JP5301946B2 - 振動抑制方法及び装置 - 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方法、及び当該方法を実行可能な振動抑制装置に関するものである。

従来、工作機械の振動抑制方法としては、たとえば特許文献１に記載の方法が知られている。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、工具やワーク等といったびびり振動が生じる系の固有振動数を求め、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安定回転速度とする。そして、当該安定回転速度にて加工を行うことにより、加工中に発生するびびり振動を抑制しようとしている。なお、固有振動数は、工具やワークをインパルス加振することにより得ている。

また、特許文献２に記載の振動抑制方法も知られている。この振動抑制方法は、びびり振動が生じる系の加工中のびびり周波数を求め、これを６０倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除した値を安定回転速度として加工を行うことにより、びびり振動を抑制しようとするものである。なお、加工中のびびり周波数は、工具やワークの近傍に音センサを配置し、回転中に音センサで検出された振動周波数に基づいて得ている。

特開２００３−３４０６２７号公報 特表２００１−５１７５５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の振動抑制方法では、高価なインパルス装置が必要となる上、この装置を用いた加振には高度な技術を要し、手間がかかる。しかも、加工前に得た固有振動数と加工中に発生するびびり振動数とは必ずしも一致しないため、正確な安定回転速度を得にくいという問題もある。
一方、特許文献２に記載の振動抑制方法では、回転音等の分析により得られたびびり周波数と実際に発生しているびびり振動数（固有振動数）とが互いにやや異なった値となるため、やはり正確な安定回転速度を得にくい。このため、本件出願人は、回転中の回転軸の時間領域の振動を検出する検出手段と、その時間領域の振動に基づいてびびり振動数等を算出する演算手段とを設置して、より正確なびびり振動数を求め、更に最適な安定回転速度を得ようとした振動抑制装置（たとえば、特願２００７−１３８１６６）を考案した。しかしながら、当該振動抑制装置では、検出手段の検出誤差に起因して、演算手段が算出したびびり振動数と実際に発生しているびびり振動数との間に計算誤差が生じ、回転軸を安定回転速度としたにも拘わらず、びびり振動が継続してしまう事態が考えられる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、びびり振動が継続するような場合に、より正確な安定回転速度を得ることができ、びびり振動を確実に抑制することができる振動抑制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、本発明のうち請求項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、回転中の前記回転軸にびびり振動が生じると、前記回転軸の回転速度を変更し、前記びびり振動を抑制する振動抑制方法であって、回転中の前記回転軸による時間領域の振動を検出する第１ステップと、検出した時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出する第２ステップと、算出した周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、下記の演算式（１）により位相ε１を算出する第３ステップと、算出した位相ε１と、前回振動加速度が所定の閾値を超えた際に、位相ε１と同様の演算式（１）にて算出し記憶している位相ε０とを比較する第４ステップと、第４ステップにおける比較の結果、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０よりも小さい場合には、今回算出した位相ε１を位相ε０として更新記憶するとともに、前記回転軸の回転速度を所定の変更量だけ変更する一方、第４ステップにおける比較の結果、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０以上である場合には、前記回転軸の回転速度を、位相ε０算出時の回転速度へ変更する第５ステップとを実行することを特徴とするものである。
演算式（１）：位相ε１＝｛６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度）｝の小数部
尚、請求項１に記載の第１ステップにより検出される「振動」とは、振動加速度、振動による変位、及び振動による音圧等、振動自体は勿論、振動に起因して回転軸に発生し、間接的に振動を検出することができる物理的変化を含むものである。

一方、請求項２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、回転中の前記回転軸にびびり振動が生じると、前記回転軸の回転速度を変更し、前記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の振動を検出する検出手段と、検出した時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出する第１演算手段と、算出した周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、下記の演算式（１）により位相ε１を算出する第２演算手段と、前回振動加速度が所定の閾値を超えた際に、前記第２演算手段が位相ε１と同様の演算式（１）にて算出した位相ε０を記憶する記憶手段と、前記第２演算手段が位相ε１を算出すると、算出した位相ε１と前記記憶手段に記憶されている位相ε０とを比較し、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０よりも小さい場合には、今回算出した位相ε１を位相ε０として更新記憶するとともに、前記回転軸の回転速度を所定の変更量だけ変更する一方、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０以上である場合には、前記回転軸の回転速度を、位相ε０算出時の回転速度へ変更するように指令する制御手段と、前記回転軸の回転速度を制御する回転速度制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
演算式（１）：位相ε１＝｛６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度）｝の小数部
尚、請求項２において検出手段が検出する「振動」も、請求項１に記載の「振動」と同様のものである。

