JP2005121114A - Spindle device - Google Patents

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直樹 瀧澤
Yoji Nakajima
洋二 中島
Masamichi Saito
正道 齊藤
Rei Kamei
礼 亀井
Akinobu Deguchi
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  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the accuracy in rotation of a spindle of a precision lathe and the like. <P>SOLUTION: In a spindle having rotor parts 1a, 1b, a rotation angle by a motor 4 is measured by an encoder 9, the radial external force is detected by displacement sensors 5a, 5b, 7a, 7b detecting the displacement of the spindle at two parts in the circumferential direction, and the external force in the thrust direction is detected by a displacement sensor 11 at a shaft end. Electromagnets 6a-6d, 8a-8d generate the thrust for canceling the external force in the radial direction by every rotation angle on the basis of the outputs of the displacement sensors 5a, 5b, 7a, 7b, and a voice coil motor 10 generates the thrust for canceling the external force in the thrust direction on the basis of the output of the displacement sensor 11. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、精密旋盤などにおける被加工物もしくはバイト等の加工工具を高精度に回転させるためのスピンドル装置に関するものである。   The present invention relates to a spindle device for rotating a work piece such as a precision lathe or a processing tool such as a cutting tool with high accuracy.

従来、精密旋盤などの超精密加工機の主軸であるスピンドルは、静圧空気軸受によって回転支持する構成が一般的である。例えば、図５に示すように、スピンドルのロータ部１０１を回転支持する軸受として、ラジアル方向の静圧軸受パッド１０２ａ、１０２ｂとスラスト方向の静圧軸受パッド１０３ａ、１０３ｂを有する静圧空気軸受を用いて、ロータ部１０１をモータ１０４によって回転する構成をとっている。また、静圧空気軸受を保護ベアリングとして磁気軸受に併用するハイブリッド軸受を用いた構成も知られている。
特開平０４−１８５９１０号公報 2. Description of the Related Art Conventionally, a spindle that is a main shaft of an ultra-precision machining machine such as a precision lathe is generally configured to be rotatably supported by a hydrostatic air bearing. For example, as shown in FIG. 5, a hydrostatic air bearing having radial hydrostatic bearing pads 102a and 102b and thrust hydrostatic bearing pads 103a and 103b is used as a bearing that rotatably supports the rotor portion 101 of the spindle. Thus, the rotor unit 101 is rotated by the motor 104. A configuration using a hybrid bearing in which a static pressure air bearing is used as a protective bearing in combination with a magnetic bearing is also known.
Japanese Patent Laid-Open No. 04-185910

しかしながら、従来技術によれば、一般的に静圧空気軸受を用いたスピンドルは、空気膜の軸受剛性と軸受部の粘性が低いため振動し易い特性を持っている。そのため、軸受部の空気膜の不均一な圧力分布やモータによるトルク変動が加振力となった場合、スピンドルの軸ぶれが大きくなる。こうした静圧空気軸受の欠点を補償するために、前述のように、静圧空気軸受と磁気軸受とを併用するハイブリッド軸受を用いたスピンドル装置が提案されている。   However, according to the prior art, a spindle using a hydrostatic air bearing generally has a characteristic that it easily vibrates because the bearing stiffness of the air film and the viscosity of the bearing portion are low. For this reason, when the non-uniform pressure distribution of the air film of the bearing portion or the torque fluctuation due to the motor becomes the excitation force, the shaft shake of the spindle increases. In order to compensate for the drawbacks of such a static pressure air bearing, as described above, a spindle apparatus using a hybrid bearing using both a static pressure air bearing and a magnetic bearing has been proposed.

しかし、ハイブリッド軸受の場合に、静圧空気軸受によって磁気軸受の欠点を補償できるのは、周波数の低い帯域に限られる。磁気軸受はスピンドルとの軸受隙間を一定に保つように、軸受隙間変位を検出しフィードバック制御をしているが、一般にフィードバック制御を用いる場合は、フィードバック制御系の安定性が制御特性の制約となる。磁気軸受においてはスピンドルの機械的な共振特性がフィードバック制御系を不安定にする要因となり、フィードバック制御の効果が現れる周波数帯域は共振周波数のおよそ１／２から１／３以下になってしまう。そのため、補正できる周波数領域が低い周波数帯域に限定されてしまうのである。   However, in the case of a hybrid bearing, the disadvantage of the magnetic bearing can be compensated by the hydrostatic air bearing only in a low frequency band. Magnetic bearings perform feedback control by detecting the bearing clearance displacement so that the bearing clearance with the spindle is kept constant. Generally, when feedback control is used, the stability of the feedback control system is a constraint on the control characteristics. . In the magnetic bearing, the mechanical resonance characteristic of the spindle becomes a factor that makes the feedback control system unstable, and the frequency band in which the effect of the feedback control appears is about 1/2 to 1/3 or less of the resonance frequency. Therefore, the frequency region that can be corrected is limited to a low frequency band.

