(57)【要約】【課題】加工精度及び加工能率を向上することができる工作機械の主軸システムを提供する。【解決手段】主軸システム１は、スピンドルモータ２と、スピンドル３と、スピンドル筐体４と、転がり軸受５と、能動制御磁気軸受６と、を備える。スピンドル３は、回転軸ＡＸの方向の＋Ｚ端でスピンドルモータ２と連結され、回転軸ＡＸの方向の−Ｚ端で回転工具Ｔが装着される。スピンドル筐体４は、スピンドル３を収容する。転がり軸受５は、回転工具Ｔよりもスピンドルモータ２に近い第１の位置Ｚ１で、スピンドル筐体４とスピンドル３との間に挿入され、スピンドル３をラジアル方向に支持する。能動制御磁気軸受６は、スピンドルモータ２よりも回転工具Ｔに近い第２の位置Ｚ２で、スピンドル筐体４とスピンドル３との間に挿入され、スピンドル３のラジアル方向の変位を制御可能である。【選択図】図１
2019209399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の方向の一端で回転工具が装着されるスピンドルと、
前記スピンドルを収容するスピンドル筐体と、
第１の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルをラジアル方向に支持する転がり軸受と、
前記第１の位置よりも前記回転工具に近い第２の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルの前記第２の位置でのラジアル方向の変位を制御可能な能動制御磁気軸受と、
を備える、工作機械の主軸システム。
【請求項２】
前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルの前記第２の位置の端部に固定された強磁性体と、
前記強磁性体に対して、前記スピンドルのラジアル方向に配置され、前記強磁性体を前記スピンドルのラジアル方向に吸引する電磁コイルと、
前記電磁コイルに流す電流を制御する制御部と、
を備える、
請求項１に記載の工作機械の主軸システム。
【請求項３】
前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルのラジアル方向の変位を検出する変位センサを備え、
前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位に基づいて、フィードバック制御を行い、前記電磁コイルに電流を流す電流を制御する、
請求項２に記載の工作機械の主軸システム。
【請求項４】
前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位及びフィードバック制御の制御情報の少なくとも１つを記録又はモニタリング可能である、
請求項３に記載の工作機械の主軸システム。
【請求項５】
前記制御部は、
比例要素及び積分要素の少なくとも一方を含むフィードバック制御を行う、
請求項３又は４に記載の工作機械の主軸システム。
【請求項６】
前記制御部は、
前記フィードバック制御により生成された電流指令をバイアス電流値で補正し、
前記バイアス電流値で補正された電流指令に従って、前記電磁コイルに電流を流す、
請求項５に記載の工作機械の主軸システム。
【請求項７】
前記スピンドルは、その他端に接続されたモータ又は前記第１の位置と前記第２の位置に挿入されたビルトインモータにより回転駆動される、
請求項１から６のいずれか一項に記載の工作機械の主軸システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マシニングセンタなどの回転工具用の工作機械に対する加工精度、加工能率の向上に対する要求が一段と高まっている（例えば、特許文献１参照）。その上、工作機械には、複雑な形状の加工品を加工できるようにすることが求められるようになってきている。加工品を複雑な形状に加工するには、長くて小径な回転工具の使用が不可欠である。さらには、安定した加工を行うため、工作機械に対して加工状態を監視する機能を有することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８９０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
