(57)【要約】【課題】 従来、考慮されていなかった工具ばねを考慮することで、加工品質を向上させた工作機械を提供する。【解決手段】  工作機械は、回転軸11を非接触支持する複数組の磁気軸受13,14,15を制御する磁気軸受制御手段と、砥石2の切込み量および送り速度を制御する加工制御手段30とを備えている。磁気軸受制御手段は、制御電流から切削抵抗をリアルタイムで算出する加工抵抗演算手段42を有している。加工制御手段30は、切削抵抗が一定になるように送り速度を制御する。【選択図】    図１
2009291916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具が装着される回転軸と、回転軸を非接触支持する複数組の磁気軸受と、磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段と、工具の切込み量および送り速度を制御する加工制御手段とを備えている工作機械において、
磁気軸受制御手段は、制御電流から加工抵抗をリアルタイムで算出する加工抵抗演算手段を有しており、加工制御手段は、加工抵抗が一定になるように送り速度を制御することを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内面研削盤などの工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
研削盤などの工作機械として、工具（例えば砥石）が装着される回転軸と、回転軸を非接触支持する複数組の磁気軸受と、磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段と、工具の切込み量および送り速度を制御する加工制御手段とを備えているものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
このような工作機械では、軸方向の２箇所に配置されたラジアル磁気軸受により回転軸が支持されており、いわゆる軸受ばねが形成されている。
【特許文献１】特開平９−１０８９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
工作機械では、工具でワークを加工すると、工具とワークとの間に工具ばねが形成されることになり、加工前と加工中とでばね定数が変化し、ばね−回転体系の共振周波数が変化する。しかしながら、従来、このような工具ばねは考慮されておらず、ラジアル磁気軸受の制御定数は、工具ばねの無い状態で調整・設定されている。軸受ばねに対して工具ばねの寄与度は相対的に大きいものであり、加工に伴う共振周波数の変化幅が大きく、その結果、工具ばね無しで調整・設定した制御定数が最適なものでなくなり、共振が発生するなどの加工品質の低下を招く可能性がある。
【０００５】
この発明の目的は、従来、考慮されていなかった工具ばねを考慮することで、加工品質を向上させた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による工作機械は、工具が装着される回転軸と、回転軸を非接触支持する複数組の磁気軸受と、磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段と、工具の切込み量および送り速度を制御する加工制御手段とを備えている工作機械において、磁気軸受制御手段は、制御電流から加工抵抗をリアルタイムで算出する加工抵抗演算手段を有しており、加工制御手段は、加工抵抗が一定になるように送り速度を制御することを特徴とするものである。
【０００７】
加工品質の劣化を防ぐには、ラジアル磁気軸受の制御定数の設定の際に、工具ばねを考慮して、これを一定に保つことが好ましいが、工具ばねは、時々刻々変化し、これを直接制御することは困難である。一方、工具ばねは、加工抵抗（切削抵抗）あるいは送り速度に依存すると推定されることから、「工具ばねが一定になるように加工する」は、「加工抵抗が一定になるように送り速度を制御する」と言い換えることができる。
【０００８】
磁気軸受制御手段は、制御電流をモニタリングして工具（例えば砥石）に作用する加工抵抗（切削抵抗、研削抵抗など）の各成分（法線方向の力Ｆｎ、接線方向の力Ｆｔおよび軸方向の力Ｆｚ）をリアルタイムで算出し、加工制御手段は、加工抵抗が一定になるように送り速度を制御する。加工抵抗が一定になるように送り速度を制御するには、例えば、送り速度と加工抵抗の各成分（Ｆｎ、ＦｔおよびＦｚ）との関係式を予め求めておいて、この関係式に基づいて送り速度が変更されるようにすればよい。
【０００９】
工作機械は、たとえば内面研削盤などのように、回転駆動される回転軸の先端に砥石（またはその他の工具）が取り付けられたスピンドル装置を備えたものとされる。スピンドル装置は、例えば、ケーシング、ケーシング内に水平または垂直に配置された回転軸、回転軸を非接触支持する１つの制御型アキシアル磁気軸受および前後または上下の２つの制御型ラジアル磁気軸受、ならびに、回転軸のアキシアル方向の位置を検出するための１つのアキシアル変位センサおよび回転軸のラジアル方向の位置を検出するための前後または上下の２つのラジアル変位センサを備えているものとされる。ここで、各磁気軸受および各変位センサは、公知のものであり、通常、各ラジアル磁気軸受は、Ｘ軸方向磁気軸受およびＹ軸方向磁気軸受からなるものとされ、各ラジアル変位センサは、Ｘ軸方向変位センサおよびＹ軸方向変位センサからなるものとされる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の工作機械によると、加工抵抗が一定になるように送り速度が制御されることで、工具ばねを近似的に一定化することができ、工具ばねの変化に起因する共振が発生しなくなるので、加工品質の劣化が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、この発明による工作機械を示している。
