JP7231148B2

JP7231148B2 - Spindle device

Info

Publication number: JP7231148B2
Application number: JP2018106442A
Authority: JP
Inventors: 英二近藤; 光成尾田
Original assignee: Kagoshima University NUC; Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Kagoshima University NUC; Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2038-06-01
Also published as: JP2019209411A

Description

本発明は、先端に工具を装着してワークを加工する工作機械の主軸装置に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spindle device of a machine tool that has a tool attached to its tip to machine a work.

金型は、工業製品を安く大量生産するために欠くことのできない道具であるが、タイムリーに製品を市場に投入するため、製品の開発期間は急速に短くなっており、金型に対しても加工能率の向上（納期の短縮）が極めて重要になっている。一般に複雑な形状をした精密金型は放電加工によって作られてきたが、高速切削加工が実用化され、マシニングセンタを用いてエンドミルによる切削加工によって製造されるようになっている。然しながら、金型の深リブ溝、深隅部や微小部分についてはエンドミルを細長くする必要があるため、工具の剛性不足によるびびり振動が発生しやすく、高能率加工の障害となっている。このびびり振動は一般に自励びびり振動であり、切削条件の変更、安定な主軸回転数での加工、機械構造の動的コンプライアンスの低減、切削力の向きの変更、不等ピッチ工具の使用、主軸回転数の周期的変動、工具の逃げ面摩擦の増加など多くの低減方法が提案されている。 Molds are indispensable tools for mass-producing industrial products at low cost. Also, improvement of processing efficiency (shortening of delivery time) is extremely important. In general, precision molds with complicated shapes have been made by electric discharge machining, but high-speed cutting has been put into practical use, and they are now manufactured by cutting with end mills using machining centers. However, since the end mill needs to be elongated for deep rib grooves, deep corners, and minute portions of the mold, chatter vibration is likely to occur due to lack of rigidity of the tool, which hinders high-efficiency machining. This chatter vibration is generally self-excited chatter vibration, which can be caused by changing cutting conditions, machining at a stable spindle speed, reducing the dynamic compliance of the machine structure, changing the direction of the cutting force, using uneven pitch tools, using a spindle Many reduction methods have been proposed, such as periodic fluctuations in rotation speed and increased tool flank friction.

特許文献１には、ハウジングに回転可能に支持された主軸の先端に工具を装着する工作機械の主軸装置において、主軸の工具装着部の周囲に、複数の電磁石を備えた振動抑制用ラジアル磁気軸受と、工具装着部の径方向の変位を検出するための複数のラジアル変位センサとを設け、ラジアル変位センサの出力に基づいてラジアル磁気軸受の電磁石を制御するようにした工作機械用主軸装置が記載されている。 Patent Document 1 discloses a vibration suppression radial magnetic bearing provided with a plurality of electromagnets around a tool mounting portion of a spindle in a spindle device of a machine tool in which a tool is attached to the tip of a spindle rotatably supported by a housing. and a plurality of radial displacement sensors for detecting the radial displacement of the tool mounting part, and controlling the electromagnet of the radial magnetic bearing based on the output of the radial displacement sensor. It is

特開２００８－２２９８０６号公報JP 2008-229806 A

特許文献１の主軸装置によれば、ラジアル磁気軸受によって主軸を所定位置に支持することができるので、主軸の回転数を下げずに、主軸の共振の発生を抑制可能となる。然しながら、磁気軸受により主軸の両端部を支持する場合には、大きな切削力が必要な加工が難しい問題があり、特に先端の振動変位が大きい小径エンドミルのびびり振動の低減には適していない。 According to the spindle device of Patent Document 1, the spindle can be supported at a predetermined position by the radial magnetic bearing, so that the occurrence of resonance of the spindle can be suppressed without lowering the rotational speed of the spindle. However, when both ends of the spindle are supported by magnetic bearings, there is a problem that machining that requires a large cutting force is difficult, and it is not suitable for reducing chatter vibration of small-diameter end mills, in which vibration displacement at the tip is particularly large.

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、主軸を磁気軸受と転がり軸受で回転可能に支持し、電磁力により磁気軸受を制御して回転工具の切削点でのコンプライアンスを改善し、小径エンドミル加工でのびびり振動の発生を抑制することを目的としている。 The technical problem of the present invention is to solve the problems of the prior art. The main spindle is rotatably supported by magnetic bearings and rolling bearings, and the magnetic bearings are controlled by electromagnetic force to achieve compliance at the cutting point of the rotary tool. and suppress chatter vibration when machining small-diameter end mills.

上述の目的を達成するために、本発明によれば、工具を保持してワークの加工を行う工作機械の主軸装置において、前記工具を先端に装着し、先端側と後端側とで回転可能に支持される主軸と、前記主軸を回転駆動するビルトインモータと、前記主軸の前記ビルトインモータより後端側で、前記主軸を接触した状態で支持する転がり軸受と、前記主軸の前記ビルトインモータより先端側で、前記主軸を非接触の状態で支持する磁気軸受と、ハウジング側に取り付けられ、前記磁気軸受の近傍で前記主軸に対向するように設けられた変位センサと、前記工具の刃部の変位を求める観測器と、前記変位センサおよび前記観測器の出力に基づいて、前記磁気軸受の磁力を制御する制御装置とを備え、前記ビルトインモータより先端側を前記磁気軸受のみで支持し、前記ビルトインモータより後端側を前記転がり軸受のみで支持し、前記制御装置が、前記変位センサおよび前記観測器の出力に基づいて、前記主軸が保持する工具に対応する特性方程式の根の実部の値を予め定めた倍率で大きくし、極配置法で状態フィードバック係数Ｋを求めるようにした主軸装置が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a spindle device for a machine tool that holds a tool and processes a workpiece, wherein the tool is attached to the front end and can rotate between the front end side and the rear end side. a built-in motor that rotationally drives the main shaft; a rolling bearing that supports the main shaft in contact with the main shaft on the rear end side of the main shaft relative to the built-in motor; a magnetic bearing that supports the main shaft in a non-contact state on the side, a displacement sensor that is attached to the housing side and is provided so as to face the main shaft in the vicinity of the magnetic bearing, and a displacement of the blade portion of the tool. and a controller for controlling the magnetic force of the magnetic bearing based on the outputs of the displacement sensor and the observer, the tip side of the built-in motor is supported only by the magnetic bearing , and the built-in The rear end side of the motor is supported only by the rolling bearing , and the control device controls the value of the real part of the root of the characteristic equation corresponding to the tool held by the spindle based on the outputs of the displacement sensor and the observation device. is increased by a predetermined magnification, and the state feedback coefficient K is obtained by the pole placement method .

