JP4891150B2 - 工作機械の振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具又はワークを回転させながら加工を行う工作機械において、加工中に発生する振動を抑制するための振動抑制装置に関するものである。

従来より、たとえば回転可能な主軸にワークを支持させ、ワークに対して工具を送りながら、ワークに加工を施すといった工作機械がある。該工作機械においては、切削加工における切り込み量を必要以上に大きくすると、加工中に所謂「びびり振動」が発生して、加工面の仕上げ精度を悪化させてしまうという問題がある。このとき、特に問題となるのは、工具とワークとの間に生じる自励振動である「再生型びびり振動」と、工具を備える工作機械が振動源となる「強制びびり振動」である。このうち再生型びびり振動については、特許文献１、２に記載されているように、加工を行うにあたって、工具やワーク等のびびり振動が生じる系の固有振動数や加工中におけるびびり振動数を求め、固有振動数又はびびり振動数を６０倍して工具刃数及び所定の整数で除した値を回転速度とすればよいことが知られている。一方、強制びびり振動の場合は、回転速度をずらす、送り速度を下げる、ワークへの切り込みを小さくする、といった対応が有効であることがわかっている。

特開２００３−３４０６２７号公報 特表２００１−５１７５５７号公報

しかし、びびり振動数は、数１０Ｈｚから１０ｋＨｚと広範囲に及ぶにもかかわらず、単一のサンプリング振動数によってフーリエ解析を行う等してびびり振動数を求めていたため、測定分解能に限界があり、全ての範囲で短時間且つ高精度にびびり振動数を検出することができない。従って、回転速度の変更が常に的確とは言えず、びびり振動の効果的な抑制に繋がらないという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、びびり振動数を広範囲で短時間且つ高精度に求めることができ、正確な最適回転速度を計算してびびり振動を効果的に抑制可能な工作機械の振動抑制装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、回転中の前記回転軸の時間領域での振動加速度を検出する検出手段と、検出手段により検出された時間領域の振動加速度を予め設定された夫々異なるサンプリング振動数で解析してびびり振動数とその加速度とを得る複数の信号解析手段と、何れかの信号解析手段で算出したびびり振動数の加速度が所定の基準値を超えた場合、所定のパラメータに基づき、びびり振動を抑制可能な前記回転軸の最適回転速度を算出する演算手段と、その演算手段により算出された最適回転速度にて前記回転軸を回転させる回転速度制御手段と、を備え、前記演算手段は、前記複数の信号解析手段で得られた複数のびびり振動数を所定の閾値と夫々比較し、前記複数のびびり振動数が前記所定の閾値よりも低い場合には、前記複数の信号解析手段のうち前記サンプリング振動数の低い信号解析手段が解析して得たびびり振動数を、前記複数のびびり振動数が前記所定の閾値よりも高い場合には、前記複数の信号解析手段のうち前記サンプリング振動数の高い信号解析手段が解析して得たびびり振動数を夫々選択して最適回転速度を算出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に記載の発明において、演算手段は、所定のパラメータとなる下記の演算式（１）〜（３）に基づいて最適回転速度の演算を行うようにしたものである。
ｋ’値＝６０×びびり振動数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）
ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・・（２）
最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ値）・・・（３）

本発明によれば、実際に回転している回転軸に生じるびびり振動に基づいて最適回転速度を算出するため、より正確な最適回転速度を直ちに算出することができると共に、算出した最適回転速度を直ちに回転軸の回転に活かすことができる。特にここでは、サンプリング振動数が異なる信号解析手段を複数備えて、演算手段は、各信号解析手段で得られた解析結果から最適な精度を持つびびり振動数を選択して最適回転速度を算出するので、びびり振動数を広範囲で短時間且つ高精度に求めることができ、正確な最適回転速度を計算してびびり振動を効果的に抑制可能となる。従って、加工面の仕上げ精度を高品位に保つことができ、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止も期待できる。

以下、本発明の一実施形態となる振動抑制装置について、図面をもとに説明する。

図１は、振動抑制装置１０のブロック構成を示した説明図である。図２は、振動抑制の対象となる回転軸ハウジング１を側面から示した説明図であり、図３は、回転軸ハウジング１を軸方向から示した説明図である。
振動抑制装置１０は、回転軸ハウジング１にＣ軸周りで回転可能に備えられた回転軸３に生じるびびり振動を抑制するためのものであって、回転中の回転軸３に生じる時間領域の振動加速度を検出するための振動センサ（検出手段）２ａ〜２ｃと、該振動センサ２ａ〜２ｃによる検出値をもとにして回転軸３の回転速度を制御する制御装置５とを備えてなる。

