KR100447021B1 - 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법은 공작기계의 빌트인 스핀들에 내장된 주축을 지지하는 다수의 자기베어링의 위치를 다수의 위치센서로 감지하고, 상기 위치센서에서 출력되는 각각의 센싱값을 받은 제어기가 상기 주축의 진동수와 변위를 산출하여 지령전류를 출력하며, 상기 제어기로부터의 지령전류를 증폭하는 전력증폭기가 각각의 자기베어링의 전자석에 전류를 공급하여 상기 자기베어링으로 상기 주축의 부양 상태를 제어하는 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법에 있어서, 주축이 회전한 때에 발생되는 변위를 감지하는 다수의 위치센서가 제어기에 센싱값을 보내고, 상기 제어기가 상기 센싱값으로 상기 주축의 진동수와 변위를 산출하여 상기 주축의 고유진동수와 비교한 뒤에 주축의 고유진동수와 근접할 때에 노치필터링 제어하여 주축이 근접하는 자기베어링의 전자석에 공급되는 지령전류를 기준전류의 3% ~ 15%로 강하하는 것을 포함하여 이루어진다.

본 발명은 주축이 회전할 때에 고유진동수에 도달하더라도 자기베어링에 인가되는 전류를 노치필터링 제어를 통하여 신속하고도 급격하게 가변하여 주축의 복귀 속도를 증대하기 때문에, 고유진동수에 근접하는 주축의 진폭을 용이하게 축소하여 주축의 회전수의 범위를 용이하게 증대할 수 있으며, 또한 주축의 고유진동수에 대한 설계적 한계를 극복하여 스핀들의 설계적 한계를 용이하게 확대할 수 있다는 이점이 있다.

Description

공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법{CONTROL METHOD OF MAGNETIC BEARING USED IN BUILT IN SPINDLE}

본 발명은 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주축이 회전할 때에 고유진동수에 도달하더라도 주축의 진폭을 축소함으로써 주축의 회전수의 범위를 용이하게 증대함과 더불어 스핀들의 설계적 한계를 용이하게 확대할 수 있도록 하는 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법에 관한 것이다.

공구를 회전하기 위한 스핀들이 공작기계에 설치되며, 종래에는 스핀들의 내부에 모터를 내장하고, 모터의 회전력으로 주축을 회전하게 되며, 다수의 자기베어링을 내장하여 주축이 부양된 상태로 회전되도록 하여 마찰의 손실 등을 줄이게 된다.

즉 자기베어링은 전자석에서 발생되는 자기력에 의해 아무런 접촉없이 주축을 부양 지지하게 되는 바, 상기 주축의 양측에 다수의 자기베어링이 설치됨과 더불어 축방향을 지지하는 자기베어링이 설치된다.

그래서 종래에는 상기 자기베어링을 제어하기 위하여, 주축과 함께 회전하는 로터의 위치가 위치센서에 의하여 검출되어 제어기로 신호를 출력하고, 상기 제어기가 이를 산출하여 로터의 기준 위치와 다르면 로터를 기준 위치로 리턴하기 위하여 로터의 둘레에 위치한 전자석에 각각 지령 전류를 흐르게 하며, 상기 전자석은 지령 전류에 의하여 자기력이 가변되어 로터가 기준 위치에서 회전하게 된다.

그러나 종래의 제어방법은 주축이 특정한 회전수에 도달할 때에 주축의 고유진동수와 같은 진동수를 나타내는 것을 피하기 위하여 주축의 질량이나 치수를 변화시켜 주축이 특정한 회전수 이내에서 회전하도록 설계하기 때문에, 주축의 설계적인 한계가 발생되며, 고유진동수에 도달하는 회전수 이상으로 주축을 회전하기 어려워서 주축 회전수의 한계를 극복하기 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 주축이 회전할 때에 고유진동수에 도달하더라도 자기베어링에 인가되는 전류를 신속하고도 급격하게 가변하여 주축의 진폭을 축소함으로써 주축의 회전수의 범위를 용이하게 증대함과 더불어 스핀들의 설계적 한계를 용이하게 확대할 수 있는 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법을 제공하는 데 있다.

