JP2000263376A

JP2000263376A - 静圧磁気複合軸受スピンドル装置

Info

Publication number: JP2000263376A
Application number: JP11071500A
Authority: JP
Inventors: Takami Ozaki; 孝美尾崎; Nobuyuki Suzuki; 伸幸鈴木
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2000-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】外部に負荷測定用装置を設けることなく、主
軸および工具に作用する負荷または工具の損傷状態を検
出可能とする。主軸の高速、高精度、高剛性を確保す
る。【解決手段】静圧磁気複合軸受６〜９の電磁石部に供
給した電流を検出する手段１５〜１８をスピンドルコン
トローラ３に内蔵する。その電流検出値から工具損傷状
態等の加工状態を把握する加工状態把握手段１９を設け
る。加工状態把握手段１９は、励磁電流の制御手段４３
が積分回路または比例積分回路で構成される場合は、電
流検出値そのものから主軸４の静負荷を換算する。加工
状態把握手段１９は、電流検出値を平滑回路に入れて静
負荷を換算するものや、周波数分析して各周波数成分の
振幅から加工状態を把握するものであっても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高速切削加工装
置や研削加工装置等に装備される静圧磁気複合軸受スピ
ンドル装置に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】最近、金
型加工等で、高能率で高精度な加工が注目されている。
このような加工を実現するためには、高速回転が可能
で、高回転精度を有し、静剛性・動剛性が高いスピンド
ル装置が必要であり、さらに加工状態を検出しながら、
最適な加工条件で加工することが要求される。このよう
な要求に対して、静圧気体軸受と磁気軸受とを複合化し
たハイブリッド型の非接触軸受を提案した（特願平１０
−０９７５０５号など）。これによれば、静圧気体軸受
の優れた動剛性および回転精度と、磁気軸受の優れた静
剛性という両軸受の特長を生かしたコンパクトな軸受と
できる。また、加工状態の検出のための工作機械の加工
負荷の測定は、主軸回転のためのモータ出力の測定値か
ら、加工時の負荷を推測する方式が採られる。

【０００３】しかし、このようにモータ出力測定値から
加工時の負荷を推測する方式では、加工状態検出のため
に、専用の測定機器を必要とし、システムコストがかか
るという問題点がある。また、モータ出力測定値から加
工状態を検出する方式では、主軸の回転周波数に関係す
る加工状態の検出が行えない。なお、従来、磁気軸受で
主軸を支持するスピンドル装置において、磁気軸受の励
磁電流から加工状態を検出するものが提案されている。
しかし、磁気軸受のみによる支持では、高い高速回転精
度、動剛性を得ることが難しい。また、上記の磁気軸受
の励磁電流から加工状態を検出するものにおいて、周波
数フィルタを設けて周波数に関係する加工状態の検出を
行うことも試みられている。しかし、多数の周波数帯に
つき検出しようとすると、周波数フィルタの個数が多く
必要となり、構成が複雑になってコスト高になる。

【０００４】この発明の目的は、高速回転が可能で、高
回転精度、高静剛性・動剛性を有し、かつ加工中の加工
状態の検出を可能としながら、外部に負荷測定用装置を
設けることが不要で、低コスト化が図れる静圧磁気複合
軸受スピンドル装置を提供することである。この発明の
他の目的は、主軸の静負荷の検出を可能とすることであ
る。この発明のさらに他の目的は、主軸の回転周波数に
関係する加工状態の検出を簡単な構成で可能とすること
である。この発明のさらに他の目的は、主軸の負荷の検
出値を外部で管理可能とすることである。この発明のさ
らに他の目的は、主軸の負荷の検出値を遠隔地で管理可
能とすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の構成を、実施
形態に対応する図１と共に説明する。この発明における
第１の静圧磁気複合軸受スピンドル装置（１）は、工具
（１１）が先端に取付けられる主軸（４）を、静圧気体
軸受（６Ａ〜９Ａ）と磁気軸受（６Ｂ〜９Ｂ）とが複合
化された静圧磁気複合軸受（６〜９）で支持し、前記主
軸（４）を回転させるスピンドル駆動源（１０）を設け
たスピンドル装置であって、前記磁気軸受（６Ｂ〜９
Ｂ）の励磁電流を検出する電流検出手段（１５〜１８）
と、この電流検出手段（１５〜１８）の電流検出値から
前記工具（１１）による加工状態を把握する加工状態把
握手段（１９）とを備えたものである。この構成による
と、静圧磁気複合軸受（６〜９）における磁気軸受（６
Ｂ〜９Ｂ）の励磁電流の電流検出値から、加工状態把握
手段（１９）により加工状態が把握できる。すなわち、
加工中に工具（１１）に作用する負荷で、主軸（４）が
ラジアル方向などに変位しようとすると、この変位を復
元させるように、磁気軸受（６Ｂ〜９Ｂ）の励磁電流が
磁気軸受（６Ｂ〜９Ｂ）の持つ制御機能により変化す
る。そのため、励磁電流から、例えば工具摩耗，工具損
傷や、加工不良等の加工状態が把握できる。このように
加工状態把握手段（１９）を設けたため、静圧磁気複合
軸受（６〜９）の高機能、すなわち高速回転が可能で、
高回転精度、高静剛性・動剛性を有するという機能と相
まって、加工状態を検出しながら、最適な加工条件で加
工することが可能となり、静圧磁気複合軸受（６〜９）
の特長を生かした高能率でより一層高精度な加工が行え
る。しかも、検出器類は、磁気軸受（６Ｂ〜９Ｂ）の励
磁電流の電流検出手段（１５〜１８）を設けるだけで良
く、外部に負荷測定用装置を設けることが不要であり、
またモータの電流を検出するものに比べて、簡単なもの
で済み、低コストにできる。

