(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御して前記アンプに指令を送る制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなる工作機械用磁気軸受装置において、
そのフィルタ制御器は、
前記制御器の信号または前記センサの信号から前記機械系の固有振動数成分を演算するｆｉ演算器と、
前記モータの駆動トルクを検出するトルクセンサの信号、または前記固定子の電流から、前記回転子にかかる負荷ｗを検出するＷ演算器と、
ＮＣ装置の加工指令を受けてデータを収集するときは、前記ｆｉ演算器が演算した固有振動数ｆｉｊと前記Ｗ演算器が演算した負荷ｗとを受けてそれぞれメモリに記憶し、ＮＣ装置の制御指令を受けて前記特定周波数を求めるときは、前記ＮＣ装置の加工指令と前記メモリに記憶された情報から前記機械系の固有振動数に対応する周波数を演算する統制器と、
その統制器の情報を受けて前記フィルタの前記特定周波数を設定する指令器と、
からなることを特徴とする工作機械用磁気軸受装置。
【請求項２】
回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御する制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなる工作機械用磁気軸受装置において、
ＮＣ装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器が補償動作をするときは、
予め記録された負荷ｗと機械系の固有振動数との関係から、その加工指令に対応する固有振動数ｆｉを求め、
加工が開始されるとその固有振動数を前記フィルタの前記特定周波数に設定し、
加工が終了すると元の設定に戻す、
という手順で動作することを特徴とする工作機械用磁気軸受制御装置の制御方法。
【請求項３】
回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御する制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなる工作機械用磁気軸受装置において、
ＮＣ装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器がデータ収集動作をするときは、
加工が開始されたことを検知すると、前記回転子にかかる負荷ｗと機械系の固有振動数ｆｉを求めて所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリング値を合計し、その合計値をサンプリング数で割り算して平均値を求め、
加工が終了したことを検知すると、求めた負荷ｗと機械系の固有振動数ｆｉの平均値を記憶する、
という手順で動作することを特徴とする工作機械用磁気軸受制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸に用いられる磁気軸受装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気吸引力を利用する吸引制御型の磁気軸受は、軸受剛性が高く、比較的大きな負荷を精度よく支えることができるので産業界で広く用いられつつある。特に、加工精度と生産性が求められる工作機械については、主軸への適用が試みられている。制御型磁気軸受には、非接触支持して支持摩擦が小さいため高速回転ができることや、軸受の損失が小さいこと、寿命が非常に長いことなどの利点がある半面、浮上する回転軸の機械共振が制御ループに入って振動しやすいという問題がある。ところがその共振は制御ループにフィルタを挿入することによって抑えられることが多数報告されており、その問題は少なくなっている。フィルタには様々な構成が用いられているが、代表的なものがノッチフィルタである。ノッチフィルタを用いると、機械系の共振周波数の信号が制御ループを巡回する時に大幅に減衰され、他の周波数の信号が影響を受けないため、共振することなく安定浮上できるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、機械の共振周波数を十分に低減するフィルターを設けていても、工作機主軸に取り付けたカッタがワークに接触する加工中は、カッタがワークに接していない時の機械系の共振周波数に比べて機械系の共振周波数が低下するので、予め設定したフィルタの周波数と現実の機械系の共振周波数が合わなくなり、制御系が安定性を失い発振しやすくなるという問題があった。
加工中の発振を回避するため、カッタがワークに接している時の共振周波数を予め測定してフィルタを設定する方法も試みられたが、その場合は、加工していない時の安定性が不足して発振しやすくなるという問題があった。
