JP2012187685A - 工作機械の回転軸制御方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】S1で主軸の初期回転速度及びその初期回転速度からの変更パターンをそれぞれ設定し、S2で初期回転速度で加工を行う。S3で加工中に発生する振動を検出して、S4で検出された振動が強制びびり振動か否かを判別し、振動が強制びびり振動であれば、S6〜S9で初期回転速度から変更パターンに基づいて回転速度を変更する。回転速度の変更後に依然として強制びびり振動が発生していれば、S10で強制びびり振動の振動量が最大となったときの振動周波数を算出し、S14で当該振動周波数に基づいて共振周波数を特定して、S15で特定された共振周波数を回避する回転速度を算出してS16で当該回転速度に変更する。
【選択図】図2
Description
このため、事前に発生するびびり振動を予測して対策を行う方法がある。具体的には特許文献1に記載されているように、加工前にシミュレーションや測定によりびびり振動が発生する加工条件を予測して、びびり振動が発生し難い加工条件で加工を行う技術が考案されている。また、加工中の振動を検出及び分析して対策を行う方法もある。これは特許文献2、3に記載されているように、分析結果を用いてびびり振動の種類を判別し、各びびり振動に対して適切な回転速度に調整して加工中に発生するびびり振動の低減処置を行う技術となっている。
前記回転軸の初期回転速度及びその初期回転速度からの変更パターンをそれぞれ設定するパラメータ設定ステップと、前記初期回転速度で前記回転軸を回転させて加工を行い、加工中に発生する振動を検出する振動検出ステップと、検出された前記振動を解析して強制びびり振動か否かを判別する振動判別ステップと、前記振動が強制びびり振動であれば、前記初期回転速度から前記変更パターンに基づいて前記回転速度を変更する回転速度変更ステップと、前記回転速度の変更後に前記振動の検出及び解析を行い、前記振動が強制びびり振動であれば、前記強制びびり振動の振動量が最大となったときの振動周波数に基づいて共振周波数を特定する共振周波数特定ステップと、特定された前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更する回転速度算出/変更ステップとを実行することを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、請求項1の構成において、前記パラメータ設定ステップでは、前記回転速度の上下限をそれぞれ設定し、前記共振周波数特定ステップでは、前記回転速度の上下限内での異なるハーモニクス線上で前記振動量が最大の振動周波数となる前記回転速度があるか否かを算出し、当該回転速度がある場合には前記ハーモニクス線上での前記振動周波数に基づいて共振周波数を特定し、前記回転速度算出/変更ステップでは、各ハーモニクス線上で特定された複数の前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更することを特徴とするものである。
前記回転軸の初期回転速度及びその初期回転速度からの変更パターンをそれぞれ設定するパラメータ設定手段と、前記回転軸を回転させて加工を行った際に発生する振動を検出する振動検出手段と、検出された前記振動を解析して強制びびり振動か否かを判別する振動判別手段と、前記振動が強制びびり振動であれば、前記初期回転速度から前記変更パターンに基づいて前記回転速度を変更する回転速度変更手段と、前記回転速度の変更後に検出及び解析された前記振動が強制びびり振動であれば、前記強制びびり振動の振動量が最大となったときの振動周波数に基づいて共振周波数を特定する共振周波数特定手段と、特定された前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更する回転速度算出/変更手段とを備えることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、請求項3の構成において、前記パラメータ設定手段は、前記回転速度の上下限をそれぞれ設定し、前記共振周波数特定手段は、前記回転速度の上下限内での異なるハーモニクス線上で前記振動量が最大の振動周波数となる前記回転速度があるか否かを算出し、当該回転速度がある場合には前記ハーモニクス線上での前記振動周波数に基づいて共振周波数を特定し、前記回転速度算出/変更手段は、各ハーモニクス線上で特定された複数の前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更することを特徴とするものである。
