JP5056796B2 - 工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法 - Google Patents
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Description
そのため、例えば、特許文献1の工作機械用スピンドルの動剛性測定方法及び測定装置においては、電磁石及び非接触型変位センサを用い、主軸を回転させた状態で、電磁石の磁気吸引力によって、工作機械用スピンドルの主軸、主軸に取り付けた工具等の測定対象部を非接触状態で加振し、非接触型変位センサによって、加振された測定対象部の変位を非接触状態で測定している。これにより、測定した動剛性に基づいて、被加工物の加工前において、この被加工物に対して迅速に好ましい加工条件を探り出すことができる。
ホルダを介して上記主軸に取り付けられ、該主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタと、
上記主軸の回転速度を測定する回転速度計と、
上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に対向配置して、該アンバランスマスタの振れ量を測定する振れ量測定器とを有しており、
上記回転速度計によって測定した上記回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出するよう構成したことを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置にある(請求項1)。
上記主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタを用い、
該アンバランスマスタをホルダを介して上記主軸に取り付け、また、上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に、振れ量測定器を対向配置し、
上記主軸の回転によって上記アンバランスマスタを回転させるときの振れ量を上記振れ量測定器によって測定し、
上記主軸の回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出することを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法にある(請求項4)。
具体的には、本発明においては、工作機械における主軸の回転によって、ホルダを介して主軸に取り付けたアンバランスマスタを回転させる。このとき、アンバランスマスタの重心位置が主軸の回転中心に対して偏心していることにより、アンバランスマスタに遠心力が作用する。そして、この遠心力によって、アンバランスマスタは、周方向の各部位において均一に径方向へ振れることになる。
また、本発明においては、アンバランスマスタの回転による遠心力を利用して加振力を発生させている。これにより、加振力を発生させるために、外部から力を与える必要がなく、主軸、ホルダ及びアンバランスマスタとしての回転体自体から生ずる力を利用することができる。そのため、回転速度計によって測定した回転速度と、振れ量測定器によって測定した振れ量との関係に基づいて、主軸の動剛性を算出したときには、この動剛性を高精度で求めることができる。
また、第2の発明によれば、動剛性を高精度で求めることができる工作機械における主軸の動剛性測定方法を提供することができる。
上記第1、第2の発明において、上記アンバランスマスタの質量をm、上記主軸の回転中心に対する上記アンバランスマスタの重心位置の偏心量をr、該アンバランスマスタの回転角速度をω、該回転角速度で回転するアンバランスマスタの振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、上記動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出するよう構成することが好ましい(請求項2、5)。
この場合には、工作機械における主軸の動剛性を簡単かつ正確に求めることができる。
この場合には、アンバランスマスタの形状が適切であり、振れ量測定器によりアンバランスマスタの振れ量をより正確に測定することができる。また、主軸の回転中心に対する重心位置の設定を容易にすることができる。
(実施例1)
本例の工作機械5における主軸6の動剛性測定装置1は、図1、図2に示すごとく、ホルダ7を介して主軸6に取り付け、主軸6の回転中心Oに対して重心位置Aが偏心するアンバランスマスタ2と、主軸6の回転速度を測定する回転速度計3と、アンバランスマスタ2に対する所定の軸方向Lの位置であって任意の周方向Cの位置に対向配置して、アンバランスマスタ2の振れ量を測定する振れ量測定器4とを有している。そして、動剛性測定装置1は、回転速度計3によって測定した回転速度と、振れ量測定器4によって測定した振れ量との関係に基づいて、主軸6の動剛性を算出するよう構成してある。