本発明によれば、「びびり振動」が生じた際、当該回転速度における位相ε１を算出し、その位相ε１と前回振動加速度が所定の閾値を超えた際の回転速度における位相ε０とを比較し、その結果に応じて回転軸の回転速度を変更し対応するため、状況に応じた対応が可能となり、「再生型びびり振動」の影響を従来以上に抑制することができる。
特に、現在の回転速度における位相ε１と前回の回転速度における位相ε０とを比較し、位相ε１が位相ε０以上になると、回転速度を前回の回転速度（すなわち、位相ε０が算出された際の回転速度）に変更することにより、位相値が最小となる回転速度にて加工することが可能となる。したがって、「再生型びびり振動」の発生をより効果的に抑制することができ、ひいては加工面の品位の向上、工具摩耗の抑制等を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態となる振動抑制方法及び装置について、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を側方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に発生する「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（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出するための振動センサ（検出手段）２ａ〜２ｃと、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とからなる。

振動センサ２ａ〜２ｃは、図２や図３に示すように、互いに直角となる方向における時間領域の振動加速度を検出すべく、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、回転軸ハウジング１に取り付けられている。

また、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃにより検出された時間領域の振動加速度をもとにフーリエ解析を行うＦＦＴ演算装置１１と、ＦＦＴ演算装置１１で算出された値にもとづいて安定回転速度の算出等を行う演算装置１２と、回転軸ハウジング１での加工を制御するＮＣ装置（回転速度制御手段）１３と、演算装置１２にて算出された各種数値を記憶する記憶装置１４とを備えている。なお、ＮＣ装置１３は、回転軸３の回転速度をモニタリングしている。また、記憶装置１４には、位相ε０の初期値（ε０＝１）が記憶されている。

ここで、上述したような振動抑制装置１０による「びびり振動」の振動抑制方法について、図７のフローチャートをもとに説明する。
加工開始当初、制御装置５は、図７のフローチャートにもとづいて回転軸３の回転動作を制御する。
まず、ＦＦＴ演算装置１１では、振動センサ２ａ〜２ｃによって回転軸３の回転中に常時検出される時間領域の振動加速度についてフーリエ解析を行い（Ｓ１）、図４に示すような最大加速度（周波数領域の振動加速度）及びその周波数４（びびり周波数）を常時計算している（Ｓ２）。なお、時間領域の振動加速度についてフーリエ解析を行うと、周波数と周波数領域の振動加速度との関係を示す図４のような波形が複数パターン取得されるが、ここでは周波数領域の振動加速度が最大となる波形を用いる。

次に、演算装置１２では、ＦＦＴ演算装置１１において算出された周波数領域の振動加速度と予め設定されている所定の閾値とを比較し（Ｓ３）、周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合（例えば、図４における周波数４での周波数領域の振動加速度が検出された場合）には、回転軸３に抑制すべき「びびり振動」が発生しているとして、下記演算式（１）により位相ε１を算出する（Ｓ４）。

ε１＝｛６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度）｝の小数部 ・・・（１）
ここで、演算式（１）における「工具刃数」は、予め演算装置１２に設定されているものとする。また、演算式（１）における「回転速度」とは、現在の回転速度のことである。さらに、びびり周波数とは、「びびり振動」が発生した場合の周波数４のことである。

そして、算出した位相ε１と記憶装置１４に記憶されている位相ε０とを比較する（Ｓ５）。回転軸３の回転開始後、初めて「びびり振動」が検知された場合、位相ε０は初期値である（すなわちε０＝１である）ため、必ずε１＜ε０（Ｓ５における判断がＹＥＳ）となる。このように算出した位相ε１が記憶装置１４に記憶されている位相ε０よりも小さい場合、記憶装置１４では、今回算出した位相ε１の値を位相ε０として更新記憶するとともに、ＮＣ装置１３では、回転速度を所定の変更量だけ増加させる（Ｓ６）。尚、この変更量は予め記憶されており、たとえば、加工開始時に設定する回転速度の数％（たとえば３％）の値とする。

