JP4322494B2 - Magnetic bearing device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受装置、特に、回転体の所定位置への支持および回転停止位置決めを容易にする磁気軸受装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
以下、図面を参照しながら従来の磁気軸受装置について説明する。図3は従来の磁気軸受装置の概略構成を示すブロック図である。
【0003】
図3において、20は回転体、21は、回転体20に、モータロータ22、ラジアル磁気軸受ロータ24,26、スラスト磁気軸受ロータ28が取り付けられた主軸である。このラジアル磁気軸受ロータ24,26、スラスト磁気軸受ロータ28から微小間隔の距離を置いてラジアル磁気軸受電磁石25,27、スラスト磁気軸受電磁石29、回転体20の変位を検出するラジアル変位センサ30,31、スラスト変位センサ32が配置されている。なお、33は保護ベアリング等よりなる保護部材、34は工具と係合する可変重量部であり、さらに回転体20にはエンコーダ35が取り付けられ、モータ駆動装置36によりモータステータ23に電流を流すことにより回転体20を回転駆動させる。
【0004】
次に、この装置の磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置について説明する。この磁気軸受制御装置1は、ラジアル変位センサ30,31、スラスト変位センサ32からの変位信号と前記変位信号と位置指令値との減算を行う加算器2,5と、これら加算器2,5の出力をもとに回転体20とラジアル磁気軸受電磁石25,27、スラスト磁気軸受電磁石29間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償器3,6およびパワー増幅器4,7から構成されている。ここで、加算器2、位相補償器3、パワー増幅器4はラジアル磁気軸受を制御するラジアル磁気軸受制御装置8を構成し、また、加算器5、位相補償器6、パワー増幅器7はスラスト磁気軸受を制御するスラスト磁気軸受制御装置9を構成している。
【0005】
次に、その動作を説明する。まず、回転体20の変位をラジアル変位センサ30,31、スラスト変位センサ32で検出し、その出力信号を加算器2,5に印加する。加算器2,5では回転体20を支持する指令位置(目標値)から前記出力信号を減算し、減算された信号は位相補償器3,6に入力され、位相補償器3,6からの出力によってパワー増幅器4,7が動作し、ラジアル磁気軸受電磁石25,27、スラスト磁気軸受電磁石29に電流を流し、ラジアル磁気軸受電磁石25,27とラジアル磁気軸受ロータ24,26間、スラスト磁気軸受電磁石29とスラスト磁気軸受ロータ28間に生じる電磁吸引力によって回転体20のラジアル方向およびスラスト方向の位置を浮上制御する。スラスト磁気軸受制御装置9で制御していない時、回転体20は保護部材33で支持される。回転体20の回転方向の制御は、エンコーダ35からの信号をモータ駆動装置36に入力し、モータ駆動装置36によりモータステータ23に流す電流を制御することにより回転駆動および停止位置決めが行われる。
【0006】
実際の加工、例えば、磁気軸受スピンドルを工作機械に搭載し、複数の種類の工具を交換しながら加工を行う場合は、自動工具交換の一般的な手順として、ツールホルダの角度と回転体の角度を合わせるように、回転体(スピンドル)を決められた回転角で停止させるオリエント動作を行った後、ツール交換を行っている。
【0007】
特許文献1には、回転装置及び当該回転装置を備えた加工装置の構成について記載されている。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−324755号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような構成では、モータ駆動装置により回転体を任意の位置に回転停止位置決めする場合、回転体は空中に浮上制御されているため、回転方向への摩擦損失や粘性減衰は転がり軸受と比較して著しく少なく、回転方向へ振動しやすく、回転位置決め剛性を上げることが困難であるという問題点があった。
【0010】
本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、回転停止位置決め時、回転軸の回転方向への運動損失を増大させることにより、回転位置決め剛性を増大させることができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受装置は、制御電流により浮上制御されるラジアル,スラスト磁気軸受電磁石によって支承され、回転、停止制御される回転体を含み、前記回転体に取り付けられている工具を交換する際の回転停止位置決め時に外部より印加される回転位置決め動作中信号および零速度信号に基づきスラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するバイアス指令発生器を備え、前記回転体の回転停止位置決め時にラジアル方向の位置制御を行い回転停止位置を保ちながらスラスト保護部材に回転体を接触させることにより、回転位置決め剛性を上げるようにしたものである。
【0012】
本発明によれば、回転停止位置決め時にはスラスト磁気軸受の位置制御を停止し、スラスト電磁石にバイアス電流を印加して回転体を保護部材に接触させるので、回転体の回転方向への摩擦損失や粘性減衰が増大して、回転停止時の回転損失が増大し、回転位置決め剛性を増大させることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、前記従来のものと同一の部分については同一符号を用いるものとする。図1は本発明の磁気軸受装置の一実施の形態における全体構成を示すブロック図、図2は本発明の磁気軸受装置の一実施の形態においてこれを適用した磁気軸受スピンドル装置の具体例を示す断面図である。
【0014】
まず、図1および図2に示される磁気軸受スピンドル装置部分について説明する。
【0015】
図1および図2において、20は回転体、21は回転体20に、モータロータ22、ラジアル磁気軸受ロータ24,26、スラスト磁気軸受ロータ28が取り付けられた主軸である。このラジアル磁気軸受ロータ24,26、スラスト磁気軸受ロータ28から微小間隔の距離をおいたラジアル磁気軸受電磁石25,27、スラスト磁気軸受電磁石29、回転体20の変位を検出するラジアル変位センサ30,31、スラスト変位センサ32が配置され、回転体20は所定位置に非接触で支持されている。
【0016】