請求項2及び4に記載の発明によれば、上記効果に加えて、強制びびり振動が発生する可能性が高い共振周波数を確実に回避して最適な回転速度を選択することができる。
図1は、工作機械の一例である立形マシニングセンタの概略構成図で、立形マシニングセンタ1は、上方に設けた主軸頭2に回転軸としての主軸3を設け、その主軸3に取り付けた工具4によって、下方の加工テーブル5上にセットされたワーク6を加工する周知の構成で、図示しない自動工具交換装置によって工具4を自動交換可能となっている。
まず振動センサ7は、主軸3の回転に伴って生じる時間領域の振動(時間軸上の振動)を検出するもので、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸方向での時間領域の振動情報を検出可能な状態で主軸頭2に取り付けられている。
ここでは演算装置13が振動判別手段及び共振周波数特定手段として機能し、演算装置13及びNC装置15が回転速度変更手段及び回転速度算出/変更手段として機能することになる。
S2で加工を開始し、加工中は、演算装置13が振動センサ7で測定した振動加速度をフーリエ解析して、振動量(ここでは最大加速度)を算出し、振動量と閾値とを比較する(S3、振動検出ステップ)。振動量が閾値より小さければ制御を終了する。一方、S3の判別で振動量が閾値以上であれば、びびり振動が発生したと判断して、S4で、演算装置13は発生したびびり振動が強制びびり振動か否か再生びびり振動かを判定する(振動判別ステップ)。再生びびり振動と判定した場合、S5で最適回転速度へ変更してS3へ戻る。
k値=k’値の整数部 ・・・(2)
位相情報=k’値−k値 ・・・(3)
最適回転速度=60×びびり振動数/(工具刃数×k1値)・・・(4)
fk(S)=S×Z×k/60 (k:整数値) ・・・(5)
ここで、Sは回転速度、Zは工具刃数である。図3のS31のように、この値が共振周波数帯f1と一致すると強制びびり振動が発生する。ここで、図3のように上限回転速度Smaxと下限回転速度Sminが設定されていた場合、その範囲内において、図3のS32のように、k=3のハーモニクス線上でも共振周波数帯f1と一致して強制びびり振動が発生すると判断されるため、異なるハーモニクス線上でfmaxと成り得る回転速度が存在すると判断される。
まず、S1で、工具刃数Zが4枚の工具、初期回転速度1400min−1、上限回転速度2500min−1、下限回転速度1000min−1で各パラメータをそれぞれ設定し、S2で加工を開始した場合、S3で187Hzで振動量が閾値を超えて最も大きくなった。S4で、式(3)を用いて強制びびり振動と判定されたため、S6〜S9において1400min−1から±10%となる1260min−1から1540min−1で段階的に回転速度を変更して加工を行ったところ、1500min−1時に200Hzで最も振動が大きくなった(S10)
。
そのため、200Hzに共振周波数が存在すると判断でき、その±10%の領域が共振周波数帯、すなわち180Hz〜220Hzにおいて強制びびり振動が発生する領域であると算出される。
まず、式(5)に各値を代入して変形すると、以下の式(6)になる。
S=fk(S)×15/k ・・・(6)
ここで、fk(S)に上記180Hz〜220Hzを代入すると、以下の式(7)になり、その回転速度Sでは強制びびり振動が発生すると予測される。
S=2700/k〜3300/k ・・・(7)
式(6)において、200Hz、k=3でS=1000となり、下限回転速度1000min−1内に含まれる範囲を有するため、S11の判別がYESとなる。
よって、S3に戻って続くS6〜S9では、1000min−1〜1100min−1で回転速度を変更して加工を行う。
よって、上述の手順と同様に計算すると、以下の式(8)になり、その回転速度Sでは強制びびり振動が発生することになる。
S=8100/k〜9900/k ・・・(8)
式(6)において、600Hz、k=4〜9において、上限回転速度2500min−1、下限回転速度1000min−1に含まれる範囲を有するため、S11の判別がYESとなる。よって、S3に戻ってこれらの回転速度においても同様の加工を行う。
なお、回転速度変更中に閾値を切った場合には、その回転速度で制御を終了する。
