JP5615681B2 - 工作機械の振動抑制装置及び方法 - Google Patents
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Description
予め設定される前記工具の限界切削速度及び刃先丸み半径、前記ワークの材種の加工変質層深さに基づいて前記回転速度の上限を設定する上限回転速度設定手段と、前記びびり振動の発生を検出する振動検出手段と、検出された前記びびり振動の種類を判別する振動判別手段と、前記振動検出手段によりびびり振動を検出した場合、そのときの前記回転速度と振動量とを記憶する記憶手段と、前記振動判別手段において判別された前記びびり振動が強制びびり振動であれば、前記回転速度を上昇側へ変更する回転速度変更手段と、前記回転速度を上昇側へ変更しても前記強制びびり振動の振動量が増加した場合、若しくは上昇側へ変更しようとする次の回転速度が、前記上限回転速度設定手段で設定された上限回転速度を超える場合には、前記回転速度を上昇側へ変更することなく、前記記憶手段に記憶された前記回転速度から前記振動量が最小となる前記回転速度を選択する回転速度選択手段とを備えることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、請求項1の構成において、前記回転速度変更手段によって前記回転速度を上昇側へ変更しても前記強制びびり振動が抑制されない場合、前記記憶手段による前記回転速度及び振動量の記憶と回転速度変更手段による前記回転速度の上昇側への変更とを繰り返し、前記回転速度選択手段は、変更前の回転速度での振動量と変更後の回転速度での振動量との差分を算出し、前記差分が一定回数以上連続して正となった場合に、前記振動量が増加したと判断することを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2の構成において、前記上限回転速度設定手段は、予め設定される工具の限界切削速度である回転速度nlim0と、以下の式(1)(2)に基づいて算出した2つの回転速度nlim1、nlim2とのうち、最も小さい回転速度を上限回転速度とすることを特徴とするものである。
nlim1=vf/(N×fZ1) ・・(1)
nlim2=vf/(N×fZ2) ・・(2)
vf:1分間当たりの主軸送り速度、N:工具刃数、fZ1:R×P(R:工具刃先丸み半径、P:調整係数)、fZ2:T×Q(T:ワークの材種の加工変質層深さ、Q:調整係数)
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の何れかの構成において、前記振動判別手段は、k=60fC/n0N(fC:びびり振動周波数、n0:現在回転速度、N:工具刃数)を演算して、kが整数の場合は強制びびり振動、それ以外の場合は再生びびり振動と判別することを特徴とするものである。
予め設定される前記工具の限界切削速度及び刃先丸み半径、前記ワークの材種の加工変質層深さに基づいて前記回転速度の上限を設定する上限回転速度設定ステップと、前記びびり振動の発生を検出する振動検出ステップと、検出された前記びびり振動の種類を判別する振動判別ステップと、前記振動検出ステップによりびびり振動を検出した場合、そのときの前記回転速度と振動量とを記憶する記憶ステップと、前記振動判別ステップにおいて判別された前記びびり振動が強制びびり振動であれば、前記回転速度を上昇側へ変更する回転速度変更ステップと、前記回転速度を上昇側へ変更しても前記強制びびり振動の振動量が増加した場合、若しくは上昇側へ変更しようとする次の回転速度が、前記上限回転速度設定ステップで設定された上限回転速度を超える場合には、前記回転速度を上昇側へ変更することなく、前記記憶ステップで記憶された前記回転速度から前記振動量が最小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を実行することを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明によれば、請求項1の効果に加えて、振動量の増加を適切に判別することができる。
請求項3に記載の発明によれば、請求項1又は2の効果に加えて、最も余裕のある領域で上限回転速度を設定可能となる。
請求項4に記載の発明によれば、請求項1乃至3の何れかの効果に加えて、強制びびり振動と再生びびり振動とを簡単に判別可能となる。
図1は、工作機械の一例である立形マシニングセンタ及び立形マシニングセンタに設けられる振動抑制装置を概略で示した構成図である。
