JP5539794B2

JP5539794B2 - 振動抑制装置

Info

Publication number: JP5539794B2
Application number: JP2010141841A
Authority: JP
Inventors: 知治安藤
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: JP2012006094A

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、加工中に発生するびびり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。

以前、たとえば回転軸に工具を支持させ、工具及び／又はワークを送りながら両者を相対移動させてワークを加工する際に発生するびびり振動を抑制するための振動抑制装置として、本件出願人は特許文献１に記載のものを考案した。これは、回転軸の近傍に振動センサを設置し、振動センサを用いて回転軸の周波数と、該周波数における回転軸の周波数領域の振動加速度とを求めるものである。そして、その周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合には、びびり振動が発生しているとして、回転軸の回転速度を所定の演算式により算出した最適回転速度へと変更するようになっている。

一般的に、回転軸の回転速度が高速になればなるほど、回転系の共振周波数の影響や、工具等のアンバランスに起因する振動（びびり振動ではない）が増大し、回転軸の周波数領域の振動加速度が上記所定の閾値を超えることがある。しかしながら、上記特許文献１に記載の振動抑制装置としては、当該状況であってもびびり振動が発生していると誤認してしまうことがある。そこで、本件出願人は、実加工前に回転軸を定常状態となるまで回転させ、その際に周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合には、その値を新たな閾値として設定するという特許文献２に記載の振動抑制装置を考案した。

特開２００８−２９０１８８号公報特開２０１０−８９２２７号公報

しかしながら、特許文献２に記載の振動抑制装置では、閾値の変更設定等を作業者に知らせたりしない。したがって、閾値がより高い値へと変更されたことにより、びびり振動の発生を検出できなかったような場合に、作業者はその原因を特定できないという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、現在の閾値がどのような値として設定されているかを作業者が容易に把握することができる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、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、前記回転軸の回転に伴う時間領域の振動を検出する検出手段と、前記時間領域の振動にもとづき、前記回転軸の周波数と、その周波数における周波数領域の振動加速度とを演算する第１演算手段と、前記周波数領域の振動加速度と所定の閾値とを比較し、前記周波数領域の振動加速度が前記所定の閾値を超えると、前記周波数を用いて最適回転速度を算出する第２演算手段とを備えており、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振動抑制装置であって、前記第１演算手段の演算結果と前記閾値とを関連づけた状態で表示する表示手段を設ける一方、実加工前に前記回転軸を定常状態となるまで回転させた際に、周波数領域の振動加速度と前記所定の閾値とを比較し、前記周波数領域の振動加速度が前記所定の閾値を超えると、当該周波数領域の振動加速度を新たな閾値として変更設定する閾値変更手段を設け、前記第２演算手段が、実加工中において、変更設定された前記新たな閾値と周波数領域の振動加速度とを比較し、前記表示手段が、実加工中における前記第１演算手段の演算結果と前記新たな閾値とを関連づけた状態で表示するとともに、変更前の前記閾値についても、実加工中における前記第１演算手段の演算結果に関連づけた状態で前記新たな閾値と共に表示することを特徴とする。
なお、本発明でいう「実加工」とは、工具が実際にワークに接触して切削等を行う状態を示す。

本発明によれば、表示手段に、第１演算手段の演算結果と閾値とが関連づけられた状態で表示されるため、作業者は閾値がどのような値に設定されているかを容易に把握することができる。したがって、従来よりも使い勝手の向上を図ることができる。
また、実加工前において閾値変更手段により閾値が新たに変更設定されたとしても、表示手段に、当該変更された新たな閾値が第１演算手段の演算結果と関連づけられた状態で表示されるため、作業者は実加工時に閾値がどのように設定されているかを容易に把握することができる。また、「びびり振動」の発生を示す最大加速度が検出されたにも拘わらず、閾値が高く変更設定されすぎて検出できないような事態を容易に見つけ出すことができる。したがって、使い勝手の一層の向上を図ることができ、ひいては「びびり振動」を効果的に抑制することができる。
さらに、表示手段に、変更前の元の閾値についても表示するため、作業者が閾値の状況をより詳しく把握することができる。