【０００６】この発明において、電流検出手段（１５〜
１８）は、前記静圧磁気複合軸受（６〜９）を制御する
スピンドルコントローラ（３）に設けられたものであっ
ても良い。このように、電流検出手段（１５〜１８）を
スピンドルコントローラ（３）に備えることで、コンパ
クトで取扱性の良いものとなる。この発明において、前
記加工状態把握手段（１９）は、電流検出手段（１５〜
１８）の電流検出値を平滑化する電流平滑部と、この電
流平滑部の平滑値出力から主軸の静負荷を換算し、その
静負荷換算結果から加工状態を把握する加工状態把握部
とを有するものとしても良い。このように、静負荷換算
結果から加工状態を把握することで、微小時間に生じる
負荷変動や外乱に左右されずに、制御に必要な加工状態
の把握が、簡単に精度良く行える。

【０００７】この発明の第２の静圧磁気複合軸受スピン
ドル装置は、工具（１１）が先端に取付けられる主軸
（４）を、静圧気体軸受（６Ａ〜９Ａ）と磁気軸受（６
Ｂ〜９Ｂ）とが複合化された静圧磁気複合軸受（６〜
９）で支持し、前記主軸（４）を回転させるスピンドル
駆動源（１０）を設けたスピンドル装置であって、前記
主軸（４）の変位を検出する変位検出手段（２８，３
８）と、この変位検出手段（２８，３８）の変位検出値
から前記工具（１１）による加工状態を把握する加工状
態把握手段（１９）とを備えたものである。加工中に工
具（１１）に作用する負荷で主軸（４）が変位を生じる
と、変位検出手段（２８，３８）でその変位が検出され
る。そのため、この変位検出値から加工状態が把握でき
る。したがって、上記の加工状態把握手段（１９）を設
けることで、静圧磁気複合軸受（６〜９）における、高
速回転が可能で、高回転精度、高静剛性・動剛性を有す
るという機能と相まって、加工状態を検出しながら、最
適な加工条件で加工することが可能となり、静圧磁気複
合軸受（６〜９）の特長を生かした高能率でより一層高
精度な加工が行える。しかも変位検出手段（２８，３
８）は、磁気軸受（６Ｂ〜９Ｂ）の制御のために磁気軸
受（６Ｂ〜９Ｂ）に一般に設けられる検出手段であるた
め、専用の検出手段を設けることなく、加工状態の把握
が行え、低コストで加工精度の向上が図れる。

【０００８】この発明の第１，第２の静圧磁気複合軸受
スピンドル装置において、前記加工状態把握手段（１
９）は、前記電流検出手段（１５〜１８）または前記変
位検出手段（２８，３８）の出力を周波数分析する周波
数分析部と、この周波数分析部から出力される加工時の
各周波数成分の振幅から加工状態を把握する加工状態把
握部とを有するものとしても良い。工具や、ワーク、加
工機械の固有振動、あるいは主軸回転数などから、工具
に作用する負荷は工具の振動として表れ、工具損傷等の
加工状態は、その工具損傷，加工不良の種類等によって
振動周波数に特有の傾向を示す。そのため、周波数分析
部を設け、加工時の各周波数成分の振幅から加工状態を
把握する加工状態把握部を設けることで、各周波数成分
の平均化された負荷の検出では観測できない精度の良い
加工状態の検出ができる。また、周波数分析を行うた
め、周波数フィルタに比べて簡単な構成で多数の周波数
帯の分析が可能となる。

【０００９】この発明において、前記スピンドル駆動源
（１０）は、前記静圧磁気複合軸受（６〜９）を設置し
たハウジング（１０）に内蔵したものであっても良い。
このようなスピンドル駆動源内蔵のスピンドル装置にお
いて、この発明の上記各構成による効果が、有効に発揮
される。

