JP5631758B2

JP5631758B2 - 振動抑制装置

Info

Publication number: JP5631758B2
Application number: JP2011009097A
Authority: JP
Inventors: 匠北郷
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: JP2012148372A

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。

従来、回転軸を有するような工作機械では、工具の種類や切り込み量等の加工条件によっては、加工中にびびり振動が発生することがある。そして、びびり振動が発生すると、ワークの表面にびびりマークが生じて加工面精度が悪化したり、工具がダメージをうけて工具寿命が低下するといった問題が生じる。そこで、そのようなびびり振動を抑制するための装置及び方法としては、たとえば特許文献１や非特許文献１に記載の装置や方法が知られている。

つまり、特許文献１に記載の振動抑制装置では、主にエンドミル加工において、回転軸ハウジングに設置された振動センサによりびびり振動を検出すると、該びびり振動のびびり周波数（周波数軸上での振動加速度が最大値をとる周波数）を求め、そのびびり周波数を用いてびびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出し、回転軸の回転速度を安定回転速度へと変更することにより、びびり振動の抑制を図っている。一方、非特許文献１に記載の振動抑制方法では、主に旋削工具による加工において、回転軸の回転速度を所定の周期及び振幅で変動させることにより、びびり振動の抑制を図っている。

特開２００８−２９０１８８号公報

日本機械学会４４巻３７９号ｐｐ．１０８５−１０９３「変動速度切削によるびびり抑制の実用化に関する研究」

上述したようにびびり振動を効果的に抑制するための抑制方法は、工具の種類は勿論、回転軸の回転速度等といった加工条件に応じても異なる。また、特許文献１に記載の方法によりびびり振動を抑制しようとする場合、振動センサの検出値と閾値とを比較してびびり振動が発生しているか否かを判断しているが、この閾値についても工具の種類等により変わる。したがって、常に同じ態様で対応していたのでは、びびり振動を効果的に抑制できないという問題がある。そのため、従来では、工具や加工条件が変わる度に、どのような方法で振動抑制を図るかといった旨や閾値等を設定し直さなければならず、非常に面倒であった。また、加工中に工具を変更するような場合には、対応できないこともあった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、工具や加工条件が変わる度に各種条件を設定し直したりする必要がない上、加工中に工具を変更するような場合にも対応することができ、びびり振動を一層効果的に抑制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、前記回転軸に生じるびびり振動を検出する振動検出手段と、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ており、前記回転軸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、前記回転軸に装着する工具又はワークの種類毎に、前記回転速度制御手段による制御のもと、前記回転速度を安定回転速度へ変更することにより前記びびり振動を抑制するか、若しくは、前記回転速度を所定の振幅及び周期で変動させることにより前記びびり振動を抑制するかを記憶した記憶手段を備えており、前記回転速度制御手段は、前記回転軸に装着されている工具又はワークの種類を判断し、その工具又はワークの種類に対応する前記記憶手段に記憶されている制御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に記載の発明において、前記記憶手段は、前記安定回転速度や前記振幅及び前記周期を、前記回転軸の回転を開始させるに際して指令される指令回転速度に対応づけて記憶していることを特徴とする。

本発明によれば、回転軸に装着する工具又はワークの種類毎に、回転速度制御手段による制御のもと、回転速度を安定回転速度へ変更することによりびびり振動を抑制するか、若しくは、回転速度を所定の振幅及び周期で変動させることによりびびり振動を抑制するかを記憶した記憶手段を備えているため、加工を行う度に振動抑制制御そのものや安定回転速度等を設定し直さずとも適切な振動抑制制御を実行することができ、使い勝手が良いし、加工中の工具交換にも対応することができ、びびり振動を従来以上に精度良く抑制することができる。
また、特に請求項２に記載の発明によれば、記憶手段は、安定回転速度や振幅及び周期を、回転軸の回転を開始させるに際して指令される指令回転速度に対応づけて記憶しているため、一層適切な振動抑制制御を実行することができる。

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る。回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。振動抑制装置によるびびり振動の振動抑制制御を示したフローチャート図である。

