; A vibration sensor mounted on a predetermined portion of the housing to detect vibration generated in the spindle system; A signal processor obtaining a frequency response function based on the detected vibration signal and the detected frequency change signal; The obtained frequency response function is analyzed by a numerical analysis algorithm to calculate the stiffness coefficient during operation and the damping coefficient during operation of the main shaft, and the preset stored initial stiffness coefficient and the damping coefficient and the calculated stiffness coefficient during operation and the damping during operation. An analysis / compensation controller for comparing the coefficients to detect the change amount and generating an exciter drive control signal corresponding to the detected change amount; And an electromagnetic exciter configured to generate a shock wave signal for driving the exciter in response to the exciter drive control signal provided from the analysis / compensation controller and to drive the electromagnetic exciter with the generated shock wave signal. Provides a bearing state control device.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자기 가진기를 이용한 주축 베어링 상태 제어 장치의 개념 블록도,1 is a conceptual block diagram of a spindle bearing state control apparatus using an electromagnetic exciter according to a preferred embodiment of the present invention;
도 2는 도 1에 도시된 전자기 가진기의 일예를 도시한 전자기 가진기의 단면도,FIG. 2 is a cross-sectional view of an electromagnetic exciting device showing an example of the electromagnetic exciting device shown in FIG. 1; FIG.
도 3은 도 1에 도시된 가진기 구동기의 일예에 대한 블록구성도.3 is a block diagram of an example of the exciter driver shown in FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
102 : 하우징 104 : 회전축102 housing 104 rotation axis
106 : 볼 베어링 108 : 전자기 가진기106: Ball Bearing 108: Electromagnetic Exciter
110 : 진동 센서 120 : 신호 처리기110: vibration sensor 120: signal processor
130 : 분석/보상 제어기 140 : 가진기 구동기130: analysis / compensation controller 140: exciter driver
302, 304 : 입력 선택 블록 306 : 채널 선택 블록302, 304: input selection block 306: channel selection block
308 : 전압 조절 블록 310 : 삼각파 발생 블록308: voltage control block 310: triangle wave generation block
312 : 비교 블록 314 : 증폭 블록312: comparison block 314: amplification block
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above and other objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the present invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 핵심 기술요지는, 지능형 주축에 전자기 방식의 가진기를 사용하여 회전축을 가진하고, 진동 센서를 통해 회전시의 진동을 감지하며, 감지된 진동신호에 나타나는 주파수 응답을 분석하여 베어링의 강성 변화 및 예압 등과 같은 베어링의 상태를 검출하며, 이 검출 결과에 의거하여 가진기의 구동을 제어함으로써, 주축의 회전 정도와 강성을 최적 상태로 제어한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.First, the core technical gist of the present invention is to have a rotating shaft using an electromagnetic type of exciter in an intelligent spindle, to sense vibration during rotation through a vibration sensor, and to analyze the frequency response appearing in the detected vibration signal of the bearing. By detecting the state of the bearing such as the change in the rigidity and the preload, and controlling the drive of the exciter based on the detection result, to control the rotational degree and rigidity of the main shaft to the optimal state, the object of the present invention through this technical means It can be easily achieved.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자기 가진기를 이용한 주축 베어링 상태 제어 장치의 개념 블록도로써, 주축 베어링 상태 제어 장치는 전자기 가진기(108), 진동 센서(110), 신호 처리기(120), 분석/보상 제어기(130) 및 가진기 구동기(140)를 포함한다.1 is a conceptual block diagram of a spindle bearing state control apparatus using an electromagnetic exciter according to a preferred embodiment of the present invention. The spindle bearing state control apparatus includes an electromagnetic exciter 108, a vibration sensor 110, and a signal processor 120. , An analysis / compensation controller 130 and an exciter driver 140.