小径の回転工具に発生する再生びびり振動は、主軸および工具を含む工具系の動的コンプライアンス（動剛性）により発生限界が決まることが理論的に示されている。本発明によれば、状態フィードバック制御を用いて、制御磁気軸受の電磁力により小径の回転工具の先端の動的コンプライアンスを制御し、回転工具のびびり振動を低減可能となる。 It is theoretically shown that the generation limit of regenerative chatter vibration generated in a small-diameter rotary tool is determined by the dynamic compliance (dynamic rigidity) of the tool system including the spindle and the tool. According to the present invention, state feedback control can be used to control the dynamic compliance of the tip of a small-diameter rotary tool using the electromagnetic force of a controlled magnetic bearing, thereby reducing chatter vibration of the rotary tool.

より詳細には、磁気軸受の電磁力による状態フィードバック制御を行う制御システムの特性方程式の根を任意の値に設定することにより、小径の回転工具のコンプライアンスの特性を変更することができ、これにより、小径の回転工具の固有振動数に相当する振動数でのコンプライアンスのピーク値は、制御を行わない場合のコンプライアンスのピーク値の半分に低下することが可能となる。 More specifically, by setting the root of the characteristic equation of the control system that performs state feedback control by the electromagnetic force of the magnetic bearing to an arbitrary value, it is possible to change the compliance characteristic of a small-diameter rotary tool. , the compliance peak value at the frequency corresponding to the natural frequency of the small-diameter rotary tool can be reduced to half of the compliance peak value in the absence of control.

本発明の１つの実施形態による主軸装置の概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a spindle device according to one embodiment of the present invention; FIG. 本発明を適用する主軸装置の一例を示す断面図である。It is a sectional view showing an example of a spindle device to which the present invention is applied. 磁気軸受のコイルの配置を示す略図である。Fig. 4 is a schematic diagram showing the arrangement of the coils of the magnetic bearing; 電磁石へ供給される電流の切換方法を説明するための略図である。4 is a schematic diagram for explaining a switching method of current supplied to an electromagnet; 電磁石へ供給される電流値と工具の変位との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the current value supplied to the electromagnet and the displacement of the tool; 主軸および工具を含む主軸装置の工具系の力学モデルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a dynamic model of a tool system of a spindle device including a spindle and a tool; 磁気軸受の制御系のブロック図である。3 is a block diagram of a control system of the magnetic bearing; FIG. 磁性部材での周波数応答を示したグラフである。4 is a graph showing frequency response in a magnetic member; 回転速度に対する工具のコンプライアンスの変化を状態フィードバック制御をした場合（｜Ｇa｜）と、しなかった場合（｜Ｇb｜）とで比較するグラフである。FIG. 10 is a graph comparing changes in tool compliance with respect to rotational speed with state feedback control (|Ga|) and without state feedback control (|Gb|); FIG. 回転速度に対する周波数応答関数の実部の計算値を工具のコンプライアンスの変化を状態フィードバック制御をした場合（Ｒe[Ｇa]）と、しなかった場合（Ｒe[Ｇb]）とで比較するグラフである。7 is a graph comparing the calculated value of the real part of the frequency response function with respect to the rotation speed when the change in tool compliance is subjected to state feedback control (Re[Ga]) and when it is not (Re[Gb]). . 他の例による主軸装置を示す図２と同様に断面図である。It is a sectional view similar to FIG. 2 showing a spindle device according to another example. 更に他の例による主軸装置を示す図２と同様の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view similar to FIG. 2 showing a spindle device according to still another example; 本発明の他の実施形態による制御装置を備えた主軸装置を示す図１と同様の概略ブロック図である。FIG. 2 is a schematic block diagram similar to FIG. 1 showing a spindle assembly with a controller according to another embodiment of the invention;

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、本発明を適用する工作機械の主軸装置の一例を示す側面図である図２を参照すると、主軸装置１００は、ハウジング１０２、軸受１０６、１０８、１１０によって回転軸線Ｏを中心として回転可能に支持された主軸１０４、主軸１０４を回転駆動するサーボモータ１２４を主要な構成要素として具備している。主軸装置１００は、例えばマシニングセンタのような工作機械に用いられ、先端部に工具ホルダ１１４を介して工具１１６が装着される。工具１１６は、工具径が１０ｍｍ以下の小径のボールエンドミルのような回転工具である。 Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
First, referring to FIG. 2, which is a side view showing an example of a spindle device of a machine tool to which the present invention is applied, a spindle device 100 is rotatable around a rotation axis O by a housing 102 and bearings 106, 108, and 110. Main components include a supported main shaft 104 and a servomotor 124 for rotating the main shaft 104 . The spindle device 100 is used, for example, in a machine tool such as a machining center, and a tool 116 is attached via a tool holder 114 to its tip. The tool 116 is a rotary tool such as a small diameter ball end mill with a tool diameter of 10 mm or less.

ハウジング１０２の開口部１０２ｂには、第１の変位センサ１１８が取り付けられている。第１の変位センサ１１８は、一例として、渦電流式非接触変位センサとすることができる。工具ホルダ１１４または工具１１６には、第１の変位センサ１１８に対面するようにドグ１２０が取り付けられている。また、本実施形態では、サーボモータ１２４は、ハウジング１０２の外部においてハウジング１０２の後端壁１０２ａに取り付けられており、カップリング１２６を介して主軸１０４に結合されている。 A first displacement sensor 118 is attached to the opening 102b of the housing 102 . As an example, the first displacement sensor 118 can be an eddy current non-contact displacement sensor. A dog 120 is attached to the tool holder 114 or the tool 116 so as to face the first displacement sensor 118 . Also, in this embodiment, the servomotor 124 is attached to the rear end wall 102 a of the housing 102 outside the housing 102 and coupled to the main shaft 104 via a coupling 126 .

また、主軸装置１００は、観測器として工具１１６の先端部分に近接させて配置された変位センサ、好ましくはレーザ光で対象物との間の距離を測定するレーザ式の第２の変位センサ１２２を具備している。第１の変位センサ１１８および第２の変位センサ１２２は、主軸１０４および工具１１６のＸ軸方向およびＹ軸方向の双方の変位を測定可能なように、Ｘ軸とＹ軸に１つずつ配設されている。 The spindle device 100 also includes a displacement sensor, preferably a second laser displacement sensor 122 that measures the distance to the object with a laser beam. equipped. The first displacement sensor 118 and the second displacement sensor 122 are arranged one each for the X-axis and the Y-axis so as to be able to measure the displacement of the spindle 104 and the tool 116 in both the X-axis direction and the Y-axis direction. It is

主軸１０４の後端側を回転支持する軸受１０６は、ボールベアリングやローラベアリングのような機械式軸受（転がり軸受）である。これに対して主軸１０４の先端側を回転支持する軸受１０８、１１０は磁気軸受となっている。磁気軸受１０８、１１０は、ハウジング１０２の内周面に固定されたコイル１１０と、コイル１１０に対面するように主軸１０４に取り付けられた磁性部材１０８とを具備している。 A bearing 106 that rotationally supports the rear end side of the main shaft 104 is a mechanical bearing (rolling bearing) such as a ball bearing or a roller bearing. On the other hand, the bearings 108 and 110 that rotatably support the tip side of the main shaft 104 are magnetic bearings. The magnetic bearings 108 , 110 have a coil 110 fixed to the inner peripheral surface of the housing 102 and a magnetic member 108 attached to the main shaft 104 so as to face the coil 110 .