回転工具を用いた切削加工における加工精度、加工能率を低下させる主な要因は、びびり振動の発生と切削抵抗によるたわみである。回転工具に小径で長いものを用いた場合には、回転工具の特性、すなわち剛性及び減衰がどのようなものであっても、びびり振動及びたわみの影響がさらに大きくなるのは明らかである。
【０００５】
回転工具の先端での剛性と減衰に影響を与えるのが、回転工具を保持するスピンドルを回転可能に支持する軸受である。スピンドルを支持する軸受は、スピンドルモータ側に１つ、回転工具側に１つ必要となり、少なくとも２つの軸受が必要となる。
【０００６】
軸受として一般的なものに転がり軸受がある。スピンドルを受動的に接触支持する軸受である転がり軸受を用いた場合には、スピンドルの剛性を高めスピンドルを安定して回転させることができる。しかしながら、スピンドルを支持する軸受を２つとも転がり軸受とした場合には、長くて小径な回転工具に発生するびびり振動やたわみを低減するのには限界がある。
【０００７】
一方、非接触な方法で、能動的にスピンドルを軸支する軸受として、能動制御磁気軸受がある。スピンドルを支持する軸受として磁気軸受を使った場合には、回転工具の運動制御が可能となるため、長くて小径な回転工具のびびり振動の低減、回転工具のたわみの制御及び状態監視機能を期待することができる。しかしながら、スピンドルを支持する軸受を２つとも能動制御磁気軸受とした場合には、制御系が複雑となって、切削抵抗などの外乱に対する安定性が低下するおそれがある。また、能動制御磁気軸受は、高価であるという不都合もある。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、加工精度及び加工能率を向上することができる工作機械の主軸システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る工作機械の主軸システムは、
回転軸の方向の一端で回転工具が装着されるスピンドルと、
前記スピンドルを収容するスピンドル筐体と、
第１の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルをラジアル方向に支持する転がり軸受と、
前記第１の位置よりも前記回転工具に近い第２の位置で、前記スピンドル筐体と前記スピンドルとの間に挿入され、前記スピンドルの前記第２の位置でのラジアル方向の変位を制御可能な能動制御磁気軸受と、
を備える。
【００１０】
この場合、前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルの前記第２の位置の端部に固定された強磁性体と、
前記強磁性体に対して、前記スピンドルのラジアル方向に配置され、前記強磁性体を前記スピンドルのラジアル方向に吸引する電磁コイルと、
前記電磁コイルに流す電流を制御する制御部と、
を備える、
こととしてもよい。
【００１１】
また、前記能動制御磁気軸受は、
前記スピンドルのラジアル方向の変位を検出する変位センサを備え、
前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位に基づいて、フィードバック制御を行い、前記電磁コイルに電流を流す電流を制御する、
こととしてもよい。
【００１２】
前記制御部は、
前記変位センサで検出された変位及びフィードバック制御の制御情報の少なくとも１つを記録又はモニタリング可能である、
こととしてもよい。
【００１３】
前記制御部は、
比例要素及び積分要素の少なくとも一方を含むフィードバック制御を行う、
こととしてもよい。
【００１４】
前記制御部は、
前記フィードバック制御により生成された電流指令をバイアス電流値で補正し、
前記バイアス電流値で補正された電流指令に従って、前記電磁コイルに電流を流す、
こととしてもよい。
【００１５】
前記スピンドルは、その他端に接続されたモータ又は前記第１の位置と前記第２の位置に挿入されたビルトインモータにより回転駆動される、
こととしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、スピンドルの軸受として、回転工具に近い方は磁気軸受が用いられ、遠い方は転がり軸受が用いられる。これにより、転がり軸受によりスピンドルの安定した回転を確保しつつ、能動制御磁気軸受により、電磁力を用いた外乱に強い制御系を採用することにより、回転工具のびびり振動の低減、回転工具のたわみの制御をすることができ、さらには加工状態を監視することができる。この結果、加工精度及び加工能率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る工作機械の主軸システムの構成を示す模式図である。
【図２】能動制御磁気軸受におけるステータの構成を示す上面図である。
【図３】打撃試験において制御磁気軸受のロータを打撃した場合のコンプライアンスの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る工作機械の主軸システムにおける自由振動のパラメータの一例を示す図である。
【図５】スピンドルの能動制御磁気軸受の位置でのばね特性の一例を示す図である。
【図６】能動制御磁気軸受の電磁コイルのステップ応答の一例を示す図である。
【図７】電磁コイル電流とスピンドルのたわみとの関係を示す図である。
【図８】能動制御磁気軸受の制御部の内部構成を示すブロック図である。
【図９】能動制御磁気軸受のコントローラにおけるフィードバック制御系の構成を示す制御ブロック図である。
【図１０】（Ａ）は、ＰＩＤ制御及びＰＩ制御の制御パラメータの一例を示す図である。（Ｂ）は、ＰＩＤ制御のステップ応答の一例を示す図である。（Ｃ）は、ＰＩ制御のステップ応答の一例を示す図である。
【図１１】（Ａ）は、スピンドルの変位が振動する様子を示すグラフである。（Ｂ）は、スピンドルの変位に対応する磁力の変化を示すグラフである。
【図１２】工作機械の主軸システムの構成の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。全図において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号が付されている。本実施の形態に係る工作機械の主軸システムは、回転工具を用いて切削加工を行うマシニングセンタに適用される。この主軸システムは、回転工具を回転させるスピンドルに発生するびびり振動の低減又はたわみの制御及び加工状態の監視を実現すべく、回転工具を回転させるスピンドルを支持する軸受を、回転工具から遠い方では転がり軸受を採用し、近い方では能動制御磁気軸受を採用する点に特徴を有する。
【００１９】
図１に示すように、主軸システム１は、主軸モータとしてのスピンドルモータ２と、回転体としてのスピンドル３と、回転軸筐体としてのスピンドル筐体４と、転がり軸受５と、能動制御磁気軸受６と、を備える。
【００２０】
スピンドルモータ２は、不図示のマシニングセンタの筐体に収容されている。スピンドルモータ２の固定子は、マシニングセンタの筐体に固定されている。スピンドルモータ２の回転子は、連結部２Ａを介してスピンドル３の回転軸ＡＸの＋Ｚ端に連結されている。スピンドルモータ２の回転子は、数千回転［ｒｐｍ］から、数万回転［ｒｐｍ］での回転が可能である。
【００２１】
スピンドル３は、回転軸ＡＸの方向に延びる円柱状の部材であり、例えば金属製（例えば炭素鋼）である。スピンドル３は、スピンドルモータ２の回転、すなわち回転子の回転ンに従って、回転軸ＡＸ周りに回転する。
【００２２】
スピンドル３の回転軸ＡＸの方向の−Ｚ側端には、チャック３Ａが取り付けられている。チャック３Ａには回転工具Ｔが取り付けられる。すなわち、スピンドル３の回転軸ＡＸの−Ｚ側端には回転工具Ｔが装着される。回転工具Ｔには、例えばエンドミルがある。スピンドルモータ２の回転により、スピンドル３及び回転工具Ｔが回転し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に可動な加工テーブル８に固定されたワークＷの切削加工が行われる。
【００２３】
スピンドル筐体４は、マシニングセンタの筐体の一部である。スピンドル筐体４は、円筒状の筐体であり、その内部にスピンドル３を回転軸ＡＸ周りに回転可能に収容する。図１では、スピンドル筐体４は、一部が破断して、その断面が図示されている。
【００２４】