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方から示した説明図であ回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。振動抑制の制御に係るフローチャート図である。振動抑制の制御に係るフローチャート図である。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。周波数領域の振動加速度と閾値とを関連づけて表示したものを示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる振動抑制装置について、図面にもとづき詳細に説明する。

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に生じる振動に伴う特性値であ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２ａ〜２ｃと、該振動センサ２ａ〜２ｃによる検出値を解析して「びびり振動」の発生の有無を判断し、その判断結果に基づいて回転軸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及び図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取り付ける）。

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行うＦＦＴ演算装置１１と、びびり振動の発生の検出に係る閾値等を作業者が入力するための入力装置１２、ＦＦＴ演算装置１１にて解析された値や入力装置１２を介して作業者により入力されるデータ等を記憶する記憶装置１３と、ＦＦＴ演算装置１１にて解析された値と記憶装置１３に記憶されている各種の値とから最適回転速度の算出等を行う演算装置１４と、ＦＦＴ演算装置１１にて解析された解析結果や記憶装置１２に記憶されている値等を表示する表示装置１５と、回転軸ハウジング１における加工を制御するＮＣ装置１６とを備えている。

ここで、振動抑制装置１０による「びびり振動」の振動抑制制御について、図４及び図５のフローチャートにしたがって説明する。
まず、入力装置１２を介して、びびり振動の発生の検出に係る閾値や工具刃数等といった工具情報、加工条件等といった加工情報を入力し、記憶装置１３に記憶させる（Ｓ１）。その後、プログラム指令等により回転軸３への回転指令がなされて回転が開始されるとともに（Ｓ２）、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フーリエ解析を行い（Ｓ３）、図６に示すような、回転軸３の周波数と、その周波数における回転軸３の周波数領域の振動加速度（周波数軸上の振動加速度）との関係を解析する。また、その解析結果と記憶装置１３に記憶されている閾値とを関連付けて表示装置１５に表示する。その後、回転軸３の回転が実加工の開始前において定常状態になると（Ｓ４でＹＥＳ）、図６に示す関係のうち、周波数領域の振動加速度の最大値（最大加速度）とその周波数（同図の振動６）を取得する（Ｓ５）。この実加工前に取得される最大加速度は、びびり振動ではなく回転系の共振周波数の影響等に起因する振動である。

次に、演算装置１４において、Ｓ５で取得した最大加速度（実加工前の最大特性値）が、記憶装置１３に入力された閾値（上記びびり振動の発生の検出に係る閾値）を超えるか否かを判断する（Ｓ６）。ここで、最大加速度が閾値を超えている場合には、当該最大加速度の値を新たな閾値として記憶装置１３に記憶させる（Ｓ７）。例えば入力された閾値が０．１５であった場合、図６に示す振動６での最大加速度０．２が閾値０．１５を上回っているため、この０．２を新たな閾値として変更設定する。また、変更後は図７に示すように、表示装置１５において、元の閾値に加えて演算装置１４が変更した新たな閾値も解析結果に関連づけて表示する。

次に、以上のような状態から実加工を開始すると（Ｓ１１）、Ｓ３同様に、ＦＦＴ演算装置１１にて振動センサ２ａ〜２ｃにより検出される時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行い、周波数領域の振動加速度の最大値（最大加速度）とその周波数（びびり周波数）とを取得すると共に、演算装置１４では、図７に示すような解析結果と閾値とを関連づけた表示を表示装置１５に表示する（Ｓ１２）。また、演算装置１４では、取得した最大加速度と記憶装置１３に記憶されている閾値（Ｓ７で変更した場合には変更後の閾値）とを比較し（Ｓ１３）、最大加速度が閾値を超えていると、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、以下の演算式（１）〜（３）により最適回転速度を演算する（Ｓ１４）。さらに、算出した最適回転速度をＮＣ装置１６へ出力し、回転軸３の回転速度を最適回転速度へと変更する（Ｓ１５）。
そして、以上のような「びびり振動」の検出、及び回転軸３の回転速度の制御を加工が終了する（Ｓ１６でＹＥＳ）まで継続する。尚、振動抑制装置１０は「びびり振動」発生なしと判断しているものの、作業者によって「びびり振動」の発生が確認される場合も考えられる。この場合、作業者はＳ１２で表示装置１５に表示されている解析結果や閾値を確認するとともに、Ｓ７で閾値が変更されているような場合には再び閾値を下げる等、閾値を入力装置１２により変更して対応することができる。