特にここでは、異なるハーモニクス線上でも振動量が最大の振動周波数となる回転速度があれば、当該ハーモニクス線上でも共振周波数を特定して、各ハーモニクス線上で特定された複数の共振周波数を回避する回転速度を算出して変更するようにしているので、強制びびり振動が発生する可能性が高い共振周波数を確実に回避して最適な回転速度を選択することができる。
たとえば、振動の検出には加速度ピックアップの代わりに変位計やマイクを採用して、振動加速度の代わりに振動変位や振動音を用いることも可能である。
また、上記制御事例では共振周波数帯を共振周波数の±10%としているが、異なる割合に変えたり、変更可能にしたり、回転速度の絶対値での範囲としたりすることも可能である。
さらに、上記制御事例では異なるハーモニクス線上でも複数の回転速度での加工を試みているが、制御時間短縮のために特定された共振周波数となる回転速度のみで加工を行うことも可能である。
その他、工作機械としては立形マシニングセンタに限らず、主軸に装着したワークを回転させて加工を行うNC旋盤等の他の工作機械であっても本発明は適用可能である。
Claims (4)
- 回転軸に装着した工具又はワークを回転させて加工を行う工作機械において、前記回転軸の回転を制御するための回転軸制御方法であって、
前記回転軸の初期回転速度及びその初期回転速度からの変更パターンをそれぞれ設定するパラメータ設定ステップと、
前記初期回転速度で前記回転軸を回転させて加工を行い、加工中に発生する振動を検出する振動検出ステップと、
検出された前記振動を解析して強制びびり振動か否かを判別する振動判別ステップと、
前記振動が強制びびり振動であれば、前記初期回転速度から前記変更パターンに基づいて前記回転速度を変更する回転速度変更ステップと、
前記回転速度の変更後に前記振動の検出及び解析を行い、前記振動が強制びびり振動であれば、前記強制びびり振動の振動量が最大となったときの振動周波数に基づいて共振周波数を特定する共振周波数特定ステップと、
特定された前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更する回転速度算出/変更ステップと
を実行することを特徴とする工作機械の回転軸制御方法。 - 前記パラメータ設定ステップでは、前記回転速度の上下限をそれぞれ設定し、
前記共振周波数特定ステップでは、前記回転速度の上下限内での異なるハーモニクス線上で前記振動量が最大の振動周波数となる前記回転速度があるか否かを算出し、当該回転速度がある場合には前記ハーモニクス線上での前記振動周波数に基づいて共振周波数を特定し、
前記回転速度算出/変更ステップでは、各ハーモニクス線上で特定された複数の前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更することを特徴とする請求項1に記載の工作機械の回転軸制御方法。 - 回転軸に装着した工具又はワークを回転させて加工を行う工作機械において、前記回転軸の回転を制御するための回転軸制御装置であって、
前記回転軸の初期回転速度及びその初期回転速度からの変更パターンをそれぞれ設定するパラメータ設定手段と、
前記回転軸を回転させて加工を行った際に発生する振動を検出する振動検出手段と、
検出された前記振動を解析して強制びびり振動か否かを判別する振動判別手段と、
前記振動が強制びびり振動であれば、前記初期回転速度から前記変更パターンに基づいて前記回転速度を変更する回転速度変更手段と、
前記回転速度の変更後に検出及び解析された前記振動が強制びびり振動であれば、前記強制びびり振動の振動量が最大となったときの振動周波数に基づいて共振周波数を特定する共振周波数特定手段と、
特定された前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更する回転速度算出/変更手段と
を備えることを特徴とする工作機械の回転軸制御装置。 - 前記パラメータ設定手段は、前記回転速度の上下限をそれぞれ設定し、
前記共振周波数特定手段は、前記回転速度の上下限内での異なるハーモニクス線上で前記振動量が最大の振動周波数となる前記回転速度があるか否かを算出し、当該回転速度がある場合には前記ハーモニクス線上での前記振動周波数に基づいて共振周波数を特定し、
前記回転速度算出/変更手段は、各ハーモニクス線上で特定された複数の前記共振周波数を回避する前記回転速度を算出して当該回転速度に変更することを特徴とする請求項3に記載の工作機械の回転軸制御装置。
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