転がり軸受５は、転動体（接触玉）を２つの部品の間に置くことで荷重をラジアル方向に支持する軸受である。転がり軸受５は、回転工具Ｔよりもスピンドルモータ２に近い第１の位置Ｚ１で、スピンドル筐体４とスピンドル３との間に挿入されている。本実施の形態では、転がり軸受５が２つ取り付けられている。
【００２５】
能動制御磁気軸受６は、回転体を磁気浮上によって能動的に支持する軸受である。能動制御磁気軸受６は、第１の位置Ｚ１よりも回転工具Ｔに近い第２の位置Ｚ２で、スピンドル筐体４とスピンドル３との間に挿入されている。能動制御磁気軸受６は、スピンドル３の第２の位置Ｚ２でのラジアル方向の変位を制御可能である。能動制御磁気軸受６は、磁気浮上による非接触支持を行うため、摩耗が生じない。そのため、潤滑油が不要であり、軸受の寿命は半永久的である。
【００２６】
能動制御磁気軸受６は、強磁性体としてのロータ１０と、電磁コイルを備えるステータ１１と、変位センサ１２と、制御部１３と、を備える。
【００２７】
ロータ１０は、スピンドル３の第２の位置Ｚ２に固定される強磁性体から成る部材である。ロータ１０は、図２に示すように、スピンドル３と同心に取り付けられた円環状の部材である。強磁性とは、隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ物質の磁性をいう。ロータ１０としては、例えば、ケイ素鋼板が用いられる。ケイ素鋼板とは、鉄に少量のケイ素を加えた合金であり、透磁率が比較的高く、安価であることから変圧器やモータの鉄心用の磁性材料として最も多く用いられている。
【００２８】
ステータ１１は、図２に示すように、スピンドル３及びロータ１０と同心に配置された円環状の部材である。ステータ１１とロータ１０との間には、空隙が設けられている。ステータ１１は、全体で８つの電磁石ユニット２０を備える。８つの電磁石ユニット２０は、ロータ１０及びスピンドル３を中心とする円周上に均等に配列されている。ここで、ロータ１０及びスピンドル３の中心をＸＹＺ直交座標系の原点とする。この場合、Ｚ軸とスピンドル３の回転軸ＡＸとが一致する。
【００２９】
電磁石ユニット２０は、鉄心２１と、コイル２２とを備える。鉄心２１は、例えばケイ素鋼板である。コイル２２に電流が流れることにより、電磁石ユニット２０には、ロータ１０に対する磁界による吸引力が発生する。なお、８つの電磁石ユニット２０では、コイル２２に電流が流れたときのスピンドル３の極性の向きは、原点Ｏを中心とする半径方向に関して同じである。
【００３０】
電磁石ユニット２０は、２つで一組のユニットを構成する。ステータ１１は、このようなユニットとして、駆動部１１ｘｐ、１１ｘｎ、１１ｙｐ、１１ｙｎを備える。駆動部１１ｘｐは、ロータ１０及びスピンドル３の＋Ｘ側に配置されており、駆動部１１ｘｎは、ロータ１０及びスピンドル３の−Ｘ側に配置されている。さらに、駆動部１１ｙｐは、ロータ１０及びスピンドル３の＋Ｙ側に配置されており、駆動部１１ｙｎは、ロータ１０及びスピンドル３の−Ｙ側に配置されている。
【００３１】
駆動部１１ｘｐを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を＋Ｘ方向に磁力ｆＥＭ（図８参照）で吸引する。一方、駆動部１１ｘｎを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を−Ｘ方向に磁力ｆＥＭで吸引する。駆動部１１ｘｐ，１１ｘｎのいずれか一方がスピンドル３及びロータ１０を吸引することにより、スピンドル３及びロータ１０のＸ位置を制御する。
【００３２】
また、駆動部１１ｙｐを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を＋Ｙ方向に磁力ｆＥＭで吸引する。一方、駆動部１１ｙｎを構成する一対の電磁石ユニット２０のコイル２２に電流を流すと、それらが電磁石となり、ロータ１０及びスピンドル３を−Ｙ方向に磁力ｆＥＭで吸引する。駆動部１１ｙｐ，１１ｙｎのいずれか一方は、スピンドル３及びロータ１０を吸引することにより、スピンドル３及びロータ１０のＹ位置を制御する。
【００３３】