【００１３】
この工作機械は、内面研削盤であり、ワーク(W)の内面を研削する砥石（工具）(2)が取り付けられた磁気軸受スピンドル(1)と、内面が被研削面であるワーク(W)を保持して回転させるワーク保持台(3)と、砥石(2)の切込み量および送り速度を制御する加工制御手段(30)とを備えている。
【００１４】
加工制御手段(30)は、図示省略するが、磁気軸受スピンドル(1)を軸方向に移動させるスピンドル移動手段、ワーク保持台(3)を磁気軸受スピンドル(1)に対して相対的に移動させて砥石(2)にワーク(W)に対する切込み動作を行わせるワーク保持台移動手段などを有している。
【００１５】
磁気軸受スピンドル(1)は、鉛直円筒状のケーシング(10)の内側で鉛直軸状の回転軸(11)が回転する縦型のものである。砥石(2)は、クイル(12)を介して回転軸(11)に装着されている。以下の説明において、回転軸(11)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの水平な径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００１６】
磁気軸受スピンドル(1)の機械本体部分には、回転軸(11)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(13)、回転軸(11)を径方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(14)(15)、回転軸(11)のアキシアル方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(16)と、回転軸(11)のラジアル方向の変位を検出するための前後２組のラジアル変位センサ(17)(18)と、回転軸(11)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(19)、ならびに回転軸(11)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転軸(11)を磁気軸受(13)(14)(15)で支持していないときに回転軸(11)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(20)(21)が設けられている。
【００１７】
磁気軸受スピンドル(1)のコントローラ部分（磁気軸受制御装置）には、センサ回路(22)、ＡＤ変換器(23)、ＤＳＰ（ディジタル信号処理プロセッサ）(24)、ＤＡ変換器(25)、電磁石駆動回路(26)およびインバータ(27)が設けられている。
【００１８】
アキシアル磁気軸受(13)は、回転軸(11)の下部に一体に形成されたフランジ部(12a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石(13a)(13b)を備えている。
【００１９】
アキシアル変位センサ(16)は、回転軸(11)の上端面にＺ軸方向の上側から対向するように配置され、回転軸(11)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。
【００２０】
２組のラジアル磁気軸受(14)(15)は、回転軸(11)の上下端部近傍に配置されており、上側のラジアル磁気軸受(14)とアキシアル磁気軸受(13)との間にモータ(19)が配置されている。各ラジアル磁気軸受(14)(15)は、回転軸(11)をＸ軸方向の両側からおよびＹ軸方向の両側から挟むように配置された２対のラジアル電磁石(14a)(15a)を備えている。
【００２１】
上側のラジアル変位センサ(17)は、上側のラジアル磁気軸受(14)の近傍上方に配置されており、下側のラジアル変位センサ(18)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍下方に配置されており、各ラジアル変位センサ(17)(18)は、回転軸(11)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【００２２】
保護軸受(20)(21)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(20)(21)の外輪がケーシング(10)に固定され、内輪が回転軸(11)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受(20)(21)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。運転停止あるいは停電などによって磁気軸受(13)(14)(15)が作動していない状態では、回転軸(11)は保護軸受(20)(21)に支持される。
【００２３】