ｋ’値＝６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度）・・・（１）
ｋ値＝ｋ’値の整数部・・・（２）
最適回転速度＝６０×びびり周波数／（工具刃数×ｋ値）・・（３）
ここで、演算式（１）、（３）における「工具刃数」は、Ｓ１で作業者により入力される。また、演算式（１）における「回転速度」とは、「びびり振動」が発生している状態での回転速度（変更前の回転速度）のことである。さらに、演算式（１）、（３）における「びびり周波数」とは、Ｓ１２で取得される周波数である。

以上のような振動抑制制御を実行する振動抑制装置１０によれば、実加工前の最大加速度に基づいて閾値を新たに変更設定するとともに、元の閾値や変更後の閾値をフーリエ解析の解析結果に関連づけて表示装置１５に表示するため、作業者は実加工時に閾値がどのように設定されているかを容易に把握することができる。また、「びびり振動」の発生を示す最大加速度が検出されたにも拘わらず、閾値が高く変更設定されすぎて検出できないような事態を容易に見つけ出すことができる。したがって、従来よりも使い勝手の向上を図ることができ、ひいては「びびり振動」を効果的に抑制することができる。

なお、本発明に係る振動抑制装置は、上記実施形態の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、回転速度の変更については作業者が行うようにしてもよいし、「びびり振動」の検出や最適回転速度の演算にあたって、周波数領域の振動加速度が最大値を示す波形のみではなく、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）の波形を用いるようにし、「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、振動センサにより回転軸の振動加速度を検出するよう構成しているが、振動による回転軸の変位や音圧を検出し、当該変位や音圧にもとづいて最適回転速度を算出するように構成することも可能である。
加えて、上記実施形態では、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）の振動を検出し、最適回転速度を算出するように構成してもよいし、工具を回転させ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といった工作機械にも適用可能である。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。

１・・回転軸ハウジング、２ａ、２ｂ、２ｃ・・振動センサ（検出手段）、３・・回転軸、５・・制御装置、６・・周波数、１０・・振動抑制装置、１１・・ＦＦＴ演算装置（第１演算手段）、１２・・入力装置、１３・・記憶装置、１４・・演算装置（第２演算手段）、１５・・表示装置（表示手段）、１６・・ＮＣ装置。

Claims

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、前記回転軸の回転に伴う時間領域の振動を検出する検出手段と、前記時間領域の振動にもとづき、前記回転軸の周波数と、その周波数における周波数領域の振動加速度とを演算する第１演算手段と、前記周波数領域の振動加速度と所定の閾値とを比較し、前記周波数領域の振動加速度が前記所定の閾値を超えると、前記周波数を用いて最適回転速度を算出する第２演算手段とを備えており、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振動抑制装置であって、
前記第１演算手段の演算結果と前記閾値とを関連づけた状態で表示する表示手段を設ける一方、
実加工前に前記回転軸を定常状態となるまで回転させた際に、周波数領域の振動加速度と前記所定の閾値とを比較し、前記周波数領域の振動加速度が前記所定の閾値を超えると、当該周波数領域の振動加速度を新たな閾値として変更設定する閾値変更手段を設け、
前記第２演算手段が、実加工中において、変更設定された前記新たな閾値と周波数領域の振動加速度とを比較し、
前記表示手段が、実加工中における前記第１演算手段の演算結果と前記新たな閾値とを関連づけた状態で表示するとともに、変更前の前記閾値についても、実加工中における前記第１演算手段の演算結果に関連づけた状態で前記新たな閾値と共に表示することを特徴とする振動抑制装置。