JPH1043910A - 工作機械用磁気軸受スピンドル装置 - Google Patents

工作機械用磁気軸受スピンドル装置

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JPH1043910A
JPH1043910A JP8208265A JP20826596A JPH1043910A JP H1043910 A JPH1043910 A JP H1043910A JP 8208265 A JP8208265 A JP 8208265A JP 20826596 A JP20826596 A JP 20826596A JP H1043910 A JPH1043910 A JP H1043910A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スピンドルに工具が装着されていない状態や
工具が不完全に装着された状態でスピンドルを磁気軸受
で非接触支持して回転させることによるスピンドルの発
振や工具の抜けなどを防止する。 【解決手段】 先端部に工具21が交換可能に装着される
スピンドル５が、複数組の制御型磁気軸受６、７、８に
より非接触支持された状態で、電動機12により回転させ
られるようになされ、軸方向の移動により工具21のアン
クランプ、クランプを行うためのドローバー22がスピン
ドル５内に通されている。ドローバー22の軸方向の位置
を検出することにより工具なしの状態、アンクランプ状
態およびクランプ状態のいずれであるかを検知する状態
検知スイッチ24、25、26と、スイッチ24、25、26の検知
結果に基づいて磁気軸受６、７、８によるスピンドル５
の支持および電動機12によるスピンドル５の回転を制御
する制御手段16、17とが設けられている。

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、工作機械用磁気
軸受スピンドル装置、さらに詳しくは、たとえばマシニ
ングセンタなどのように、先端部に工具が交換可能に装
着されるスピンドルが、複数組の制御型磁気軸受により
非接触支持された状態で、回転駆動手段により回転させ
られるようになされた磁気軸受スピンドル装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】マシニングセンタなどの工作機械用スピ
ンドル装置として、先端部に工具が交換可能に装着され
るスピンドルが複数組の転がり軸受により回転支持され
たものが従来から知られている。このようなスピンドル
装置において、工具の交換は、工作機械に備えられてい
る自動工具交換装置により自動的に行われるようになっ
ており、スピンドル内に、軸方向の移動により先端部に
装着される工具のアンクランプ、クランプを行うための
ドローバーが通されている。ドローバーは、ばねで後端
側のクランプ位置に移動させられることにより、工具を
クランプし、プッシャでばね力に抗して先端側のアンク
ランプ位置に移動させられることにより、工具をアンク
ランプするようになっている。ドローバーの状態には、
アンクランプ位置に移動したアンクランプ状態、クラン
プ位置に移動して実際に工具をクランプしているクラン
プ状態、およびクランプ位置側に移動しているが工具を
クランプしていない工具なしの状態がある。工具の交換
は、スピンドルの回転を停止させた状態で、ドローバー
をアンクランプ位置に移動させてそれまでクランプして
いた工具をアンクランプし、工具を取り替えた後に、ド
ローバーをクランプ位置に移動して新しい工具をクラン
プすることにより行われ、工具交換が終了した時点で、
工作機械側からの回転指令によりスピンドルが回転させ
られる。
【０００３】近年、スピンドルの高速化を図るため、ス
ピンドルを複数組の制御型磁気軸受で非接触支持するよ
うになった工作機械用磁気軸受スピンドル装置が提案さ
れている。この種の磁気軸受スピンドル装置は、通常、
工具が装着されるスピンドルと、スピンドルをアキシア
ル方向およびラジアル方向に非接触支持する複数組の制
御型磁気軸受（たとえば１組のアキシアル磁気軸受およ
び２組のラジアル磁気軸受）と、スピンドルを回転させ
る電動機と、磁気軸受および電動機を制御する制御装置
と、スピンドルのアキシアル方向およびラジアル方向の
可動範囲を規制して磁気軸受による支持がないときにス
ピンドルを機械的に支持するタッチダウン軸受（保護軸
受）とを備えている。
【０００４】工作機械用磁気軸受スピンドル装置におい
て、上記にようなドローバーを用いて工具の自動交換を
行うものは実用化されていないが、そのようにした場
合、次のような問題がある。