ここで、ラジアル磁気軸受電磁石25,27は回転体20の周囲に、例えば90°の中心角で左右に4個ずつ配置され、また、スラスト磁気軸受電磁石29は回転体20を取り巻くリング状に配置されている。また、ラジアル変位センサ30,31、スラスト変位センサ32としては、よく知られた渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。33は保護ベアリング等よりなる保護部材、34は工具と係合する可変重量部であり、さらに回転体20にはエンコーダ35が取り付けられ、モータ駆動装置36によりモータステータ23に電流を流すことにより回転体20を回転駆動させる。なお、37はケーシングである。
【0017】
次にこの装置の磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置について説明する。この磁気軸受制御装置40は、ラジアル変位センサ30,31、スラスト変位センサ32からの変位信号と前記変位信号と位置指令値との減算を行う加算器2,5と、これら加算器2,5の出力をもとに回転体20とラジアル磁気軸受電磁石25,27、スラスト磁気軸受電磁石29間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償器3,6およびパワー増幅器4,7と、外部からの回転位置決め動作中を示す信号Sg1とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Sg2の2つの信号を受信した時にスラスト磁気軸受電磁石29にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生器10から構成されている。ここで、加算器2、位相補償器3、パワー増幅器4はラジアル磁気軸受を制御するラジアル磁気軸受制御装置8を構成し、また、加算器5、位相補償器6、バイアス指令発生器10、パワー増幅器7はスラスト磁気軸受を制御するスラスト磁気軸受制御装置9を構成している。
【0018】
次に、その動作を説明する。まず、回転体20の変位をラジアル変位センサ30,31、スラスト変位センサ32で検出し、その出力信号を加算器2,5に印加する。加算器2,5では回転体20の指令位置(目標位置)から前記出力信号を減算し、減算された信号が位相補償器3,6に入力され、この位相補償器3,6からの出力によってパワー増幅器4,7が動作し、ラジアル磁気軸受電磁石25,27、スラスト磁気軸受電磁石29に電流を流し、ラジアル磁気軸受電磁石25,27とラジアル磁気軸受ロータ24,26間、スラスト磁気軸受電磁石29とスラスト磁気軸受ロータ28間に生じる電磁吸引力によって回転体20のラジアル方向およびスラスト方向の位置を浮上制御する。スラスト磁気軸受制御装置9で位置制御していない時、回転体20は保護部材33で支持される。回転体20の回転方向の制御は、エンコーダ35からの信号をモータ駆動装置36に入力し、モータ駆動装置36によりモータステータ23の電流を制御することにより回転駆動および停止位置決めが行われる。この基本的な浮上制御動作は従来と同様であるが、スピンドル(回転体20)の回転停止位置決め時には、回転位置決め動作中を示す信号Sg1とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Sg2が磁気軸受制御装置40に入力され、バイアス指令発生器10の出力信号がパワー増幅器7に入力され、パワー増幅器7によりスラスト磁気軸受電磁石29にバイアス電流が印加される。
【0019】
ここで、通常の浮上制御からバイアス電流を印加する制御に切り換える手段としては、回転位置決め動作中を示す信号Sg1とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Sg2が磁気軸受制御装置40に入力された時に、パワー増幅器7の入力を位相補償器6の出力からバイアス指令発生器10の出力に切り換える手段や、あらかじめ位相補償器6の出力とバイアス指令発生器10の出力をパワー増幅器7に入力しておき、回転位置決め動作中を示す信号Sg1とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Sg2が磁気軸受制御装置40に入力された時に、位相補償器6の出力を零にする手段などが考えられる。この時、ラジアル方向の磁気軸受は従来と同様に位置制御を行う。
【0020】
このようにスラスト磁気軸受電磁石29にバイアス電流が印加されると、例えば工具と係合している可変重量部34側にスラスト方向の吸引力がはたらき、回転体20が保護部材33に接触し、押し付けられる。この保護部材33に回転体20を接触させることにより、その摩擦損失および粘性減衰が回転方向の運動に損失を与え、この損失により、回転停止位置決め時に回転方向への振動が抑制されて回転停止位置決め剛性を飛躍的に増大させることができる。なお、回転位置決め動作中信号Sg1および零速度信号Sg2は、例えば工作機械の場合、加工機に搭載されている制御装置やモータ回転駆動装置より容易に入力できる。
【0021】
以上のように、本実施の形態によれば、回転停止位置決め時にスラスト電磁石にバイアス電流を印加することにより、回転体を保護部材に接触させて回転停止時の回転損失を増大させることができるので、回転位置決め剛性を飛躍的に増大させることができる。
【0022】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回転停止位置決め時に、スラスト電磁石にバイアス電流を印加し、回転体を保護部材に接触させることによって、回転停止時の回転損失を増大させ、回転位置決め剛性を飛躍的に増大させることができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気軸受装置の一実施の形態における全体構成を示すブロック図
【図2】本発明の磁気軸受装置の一実施の形態においてこれを適用した磁気軸受スピンドル装置の具体例を示す断面図
【図3】従来の磁気軸受装置の概略構成を示すブロック図
【符号の説明】
1 磁気軸受制御装置
2,5 加算器
3,6 位相補償器
4,7 パワー増幅器
8 ラジアル磁気軸受制御装置
9 スラスト磁気軸受制御装置
10 バイアス指令発生器
20 回転体
21 主軸
22 モータロータ
23 モータステータ
24,26 ラジアル磁気軸受ロータ
25,27 ラジアル磁気軸受電磁石
28 スラスト磁気軸受ロータ
29 スラスト磁気軸受電磁石
30,31 ラジアル変位センサ
32 スラスト変位センサ
33 保護部材
34 可変重量部
35 エンコーダ
36 モータ駆動装置
37 ケーシング
Sg1 回転位置決め動作中信号
Sg2 零速度信号[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic bearing device, and more particularly to a magnetic bearing device that facilitates support of a rotating body at a predetermined position and rotation stop positioning.
