特開 2019-209411 主軸装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-209411(P2019-209411A)

(43)【公開日】2019年12月12日

(54)【発明の名称】主軸装置

(51)【国際特許分類】

   B23B 19/02 20060101AFI20191115BHJP

   B23Q 17/00 20060101ALI20191115BHJP

   B23Q 17/24 20060101ALI20191115BHJP

   B23Q 11/00 20060101ALI20191115BHJP

   F16C 32/04 20060101ALI20191115BHJP

【ＦＩ】

   B23B19/02 B

   B23Q17/00 A

   B23Q17/24 B

   B23Q11/00 A

   F16C32/04 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-106442(P2018-106442)

(22)【出願日】2018年6月1日

(71)【出願人】

【識別番号】504258527

【氏名又は名称】国立大学法人 鹿児島大学

(71)【出願人】

【識別番号】000154990

【氏名又は名称】株式会社牧野フライス製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】近藤 英二

(72)【発明者】

【氏名】尾田 光成

【テーマコード（参考）】

3C011

3C029

3C045

3J102

【Ｆターム（参考）】

3C011AA04

3C029AA24

3C029AA40

3C029EE00

3C045FD03

3C045FD12

3C045FD16

3C045FD23

3J102AA01

3J102AA09

3J102BA03

3J102BA17

3J102CA02

3J102DA03

3J102DA09

3J102DB01

3J102DB05

3J102DB10

3J102DB14

3J102DB37

3J102GA07

(57)【要約】

【課題】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小径の回転工具による切削加工でのびびり振動の発生を抑制すること。
【解決手段】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が、工具１１６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１０４と、主軸の後端側で主軸を接触した状態で支持する転がり軸受１０６と、主軸の先端側で主軸を非接触の状態で支持する磁気軸受１０８、１１０と、主軸を回転駆動するモータ１２４と、磁気軸受の近傍で主軸に対向するように設けられた変位センサ１１８と、工具の刃部の変位を求める観測器１２２と、変位センサおよび観測器の出力に基づいて、磁気軸受の磁力を制御する制御装置１０とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
前記主軸の後端側で、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、
前記主軸を回転駆動するモータと、
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、
を備えることを特徴とした主軸装置。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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請求項１に記載の主軸装置。

【請求項4】

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。

【請求項5】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２２９８０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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、前記主軸の後端側で、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、前記主軸を回転駆動するモータと、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た主軸装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

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。

【0009】

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。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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。

【図2】本発明を適用する主軸装置の一例を示す断面図である。

【図3】磁気軸受のコイルの配置を示す略図である。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】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。

【図7】磁気軸受の制御系のブロック図である。

【図8】磁性部材での周波数応答を示したグラフである。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【表1】

【表2】

【0031】

図５の力学モデルから以下の運動方程式（１）が得られる。

【数1】

【0032】

式（１）から状態方程式（２）が得られる。

【数2】

【数3】

【0033】

また出力方程式は式（３）とする。

【数4】

【数5】

【0034】

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。

【数6】

【数7】

【0035】

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。

【数8】

【0036】

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。

【数9】

【数10】

【0037】

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。

【数11】

【0038】

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

【数12】

の根である。

【数13】

【0039】

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。

【数14】

【数15】

【0040】

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。

【数16】

【0041】

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。

【数17】

【0042】

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。

【0043】

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。

【数18】

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【数19】

【符号の説明】

【0052】

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
１５０ Ｘ軸方向制御部
１５２ Ｙ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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】