이를 실현하기 위하여, 본 발명은 공작기계의 빌트인 스핀들에 내장된 주축을 지지하는 다수의 자기베어링의 위치를 다수의 위치센서로 감지하고, 상기 위치센서에서 출력되는 각각의 센싱값을 받은 제어기가 상기 주축의 진동수와 변위를 산출하여 지령전류를 출력하며, 상기 제어기로부터의 지령전류를 증폭하는 전력증폭기가 각각의 자기베어링의 전자석에 전류를 공급하여 상기 자기베어링으로 상기 주축의 부양 상태를 제어하는 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법에 있어서, 주축이 회전한 때에 발생되는 변위를 감지하는 다수의 위치센서가 제어기에 센싱값을 보내고, 상기 제어기가 상기 센싱값으로 상기 주축의 진동수와 변위를 산출하여 상기 주축의 고유진동수와 비교한 뒤에 주축의 고유진동수와 근접할 때에 노치필터링 제어하여 주축이 근접하는 자기베어링의 전자석에 공급되는 지령전류를기준전류의 3% ~ 15%로 강하하는 것을 포함하여 이루어지는 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 제어방법을 나타내는 공작기계용 빌트인 스핀들 및 이의 제어기를 나타내는 블록도,

도 2는 본 발명에 의한 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법을 나타내는 흐름도,

도 3은 본 발명에 의한 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법에 적용된 응답을 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명과 종래 기술을 비교하기 위한 실험치를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 주축 2 : 자기베어링

3 : 위치센서 3a : 센서출력부

4,6 : 제1,제2변환기 5 : 컴퓨터

5a : 제어기 7 : 전력증폭기

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 제어방법이 적용되는 공작기계용 빌트인 스핀들을 나타냄과 더불어 제어장치를 구성하는 구성도로서, 주축(1)을 다수의 자기베어링(2)으로 부양 지지하게 되고, 상기 주축(1)의 둘레면 위치와 길이 방향의 위치를 감지하는 다수의 위치센서(3)가 주축(1)의 양단부와 중앙부에 각각 설치되고, 다수의 위치센서(3)가 다수의 센서출력부(3a)와 각각 연결되고, 다수의 아날로그 신호를 디지탈 신호를 변환 출력하는 제1변환기(4)가 다수의 센서출력부(3a)와 병렬로 연결되어 센서출력부(3a)에서 출력되는 신호를 받게 되고, 컴퓨터(5)와 연결된 제어기(5a)가 상기 제1변환기(4)에서 출력되는 신호를 받아서 산출 처리하게 되고, 다수의 디지탈 신호를 아날로그 신호로 변환 출력하는 제2변환기(6)가 상기 제어기(5a)에서 출력되는 지령전류를 변환 출력하며, 상기 제2변환기(6)에서 출력되는 신호를 받아서 이를 증폭하는 다수의 전력증폭기(7)가 다수의 자기베어링(2)의 전자석에 전류를 공급하는 구조로 이루어진다.

다수의 자기베어링(2)은 상기 주축(1) 양측의 원주방향과 축방향을 각각 지지하게 되며, 주축(1)의 원주방향을 지지하는 자기베어링은 둘레면을 따라 다수의 전자석으로 분할하여 인력을 작용하게 된다.

다수의 위치센서(3)는 상기 주축(1)의 양쪽에서 상호 직교하도록 설치되어 주축(1)의 단면의 X방향과 Y방향의 변위를 감지하게 됨과 더불어 주축(1)의 길이 방향의 변화를 감지하게 된다.

상기 위치센서에서 출력되는 각각의 센싱값을 받은 제어기(5a)가 상기 주축(1)의 진동수와 변위를 산출하여 지령전류를 출력하며, 상기 제어기(5a)의 지령전류를 증폭하는 전력증폭기(7)가 각각의 자기베어링(2)의 전자석에 전류를 공급하여 상기 자기베어링(2)으로 상기 주축(1)의 부양 상태를 제어하게 된다.