【０００５】工具の自動交換を行う場合、工具は外形が
共通したホルダに取付けられ、ホルダごと交換される。
このため、スピンドルに工具が装着された状態（クラン
プ状態）と装着されていない状態（アンクランプ状態あ
るいは工具なし状態）とで、スピンドル全体の重量がか
なり変化し、これによりスピンドル全体の固有振動数な
どが変化する。一方、スピンドル装置における磁気軸受
の制御特性は、スピンドルに工具が装着された状態で最
適となるように調整されているので、スピンドルに工具
が装着されていない状態でスピンドルを磁気軸受で非接
触支持して回転させようとすると、たとえばスピンドル
全体の固有振動数で発振し、スピンドルを安定良く支持
できないことがある。また、工具が適正に装着されてい
ない状態でスピンドルを回転させようとすると、工具の
抜けなどが発生することがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、ス
ピンドルに工具が装着されていない状態や工具が不完全
に装着されている状態でスピンドルを磁気軸受で非接触
支持して回転させることによるスピンドルの発振や工具
の抜けなどを防止できる工作機械用磁気軸受スピンドル
装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明による工作機械用磁気軸受スピンドル装置は、先端部
に工具が交換可能に装着されるスピンドルが、複数組の
制御型磁気軸受により非接触支持された状態で、回転駆
動手段により回転させられるようになされ、軸方向の移
動により前記工具のアンクランプ、クランプを行うため
のドローバーが前記スピンドル内に通されている工作機
械用磁気軸受スピンドル装置において、前記ドローバー
の軸方向の位置を検出することにより工具なしの状態、
アンクランプ状態およびクランプ状態のいずれであるか
を検知する工具装着状態検知手段と、前記工具装着状態
検知手段の検知結果に基づいて前記磁気軸受による前記
スピンドルの支持および前記回転駆動手段による前記ス
ピンドルの回転を制御する制御手段とを備えていること
を特徴とするものである。
【０００８】ドローバーの位置は、アンクランプ状態、
クランプ状態および工具なし状態で変わる。したがっ
て、ドローバーの軸方向の位置を検出することにより、
上記のいずれの状態であるかを検知することができる。
そして、この検知結果に基づいて磁気軸受によるスピン
ドルの支持および回転駆動手段によるスピンドルの回転
を制御することにより、たとえば、スピンドルに工具が
装着されていないアンクランプ状態あるいは工具なしの
状態ではスピンドルの磁気軸受による支持および回転を
行わないようにして、スピンドルの発振を防止するよう
にすることができる。また、クランプ動作を行った場合
でも、工具が適正に装着されていないときには、ドロー
バーはアンクランプ状態あるいは工具なし状態になるの
で、上記と同様に、アンクランプ状態あるいは工具なし
の状態ではスピンドルの磁気軸受による支持および回転
を行わないようにして、工具が不完全に装着されたとき
の工具の抜けなどを防止するようにすることができる。
【０００９】好ましくは、前記制御手段が、前記工具装
着状態検知手段の検知結果が工具なしの状態またはアン
クランプ状態であるときには、前記磁気軸受による前記
スピンドルの支持および前記回転駆動手段による前記ス
ピンドルの回転を不可能にし、前記工具装着状態検知手
段の検知結果がクランプ状態であるときには、前記磁気
軸受による前記スピンドルの支持および前記回転駆動手
段による前記スピンドルの回転を可能にするものであ
る。
【００１０】このようにすれば、スピンドルに工具が装
着されていない状態や工具が不完全に装着された状態で
スピンドルが非接触支持されたり回転させられたりする
ことがなく、スピンドルに工具が装着されていないとき
のスピンドルの発振や工具が不完全に装着されたきの工
具の抜けなどを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
をマシニングセンタなどの工作機械に適用した実施形態
について説明する。
【００１２】図１には、磁気軸受スピンドル装置(1) 、
ならびに工作機械の加工制御手段としての数値制御装置
（以下「ＮＣ装置」と略す）(2) および自動工具交換手
段としての自動工具交換装置(3) が概略的に示され、図
２には、スピンドル装置(1)の一部が拡大して示されて
いる。
【００１３】スピンドル装置(1) は縦型のものであり、
ケーシング(4) 内に鉛直に配置されたスピンドル(5) を
備えている。ケーシング(4) 内には、さらに、スピンド
