JP5908182B1 - 振動切削加工診断装置 - Google Patents

Abstract

工具を往復動作させて加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工に際して、振動切削を指定した速度条件における加工の可否を加工前に診断可能な振動切削加工診断装置を得ることを目的とする。可動軸の往復運動によって加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工の可否の診断を行う振動切削加工診断装置において、加工対象物であるワークの加工形状データである形状データ（１）及び加工速度設定値（２）に基づいて、可動軸の位置指令信号に含まれる周波数成分を演算する周波数解析部（４）と、周波数成分及び可動軸の可動軸パラメータ（３）に基づいて、形状データ（１）を加工速度設定値（２）にて加工することの可否を診断する加工診断実行部（５）とを備える。

Description

本発明は、工具を往復動作させて加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工に際して、加工前に加工の可否を診断可能な振動切削加工診断装置に関する。

切削加工を行う工作機械においては、従来は実現できなかった加工を実現するために様々な加工装置及び加工方法が提案されている。旋削加工の工具を高速で往復運動させることによる非真円形状の振動切削加工がその一例である。

従来の旋削加工では、ワークを回転させる主軸と、工具の一例であるバイトをワークの径方向に移動させる直進軸とを有する機械において、該工具を該直進軸上の指令位置に移動させて回転するワークに接触させることで、加工対象物の断面形状を真円形状に加工することができる。このとき、ワークの回転に合わせて、工具が径方向に移動するように直進軸上で往復運動させると、非真円形状の加工を行うことが可能となる。一例を挙げると、ワークの１回転につき、工具をワークの中心に向かうように直進軸上で２往復させると、加工対象物の断面形状を楕円形状にすることができる。すなわち、工具がワークの中心に最も接近したときの工具の先端と回転軸の中心との距離が短軸となり、工具がワークの中心から最も遠ざかったときの工具の先端と回転軸の中心との距離が長軸となる楕円形状が形成される。また、往復運動のパターンを工夫すると、さらに複雑な形状に加工することも可能である。

また、特許文献１には、加工対象物を非真円形状に加工することが可能な振動切削加工装置及び振動切削加工方法が開示されている。特許文献１に記載された技術によれば、２軸以上の直進軸を有する機械において、直進軸のうち２つの軸に位相と振幅の異なる周期運動指令を与えることにより、加工対象物を非真円形状に加工することが可能となる。

上記のように、加工対象物を非真円形状に加工する場合には、直進軸の動作は、一例として正弦波状となるが、指令される加工形状の曲率によっては高調波成分が含まれる挙動となる。一方、工作機械向けのモータ制御装置においては高速で高精度な位置制御が必要であるが、高速化のために送り速度を高くし、または高精度化のために制御ゲインを高く設定すると、機械の固有振動が励起されて機械共振が発生して挙動が振動的となり、加工精度が低下する。

そこで、従来から機械の固有振動を抑制するために、位置指令信号に対して処理を行うフィルタが用いられている。ここで用いられるフィルタは、一般にバンドエリミネーションフィルタまたはローパスフィルタと呼ばれるものであり、位置指令信号またはその他の制御装置内部の状態量に対して特定の周波数帯の成分を除去することで機械の固有振動を励起しないように設定される。

特定の周波数で機械共振が発生する場合には、その周波数を含む周波数帯の成分を減衰させるバンドエリミネーションフィルタを位置指令信号に作用させる。なお、その周波数帯が狭い場合には、バンドエリミネーションフィルタに代えてノッチフィルタを用いてもよい。または、特定の周波数以上で機械共振が発生し、その周波数がワークの質量その他の条件によって変動する場合には、その周波数よりも高い周波数成分を減衰させるローパスフィルタを位置指令信号に作用させる。このように位置指令信号に対して処理を行うフィルタを用いると、機械共振を励起することなく、高速で高精度な加工を実現することができる。通常、位置指令信号に含まれる周波数成分は、作用させるバンドエリミネーションフィルタ、ノッチフィルタまたはローパスフィルタの遮断周波数よりもはるかに小さいので、これらのフィルタを作用させても指令された形状に加工することができる。

