JP5767931B2 - 工作機械の振動抑制方法および振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具また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（所謂、びびり振動）を抑制する方法、および抑制する装置に関するものである。

従来の工作機械の振動抑制方法としては、特許文献１の如く、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方法が知られている。かかる振動抑制方法は、工具やワーク等をインパルス加振することによって、びびり振動を生じさせる固有振動数を求め、得られた固有振動数を６０倍するとともに、工具刃数および所定の整数で除して得た値を安定回転速度として算出し、当該安定速度にて加工を行うことよって、加工中に発生するびびり振動を抑制するものである。

また、別の振動抑制方法として、特許文献２の如く、回転中の回転軸の時間領域の振動を検出して、検出した振動に基づいて、びびり周波数およびそのびびり周波数における周波数領域の振動加速度を取得し、それらのびびり周波数、周波数領域の振動加速度から求めた加工情報に基づいて予想安定回転速度を算出し、回転軸の回転速度を予想安定回転速度に調整するとともに、再び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、回軸軸の回転速度を予想安定回転速度から（さらに）変化させる方法が知られている。

特開２００３−３４０６２７号公報 特開２０１０−０１７７８３号公報

しかしながら、特許文献１の如き振動抑制方法では、高価なインパルス装置が必要となる上、当該インパルス装置を用いた加振には高度な技術を要するため、実施に手間がかかる。その上、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、という不具合もある。

一方、特許文献２の如き振動抑制方法は、びびり周波数における振動加速度を安定させるために、予想安定回転速度から回転速度を少しずつ変化させる処理を繰り返し実行してびびり振動が収まる回転速度に変化させるため、連続で回転速度を変化させる場合に、ある回転速度への変更直後にはびびり振動が抑制されたとしても、時間が経過すると、加工のヒステリシス特性の影響により、びびり振動が増幅する場合がある。すなわち、図３は、特許文献２の振動抑制方法を採用した場合の加工時間の経過に対するびびり周波数、振動加速度の変化をプロットしたものであり、この図から、回転速度の変更が必ずしもびびり振動の抑制に寄与しない場合があることが分かる。

本発明の目的は、上記従来の工作機械の振動抑制方法が有する問題点を解消し、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、びびり振動を抑制することが可能な振動抑制方法を提供することにある。また、そのような振動抑制方法を実施し得る振動抑制装置を提供することにある。

かかる本発明の内、請求項１に記載された発明は、工具またはワークを回転させるための回転軸と、その回転軸の駆動部に接続されたＮＣ制御部とを備えた工作機械において、回転軸の回転速度を変更することによって、加工中に回転軸に生じるびびり振動を抑制する工作機械の振動抑制方法であって、回転中の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基づいてびびり周波数を算出する第２ステップと、算出されたびびり周波数を用いて加工情報を算出し、かつ、記憶するとともに、前に記憶された加工情報が存在しないときは、算出された加工情報を用いて安定回転速度を算出し、前に記憶された加工情報が存在するときは、その記憶されている加工情報を用いて安定回転速度を算出する第３ステップと、回転軸の回転速度を算出した安定回転速度に変更する第４ステップと、変更した安定回転速度における加工情報と記憶している加工情報とを比較する第５ステップと、第５ステップにおける比較の結果、びびり振動を低減させるように加工情報が変化しており、かつ、変更された回転速度の変更方向が減速方向であった場合に、変更後のその時点の回転速度を最適な回転速度であると判断する第６ステップとを繰り返し実行することを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、第５ステップが、加工情報として加工時の振動加速度を比較するものであることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、第５ステップが、加工情報として下式（１）を用いて算出される値の小数部分である位相情報を比較するものであることを特徴とするものである。
６０×びびり周波数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）

請求項４に記載された発明は、工具またはワークを回転させるための回転軸と、回転軸の駆動部に接続されたＮＣ制御部とを備えた工作機械において、回転軸の回転速度を変更することにより、加工中に回転軸に生じるびびり振動を抑制するための工作機械の振動抑制装置であって、回転中の回転軸による時間領域の振動を検出する検出手段と、回転軸の回転速度を制御する制御装置とを有するものであり、その制御装置が、検出手段によって検出した時間領域の振動に基づいてびびり周波数を算出し、かつ、算出されたびびり周波数を用いて加工情報を算出し、かつ、記憶するとともに、前に記憶された加工情報が存在しないときは、算出された加工情報を用いて安定回転速度を算出し、前に記憶された加工情報が存在するときは、その記憶されている加工情報を用いて安定回転速度を算出し、なおかつ、回転軸の回転速度を算出した安定回転速度に変更し、変更した安定回転速度における加工情報と記憶している加工情報とを比較するとともに、その比較の結果、びびり振動を低減させるように加工情報が変化しており、かつ、その回転速度の変更方向が減速方向である場合には、変更後のその時点の回転速度を最適な回転速度と判断することを特徴とするものである。