そして、上述したような回転速度の変更後にはＳ１へ戻り、ＦＦＴ演算装置１１では、変更後の回転速度にて回転中の回転軸３において常時検出される時間領域の振動加速度についてのフーリエ解析及び、最大加速度とその周波数４（びびり周波数）との計算を継続するとともに、演算装置１２では、ＦＦＴ演算装置１１において算出された周波数領域の振動加速度と予め設定されている所定の閾値との比較を行う（Ｓ３）。ここで、再び所定の閾値を超える振動加速度を検出する（Ｓ３においてＹＥＳと判断する）と、再度上記演算式（１）により、位相ε１を算出し（Ｓ４）、前回更新された位相ε０と今回算出した位相ε１とを比較する（Ｓ５）とともに、今回算出した位相ε１が前回更新した位相ε０よりも小さい場合には、記憶装置１４における位相ε０の更新（すなわち、今回算出した位相ε１の値への更新）、及びＮＣ装置１３における回転速度の増加制御を行う（Ｓ６）。そして、このＳ１〜Ｓ６までのステップは、Ｓ６における判断がＮＯ、すなわち位相ε１が位相ε０以上となるまで繰り返す。尚、Ｓ６において回転速度を増加させた結果、「びびり振動」が検知されなくなった場合（すなわち、Ｓ３における判断においてＹＥＳとならなくなった場合）、加工終了となるまで、その増加させた回転速度を安定回転速度として維持することになる。

一方、増加させた回転速度において「びびり振動」が発生し、その際に算出した位相ε１が位相ε０以上となった、すなわちＳ６における判断がＮＯとなった場合、ＮＣ装置１３では、回転速度を前回増加させた変更量だけ減少させる（Ｓ７）。つまり、今回算出した位相ε１が記憶装置１４に記憶されている位相ε０（すなわち、前回算出した位相ε１）以上であるということは、位相値としては位相ε０が最も小さいということなので、その位相値が最も小さくなる一段階前の回転速度（直前の回転速度）へと回転軸３の回転速度を復帰させる。そして、その減少させた回転速度を安定回転速度として、加工終了となるまで当該回転速度を維持する（Ｓ８）。

ここで、上述したように回転軸３の回転速度を増減させる場合と、従来のように一度しか回転速度を変更しない場合との「びびり振動」の抑制結果について、図５及び図６をもとに検討する。
従来のように「びびり振動」を検知したことをうけて、その検知結果（若しくは従前の実験結果）にもとづき、回転軸３の回転速度を、理論値としては理想の回転速度に変更したとしても、振動の検出値の誤差、回転速度の制御誤差等に起因して、びびり周波数（周波数４）における振動加速度７は１割程度しか減少しない（図５）。つまり、回転速度の変更後にも「びびり振動」が断続的に発生する事態が起こり得る。
一方、上述したように「びびり振動」の検知をうけるたびに回転速度を変更し、最終的に位相が最小値となる回転速度を安定回転速度として維持するとした制御を実行した場合、図６に示す如く、びびり周波数における振動加速度７を４割程度も減少させることができることになる。尚、図５及び図６において、６は回転速度の変化を、７はびびり周波数における振動加速度の変化を、８は位相の変化を夫々示している。

上述したような振動抑制装置１０及び当該振動抑制装置１０による振動抑制方法によれば、「びびり振動」が生じた際、当該回転速度における位相ε１を算出し、その位相ε１と前回の回転速度における位相ε０とを比較し、その結果に応じて回転軸の回転速度を変更し対応するため、状況に応じた対応が可能となり、「再生型びびり振動」の影響を従来以上に抑制することができる。
特に、現在の回転速度における位相ε１と前回の回転速度における位相ε０とを比較し、位相ε１が位相ε０以上になると、回転速度を前回の回転速度（すなわち、位相ε０が算出された際の回転速度）に変更することにより、位相値が最小となる回転速度にて加工することが可能となる。したがって、「再生型びびり振動」の発生をより効果的に抑制することができ、ひいては加工面の品位の向上、工具摩耗の抑制等を図ることができる。

なお、本発明の振動抑制方法及び装置に係る構成は、上記実施形態に記載の態様に何ら限定されるものではなく、びびり周波数の検出や振動抑制の制御に係る構成を、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、上記実施形態では、算出する位相ε１の値に応じて回転軸３の回転速度を変化させる構成としているが、この際の回転速度の変化率は、予め設定した回転速度の大小や工具刃数、動特性等に応じて変更した方がよい。つまり、回転速度が低速度の場合は、１０ｍｉｎ^−１程度の変化量でも効果がある一方、回転速度が高速になればなるほど、安定／不安定域が広範囲になるため、回転速度の２０〜３０％程度変化させなければ振動抑制効果を十分に得られないこともあるため、上記条件に応じて適宜変更した方がよい。