つまり、ハイブリッド軸受を用いたスピンドルでも、高い周波数の振動に対しては、静圧空気軸受を用いた場合と同じである。   That is, a spindle using a hybrid bearing is the same as that using a hydrostatic air bearing for high-frequency vibrations.

一方、モータの発生するトルクは回転方向だけに変動なく作用する理想的なトルクではなく、微小ではあるが回転軸方向に作用している。また、特にスピンドルを駆動するモータは一般的に多極多層のモータで、１回転当たりに相切替えを行っていて、この相切替えの際にはトルク変動が起きやすい。つまりモータの発生するトルクには微小な高い周波数のトルク変動もある。そしてモータの発生するトルクの一部がスピンドルの軸受に作用する高い周波数成分の外力となっている。   On the other hand, the torque generated by the motor is not an ideal torque that works without fluctuation only in the rotation direction, but it works in the direction of the rotation axis although it is minute. In particular, the motor for driving the spindle is generally a multi-pole multi-layer motor, and phase switching is performed per rotation, and torque fluctuation is likely to occur during this phase switching. That is, the torque generated by the motor also includes a minute high frequency torque fluctuation. A part of the torque generated by the motor is an external force having a high frequency component acting on the spindle bearing.

この外力は微小な力ではあるが、高精度の回転精度を実現する場合には問題になり、従来の静圧空気軸受や、静圧空気軸受と磁気軸受とを併用したハイブリッド軸受では、精密加工機等の加工精度の劣化を招く一因となっていた。   Although this external force is a minute force, it becomes a problem when high rotational accuracy is achieved. In conventional hydrostatic air bearings or hybrid bearings that use both hydrostatic air bearings and magnetic bearings, precision machining is required. This has been a cause of deterioration in machining accuracy of machines.

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、スピンドルの回転中に軸受部に発生する振動を効果的に低減し、回転精度を大幅に向上できるスピンドル装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and can effectively reduce the vibration generated in the bearing portion during the rotation of the spindle and greatly improve the rotation accuracy. Is intended to provide.

上記目的を達成するため、本発明のスピンドル装置は、静圧空気軸受によって回転支持されたロータ部をモータによって回転させるスピンドル装置において、前記ロータ部の周方向に離間した複数の部位にそれぞれラジアル方向の推力を発生する複数のラジアル方向推力発生手段と、前記ロータ部にスラスト方向の推力を発生するスラスト方向推力発生手段と、前記ロータ部のラジアル方向の外力を検出するラジアル方向外力検出手段と、前記ロータ部のスラスト方向の外力を検出するスラスト方向外力検出手段と、前記ロータ部の回転角度を計測するエンコーダと、前記２つの外力検出手段および前記エンコーダの出力に基づいて、前記ラジアル方向および前記スラスト方向の外力を所定の回転角度ごとに検出し、前記外力を打ち消すように前記複数のラジアル方向推力発生手段および前記スラスト方向推力発生手段をそれぞれ制御する制御手段を有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the spindle device of the present invention is a spindle device that rotates a rotor portion that is rotatably supported by a hydrostatic air bearing by a motor, and each of the plurality of portions that are separated in the circumferential direction of the rotor portion in the radial direction. A plurality of radial direction thrust generating means for generating a thrust in the thrust direction, a thrust direction thrust generating means for generating a thrust in the thrust direction on the rotor part, a radial direction external force detecting means for detecting an external force in the radial direction of the rotor part, Based on the thrust direction external force detection means for detecting the external force in the thrust direction of the rotor part, the encoder for measuring the rotation angle of the rotor part, the two external force detection means and the output of the encoder, the radial direction and the encoder The external force in the thrust direction is detected at every predetermined rotation angle, and the external force is canceled out. Characterized in that it has a control means for controlling said plurality of radial thrust generating means and said thrust direction thrust generating means, respectively.

それぞれ静圧空気軸受によって支持された少なくとも２つのロータ部を有し、両ロータ部の間に前記モータが配設されているとよい。   It is good to have at least two rotor parts each supported by the hydrostatic air bearing, and the said motor is arrange | positioned between both rotor parts.