磁性部材１０８は、保磁力が小さく、かつ、主軸１０４よりも透磁率が大きい軟磁性材料から形成される。磁性部材１０８を形成する軟磁性材料は、鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール、ソフトフェライト、アモルファス磁性材料、ナノ結晶軟磁性材料およびこれら材料の組合せを含む。磁性部材１０８は、特に環状のケイ素鋼板を積層して形成することが好ましい。 The magnetic member 108 is made of a soft magnetic material having a low coercive force and a higher magnetic permeability than the main shaft 104 . Soft magnetic materials forming magnetic member 108 include iron, silicon steel, permalloy, sendust, permendur, soft ferrites, amorphous magnetic materials, nanocrystalline soft magnetic materials, and combinations of these materials. The magnetic member 108 is preferably formed by stacking annular silicon steel plates.

図３を参照すると、本実施形態において、コイル１１０は、８つのコイル１１０－１～１１０－８を含み、コイル１１０－１～１１０－８の各々は軟磁性材料から成る鉄心と該鉄心の周囲に巻設された巻線とを含む。８つのコイル１１０－１～１１０－８は、隣り合う２つのコイルの巻線を直列に接続して該２つのコイルを１つのコイル集成体とし、後述するＸ軸方向制御部１５０またはＹ軸方向制御部１５２に接続されている。各コイル集成体において、２つのコイルは、Ｘ軸またはＹ軸を挟んで対称に配置されている。 Referring to FIG. 3, in this embodiment, the coil 110 includes eight coils 110-1 to 110-8, each of the coils 110-1 to 110-8 is a core made of soft magnetic material and a core around the core. and a winding wound on the The eight coils 110-1 to 110-8 connect the windings of two adjacent coils in series to make the two coils into one coil assembly, which is controlled by an X-axis direction control unit 150 or a Y-axis direction control unit 150 described later. It is connected to the control unit 152 . In each coil assembly, two coils are arranged symmetrically about the X-axis or the Y-axis.

より詳細には、コイル１１０－８、１１０－１がワイヤ１１２－１によって接続され第１のコイル集成体１１０Ａを形成し、コイル１１０－２、１１０－３がワイヤ１１２－２によって接続され第２のコイル集成体１１０Ｂを形成し、コイル１１０－４、１１０－５がワイヤ１１２－３によって接続され第３のコイル集成体１１０Ｃを形成し、コイル１１０－６、１１０－７がワイヤ１１２－４によって接続され第４のコイル集成体１１０Ｄを形成している。 More specifically, coils 110-8, 110-1 are connected by wire 112-1 to form a first coil assembly 110A, and coils 110-2, 110-3 are connected by wire 112-2 to form a second coil assembly 110A. coil assembly 110B, coils 110-4 and 110-5 are connected by wire 112-3 to form a third coil assembly 110C, and coils 110-6 and 110-7 are connected by wire 112-4. are connected to form a fourth coil assembly 110D.

更に、第１のコイル集成体１１０Ａのコイル１１０－８、１１０－１がＹ軸を挟んで対称に配置され、第２のコイル集成体１１０Ｂのコイル１１０－２、１１０－３がＸ軸を挟んで対称に配置され、第３のコイル集成体１１０Ｃのコイル１１０－４、１１０－５がＹ軸を挟んで対称に配置され、第４のコイル集成体１１０Ｄのコイル１１０－６、１１０－７がＸ軸を挟んで対称に配置されている。 Furthermore, the coils 110-8 and 110-1 of the first coil assembly 110A are arranged symmetrically across the Y-axis, and the coils 110-2 and 110-3 of the second coil assembly 110B are arranged across the X-axis. , the coils 110-4 and 110-5 of the third coil assembly 110C are arranged symmetrically across the Y-axis, and the coils 110-6 and 110-7 of the fourth coil assembly 110D are arranged They are arranged symmetrically across the X axis.

第１と第３のコイル集成体１１０Ａ、１１０ＣはＸ軸を挟んで対称に配置され、Ｙ軸方向制御部１５２に接続され、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０ＤはＹ軸を挟んで対称に配置され、Ｘ軸方向制御部１５０に接続されている。これによって、第１と第３のコイル集成体１１０Ａ、１１０Ｃは、Ｙ軸方向制御部１５２によって互いに協調して制御され、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０Ｄは、Ｘ軸方向制御部１５０によって互いに協調して制御される。 The first and third coil assemblies 110A, 110C are arranged symmetrically across the X-axis and connected to the Y-axis direction control section 152, and the second and fourth coil assemblies 110B, 110D are arranged across the Y-axis. , and connected to the X-axis direction control section 150 . Thus, the first and third coil assemblies 110A, 110C are cooperatively controlled by the Y-axis control section 152, and the second and fourth coil assemblies 110B, 110D are controlled by the X-axis control section. 150 in coordination with each other.

図１を参照すると、主軸装置１００は磁気軸受１０８、１１０、特に磁気軸受のコイル１１０を制御する磁気軸受の制御装置１０を更に具備している。制御装置１０は、CPU（中央演算素子）、RAM（ランダムアクセスメモリ）やROM（リードオンリーメモリ）のようなメモリ装置、これらを相互接続する双方向バスを含む演算装置、および、関連するソフトウェア、並びに前記コンピュータと協働するオペアンプおよび該オペアンプに関連したアナログ電子回路等から構成することができる。 Referring to FIG. 1, the spindle assembly 100 further comprises a magnetic bearing controller 10 for controlling the magnetic bearings 108, 110, and in particular the coil 110 of the magnetic bearings. The control device 10 includes a CPU (central processing unit), memory devices such as RAM (random access memory) and ROM (read only memory), arithmetic devices including bidirectional buses interconnecting them, and related software, and an operational amplifier cooperating with the computer and analog electronic circuitry associated with the operational amplifier.

