JP5234772B2 - 工作機械の振動抑制方法及び装置 - Google Patents
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Description
このびびり振動を抑制するための技術として非特許文献1が知られており、この技術を利用した振動抑制方法として特許文献1が知られている。この振動抑制方法では、加工面の仕上げ精度悪化の原因となる自励振動としての再生型びびり振動を抑制するため、工具やワーク等のびびり振動の発生系の固有振動数を、工具やワークをインパルス加振することにより求め、これを60倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除して得た値を最適回転速度とし、当該最適回転速度で加工を行うようにしている。
また、びびり周波数は回転速度によって変化するため、正確に最適回転速度を求めるためには最適回転速度に対応するびびり周波数を得る必要がある。このため、測定されたびびり周波数をそのまま用いる特許文献2に記載の振動抑制方法では、正確な最適回転速度を求めることが困難である。
一方で、前述したように安定となる位相情報に対応する回転速度を求めることでびびり振動を抑制することが可能であるが、このためには目的の位相情報に対応するびびり周波数を得る必要がある。あるびびり周波数に対する位相情報及び回転速度は非特許文献2に記載の方法で計算が可能であるが、この計算式は逆変換が非常に困難であるため、目的の位相情報に対応するびびり周波数を解析的に求めることは現実的には難しい。よって、びびり周波数を一定範囲でスイープさせて計算を繰り返し、得られる位相情報が目的の位相情報に十分近くなるびびり周波数を採用する、という手法を採らざるを得ない。
式(1):60×びびり周波数/(工具刃数×回転軸回転速度)
の小数部分を位相情報としたとき、前記回転軸に前記工具を装着し、前記工具又はワークのモーダルパラメータを求める第1ステップと、前記モーダルパラメータ及び加工条件に基づいて、びびり周波数と前記位相情報との関係を、ベジェ曲線あるいはB−スプライン曲線の形で表す近似式として演算する第2ステップと、前記びびり振動による時間領域の振動を検出する第3ステップと、検出した前記振動に基づいて、びびり周波数及び当該びびり周波数における周波数領域の特性値を算出する第4ステップと、算出した前記特性値が所定の閾値を超えた場合に、前記近似式を用いて、目標として選択した前記位相情報に対応するびびり周波数を求め、当該びびり周波数及び工具刃数を用いて最適回転速度を演算する第5ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1の構成において、前記第4ステップにおいて測定されたびびり周波数、及びその際の前記回転軸の回転速度を用いて前記式(1)により位相情報を算出し、得られたびびり周波数及び位相情報を用いて前記モーダルパラメータ又は前記近似式を修正することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項3に記載の発明は、工具又はワークを回転させる回転軸を備えた工作機械において、前記ワークを加工する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、
式(1):60×びびり周波数/(工具刃数×回転軸回転速度)
の小数部分を位相情報としたとき、前記回転軸に前記工具を装着した状態で前記工具又はワークのモーダルパラメータを求める測定手段と、前記モーダルパラメータ及び加工条件に基づいて、びびり周波数と工具の刃の位相情報との関係を、ベジェ曲線あるいはB−スプライン曲線の形で表す近似式として演算する第1演算手段と、前記びびり振動による時間領域の振動を検出する振動検出手段と、検出した前記振動に基づいて、びびり周波数及び当該びびり周波数における周波数領域の特性値を算出する第2演算手段と、算出した前記特性値が所定の閾値を超えた場合に、前記近似式を用いて、目標として選択した前記位相情報に対応するびびり周波数を求め、当該びびり周波数及び工具刃数を用いて最適回転速度を演算する第3演算手段と、を備えることを特徴とする。
また、びびり周波数と位相情報との関係を表す近似式としてベジェ曲線或いはB−スプライン曲線を用いることで、容易に近似式を作成することができる。
請求項2に記載の発明によれば、上記効果に加えて、実際の加工データを基に近似式或いはモーダルパラメータそのものを適時修正することで、加工状態の変化に応じて適切な最適回転速度を求めることができる。
図1は、振動抑制装置の一例を示すブロック構成図、図2は、工作機械の主軸ハウジングの側面図、図3は、主軸ハウジングの正面図(軸方向から示した図)である。
振動抑制装置10は、主軸ハウジング1にC軸回りで回転可能に備えられた回転軸としての主軸3に発生するびびり振動を抑制するためのもので、回転中の主軸3に生じる時間領域の振動加速度(時間軸上の振動加速度)を検出する振動検出手段としての振動センサ2a〜2cと、振動センサ2a〜2cによる検出値を基にして主軸3の回転速度を制御する制御装置11とを備えている。振動センサ2a〜2cは、互いに直角となる方向における振動加速度と回転速度とを検出すべく、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸方向での時間領域の振動加速度を検出可能な状態で、主軸ハウジング1に取り付けられている。
この制御装置11が、主軸3の振動振幅のフーリエ解析を行い、最大加速度とその周波数(びびり周波数)を常時計算し、最大加速度が予め設定した閾値を超えた場合、これも予め設定した工具刃数と合わせて、最適回転速度を計算して工作機械へ指令する振動抑制方法に係る制御を実施することになる。以下当該制御の詳細を図4のフローチャートに基づいて説明する。