外力検出手段がロータ部の変位を検出する変位センサを有し、前記変位センサの出力と静圧空気軸受の軸受剛性に基づいて外力を検出するように構成されているとよい。   The external force detection means may include a displacement sensor for detecting the displacement of the rotor portion, and may be configured to detect the external force based on the output of the displacement sensor and the bearing rigidity of the hydrostatic air bearing.

外力検出手段がロータ部の加速度を検出する加速度計を有するものでもよい。   The external force detection means may include an accelerometer that detects the acceleration of the rotor portion.

ラジアル方向推力発生手段が電磁石を有し、スラスト方向推力発生手段がボイスコイルモータを有するとよい。   The radial direction thrust generating means may include an electromagnet, and the thrust direction thrust generating means may include a voice coil motor.

スピンドルの回転中にロータ部にかかるラジアル方向およびスラスト方向の外力と、これらの外力が作用する回転角度を検出して、前記外力を打ち消す２方向の推力を、電磁石等を用いた推力発生手段によって、エンコーダの出力に基づくタイミングで発生させる。エンコーダによって検知する角度位置ごとに外力を相殺することにより、高周波数から低周波数まであらゆる振動成分の原因となる外乱を効果的に排除して、静圧空気軸受の軸受特性を安定化し、スピンドルの回転精度を大幅に向上できる。   By detecting the external force in the radial direction and the thrust direction applied to the rotor part during the rotation of the spindle and the rotation angle at which these external forces act, the thrust in two directions for canceling the external force is generated by a thrust generating means using an electromagnet or the like. And generated at a timing based on the output of the encoder. By canceling the external force for each angular position detected by the encoder, it effectively eliminates disturbances that cause all vibration components from high frequency to low frequency, stabilizes the bearing characteristics of the hydrostatic air bearing, Rotational accuracy can be greatly improved.

図１は一実施の形態によるスピンドル装置を示すもので、同図の（ａ）はスピンドルの軸方向に沿った模式断面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａの方向から見たときの変位センサと電磁石の配置を示す図である。   FIG. 1 shows a spindle apparatus according to an embodiment, in which (a) is a schematic sectional view along the axial direction of the spindle, and (b) is a view when viewed from the direction of arrow A in (a). It is a figure which shows arrangement | positioning of a displacement sensor and an electromagnet.

工作機械の被加工物（ワーク）またはバイト等の加工工具を保持して回転させるスピンドルは、第１および第２のロータ部１ａ、１ｂを有し、ラジアル方向の静圧空気軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、スラスト方向の静圧空気軸受パッド３ａ、３ｂからなる静圧空気軸受によって回転自在に支持され、駆動手段であるモータ４によって回転駆動される。スピンドルヘッド側のロータ部１ａの外周上には、ラジアル方向の変位を検出する２個の変位センサ５ａ、５ｂが図１の（ｂ）に示すように位相を周方向に９０°ずらした角度に配置されている。また、スピンドルヘッド側にはラジアル方向に推力を発生させる４個のラジアル方向推力発生手段である電磁石６ａ〜６ｄが図１の（ｂ）に示すように位相をロータ部１ａの周方向に９０°ずらした角度に配置されている。同様に、スピンドルテール側のロータ部１ｂの外周上にもラジアル方向の変位を検出する２個の変位センサ７ａ、７ｂが位相を９０°ずらした角度に配置され、また、ラジアル方向に推力を発生させる４個のラジアル方向推力発生手段である電磁石８ａ〜８ｄが位相を９０°ずらした角度に配置されている。   A spindle that holds and rotates a workpiece (workpiece) or a tool such as a cutting tool of a machine tool has first and second rotor portions 1a and 1b, and radial static pressure air bearing pads 2a and 2b. 2c, supported by a hydrostatic air bearing composed of hydrostatic air bearing pads 3a and 3b in the thrust direction, and rotatably driven by a motor 4 serving as a driving means. On the outer periphery of the rotor portion 1a on the spindle head side, two displacement sensors 5a and 5b for detecting the displacement in the radial direction have an angle shifted by 90 ° in the circumferential direction as shown in FIG. Has been placed. Further, on the spindle head side, four electromagnets 6a to 6d as radial direction thrust generating means for generating thrust in the radial direction have a phase of 90 ° in the circumferential direction of the rotor portion 1a as shown in FIG. It is arranged at a shifted angle. Similarly, two displacement sensors 7a and 7b that detect displacement in the radial direction are also arranged on the outer periphery of the rotor portion 1b on the spindle tail side at an angle that is 90 ° out of phase, and generate thrust in the radial direction. The four electromagnets 8a to 8d, which are the radial direction thrust generating means to be moved, are arranged at an angle shifted by 90 ° in phase.