また、上記実施形態では、算出した位相ε１が位相ε０を超えなかった場合、回転速度を増加させるとしているが、当初設定した回転速度や種々の条件によっては、Ｓ６における判断がＹＥＳであった場合に、回転速度を所定の変更量だけ減少させるようにしてもよい。この制御に際しては、最終的に位相ε１が位相ε０以上になると、回転速度を所定の変更量だけ増加させて、当該回転速度を安定回転速度として維持することになる。

さらに、背景技術の文献等にも記載されているように位相が２πであるところが、「再生型びびり振動」の最も小さくなる回転速度となるものの、理論式を導く過程には計算誤差が含まれてしまうため、位相が２πの回転速度を求めたところで、その値が必ずしも安定回転速度にはならない。したがって、演算式（１）の代わりに下記演算式（２）を用い、位相を補正して計算することで、より最適な安定回転速度を求めることも可能となる。
ε１＝｛６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度）＋Ａ｝の小数部 ・・・（２）
ここで、演算式（２）におけるＡとは所定の定数であって、０に近い値（たとえば、０．１）を用いる。

さらにまた、上記実施形態では、時間領域の振動加速度のフーリエ解析により複数パターン取得される波形のうち周波数領域の振動加速度が最大となる波形を用いて振動抑制の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となる複数（たとえば３つ）の波形を用いて予想安定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。
また、上記実施形態では、検出手段を振動センサとしているが、これに代えて、振動による回転軸の変位や音圧を検出可能な検出手段を採用することも可能である。さらにまた、振動センサを用いる場合であっても、上記実施形態の如く回転する側（すなわち回転軸）の振動を検出するのではなく、回転しない側の振動を検出して、予想安定回転速度を求めるようにしてもよい。
加えて、本発明に係る振動抑制装置は、工具を回転させて加工するマシニングセンタに限らず、ワークを回転させる旋盤等の工作機械の振動を抑制することも可能であるし、検出手段の設置位置や個数等を、工作機械の種類、大きさに応じて適宜変更可能であることは言うまでもない。

振動抑制装置のブロック構成説明図である。 回転軸ハウジングを側方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。 従来の振動抑制制御におけるびびり周波数における振動加速度の変化を示した説明図である。 本実施例の振動抑制制御におけるびびり周波数における振動加速度の変化を示した説明図である。 本実施例の振動抑制制御に係るフローチャート図である。

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、１０・・振動抑制装置、１１・・ＦＦＴ演算装置、１２・・演算装置、１３・・ＮＣ装置、１４・・記憶装置。

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、回転中の前記回転軸にびびり振動が生じると、前記回転軸の回転速度を変更し、前記びびり振動を抑制する振動抑制方法であって、
   回転中の前記回転軸による時間領域の振動を検出する第１ステップと、
   検出した時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出する第２ステップと、
   算出した周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、下記の演算式（１）により位相ε１を算出する第３ステップと、
   算出した位相ε１と、前回振動加速度が所定の閾値を超えた際に、位相ε１と同様の演算式（１）にて算出し記憶している位相ε０とを比較する第４ステップと、
   第４ステップにおける比較の結果、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０よりも小さい場合には、今回算出した位相ε１を位相ε０として更新記憶するとともに、前記回転軸の回転速度を所定の変更量だけ変更する一方、第４ステップにおける比較の結果、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０以上である場合には、前記回転軸の回転速度を、位相ε０算出時の回転速度へ変更する第５ステップと
   を実行することを特徴とする振動抑制方法。
   演算式（１）：位相ε１＝｛６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度）｝の小数部
2. 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、回転中の前記回転軸にびびり振動が生じると、前記回転軸の回転速度を変更し、前記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の振動を検出する検出手段と、
   検出した時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出する第１演算手段と、
   算出した周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、下記の演算式（１）により位相ε１を算出する第２演算手段と、
   前回振動加速度が所定の閾値を超えた際に、前記第２演算手段が位相ε１と同様の演算式（１）にて算出した位相ε０を記憶する記憶手段と、
   前記第２演算手段が位相ε１を算出すると、算出した位相ε１と前記記憶手段に記憶されている位相ε０とを比較し、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０よりも小さい場合には、今回算出した位相ε１を位相ε０として更新記憶するとともに、前記回転軸の回転速度を所定の変更量だけ変更する一方、算出した位相ε１が前回算出した位相ε０以上である場合には、前記回転軸の回転速度を、位相ε０算出時の回転速度へ変更するように指令する制御手段と、
   前記回転軸の回転速度を制御する回転速度制御手段と
   を備えたことを特徴とする振動抑制装置。
   演算式（１）：位相ε１＝｛６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度）｝の小数部

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