本発明に係る工作機械の振動抑制方法は、びびり振動を検知した場合に、びびり周波数から算出される安定な回転速度を算出するとともに、回転速度を変更し、安定した回転速度で得られる加工情報と記憶している加工情報とを比較し、比較の結果、びびり振動を低減させるように加工情報が変化しており、かつ、その状態が回転速度を減少させる方向で得られた回転速度ならば、そのときの回転速度を安定な回転速度とするものであるため、加工のヒステリシス特性に起因したびびり振動の増幅を効果的に防止することができる。また、本発明に係る工作機械の振動抑制装置によれば、加工のヒステリシス特性に起因したびびり振動の再発生を効果的に防止することができる。

工作機械および振動抑制装置の概要を示す説明図である。 振動抑制装置による工作機械の振動抑制の制御内容を示すフローチャートである。 加工時間の経過に伴う振動加速度およびびびり周波数の変化の様子を示す図表である。 主軸速度の変化に伴う振動加速度の変化の様子を示す図表である。

以下、本発明に係る振動抑制装置および振動抑制方法の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、振動抑制の対象となる工作機械の回転軸ハウジング１を側方から示した説明図であり、図２は、振動抑制装置による工作機械の振動抑制の制御内容を示すフローチャートである。一方。図３は、工作機械による加工のヒステリシス特性を示した説明図であり、図４は、ヒステリシス特性の有無を速度減少方向および速度増加方向から示した説明図である。

＜振動抑制装置の構造＞
工作機械Ｍは、図１の如く、回転軸ハウジング１の下端に、先端に工具を装着可能な回転軸３がＣ軸周りに回転可能に備えられている。また、回転軸ハウジング１の側面には、回転中の回軸軸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が設けられている。さらに、工作機械Ｍには、制御装置５が付設されている。

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基にフーリエ解析を行うＦＦＴ演算装置１１と、ＦＦＴ演算装置１１で算出された値に基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とを備えており、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ことができるようになっている。なお、ＮＣ装置１３は、回転軸３の回転中には、その回転速度をモニタリングすることができるようになっている。

一方、振動センサ２ａ〜２ｃは、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。そして、それらの振動センサ２ａ〜２ｃおよび制御装置５によって、工作機械Ｍの回転軸３に発生する「びびり振動」を抑制するための振動抑制装置１０が構成された状態になっている。

＜振動抑制装置による振動抑制方法＞
以下、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２のフローチャートを基づいて説明する。振動抑制装置１０が「びびり振動」を抑制する場合には、まず、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、ＦＦＴ演算装置１１を利用してフーリエ解析を行い（Ｓ１）、最大加速度（周波数領域の振動加速度）、および、その周波数（びびり周波数）を、恒常的に計算する（Ｓ２）。

次に、演算装置１２を利用して、安定な回転速度を算出する（Ｓ３）。たとえば、安定な回転速度を算出する一例として、特許文献２に記載の如く、上式（１）で得られる値の整数部をｋ値とし、下式（２）より得られる予想安定回転速度をベースとして、回転軸の回転速度を変化させ、上式（１）で得られる値の小数部で示される位相の変化量やびびり周波数の変化量を求め、位相閾値（しきい値）を比較して算出する方法等がある。
予想安定回転速度＝６０×びびり周波数／｛工具刃数×（ｋ値＋１）｝ ・・・（２）

主軸速度を算出した安定な回転速度に変更し（Ｓ４）、変更後の加工中に得られる振動加速度を評価対象とする加工情報とし、振動加速度が記憶している数値から改善しているか（すなわち、びびり振動を低減させるように変化しているか）を比較し（Ｓ５）、変更した回転速度の変化方向が減少側であるかを比較し（Ｓ６）、振動加速度が改善されており、回転速度の変化方向が減少側であった場合には、現在の回転速度を最適な回転速度と判断する（Ｓ７）。また、制御を開始して所定時間経過したか、または、所定回数だけ制御を繰り返したかを判断し、所定時間または所定回数以内であれば制御を繰り返し(Ｓ８)、所定時間または所定回数を超えていれば、回転速度を最適な回転速度に変更して制御を完了する(Ｓ９)。

なお、図４は、回転速度を増加方向に変化させた場合、および、回転速度を減少方向に変化させた場合（いずれも、軸送りを停止せずに主軸速度を変化させた場合）の２通りの加工における振動加速度を示したものである。この図には、速度減少方向に変化させた方が、びびり状態となる回転速度幅が大きくなることが示されており、主軸速度を変化させて安定な主軸速度をサーチする場合には、上記のような加工のヒステリシス特性を考慮し、速度減少方向にサーチした方が望ましいことが分かる。