【００１０】この発明の前記各スピンドル装置におい
て、静圧磁気複合軸受（６〜９）を制御するスピンドル
コントローラ（３）と、前記電流検出手段（１５〜１
８）の電流検出値、前記電流平滑部の平滑値出力、およ
び前記周波数分析部で出力された各周波数成分の振幅値
のいずかの値を前記スピンドルコントローラ（３）の外
部に出力する外部出力手段（４４）を設けても良い。こ
のように外部出力手段（４４）を設けることで、工具
（１１）の負荷をスピンドルコントローラ（１）の外部
で監視することができる。例えば、このスピンドル装置
（１）を装備した加工装置（１３）の数値制御装置（１
４）や、独立した情報処理手段等で、工具（１１）の負
荷を監視し、加工状態を把握することができる。この発
明の加工状態遠隔把握スピンドル装置は、この発明の上
記いずれかの構成のスピンドル装置（１）と、このスピ
ンドル装置（１）の遠隔地にある情報処理手段（９１）
と、前記スピンドル装置（１）の加工状態把握手段（１
９）の出力、前記電流検出手段（１５〜１８）の電流検
出値、前記電流平滑部の平滑値出力、および前記周波数
分析部で出力された各周波数成分の振幅値のいずかを、
通信回線（６５）で前記遠隔地の情報処理手段（９１）
に通信する通信手段（６０）とを備え、上記情報処理手
段（９１）は、通信された情報に所定の処理を施す機能
を有するものとしても良い。このように通信回線（６
５）による通信機能を持たせることで、遠隔地で工具の
負荷や加工状態を把握することができ、遠隔地で多数の
スピンドル装置や加工機械を集中管理することが可能に
なる。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明の一実施形態を図面と共
に説明する。図１は、この実施形態にかかる静圧磁気複
合軸受スピンドル装置の概念構成を示すブロック図であ
る。まず、概略を説明する。このスピンドル装置１は、
スピンドル装置本体２と、スピンドルコントローラ３と
で主に構成される。スピンドル装置本体２は、主軸４
を、ハウジング５に設置された複数のラジアル型の静圧
磁気複合軸受６，７とアキシアルの静圧磁気複合軸受
８，９で支持し、スピンドル駆動源１０を設けたもので
ある。各々の静圧磁気複合軸受６〜９は、静圧気体軸受
６Ａ〜９Ａと、磁気軸受６Ｂ〜９Ｂを複合させたもので
あり、スピンドルコントローラ３で制御される。主軸４
は、先端に工具１１を把持するチャック１２を有してい
る。このスピンドル装置１を装備した加工装置１３は、
数値制御装置１４で制御される。スピンドルコントロー
ラ３は、静圧磁気複合軸受６〜９を構成する磁気軸受６
Ｂ〜９Ｂの励磁電流を検出する電流検出手段１５〜１８
と、この電流検出手段１５〜１８の電流検出値から工具
１１による加工状態を把握する加工状態把握手段１９と
を備える。また、スピンドルコントローラ３には、数値
制御装置１４等から送られる外部の指令によって磁気軸
受６Ｂ〜９Ｂの励磁をオンオフする外部指令応答オンオ
フ手段２０が設けられている。

【００１２】スピンドル装置本体２につき、図２〜図５
と共に説明する。このスピンドル装置１は、加工装置１
３のビルトインモータ形式のスピンドル装置であって、
スピンドル駆動源１０は、各軸受６〜９の設置されたハ
ウジング５内に設置されている。このモータからなるス
ピンドル駆動源１０は、主軸４に一体に設けたられたロ
ータ２１と、ハウジング５に設置されたステータ２２と
で構成される。ハウジング５は略円筒状に形成されてい
る。スピンドル駆動源１０は、ビルトイン型とせずに、
ハウジング５の外部に設けて伝達機構を介して主軸４に
回転伝達するものであっても良い。各軸受６〜９とスピ
ンドル駆動源１０の配置は、この例では、主軸４の前部
（工具側部）および後部をラジアル型の静圧磁気複合軸
受６，７で支持し、その中間をアキシアル型の静圧磁気
複合軸受８，９で支持し、後端にスピンドル駆動源１０
を配置した構成としてある。上記配置に代えて、両ラジ
アル型軸受６，７の中間にスピンドル駆動源１０を配置
し、アキシアル型軸受８，９を主軸４の任意位置に配置
しても良い。また、アキシアル型軸受８，９は、非接触
軸受であれば良く、静圧磁気複合軸受に代えて、単独の
磁気軸受または静圧気体軸受を用いても良い。

【００１３】ラジアル型の各静圧磁気複合軸受６，７
は、互いに同じ構成のものであり、片方の軸受６につ
き、図３に横断面を示すと共に、図４に縦断面を拡大し
て示す。静圧磁気複合軸受６，７は、各々静圧気体軸受
６Ａ，７Ａと磁気軸受６Ｂ，７Ｂとを複合化させたもの
である。この明細書で言う複合化とは、静圧および磁気
の両形式の軸受を共通部分が生じるように組み合わせる
ことを意味し、例えば、静圧気体軸受面と磁気軸受面と
に共通部分（ラジアル軸受では軸方向の重なり部分）を
生じさせるか、あるいは両形式の軸受に少なくとも一部
の部品が共通化されるものであれば良い。

【００１４】この実施形態では、図４に示すように、磁
気軸受６Ｂ，７Ｂの電磁石のコア２３に、静圧気体軸受
６Ａ，７Ａの絞り２４ａを設けることで、軸受構成部品
の共通化と共に、軸受面の一部が軸方向に重なるように
してある。コア２３は、軸方向に離れた一対の主コア部
２３ａ，２３ａと、これら主コア部２３ａ，２３ａを連
結した連結コア部２３ｂと、両主コア部２３ａ，２３ａ
の主軸側端から対向して延びる延出部２３ｃ，２３ｃと
で、縦断面がＣ字状に形成されている。主コア部２３ａ
と延出部２３ｃの内径側面は、主軸４と所定の磁気ギャ
ップを形成する円筒面とされている。磁気軸受６Ｂ，７
Ｂは、このコア２３の連結コア部２３ｂにコイル２５を
巻装したものである。コイル２５は、樹脂材等の非磁性
体２６に埋め込まれている。

