JP5215064B2

JP5215064B2 - 工作機械のびびり振動抑制方法及びその装置

Info

Publication number: JP5215064B2
Application number: JP2008186295A
Authority: JP
Inventors: 清吉野
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: JP2010023162A

Description

本発明は、工作機械による切削加工時に発生するびびり振動を抑制する方法及びその装置に関するものである。

工作機械により切削加工を行う場合に、工具または被加工物の剛性が低いとびびり振動が発生することがある。びびり振動が発生すると、工具が欠損してしまったり、被加工物の加工面精度が悪化するなどの問題が生じる。このびびり振動を抑制する方法として、特許文献１や特許文献２に記載されている対策が提案されている。
特許文献１に記載されている方法は、本加工の前に試験加工を行い、びびり振動を予測して加工条件を決定しびびり振動を回避するものである。特許文献２に記載の方法は加工中のびびり振動周波数からびびり振動が発生しない主軸の回転速度を算出するものである。

特開２００６−１０２９２７号公報特開２００７−０４４８５２号公報

しかしながら特許文献１に記載の方法は、試し削りを行っているため、時間とコストがかかり効率的でないという問題がある。また、特許文献２の方法は、機械構造の伝達関数である動コンプライアンスのピークが１つの場合は問題ないが、ピークが複数ある場合には、算出したびびり振動を抑制できる回転速度で加工しても、異なる周波数でびびり振動が発生し、安定な加工を行うことができない場合がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みなされたものであって、動コンプライアンスのピークが複数ある場合においても安定な加工を行うことができる回転速度を効率的に選択し、びびり振動を抑制できる方法及び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の発明は、主軸に装着した工具を回転させて加工を行う工作機械において、加工時に発生したびびり振動を抑制する方法であって、前記びびり振動の周波数及び加速度を取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得された前記びびり振動の周波数及び加速度と、前記工具の刃数と、前記主軸の回転速度とから、前記回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算する推定演算ステップと、前記推定演算ステップで推定演算された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係に基づいて、前記びびり振動の加速度が最小或いは０となる前記回転速度を選択する回転速度選択ステップと、前記回転速度選択ステップで選択された前記回転速度に基づいて前記主軸の回転速度を変更する回転速度制御ステップと、を実行することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、請求項２の発明は、主軸に装着した工具を回転させて加工を行う工作機械において、加工時に発生したびびり振動を抑制する方法であって、請求項１に記載の振動抑制方法を繰り返して実行すると共に、推定演算ステップで推定演算された回転速度とびびり振動の加速度との関係を記憶し、２回目以降に行う回転速度選択ステップでは、その直前の推定演算ステップで推定演算された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係と、過去の推定演算ステップで推定演算され記憶された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係とに基づいて、前記びびり振動の加速度が最小或いは０となる前記回転速度を選択することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２の構成において、前記推定演算ステップでは、前記びびり振動の周波数を下記の式（１）により位相差ε／（２π）に換算し、その位相差と前記びびり振動の加速度との関係を、所定の位相差の値で最大値を持つ凸形状の関数で近似することで、前記びびり振動の加速度を位相差の関数として表し、さらに式（１）を変形した下記の式（２）により前記主軸の回転速度を前記位相差の関数として表すことにより、前記位相差を介して前記回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算することを特徴とする。
ε／（２π）＝６０ｆｃ／（ＺＳ）−ｋ・・・（１）
Ｓ＝６０ｆｃ／［Ｚ｛ε／（２π）＋ｋ｝］・・・（２）
（ｆｃ：びびり振動の周波数、Ｚ：工具の刃数、Ｓ：主軸の１分あたりの回転速度、ｋ：６０ｆｃ／（ＺＳ）の整数部分）