そして、S4で加工を開始した後、S5で、振動センサ2a〜2cにより振動加速度を検出し(本発明の第3ステップ)、S6では、FFT演算装置12が、検出された振動加速度についてフーリエ解析を行い、特性値となる最大加速度及びそのびびり周波数を演算する(本発明の第4ステップ)。
そしてS9では、S8での計算結果に基づいてNC装置15が主軸3の回転速度を変更し、びびり振動の抑制を図ることになる。S10の判別で加工が終了すれば振動抑制も終了するが、加工終了でなければS5へ戻る。
先に提示した非特許文献2によると、びびり周波数fcにおいてびびりが生じる限界条件は次式(1)で表される。
ここで、行列[Ao][G(ifc)]の固有値をλとすると、下記の式(2)の関係が得られる。
3次−ベジェ曲線は、図6のように4点の制御点(P1〜P4)で曲線形が決定される。びびり周波数−位相差の関係において、端点P1及びP4、端点における傾きdP1及びdP4が計算結果から決定できるため、残る2つの制御点は、下記の式(8)で定義でき、係数A〜Dは、下記の式(9)〜(12)で表される。
びびり周波数と位相差の関係はk値に依らないため、系のモーダルパラメータに対して式(7)を一度フィッティングしておけば、主軸回転速度に依らず一本の近似式を保持しておくだけで良い。もちろん、各k値に対する主軸回転速度とびびり周波数、位相差の関係をそれぞれ近似式として持っておいても良い。
図7、図8の近似式により位相差とびびり周波数との関係が表せるので、この関係を用いて式(6)により主軸回転速度とびびり周波数、及び位相差の関係をプロットしたものを図9、図10に示す。図7、図8と同様に、びびり周波数を任意に設定して式(5)及び(6)から計算した結果と比較している。図7〜図10より、本発明の方法による近似式が式(5)及び(6)の計算結果と良く一致していることがわかる。
一方本発明の手法を用いると、式(13)においてεに関する3次方程式を解くことで、位相差が0.9となるtは約0.02と求められ、対応するびびり周波数は5,010Hzとなる。この結果を用いて式(6)から最適回転速度を求めると7,261rpmという結果が得られ、正確に最適回転速度を求めることができる。
例えば振動抑制制御では、図12に示すように、S16で振動加速度をフーリエ解析した後、S17で、びびり周波数及びその際の主軸回転速度から位相情報を算出し、S18では、得られたびびり周波数及び位相情報が近似式と一致するか否かを判別して、近似式が一致しない場合はS19で近似式或いはモーダルパラメータを適時修正する変更が考えられる。その他の処理は図4と同じである。
このように、実際の加工データを基に近似式或いはモーダルパラメータそのものを適時修正することで、加工状態の変化に応じて適切な最適回転速度を求めることができる。
また、記憶装置を制御装置内でなく、制御装置の外部に設けたり、検出手段を振動センサに代えて、振動による回転軸の変位や音圧を検出するものとしたりしても差し支えない。
さらに、本形態ではびびり周波数と位相情報との相関関係を求めるのに非特許文献2に記載の方法を用いたが、その他の計算手法により求めた関係についても同様に本発明は適用可能である。
その他、マシニングセンタやNC旋盤等の各種の工作機械において本発明は採用可能で、検出手段の設置位置や個数は、工作機械の種類等に応じて適宜変更すればよい。
Claims (3)
- 工具又はワークを回転させる回転軸を備えた工作機械において、前記ワークを加工する際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制方法であって、
下記の式(1)の小数部分を位相情報としたとき、
前記回転軸に前記工具を装着し、前記工具又はワークのモーダルパラメータを求める第1ステップと、
前記モーダルパラメータ及び加工条件に基づいて、びびり周波数と前記位相情報との関係を、ベジェ曲線あるいはB−スプライン曲線の形で表す近似式として演算する第2ステップと、
前記びびり振動による時間領域の振動を検出する第3ステップと、
検出した前記振動に基づいて、びびり周波数及び当該びびり周波数における周波数領域の特性値を算出する第4ステップと、
算出した前記特性値が所定の閾値を超えた場合に、前記近似式を用いて、目標として選択した前記位相情報に対応するびびり周波数を求め、当該びびり周波数及び工具刃数を用いて最適回転速度を演算する第5ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械の振動抑制方法。
式(1):60×びびり周波数/(工具刃数×回転軸回転速度) - 前記第4ステップにおいて測定されたびびり周波数、及びその際の前記回転軸の回転速度を用いて前記式(1)により位相情報を算出し、得られたびびり周波数及び位相情報を用いて前記モーダルパラメータ又は前記近似式を修正することを特徴とする請求項1に記載の工作機械の振動抑制方法。
- 工具又はワークを回転させる回転軸を備えた工作機械において、前記ワークを加工する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、
下記の式(1)の小数部分を位相情報としたとき、
前記回転軸に前記工具を装着した状態で前記工具又はワークのモーダルパラメータを求める測定手段と、
前記モーダルパラメータ及び加工条件に基づいて、びびり周波数と工具の刃の位相情報との関係を、ベジェ曲線あるいはB−スプライン曲線の形で表す近似式として演算する第1演算手段と、
前記びびり振動による時間領域の振動を検出する振動検出手段と、
検出した前記振動に基づいて、びびり周波数及び当該びびり周波数における周波数領域の特性値を算出する第2演算手段と、
算出した前記特性値が所定の閾値を超えた場合に、前記近似式を用いて、目標として選択した前記位相情報に対応するびびり周波数を求め、当該びびり周波数及び工具刃数を用いて最適回転速度を演算する第3演算手段と、
を備えることを特徴とする工作機械の振動抑制装置。
式(1):60×びびり周波数/(工具刃数×回転軸回転速度)
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