【００１５】静圧気体軸受６Ａ，７Ａは、コア２３およ
び非磁性体２６の内径側面で形成されて主軸４との間に
軸受隙間ｄを形成する静圧軸受面６Ａａ，７Ａａと、コ
ア２３の各主コア部２３ａ，２３ａに設けられて静圧軸
受面６Ａａ，７Ａａに開口する絞り２４ａとで構成され
る。絞り２４ａは、各主コア部２３ａの外径側面に開口
した給気孔２４の先端に設けられている。図３に階段断
面を示すように、コア２３は、主軸４の回りの円周方向
複数箇所（同図の例では４箇所）に配置されてハウジン
グ５に固定されている。円周方向に隣合うコア２３間の
隙間は、樹脂材等の非磁性体２７で埋められている。こ
の非磁性体２７は、コイル２５の周囲の非磁性体２６
（図４）と一体のものであっても良い。

【００１６】磁気軸受６Ｂ，７Ｂは、主軸４とコア２３
との磁気ギャップの変位を検出する変位検出手段２８を
有している。この変位検出手段２８は、変位量を直接に
検出するものであっても良いが、この例では、静圧軸受
隙間ｄの静圧を検出することで、その圧力検出値を変位
量に換算して磁気ギャップの変位を検出するものとして
ある。具体的には、変位検出手段２８は、静圧軸受隙間
ｄに先端が開口した圧力検出用の通気路２８ａと、この
通気路２８ａに連通したセンサ２８ｂとで構成される。
センサ２８ｂは、図２のようにコア２３から軸方向に離
れた位置に配置されている。通気路２８ａは、細孔また
はパイプで形成されていて、静圧軸受隙間ｄにはコア２
３の延出部２３ｃ，２３ｃ間における非磁性体２６の部
分で開口している。図３は、図面を見易くするために絞
り２４ａと通気路２８ａの開口位置を周方向にずらせて
図示してあるが、実際は互いに周方向の同じ位置とされ
ている。

【００１７】図５は、アキシアル型の静圧磁気複合軸受
８，９の拡大図である。この一対の軸受８，９は、主軸
４に設けられた鍔部４ａの両面に対向してハウジング５
内に設置されたものであり、互いに一つの両面式アキシ
アル型静圧気体軸受３０を構成する。両側の静圧磁気複
合軸受８，９は、互いに同じ構成のものである。これら
静圧磁気複合軸受８，９は、各々静圧気体軸受８Ａ，９
Ａと磁気軸受８Ｂ，９Ｂとを複合化させたものである。
この実施形態では、磁気軸受８Ｂ，９Ｂの電磁石のコア
３３に、静圧気体軸受８Ａ，９Ａの絞り３４ａを設ける
ことで、軸受構成部品の共通化と共に、軸受面の一部が
軸方向に重なるようにしてある。コア３３は、スピンド
ル鍔部４ａの対向面に開き部３３ｄが生じるように、縦
断面形状がＣ字状に形成され、その内部にコイル３５が
収められている。開き部３３ｄは非磁性体で埋められて
いる。コア３３は、図示の例では断面Ｌ字状の内周コア
部３３ａと外周コア部３３ｂとの組立構成としてある
が、一体物であっても良い。コア３３には軸方向に間座
２９が隣接している。

【００１８】アキシアル型の静圧気体軸受８Ａ，９Ａ
は、コア３３の側面で形成されてスピンドル鍔部４ａと
の間に軸受隙間ｄ２を形成する静圧軸受面８Ａａ，９Ａ
ａと、コア３３に設けられて静圧軸受面８Ａａ，９Ａａ
に開口する絞り３４ａとで構成される。絞り３４ａは、
コア３３の外径側面に開口した給気孔３４の先端に設け
られている。

【００１９】アキシアル型の磁気軸受８Ｂ，９Ｂは、ス
ピンドル鍔部４ａとコア３３との磁気ギャップの変位を
検出する変位検出手段３８を有している。この変位検出
手段３８も、変位量を直接に検出するものであっても良
いが、この例では、静圧軸受隙間ｄ２の静圧を検出する
ことで、その圧力検出値を変位量に換算して磁気ギャッ
プの変位を検出するものとしてある。具体的には、変位
検出手段３８は、静圧軸受隙間ｄ２に先端が開口した圧
力検出用の通気路３８ａと、この通気路３８ａに連通し
たセンサ３８ｂ（図２）とで構成される。

【００２０】各静圧磁気複合軸受６〜９における静圧気
体軸受６Ａ〜９Ａの給気孔２４，３４には、ハウジング
５内に設けられた給気孔４０の給気入口４０ａから、圧
縮空気またはその他の圧縮気体が供給される。