그리고 본 발명의 제어방법은 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제어기(5a)가 상기 센싱값으로 상기 주축(1)의 진동수와 변위를 산출하여 상기 주축(1)의 고유진동수와 비교한 뒤에 주축(1)의 고유진동수와 근접할 때, 노치필터링 제어하여 주축(1)이 근접하는 자기베어링(2)의 전자석에 공급되는 지령전류를 기준전류의 3% ~ 15%로 급격하게 강하하는 것을 포함한다.

여기서 노치필터로 제어하여 지령전류를 기준전류의 15%보다 작게 강하되면 신속한 응답을 하지 못하며, 3%보다 크게 강하되더라도 주축이 기준 상태로 복귀하는 작용에 특별한 차이를 나타내지 않게 된다.

물론 주축(1)의 고유진동수는 제조된 상태에서 실험적으로 미리 알 수 있으므로 컴퓨터(5)에 주축(1)의 고유진동수 등과 같은 상수를 미리 설정하게 되며, 상기 컴퓨터(5)에는 각종 변수의 가감값, 감쇠비, 증폭비 등을 설정하게 된다.

아무튼 본 발명은 도 3에 도시한 바와 같이, 노치필터를 적용시킨 응답 신호가 주축의 고유진동수와 근접하는 진동수에서 급격하게 하강하게 되며, 급격하게하강된 전류가 주축(1)이 근접하는 자기베어링(2)의 전자석에 공급되어 주축(1)이 다른 자기베어링에 의하여 신속하게 멀어지게 하는 것이다.

그러면 도 4에 도시한 바와 같이, 종래와 같이 노치필터링 제어를 하지 않는 경우에는 고유진동수 부분에서 급격한 센싱값이 나타내고 있어 주축(1)이 자기베어링(2)에 접촉할 수 있는 것이나, 본 발명에 의한 노치필터링 제어를 하는 경우에는 고유진동수 부분에서 센싱값의 급격한 변동을 줄이게 된다.

이렇게 본 발명은 주축을 자기베어링으로 부양 제어함에 있어서, 주축이 회전할 때에 발생되는 진동수가 고유진동수에 근접하더라도 주축의 급격한 변위 변화를 줄이게 되며, 이에 따라 주축의 설계적 한계를 확대할 수 있는 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법은 주축이 회전할 때에 고유진동수에 도달하더라도 자기베어링에 인가되는 전류를 노치필터링 제어를 통하여 신속하고도 급격하게 가변하여 주축의 복귀 속도를 증대하기 때문에, 고유진동수에 근접하는 주축의 진폭을 용이하게 축소하여 주축의 회전수의 범위를 용이하게 증대할 수 있으며, 또한 주축의 고유진동수에 대한 설계적 한계 즉 주축의 길이, 질량 등의 한계를 극복하여 스핀들의 설계적 한계를 용이하게 확대할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (1)

1. 공작기계의 빌트인 스핀들에 내장된 주축을 지지하는 다수의 자기베어링의 위치를 다수의 위치센서로 감지하고, 상기 위치센서에서 출력되는 각각의 센싱값을 받은 제어기가 상기 주축의 진동수와 변위를 산출하여 지령전류를 출력하며, 상기 제어기로부터의 지령전류를 증폭하는 전력증폭기가 각각의 자기베어링의 전자석에 전류를 공급하여 상기 자기베어링으로 상기 주축의 부양 상태를 제어하는 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법에 있어서,

   주축이 회전한 때에 발생되는 변위를 감지하는 다수의 위치센서가 제어기에 센싱값을 보내고, 상기 제어기가 상기 센싱값으로 상기 주축의 진동수와 변위를 산출하여 상기 주축의 고유진동수와 비교한 뒤에 주축의 고유진동수와 근접할 때에 노치필터링 제어하여 주축이 근접하는 자기베어링의 전자석에 공급되는 지령전류를 기준전류의 3% ~ 15%로 강하하는 것을 포함하여 이루어지는 공작기계용 빌트인 스핀들의 자기베어링 제어방법.