JP6302794B2

JP6302794B2 - 回転速度表示方法

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Publication number: JP6302794B2
Application number: JP2014168730A
Authority: JP
Inventors: 知治安藤
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: JP2016043443A

Description

本発明は、工作機械において加工中に発生するびびり振動を抑制可能な最適回転速度を表示するための回転速度表示方法に関するものである。

従来、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、回転する工具によりワークを加工するといった工作機械がある。該工作機械では、切削加工中において切り込み量を大きくし過ぎる等の理由により、加工中に所謂びびり振動が発生し、加工面の仕上げ精度の悪化、工具の急激な摩耗や欠損といった問題が生じる。このびびり振動を抑制するための技術の１つとしては非特許文献１に記載の技術が公知となっており、この技術を利用した振動抑制方法としては、たとえば特許文献１に記載されているように、工具やワーク等といったびびり振動の発生系の固有振動数を、工具やワークをインパルス加振することで求め、これを６０倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除して得た値を安定回転速度とし、当該安定回転速度にて回転軸を回転させることにより、びびり振動を抑制するといったものがある。

また、びびり振動を抑制するための別の技術としては非特許文献２に記載の技術が公知となっており、この技術を利用した振動抑制方法としては、たとえば特許文献２に記載されているように、工作機械の回転軸の近傍に振動検出手段を取り付けることによってびびり周波数を測定し、該びびり周波数から算出されるパラメータを用いて安定回転速度を求め、当該安定回転速度にて回転軸を回転させることにより、びびり振動を抑制するといったものがある。

特開２００３−３４０６２７号公報特開２００８−２９０１８８号公報

ＣＩＲＰ，Ｖｏｌ．４４／１（１９９５）ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＳｔａｂｉｌｉｔｙＬｏｂｅｓｉｎＭｉｌｌｉｎｇ２００１年日本機械学会講習会資料「切削加工、びびり振動の基礎知識」

発生するびびり振動に関し、たとえば図８に示すような工具Ｔを用いた加工では、径の比較的細い箇所Ｔ１と径の比較的太い箇所Ｔ２とで、びびり周波数の夫々異なるびびり振動が同時に発生することがある。そして、そのようなびびり周波数の異なるびびり振動が発生する（複数のびびりモードでびびり振動が発生する）ような場合に、上述したような特許文献１及び２に記載の方法では、どのびびりモードでのびびり振動であっても効果的に抑制することができる最適回転速度を求めることができない。したがって、作業者に回転速度の変更を促そうにも、そのような最適回転速度を好適に表示することが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、たとえ複数のびびりモードでびびり振動が発生するような状況にあっても、びびり振動の発生を効果的に抑制可能な最適回転速度を好適に表示することができる回転速度表示方法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、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための最適回転速度を表示するための回転速度表示方法であって、振動検出手段により、びびり振動を検出する第１工程と、びびり振動が検出されると、演算手段により、前記びびり振動を抑制するための安定回転速度を算出する第２工程と、前記演算手段により、記憶手段に所定の単位回転速度毎に設定されている設定回転速度のうち、前記安定回転速度に等しい若しくは最も値が近い特定の設定回転速度を求めるとともに、当該特定の設定回転速度と、該特定の設定回転速度よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度とに対し、所定の序列にしたがい前記びびり振動の抑制効果の高低を表す文字、記号、数字の何れか１つからなる評価値を、特定の設定回転速度の評価値が最も高くなるような所定のパターンにしたがい夫々付与することにより、設定回転速度の重み付けを行う第３工程と、前記演算手段により、表示手段に、設定回転速度の重み付けの結果を表示することによって最適回転速度を表示する第４工程と、前記最適回転速度への回転速度の変更後、新たにびびり振動が検出されると、前記演算手段により、今回検出された新たなびびり振動を抑制するための新たな安定回転速度を算出する第５工程と、前記演算手段により、前記設定回転速度のうち、今回算出した前記新たな安定回転速度に等しい若しくは最も値が近い特定の設定回転速度を求めるとともに、当該特定の設定回転速度と、該特定の設定回転速度よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度とに対し、前記評価値を、前記所定のパターンにしたがって夫々付与することにより、新たに設定回転速度の重み付けを行う第６工程と、前記演算手段により、前記表示手段に、前回の設定回転速度の重み付けの結果と、今回の設定回転速度の重み付けの結果とを表示することによって新たな最適回転速度を表示する第７工程と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、前記第７工程において、前記前回の設定回転速度の重み付けの結果、前記評価値が所定のランク以上であり、且つ、前記今回の設定回転速度の重み付けの結果、前記評価値が所定のランク以上である設定回転速度を前記新たな最適回転速度として表示することを特徴とする。