変位センサ１２は、スピンドル３及びロータ１０のラジアル方向の変位、具体的にはＸ軸方向の変位Ｘ、Ｙ軸方向の変位Ｙを検出する。変位センサ１２は、静電容量センサ又は渦電流センサなどが用いられる。検出された変位Ｘ，Ｙは、制御部１３のフィードバック制御の観測量として用いられる。
【００３４】
上述のように、ステータ１１は、ロータ１０の位置を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に制御する。
【００３５】
このように、本実施の形態に係る主軸システム１は、スピンドル３が、回転工具Ｔから遠い方は転がり軸受５、近い方は能動制御磁気軸受６で支えられたいわゆるハイブリッド主軸ともいうべきものである。図３には、能動制御磁気軸受６のロータ１０を打撃する打撃試験を行った場合のコンプライアンス（変位／力）が示されている。図３に示すように、ロータ１０のコンプライアンスでは、２ヶ所にピークが見られる。振動数が低い方のピークはロータ１０の固有振動数に対応し、振動数が高い方のピークは回転工具Ｔの先端の固有振動数に対応している。したがって、回転工具Ｔ及びスピンドル３は、２自由度の振動系で近似することができる。
【００３６】
図４には、主軸システム１における自由振動のパラメータの一例が示されている。図４に示すように、スピンドル３（炭素鋼）の固有振動数Ω１は、５９０Ｈｚであり、回転工具Ｔ（エンドミル）の固有振動数Ω２は、６２５Ｈｚである。また、スピンドル３（炭素鋼）の減衰係数ζ１は、０．０１５であり、回転工具Ｔ（エンドミル）の減衰係数ζ２は、０．００７である。
【００３７】
また、図５には、スピンドル３のばね特性が示されている。ロータ１０に力Ｆを加えれば、スピンドル３はＸ軸方向及びＹ軸方向にたわむ。力Ｆとたわみδとの間には、図５に示すような線形関係（Ｆ＝３．５０３δ＋１．５０１）がある。したがって、能動制御磁気軸受６のステータ１１によりロータ１０に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に力Ｆを加えることにより、スピンドル３のＸ、Ｙ位置を制御することができる。
【００３８】
図６には、能動制御磁気軸受６の電磁石ユニット２０のコイル２２の応答特性の一例が示されている。図６に示すように、ステータ１１の電磁石ユニット２０のコイル２２にステップ状の電流を流したときにコイルに流れるコイル電流の応答は、コイル２２のインダクタンスのために実測値、理論値ともに一次遅れとなっている。その時定数は０．５秒程度であり、能動制御磁気軸受６は、スピンドル３のＸ軸方向及びＹ軸方向の制御について、十分な応答性を有している。
【００３９】
ただし、図７に示すように、電磁石ユニット２０のコイル２２に流れるコイル電流と、スピンドル３の撓みとの関係（バイアスなし）は、２次曲線となっており、非線形（without bias）となっている。そこで、能動制御磁気軸受６では、制御部１３が、コイル電流値Ｉｒをバイアス電流値ＩＢで補正することにより、コイル２２に流れるコイル電流と、スピンドル３の撓みとの関係を線形(with bias)とする必要がある。
【００４０】
制御部１３は、ステータ１１に流す電流を制御する。制御部１３は、変位センサ１２で検出された変位Ｘ，Ｙに基づいて、フィードバック制御を行い、電流指令Ｉｒを生成する。制御部１３は、生成した電流指令に従った電流を、ステータ１１の電磁石ユニット２０のコイル２２に流す。これにより、ステータ１１がロータ１０を磁力ｆＥＭで吸引し、スピンドル３及びロータ１０のラジアル方向の変位Ｘ、Ｙをキャンセルする。
【００４１】
制御部１３の詳細な構成について説明する。図８には、制御部１３における、スピンドル３及びロータ１０のＸ位置を制御する制御系の構成が示されている。図８に示すように、制御部１３は、コントローラ３０を中心に構成されている。制御部１３は、コントローラ３０と、ローパスフィルタ３１と、電圧アンプ３２と、スイッチ回路３３と、バイアス付与手段３４ｐ、３４ｎと、加算部３５ｐ，３５ｎと、電流アンプ３６ｐ，３６ｎと、を備える。
【００４２】