上記目的を達成するために、請求項４の発明は、主軸に装着した工具を回転させて加工を行う工作機械において、加工時に発生したびびり振動を抑制する装置であって、前記びびり振動の周波数及び加速度を取得する取得手段と、前記取得手段で取得された前記びびり振動の周波数及び加速度と、前記工具の刃数と、前記主軸の回転速度とから、前記回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算する推定演算手段と、前記推定演算手段で演算された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係から、前記びびり振動の加速度が最小或いは０となる前記回転速度を選択する回転速度選択手段と、前記回転速度選択手段で選択された前記回転速度に基づいて前記主軸の回転速度を変更する回転速度制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る工作機械のびびり振動抑制方法及び装置によれば、加工時に発生するびびり振動から、回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算するため、動コンプライアンスのピークが複数ある場合であっても、安定な回転速度を選択でき、びびり振動を抑制できる。また、加工中のびびり振動の値から推定演算するため、試験加工を必要とせず、効率的にびびり振動を抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、工作機械の振動抑制装置の一例を示す図である。まず工作機械は、上方に設けた主軸頭１に回転自在な主軸２を設け、その主軸２に取り付けた工具３によって下方の加工テーブル上にセットされた被加工物４を加工する周知の構成である。
５は、主軸頭１の送り軸動作と、主軸２の回転速度とを制御する数値制御装置、６は、数値制御装置５と情報を送受信可能な演算装置で、演算装置６には、主軸頭１に設けられてびびり振動を計測する加速度センサ７と、メモリ装置８と、工具の刃数等を入力する外部入力装置９とが夫々接続されている。ここでは演算装置６及び加速度センサ７が本発明の取得手段となるが、演算装置６は推定演算手段及び回転速度選択手段の実行機能も具備している。また、数値制御装置５が回転速度制御手段となる。

この工作機械のびびり振動抑制方法の一例を図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１で、切削加工中にびびり振動が発生しているか否かが判断される。この判断は、例えば加速度センサ７から得られる加速度値或いは変位の振幅値が所定値よりも大きい場合が複数回検出されたような際に、びびり振動の発生と判断される。ここでびびり振動の発生が確認されると、Ｓ２で、加速度センサ７からびびり振動波形が演算装置６に入力されてフーリエ変換され、Ｓ３でフーリエ変換された波形の最大値Ｇとその周波数ｆｃとが取得される（取得ステップ）。
次にＳ４において、数値制御装置５から得られた主軸２の回転速度Ｓの値と、Ｓ３で得られた波形の最大値Ｇと周波数ｆｃと、予め外部入力装置９から入力された工具の刃数Ｚとから、主軸２の回転速度と振動加速度との関係を推定演算する（推定演算ステップ）。以下その推定演算方法について説明する。

まず、主軸２の回転速度を変えて、びびり周波数と振動加速度との値を実測すると、図３に示すように、びびり周波数と振動加速度とは周期性のある挙動を示す。ここで、びびり周波数を下記数１の式で示される位相差ε／（２π）に換算し、振動加速度との関係をプロットすると図４のようになる。

図４において、振動加速度が大きな場合には、位相差０．９付近で最大値になる傾向があることがわかる。よって、位相差０．８から１．０の範囲で最大値を持つ凸形状の関数で近似することが可能である。この例では、例えば位相差０．９で最大値を持ち位相差０．７と１．０５で０となる２つの一次関数として近似する。位相差０．９の時の振動加速度Ｇmaxは以下の数２の式で表され、位相差と振動加速度との関係を推定演算することができる。

図５は、回転速度８１５０min^−１における振動加速度の値（○マーク）から推定した位相差と加速度の関係を実線で表しており、実測値のプロットとよく合っていることがわかる。
一方、数１の式を変形すると、回転速度は以下の数３の式のようになり、回転速度を位相差の関数として表すことができる。

前述の位相差と振動加速度の関係と合わせることで、位相差を介して１回のびびり周波数と振動加速度との結果から、回転速度と振動加速度との関係を推定演算できる。図６は、回転速度８１５０min^−１の値（○マーク）から推定した回転速度と振動加速度との値をｋ及びｋ±１について実線で表しており、プロットされた実測値をよく推定できていることがわかる。