도 1을 참조하면, 전자기 가진기(108)는 하우징(102)의 내측에 장착되며, 비접촉식으로 회전축(104)에 손상을 주지 않으면서 원하는 힘으로 회전축(104)을 가진(즉, 충격파 가진)하는 것으로, 후술하는 가진기 구동기(140)로부터 제공되는 구동력(PWM 펄스)에 따라 회전축(104)에 정적인 힘을 가해 하우징(102)과 회전축(104) 사이에 위치하는 볼 베어링(106)의 강성을 높이거나 낮추도록 기능하며, 가진기 구동기(140)의 구동에 따라 발생하는 가진 주파수 변화 신호를 신호 처리기(120)로 전달한다. 여기에서, 충격파 가진이라 함은 모든 주파수대의 가진을 의미한다.Referring to FIG. 1, an electromagnetic exciter 108 is mounted inside the housing 102 and has a rotating shaft 104 with a desired force (ie, with shock waves) in a non-contact manner without damaging the rotating shaft 104. By applying a static force to the rotating shaft 104 in accordance with the driving force (PWM pulse) provided from the exciter driver 140 to be described later, the ball bearing 106 located between the housing 102 and the rotating shaft 104 It functions to increase or decrease the stiffness, and transmits an excitation frequency change signal generated by driving the exciter driver 140 to the signal processor 120. Here, shock wave excitation means excitation of all frequencies.
즉, 주축의 강성은 운전시 열변형으로 인해 예압이 줄어 들어 강성이 줄어들게 되므로, 이 경우에 주축의 강성을 높여줄 필요가 있는 데, 이를 위해 전자기 가진기(108)를 가진시켜 전자기력으로 회전축(104)을 당기게 되면 볼 베어링(106)에 반경 방향의 힘이 작용하게 되고, 그 결과 볼 베어링(106)의 예압이 커지게 되므로써 볼 베어링(106)의 강성이 증가하게 된다. 주축의 감쇠기능 조절 또한 강성 제어와 마찬가지로 행해지며 실제적으로는 강성 제어와 감쇠기능 조절이 동시에 행해진다.That is, the stiffness of the main shaft is reduced due to the thermal deformation during operation, the stiffness is reduced, so in this case it is necessary to increase the stiffness of the main shaft, for this purpose by exciting the electromagnetic exciter (108) to rotate the rotating shaft ( Pulling 104 causes a radial force to act on the ball bearing 106, and as a result, the preload of the ball bearing 106 increases, thereby increasing the rigidity of the ball bearing 106. The damping function adjustment of the main shaft is also performed like the stiffness control, and in practice, the stiffness control and the damping function adjustment are simultaneously performed.
이때, 전자기 가진기(108)를 이용하여 주축의 축 방향 감시와 반경 방향 감시를 수행할 수 있는 데, 축방향 감시는 전자기 가진기(108)를 이용하여 축 방향으로 가진하여 진동 센서(110)를 통해 진동신호를 얻는 것을 의미하고, 반경 방향 감시는 전자기 가진기(108)를 이용하여 반경 방향으로 가진하여 진동 센서(110)를 통해 진동신호를 얻는 것을 의미한다. 본 발명은 전자기 가진기(108)가 반경 방향의 가진을 하므로 반경 방향 감시 방식에 해당된다.At this time, the axial monitoring and radial monitoring of the main shaft can be performed using the electromagnetic exciter 108, the axial monitoring using the electromagnetic exciter 108 in the axial direction by vibrating the vibration sensor 110 Means to obtain a vibration signal through, the radial monitoring means to obtain a vibration signal through the vibration sensor 110 by the excitation in the radial direction using the electromagnetic exciter (108). The present invention corresponds to the radial monitoring method since the electromagnetic exciter 108 has a radial excitation.
상기한 바와같은 기능을 수행하는 전자기 가진기(108)로서는, 예를들면 도 2에 도시된 바와같은 형상을 갖는 전자기 가진기를 사용할 수 있다.As the electromagnetic exciter 108 performing the function as described above, for example, an electromagnetic exciter having a shape as shown in FIG. 2 can be used.