【００２１】制御系につき説明する。図１に示すよう
に、スピンドルコントローラ３は、そのコントローラ基
本部３ａに、電源４１、電磁石用パワー回路４２、およ
び制御手段４３を有する。電磁石用パワー回路４２は、
電源４１から供給された電流を、制御手段４３の制御に
従って、各静圧磁気複合軸受６〜９の磁気軸受６Ｂ〜９
Ｂに励磁電流として与える手段であり、電流増幅回路等
で構成される。制御手段４３は、各静圧磁気複合軸受６
〜９における変位検出手段２８，３８の検出値に応じ
て、主軸４の変位が復元するように、各磁気軸受６Ｂ〜
９Ｂの励磁電流を制御する手段である。制御手段４３
は、具体的には、例えば、変位検出手段２８，３８の検
出値を積分回路または比例積分回路で演算したした結果
に応じて励磁電流の制御指令を与えるものとされる。

【００２２】この実施形態では、この基本構成のスピン
ドルコントローラ３に、前記の電流検出手段１５〜１
８、加工状態把握手段１９、および外部指令応答オンオ
フ手段２０を設けると共に、外部出力手段４４を設け、
かつ数値制御装置１４に励磁オンオフ指令生成手段４５
と加工状態対応処理手段４６を設けている。電流検出手
段１５〜１８には、例えば電流検出器が用いられる。数
値制御装置１４は、図６に示すように、数値制御機能部
１４ａとプログラマブルコントローラ機能部１４ｂとを
有し、数値制御機能部１４ａは、加工プログラム５０を
解読して加工装置本体１３ａの各軸の数値制御を行うと
共に、加工プログラム５０に記述されているシーケンス
指令をプログラマブルコントローラ機能部１４ｂに転送
する。プログラマブルコントローラ機能部１４ｂは、所
定のシーケンスプログラムに従って加工装置本体１３ａ
のシーケンス制御を行う手段であり、このプログラマブ
ルコントローラ機能部１４ｂに上記の励磁オンオフ指令
生成手段４５と加工状態対応処理手段４６が設けられて
いる。

【００２３】図８は、加工状態把握手段１９の基本的な
概念構成を示す。加工状態把握手段１９は、前述のよう
に電流検出手段１５〜１８の電流検出値から工具１１に
よる加工状態を把握する手段であり、把握結果は、数値
制御装置１４の加工状態対応処理手段４６に送られる。
この把握結果は、電流検出値そのままであっても良く、
また電流検出値を設定値と比較した比較結果であっても
良く、さらに電流検出値から所定の演算処理をした値で
あっても良く、さらにその演算処理を設定値と比較した
結果であっても良い。制御手段４３が、前記のように変
位検出手段２８，３８の検出値を積分回路または比例積
分回路で演算した値に従って励磁電流の制御を行うもの
である場合は、加工状態把握手段１９は、電流検出値そ
のものから主軸４の静負荷を換算するものとされる。ま
た、加工状態把握手段１９は、各電流検出手段１５〜１
８の検出電流値に対して個々に加工状態の把握結果を出
力するものとしてあるが、複数の電流検出手段１５〜１
８の検出電流値を総合的に判断した加工状態の把握結果
を出力するものであっても、各電流検出手段１５〜１８
のうちの特定の一つまたは複数の検出電流値のみで加工
状態を把握するものであっても良い。

【００２４】図９は、加工状態把握手段１９の具体例の
一つを示す。この例では、加工状態把握手段１９は、前
記電流検出手段１５〜１８の個々の電流検出値につき、
各々平滑化する電流平滑部１９ａと、この電流平滑部１
９ａの平滑値出力からスピンドルの静負荷を換算し、そ
の静負荷換算結果から加工状態を把握する加工状態把握
部１９ｂとを有するものとしてある。加工状態把握部１
９ｂは、具体的には、例えは、換算されたスピンドル静
負荷を設定値と比較し、設定値を超えた場合に異常の出
力を行うものとされる。図１２は加工状態把握部１９ｂ
で行う処理の一例を示す。主軸４ａの静負荷は、一定の
加工を続ける場合、曲線ａで示すように一定の値とな
る。工具摩耗が進んだり、工具の損傷が生じた場合は、
曲線ｂや曲線ｃに示すように変化する。そこで、設定値
として、適正な負荷として許容できる上限値と下限値と
を定め、その範囲（斜線部分）にあるときは、工具が正
常であり、この範囲から曲線ｂ，ｃのように外れた場合
に、工具異常の異常信号を、加工状態の把握結果として
出力する。なお、この明細書で「平滑値出力をスピンド
ル静負荷に換算する」とは、負荷の単位に換算する場合
と、負荷として設定値と比較し易い値に平滑値出力を電
流値等のままで換算する場合との両方を含む。

【００２５】図１０は、加工状態把握手段１９の他の具
体例を示す。この例では、加工状態把握手段１９は、前
記電流検出手段１５〜１８の個々の電流検出値につき、
周波数分析する周波数分析部１９ｃと、この周波数分析
部１９ｃから出力される加工時の各周波数成分の振幅か
ら加工状態を把握する加工状態把握部１９ｄとを有する
ものとしてある。図１３は加工状態把握部１９ｃで行う
処理の一例を示す。一定の加工を続ける場合、電流検出
値の周波数分析結果は、曲線ｄで示すように、各周波数
成分の振幅が異なった略一定の波形となる。そこで、所
定の周波数帯毎に許容できる振幅の設定値ｍ１，ｍ２…
を設定しておき、いずれかの周波数成分の振幅値が、例
えば破線で示す曲線部分ｅのように、対応する周波数帯
の設定値ｍ２を超えると、工具異常であると判定する。