センサ回路(22)は、各変位センサ(16)(17)(18)を駆動し、各変位センサ(16)(17)(18)の出力に基づいて、回転軸(11)の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサ(17)(18)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(23)を介してＤＳＰ(24)に出力する。
【００２４】
ＤＳＰ(24)は、ＡＤ変換器(20)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(13)(14)(15)の各電磁石(13a)(13b)(14a)(15a)に対する制御電流値をＰＩＤ制御によって求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をＤＡ変換器(25)を介して電磁石駆動回路(26)に出力する。そして、駆動回路(26)は、ＤＳＰ(24)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する各磁気軸受(13)(14)(15)の各電磁石(13a)(13b)(14a)(15a)に供給し、これにより、回転軸(11)が所定の目標位置に非接触される。ＤＳＰ(24)は、また、モータ(19)に対する回転数指令信号をインバータ(27)に出力し、インバータ(27)は、この信号に基づいて、モータ(19)の回転数を制御する。そして、その結果、回転軸(11)が、磁気軸受(13)(14)(15)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(19)により高速回転させられる。
【００２５】
磁気軸受スピンドル(1)では、図２に示すように、軸方向の２箇所に配置されたラジアル磁気軸受(14)(15)により回転軸(11)が支持されており、いわゆる軸受ばねが形成されている。そして、工具（砥石(2)）でワーク(W)を加工すると、砥石(2)とワーク(W)との間に工具ばねが形成される。そのため、加工前と加工中とでばね定数が変化し、ばね−回転体系の共振周波数が変化し、共振による加工品質の低下を招く可能性がある。加工品質の劣化を防ぐには、工具ばねを考慮して、これを一定に保つことが好ましい。
【００２６】
そこで、ＤＳＰ(24)には、従来の各種制御部に加えて、研削抵抗（加工抵抗）演算手段(42)が付加されている。研削抵抗演算手段(42)は、各磁気軸受(13)(14)(15)の制御電流をモニタリングして砥石(2)に作用する研削抵抗の各成分（法線方向の力Ｆｎ、接線方向の力Ｆｔおよび軸方向の力Ｆｚ）をリアルタイムで算出し、これを加工制御手段(30)に出力する。
【００２７】
図３に、研削抵抗演算手段(42)で得られた研削抵抗を利用して工具ばねを一定に保つための制御手段(41)の構成を示している。
【００２８】
同図において、加工時には、軸受ばね(32)および工具ばね(33)を含んだばね−回転体系(31)が形成されており、軸受ばね(32)は、ＰＩＤ制御の制御定数(34)によって規定され、工具ばね(33)は、研削抵抗(35)および送り速度(36)に依存する。ばね−回転体系(31)の制御手段(41)は、磁気軸受制御装置のＤＳＰ(24)に設けられている研削抵抗演算手段(42)と、加工制御手段(30)に設けられている工具ばね特性記憶手段(43)および送り速度変更手段(44)とを有している。
【００２９】
工具ばね特性記憶手段(43)には、工具ばね特性に関連する送り速度と研削抵抗との関係が蓄えられており、送り速度変更手段(44)は、この送り速度と研削抵抗との関係に基づいて送り速度すなわち磁気軸受スピンドル(1)の軸方向および径方向移動速度を制御する。
【００３０】
上記のように、研削抵抗（Ｆｎ、ＦｔおよびＦｚ）は、研削抵抗演算手段(42)において、リアルタイムで算出され、加工制御手段(30)は、この研削抵抗が一定となるように送り速度を制御する。この制御は、フィードバック制御とされ、これにより、図３のグラフに模式的に示すように、研削抵抗がほぼ一定に保たれる。したがって、工具ばね(33)が近似的に一定化され、ばね−回転体系(31)の共振周波数の変化が抑制される。
【００３１】
加工抵抗が一定になるように送り速度を制御するには、例えば、加工対象であるワーク(W)について、送り速度と研削抵抗の各成分（Ｆｎ、ＦｔおよびＦｚ）との関係式を予め求めておいて、この関係式を工具ばね特性記憶手段(43)に蓄えておくようにすればよい。
【００３２】
なお、上記において、磁気軸受スピンドル(1)は、内面研削盤用として説明したが、研削以外の種々の工作機械やその他の装置に適用することもできる。また、上記実施形態では、回転軸(1)を垂直軸として示しているが、回転軸は水平軸であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、この発明による工作機械の実施形態を示す主要部の概略構成図である。
【図２】図２は、加工中のばね−回転体系を模式的に示す図である。
【図３】図３は、この発明による工作機械の制御手段の主要部を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
(2)           砥石（工具）
(11)          回転軸
(13)(14)(15)  磁気軸受
(30)          加工制御手段
(42)          研削抵抗演算手段（加工抵抗演算手段）
【図１】
2009291916.tif 000003
【図２】
2009291916.tif 000004
【図３】
2009291916.tif 000005