도 2를 참조하면, 전자기 가진기(108)는 고정자(1081)의 각 폴(1083/a - 1083/h)에 감겨있는 코일(1085)에 전류를 흘려주면 고정자(1081)의 각 폴(1083/a - 1083/h)이 각각 N극과 S극을 가지는 전자석으로 되고, 이 전자석이 전자기력을 발생하여 스핀들 시스템의 회전축에 힘을 가하게 되는 원리로 작동한다.Referring to FIG. 2, the electromagnetic exciter 108 applies a current to a coil 1085 wound around each pole 1083 / a-1083 / h of the stator 1081, and each pole 1083 of the stator 1081. / a-1083 / h) are electromagnets with N and S poles, respectively, which operate on the principle of generating electromagnetic force and applying force to the axis of rotation of the spindle system.
여기에서, 서로 대향하는 두 개의 폴(예를들면, 1083/a - 1083/e, 1083/b - 1083/f, 1083/c - 1083/g, 1083/d - 1083/h)로 된 각 폴쌍들은 각각 하나의 채널로써 기능하는 데, 운전자가 상하 방향으로 대향하는 폴쌍을 선택하여 가진하는 경우 주축의 상하 방향으로 가진력이 가해지고, 모든 폴쌍을 선택하여 가진하면 주축 전체에 가진력이 가해지는 방식으로 작동한다.Where each pole pair consists of two opposite poles (e.g., 1083 / a-1083 / e, 1083 / b-1083 / f, 1083 / c-1083 / g, 1083 / d-1083 / h) Each function as one channel. When the driver selects and excites the pole pairs facing up and down, the excitation force is applied in the up and down direction of the main axis. When all the pole pairs are selected and excited, the excitation force is applied to the whole axis. Works.
한편, 진동 센서(110)는, 하우징(102)의 외측 소정 부분(예를들면, 볼 베어링(106)에 인접하는 부분)에 장착되어 지능형 주축이 회전할 때 발생하는 진동을 감지, 즉 베어링의 내륜으로부터 볼을 통해 외륜으로 전달되어 하우징(102)으로 전달되는 가진된 회전체(104)의 진동신호를 감지하는 것으로, 여기에서 감지되는 진동신호는 신호 처리기(120)로 전달된다.On the other hand, the vibration sensor 110 is mounted on an outer predetermined portion of the housing 102 (for example, the portion adjacent to the ball bearing 106) to detect the vibration generated when the intelligent spindle rotates, that is, the bearing By detecting the vibration signal of the excited rotating body 104 is transmitted from the inner ring to the outer ring through the ball to the housing 102, the vibration signal detected here is transmitted to the signal processor 120.
다음에, 신호 처리기(120)는, 예를들면 디지탈 신호 프로세서를 포함하는 것으로, 전자기 가진기(108)로부터 제공되는 가진 입력(가진 주파수 변화)과 진동 센서(110)로부터 제공되는 진동신호를 입력으로하여 그에 따른 주파수 응답함수를 산출한다. 예를들어, 주축 시스템을 1자유도계라고 가정할 때 주축 시스템에서의 주파수 응답함수(H(ω))는 아래의 수학식과 같이 산출할 수 있다.Next, the signal processor 120 includes, for example, a digital signal processor, and inputs an excitation input (vibration frequency change) provided from the electromagnetic exciter 108 and a vibration signal provided from the vibration sensor 110. The frequency response function is calculated accordingly. For example, assuming that the spindle system is a single degree of freedom, the frequency response function H (ω) in the spindle system can be calculated as shown below.
상기한 수학식 1에서, F는 힘을, X는 변위를, M은 질량을, C는 감쇠계수를, K는 강성계수를 각각 의미한다.In Equation 1, F denotes a force, X denotes a displacement, M denotes a mass, C denotes a damping coefficient, and K denotes a stiffness coefficient.