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、作業者により入力されるデータや後述の如くして算出される安定回転速度等を記憶するための記憶装置１３と、ＦＦＴ演算装置１１にて解析された値や記憶装置１３に記憶されている各種の値から安定回転速度の算出等を行う演算装置１２と、回転軸３の回転等といった回転軸ハウジング１における加工を制御するＮＣ装置１４とを備えており、ＮＣ装置１４には、加工プログラムや機械の現在位置、後述の如く算出される安定回転速度等を表示するためのモニタ１５が設けられている。

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のフローチャートにしたがい説明する。
まず、加工を開始する前に、工具毎に、びびり振動の抑制制御を実行するか否か、及び、抑制制御を実行する場合には、回転速度を安定回転速度へと変更する方法によりびびり振動を抑制するか、若しくは、回転速度を所定の振幅及び周期で変動させる方法によりびびり振動を抑制するかを予め設定し、記憶装置１３に記憶させておく。また、回転速度を安定回転速度へと変更する方法を採用する工具に関しては、安定回転速度が既知の場合、その安定回転速度を工具及び指令回転速度（後述するようにして安定回転速度を求めた際の指令回転速度）に対応づけ、記憶装置１３に予め記憶させておく。さらに、同方法を採用する工具に関しては、工具毎に工具刃数とびびり振動の発生の判断に係る閾値とを予め記憶させておく。一方、回転速度を所定の振幅及び周期で変動させる方法を採用する工具に関しては、振幅や周期が既知である場合、その振幅及び周期を工具及び指令回転速度に対応づけて記憶させておく。

以上のような状態において、作業者により、指令回転速度及び工具の種類を含んだ加工プログラムが入力されて加工が開始されると（Ｓ１）、演算装置１２は、加工プログラムから回転軸３に装着されている工具を判断するとともに、記憶装置１３の当該工具に係る記憶内容を参照して、抑制制御を実行するか否か、及び、実行する場合にはどのような抑制制御を実行するかを判断する（Ｓ２）。そして、びびり振動の抑制制御が必要でない工具を用いた加工である場合には、Ｓ１０へと進み、加工の途中で工具の交換がない（Ｓ１１でＹＥＳとならない）限り、加工終了まで回転軸３の回転速度を指令回転速度としたまま加工を継続する。また、回転速度を所定の振幅及び周期で変動させる方法によりびびり振動を抑制する工具である場合、演算装置１２は更に記憶装置１３の当該工具における指令回転速度に係る記憶内容を参照して、振幅及び周期が記憶されているか否かを判断し（Ｓ８）、振幅及び周期が加工前に予め記憶装置１３に記憶されていると、その振幅及び周期で回転速度を変動させる（Ｓ９）。一方、指令回転速度に対応する振幅及び周期が記憶されていない場合（工具は同じでも、他の指令回転速度に対応する振幅及び周期は記憶されているものの、入力された指令回転速度に対応する振幅及び周期は記憶されていない場合がある）には、回転速度を変動させることができないため、指令回転速度のまま加工を継続する。そして、加工の途中で工具の交換がない（Ｓ１１でＹＥＳとならない）限り、加工終了まで回転軸３の回転速度を所定の振幅及び周期で変動させたまま、若しくは、指令回転速度のまま加工を継続する。

一方、回転速度を安定回転速度へと変更する方法によりびびり振動を抑制する工具である場合、演算装置１２は更に記憶装置１３の当該工具における指令回転速度に係る記憶内容を参照して、工具及び指令回転速度に対応する安定回転速度が記憶されているか否かを判断し（Ｓ３）、安定回転速度が加工前に予め記憶装置１３に記憶されていると、回転軸３の回転速度を指令回転速度から安定回転速度へと変更する（Ｓ４）。また、指令回転速度に対応する安定回転速度が記憶されていない場合（工具は同じでも、他の指令回転速度に対応する安定回転速度は記憶されているものの、入力された指令回転速度に対応する安定回転速度は記憶されていない場合がある）、指令回転速度のままとし、Ｓ５において回転軸３にびびり振動が発生しているか否かを判断する。

Ｓ５におけるびびり振動の発生の検出に係る制御は、たとえば特開２００８−２９０１８８号公報にも記載されているような公知の制御でよく、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１２において、その最大加速度と記憶装置１３に予め記憶されている閾値とを比較し、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」が発生していると判断するものである。