振動センサ２ａ〜２ｃは、図２及び３に示す如く回転軸ハウジング１に取り付けられており、一の振動センサは、他の振動センサに対して直角方向への時間領域の振動加速度（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出するようになっている（たとえば、振動センサ２ａ〜２ｃにて、それぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動加速度を検出するようにする）。

一方、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃから検出される時間領域の振動加速度をもとにした解析を、夫々異なるサンプリング振動数で行う信号解析手段としての複数のＦＦＴ演算装置６，６・・と、該ＦＦＴ演算装置６の何れかで算出された値に基づいて最適回転速度の算出等を行う演算手段としてのパラメータ演算装置７と、回転軸ハウジング１における加工を制御する回転速度制御手段としてのＮＣ装置８とを備えており、ＦＦＴ演算装置６における後述の如き解析、及び回転軸３の回転速度のモニタリングを行っている。

以下、制御装置５におけるびびり振動の抑制制御について、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、回転中に常時検出される振動センサ２ａ〜２ｃにおける時間領域の振動加速度の信号を各ＦＦＴ演算装置６へ分配し、夫々のＦＦＴ演算装置６において設定されたサンプリング振動数でフーリエ解析を行い（Ｓ１）、図４の４に示すような最大加速度とその振動数（びびり振動数）とを夫々算出する（Ｓ２）。
次に、パラメータ演算装置７で、上記Ｓ２で算出された各最大加速度と予め設定された所定の基準値とを比較し（Ｓ３）、何れか一つの最大加速度が基準値を超えた場合には、回転軸３に抑制すべきびびり振動が生じているとして、Ｓ４において、算出されたびびり振動数の値と予め設定された振動数の閾値とを比較して、最適のサンプリング振動数で得たびびり振動数を選択する。

例えば、サンプリング振動数を１ｋＨｚ、１０ｋＨｚとする２つのＦＦＴ演算装置があるとする。夫々の解析点数を１０２４とすると、最小分解能は前者で約１ｋＨｚ，後者で約１０ｋＨｚとなり、サンプリングに要する時間は夫々約１秒、０．１秒となる。
ここで検出されたびびり振動数が５０Ｈｚ程度と低域の場合、最適回転速度を求めると、後者の装置では計算誤差が２０％程度となるが、前者の装置では２％程度と高精度となる。一方、検出されたびびり振動数が４００Ｈｚ程度と高域の場合、最適回転速度を求めると、前者の装置では最大加速度の測定精度が大幅に低下するのに対し、後者の装置では十分な分解能を持つことになる。また、後者の装置ではびびり振動数の計算誤差も２．５％と高精度となる。

従って、この場合、閾値を１００Ｈｚとして、これより低域の場合は前者のサンプリング振動数に係るＦＦＴ演算装置で解析されたびびり振動数を選択し、高域の場合は後者のサンプリング振動数に係るＦＦＴ演算装置で解析されたびびり振動数を選択するようにすれば、加速度の大きさや振動数の精度を損なうことなく目的のびびり振動数が取得できる。
なお、閾値を境にして低域側や高域側にＦＦＴ演算装置が複数ある場合は、低域側ではより低いサンプリング振動数のＦＦＴ演算装置を、高域側ではより高いサンプリング振動数のＦＦＴ演算装置を選択すればよい。

次に、Ｓ５では、Ｓ４で取得されたびびり振動数、工具刃数、回転軸３の回転速度から以下の演算式（１）〜（３）により、最適回転速度の演算を行う。

ｋ’値＝６０×びびり振動数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）
ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・・（２）
最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ値）・・・（３）

ここで、演算式（１）における「工具刃数」は、先の閾値等と共に予めパラメータ演算装置７に設定されているものとする。また、演算式（１）における回転軸回転速度とは、現在（最適回転速度とする前）の回転速度である。
そして、Ｓ６では、算出された最適回転速度となるように、ＮＣ装置８にて回転軸３の回転速度を変更して、びびり振動の増幅の防止、すなわち抑制を行う。
以上のようにして、制御装置５におけるびびり振動の抑制制御は行われる。