本発明は、加工していない時も、加工している時も、主軸を支える磁気軸受の制御系を安定にし、工作機主軸の性能を向上させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の工作機械用磁気軸受装置は、回転子と、その回転子にトルクを与えるモータと、電磁石を含む固定子と、その固定子に対する前記回転子の位置を検出するセンサと、その固定子に電流を供給するアンプと、指令位置と前記センサで検出した前記固定子の位置の差からその差が小さくなるよう制御して前記アンプに指令を送る制御器と、その制御器の中または前後に設けられ、通過する信号から前記回転子を含む機械系の固有振動数成分を除去するよう特定周波数が設定されたフィルタと、その特定周波数を制御するフィルタ制御器とからなり、そのフィルタ制御器は、前記制御器の信号または前記センサの信号から前記機械系の固有振動成分を演算するｆｉ演算器と、前記モータの駆動トルクを検出するトルクセンサの信号、または前記固定子の電流から、前記回転子にかかる負荷ｗを検出するＷ演算器と、ＮＣ装置の加工指令を受けてデータを収集するときは、前記ｆｉ演算器が演算した固有振動数ｆｉｊと前記Ｗ演算器が演算した負荷ｗとを受けてそれぞれメモリに記憶し、ＮＣ装置の加工指令を受けて前記特定周波数を求めるときは、ＮＣ装置の加工指令と前記メモリに記憶された情報から前記機械系の固有振動数に対応する周波数を演算する統制器と、その統制器の情報を受けて前記フィルタの前記特定周波数を設定する指令器と、からなることを特徴としている。
また、本発明の工作機械用磁気軸受制御装置の制御方法は、ＮＣ装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器が補償動作をするときは、予め記録された負荷ｗと機械系の固有振動数との関係から、その加工指令に対応する固有振動数ｆｉを求め、加工が開始されるとその固有振動数を前記フィルタの前記特定周波数に設定し、加工が終了すると元の設定に戻す、という手順で動作することを特徴としている。さらに、ＮＣ装置の加工指令を受けてそのフィルタ制御器がデータ収集動作をするときは、加工が開始されたことを検知すると、前記回転子にかかる負荷ｗと機械系の固有振動数ｆｉを求めて所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリング値を合計し、その合計値をサンプリング数で割り算して平均値を求め、加工が終了したことを検知すると、求めた負荷ｗと機械系の固有振動数ｆｉの平均値を記憶する、という手順で動作することを特徴としている。
このようにしているため、加工によって機械系の共振周波数が変化しても、それにあわせてフィルタの特定周波数が変化するので、制御系の安定性が損なわれること無く安定した軸受を維持できるのである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図１は本発明の構成を示す工作機械用磁気軸受制御装置のブロック図である。図において、１０は本発明の工作機械用磁気軸受制御装置であり、３０は工作機械用磁気軸受制御装置１０によって制御され、工作機主軸を支える軸受である。工作機械用磁気軸受制御装置１０は、制御器１１と、フィルタ１２、分配器１３、アンプ１４、１５、センサアンプ１６、フィルタ制御器２０から構成され、軸受３０は回転子３４と、上固定子３２、下固定子３３、センサ３１から構成されている。上固定子３２と下固定子３３は回転子３４の上下にエアギャップを介して工作機主軸の図示しないフレーム等に固定されており、センサ３１が回転子３４の浮上位置を検出するために同じくフレーム等に固定されている。上下の固定子３２、３３に電流を供給すると、それぞれ回転子３４との間に磁気吸引力を生じて近づけるよう作用する。上下固定子３２、３３と回転子３４の相対位置を検出するセンサ３１は、非接触で検出するため、渦電流や、静電気、光等を利用するものが望ましく、実用性という点から特に渦電流形センサが望ましい。センサ３１はセンサアンプ１６によって作動し、検出信号もセンサアンプ１６によって増幅される。そしてセンサアンプ１６の出力が回転子３４の浮上位置を表す信号になっている。制御器１１は回転子３４の浮上位置を指令する位置指令ｘｓとセンサアンプ１６の差の信号を入力すると、その位相と利得を制御して出力する。この制御器にはＰＩＤ制御器が多く用いられるが、同じように機能することができればこれに限るものではない。フィルタ１２は入力信号をフィルタリングして出力する回路であり、ノッチフィルタと位相進みフィルタを含んで、それぞれ中心周波数が外部信号cによって制御できるようになっている。分配器１３は入力信号に所定の演算を行って２つの信号を出力する。その演算とは、磁気吸引力の非線形特性を補償して磁気軸受制御系全体を見かけ上線形化するための演算を含んでおり、特公平３-４３７６６号、特公平６３-１９７３４号などに記載の技術が用いられる。従って、センサアンプの信号を入力して演算に用いられるが、図面を簡素化するため、また本発明の趣旨がそこにあるわけではないので省略している。アンプ１４、１５は入力信号に比例した電流を出力し、上下固定子３２、３３に電力を供給する。