[0002]
[Prior art]
Hereinafter, a conventional magnetic bearing device will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional magnetic bearing device.
[0003]
In FIG. 3, 20 is a rotating body, and 21 is a main shaft in which a
[0004]
Next, a magnetic bearing control device for controlling the magnetic bearing of this device will be described. The magnetic bearing control device 1 includes
[0005]
Next, the operation will be described. First, the displacement of the
[0006]
When performing actual machining, for example, when a magnetic bearing spindle is mounted on a machine tool and machining is performed while changing multiple types of tools, the general procedure for automatic tool change is to use the tool holder angle and rotating body angle. The tool is changed after performing an orientation operation to stop the rotating body (spindle) at a predetermined rotation angle so as to match.
[0007]
Patent Document 1 describes the configuration of a rotating device and a processing device including the rotating device.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2000-324755 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration as described above, when the rotating body is rotated and positioned at an arbitrary position by the motor driving device, the rotating body is controlled to be levitated in the air. There are problems that it is remarkably less in comparison with the above, easily vibrates in the rotational direction, and it is difficult to increase the rotational positioning rigidity.
[0010]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a magnetic bearing device capable of increasing the rotational positioning rigidity by increasing the motion loss in the rotational direction of the rotating shaft during rotation stop positioning. The purpose is to do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Magnetic bearing device of the present invention, a radial controlled fly by the control current, is supported by a thrust magnetic bearing electromagnets rotating comprises a rotary body which is stop control, when replacing a tool attached to the rotary member A bias command generator for applying a bias current to the thrust magnetic bearing electromagnet based on a rotation positioning operation signal and a zero speed signal applied from outside during rotation stop positioning is provided, and radial position control is performed during rotation stop positioning of the rotating body. The rotational positioning rigidity is increased by bringing the rotating body into contact with the thrust protection member while maintaining the rotation stop position.
[0012]
According to the present invention, the position control of the thrust magnetic bearing is stopped at the time of rotation stop positioning, and a bias current is applied to the thrust electromagnet to bring the rotating body into contact with the protective member. Attenuation increases, rotation loss when rotation stops, and rotation positioning rigidity can be increased.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be used about the same part as the said conventional thing. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an embodiment of a magnetic bearing device of the present invention, and FIG. 2 shows a specific example of a magnetic bearing spindle device to which this is applied in an embodiment of a magnetic bearing device of the present invention. It is sectional drawing.
[0014]
First, the magnetic bearing spindle device portion shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
[0015]
In FIGS. 1 and 2,
[0016]
Here, the periphery of the radial
[0017]
Next, a magnetic bearing control device for controlling the magnetic bearing of this device will be described. The magnetic
[0018]
Next, the operation will be described. First, the displacement of the
[0019]
Here, as means for switching from normal levitation control to control for applying a bias current, a signal Sg1 indicating that the rotational positioning operation is in progress and a zero speed signal Sg2 indicating that the motor is below a predetermined number of rotations are magnetic bearings. When input to the
[0020]
When a bias current is applied to the thrust
[0021]
As described above, according to the present embodiment, by applying a bias current to the thrust electromagnet at the time of rotation stop positioning, the rotating body can be brought into contact with the protective member and the rotation loss at the time of rotation stop can be increased. Rotational positioning rigidity can be dramatically increased.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at the time of rotation stop positioning, a bias current is applied to the thrust electromagnet, and the rotating body is brought into contact with the protective member, thereby increasing the rotation loss at the time of rotation stop and increasing the rotation positioning rigidity. The advantageous effect that it can be dramatically increased is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an embodiment of a magnetic bearing device of the present invention. FIG. 2 is a specific example of a magnetic bearing spindle device to which the magnetic bearing device of the present invention is applied. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional magnetic bearing device.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic
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