特開２００８−６８３６４号公報

しかしながら、上記従来の技術である特許文献１によれば、工具を高速で往復運動させて加工するアプリケーションでは、工具を径方向に移動させる直進軸の位置指令信号は工具の往復運動の周期によって定まる周波数成分を有し、指令する加工形状が複雑になると位置指令信号に高調波が含まれ、送り速度が高くなるほど位置指令信号に含まれる周波数成分も高くなる。そのため、位置指令信号に含まれる周波数成分が、制御装置におけるフィルタの遮断周波数帯に合致し、または含まれる場合には、加工精度が低下し、加工対象物を所望の形状に加工することができない、という問題があった。

また、機械系に***振が存在する場合には、***振周波数付近の位置指令信号成分に対しては機械系の反応が鈍い。そのため、加工精度が低下するといった課題がある。

また、実際に試し加工を行った結果、加工精度が低い場合には、その要因の切り分けが難しく、また所望の加工精度が得られる適切な指令条件の一例である送り速度及び主軸回転数を試行錯誤により探索する必要がある。そのため、指令条件を決定するために多大な工数を要するといった課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、旋削加工の工具を往復動作させて加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工に際して、振動切削を指定した速度条件における振動切削加工の可否を加工前に診断可能な振動切削加工診断装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、可動軸の往復運動によって加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工の可否を加工前に診断可能な振動切削加工診断装置において、前記加工対象物の加工形状データ及び加工速度設定値に基づいて、前記可動軸の位置指令信号に含まれる周波数成分を演算する周波数解析部と、前記周波数成分及び前記可動軸の可動軸パラメータに基づいて、前記加工形状データを前記加工速度設定値にて加工することの可否を診断する加工診断実行部と、表示部とを備え、前記加工診断実行部が加工可能な加工速度の範囲を演算して前記表示部に表示することを特徴とする。

本発明にかかる振動切削加工診断装置は、旋削加工の工具を往復動作させて加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工に際して、振動切削を指定した速度条件における振動切削加工の可否を加工前に診断可能な振動切削加工診断装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる振動切削加工診断装置の構成を示すブロック図 実施の形態１において旋盤の機械系の構成の一例を示す概略図 実施の形態１において周波数解析部による周波数解析の結果を示すグラフ 実施の形態２において周波数解析部による周波数解析の結果を示すグラフ 実施の形態２において機械系のゲイン応答の特性の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる振動切削加工診断装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる振動切削加工診断装置の構成を示すブロック図である。図１に示す振動切削加工診断装置１０は、可動軸である刃物台１４の直進軸の往復運動によって加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工の可否の診断を行う振動切削加工診断装置であり、加工対象物の形状データ１及び加工速度設定値２を読み込んでこれらに基づいて、前記可動軸の位置指令信号に含まれる周波数成分を演算する周波数解析部４と、周波数解析部４が演算した周波数成分及び前記可動軸の可動軸パラメータ３に基づいて、形状データ１を加工速度設定値２にて加工することの可否を診断する加工診断実行部５とを備える。なお、可動軸は刃物台１４を移動させる機構を総称し、直進軸は可動軸の一形態としての刃物台１４の駆動軸であり、刃物台１４を直線上で移動させる駆動機構である。

図２は、旋盤の機械系の構成の一例を示す概略図である。回転する旋削主軸１１にはワーク１２が取り付けられ、刃物台１４には旋削工具１５が取り付けられている。刃物台１４は、刃物台駆動部１３によって径方向に往復運動を行う。このとき、旋削主軸１１の１回転につき刃物台１４の往復を２回行うと、ワーク１２を楕円柱形状に加工することが可能である。また、刃物台１４をさらに多数回往復させると、ワーク１２の断面形状をさらに複雑な形状に加工することも可能である。