変位センサ１２は、ロータ１０の変位Ｘを検出し、その変位Ｘに関する電気信号を出力する。ロータ１０の変位Ｘが０であるときの変位センサ１２内のギャップはＸ０である。変位センサ１２では、ギャップにおけるＸ０からの変化が変位Ｘとして検出され、その変位Ｘに対応する電気信号が出力される。ローパスフィルタ３１は、変位センサ１２から出力された電気信号を入力し、電気信号に含まれるカットオフ周波数以下の周波数成分を除去する。
【００４３】
電圧アンプ３２は、ローパスフィルタ３１で高周波成分が除去された電圧信号を線形増幅して、出力する。
【００４４】
コントローラ３０は、電圧アンプ３２で線形増幅された変位Ｘに対応する電圧信号を入力する。コントローラ３０は、入力された電圧信号に基づいてフィードバック制御を行い、電流指令Ｉｒを出力する。
【００４５】
スイッチ回路３３は、コントローラ３０から出力された電流指令Ｉｒの極性に基づいて、電流指令Ｉｒの出力先を切り換える。具体的には、電流指令Ｉｒが正である場合には、スイッチ回路３３は、電流アンプ３６ｐに電流指令Ｉｒを出力する。電流指令Ｉｒが正であるということは、変位センサ１２で検出されるｘが負であり、スピンドル３を＋Ｘ方向に変位させる必要があるためである。この一方、スイッチ回路３３は、電流指令Ｉｒが負である場合には、電流アンプ３６ｎに電流指令Ｉｒを出力する。電流指令Ｉｒが負であるということは、変位センサ１２で検出されるｘが正であり、スピンドル３を−Ｘ方向に変位させる必要があるためである。
【００４６】
バイアス付与手段３４ｐ，３４ｎから一定のバイアス電流値ＩＢを出力する。加算部３５ｐ，３５ｎは、スイッチ回路３３から出力された電流指令Ｉｒを、バイアス電流値ＩＢで補正する。具体的には、電流指令Ｉｒが正である場合には、バイアス電流値ＩＢは電流指令Ｉｒに加算され、電流指令Ｉｒが負である場合には、バイアス電流値ＩＢは電流指令Ｉｒから減算される。図７に示すように、このバイアス電流値ＩＢは、コイル電流とスピンドル３の変位Ｘ、Ｙとの線形性を向上するために用いられる。
【００４７】
電流アンプ３６ｐ，３６ｎは、バイアス電流値ＩＢが加算された電流指令Ｉｒ’を線形増幅して出力する。出力された電流は、電磁石ユニット２０のコイル２２に流れる。電磁石ユニット２０のコイル２２に電流が流れると、ステータ１１が、ロータ１０を吸引してロータ１０のＸ位置を制御する。
【００４８】
制御部１３には、図８に示すＸ位置の制御系に加え、同様の構成を有するＹ位置の制御系を備えている。制御部１３は、Ｘ位置の制御系と、Ｙ位置の制御系とをそれぞれ動作させて、スピンドル３のＸ位置及びＹ位置の制御を行う。
【００４９】
コントローラ３０は、フィードバック制御として、ＰＩＤ（比例積分微分）制御又はＰＩ（比例積分）制御を行う。図９には、制御部１３において構築された制御ブロックが示されている。Ｘは、変位センサ１２で検出された変位である。変位センサ１２は、変位Ｘに対応する電気信号を出力する。その変換係数はＨである。出力された電気信号は、ローパスフィルタ３１、電圧アンプ３２を経て、コントローラ３０に入力される。
【００５０】
コントローラ３０は、電圧アンプ３２から出力された変位Ｘに対応する電気信号を入力し、その電気信号と目標値Ｉとの偏差ｅを算出する。コントローラ３０は、ＰＩＤ制御器４０を備えている。算出された偏差ｅは、ＰＩＤ制御器４０に入力される。
【００５１】
ＰＩＤ制御器４０は、ＰＩＤ制御を行って電流指令Ｉｒを生成して出力する。ＰＩＤ制御器４０は、比例要素による比例動作、積分要素による積分動作、微分要素による微分動作を行う。比例動作は、入力された変位Ｘに対応する信号の偏差に、予め設定された比例ゲインＫｐを乗算して、比例動作に基づく電流指令を生成する動作である。また、積分動作は、入力された変位Ｘに対応する信号の偏差の積分値に、積分ゲイン（積分時定数の逆数）ＫＩを乗算して、積分動作に基づく電流指令を算出する動作である。微分動作は、入力された変位Ｘに対応する信号の微分値に、微分ゲイン（微分時間）ＫＤを乗算して、微分動作に基づく電流指令を生成する動作である。ＰＩＤ制御器４０は、比例動作に基づく電流指令と、積分動作に基づく電流指令と、微分動作に基づく電流指令とを加算して、それらの加算値を電流指令Ｉｒとして出力する。
【００５２】