制御装置１０は、第１の変位センサ１１８に接続されたローパスフィルタ１８、ローパスフィルタ１８を通過した第１の変位センサ１１８からの信号の電圧のレベルをシフトするシフト回路２０、状態フィードバック制御器１２、切換器２２、切換器２２からの出力を増幅するプラス側リニアアンプ２８およびマイナス側リニアアンプ３０を主要な構成要素として具備している。制御装置１０は、また、主軸１０４に装着される工具１１６の質量、工具径、工具長さのようなパラメータを格納する記憶装置４２を備えている。記憶装置４２は、制御装置１０のメモリ装置によって形成することもできるが、好ましくは、工作機械のＮＣ装置や機械制御装置が備えているHDD（ハードディスクドライブ）やSSD（ソリッドステートドライブ）のような記憶デバイスによって形成される。 The controller 10 includes a low-pass filter 18 connected to the first displacement sensor 118, a shift circuit 20 for shifting the voltage level of the signal from the first displacement sensor 118 that has passed through the low-pass filter 18, and a state feedback controller 12. , a switch 22, and a plus-side linear amplifier 28 and a minus-side linear amplifier 30 for amplifying the output from the switch 22 as main components. The controller 10 also includes a memory device 42 that stores parameters such as the mass of the tool 116 mounted on the spindle 104, tool diameter, and tool length. The storage device 42 can be formed by the memory device of the control device 10, but is preferably an HDD (hard disk drive) or SSD (solid state drive) provided in the NC device of the machine tool or the machine control device. formed by storage devices.

状態フィードバック制御器１２は、オペアンプ回路から形成された主軸１０４のためのＰＤ制御器１４と、オペアンプ回路から形成された工具１１６のためのＰＤ制御器１６とを含む。主軸１０４のためＰＤ制御器１４はシフト回路２０からの信号を受け取る。工具１１６のためのＰＤ制御器１６は、第２の変位センサ１２２からの信号を受け取る。シフト回路２０からの出力電圧は、主軸１０４のためのＰＤ制御器１４に入力され，状態フィードバック制御を行うための信号が出力される。ＰＤ制御器１４の比例ゲインと微分ゲインは、状態フィードバック係数ＫのＫ₃とＫ₄の値と、第１の変位センサ１１８、第２の変位センサ１２２、リニアアンプ２８、３０等のゲインを考慮して決定した。 State feedback controllers 12 include PD controller 14 for spindle 104 formed from an op amp circuit and PD controller 16 for tool 116 formed from an op amp circuit. PD controller 14 receives signals from shift circuit 20 for spindle 104 . PD controller 16 for tool 116 receives the signal from second displacement sensor 122 . The output voltage from the shift circuit 20 is input to the PD controller 14 for the spindle 104 and outputs a signal for state feedback control. The proportional gain and differential gain of the PD controller 14 take into consideration the values of _K3 and _K4 of the state feedback coefficient K, the gains of the first displacement sensor 118, the second displacement sensor 122, the linear amplifiers 28, 30, etc. and decided.

本実施形態では、状態フィードバック制御器１２からの出力は、切換器２２を介してリニアアンプ２８、３０に送られる。一例として、切換器２２は、状態フィードバック制御器１２からの出力が正の値のときに該出力をリニアアンプ２８に出力し、状態フィードバック制御器１２からの出力が負の値ときに該出力をリニアアンプ３０に出力するスイッチ回路により形成することができる。リニアアンプ２８、３０は、切換器２２から受け取った出力に基づき、電流が、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０Ｄに出力される。これにより、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０Ｄと磁性部材１０８との間に電磁力が生成される。 In this embodiment, the output from the state feedback controller 12 is sent through the switch 22 to the linear amplifiers 28,30. As an example, the switch 22 outputs the output from the state feedback controller 12 to the linear amplifier 28 when the output from the state feedback controller 12 has a positive value, and the output from the state feedback controller 12 when the output has a negative value. It can be formed by a switch circuit that outputs to the linear amplifier 30 . Linear amplifiers 28, 30, based on the output received from switch 22, output current to second and fourth coil assemblies 110B, 110D. This creates an electromagnetic force between the second and fourth coil assemblies 110B, 110D and the magnetic member .

既述したように、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０Ｄは、Ｙ軸を挟んで対称に配置され、かつ、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０Ｄと磁性部材１０８との間に生成される電磁力は常に引力であるので、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０Ｄに同じ電流値で出力されると、第２と第４のコイル集成体１１０Ｂ、１１０Ｄと磁性部材１０８との間に生成される電磁力は逆向きで同一の電磁力となり、磁性部材１０８（主軸１０４）は変位することがない。 As described above, the second and fourth coil assemblies 110B, 110D are symmetrically arranged with respect to the Y-axis, and the magnetic member 108 and the second and fourth coil assemblies 110B, 110D are arranged symmetrically. Since the electromagnetic force generated between them is always attractive, when the same current value is output to the second and fourth coil assemblies 110B, 110D, the second and fourth coil assemblies 110B, 110D and the magnetic The electromagnetic force generated between the magnetic member 108 and the magnetic member 108 is the same in the opposite direction, and the magnetic member 108 (main shaft 104) is not displaced.

そこで、切換器２２は、状態フィードバック制御器１２からの出力が、磁性部材１０８をＸ軸に沿って正の方向（図１、３において右方）に移動させる値である場合に、該出力をプラス側リニアアンプ２８に供給する。プラス側リニアアンプ２８は、切換器２２からの出力に基づき、Ｘ軸に沿って正の領域に配置されている第２のコイル集成体１１０Ｂに駆動電流を出力する。 Therefore, when the output from the state feedback controller 12 is a value that moves the magnetic member 108 in the positive direction (to the right in FIGS. 1 and 3) along the X axis, the switch 22 switches the output to It is supplied to the plus side linear amplifier 28 . Based on the output from the switch 22, the plus side linear amplifier 28 outputs a drive current to the second coil assembly 110B arranged in the positive region along the X axis.

反対に、状態フィードバック制御器１２からの出力が、磁性部材１０８をＸ軸に沿って負の方向（図１、３において左方）に移動させる値である場合には、切換器２２は、該出力をマイナス側リニアアンプ３０に供給する。マイナス側リニアアンプ３０は、切換器２２からの出力に基づき、Ｘ軸に沿って負の領域に配置されている第４のコイル集成体１１０ｄに駆動電流を出力する。 Conversely, when the output from state feedback controller 12 is a value that causes magnetic member 108 to move along the X axis in the negative direction (to the left in FIGS. 1 and 3), switch 22 switches the The output is supplied to the minus side linear amplifier 30 . Based on the output from the switch 22, the minus side linear amplifier 30 outputs a drive current to the fourth coil assembly 110d arranged in the negative region along the X axis.