이때, 본 발명에서는 모든 주파수대를 가진하는 충격파 가진을 하기 때문에 가진시 각각의 주파수에 대한 응답 특성을 얻을 수가 있다. 따라서, 본 발명에서는 주축 시스템 전체의 주파수 응답함수를 구할 수 있다.At this time, in the present invention, since the shock wave excitation having all frequency bands is performed, the response characteristic for each frequency at the time of excitation can be obtained. Therefore, in the present invention, the frequency response function of the whole spindle system can be obtained.
그런다음, 신호 처리기(120)에서는 상술한 바와같은 과정을 통해 산출된 주파수 응답함수에 대한 정보 데이터를 분석/보상 제어기(130)로 전달한다.Then, the signal processor 120 transfers the information data on the frequency response function calculated through the above-described process to the analysis / compensation controller 130.
한편, 분석/보상 제어기(130)는, 예를들면 수치 해석 알고리즘이 내장된 컴퓨터 시스템인 것으로, 주축을 최적 상태로 맞춘 상태에서 측정한 초기 강성계수와 감쇠계수를 저장하고 있으며, 신호 처리기(120)로부터 전달받은 주파수 응답함수를 수치 해석 알고리즘으로 계산함으로써, 주축의 고유 진동수 및 강성 등과 같은 동특성을 측정하고, 그 측정 결과로써 얻어진 강성계수 및 감쇠계수와 기저장된 초기 강성계수 및 감쇠계수간의 비교를 통해 변화량을 산출하며, 이 산출된 변화량에 의거하여 전자기 가진기를 구동하기 위한 구동 제어신호(즉, 주축의 강성을 높이거나 낮추기 위한 구동 제어신호)를 발생하여 가진기 구동기(140)로 전달한다.Meanwhile, the analysis / compensation controller 130 is, for example, a computer system with a built-in numerical analysis algorithm. The analysis / compensation controller 130 stores the initial stiffness coefficient and the attenuation coefficient measured while the main axis is in the optimal state, and the signal processor 120 By calculating the frequency response function received from the CEM using a numerical analysis algorithm, dynamic characteristics such as natural frequency and stiffness of the main axis are measured, and a comparison between the stiffness and attenuation coefficients obtained as a result of the measurement and the initial stiffness and attenuation coefficients stored in the The change amount is calculated, and a driving control signal (ie, a driving control signal for increasing or decreasing the rigidity of the main shaft) for driving the electromagnetic exciter is generated and transmitted to the exciter driver 140 based on the calculated change amount.
또한, 가진기 구동기(140)는, 분석/보상 제어기(130)로부터의 구동 제어신호에 응답하여 전자기 가진기(108)에 적응적인 가진 구동신호(PWM 펄스)를 제공하는 자동 보상 모드와 운전자의 조작에 따라 선택되는 구동 제어신호에 응답하여 전자기 가진기(108)에 가진 구동신호(PWM 펄스)를 제공하는 수동 보상 모드를 갖는 것으로, 이러한 가진기 구동기(140)는, 예를들면 도 3에 도시된 바와같이 구성할 수 있다.In addition, the exciter driver 140 may be configured to provide an excitation drive signal (PWM pulse) adaptive to the electromagnetic exciter 108 in response to a drive control signal from the analysis / compensation controller 130. It has a manual compensation mode for providing a drive signal (PWM pulse) to the electromagnetic exciter 108 in response to the drive control signal selected in accordance with the operation, such an exciter driver 140 is shown in FIG. It can be configured as shown.
도 3은 본 발명에 따른 주축 베어링 상태 제어 장치에 채용 가능한 가진기 구동기에 대한 블록구성도로써, 가진기 구동기(140)는 제 1 입력 선택 블록(302), 제 2 입력 선택 블록(304), 채널 선택 블록(306), 전압 조절 블록(308), 삼각파 발생 블록(310), 비교 블록(312) 및 증폭 블록(314)을 포함한다. 또한, 비교 블록(312)은 4개의 비교기(312/1 - 312/4)를 포함하고, 증폭 블록(314)은 4개의 증폭기(314/1 - 314/4)를 포함한다.3 is a block diagram of an exciter driver employable in the spindle bearing state control apparatus according to the present invention. The exciter driver 140 includes a first input selection block 302, a second input selection block 304, A channel selection block 306, a voltage adjusting block 308, a triangle wave generation block 310, a comparison block 312 and an amplification block 314. In addition, the comparison block 312 includes four comparators 312/1-312/4, and the amplification block 314 includes four amplifiers 314/1-314/4.