まず、立形マシニングセンタ1は、上方に設けた主軸頭2にC軸回りで回転自在な回転軸としての主軸3を設け、その主軸3に取り付けた工具4によって、下方の加工テーブル5上にセットされたワーク6を加工する周知の構成で、NC装置12が、NCプログラムに従って主軸3の回転を制御すると共に、図示しない自動工具交換装置によって工具4を自動交換可能となっている。
制御装置11は、NC装置12と、振動センサ7から検出される時間領域の振動加速度をもとにしたフーリエ解析を行う演算装置13と、演算装置13で演算された演算値や主軸3の回転速度、びびり振動の最大加速度等を記憶する記憶手段としての記憶装置14と、演算装置13に所定のパラメータを入力する入力装置15とを備えている。このうち演算装置13が、上限回転速度設定手段及び振動判別手段、回転速度選択手段としてそれぞれ機能すると共に、振動センサ7と併せて振動検出手段として、NC装置12と併せて回転速度変更手段としてそれぞれ機能する。
まず、S1で入力装置15により、演算装置13で用いる各パラメータを入力する。このパラメータとして、工具刃先丸み半径Rと、ワークの材種の加工変質深さTと、主軸3の上限回転速度nlim0と、振動量(最大加速度)の閾値と、工具刃数とが設定される。パラメータの入力を受けて演算装置13は、S2において、以下の式(1)に基づいて上限回転速度nlim1を、以下の式(2)に基づいて上限回転速度nlim2をそれぞれ算出し、これら3つの上限回転速度nlim0とnlim1とnlim2とを比較して、最も小さい値を主軸3の上限回転速度nlimとして記憶装置14に設定する(上限回転速度設定ステップ)。
nlim2=vf/(N×fZ2) ・・(2)
vf:1分間当たりの主軸送り速度、N:工具刃数、fZ1:R×P(R:工具刃先丸み半径、P:調整係数(例えば100%から500%の値))、fZ2:T×Q(T:ワークの材種の加工変質層深さ、Q:調整係数(例えば100%から500%の値))
従って、例えば工具の限界切削速度などから設定された上限回転速度nlim0が10,000min−1、比切削抵抗の寸法効果を考慮した上限回転速度nlim1が6,000min−1、加工変質層深さを考慮した上限回転速度nlim2が8,000min−1の場合、選択される上限回転速度nlimは6,000min−1となる。
k=60fC/n0N
(fC:びびり振動周波数、n0:現在回転速度、N:工具刃数)
n=60fC/{(k1+1)N}
(k1:k値の整数部分)
ここで回転速度を上げるのは、図3に示されるように、ある共振周波数に着目した場合、回転速度を上げた方が各工具刃通過周波数の間隔(点線の間隔)が広くなり、工具刃通過周波数と共振周波数範囲とが一致しない回転速度範囲が広がるため、強制びびり振動が発生しない回転速度が存在する可能性が高くなるからである。
そして、振動が拡大傾向と判断された場合は、S11で、記憶装置14の中で最も振動量の小さい回転速度に変更して(回転速度選択ステップ)、S12で加工終了となるまで当該回転速度で加工を継続する。
そして、強制びびり振動が抑制されないままS13で次の回転速度がnlimを超える場合は、S11で記憶装置14の中で最も振動量の小さい回転速度に変更して(回転速度選択ステップ)、S12で加工終了となるまで当該回転速度で加工を継続する。
まず、図8(A)に示されるように工具刃先4Aの丸みの影響が無視できる程度の切込み量21である場合に対して、同図(B)に示されるように工具刃先4Aの丸みの影響が無視できない程度の微小切込み量22である場合は、「比切削抵抗の寸法効果」(「基礎切削加工学」(共立出版株式会社)参照)により実質すくい角が減少することで比切削抵抗が大きくなるため、びびり振動が発生しやすくなるからである。また、加工変質層の加工硬化により一般的に表面に近いほど硬度は高くなるため、表面近くで微小切込量の切削を行うと、びびり振動が発生しやすくなったり、チッピングが発生したり、摩耗が早く進行したりするからである。つまり、S10,S13の判別は、回転速度をnlim近くまで上げ続けたことで、切込量が小さくなりすぎて逆にびびり振動が大きくなったり工具不良が発生したりする不具合を回避するための処理である。
さらに、演算装置13は、k=60fC/n0N(fC:びびり振動周波数、n0:現在回転速度、N:工具刃数)を演算して、kが整数の場合は強制びびり振動、それ以外の場合は再生びびり振動と判別するようにしているので、びびり振動の種類が簡単に判別可能となる。
また、上記形態では最終的に選択された回転速度へ自動的に変更しているが、記憶装置が記憶している結果を表示する表示装置を設けて、表示された結果を基にオペレータが手動で最終的な回転速度に変更してもよい。
さらにまた、S1でのパラメータの設定において、工具の限界切削速度Vlimと工具径Dとを設定できるようにして、S2ではnlim0=Vlim/(π×D)として上限回転速度nlim0を設定するようにしてもよい。