また、磁性部材１０８と第２のコイル集成体１１０Ｂの間に生成される電磁力または磁性部材１０８と第４のコイル集成体１１０Ｄとの間に生成される電磁力は、第２のコイル集成体１１０Ｂまたは第４のコイル集成体１１０Ｄに供給される電流の２乗に比例し、磁性部材１０８と第２のコイル集成体１１０Ｂまたは第４のコイル集成体１１０Ｄとの間の距離の２乗に反比例する。そのため、特に、磁性部材１０８と第２のコイル集成体１１０Ｂまたは第４のコイル集成体１１０Ｄとの間の距離が大きくなるとき、つまり磁性部材１０８の中心が主軸１０４の中心軸線Ｏの近傍にあるとき、磁性部材１０８と第２のコイル集成体１１０Ｂまたは第４のコイル集成体１１０Ｄとの間に生成される電磁力は非線形的に小さくなる。 Also, the electromagnetic force generated between the magnetic member 108 and the second coil assembly 110B or the electromagnetic force generated between the magnetic member 108 and the fourth coil assembly 110D may be applied to the second coil assembly 110B. proportional to the square of the current supplied to 110B or fourth coil assembly 110D and inversely proportional to the square of the distance between magnetic member 108 and second coil assembly 110B or fourth coil assembly 110D do. Therefore, especially when the distance between the magnetic member 108 and the second coil assembly 110B or the fourth coil assembly 110D becomes large, that is, the center of the magnetic member 108 is near the central axis O of the main shaft 104. , the electromagnetic force generated between the magnetic member 108 and the second coil assembly 110B or the fourth coil assembly 110D decreases non-linearly.

そのため、図７において実線で示すように、主軸１０４の中心軸線Ｏの近傍では制御の応答が鈍くなることがある。そこで、切換器２２と、状態フィードバック制御器１２との間にバイアス電源２４、２６を設けることが好ましい。こうして、状態フィードバック制御器１２からの出力にバイアス電圧を印加することによって、図７において破線で示すように、磁性部材１０８の変位量は、第２のコイル集成体１１０Ｂまたは第４のコイル集成体１１０Ｄに供給される入力電流値に対して線形または概ね線形になる。 Therefore, as indicated by the solid line in FIG. 7, the response of the control may become dull in the vicinity of the center axis O of the spindle 104 . Therefore, bias power supplies 24 and 26 are preferably provided between the switch 22 and the state feedback controller 12 . Thus, by applying a bias voltage to the output from state feedback controller 12, the amount of displacement of magnetic member 108, as shown by the dashed lines in FIG. linear or nearly linear with respect to the input current value supplied to 110D.

以下、制御装置１０による状態フィードバック制御について説明する。
図５は、主軸１０４および工具１１６を含む主軸装置１００の主軸１０４、工具ホルダ１１４および工具１１６を含む工具系の力学モデルを示している。おり、ｘは振動変位、ｍは等価集中質量、ｆ₂は工具１１６の下端での加振力、ｆ_aは磁性部材１０８に作用する電磁力である。ｋは等価剛性、ｃは等価減衰係数である。また添字１は磁性部材１０８を示すパラメータであり、添字２は工具１１６の先端を示すパラメータである。 State feedback control by the control device 10 will be described below.
FIG. 5 shows a dynamic model of a tool system including spindle 104 , tool holder 114 and tool 116 of spindle apparatus 100 including spindle 104 and tool 116 . where x is the vibration displacement, m is the equivalent concentrated mass, f ₂ is the excitation force at the lower end of the tool 116 , and f _a is the electromagnetic force acting on the magnetic member 108 . k is the equivalent stiffness and c is the equivalent damping coefficient. The suffix 1 is a parameter indicating the magnetic member 108 , and the suffix 2 is a parameter indicating the tip of the tool 116 .

ここで、図８は、磁性部材１０８の周波数応答を示しており、磁性部材１０８の打撃試験によって求めた。図８の上図はコンプライアンスで、３箇所でピークが見られる。表１は工具系のモーダルパラメータで、コンプライアンスのピーク近傍での周波数応答から求めた。また表２はモーダルパラメータから求めた工具系の自由振動のパラメータである。

Here, FIG. 8 shows the frequency response of the magnetic member 108, which was obtained by the impact test of the magnetic member 108. FIG. The upper diagram in FIG. 8 shows the compliance, and peaks can be seen at three locations. Table 1 shows the modal parameters of the tool system, obtained from the frequency response near the compliance peak. Table 2 shows the free vibration parameters of the tool system obtained from the modal parameters.

図５の力学モデルから以下の運動方程式（１）が得られる。

The following equation of motion (1) is obtained from the dynamic model of FIG.

式（１）から状態方程式（２）が得られる。

A state equation (2) is obtained from the equation (1).

また出力方程式は式（３）とする。

Also, the output equation is represented by equation (3).

状態フィードバック制御の理論によれば、磁気軸受の電磁力により工具系を制御することにより、工具１１６の先端でのコンプライアンスを制御することができる。よって、式（２）で示した状態方程式においてｕ（ｔ）＝－Ｋz（ｔ）と置けば、式（４）が得られる。

According to the theory of state feedback control, the compliance at the tip of the tool 116 can be controlled by controlling the tool system with the electromagnetic forces of the magnetic bearings. Therefore, by putting u(t)=-Kz(t) in the state equation shown in equation (2), equation (4) is obtained.

ここで、Ｋはフィードバックゲインである。よって、式（３）の出力方程式と式（４）の状態方程式をフーリエ変換すれば、以下の式（５）で示される周波数伝達関数が得られる。

where K is the feedback gain. Therefore, if the output equation of equation (3) and the state equation of equation (4) are Fourier-transformed, the frequency transfer function expressed by the following equation (5) can be obtained.

状態フィードバック制御を行っていない場合のシステムの特性方程式の根は、式（２）で示したシステム行列Ａの固定値として得られる。

The root of the characteristic equation of the system when state feedback control is not performed is obtained as a fixed value of the system matrix A shown in Equation (2).

よって、式（６）に表２に示した工具系の自由振動のパラメータを代入すれば特性方程式の根Ｓ₁～Ｓ₄の値は以下のようになる。

Therefore, by substituting the free vibration parameters of the tool system shown in Table 2 into Equation (6), the values of the roots S ₁ to S ₄ of the characteristic equation are as follows.