さらに、スピンドルテール側には、スピンドルの回転角度を計測するエンコーダ９、スピンドルのスラスト方向に推力を発生させるスラスト方向推力発生手段であるボイスコイルモータ１０、スラスト方向の変位を検出する変位センサ１１等が配設されている。   Further, on the spindle tail side, an encoder 9 that measures the rotation angle of the spindle, a voice coil motor 10 that is thrust direction thrust generating means for generating thrust in the thrust direction of the spindle, a displacement sensor 11 that detects displacement in the thrust direction, etc. Is arranged.

このように、スピンドルは２つのロータ部１ａ、１ｂに分割され、その間にモータ４が組み込まれていて、モータ４をスピンドルのモーメント中心に配置している。ロータ部１ａ、１ｂは静圧空気軸受パッド２ａ〜２ｃによってラジアル方向に支持され、静圧空気軸受パッド３ａ、３ｂによってスラスト方向に支持され、ロータ部１ａ、１ｂはモータ４によって一体的に回転させられる。回転しているスピンドルヘッド側でラジアル方向の振動を変位センサ５ａ、５ｂで検出し、テール側でのラジアル方向の振動を変位センサ７ａ、７ｂで検出する。また、スラスト方向の振動を変位センサ１１で検出し、エンコーダ９により回転中のスピンドルの角度位置を検出する。   In this way, the spindle is divided into two rotor parts 1a and 1b, and the motor 4 is incorporated between them, and the motor 4 is arranged at the moment center of the spindle. The rotor portions 1a and 1b are supported in the radial direction by the hydrostatic air bearing pads 2a to 2c, and supported in the thrust direction by the hydrostatic air bearing pads 3a and 3b. The rotor portions 1a and 1b are integrally rotated by the motor 4. It is done. Vibration in the radial direction is detected by the displacement sensors 5a and 5b on the rotating spindle head side, and vibration in the radial direction on the tail side is detected by the displacement sensors 7a and 7b. Further, the vibration in the thrust direction is detected by the displacement sensor 11, and the angular position of the rotating spindle is detected by the encoder 9.

電磁石６ａ〜６ｄはスピンドルヘッド側でラジアル方向に推力を与え、電磁石８ａ〜８ｄはスピンドルテール側でラジアル方向に推力を与える。そして、ボイスコイルモータ１０でスラスト方向に推力を与える構成になっている。   The electromagnets 6a to 6d apply thrust in the radial direction on the spindle head side, and the electromagnets 8a to 8d apply thrust in the radial direction on the spindle tail side. The voice coil motor 10 is configured to apply thrust in the thrust direction.

図２は上記のスピンドルを制御するスピンドル装置制御系を示す図である。前述のように、スピンドルヘッド側の電磁石６ｂ、６ｄは、図１の（ｂ）に示すように電磁石６ａ、６ｃと位相９０°ずらした角度に配置されている。同様にスピンドルテール側の電磁石８ｂ、８ｄは電磁石８ａ、８ｃと位相９０°ずらした角度に配置されている。また、スピンドルヘッド側の変位センサ５ｂは図１の（ｂ）に示すように変位センサ５ａと位相９０°ずらした角度に配置されていて、スピンドルテール側の変位センサ７ｂも変位センサ７ａと位相９０°ずらした角度に配置されている。   FIG. 2 is a diagram showing a spindle device control system for controlling the spindle. As described above, the electromagnets 6b and 6d on the spindle head side are arranged at an angle shifted by 90 ° from the electromagnets 6a and 6c as shown in FIG. Similarly, the electromagnets 8b and 8d on the spindle tail side are arranged at an angle shifted by 90 ° from the electromagnets 8a and 8c. Further, the displacement sensor 5b on the spindle head side is arranged at an angle shifted by 90 ° from the displacement sensor 5a as shown in FIG. 1B, and the displacement sensor 7b on the spindle tail side is also phased 90 ° from the displacement sensor 7a. It is arranged at a shifted angle.