【０００６】
フィルタ制御器２０は、ｆｉ演算器２１と、Ｗ演算器２２、メモリ２３、指令器２４、統制器２５から構成されている。ｆｉ演算器２１はＦＦＴの演算機能を備えており、センサ３１によって検出され、センサアンプ１６から出力される回転子３４の位置信号ｘと、制御器１１の指令信号の何れかを受けて周波数解析をする。そして、回転子を含む機械系の共振周波数を求めて信号ｆｉｊを出力する。ここにｉは共振周波数の次数であり、ｊは負荷の大きさに対応する番号である。
【０００７】
Ｗ演算器２２は、回転子３４に加えられた駆動トルクの信号、又は軸受３０に印加される電流を入力し、回転子３４の負荷の大きさを演算して対応する信号Ｗを出力する。回転子３４にはモータが接続されおり、回転子３４とモータの間に設けられたトルクセンサによって回転子３４に加えられるトルクが検出される。トルクセンサは、このほか電気的に検出するものであってもよく、回転子３４に加えられるトルクが検出できれば構成が限定されるものではない。トルクＴが検出されれば、ＮＣ加工情報に含まれるカッタの直径Ｄを用いて次式によって径方向の負荷Ｗが求められる。
Ｗ＝Ｔ／（Ｄ／２）                                      （１）
【０００８】
軸受３０の電流から負荷を求めるときは、電磁石の吸引力が電流の２乗に比例することから、上固定子３２の電流Ｉ１と下固定子３３の電流Ｉ２から支持する方向の力Ｗ１が次式によって求まる。
Ｗ１＝ｋ（Ｉ１2＋Ｉ２2）      ｋ：定数                  （２）
なお、磁気吸引力は厳密にはエアギャップの２乗に反比例するので、その性質を取り込んだ式を用いて演算してもよい。
この支持力Ｗ１の方向と直交する方向の支持力Ｗ２も同じようにして求めることができ、これらによって軸受３０の支持力、すなわち負荷の大きさＷが次式によって求められる。
Ｗ＝√（Ｗ１2＋Ｗ２2）                                  （３）
【０００９】
統制器２５は、データ収集段階では、ＮＣ装置のＮＣ加工情報に含まれる加工指令を受けると、ｆｉ演算器２１の信号ｆｉｊとＷ演算器２２の信号Ｗを入力し、所定の周期でサンプリングして加算する。そして同時に加算値を加算回数で割り算して平均値を求め、サンプリングを終えるとｊ番目の負荷ｗｊに対応するデータｆ１ｊ、ｆ２ｊ、ｆ３ｊ、…をメモリ２３に格納する。また一方で、補償段階では、ＮＣ装置の加工指令を受けると、その指令に対応する機械系の共振周波数を演算する。その演算は次のようにして行われる。メモリ２３に格納されているデータは、離散的な負荷ｗｊ（＝ｗ１、ｗ２、ｗ３、…）に対応するデータが格納されているので、加工情報を入力するとそれから負荷の大きさＷを求める。加工情報には回転速度や、カッタ径、切込み深さ、ワーク材料係数、カッタや軸受電流に基づく補正係数が含まれており、経験則から負荷Ｗが求められる。次にメモリに格納されたデータから負荷Ｗに対応する機械系の共振周波数ｆｉｊを補間計算する。負荷Ｗに最も近く、Ｗ１＜Ｗ＜Ｗ２という関係にあるＷ１、Ｗ２のデータがわかっており、それぞれに対応する機械共振周波数ｆ１ｊ（＝ｆ１１，ｆ１２，ｆ１３，…）とｆ２ｊ（＝ｆ２１，ｆ２２，ｆ２３，…）がわかっているとき、負荷Ｗに対応する機械共振周波数ｆｊは次式で求められる。
ｆｊ＝ｆ１ｊ＋ａ・（ｆ２ｊ−ｆ１ｊ）
ａ＝（Ｗ−Ｗ１）／（Ｗ２−Ｗ１）                        （４）
こうして機械共振周波数が求められると指令器２４に出力する。
【００１０】
指令器２４は、その周波数に対応してフィルタ１２の特定周波数を調整するための変換回路を含んでいる。可変周波数形のフィルタ１２がアナログ回路で構成され、オペアンプに外部接続された抵抗器の大きさで特定周波数を調整するような状態変数形フィルタで構成されている場合、並列又は直列接続された多数の抵抗器の一部をアナログスイッチで短絡し、短絡していない抵抗器によって特定周波数を決めることができる。この場合、指令器２４にはデコーダとアナログスイッチを備え、求められた周波数をデコードしてアナログスイッチを機能させ、所定の抵抗器を短絡させて特定周波数に設定することができる。デコードの仕方は当該フィルタの技術分野において公知であるので詳細な説明を省略する。本発明の趣旨によれば、指令器２４は上記の機能が果たせればどんな構成をしてもよく、状態変数形フィルタだけに対応する回路構成に限るものではない。