【００２６】なお、加工状態把握手段１９は、前記各具
体例では、電流検出手段１５〜１８の電流検出値から加
工状態を把握するものとしたが、加工状態把握手段１９
は、変位検出手段２８，３８の検出値から加工状態を把
握するものとしても良い。例えば、加工状態把握手段１
９は、図１１に示すように、変位検出手段２８，３８の
変位センサアンプの出力を周波数分析する周波数分析部
１９ｅと、この周波数分析部１９ｅから出力される加工
時の各周波数成分の振幅から加工状態を把握する加工状
態把握部１９ｆとを有するものとしても良い。

【００２７】図１に示すように、前記各構成の加工状態
把握手段１９は、設定部１９ｇを有しており、設定値と
比較して加工状態の把握結果を出力するものである場合
に設定部１９ｇが用いられる。この設定部１９ｇは、数
値制御装置１４や他の手段の指令により、各種の設定値
が変更可能に設定され、または予め複数設定された各設
定値が選択可能とされる。例えば、スピンドル装置の運
転中に粗加工や仕上げ加工など、負荷の異なる加工が行
われる場合は、工具の良否判断は負荷に応じた設定値で
行う必要がある。設定部１９ｇは、このような設定値の
変更が可能とされていて、数値制御装置１４の加工の変
更に伴う信号を検出して設定値を変更する。

【００２８】外部出力手段４４は、電流検出手段１５〜
１８の電流検出値や、加工状態把握手段で把握された経
過や結果、例えば電流平滑部１９ａ（図９）の平滑値出
力、周波数分析部１９ｃ，１９ｅで出力された各周波数
成分の振幅値等を、スピンドルコントローラ３の外部に
出力する手段である。数値制御装置１４は、この外部出
力手段４４を介して加工状態が入力されるものとしても
良く、また外部出力手段４４の出力は、数値制御装置１
４とは別の情報処理手段、例えば加工状態の統計処理用
の情報処理手段に入力されるようにしても良い。数値制
御装置１４に設けられる加工状態対応処理手段４６は、
加工状態把握手段１９の把握結果の出力に従い、警報の
発生や加工装置の強制停止など、工具不良等に対する所
定の処理を加工装置１３に行わせるものである。

【００２９】外部指令応答オンオフ手段２０は、スピン
ドルコントローラ３の外部の指令によって、静圧磁気複
合軸受６〜９における磁気軸受６Ｂ〜９Ｂの励磁をオン
オフする手段である。外部指令応答オンオフ手段２０に
よる励磁のオンオフは、磁気軸受６Ｂ〜９Ｂの全てにつ
き行うようにしても、また特定のものだけにつき行うよ
うにしても良い。図１の例では、外部指令応答オンオフ
手段２０は、電磁石用パワー回路４２から磁気軸受６Ｂ
〜９Ｂに接続された各電気回路部分に、制御信号で応答
するスイッチを介在させたものとしてある。外部指令応
答オンオフ手段２０は、図１４に示すように、電源４１
と電磁石用パワー回路４２との間に設けても良く、また
図１５に示すように制御手段４３と電磁石用パワー回路
４２との間に設け、電磁石用パワー回路４２に対して電
流が零となる指令を与えるようにしても良い。

【００３０】数値制御装置１４の励磁オンオフ指令生成
手段４５は、数値制御による加工の進行に伴って、加工
プログラム５０の指令に応じて外部指令応答オンオフ手
段２０にオンオフ指令を与えるものとしてある。この場
合に、励磁オンオフ指令生成手段４５は、例えば、加工
プログラム５０の所定の指令が数値制装置１４で解読さ
れたとき、または実行されるときに数値制御装置１４内
で発生する所定の指令によって、励磁オンオフ指令を生
成するものとされる。なお、外部指令応答オンオフ手段
２０へのオンオフ指令は、数値制御装置１４とは別のコ
ンピュータ等の情報処理手段等から行うようにしても良
い。

【００３１】図７は、外部指令応答オンオフ手段２０を
オンオフさせて加工するときの制御の一例を示す。この
例は、図６に示す加工プログラム５０のように、粗加工
指令の後で仕上加工指令がある場合に適用される例であ
る。まず、粗加工指令（Ｓ１）により励磁をオン（Ｓ
２）にした後、主軸４を起動する（Ｓ３）。この状態
で、静圧磁気複合軸受６〜９は、静圧および磁力の両方
で主軸４を支持する。仕上加工指令があるまでは、この
まま励磁オンを維持する（Ｓ４）。仕上加工指令がある
と、励磁をオフにし（Ｓ５）、静圧磁気複合軸受６〜９
は静圧気体軸受６Ａ〜９Ａのみで支持する。加工の終了
や、別部位の粗加工等の所定の指令があると（Ｓ６）、
励磁をオンにし（Ｓ７）、静圧および磁力の両方で主軸
４を支持する。

【００３２】このように、粗加工時に磁気軸受６Ｂ〜９
Ｂをオフとし、仕上げ加工時に磁気軸受６Ｂ〜９Ｂとす
ることにより、粗加工時には高能率化が図れ、仕上げ加
工時には高精度化が図れて、高能率、高精度の加工を実
現できる。