各変位センサ５ａ、５ｂ、７ａ、７ｂ、１１とともにラジアル方向外力検出手段およびスラスト方向外力検出手段を構成する外力推定器１２は、変位センサ５ａ、５ｂ、７ａ、７ｂ、１１によるそれぞれの変位信号および静圧空気軸受の軸受剛性と、エンコーダ９からの角度信号から、各変位センサ５ａ、５ｂ、７ａ、７ｂにおけるラジアル方向の外力および変位センサ１１におけるスラスト方向の外力と、これらの外力が作用する回転角度を検出する。制御手段である推力制御器１３は、外力を検出した角度位置ごとにこれらの外力を打ち消すように、電磁石６ａ〜６ｄ、電磁石８ａ〜８ｄとボイルコイルモータ１０で発生させる推力を制御する。モータ制御器１４は、モータ４によってスピンドルの回転速度を制御する。   The external force estimator 12 that constitutes the radial direction external force detection means and the thrust direction external force detection means together with the displacement sensors 5a, 5b, 7a, 7b, and 11 includes displacement signals from the displacement sensors 5a, 5b, 7a, 7b, and 11 respectively. From the bearing rigidity of the hydrostatic air bearing and the angle signal from the encoder 9, the external force in the radial direction at each of the displacement sensors 5a, 5b, 7a, 7b and the external force in the thrust direction at the displacement sensor 11 and the rotation at which these external forces act. Detect the angle. The thrust controller 13 which is a control means controls the thrust generated by the electromagnets 6a to 6d, the electromagnets 8a to 8d and the boil coil motor 10 so as to cancel these external forces for each angular position where the external force is detected. The motor controller 14 controls the rotation speed of the spindle by the motor 4.

スピンドル制御装置１５は、外力推定器１２、推力制御器１３、モータ制御器１４を使ってスピンドル装置を制御する。駆動装置１６ａ〜１６ｄは前述のように推力制御器１３からの指令を受け、スピンドルヘッド側の電磁石６ａ〜６ｄで推力を発生させる。駆動装置１７ａ〜１７ｄも同様に推力制御器１３からの指令を受け、スピンドルテール側の電磁石８ａ〜８ｄで推力を発生させる。そして、駆動装置１８はボイルコイルモータ１０を駆動する。   The spindle control device 15 controls the spindle device using the external force estimator 12, the thrust controller 13, and the motor controller 14. The drive devices 16a to 16d receive a command from the thrust controller 13 as described above, and generate thrust by the electromagnets 6a to 6d on the spindle head side. Similarly, the driving devices 17a to 17d receive a command from the thrust controller 13 and generate thrust by the electromagnets 8a to 8d on the spindle tail side. The driving device 18 drives the boil coil motor 10.

モータ制御器１４によってモータ４にトルクを発生し、スピンドルのロータ部１ａ、１ｂを一体的に回転させる。この時のスピンドルの振動は主に回転軸に働く外力と静圧空気軸受の軸受剛性との関係で決定される。   Torque is generated in the motor 4 by the motor controller 14 to rotate the rotor portions 1a and 1b of the spindle integrally. The vibration of the spindle at this time is mainly determined by the relationship between the external force acting on the rotating shaft and the bearing rigidity of the hydrostatic air bearing.

回転中に働く外力の発生源としてモータ４の発生するトルクの他成分が考えられる。すなわち、モータ４で発生するトルクの一部がスピンドルのラジアル方向およびスラスト方向に作用している。また、モータ４は１回転中に相の切替えを行いながらトルクを発生しているため、相の切替え時のトルク変動を起している。このトルク変動があるとスピンドルのラジアル方向およびスラスト方向に作用する外力は、主軸回転数の数倍以上の高い周波数成分をもつ。例えば、３相８極の構造のモータを使用した場合、相切替えは１回転中に２４回になり、回転数を３０００ｒｐｍとすると１２００Ｈｚと高い周波数振動成分になる。   Another component of the torque generated by the motor 4 can be considered as a source of external force acting during rotation. That is, a part of the torque generated by the motor 4 acts in the radial direction and the thrust direction of the spindle. Further, since the motor 4 generates torque while performing phase switching during one rotation, torque fluctuation occurs at the time of phase switching. When this torque fluctuation occurs, the external force acting in the radial direction and the thrust direction of the spindle has a high frequency component that is several times the spindle speed. For example, when a motor having a three-phase eight-pole structure is used, phase switching is performed 24 times during one rotation, and a high frequency vibration component of 1200 Hz is obtained when the rotation speed is 3000 rpm.