制御部１３では、コントローラ３０のＰＩＤ制御器４０から出力された電流指令Ｉｒが、バイアス電流値ＩＢで補正されて、電流アンプ３６ｐ，３６ｎで線形増幅される。そして、制御部１３は、電流アンプ３６ｐ，３６ｎで電流に変換された電流指令Ｉｒ’に対応するコイル電流を、駆動部１１ｘｐ又は１１ｘｎの電磁石ユニット２０のコイル２２に流す。そして、電磁石ユニット２０で発生する磁力ｆＥＭにより、ロータ１０が吸引される。本実施の形態では、このようにして、変位ＸがＸ０に維持される。
【００５３】
また、図３のコンプライアンスに示す固有振動数１２４０Ｈｚに対しては、制御部１３に、ローパスフィルタ３１を挿入することでフィードバック制御系の発振が抑制されている。そのカットオフ周波数は例えば８００Ｈｚである。
【００５４】
Ｙ軸方向についても、図９に示すフィードバック制御系が構成されており、これにより、変位Ｙが制御される。
【００５５】
ＰＩＤ制御器４０の比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩ、微分ゲインＫＤは、限界感度法により決定することができる。図１０（Ａ）には、ＰＩＤ制御器４０における比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩ、微分ゲインＫＤの一例が示されている。
【００５６】
図１０（Ｂ）は、ＰＩＤ制御器４０において、変位Ｘを、ステップ状に変化させたときの工具変位のステップ応答である。図１０（Ｂ）に示すように、ＰＩＤ制御を行った場合のステップ応答の結果で、立ち上がり時間は約４ｍｓで、オーバーシュートもほとんど見られなかった。すなわち、能動制御磁気軸受６においてＰＩＤ制御を行うことにより、２５０Ｈｚ程度の応答性を期待することができる。
【００５７】
本実施の形態では、コントローラ３０において、ＰＩＤ制御に代えて、ＰＩ制御を行うことも可能である。図１０（Ｃ）は、ＰＩ制御を行った場合の工具変位のステップ応答の結果である。図１０（Ａ）には、ＰＩ制御における比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩの一例が示されている。図１０（Ｃ）に示すように、ＰＩ制御の場合には、立ち上がり時間は９ｍｓとなり、微分動作がないことにより応答性は低下し、立ち上がり時間は約２倍になった。
【００５８】
なお、制御部１３では、回転工具Ｔを用いた切削中の変位Ｘ，Ｙ及び電流指令Ｉｒ、偏差ｅを含むフィードバックの制御情報の少なくとも１つを記録又はモニタリングすることができる。これにより、制御部１３は、マシニングセンタにおける回転工具Ｔによる加工状態を監視することができる。
【００５９】
制御部１３によれば、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、スピンドル３の変位Ｘの振動的な変動（点線）に応じて、その変位Ｘを打ち消す磁力ｆＥＭを、スピンドル３に与える。これにより、太い実線に示すように、変位Ｘの変動を打ち消すことができる。これにより、回転工具Ｔの切削により発生するびびり振動の低減又は回転工具Ｔのたわみの制御を行うことができる。
【００６０】
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、スピンドル３の軸受として、回転工具Ｔに近い方は能動制御磁気軸受６が用いられ、回転工具Ｔから遠い方は転がり軸受５が用いられる。これにより、転がり軸受５によりスピンドル３の安定した回転を確保しつつ、能動制御磁気軸受６の電磁力を用いた外乱に強い制御系を採用することにより、回転工具Ｔのびびり振動を低減し、回転工具Ｔのたわみを制御することができるうえ、加工状態を監視することができる。この結果、加工精度及び加工能率を向上することができる。
【００６１】
このように、回転工具Ｔのびびり振動を低減し、回転工具Ｔのたわみを制御することができるため、回転工具Ｔを長くて小径なものとし、複雑な形状の加工品の加工も可能となる。
【００６２】
また、能動制御磁気軸受６は、非接触にスピンドル３を支持するため、軸受の長寿命化を実現することができる。また、一方で、スピンドル３の上部では、転がり軸受５が採用されているので、主軸システム１の剛性の低減を抑制することができるうえ、主軸システム１を安価なものとすることができる。
【００６３】