【００３３】図１６は、この静圧磁気複合軸受スピンド
ル装置１を装備した加工装置１３の一例を示す。この例
は金型加工装置に適用した例である。スピンドル装置１
のスピンドル装置本体２は、テーブル装置５１の上方
で、基台５２にガイド５３を介して昇降自在にかつ下向
きに設置され、スピンドル昇降装置５４により昇降駆動
される。テーブル装置５１は、図１７に示すようにワー
クＷを載置するテーブル５５を水平な直交する２軸方向
（Ｘ，Ｙ方向）に移動自在に設けたものであり、各方向
のテーブル駆動装置５６，５７の駆動により進退移動す
る。テーブル５５は、Ｙ軸方向に移動可能な下側テーブ
ル５５ａ上に、Ｘ軸方向に移動可能に上側テーブル５５
ｂを設置した２段構造とされている。各軸のテーブル駆
動装置５６，５７およびスピンドル昇降装置５４は、各
々ボールねじおよびサーボモータで構成されている。

【００３４】つぎに、通信系を説明する。図１に示すよ
うに、このスピンドル装置１は、スピンドルコントロー
ラ３内、またはスピンドルコントローラ３とは別に、遠
隔地の情報処理手段９１と電話回線網等の通信回線６５
で通信する通信手段６０を有している。通信手段６０
は、外部出力手段４４を兼ねるものであっても良く、ま
た数値制御装置１４や、この数値制御装置１４の上位制
御コンピュータとなる情報処理手段（図示せず）等に設
けられてものであっても良い。この通信手段６０は、ス
ピンドル装置１の加工状態把握手段１９の出力、電流検
出手段１５〜１８の電流検出値、電流平滑部１９ａ（図
９）の平滑値出力、および周波数分析部１９ｃ，１９ｅ
（図１０，図１１）で出力された各周波数成分の振幅値
のいずかを通信可能なものとしてある。また、遠隔地の
情報処理手段９１は、前記通信手段６０から通信された
情報に所定の処理を施す機能を備えている。この所定の
処理は、例えば加工状態の統計的処理や、スピンドルコ
ントローラ３または数値制御装置１４を制御する指令の
生成等である。また、この遠隔地の情報処理手段９１
は、スピンドルコントローラ３の外部指令応答オンオフ
手段２０にオンオフ指令を与える機能を持つものとして
ある。情報処理手段９１から外部指令応答オンオフ手段
２０へのオンオフ指令の送信は、数値制御装置１４やこ
の数値制御装置１４の上位制御コンピュータとなる情報
処理手段（図示せず）を介して行うようにしても良い。

【００３５】図１８は、図１のスピンドル装置１、およ
びこのスピンドル装置１を装備した加工装置１３の通信
系の展開例を示す。この加工装置１３を設置した事業所
７１には、他の加工装置７２が複数設置されており、こ
れら加工装置１３，７２は、各々単独で、または複数台
が共通の情報処理手段７３，７４に接続されている。こ
れら情報処理手段７３，７４は、ウェブサーバ８０、フ
ァイバウォール８１、およびロータ８２等のネットワー
ク構成機器と共にローカルエリアネットワーク８９を構
成する。このローカルエリアネットワーク８９は、通信
回線６５によりインターネット９０を介して、各々別の
事業所８３，８４のローカルエリアネットワークに設置
された遠隔地の情報処理手段９１に通信機器８６を介し
て接続されている。加工装置１３は、基本的にはその数
値制御装置１４が、情報処理手段７３に接続され、この
情報処理手段７３を介してローカルエリアネットワーク
８９内の通信線に接続された構成とされているが、これ
と併用して、あるいはこれとは別に、数値制御装置１４
やスピンドルコントローラ３に設けられた通信手段６０
から直接にローカルエリアネットワーク８９内の通信線
に接続された通信系統を備えるものとしても良い。

【００３６】

【発明の効果】この発明の静圧磁気複合軸受スピンドル
装置は、主軸の支持に静圧磁気複合軸受を用い、その磁
気軸受の励磁電流を検出する電流検出手段と、この電流
検出手段の電流検出値から工具による加工状態を把握す
る加工状態把握手段とを備えたものであるため、外部に
負荷測定用装置を設けることなく、主軸および工具に作
用する負荷または工具の損傷状態等の加工状態の把握が
行える。そのため、静圧磁気複合軸受の高速回転が可能
で、高回転精度、高静剛性・動剛性を有するという特長
を生かし、加工状態を検出しながら、最適な加工条件で
加工し、より一層高精度な加工を行うことができる。前
記電流検出手段の電流検出値を平滑化する電流平滑部を
設けた場合は、主軸の静負荷の検出が可能となる。主軸
の変位を検出する変位検出手段と、この変位検出手段の
変位検出値から前記工具による加工状態を把握する加工
状態把握手段とを設けた場合は、専用のセンサ類を設け
ることなく、加工状態の把握が可能となる。また、電流
検出手段または変位検出手段の出力を周波数分析する周
波数分析部を設けた場合は、主軸の回転周波数に関係す
る加工状態の検出が、簡単な構成で可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態にかかる静圧磁気複合軸
受スピンドル装置の概念構成を示すブロック図である。