こうした高い周波数の外力によるスピンドルのラジアル方向の振動は図３の（ａ）に示すように検出される。スピンドルヘッド側では変位センサ５ａ、５ｂによって検出され、スピンドルテール側では変位センサ７ａ、７ｂによって検出される。例えば振動を変位センサ５ａからみたＹ方向の変位とスピンドルの回転角度（角度位置）との関係は図３の（ｂ）に示すようになり、波形Ｗ１として検出される。すなわち、スピンドルの角度ごとにＹ方向に加わる外力が変化して、波形Ｗ１が検出される。例えば回転角度θ１の時にＹ方向に作用した外力Ｆ１が作用してＰ１の変位が生じている。   The vibration in the radial direction of the spindle due to such an external force having a high frequency is detected as shown in FIG. Detected by the displacement sensors 5a and 5b on the spindle head side, and detected by the displacement sensors 7a and 7b on the spindle tail side. For example, the relationship between the displacement in the Y direction when the vibration is viewed from the displacement sensor 5a and the rotation angle (angular position) of the spindle is as shown in FIG. 3B and is detected as a waveform W1. That is, the external force applied in the Y direction changes for each spindle angle, and the waveform W1 is detected. For example, the external force F1 acting in the Y direction acts at the rotation angle θ1 to cause displacement of P1.

そこで、回転角度θ１と作用する外力Ｆ１を求めて、図４の（ｂ）に示すように、エンコーダ９の出力に基づくスピンドルの角度位置がθ１の時にＹ方向に電磁石６ａ、６ｃによって推力Ｇ１を発生させ、外力Ｆ１を打ち消すことで、角度θ１におけるスピンドルのＹ方向の変位Ｐ１を変位Ｐ２へと抑制できる。このように外力が作用する角度ごとに、発生させる推力を制御することで、Ｙ方向の変位の波形Ｗ１を波形Ｗ２へと抑制できる。Ｘ方向も同様に外力が作用する角度ごとに推力を制御することで、変位を抑制できる。   Therefore, the external force F1 acting on the rotation angle θ1 is obtained, and as shown in FIG. 4B, when the angular position of the spindle based on the output of the encoder 9 is θ1, the thrust G1 is applied by the electromagnets 6a and 6c in the Y direction. By generating and canceling the external force F1, the displacement P1 in the Y direction of the spindle at the angle θ1 can be suppressed to the displacement P2. In this way, by controlling the thrust generated for each angle at which an external force acts, the waveform W1 of the displacement in the Y direction can be suppressed to the waveform W2. Similarly, displacement in the X direction can be suppressed by controlling the thrust for each angle at which an external force acts.

このようにして、ラジアル方向の振動は図４の（ａ）に示すように抑制される。スピンドルヘッド側のＹ方向の推力は図４の（ａ）に示す電磁石６ａ、６ｃで発生させ、Ｘ方向の推力は電磁石６ｂ、６ｄで発生させる。同様に、スピンドルテール側のＹ方向の推力は電磁石８ａ、８ｃで発生させ、Ｘ方向の推力は電磁石８ｂ、８ｄで発生させる。   Thus, the vibration in the radial direction is suppressed as shown in FIG. The thrust in the Y direction on the spindle head side is generated by electromagnets 6a and 6c shown in FIG. 4A, and the thrust in the X direction is generated by electromagnets 6b and 6d. Similarly, thrust in the Y direction on the spindle tail side is generated by the electromagnets 8a and 8c, and thrust in the X direction is generated by the electromagnets 8b and 8d.

スラスト方向の振動も、同様に角度ごとに作用する外力を変位センサ１１で検出した変位から推定し、それを打ち消す推力をボイスコイルモータ１０で発生させることで小さくできる。   Similarly, the vibration in the thrust direction can be reduced by estimating the external force acting for each angle from the displacement detected by the displacement sensor 11 and generating a thrust force that cancels it out by the voice coil motor 10.

本実施の形態においては、スラスト方向への推力は押し引きできるボイスコイルモータ１０で行っているが、ラジアル方向と同じように電磁石を使用しても、同様の効果が得られる。   In the present embodiment, the thrust in the thrust direction is performed by the voice coil motor 10 that can be pushed and pulled, but the same effect can be obtained even if an electromagnet is used in the same manner as in the radial direction.