＜振動抑制装置、振動抑制方法による効果＞
振動抑制装置１０による工作機械Ｍの振動抑制方法は、上記の如く、回転中の回転軸による時間領域の振動を検出する第１ステップ（Ｓ１）と、検出した時間領域の振動に基づいてびびり周波数を算出する第２ステップ（Ｓ２）と、算出されたびびり周波数を用いて加工情報（Ｋｎ）を算出し、かつ、記憶するとともに、前に記憶された加工情報（ｋ０）が存在しないときは、算出された加工情報（ｋ１）を用いて安定回転速度を算出する第３ステップ（Ｓ３）と、
回転軸の回転速度を算出した安定回転速度に変更する第４ステップ（Ｓ４）と、変更した安定回転速度での加工情報と、記憶した加工情報を比較する第５ステップ（Ｓ５）と、加工情報が改善され（びびり振動を低減させるように加工情報が変化し）、変更された回転速度の変更方向が減速方向であった場合に、最適な回転速度であると判断する第６ステップ（Ｓ６、Ｓ７）とを実行するものである。したがって、振動抑制装置１０による振動抑制方法によれば、加工のヒステリシス特性に起因したびびり振動の増幅を効果的に防止することができ、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。

また、振動抑制装置１０による工作機械Ｍの振動抑制方法は、上記の如く、第５ステップ（Ｓ６）が、比較する加工情報として、加工時の振動加速度を用いるものである。したがって、振動抑制装置１０による振動抑制方法によれば、加工のヒステリシス特性に起因したびびり振動の増幅をきわめて効果的に防止することができる。

なお、本発明に係る振動抑制装置の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、検出手段や制御装置等の構成を、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。また、本発明に係る振動抑制方法の内容も、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、安定な回転速度の算出方法等を、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、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、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、安定回転速度を求めるように構成することも可能である。

さらに、上記実施形態では、比較する加工情報として振動加速度としているが、当該振動加速度の代わりに、上式（１）で得られる値の小数部で示されるびびり周波数の位相差を用い、その位相差が記憶している数値と比較して最小となった場合に、加工情報が改善されたと判断するように構成することもできる。

また、制御を繰り返すか否かの判断の基準は、制御を開始してからの所定時間の経過や、所定回数だけ制御を繰り返したか否かに限定されず、振動加速度に閾値を設け、閾値より大きい場合は制御を繰り返し、閾値以下である場合は制御を完了とするように構成することも可能である。

Ｍ・・工作機械
１・・主軸ハウジング
２・・振動センサ（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
１２・・演算装置
１３・・ＮＣ装置
１４・・記憶装置

Claims (4)

1. 工具またはワークを回転させるための回転軸と、その回転軸の駆動部に接続されたＮＣ制御部とを備えた工作機械において、回転軸の回転速度を変更することによって、加工中に回転軸に生じるびびり振動を抑制する工作機械の振動抑制方法であって、
   回転中の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基づいてびびり周波数を算出する第２ステップと、
   算出されたびびり周波数を用いて加工情報を算出し、かつ、記憶するとともに、前に記憶された加工情報が存在しないときは、算出された加工情報を用いて安定回転速度を算出し、前に記憶された加工情報が存在するときは、その記憶されている加工情報を用いて安定回転速度を算出する第３ステップと、
   回転軸の回転速度を算出した安定回転速度に変更する第４ステップと、
   変更した安定回転速度における加工情報と記憶している加工情報とを比較する第５ステップと、
   第５ステップにおける比較の結果、びびり振動を低減させるように加工情報が変化しており、かつ、変更された回転速度の変更方向が減速方向であった場合に、変更後のその時点の回転速度を最適な回転速度であると判断する第６ステップとを繰り返し実行することを特徴とする工作機械の振動抑制方法。
2. 第５ステップが、加工情報として加工時の振動加速度を比較するものであ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。
3. 第５ステップが、加工情報として下式（１）を用いて算出される値の小数部分である位相情報を比較するものであ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。
   ６０×びびり周波数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）
4. 工具またはワークを回転させるための回転軸と、回転軸の駆動部に接続されたＮＣ制御部とを備えた工作機械において、回転軸の回転速度を変更することにより、加工中に回転軸に生じるびびり振動を抑制するための工作機械の振動抑制装置であって、
   回転中の回転軸による時間領域の振動を検出する検出手段と、
   回転軸の回転速度を制御する制御装置とを有するものであり、
   その制御装置が、
   検出手段によって検出した時間領域の振動に基づいてびびり周波数を算出し、かつ、
   算出されたびびり周波数を用いて加工情報を算出し、かつ、記憶するとともに、前に記憶された加工情報が存在しないときは、算出された加工情報を用いて安定回転速度を算出し、前に記憶された加工情報が存在するときは、その記憶されている加工情報を用いて安定回転速度を算出し、なおかつ、
   回転軸の回転速度を算出した安定回転速度に変更し、変更した安定回転速度における加工情報と記憶している加工情報とを比較するとともに、
   その比較の結果、びびり振動を低減させるように加工情報が変化しており、かつ、その回転速度の変更方向が減速方向である場合には、変更後のその時点の回転速度を最適な回転速度と判断することを特徴とする工作機械の振動抑制装置。

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