도 3을 참조하면, 제 1 입력 선택 블록(302)은, 자동 보상 모드를 실행할 때 스윕(Sweep)파를 발생하는 것으로, 도 1에 도시된 분석/보상 제어기(130)로부터의 구동 제어신호에 응답하여 스윕파를 발생하여 채널 선택 블록(306)으로 전달한다.Referring to FIG. 3, the first input selection block 302 generates a sweep wave when executing the automatic compensation mode. The first input selection block 302 is configured to generate a sweep wave. In response, a sweep wave is generated and delivered to the channel selection block 306.
또한, 제 2 입력 선택 블록(304)은, 수동 보상 모드를 실행할 때 운전자 조작에 상응하는 신호(예를들면, 정적 신호, 수동 충격 신호, 자동 충격 신호)중의 어느 하나를 발생하여 채널 선택 블록(306)으로 전달한다. 여기에서, 정적 신호는 주축을 일정한 힘으로 당기는 가진력을 발생하도록 하기 위한 것으로 시스템을 액츄에이터로 사용할 때 이용하고, 수동 충격 신호는 운전중에 볼 베어링의 상태를 체크해 보고 싶을 때 사용하는 것으로 버튼을 한번 조작할 때마다 한 번씩 주축을 가진하며, 자동 충격 신호는 기설정된 일정한 시간 간격(예를들면, 1분, 5분 등)마다 가진을 위한 충격파 신호를 발생하도록 하기 위한 것이다.In addition, the second input selection block 304 generates any one of a signal (eg, a static signal, a manual shock signal, and an automatic shock signal) corresponding to the driver's operation when executing the manual compensation mode. 306). Here, the static signal is used to generate the excitation force to pull the main shaft with a constant force. It is used when the system is used as an actuator, and the manual shock signal is used to check the state of the ball bearing during operation. Each time the main axis has a main axis, the automatic shock signal is for generating a shock wave signal for the excitation every predetermined time interval (eg, 1 minute, 5 minutes, etc.).
다음에, 채널 선택 블록(306)은 수동 보상 모드시에 운전자가 채널을 선택하기 위한 것으로, 도 2에 도시된 바와같이, 전자기 가진기가 4개의 채널(즉, 1083/a - 1083/e 채널, 1083/b - 1083/f 채널, 1083/c - 1083/g 채널, 1083/d - 1083/h 채널)을 가진다고 가정할 때 4개의 채널 버튼이 구비된다.Next, the channel selection block 306 is for the driver to select a channel in the manual compensation mode, and as shown in FIG. 2, the electromagnetic exciter has four channels (that is, 1083 / a-1083 / e channels, Four channel buttons are provided, assuming that they have 1083 / b-1083 / f channels, 1083 / c-1083 / g channels, and 1083 / d-1083 / h channels.
또한, 전압 조절 블록(308)은, 도 3에서의 도시는 생략하였으나, 가변 저항을 갖는 것으로, 운전자의 조작에 따라 선택된 채널의 전압값을 가변시킴으로써 해당 채널로의 전류량을 조절한다. 삼각파 발생 블록(310)은 삼각파 신호를 발생하여 비교 블록(312)내 각 비교기(312/1 - 312/4)의 일단에 각각 제공한다.In addition, although not shown in FIG. 3, the voltage adjusting block 308 has a variable resistor, and adjusts the current amount to the corresponding channel by varying the voltage value of the selected channel according to the driver's operation. The triangular wave generation block 310 generates triangular wave signals and provides them to one end of each comparator 312/1-312/4 in the comparison block 312.