上記の制御方式においては、回転角度に同期した外力の計測と、推力の発生が必要になるため、外力推定器１２はエンコーダ９の角度信号をトリガとして、変位センサ５ａ、５ｂ、７ａ、７ｂ、１１のそれぞれのデータを取り込み、そのデータに基づいて外力を検出する。また、推力制御器１３はエンコーダ９の角度信号をトリガとして制御推力信号を出力する。   In the above control method, it is necessary to measure an external force synchronized with the rotation angle and generate a thrust. Therefore, the external force estimator 12 uses the angle signal of the encoder 9 as a trigger to detect displacement sensors 5a, 5b, 7a, 7b, Each of the 11 data is taken in, and the external force is detected based on the data. The thrust controller 13 outputs a control thrust signal using the angle signal of the encoder 9 as a trigger.

スピンドル制御装置１５は以下のシーケンスによってスピンドル制御を行う。   The spindle control device 15 performs spindle control according to the following sequence.

＜シーケンス１＞
先ず、スピンドル制御装置１５は、モータ制御器１４を使用してスピンドルを使用回転数で回転させる。 <Sequence 1>
First, the spindle control device 15 uses the motor controller 14 to rotate the spindle at the operating rotational speed.

＜シーケンス２＞
スピンドルの回転数が安定したら、スピンドル制御装置１５は、外力推定器１２を用いて先ずエンコーダ９と変位センサ５ａ、５ｂ、７ａ、７ｂ、１１より、所定の回転角度ごとに各変位センサの配置された角度でのラジアル方向スラスト方向の変位を検出し、検出した変位と既知の静圧空気軸受の剛性から、各変位センサで検出している方向に作用した外力を推定する。 <Sequence 2>
When the rotation speed of the spindle is stabilized, the spindle control device 15 uses the external force estimator 12 to arrange each displacement sensor for each predetermined rotation angle from the encoder 9 and the displacement sensors 5a, 5b, 7a, 7b, 11 first. The displacement in the radial thrust direction at a certain angle is detected, and the external force acting in the direction detected by each displacement sensor is estimated from the detected displacement and the rigidity of the known hydrostatic air bearing.

＜シーケンス３＞
シーケンス２で推定した２方向の外力とこれらが作用する角度位置との関係に基づいて、推力制御器１３から、電磁石６ａ〜６ｄ、８ａ〜８ｄおよびボイスコイルモータ１０にて前記外力を打ち消す推力指令を出力する。 <Sequence 3>
Based on the relationship between the external forces in the two directions estimated in sequence 2 and the angular positions at which they act, the thrust controller 13 thrusts the electromagnets 6a to 6d, 8a to 8d and the voice coil motor 10 to cancel the external forces. Is output.

各推力指令が、駆動装置１６ａ〜１６ｄ、１７ａ〜１７ｄ、１８で増幅され、電磁石６ａ〜６ｄ、電磁石８ａ〜８ｄとボイスコイルモータ１０によって、スピンドルに推力が発生する。   Each thrust command is amplified by the driving devices 16a to 16d, 17a to 17d, and 18, and the electromagnets 6a to 6d, the electromagnets 8a to 8d, and the voice coil motor 10 generate thrust on the spindle.

シーケンス３において発生する推力は、シーケンス２で推測した外力に等しくなる必要があり、シーケンス２とシーケンス３におけるスピンドルの状態の安定性が必要になるが、本実施の形態のように静圧空気軸受を用いた場合は、再現性が高いので問題ない。   The thrust generated in the sequence 3 needs to be equal to the external force estimated in the sequence 2, and the stability of the spindle state in the sequence 2 and the sequence 3 is necessary. However, as in the present embodiment, the static pressure air bearing When is used, there is no problem because reproducibility is high.

シーケンス３よって発生する推力の応答性は、各電磁石やボイスコイルモータの駆動装置の応答性を高めることで向上し、高い周波数の外力に対しても効果を発揮できる。   The responsiveness of the thrust generated by the sequence 3 is improved by increasing the responsiveness of each electromagnet or voice coil motor drive device, and the effect can be exerted even for an external force having a high frequency.

上記の実施の形態においては、外力を推定する手段として、変位センサで検出した変位をベースに外力を推定する例を述べたが、変位センサの代わりに加速度計を用いて検出した加速度から求める方式を採用してもよい。   In the above embodiment, as an example of estimating the external force, the example in which the external force is estimated based on the displacement detected by the displacement sensor has been described. However, a method for obtaining from the acceleration detected using an accelerometer instead of the displacement sensor. May be adopted.