加工予定のワーク１２の加工後の断面形状のデータである形状データ１及び旋削主軸１１の回転速度である加工速度設定値２が与えられると、周波数解析部４は、形状データ１を極座標変換し、偏角と半径方向変位とを求める。なお、半径方向は、旋削主軸１１の回転軸に対する半径方向である。ここでは、旋削工具１５の接触面からワーク１２の断面形状の中心に向かう線分である。次に、偏角が０°から３６０°まで加工速度設定値２で設定された回転速度で変化するように補間した場合の半径方向変位の時系列変化を求め、さらに時系列変化をフーリエ変換することにより半径方向変位の周波数成分を求める。一例を挙げると、加工予定のワーク１２の加工後の断面形状が楕円であり、旋削主軸１１の回転速度の指令値が毎分Ｓ回転の場合には、０［秒］から６０／Ｓ［秒］までの間に、半径が正弦波状に２周期変化する。そのため、半径方向変位の時系列変化に含まれる周波数成分は周期３０／Ｓ［秒］の成分、すなわち周波数Ｓ／３０［Ｈｚ］である。

図３は、本実施の形態１において、周波数解析部４による周波数解析の結果を示すグラフである。実際の加工では、偏角が旋削主軸１１の回転角度に相当し、半径方向変位が刃物台１４を駆動する直進軸の位置に相当する。また、本実施の形態１において、刃物台駆動部１３は、位置フィードバック制御を行う制御系であり、フィードバック制御系ではフィードバック制御ゲインＫの比例制御が行われるものとする。このとき、刃物台駆動部１３の制御系の位置応答特性は、カットオフ周波数Ｋ［ｒａｄ／ｓ］のローパスフィルタの特性を有する。なお、カットオフ周波数Ｋ［ｒａｄ／ｓ］の単位をＨｚに換算すると、Ｋ／２π［Ｈｚ］となる。可動軸パラメータ３には、刃物台駆動部１３のフィードバック制御ゲインＫが含まれている。このとき、刃物台駆動部１３は、制御系のカットオフ周波数Ｋよりも高い周波数成分の指令には追従することができない。

加工診断実行部５は、周波数解析部４で演算された周波数成分と、可動軸パラメータ３に含まれるフィードバック制御ゲインＫとにより、加工速度設定値２で指定された加工速度、すなわち旋削主軸１１の回転速度の条件での加工の可否を診断する。本実施の形態１では、周波数成分はＳ／３０［Ｈｚ］であるので、これが刃物台駆動部１３のフィードバック制御ゲインＫから決まるカットオフ周波数Ｋ／２π［Ｈｚ］よりも小さければ加工を行うことが可能である。したがって、旋削主軸１１の回転速度Ｓが、毎分１５Ｋ／π回転以下であれば加工が可能である。一例を挙げると、フィードバック制御ゲインＫが３１４［ｒａｄ／秒］の場合には、旋削主軸１１の回転速度が毎分１５００回転以下であれば加工可能と診断され、旋削主軸１１の回転速度が毎分１５００回転より大きければ加工不可と診断される。さらには、加工診断実行部５は、加工可能な旋削主軸１１の回転速度が毎分１５００回転以下であるとの診断結果を出力する。出力された診断結果は、一例として、図示しない表示装置に表示される。表示装置は、振動切削加工診断装置に含まれる表示部であってもよい。

なお、本実施の形態１において、刃物台１４が刃物台駆動部１３によって径方向に往復運動を行う機構は、刃物台駆動部１３と刃物台１４との間に存在する軸部が径方向に直進往復運動を行うことによって実現されていてもよいし、刃物台１４の旋削工具１５とは逆側に軸部が設けられ、該軸部が径方向に直進往復運動を行うことによって実現されていてもよい。