【００１１】
このような構成をした工作機械用磁気軸受制御装置１０が浮上制御するときは次のように動作する。センサ３１がセンサアンプ１６によって駆動され、固定子３１、３２に対する回転子３４の位置を検出するとセンサアンプ１６で信号に変換される。その信号が位置指令ｘｓと比較され制御器１１に入力される。回転子３４が指令位置より下に位置していれば上に移動させる信号を出力し、上に位置していれば下に移動させる信号を出力する。その信号はフィルタ１２を通過する際、回転子３４を含む機械系の固有振動数成分を除去される。そして２つの信号に分割されアンプ１４、１５に電流指令が与えられて上固定子３２と下固定子３３に電流が供給される。この電流によって回転子３４との間に磁気吸引力が生じ、回転子３４を所望の位置に保持する。以上は従来の軸受と同じ動作である。
【００１２】
次に、工作機械用磁気軸受制御装置１０が機械系の共振周波数を収集する過程について図４のフローチャートを用いて説明する。ＮＣ装置によって加工が開始されると主軸は待機位置から移動し始め、ワークに近づく（Ｓ１）。カッタがワークに接触すると主軸にかかる負荷が変化するためＷ演算器２２の出力信号が変化し、加工開始が検知される（Ｓ２）。主軸がワークに近づいている間は、Ｗ演算器２２の出力信号は変化しないので、変化が現れるまで待たれる。加工開始が検知された後は、所定のサンプリング周期でｆｉ演算器２１の出力、すなわちｆｉｊと、Ｗ演算器２２の出力がサンプリングされ、加算して合計値が求められ、同時にサンプリング数で割り算されて平均値が求められる（Ｓ３）。次にＷ演算器２２の出力が初期状態に戻ったことが検知されると加工終了と判断され（Ｓ４）、求められたｆｉ、ｗの平均値がメモリ２３に格納される（Ｓ５）。以上のデータ収集は負荷の大きさを様々に変えて行われ、収集されたデータは、図３に示すように、負荷の大きさｗの順に記録される。
【００１３】
次に加工中の機械共振周波数を補償して安定化を図る補償過程について、図５のフローチャートを用いて説明する。ＮＣ装置によって加工が開始されると、まず、統制器２５が加工指令から負荷ｗと負荷ｗに対応する機械共振周波数ｆｉを演算する（Ｓ１２）。負荷ｗは、回転数やカッタ径、切込み深さ、ワーク材料係数、カッタや軸受電流による補正係数などから経験的に決まり、予め対応づけられているので、加工指令が与えられるとすぐに求められる。メモリ２３に格納されているデータは図３に示すような離散的なデータであるので、（４）式を用い、補間計算して負荷ｗに対応する機械共振周波数が求められる。次にｗ演算器２２の出力が変化して加工開始が検知されると（Ｓ１３）、統制器２５で求めた機械共振周波数を指令器２４に出力し、フィルタ１２の特定周波数を変化させる（Ｓ１４）。加工終了が検知されるまでは加工中であるので、この状態が維持される。加工が終了するとＷ演算器２２の出力が元に戻るので、それによって加工終了を検知し（Ｓ１５）、指令器２４の指令を元に戻してフィルタ１２の特定周波数を元に戻す（Ｓ１６）。
以上のように動作するので、加工中にカッタがワークに接触して機械共振周波数が変化しても、その変化に見合ってフィルタの特定周波数が変更されるので、軸受制御系が不安定となることなく、安定した主軸の状態が維持されるのである。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、主軸に取り付けたカッタがワークに接触して機械固有振動数が変化しても、安定支持することができるので、高速化した主軸の性能を損なうことなく安定した加工を維持でき、工作機械の高性能化を推進することができるという実用的効果が得られるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気軸受制御装置の構成を示すブロック図
【図２】フィルタの構成を示すブロック図
【図３】メモリの内容を説明する表
【図４】データ収集手順を示すフローチャート
【図５】加工時の動作手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１０  磁気軸受制御装置
１１  制御器
１２  フィルタ
１３  分配器
１４、１５  アンプ
１６  センサアンプ
２０  フィルタ制御器
２１  ｆｉ演算器
２２  Ｗ演算器
２３  メモリ
２４  指令器
２５  統制器
３０  軸受
３１  センサ
３２  上固定子
３３  下固定子
３４  回転子
【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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