【図２】そのスピンドル装置本体の縦断側面図である。

【図３】同スピンドル装置本体の横断正面図である。

【図４】ラジアル型の静圧磁気複合軸受の拡大断面図で
ある。

【図５】アキシアル型の静圧磁気複合軸受の拡大断面図
である。

【図６】数値制御装置の概念構成を示すブロック図であ
る。

【図７】静圧磁気複合軸受における磁気軸受の励磁オン
オフ制御例を示す流れ図である。

【図８】加工状態把握手段の基本構成を示すブロック図
である。

【図９】加工状態把握手段の変形例を示すブロック図で
ある。

【図１０】加工状態把握手段の他の変形例を示すブロッ
ク図である。

【図１１】加工状態把握手段のさらに他の変形例を示す
ブロック図である。

【図１２】電流平滑による加工状態把握の例を示すグラ
フである。

【図１３】周波数分析による加工状態把握の例を示すグ
ラフである。

【図１４】外部指令応答オンオフ手段の配置を異ならせ
たスピンドルコントローラのブロックである。

【図１５】外部指令応答オンオフ手段の配置をさらに異
ならせたスピンドルコントローラのブロックである。

【図１６】この静圧磁気複合軸受スピンドル装置を装備
した加工装置の正面図である。

【図１７】同加工装置のテーブル部分の平面図である。

【図１８】遠隔操作ないし遠隔監視可能な静圧磁気複合
軸受スピンドル装置の概念構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１…スピンドル装置１９ａ…電流平滑部２…スピンドル装置本体１９ｂ，１９ｄ，１９ｆ
…加工状態把握部３…スピンドルコントローラ１９ｃ，１９ｅ…周波数
分析部４…主軸２０…外部指令応答オン
オフ手段５…ハウジング２８，３８…変位検出手
段６〜９…静圧磁気複合軸受４４…外部出力手段６Ａ〜９Ａ…静圧気体軸受４５…励磁オンオフ指
令生成手段６Ｂ〜９Ｂ…磁気軸受４６…加工状態対応処
理手段１０…スピンドル駆動源６０…通信手段１４…数値制御装置６５…通信回線１５〜１８…電流検出手段９１…遠隔地の情報処
理手段１９…加工状態把握手段

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工具が先端に取付けられる主軸を、静圧
気体軸受と磁気軸受とが複合化された静圧磁気複合軸受
で支持し、前記主軸を回転させるスピンドル駆動源を設
けたスピンドル装置であって、前記磁気軸受の励磁電流
を検出する電流検出手段と、この電流検出手段の電流検
出値から前記工具による加工状態を把握する加工状態把
握手段とを備えた静圧磁気複合軸受主軸装置。
【請求項２】前記電流検出手段は、前記静圧磁気複合
軸受を制御するスピンドルコントローラに設けられたも
のである請求項１記載の静圧磁気複合軸受スピンドル装
置。
【請求項３】前記加工状態把握手段は、前記電流検出
手段の電流検出値を平滑化する電流平滑部と、この電流
平滑部の平滑値出力から主軸の静負荷を換算し、その静
負荷換算結果から加工状態を把握する加工状態把握部と
を有するものとした請求項１または請求項２記載の静圧
磁気複合軸受スピンドル装置。
【請求項４】工具が先端に取付けられる主軸を、静圧
気体軸受と磁気軸受とが複合化された静圧磁気複合軸受
で支持し、前記主軸を回転させるスピンドル駆動源を設
けたスピンドル装置であって、前記主軸の変位を検出す
る変位検出手段と、この変位検出手段の変位検出値から
前記工具による加工状態を把握する加工状態把握手段と
を備えた静圧磁気複合軸受スピンドル装置。
【請求項５】前記加工状態把握手段は、前記電流検出
手段または前記変位検出手段の出力を周波数分析する周
波数分析部と、この周波数分析部から出力される加工時
の各周波数成分の振幅から加工状態を把握する加工状態
把握部とを有するものとした請求項１または請求項２ま
たは請求項４記載の静圧磁気複合軸受スピンドル装置。
【請求項６】前記スピンドル駆動源は、前記静圧磁気
複合軸受を設置したハウジングに内蔵されたモータであ
る請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の静圧磁気
複合軸受スピンドル装置。
【請求項７】前記静圧磁気複合軸受を制御するスピン
ドルコントローラと、前記電流検出手段の電流検出値、
前記電流平滑部の平滑値出力、および前記周波数分析部
で出力された各周波数成分の振幅値のいずかの値を前記
スピンドルコントローラの外部に出力する外部出力手段
とを設けた請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の
静圧磁気複合軸受スピンドル装置。
【請求項８】請求項１ないし請求項７のいずれかに記
載の静圧磁気複合軸受スピンドル装置と、このスピンド
ル装置の遠隔地にある情報処理手段と、前記スピンドル
装置の加工状態把握手段の出力、前記電流検出手段の電
流検出値、前記電流平滑部の平滑値出力、および前記周
波数分析部で出力された各周波数成分の振幅値のいずれ
かを、通信回線で前記遠隔地の情報処理手段に通信する
通信手段とを備え、上記情報処理手段は、通信された情
報に所定の処理を施す機能を有するものとした加工状態
遠隔把握スピンドル装置。