また、予め共振周波数を測定して、S1でその共振周波数を入力できるようにして、図3で示される斜め実線を考慮して不安定と想定される回転速度を除外するように回転速度の変更範囲を制限してもよい。
その他、工作機械としては立形マシニングセンタに限らず、回転軸に装着したワークを回転させて加工を行うNC旋盤等の他の工作機械であっても本発明は適用可能である。
Claims (5)
- 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、前記回転軸の回転に伴って発生するびびり振動を前記回転軸の回転速度の変更によって抑制する振動抑制装置であって、
予め設定される前記工具の限界切削速度及び刃先丸み半径、前記ワークの材種の加工変質層深さに基づいて前記回転速度の上限を設定する上限回転速度設定手段と、
前記びびり振動の発生を検出する振動検出手段と、
検出された前記びびり振動の種類を判別する振動判別手段と、
前記振動検出手段によりびびり振動を検出した場合、そのときの前記回転速度と振動量とを記憶する記憶手段と、
前記振動判別手段において判別された前記びびり振動が強制びびり振動であれば、前記回転速度を上昇側へ変更する回転速度変更手段と、
前記回転速度を上昇側へ変更しても前記強制びびり振動の振動量が増加した場合、若しくは上昇側へ変更しようとする次の回転速度が、前記上限回転速度設定手段で設定された上限回転速度を超える場合には、前記回転速度を上昇側へ変更することなく、前記記憶手段に記憶された前記回転速度から前記振動量が最小となる前記回転速度を選択する回転速度選択手段と
を備えることを特徴とする工作機械の振動抑制装置。 - 前記回転速度変更手段によって前記回転速度を上昇側へ変更しても前記強制びびり振動が抑制されない場合、前記記憶手段による前記回転速度及び振動量の記憶と回転速度変更手段による前記回転速度の上昇側への変更とを繰り返し、前記回転速度選択手段は、変更前の回転速度での振動量と変更後の回転速度での振動量との差分を算出し、前記差分が一定回数以上連続して正となった場合に、前記振動量が増加したと判断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装置。
- 前記上限回転速度設定手段は、予め設定される工具の限界切削速度である回転速度nlim0と、以下の式(1)(2)に基づいて算出した2つの回転速度nlim1、nlim2とのうち、最も小さい回転速度を上限回転速度と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振動抑制装置。
nlim1=vf/(N×fZ1) ・・(1)
nlim2=vf/(N×fZ2) ・・(2)
vf:1分間当たりの主軸送り速度、N:工具刃数、fZ1:R×P(R:工具刃先丸み半径、P:調整係数)、fZ2:T×Q(T:ワークの材種の加工変質層深さ、Q:調整係数) - 前記振動判別手段は、k=60fC/n0N(fC:びびり振動周波数、n0:現在回転速度、N:工具刃数)を演算して、kが整数の場合は強制びびり振動、それ以外の場合は再生びびり振動と判別することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の工作機械の振動抑制装置。
- 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、前記回転軸の回転に伴って発生するびびり振動を前記回転軸の回転速度の変更によって抑制する振動抑制方法であって、
予め設定される前記工具の限界切削速度及び刃先丸み半径、前記ワークの材種の加工変質層深さに基づいて前記回転速度の上限を設定する上限回転速度設定ステップと、
前記びびり振動の発生を検出する振動検出ステップと、
検出された前記びびり振動の種類を判別する振動判別ステップと、
前記振動検出ステップによりびびり振動を検出した場合、そのときの前記回転速度と振動量とを記憶する記憶ステップと、
前記振動判別ステップにおいて判別された前記びびり振動が強制びびり振動であれば、前記回転速度を上昇側へ変更する回転速度変更ステップと、
前記回転速度を上昇側へ変更しても前記強制びびり振動の振動量が増加した場合、若しくは上昇側へ変更しようとする次の回転速度が、前記上限回転速度設定ステップで設定された上限回転速度を超える場合には、前記回転速度を上昇側へ変更することなく、前記記憶ステップで記憶された前記回転速度から前記振動量が最小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
を実行することを特徴とする工作機械の振動抑制方法。
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