状態フィードバック制御を掛けたときのシステムの状態方程式は式（５）であり、システム行列は式（６）となる。式（５）の特性方程式の根は、式（６）の固有値として与えられる。従って、固有値は

の根である。

The state equation of the system when state feedback control is applied is formula (5), and the system matrix is formula (6). The roots of the characteristic equation of equation (5) are given as the eigenvalues of equation (6). Therefore, the eigenvalues are

is the root of

ここで、定数項をｔ₀、またＳ～Ｓ³の係数をそれぞれｔ₁～ｔ₃とおくと、特性方程式は以下のようになる。

Here, if the constant term is t ₀ and the coefficients of S to S ³ are t ₁ to t ₃ respectively, the characteristic equation is as follows.

よって、状態フィードバック係数Ｋ₁～Ｋ₄の値により、特性方程式の根の値は変わる。
一方、４つの固有値λ₁、λ₂、λ₃、λ₄を根とする４次の代数方程式は、次のように表される。

Therefore, the value of the root of the characteristic equation changes depending on the values of the state feedback coefficients K ₁ to K ₄ .
On the other hand, a fourth-order algebraic equation rooted at four eigenvalues λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , and λ ₄ is expressed as follows.

制御系の特性根を任意の固有値λ₁、λ₂、λ₃、λ₄とするためには、式（７）の各項の係数が対応する式（８）の係数に一致しなければならない。よって、次の連立方程式が得られる。

In order to set the characteristic roots of the control system to arbitrary eigenvalues λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ and λ ₄ , the coefficients of each term in equation (7) must match the corresponding coefficients in equation (8). . Therefore, the following simultaneous equations are obtained.

状態フィードバック制御を行っていない場合のシステムの特性方程式｜ＳＩ－Ａ｜＝０の特性根のうち、Ｓ_(1,2)との虚部の値は４０１９ｒａｄ／ｓであり、約６４０Ｈｚになる。よって、表１に示した工具１１６の固有振動数６２５Ｈｚに近いので、Ｓ_(1,2)は工具１１６の固有振動数に対応する根になると考えられる。一方、Ｓ_(1,2)の実部の値は減衰に対応するので、特性根λ_1,2の値は、Ｓ_(1,2)の実部を３倍にした値とし、特性根λ_3,4の値は、Ｓ_(3,4)の値のままとした。このように、状態フィードバック制御を行う制御システムの特性方程式の任意の根の値は、極配置法により状態フィードバック係数を求めることで簡便に求めることができる。本実施形態では、特性根の値を実部の３倍としたが、予め定めた任意の倍率で大きくすればよい。 Of the characteristic roots of the characteristic equation |SI−A|=0 of the system when state feedback control is not performed, the value of the imaginary part with S _(1,2) is 4019 rad/s, which is approximately 640 Hz. Therefore, since it is close to the natural frequency of 625 Hz of the tool 116 shown in Table 1, S _(1,2) is considered to be the root corresponding to the natural frequency of the tool 116 . On the other hand, since the value of the real part of S _(1,2) corresponds to attenuation, the value of the characteristic root λ _1,2 is the value obtained by multiplying the real part of S _(1,2) by three, and the characteristic root λ The value of _3,4 was left as the value of S _(3,4) . In this way, the value of any root of the characteristic equation of the control system that performs state feedback control can be easily obtained by obtaining the state feedback coefficient by the pole placement method. In this embodiment, the value of the characteristic root is three times the real part, but it may be increased by any predetermined magnification.

よって、λ_1,2とλ_3,4の値を式（９）に代入し、得られたｔ₀～ｔ₃の値を式（７）に代入してＫ₁～Ｋ₄について解けば、状態フィードバック係数Ｋが得られる。

Therefore, by substituting the values of λ _1,2 and λ _3,4 into equation (9), substituting the obtained values of t ₀ -t ₃ into equation (7), and solving for K ₁ -K ₄ , A state feedback factor K is obtained.

図９は、得られた状態フィードバック係数Ｋの値と、表２に示した工具系の自由振動のパラメータを式（５）に示した周波数応答関数の計算式に代入して求めたコンプライアンス｜Ｇａ｜である。また図６には比較のため、状態フィードバック制御を行わない場合のコンプライアンス｜Ｇｂ｜が示されているが、工具１１６の固有振動数に対応する約６４０Ｈｚの｜Ｇｂ｜のピーク値は、状態フィードバック制御を行うことにより、約１／３に低下した。これは、工具１１６に対応する特性方程式の根の実部の値を３倍とし、極配置法で状態フィードバック係数Ｋを求めたことと対応している。従って、工具１１６の任意のコンプライアンス特性は、極配置法で特性方程式の根を任意のコンプライアンス特性に対応して決め、状態フィードバック係数を求めれば得られることになる。 FIG. 9 shows the compliance |Ga | For comparison, FIG. 6 also shows the compliance |Gb| when the state feedback control is not performed. By performing control, it decreased to about 1/3. This corresponds to the fact that the value of the real part of the root of the characteristic equation corresponding to the tool 116 is tripled and the state feedback coefficient K is obtained by the pole placement method. Therefore, an arbitrary compliance characteristic of the tool 116 can be obtained by determining the root of the characteristic equation corresponding to the arbitrary compliance characteristic by the pole placement method and obtaining the state feedback coefficient.

図１０は、得られた状態フィードバック係数Ｋの値と、表２示した工具系の自由振動のパラメータを式（５）に代入して得られた周波数応答関数の実部Ｒｅ［Ｇａ］で、図中に赤い曲線で示してある。また図１０には比較のため、状態フィードバック制御を行わない場合の周波数応答関数の実部Ｒｅ［Ｇｂ］が示されているが、工具１１６の固有振動数に対応する約６４０ＨｚのＲｅ［Ｇｂ］の極小値は、状態フィードバック制御を行うことにより、約１／３になった。これは、再生びびり振動の理論によれば、再生びびり振動の発生限界が約３倍になることを意味している。また図１０では、工具１１６の固有振動数に対応するコンプライアンスのピーク値は約１／３に低下したが、ケイ素鋼板円筒部の固有振動数に対応する約５８０Ｈｚでのピーク値は逆に増加し、エンドミルに対応する約６４０Ｈｚでのピーク値よりも大きくなった。しかし、図１０に示したように約５８０Ｈｚでの極小値は、約６４０Ｈｚでの極小値より絶対値は小さいため、約５８０Ｈｚで再生びびり振動は発生しない。 FIG. 10 shows the value of the obtained state feedback coefficient K and the real part Re [Ga] of the frequency response function obtained by substituting the free vibration parameters of the tool system shown in Table 2 into the equation (5). It is indicated by the red curve in the figure. For comparison, FIG. 10 also shows the real part Re [Gb] of the frequency response function when the state feedback control is not performed. was reduced to about 1/3 by performing state feedback control. According to the theory of regenerative chatter vibration, this means that the generation limit of regenerative chatter vibration is approximately tripled. In FIG. 10, the compliance peak value corresponding to the natural frequency of the tool 116 decreased to about 1/3, but the peak value at about 580 Hz corresponding to the natural frequency of the silicon steel plate cylindrical portion increased. , was greater than the peak value at about 640 Hz corresponding to the end mill. However, as shown in FIG. 10, since the minimum value at about 580 Hz has a smaller absolute value than the minimum value at about 640 Hz, regenerative chatter vibration does not occur at about 580 Hz.