なお、本実施の形態１において、振動切削加工診断装置１０は、一例としてコンピュータによって実現することができる。このとき、形状データ１及び加工速度設定値２は、コンピュータに接続された入力装置の一例であるキーボードによって入力されてコンピュータ内の記憶部に記憶される。周波数解析部４及び加工診断実行部５は、コンピュータのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって実現される。加工診断実行部５が出力する診断結果は、コンピュータに接続された出力装置の一例である表示モニタに出力されて表示される。可動軸パラメータ３は、刃物台駆動部１３から入力されてコンピュータ内の記憶部に記憶される。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、指定した速度条件での振動切削加工の可否を加工前に診断することができる。また、加工可能な加工速度の範囲である上限値を加工前に把握することができるので、試し加工を行うことなく加工速度を決定することが可能となる。さらに、本実施の形態１によれば、ローパスフィルタ特性を有する制御系の一例である規範モデル追従制御または位置比例制御を用いている場合に、振動切削の加工の可否を診断することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２の構成は、可動軸である刃物台の直進軸の制御系がフィードフォワード制御及びノッチフィルタから構成される制御系である点が実施の形態１の構成と異なる。刃物台駆動部１３の制御系の位置応答特性は、ノッチフィルタのパラメータで指定された周波数帯のゲインが減衰するバンドエリミネーションフィルタの特性となる。可動軸パラメータ３には、バンドエリミネーションフィルタの遮断周波数帯が含まれる。ここで、バンドエリミネーションフィルタの遮断周波数帯の下限をＦ_ｍｉｎ［Ｈｚ］、上限をＦ_ｍａｘ［Ｈｚ］とする。また、加工予定のワーク１２の断面形状の半径方向変位の周波数成分には、旋削主軸１１の回転周波数の２倍の高調波成分が含まれているものとする。

図４は、本実施の形態２において、周波数解析部４による周波数解析の結果を示すグラフである。本実施の形態２の加工診断実行部５は、バンドエリミネーションフィルタの遮断周波数帯であるＦ_ｍｉｎ［Ｈｚ］以上Ｆ_ｍａｘ［Ｈｚ］以下の範囲に、周波数Ｓ／３０［Ｈｚ］またはＳ／１５［Ｈｚ］が含まれていれば加工不可と診断し、含まれていなければ加工可能と診断する。すなわち、加工診断実行部５は、旋削主軸１１の回転数が毎分１５Ｆ_ｍｉｎ回転以上毎分１５Ｆ_ｍａｘ回転以下、または毎分３０Ｆ_ｍｉｎ回転以上毎分３０Ｆ_ｍａｘ回転以下であれば加工不可と診断し、旋削主軸１１の回転数がこの範囲外であれば加工可能と診断する。一例を挙げると、加工診断実行部５は、Ｆ_ｍｉｎ＝２９［Ｈｚ］、Ｆ_ｍａｘ＝３１［Ｈｚ］である場合には、旋削主軸１１の回転速度Ｓが毎分４５０回転または毎分９００回転、さらには、回転速度Ｓの範囲が毎分４３５回転以上毎分４６５回転以下及び毎分８７０回転以上毎分９３０回転以下では加工不可であるとの診断結果を出力する。出力された診断結果は、一例として、図示しない表示装置に表示される。表示装置は、振動切削加工診断装置に含まれる表示部であってもよい。

以上説明したように、本実施の形態２によれば、指定した速度条件での振動切削加工の可否を加工前に診断することができる。また、加工可能な加工速度の範囲を加工前に把握することができるので、試し加工を行うことなく加工速度を決定することが可能となる。さらに、本実施の形態２によれば、バンドエリミネーションフィルタの特性を有する制御系の一例である指令ノッチフィルタを用いている場合に、振動切削の加工の可否を診断することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３の構成は、可動軸である刃物台の直進軸の軸送り系に機械***振が存在する点が実施の形態１と異なる。直進軸の位置応答特性は、***振周波数においてゲインが低下する特性となる。なお、本実施の形態３において加工するワークの断面形状は実施の形態１におけるワークと同様であり、位置指令信号に含まれる周波数成分は図３で表されるものとする。