このように、上記形態の振動制御装置１０によれば、振動センサ２ａ〜２ｃ、ＦＦＴ演算装置６、及びパラメータ演算装置７により回転軸３の回転中に生じるびびり振動をリアルタイムでモニタリングしており、びびり振動の発生が検出されると、上記演算式（１）〜（３）により直ちに最適回転速度を算出して、回転軸３の回転速度を該最適回転速度としてびびり振動の増幅を抑制する。すなわち、実際に回転している回転軸３に生じたびびり振動に基づいて最適回転速度を算出するため、より正確な最適回転速度を直ちに算出することができる。特にここでは、サンプリング振動数が異なるＦＦＴ演算装置６を複数備えて、パラメータ演算装置７は、各ＦＦＴ演算装置６で得られた解析結果から最適な精度を持つびびり振動数を選択して最適回転速度を算出するので、びびり振動数を広範囲で短時間且つ高精度に求めることができ、正確な最適回転速度を計算してびびり振動を効果的に抑制可能となる。従って、加工面の仕上げ精度を高品位に保つことができ、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止も期待できる。

なお、本発明の振動抑制装置に係る構成は、上記実施の形態に記載した態様に何ら限定されるものではなく、検出手段、制御装置、及び制御装置における振動抑制の制御等に係る構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記形態では、加速度センサからの信号を複数に分配し、夫々異なるサンプリング振動数で解析する方法となっているが、所定の方向を測定する加速度ピックアップを複数個設置して夫々の信号を解析する方法であっても本発明の採用は可能である。
また、演算式（１）〜（３）やここで用いるｋ値等は適宜変更しても差し支えない。
さらに、上記実施形態では、検出手段にて検出される時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行った際、周波数領域の振動加速度が最大値を示す波形を使用して、びびり振動の抑制に係る制御を行うようにしているが、周波数領域の振動加速度の値が上位の複数（たとえば、３つ）の波形を用いて最適回転速度を算出するようにして、びびり振動の抑制効果の更なる向上を図ってもよい。

その他、上記実施形態では、工具を回転させる所謂マシニングセンタ等の工作機械の回転軸における振動を検出する構成としているが、回転しない側（固定側）であるワーク又はその近傍の振動を検出するようにしても良い。更には、旋盤などワークを回転させる工作機械にも適用可能であり、その場合には回転軸であるワークを保持する主軸側の振動を検出したり、固定側である工具の振動を検出したりすることができる。尚、検出手段の設置位置や設置数等を、工作機械の種類、大きさ等に応じて適宜変更してもよいことは言うまでもない。

振動抑制装置のブロック構成を示した説明図である。 振動抑制の対象となる回転軸ハウジングを側面から示した説明図である。 回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。 時間領域の振動加速度のフーリエ解析結果の一例を示した説明図である。 びびり振動の抑制制御に係るフローチャートである。

符号の説明

１・・回転軸ハウジング、２ａ、２ｂ、２ｃ・・振動センサ、３・・回転軸、５・・制御装置、６・・ＦＦＴ演算装置、７・・パラメータ演算装置、８・・ＮＣ装置、１０・・振動抑制装置。

Claims (2)

1. 工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、
   回転中の前記回転軸の時間領域での振動加速度を検出する検出手段と、検出手段により検出された時間領域の振動加速度を予め設定された夫々異なるサンプリング振動数で解析してびびり振動数とその加速度とを得る複数の信号解析手段と、何れかの信号解析手段で算出したびびり振動数の加速度が所定の基準値を超えた場合、所定のパラメータに基づき、びびり振動を抑制可能な前記回転軸の最適回転速度を算出する演算手段と、その演算手段により算出された最適回転速度にて前記回転軸を回転させる回転速度制御手段と、を備え、
   前記演算手段は、前記複数の信号解析手段で得られた複数のびびり振動数を所定の閾値と夫々比較し、前記複数のびびり振動数が前記所定の閾値よりも低い場合には、前記複数の信号解析手段のうち前記サンプリング振動数の低い信号解析手段が解析して得たびびり振動数を、前記複数のびびり振動数が前記所定の閾値よりも高い場合には、前記複数の信号解析手段のうち前記サンプリング振動数の高い信号解析手段が解析して得たびびり振動数を夫々選択して最適回転速度を算出することを特徴とする工作機械の振動抑制装置。
2. 演算手段は、所定のパラメータとなる下記の演算式（１）〜（３）に基づいて最適回転速度の演算を行うものである請求項１に記載の工作機械の振動抑制装置。
   ｋ’値＝６０×びびり振動数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）
   ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・・（２）
   最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ値）・・・（３）

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