本実施形態によれば、小径の回転工具のコンプライアンスの特性は、磁気軸受１０８、１１０の電磁力による状態フィードバック制御を行う制御システムの特性方程式の根を任意の値に設定することにより変更することができる。これにより、小径の回転工具の固有振動数に相当する振動数でのコンプライアンスのピーク値は、制御を行わない場合のコンプライアンスのピーク値の半分に低下することが可能となる。これにより、再生びびり振動の発生限界を大きくすることが可能となる。 According to this embodiment, the compliance characteristics of the small-diameter rotary tool can be changed by setting the roots of the characteristic equation of the control system that performs state feedback control by the electromagnetic force of the magnetic bearings 108 and 110 to arbitrary values. can be done. As a result, the compliance peak value at the frequency corresponding to the natural frequency of the small-diameter rotary tool can be reduced to half the compliance peak value in the absence of control. This makes it possible to increase the generation limit of regenerative chatter vibration.

既述の実施形態では、主軸装置１００は、主軸１０４を回転駆動するサーボモータ１２４は、ハウジング１０２の外部においてハウジング１０２の後端壁１０２ａに取り付けられているが、本発明は、これに限定されず、図１１に示すように、ハウジング１０２の内部に配設されていてもよい。 In the above-described embodiment, in the spindle device 100, the servomotor 124 that rotationally drives the spindle 104 is attached to the rear end wall 102a of the housing 102 outside the housing 102, but the present invention is limited to this. Alternatively, it may be disposed inside the housing 102 as shown in FIG.

図１１に示す例では、主軸装置２００のサーボモータは、主軸１０４の外周面に固定されたロータ２０２と、該ロータ２０２に対面するようにハウジング１０２の内周面に固定されたステータ２０４とを具備し、所謂ビルトインモータを構成している。なお、図１１では、図１、２と同様の構成要素には同じ参照番号が付されており、それらの構成要素に関連した説明は重複を避けるために省略する。この例でも、既述の実施形態と同様に、状態フィードバック制御によって、小径の回転工具の固有振動数に相当する振動数でのコンプライアンスのピーク値を小さくして、再生びびり振動の発生限界を大きくすることが可能となる。 In the example shown in FIG. 11, the servomotor of the spindle device 200 includes a rotor 202 fixed to the outer peripheral surface of the main shaft 104 and a stator 204 fixed to the inner peripheral surface of the housing 102 so as to face the rotor 202. It comprises a so-called built-in motor. In FIG. 11, the same reference numerals are given to the same components as in FIGS. 1 and 2, and the description related to those components is omitted to avoid duplication. In this example, as in the above-described embodiment, the state feedback control reduces the compliance peak value at the frequency corresponding to the natural frequency of the small-diameter rotary tool, thereby increasing the generation limit of regenerative chatter vibration. It becomes possible to

図２、１１に示す例では、主軸１０４は、いわゆるダイレクトドライブ方式で回転駆動されるが、本発明はこれに限定されず、図１２に示すようにベルト駆動方式でもよい。図１２において、サーボモータ３０２は、回転軸線Ｏ_Mに沿って延設された出力軸３０２ａを有しており、該出力軸３０２ａにプーリー３０６が取り付けられている。サーボモータ３０２は、該出力軸３０２ａがハウジング１０２内に突出するように、ハウジング１０２の後端壁１０２ａに取り付けられている。主軸１０４は、その後端から回転軸線Ｏに沿って延びる延長部３０８を有し、該延長部３０８にプーリー３１０が取り付けられている。サーボモータ３０６のプーリー３０２ａと主軸１０４のプーリー３１０の間にベルト３０４が架け渡されている。なお、図１２では、図２、１１と同様の構成要素には同じ参照番号が付されており、それらの構成要素に関連した説明は重複を避けるために省略する。また、ベルト駆動に代えて歯車装置を用いてもよい。この例でも、既述の実施形態と同様に、状態フィードバック制御によって、小径の回転工具の固有振動数に相当する振動数でのコンプライアンスのピーク値を小さくして、再生びびり振動の発生限界を大きくすることが可能となる。 In the examples shown in FIGS. 2 and 11, the main shaft 104 is rotationally driven by a so-called direct drive method, but the present invention is not limited to this, and a belt drive method may be used as shown in FIG. In FIG. 12, the servomotor 302 has an output shaft 302a extending along the rotation axis _OM , and a pulley 306 is attached to the output shaft 302a. The servomotor 302 is attached to the rear end wall 102a of the housing 102 so that the output shaft 302a protrudes into the housing 102. As shown in FIG. The main shaft 104 has an extension 308 extending along the rotation axis O from its rear end, and a pulley 310 is attached to the extension 308 . A belt 304 is stretched between the pulley 302 a of the servomotor 306 and the pulley 310 of the main shaft 104 . In FIG. 12, the same reference numerals are assigned to the same components as those in FIGS. 2 and 11, and descriptions related to those components are omitted to avoid duplication. Also, a gear device may be used instead of the belt drive. In this example, as in the above-described embodiment, the state feedback control reduces the compliance peak value at the frequency corresponding to the natural frequency of the small-diameter rotary tool, thereby increasing the generation limit of regenerative chatter vibration. It becomes possible to

更に、図１の例では、主軸装置１００は、観測器として、工具１１６の先端部分の刃先位置を実測する第２の変位センサ１２２を備えていたが、本発明は、これに限定されず、観測器は、第１の変位センサ１１８からの出力に基づいて制御理論的に工具１１６の変位を導出するようにしてもよい。 Furthermore, in the example of FIG. 1, the spindle device 100 includes the second displacement sensor 122 as an observer for actually measuring the cutting edge position of the tip portion of the tool 116, but the present invention is not limited to this. The observer may derive the displacement of the tool 116 from control theory based on the output from the first displacement sensor 118 .