次に、このようにして求めた推定演算結果を、Ｓ５においてメモリ装置８に保存した後、Ｓ６で、振動加速度の小さい回転速度、すなわちびびり振動が発生しないと推定される回転速度を選択する（回転速度選択ステップ）。例えば図６の例では、回転速度７６５０min^−１から７７５０min^−１は振動加速度が０でびびり振動が発生しない回転速度と推定されるため、この間から回転速度を選択する。
続いて、Ｓ７で、数値制御装置５により主軸２の回転速度を選択した値に変更し（回転速度制御ステップ）、変更した回転速度で加工を行い、びびり振動を測定する（Ｓ８）。ここでの判別で、びびり振動が予め設定した閾値以下になった場合には、演算を終了し、閾値以上の場合には、Ｓ２に戻り、２回目の演算を行うことになる。

この２回目以降の演算でも、上記と同様の手順を実行して振動抑制を図っても良いが、回転速度選択ステップでは、メモリ装置に保存したそれ以前の回転速度と振動加速度との関係と、今回の回転速度と振動加速度との推定演算結果とに基づいて、振動加速度が最小或いは０となる回転速度を選択するのが望ましい。以下その詳細について説明する。

びびり振動は機械構造の固有振動数付近の周波数で発生する。この機械構造体の伝達関数である動コンプライアンスのピークが１つである場合には、びびり振動は１つの周波数でしか発生しないが、ピークが複数ある場合には、回転速度によってびびり周波数が異なるという現象が起こる。図７は、ピークが複数ある場合の回転速度に対するびびり周波数と振動加速度との実測値で、回転速度により４９００Ｈｚと５３００Ｈｚのびびり周波数でびびり振動が発生していることがわかる。このような場合、フローチャートのＳ１からＳ８までの方法で振動加速度が小さいと推測される回転速度を選択しても、再びびびり振動が発生するため、再びＳ２に戻り演算を継続することになる。

図８は、実測した回転速度と加速度の関係をプロットで示している。ここでは１回目に７０５０min^−１において４９００Ｈｚでびびり振動が発生しており、この時の値から推定した回転速度と振動加速度との関係を実線で示している。
この推定結果から、振動加速度が小さい回転速度として６６００min^−１を選択して加工を行うと、今度は５３００Ｈｚでびびり振動が発生する。この時の値から推定した結果を破線で示している。この実線と破線は実測値のプロットとよく合っているといえ、推定は相当であると言える。
こうして以前の推定結果に今回の推定結果を加えた結果から、４９００Ｈｚと５３００Ｈｚのピークから生じるびびり振動を避けた回転速度が６４００min^−１にあることがわかる。

よって、２回目以降のＳ６では、その直前のＳ４で推定演算された回転速度とびびり振動の加速度との関係と、過去のＳ４で推定演算されＳ５で記憶された回転速度とびびり振動の加速度との関係とに基づいて、びびり振動の加速度が最小或いは０となる回転速度を選択すればよい。

このように、上記形態の工作機械のびびり振動抑制方法及び装置によれば、加工時に発生するびびり振動から、回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算するため、動コンプライアンスのピークが複数ある場合であっても、安定な回転速度を選択でき、びびり振動を抑制できる。また、加工中のびびり振動の値から推定演算するため、試験加工を必要とせず、効率的にびびり振動を抑制できる。
特に、２回目以降に行うＳ６では、その直前のＳ４で推定演算された回転速度とびびり振動の加速度との関係と、過去のＳ４で推定演算されＳ５で記憶された回転速度とびびり振動の加速度との関係とに基づいて、びびり振動の加速度が最小となる回転速度を選択するようにしているので、安定加工ができる最適な回転速度が選択でき、びびり振動を効果的に抑制可能となる。

なお、びびり振動を計測するセンサとして加速度センサを用いているが、これは速度センサや、変位センサ、または音響センサなど、びびり振動の周波数と大きさが測定できるものであれば置き換え可能である。また、センサの取り付け位置を主軸頭にしているが、被加工物など、振動を検知できる位置であればこの限りでないし、一つのセンサに限らず、複数個のセンサを用いてもよい。
さらに、上記形態では、びびり振動は機械構造の固有振動数付近で発生するとしたが、被加工物の固有振動数付近で発生する場合もあり、その場合においても本方法が有効である。