また、図１２に示すように、スピンドルモータ２に代えて、ビルトインモータ２’を備える主軸システム１’を用いるようにしてもよい。ビルトインモータ２’は、回転子２Ｂと、固定子２Ｃとを備える。回転子２Ｂは、スピンドル３に同心に固定され、固定子２Ｃは、マシニングセンサのスピンドル筐体４’の内部空間に回転子２Ｂに対向する位置に固定されている。固定子２Ｃで発生する電磁力により、回転子２Ｂが回転し、これに伴いスピンドル３が回転する。すなわち、スピンドル３は、ビルトインモータ２’により回転駆動される。
【００６４】
スピンドル３の駆動源としてビルトインモータ２’を用いる場合には、ビルトインモータ２’は、転がり軸受５と、能動制御磁気軸受６との間に挿入される。このような構成を有する主軸システム１’においても、転がり軸受５によりスピンドル３の安定した回転を確保しつつ、能動制御磁気軸受６の電磁力を用いた外乱に強い制御系を採用することにより、回転工具Ｔのびびり振動を低減し、回転工具Ｔのたわみを制御することができるうえ、加工状態を監視することができる。
【００６５】
なお、上記実施の形態では、能動制御磁気軸受６では、変位センサ１２で検出される変位Ｘ、Ｙに基づいてフィードバック制御を行った。しかしながら、本発明はこれには限られない。電磁石ユニット２０のコイル２２を流れる電流の変化に基づいて、スピンドル３の変位Ｘ，Ｙを検出するようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では、限界感度法によりＰＩＤ制御の各種ゲイン等の制御パラメータを調整した。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、ステップ応答法により、ＰＩＤ制御の各種ゲインを調整するようにしてもよい。
【００６７】
また、上記実施の形態では、能動制御磁気軸受６における制御方式として、ＰＩＤ制御又はＰＩ制御を用いた。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、比例動作よりも積分動作を重視するＩ−ＰＤ制御を行うようにしてもよい。他に、比例動作のみのＰ制御や、積分動作を除くＰＤ制御を行うようにしてもよい。すなわち、制御部１３は、比例要素及び積分要素の少なくとも一方を含むフィードバック制御を行うようにすればよい。また、フィードバック制御にフィードフォワード制御を組み合わせるようにしてもよい。また、ファジイ理論に基づく非線形制御を採用するようにしてもよい。このように、本発明は、制御方式には限定されない。
【００６８】
なお、上記実施の形態では、マシニングセンタのスピンドルに本発明を適用する場合について説明したが、本発明はこれには限られない。旋盤のスピンドルに本発明を適用することができる。また、回転工具Ｔを用いる他の工作機械（例えばフライス盤）に本発明を適用することができる。
【００６９】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、マシニングセンタ等の工作機械のスピンドルに適用することができる。特に、長くて小径な回転工具を用いた複雑な形状の加工品の切削加工に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１，１’  主軸システム、２  スピンドルモータ、２’  ビルトインモータ、２Ａ  連結部、２Ｂ  回転子、２Ｃ  固定子、３  スピンドル、３Ａ  チャック、４，４’  スピンドル筐体、５  転がり軸受、６  能動制御磁気軸受、８  加工テーブル、１０  ロータ、１１  ステータ、１１ｘｐ，１１ｘｎ，１１ｙｐ，１１ｙｎ  駆動部、１２  変位センサ、１３  制御部、２０  電磁石ユニット、２１  鉄心、２２  コイル、３０  コントローラ、３１  ローパスフィルタ、３２  電圧アンプ、３３  スイッチ回路、３４ｐ，３４ｎ  バイアス付与手段、３５ｐ，３５ｎ  加算部、３６ｐ，３６ｎ  電流アンプ、４０  ＰＩＤ制御器、Ｔ  回転工具、Ｗ  ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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