図１３を参照すると、本実施形態による主軸装置１００は制御装置５０を備えている。図１３の主軸装置１００は、また、図１の実施形態の主軸装置１００に設けられていた第２の変位センサ１２２を備えていない。制御装置５０の状態フィードバック制御器５２は、主軸１０４のためのＰＤ制御器１４と、工具１１６のためのＰＤ制御器１６に加えて、主軸１０４および工具１１６を含む工具系の動的モデル演算器５４を具備している。動的モデル演算器５４は、シフト回路２０の出力に基づいて、図１の実施形態における第２の変位センサ１２２の出力値に代えて、以下の式（１０）に基づいて工具１１６の刃部の変位を算出する。その他の処理は図１の実施形態と同様である。なお、図１３では、図１と同様の構成要素には同じ参照番号が付されており、それらの構成要素に関連した説明は重複を避けるために省略する。

Referring to FIG. 13 , the spindle device 100 according to this embodiment includes a control device 50 . The spindle device 100 of FIG. 13 also does not have the second displacement sensor 122 provided in the spindle device 100 of the embodiment of FIG. State feedback controller 52 of controller 50 includes PD controller 14 for spindle 104 and PD controller 16 for tool 116, as well as a dynamic model calculator for the tool system including spindle 104 and tool 116. 54 are provided. Based on the output of the shift circuit 20, the dynamic model calculator 54 calculates the blade portion of the tool 116 based on the following equation (10) instead of the output value of the second displacement sensor 122 in the embodiment of FIG. Calculate the displacement of Other processing is the same as in the embodiment of FIG. In FIG. 13, the same reference numerals are assigned to the same components as in FIG. 1, and descriptions related to those components are omitted to avoid duplication.

１０制御装置
１２状態フィードバック制御器
１４制御器
１５減衰比
１６制御器
１８ローパスフィルタ
２０主軸
２０シフト回路
２２切換器
２４バイアス電源
２６バイアス電源
２８プラス側リニアアンプ
３０マイナス側リニアアンプ
４２記憶装置
５０制御装置
５２状態フィードバック制御器
５４動的モデル演算器
１００主軸装置
１０２ハウジング
１０２ａ後端壁
１０２ｂ開口部
１０４主軸
１０６転がり軸受
１０８磁性部材（磁気軸受）
１１０コイル（磁気軸受）
１１４工具ホルダ
１１６工具
１１８第１の変位センサ
１２０ドグ
１２２第２の変位センサ（観測器）
１２４サーボモータ
１２６カップリング
１５０Ｘ軸方向制御部
１５２Ｙ軸方向制御部
２００主軸装置
２０２ロータ
２０４ステータ
３０２サーボモータ
３０２ａ出力軸
３０２ａプーリー
３０４ベルト
３０６プーリー
３０６サーボモータ
３０８延長部
３１０プーリー REFERENCE SIGNS LIST 10 control device 12 state feedback controller 14 controller 15 attenuation ratio 16 controller 18 low-pass filter 20 main axis 20 shift circuit 22 switch 24 bias power supply 26 bias power supply 28 plus side linear amplifier 30 minus side linear amplifier 42 storage device 50 control device 52 state feedback controller 54 dynamic model calculator 100 spindle device 102 housing 102a rear end wall 102b opening 104 spindle 106 rolling bearing 108 magnetic member (magnetic bearing)
110 coil (magnetic bearing)
114 tool holder 116 tool 118 first displacement sensor 120 dog 122 second displacement sensor (observer)
124 Servomotor 126 Coupling 150 X-Axis Direction Control Section 152 Y-Axis Direction Control Section 200 Spindle Device 202 Rotor 204 Stator 302 Servo Motor 302a Output Shaft 302a Pulley 304 Belt 306 Pulley 306 Servo Motor 308 Extension 310 Pulley

Claims

工具を保持してワークの加工を行う工作機械の主軸装置において、
前記工具を先端に装着し、先端側と後端側とで回転可能に支持される主軸と、
前記主軸を回転駆動するビルトインモータと、
前記主軸の前記ビルトインモータより後端側で、前記主軸を接触した状態で支持する転がり軸受と、
前記主軸の前記ビルトインモータより先端側で、前記主軸を非接触の状態で支持する磁気軸受と、
ハウジング側に取り付けられ、前記磁気軸受の近傍で前記主軸に対向するように設けられた変位センサと、
前記工具の刃部の変位を求める観測器と、
前記変位センサおよび前記観測器の出力に基づいて、前記磁気軸受の磁力を制御する制御装置と、
を備え、
前記ビルトインモータより先端側を前記磁気軸受のみで支持し、前記ビルトインモータより後端側を前記転がり軸受のみで支持し、
前記制御装置が、前記変位センサおよび前記観測器の出力に基づいて、前記主軸が保持する工具に対応する特性方程式の根の実部の値を予め定めた倍率で大きくし、極配置法で状態フィードバック係数Ｋを求めることを特徴とした主軸装置。 In the spindle device of a machine tool that holds a tool and processes a workpiece,
a spindle on which the tool is mounted at the tip end and rotatably supported at the tip end side and the rear end side;
a built-in motor that rotationally drives the main shaft;
a rolling bearing supporting the main shaft in contact with the main shaft on the rear end side of the main shaft relative to the built-in motor;
a magnetic bearing that supports the main shaft in a non-contact state on the distal end side of the main shaft from the built-in motor;
a displacement sensor attached to the housing side and provided so as to face the main shaft in the vicinity of the magnetic bearing;
an observer for determining the displacement of the cutting edge of the tool;
a control device that controls the magnetic force of the magnetic bearing based on the outputs of the displacement sensor and the observer;
with
The front end side of the built-in motor is supported only by the magnetic bearing , and the rear end side of the built-in motor is supported only by the rolling bearing ,
The control device increases the value of the real part of the root of the characteristic equation corresponding to the tool held by the spindle by a predetermined factor based on the outputs of the displacement sensor and the observer, and calculates the state by the pole placement method. A spindle device characterized by obtaining a feedback coefficient K.

前記制御装置は、前記変位センサおよび前記観測器の出力に基づいて、前記主軸が保持する工具の先端の動的コンプライアンスを低減するように、前記磁気軸受の磁力を制御する請求項１に記載の主軸装置。 2. The controller according to claim 1, wherein the control device controls the magnetic force of the magnetic bearing so as to reduce dynamic compliance of the tip of the tool held by the spindle based on the outputs of the displacement sensor and the observer. Spindle device.

前記観測器は、前記主軸が保持する工具の先端部の近傍に配設されたレーザ変位センサである請求項１に記載の主軸装置。 2. The spindle device according to claim 1, wherein said observer is a laser displacement sensor arranged near the tip of the tool held by said spindle.

前記観測器は、前記変位センサの出力に基づき、主軸が保持する工具の刃部の変位を算出する工具系の動的モデル演算器である請求項１に記載の主軸装置。 2. The spindle device according to claim 1, wherein the observer is a tool system dynamic model calculator that calculates the displacement of the cutting edge of the tool held by the spindle based on the output of the displacement sensor.