一実施の形態によるスピンドル装置の構成を示すもので、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａ方向からみた変位センサと電磁石の配置を示す図である。1 shows a configuration of a spindle device according to an embodiment, in which (a) is a schematic cross-sectional view thereof, and (b) is a diagram showing an arrangement of a displacement sensor and electromagnets as viewed from the direction of arrow A in (a). スピンドル制御装置を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining a spindle control device. 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の出力を説明する図である。It is a figure explaining the output of the displacement sensor which detects the displacement of the radial direction of a spindle. スピンドルのラジアル方向の変位を電磁石で打ち消した状態を説明する図である。It is a figure explaining the state which canceled the displacement of the radial direction of the spindle with the electromagnet. 一従来例によるスピンドル装置を示す図である。It is a figure which shows the spindle apparatus by one prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

１ａ、１ｂ ロータ部
２ａ〜２ｃ、３ａ、３ｂ 静圧空気軸受パッド
４ モータ
５ａ、５ｂ、７ａ、７ｂ、１１ 変位センサ
６ａ〜６ｄ、８ａ〜８ｄ 電磁石
９ エンコーダ
１０ ボイスコイルモータ
１２ 外力推定器
１３ 推力制御器
１４ モータ制御器
１５ スピンドル制御装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b Rotor part 2a-2c, 3a, 3b Static pressure air bearing pad 4 Motor 5a, 5b, 7a, 7b, 11 Displacement sensor 6a-6d, 8a-8d Electromagnet 9 Encoder 10 Voice coil motor 12 External force estimator 13 Thrust Controller 14 Motor controller 15 Spindle controller

Claims (5)

静圧空気軸受によって回転支持されたロータ部をモータによって回転させるスピンドル装置において、前記ロータ部の周方向に離間した複数の部位にそれぞれラジアル方向の推力を発生する複数のラジアル方向推力発生手段と、前記ロータ部にスラスト方向の推力を発生するスラスト方向推力発生手段と、前記ロータ部のラジアル方向の外力を検出するラジアル方向外力検出手段と、前記ロータ部のスラスト方向の外力を検出するスラスト方向外力検出手段と、前記ロータ部の回転角度を計測するエンコーダと、前記２つの外力検出手段および前記エンコーダの出力に基づいて、前記ラジアル方向および前記スラスト方向の外力を所定の回転角度ごとに検出し、前記外力を打ち消すように前記複数のラジアル方向推力発生手段および前記スラスト方向推力発生手段をそれぞれ制御する制御手段を有することを特徴とするスピンドル装置。   In a spindle device that rotates a rotor portion rotatably supported by a hydrostatic air bearing by a motor, a plurality of radial direction thrust generating means that respectively generate a thrust in a radial direction at a plurality of portions spaced in the circumferential direction of the rotor portion; Thrust direction thrust generating means for generating thrust in the rotor portion, radial external force detecting means for detecting the radial external force of the rotor portion, and thrust direction external force for detecting the thrust force of the rotor portion in the thrust direction Based on detection means, an encoder that measures the rotation angle of the rotor section, and the outputs of the two external force detection means and the encoder, the external force in the radial direction and the thrust direction is detected for each predetermined rotation angle, The plurality of radial direction thrust generating means and the slurry so as to cancel the external force The spindle apparatus characterized by comprising control means for controlling the winding direction thrust generating means, respectively. それぞれ静圧空気軸受によって支持された少なくとも２つのロータ部を有し、両ロータ部の間に前記モータが配設されていることを特徴とする請求項１記載のスピンドル装置。   2. The spindle apparatus according to claim 1, further comprising at least two rotor parts each supported by a hydrostatic air bearing, wherein the motor is disposed between the two rotor parts. 外力検出手段がロータ部の変位を検出する変位センサを有し、前記変位センサの出力と静圧空気軸受の軸受剛性に基づいて外力を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のスピンドル装置。   The external force detection means has a displacement sensor for detecting the displacement of the rotor portion, and is configured to detect an external force based on the output of the displacement sensor and the bearing rigidity of the hydrostatic air bearing. The spindle apparatus according to 1 or 2. 外力検出手段がロータ部の加速度を検出する加速度計を有することを特徴とする請求項１または２記載のスピンドル装置。   3. The spindle apparatus according to claim 1, wherein the external force detecting means includes an accelerometer that detects the acceleration of the rotor portion. ラジアル方向推力発生手段が電磁石を有し、スラスト方向推力発生手段がボイスコイルモータを有することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のスピンドル装置。   5. The spindle apparatus according to claim 1, wherein the radial direction thrust generating means includes an electromagnet, and the thrust direction thrust generating means includes a voice coil motor.
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