可動軸パラメータ３には、機械系の***振周波数が含まれており、この***振周波数をＦ_ａ［Ｈｚ］とする。本実施の形態３では、加工診断実行部５は、刃物台１４の直進軸の***振周波数であるＦ_ａ［Ｈｚ］と周波数Ｓ／３０［Ｈｚ］が一致していれば加工不可と診断し、一致していないのであれば加工可能と診断する。すなわち、旋削主軸１１の回転数が毎分３０Ｆ_ａ回転であれば加工不可と診断し、それ以外であれば加工可能と診断する。一例を挙げると、Ｆ_ａ＝４０［Ｈｚ］の場合には、旋削主軸１１の回転速度Ｓが、毎分１０００回転であれば加工可能と診断する。さらに、この場合には、加工診断実行部５は、加工不可となる回転速度Ｓが毎分１２００回転であるとの診断結果を出力する。出力された診断結果は、一例として、図示しない表示装置に表示される。表示装置は、振動切削加工診断装置に含まれる表示部であってもよい。

なお、本実施の形態３において、可動軸パラメータ３に含まれる***振周波数は単一の周波数Ｆ_ａとして説明したが、本発明はこれに限定されない。***振周波数は、機械系のゲイン応答が設定したゲイン値以下となる周波数帯の上限周波数または下限周波数であってもよい。

図５は、周波数に対する機械系のゲイン応答の特性の一例を示す図である。機械系の駆動力から加速度までのゲイン応答であるアクセレランスまたはイナータンスが図５に示す特性である場合には、ゲインが−３ｄＢ以下の周波数帯を***振の範囲とすると、上限周波数は４３Ｈｚであり、下限周波数は３７Ｈｚである。この場合、回転速度Ｓの範囲が毎分１１１０回転以上毎分１２９０回転以下では加工不可であるとの診断結果を出力する。

以上説明したように、本実施の形態３によれば、指定した速度条件での振動切削加工の可否を加工前に診断することができる。また、加工可能な加工速度の範囲を実際に加工する前に把握することができるので、試し加工を行うことなく加工速度を決定することが可能となる。さらに、本実施の形態３によれば、機械系が***振特性を有する場合に、振動切削の加工の可否を診断することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 形状データ、２ 加工速度設定値、３ 可動軸パラメータ、４ 周波数解析部、５ 加工診断実行部、１０ 振動切削加工診断装置、１１ 旋削主軸、１２ ワーク、１３ 刃物台駆動部、１４ 刃物台、１５ 旋削工具。

Claims (4)

1. 可動軸の往復運動によって加工対象物の断面形状を非真円形状に加工する振動切削加工の可否を加工前に診断可能な振動切削加工診断装置において、
   前記加工対象物の加工形状データ及び加工速度設定値に基づいて、前記可動軸の位置指令信号に含まれる周波数成分を演算する周波数解析部と、
   前記周波数成分及び前記可動軸の可動軸パラメータに基づいて、前記加工形状データを前記加工速度設定値にて加工することの可否を診断する加工診断実行部と、
   表示部とを備え、
   前記加工診断実行部が加工可能な加工速度の範囲を演算して前記表示部に表示することを特徴とする振動切削加工診断装置。
2. 前記可動軸がローパスフィルタの特性を有する制御系によって駆動され、
   前記可動軸パラメータが前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を含み、
   前記周波数成分が前記カットオフ周波数以上であれば加工不可と診断することを特徴とする請求項１に記載の振動切削加工診断装置。
3. 前記可動軸がバンドエリミネーションフィルタの特性を有する制御系によって駆動され、
   前記可動軸パラメータが前記バンドエリミネーションフィルタの遮断周波数帯を含み、
   前記周波数成分が前記遮断周波数帯内に含まれていれば加工不可と診断することを特徴とする請求項１に記載の振動切削加工診断装置。
4. 前記可動軸が***振特性を有する機械系の一部を構成し、
   前記可動軸パラメータが前記可動軸の機械系の***振周波数を含み、
   前記周波数成分が前記***振周波数と一致していれば加工不可と診断することを特徴とする請求項１に記載の振動切削加工診断装置。

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