そして、回転軸３にびびり振動が発生していると（Ｓ５でＹＥＳ）、演算装置１２では、以下の演算式（１）〜（３）により安定回転速度を演算する（Ｓ６）。また、算出した安定回転速度をＮＣ装置１４へ出力し、回転軸３の回転速度を算出した安定回転速度へと変更するとともに、算出した安定回転速度を工具及び指令回転速度に対応づけ、記憶装置１３に記憶する（Ｓ７）。尚、既に安定回転速度が記憶されている場合には、今回Ｓ６において算出した安定回転速度へと更新する。そして、加工の途中で工具の交換がない（Ｓ１１でＹＥＳとならない）限り、加工終了まで回転軸３の回転速度を安定回転速度としたまま加工を継続する。

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）
安定回転速度＝６０×びびり周波数／｛工具刃数×（ｋ値＋１）｝・・（３）
ここで、演算式（１）、（３）における「工具刃数」は、作業者により予め入力されている。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（変更前の回転速度であり、指令回転速度、若しくは、記憶装置１３に記憶されていた安定回転速度）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、Ｓ５で取得されるものである。

さらに、加工終了までに工具を交換する加工も考えられる。したがって、そのような場合、演算装置１２は、加工プログラムをもとにＳ１１において工具の交換を判断すると、Ｓ２へ戻り、交換後の工具が抑制制御を実行するか否か、及び、実行する場合にはどのような抑制制御を実行するかを判断し、交換後の工具に対応する抑制制御を実行する。そして、加工の終了（Ｓ１０でＹＥＳ）に伴い、当該加工におけるびびり振動の振動抑制制御は終了となる。

以上のような振動抑制装置１０によれば、工具毎に、びびり振動の抑制制御を実行するか否か、及び、抑制制御を実行する場合には、回転速度を安定回転速度へと変更する方法によりびびり振動を抑制するか、若しくは、回転速度を所定の振幅及び周期で変動させる方法によりびびり振動を抑制するかを記憶するとともに、安定回転速度や振幅及び周期を指令回転速度に対応づけて記憶した記憶装置１３を備えており、演算装置１２は、加工が開始されたり、工具が交換されたりすると、記憶装置１３を参照して工具及び加工条件（ここでは指令回転速度）に対応するびびり振動の抑制制御を実行するため、常時適切な振動抑制制御を実行することができる。したがって、加工を行う度に振動抑制制御そのものや閾値、安定回転速度等を設定し直す必要がなく、使い勝手が良いし、加工中の工具交換にも対応することができ、びびり振動を従来以上に精度良く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、振動検出手段、回転速度制御手段、及び記憶手段等に係る構成を、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。
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安定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、安定回転速度を算出するように構成してもよい。また、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り、その場合にはワークの種類毎に、どのような振動抑制制御を実行するかや、安定回転速度へと変更するものについては安定回転速度を、所定の振幅及び周期で変動させるものについてはその振幅及び周期を記憶手段に記憶しておけばよい。さらに、入力される指令回転速度に大きな違いがないような工具又はワークについては、安定回転速度や振幅及び周期を必ずしも指令回転速度に対応づけて記憶させる必要はない。尚、振動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（振動検出手段）、３・・回転軸、５・・制御装置、１０・・振動抑制装置、１１・・ＦＦＴ演算装置（振動検出手段）、１２・・演算装置（回転速度制御手段）、１３・・記憶装置（記憶手段）、１４・・ＮＣ装置（回転速度制御手段）、１５・・モニタ。

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、前記回転軸に生じるびびり振動を検出する振動検出手段と、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ており、前記回転軸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、
前記回転軸に装着する工具又はワークの種類毎に、前記回転速度制御手段による制御のもと、前記回転速度を安定回転速度へ変更することにより前記びびり振動を抑制するか、若しくは、前記回転速度を所定の振幅及び周期で変動させることにより前記びびり振動を抑制するかを記憶した記憶手段を備えており、
前記回転速度制御手段は、前記回転軸に装着されている工具又はワークの種類を判断し、その工具又はワークの種類に対応する前記記憶手段に記憶されている制御を実行することを特徴とする振動抑制装置。
前記記憶手段は、前記安定回転速度や前記振幅及び前記周期を、前記回転軸の回転を開始させるに際して指令される指令回転速度に対応づけて記憶していることを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。