한편, 비교 블록(312)은, 예를들면 4개의 비교기(312/1 - 312/4)로 구성될 수 있는 데, 각 비교기(312/1 - 312/4)는 삼각파 신호를 일단의 입력으로 하고 전압 조절 블록(308)으로부터의 출력을 타단의 입력으로 하여 가진을 위한 충격파 신호, 즉 PWM 신호를 발생한다.On the other hand, the comparison block 312 may be composed of, for example, four comparators 312/1-312/4, each comparator 312/1-312/4 is a triangular wave signal to a set of inputs The output from the voltage adjusting block 308 is input to the other end to generate a shock wave signal for excitation, that is, a PWM signal.
또한, 증폭 블록(314)은 각 비교기(312/1 - 312/4)의 출력에 각각 연결된 4개의 증폭기(314/1 - 314/4)로 구성될 수 있으며, 대응하는 각 비교기(312/1 - 312/4)에서 출력되는 PWM 신호를 기설정된 소정 레벨로 증폭하여 도 1의 전자기 가진기(108)로 전달한다.In addition, the amplification block 314 may be comprised of four amplifiers 314/1-314/4, each connected to the output of each comparator 312/1-312/4, with each corresponding comparator 312/1 312/4) amplifies the PWM signal output to the predetermined predetermined level and delivers it to the electromagnetic exciter 108 of FIG.
따라서, 상술한 바와같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 주축 베어링 상태 제어 장치는 주축을 초기 최적의 상태로 맞추어 주축 시스템의 초기 강성 및 초기 감쇠를 구하고, 다시 주축 시스템을 운전시킨 일정 시간 후에 주파수 응답함수를 산출하여 주축의 강성계수 및 감쇠계수를 구하며, 초기 강성계수 및 감쇠계수와 운전중의 강성계수 및 감쇠계수를 비교하여 그 변화량을 구하고, 이 구해진 변화량(주축 시스템의 강성 및 감쇠 변화량)에 의거하여 가진력을 이용해 베어링의 강성을 보상 제어하기 때문에, 지능형 주축 시스템의 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 고속고정도의 성능을 기대할 수 있다.Therefore, the spindle bearing state control apparatus according to the present invention having the configuration as described above obtains the initial stiffness and initial attenuation of the spindle system by adjusting the spindle to an initial optimum state, and then frequency response function after a predetermined time of operating the spindle system again. To calculate the stiffness and damping coefficients of the spindle, compare the initial stiffness and damping coefficients with the stiffness coefficients and damping coefficients during operation, and obtain the amount of change, based on the calculated amount of change (stiffness and damping change of the spindle system). Therefore, by using the excitation force to compensate the control of the bearing stiffness, not only can the stability of the intelligent spindle system be improved, but also high speed and high accuracy can be expected.
이상 설명한 바와같이 본 발명에 따르면, 지능형 주축에 전자기 방식의 가진기를 사용하여 회전축을 가진하고, 진동 센서를 통해 회전시의 진동을 감지하며, 감지된 진동신호에 나타나는 주파수 응답을 분석하여 베어링의 강성 변화 및 예압 등과 같은 베어링의 상태를 검출하며, 이 검출 결과에 의거하여 가진기의 구동을 제어함으로써, 주축의 회전 정도와 강성을 최적 상태로 제어하기 때문에 지능형 주축 시스템의 안정성을 증진시킬 수 있을 뿐만 아니라 고속고정도의 성능을 실현할 수 있다.As described above, according to the present invention, an intelligent main shaft is provided with an electromagnetic exciter to have a rotating shaft, a vibration sensor detects vibration during rotation, and analyzes a frequency response appearing in the detected vibration signal to stiffness the bearing. By detecting the state of the bearing such as change and preload, and controlling the driving of the exciter based on the detection result, it is possible to improve the stability of the intelligent spindle system because it controls the rotation degree and rigidity of the spindle optimally. In addition, high speed and high accuracy can be realized.
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