ル(5) を非接触支持する制御型磁気軸受である１組のア
キシアル磁気軸受(6) および上下２組のラジアル磁気軸
受(7)(8)、スピンドル(5) のアキシアル方向の変位を検
出するための１個のアキシアル位置センサ(9) 、スピン
ドル(5) のラジアル方向の変位を検出するための上下２
組のラジアル位置センサ(10)(11)、スピンドル(5) を高
速回転させる回転駆動手段としての高周波電動機(12)、
ならびにスピンドル(5) のアキシアル方向およびラジア
ル方向の可動範囲を規制してスピンドル(5) を磁気軸受
(6)(7)(8) で支持していないときにこれを機械的に接触
支持する規制手段としての上下２組のタッチダウン軸受
(13)(14)が設けられている。
【００１４】通常、アキシアル磁気軸受(6) はアキシア
ル方向に対をなす１対の電磁石(6a)から、各ラジアル磁
気軸受(7)(8)は互いに直交する２つのラジアル方向に対
をなす２対の電磁石(7a)(8a)から構成されている。以下
の説明において、互いに直交する２つのラジアル方向の
制御軸（水平軸）をＸ軸およびＹ軸、これらと直交する
アキシアル方向の制御軸（鉛直軸）をＺ軸とする。図１
には、ラジアル磁気軸受(7)(8)の電磁石(7a)(8a)および
ラジアル位置センサ(10)(11)については、Ｘ軸方向のも
のだけが図示されている。なお、これら磁気軸受(6)(7)
(8) 、位置センサ(9)(10)(11) については、公知のもの
であるから、詳細な説明は省略する。
【００１５】アキシアル位置センサ(9) およびラジアル
位置センサ(10)(11)はセンサ駆動回路(15)によって駆動
され、センサ駆動回路(15)は、各センサ(9)(10)(11) の
出力に基づいて、スピンドル(5) のアキシアル方向（Ｚ
軸方向）およびラジアル方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方
向）の変位を検出し、各制御軸方向のアナログ位置検出
信号を出力する。位置センサ(9)(10)(11) およびセンサ
駆動回路(15)により、スピンドル(5) のアキシアル方向
およびラジアル方向の変位を検出する変位検出手段が構
成されている。
【００１６】スピンドル装置(1) は、また、磁気軸受
(6)(7)(8) および電動機(12)を制御する制御手段として
の主制御装置(16)および回転制御装置(17)を備えてい
る。主制御装置(17)は、スピンドル(5) のアキシアル方
向およびラジアル方向の変位に基づいて各磁気軸受(6)
(7)(8) の電磁石(6a)(7a)(8a)に供給する励磁電流の大
きさを制御するとともに、回転制御装置(17)を介して電
動機(12)の回転を制御するものであり、その主要部はデ
ィジタル信号処理プロセッサ（Digital Signal Process
or）より構成されている。ディジタル信号処理プロセッ
サとは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出
力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処
理が可能な専用ハードウェアを指す。回転制御装置(17)
は、主制御装置(16)からの指令に基づいて電動機(12)の
回転を制御するものであり、公知のインバータから構成
されている。
【００１７】センサ駆動回路(15)からのアナログ位置検
出信号は、Ａ／Ｄコンバータ(18)によりディジタル位置
検出信号に変換されて、主制御装置(16)に入力する。主
制御装置(16)は、上記のディジタル位置検出信号すなわ
ちスピンドル(5) のアキシアル方向およびラジアル方向
の変位に基づいて各磁気軸受(6)(7)(8) の電磁石(6a)(7
a)(8a)に供給する励磁電流の大きさを制御する。主制御
装置(16)からのディジタル制御信号はＤ／Ａコンバータ
(19)によりアナログ制御信号に変換され、このアナログ
制御信号に基づいて、パワーアンプ(20)から各電磁石(6
a)(7a)(8a)に励磁電流が供給され、その結果、スピンド
ル(5) が電磁石(6a)(7a)(8a)により吸引されてアキシア
ル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持され
る。各磁気軸受(6)(7)(8) における各制御軸の１対の電
磁石(6a)(7a)(8a)に供給される励磁電流は、互いに等し
い一定の定常電流にスピンドル(5) の位置によって制御
される制御電流が加わったものである。
【００１８】スピンドル(5) の先端部（下端部）に、ホ