工作機械の構成図である。びびり振動抑制方法を説明するフローチャートである。回転速度に対するびびり周波数と振動加速度の関係を示す実測値の図である。びびり振動の位相差と振動加速度との関係を示す実測値の図である。位相差と振動加速度の関係を近似した図である。回転速度と振動加速度との関係を示す図である。動コンプライアンスのピークが複数ある場合の回転速度に対するびびり周波数と振動加速度の関係を示す実測値の図である。動コンプライアンスのピークが複数ある場合の回転速度と振動加速度との関係を示す図である。

符号の説明

１・・・主軸頭、２・・・主軸、３・・・工具、４・・・被加工物、５・・・数値制御装置、６・・・演算装置、７・・・加速度センサ、８・・・メモリ装置、９・・・外部入力装置。

Claims

主軸に装着した工具を回転させて加工を行う工作機械において、加工時に発生したびびり振動を抑制する方法であって、
前記びびり振動の周波数及び加速度を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得された前記びびり振動の周波数及び加速度と、前記工具の刃数と、前記主軸の回転速度とから、前記回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算する推定演算ステップと、
前記推定演算ステップで推定演算された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係に基づいて、前記びびり振動の加速度が最小或いは０となる前記回転速度を選択する回転速度選択ステップと、
前記回転速度選択ステップで選択された前記回転速度に基づいて前記主軸の回転速度を変更する回転速度制御ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械のびびり振動抑制方法。
主軸に装着した工具を回転させて加工を行う工作機械において、加工時に発生したびびり振動を抑制する方法であって、
請求項１に記載の振動抑制方法を繰り返して実行すると共に、推定演算ステップで推定演算された回転速度とびびり振動の加速度との関係を記憶し、
２回目以降に行う回転速度選択ステップでは、その直前の推定演算ステップで推定演算された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係と、過去の推定演算ステップで推定演算され記憶された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係とに基づいて、前記びびり振動の加速度が最小或いは０となる前記回転速度を選択する
ことを特徴とする工作機械のびびり振動抑制方法。
前記推定演算ステップでは、前記びびり振動の周波数を下記の式（１）により位相差ε／（２π）に換算し、その位相差と前記びびり振動の加速度との関係を、所定の位相差の値で最大値を持つ凸形状の関数で近似することで、前記びびり振動の加速度を位相差の関数として表し、さらに式（１）を変形した下記の式（２）により前記主軸の回転速度を前記位相差の関数として表すことにより、前記位相差を介して前記回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械のびびり振動抑制方法。
ε／（２π）＝６０ｆｃ／（ＺＳ）−ｋ・・・（１）
Ｓ＝６０ｆｃ／［Ｚ｛ε／（２π）＋ｋ｝］・・・（２）
（ｆｃ：びびり振動の周波数、Ｚ：工具の刃数、Ｓ：主軸の１分あたりの回転速度、ｋ：６０ｆｃ／（ＺＳ）の整数部分）
主軸に装着した工具を回転させて加工を行う工作機械において、加工時に発生したびびり振動を抑制する装置であって、
前記びびり振動の周波数及び加速度を取得する取得手段と、
前記取得手段で取得された前記びびり振動の周波数及び加速度と、前記工具の刃数と、前記主軸の回転速度とから、前記回転速度とびびり振動の加速度との関係を推定演算する推定演算手段と、
前記推定演算手段で演算された前記回転速度とびびり振動の加速度との関係から、前記びびり振動の加速度が最小或いは０となる前記回転速度を選択する回転速度選択手段と、
前記回転速度選択手段で選択された前記回転速度に基づいて前記主軸の回転速度を変更する回転速度制御手段と
を備えることを特徴とする工作機械のびびり振動抑制装置。