図1に示すごとく、本例の工作機械5は、複数種類のツールをホルダ7によって主軸6に取替え可能に構成したマシニングセンタである。本例の回転速度計3は、工作機械5の主軸6に備え付けられたものである。本例の振れ量測定器4は、アンバランスマスタ2の投影画像を非接触で撮影することによって、アンバランスマスタ2の振れ量を測定するものである。具体的には、本例の振れ量測定器4は、アンバランスマスタ2の回転時の直径を所定のサンプリング間隔で撮影し、アンバランスマスタ2の回転時の直径がアンバランスマスタ2の静止時の直径に対してどれだけ大きくなっているかによって、振れ量を求める。この振れ量r’は、回転時の直径をD1、静止時の直径をD0としたとき、r’=(D1−D0)/2から求めることができる。
振れ量測定器4によってアンバランスマスタ2の全周に対して撮影を行うことができるように、サンプリング間隔は、主軸6の回転周期と同期しない間隔とする。
アンバランスマスタ2又はツールの先端(下端)から連結部(カップリング)52までの距離をXとしたとき、アンバランスマスタ2又はツールの先端から根元までの距離Yは、0.1〜0.2Xの範囲内となる。このとき、仮にアンバランスマスタ2又はツールの先端の振れ量が100μmとすると、根元の振れ量は、80〜90μmとなる。そして、アンバランスマスタ2又はツールの全長を130mmとすると、振れ量測定器4による測定位置が軸方向Lへ1mmずれる際の振れ量の誤差は、0.08〜0.15μm/mmとなり、極めて少ないことがわかる。従って、振れ量測定器4を、アンバランスマスタ2又はツールに対する所定の軸方向Lの位置に対向配置したときに、軸方向Lへのわずかな位置ずれが生じた場合でも、軸方向Lへの位置ずれ誤差は無視できる程度の量となる。
計算装置10は、アンバランスマスタ2の質量をm、主軸6の回転中心Oに対するアンバランスマスタ2の重心位置Aの偏心量をr、アンバランスマスタ2の回転角速度をω、この回転角速度で回転するアンバランスマスタ2の振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、主軸6の動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出するよう構成してある。また、計算装置10は、アンバランスマスタ2を取り付けた主軸6の回転速度vを変化させたときの振れ量r’を測定すると共に遠心力Fを算出して、図8に示すごとく、主軸6の動剛性Gを、Fとr’との関係ラインMの傾きαとして求めることができる。この関係ラインMの傾きαを求める際には、最小二乗法等によって近似して求めることができる。
まず、アンバランスマスタ2単体の質量mを測定する(図5のステップS1)。
次いで、アンバランスマスタ2をホルダ7を介して主軸6に取り付け(S2)、振れ量測定器4を主軸6の回転中心Oから所定の距離であって、アンバランスマスタ2の所定の軸方向Lの位置に対向配置する(S3)。このとき、振れ量測定器4は、アンバランスマスタ2の周方向Cに対しては任意の位置に対向配置することができる。
次いで、主軸6を回転させ(S4)、回転速度計3によって主軸6の回転速度vを測定すると共に、振れ量測定器4によってアンバランスマスタ2の径方向への振れ量r’を測定する(S5)。このとき、主軸6の回転速度vを徐々に変化(上昇)させたときの振れ量r’を測定し(S6)、回転速度vと振れ量r’との関係を求める(図7参照)。本例では、主軸6の回転速度vを500(rpm)ずつ増加させた。
そして、図8に示すごとく、各回転速度vにおける遠心力F(N)と振れ量r’(μm)とをプロットして、Fとr’との関係ラインMの傾きαを最小二乗法によって求める(S10)。これにより、主軸6の動剛性G(μm/N)をG=r’/Fの傾きαとして求めることができる(S11)。
図8は、遠心力F(N)とアンバランスマスタ2の振れ量r’(μm)との関係をプロットしたグラフを示す。同図より、アンバランスマスタ2の振れ量r’は、遠心力Fにほぼ比例していることがわかる。そして、この関係ラインMの傾きαを、主軸6の動剛性Gとして求めることができる。
具体的には、本例においては、工作機械5における主軸6の回転によって、ホルダ7を介して主軸6に取り付けたアンバランスマスタ2を回転させる。このとき、アンバランスマスタ2の重心位置Aが主軸6の回転中心Oに対して偏心していることにより、アンバランスマスタ2に遠心力Fが作用する。そして、この遠心力によって、アンバランスマスタ2は、周方向Cの各部位において均一に径方向へ振れることになる。
また、本例においては、アンバランスマスタ2の回転による遠心力Fを利用して加振力を発生させている。これにより、加振力を発生させるために、外部から力を与える必要がなく、主軸6、ホルダ7及びアンバランスマスタ2としての回転体自体から生ずる力を利用することができる。そのため、回転速度計3によって測定した回転速度v(回転角速度ω)と、振れ量測定器4によって測定した振れ量r’との関係に基づいて、主軸6の動剛性Gを算出したときには、この動剛性Gを高精度で求めることができる。
図10において、電磁石91を用いて加振力をツール92に与える場合には、ツール92は、回転しながら、電磁石91と反対方向へ振れることになる。この場合、ツール92に対して電磁石91と反対方向から振れ量sを測定するときには、振れ量測定器4の位置が電磁石91に対向する位置からわずかに横方向Wにずれるだけで、振れ量sに誤差が生じる。