ルダと一体化された工具(21)が装着されるようになって
いる。スピンドル(5) 内に、スピンドル(5) の軸方向す
なわちアキシアル方向の移動により工具(21)のアンクラ
ンプ、クランプを行うための工具クランプ手段としての
ドローバー(22)が通されている。ドローバー(22)の後端
部（上端部）はスピンドル(5) の後端面より上方に突出
しており、その後端に位置検出用のフランジ(22a) が一
体に形成されている。図示は省略したが、スピンドル
(5) 内にあるドローバー(22)の先端部に工具(21)をクラ
ンプするためのクランプ部が設けられ、スピンドル(5)
内に設けられた皿ばねによりドローバー(22)が後側（上
側）に付勢されている。ドローバー(22)のクランプ部
は、ドローバー(22)が前側に移動することによって開
き、ドローバー(22)が後側に移動することによって閉じ
るようになっている。ケーシング(4) の後端部に、ドロ
ーバー(22)をばね力に抗して前側に移動させるためのド
ローバー移動手段としてのプッシャ(23)が設けられてい
る。プッシャ(23)を前端位置まで前進させると、ドロー
バー(22)は図２に符号(A) で示す前端のアンクランプ位
置まで移動する。これにより、クランプ部が開いて、そ
れまでクランプしていた工具(21)をアンクランプし、工
具(21)の取り外しが可能な状態になる。アンクランプ状
態のクランプ部に工具(21)を装入して、プッシャ(23)を
後退させることにより、ドローバー(22)は図２に符号
(B) で示す中間のクランプ位置に移動する。これによ
り、クランプ部が閉じて、工具(21)がクランプされ、ス
ピンドル(5) に工具(21)が装着される。アンクランプ状
態のクランプ部に工具を装入しないで、プッシャ(23)を
後退させると、ドローバー(22)は図２に符号(C) で示す
後端の工具なしの位置まで移動し、クランプ部は工具の
ない状態で閉じる。工具(21)の交換は、スピンドル(5)
の回転を停止するとともに、磁気軸受(6)(7)(8) を作動
させないで、スピンドル(5)をタッチダウン軸受(13)(1
4)で支持した状態で、上記のように、ドローバー(22)を
アンクランプ位置まで移動させて、工具(20)を取り替
え、ドローバー(22)をクランプ位置に移動させることに
より行われる。また、この工具交換は、自動工具交換装
置(3) により、ＮＣ装置(2) からの工具番号指令に基づ
いて、自動的に行われるようになっている。なお、自動
工具交換装置(3) については、公知のものであるから、
詳細な説明は省略する。ＮＣ装置(2) からの工具番号指
令は、主制御装置(16)にも入力する。
【００１９】ケーシング(4) 内に、ドローバー(22)のフ
ランジ(22a) を検出することによってドローバー(22)の
状態を検知するための３個の状態検知センサ、すなわ
ち、アンクランプ状態であることを検知する第１センサ
(24)、クランプ状態であることを検知する第２センサ(2
5)および工具なしの状態であることを検知する第３セン
サ(26)が設けられている。これらのセンサ(24)(25)(26)
はたとえば近接スイッチよりなり、第１センサ(24)はド
ローバー(22)がアンクランプ位置(A) にあるときにの
み、第２センサ(25)はドローバー(22)がクランプ位置
(B) にあるときにのみ、第３センサ(26)はドローバー(2
2)が工具なしの位置(C) にあるときにのみ、それぞれオ
ンになる。これらのセンサ(24)(25)(26)により、工具装
着状態検知手段が構成されている。
【００２０】各センサ(24)(25)(26)の出力は主制御装置
(16)に入力し、主制御装置(16)は、センサ(24)(25)(26)
の出力すなわちドローバー(22)の状態の検知結果に基づ
いて、磁気軸受(6)(7)(8) によるスピンドル(5) の支持
および電動機(12)によるスピンドル(5) の回転を制御す
る。ドローバー(22)がアンクランプ状態にあるときは、
スピンドル(5) の磁気軸受(6)(7)(8) による支持および
電動機(12)による回転を可能にし、ドローバー(22)がア
ンクランプ状態あるいは工具なしの状態にあるときは、
スピンドル(5) の磁気軸受(6)(7)(8) による支持および
電動機(12)による回転を不可能にする。たとえば、工具
交換動作が終了したときに、ドローバー(22)がクランプ
状態にあれば、すぐに磁気軸受(6)(7)(8) を作動させ
て、スピンドル(5) を非接触支持する。あるいは、工具
交換動作が終了して、ドローバー(22)がクランプ状態に
なった後、ＮＣ装置(2) から最初に回転指令が出力され