例えば、動剛性の値は、工作機械の評価基準として、工作機械の性能をランク分けする場合の項目として利用できる。また、動剛性の値は、加工条件を設定する際に、使用するツールが決まっていれば、必要とする加工精度を満たす加工条件を決定するための指標となる。また、動剛性の値は、加工精度を推定する際に、使用するツール、加工条件が決まっていれば、加工を行った場合の推定加工精度の算出ができる。この加工精度の推定をする際には、工作機械に取り付けるツールが必要とする加工精度を満たすか否かの判定を行うことができる。
本例においては、測定した動剛性Gを用いて、工作機械5の加工精度補償を行う例を示す。また、本例においては、工作機械5において、加工ツールとしてのエンドミル2Aを用いる場合を示す。
動剛性測定装置1の計算装置10は、エンドミル2Aの質量mを測定するか又は設計データから読み込み、エンドミル2Aのバランスr(主軸の回転中心Oからエンドミル2Aの重心位置Aまでの距離)を設計データから読み込み、また加工時の主軸6の回転速度vのデータを読み込む。
このように、工作機械5における主軸6の動剛性Gを高精度で求めることができれば、ワーク8に対する加工精度を向上させることができる。
10 計算装置
2 アンバランスマスタ
21 切欠
3 回転速度計
4 振れ量測定器
5 工作機械
6 主軸6
7 ホルダ
O 回転中心
A 重心位置
Claims (6)
- 工作機械における主軸の動剛性を測定する装置であって、
ホルダを介して上記主軸に取り付けられ、該主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタと、
上記主軸の回転速度を測定する回転速度計と、
上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に対向配置して、該アンバランスマスタの振れ量を測定する振れ量測定器とを有しており、
上記回転速度計によって測定した上記回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出するよう構成したことを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置。 - 請求項1において、上記アンバランスマスタの質量をm、上記主軸の回転中心に対する上記アンバランスマスタの重心位置の偏心量をr、該アンバランスマスタの回転角速度をω、該回転角速度で回転するアンバランスマスタの振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、
上記動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出するよう構成したことを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置。 - 請求項1又は2において、上記アンバランスマスタは、円柱状素材に対する周方向の一部を軸方向に沿って切り欠いた形状を有していることを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置。
- 工作機械における主軸の動剛性を測定する方法であって、
上記主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタを用い、
該アンバランスマスタをホルダを介して上記主軸に取り付け、また、上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に、振れ量測定器を対向配置し、
上記主軸の回転によって上記アンバランスマスタを回転させるときの振れ量を上記振れ量測定器によって測定し、
上記主軸の回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出することを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法。 - 請求項4において、上記アンバランスマスタの質量をm、上記主軸の回転中心に対する上記アンバランスマスタの重心位置の偏心量をr、該アンバランスマスタの回転角速度をω、該回転角速度で回転するアンバランスマスタの振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、
上記動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出することを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法。 - 請求項4又は5において、上記アンバランスマスタは、円柱状素材に対する周方向の一部を軸方向に沿って切り欠いた形状を有していることを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法。
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