た時点で、磁気軸受(6)(7)(8) を作動させて、スピンド
ル(5) を非接触支持する。そして、ドローバー(22)がク
ランプ状態にある間は、ＮＣ装置(2) から回転指令が出
力されれば、電動機(12)を駆動して、スピンドル(5) を
回転させる。なお、主制御装置(16)による磁気軸受(6)
(7)(8) の制御特性は、スピンドル(5) に工具(21)が装
着されている状態で最適になるように調整されている。
スピンドル(5) に工具が装着されていない状態、すなわ
ち、ドローバー(21)がアンクランプ状態あるいは工具な
しの状態にあるときは、ＮＣ装置(2) からの指令などに
かかわらず、磁気軸受(6)(7)(8) を非作動状態にして、
スピンドル(5) の非接触支持を行わないようにするとと
もに、ＮＣ装置(2) から回転指令が出力されても、電動
機(12)を駆動せず、スピンドル(5) を回転させない。こ
のため、スピンドル(5) は、回転を停止した状態で、タ
ッチダウン軸受(13)(14)により支持される。スピンドル
(5) に工具(21)が装着されている状態といない状態で
は、工具(21)の重量の差により、スピンドル(5) 全体の
重量や固有振動数などが変化する。そして、上記のよう
に、磁気軸受(6)(7)(8) の制御特性はスピンドル(5) に
工具(21)が装着されているときに最適となるように調整
されているので、スピンドル(5) に工具が装着されてい
ない状態では磁気軸受(6)(7)(8) の制御特性が必ずしも
最適にならず、このような状態で、磁気軸受(6)(7)(8)
によりスピンドル(5) を非接触支持して回転させたとす
ると、スピンドル(5) に発振が生じることがある。とこ
ろが、上記のスピンドル装置(1) では、スピンドル(5)
に工具が装着されていない状態ではスピンドル(5) の非
接触支持および回転を行わないようになっているので、
このような問題は生じない。また、クランプ動作を行っ
た場合でも、工具(21)がスピンドル(5) に不完全に装着
されたときには、ドローバーはアンクランプ状態あるい
は工具なし状態になり、このような状態のときには、上
記のようにスピンドル(5) の非接触支持および回転を行
わないようになっているので、工具(21)の抜けなどが発
生することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す工作機械用
磁気軸受スピンドル装置の概略構成図である。
【図２】図２は、図１の一部の拡大図である。
【符号の説明】
(1) スピンドル装置 (5) スピンドル (6) アキシアル磁気軸受 (6a) 電磁石 (7)(8) ラジアル磁気軸受 (7a)(8a) 電磁石 (12) 高周波電動機 (16) 主制御装置 (17) 回転制御装置 (21) 工具 (22) ドローバー (24)(25)(16) 状態検知センサ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】先端部に工具が交換可能に装着されるスピ
    ンドルが、複数組の制御型磁気軸受により非接触支持さ
    れた状態で、回転駆動手段により回転させられるように
    なされ、軸方向の移動により前記工具のアンクランプ、
    クランプを行うためのドローバーが前記スピンドル内に
    通されている工作機械用磁気軸受スピンドル装置におい
    て、 前記ドローバーの軸方向の位置を検出することにより工
    具なしの状態、アンクランプ状態およびクランプ状態の
    いずれであるかを検知する工具装着状態検知手段と、前
    記工具装着状態検知手段の検知結果に基づいて前記磁気
    軸受による前記スピンドルの支持および前記回転駆動手
    段による前記スピンドルの回転を制御する制御手段とを
    備えていることを特徴とする工作機械用磁気軸受スピン
    ドル装置。
  2. 【請求項２】前記制御手段が、前記工具装着状態検知手
    段の検知結果が工具なしの状態またはアンクランプ状態
    であるときには、前記磁気軸受による前記スピンドルの
    支持および前記回転駆動手段による前記スピンドルの回
    転を不可能にし、前記工具装着状態検知手段の検知結果
    がクランプ状態であるときには、前記磁気軸受による前
    記スピンドルの支持および前記回転駆動手段による前記
    スピンドルの回転を可能にするものであることを特徴と
    する請求項１の工作機械用磁気軸受スピンドル装置。
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