本発明によれば、最適回転速度への回転速度の変更後、新たにびびり振動が検出されると、今回検出された新たなびびり振動を抑制するための新たな安定回転速度を算出し、設定回転速度のうち、今回算出した新たな安定回転速度に等しい若しくは最も値が近い設定回転速度を特定の設定回転速度として求めるとともに、当該特定の設定回転速度と、該特定の設定回転速度よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度とに対し、評価値を、所定のパターンにしたがって夫々付与することにより、新たに設定回転速度の重み付けを行う。そして、表示手段に、前回の設定回転速度の重み付けの結果と、今回の設定回転速度の重み付けの結果とを表示することによって新たな最適回転速度を表示する。したがって、たとえ複数のびびりモードでびびり振動が発生するような状況であっても、びびり振動の発生を効果的に抑制可能な最適回転速度を好適に表示することができる。

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最適回転速度の表示を含んだびびり振動の振動抑制制御のフローチャート図である。設定回転速度の重み付けに係る説明図である。最適回転速度を求める際の具体例を示した説明図である。表示装置における最適回転速度の表示例を示した説明図である。使用する工具の一例を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態であり、最適回転速度を表示するための回転速度表示方法を実行す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、加工条件や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、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にて解析された値からびびり振動の発生の有無を検出するとともに、その値と記憶装置１３に記憶されている各種の値とから安定回転速度を算出したり、設定回転速度の重み付けを行ったりする演算装置１４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とを備えており、ＮＣ装置１６には、後述の如き態様で安定回転速度を表示するモニタ等の表示装置１５が設けられている。

ここで、振動抑制装置１０による最適回転速度の表示を含んだ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、加工開始前に、予め入力装置１２を介して、後述の如き重み付けを行うための加工プログラム等を記憶装置１３に記憶させておくとともに、びびり振動の発生の検出に係る閾値、工具の種類や工具刃数等といった工具情報、加工条件等も記憶装置１３に記憶させておく。その後、任意の回転速度で回転軸３を回転させて加工を開始する（Ｓ１）と、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、回転軸にびびり振動が発生しているか否かを常時監視する（Ｓ２）。尚、振動センサ２ａ〜２ｃを用いたびびり振動の検出方法は、本件出願人が先に出願した特開２０１０−１７７８３号公報等に詳述した方法と同じ公知の方法で行っている。

そして、びびり振動の発生を検出する（Ｓ２でＹＥＳ）と、以下の演算式（１）〜（３）により安定回転速度を演算する（Ｓ３）。
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）・・（３）
尚、「工具刃数」とは、回転軸に装着されている工具の刃数である。また、「びびり周波数」とは、時間領域の振動加速度をフーリエ解析した結果、周波数領域の振動加速度が最大値をとる周波数である。

また、算出した安定回転速度をもとにして設定回転速度の重み付けを行い（Ｓ４）、その結果を表示装置１５に表示する（Ｓ５）。そこで、作業者は、表示装置１５に表示された結果をもとに、回転軸３の回転速度をびびり振動の抑制に効果的な最適回転速度へと変更する（Ｓ６）。そして、振動抑制装置１０では、加工が終了する（Ｓ７でＹＥＳ）までびびり振動の発生の有無を監視し続け、回転速度を最適回転速度に変更したにも拘わらず、再びびびり振動の発生が検出されると、新たな安定回転速度を算出するとともに、新たな安定回転速度をもとにして設定回転速度の重み付けを行い、前回の重み付けの結果とともに表示装置１５に表示するといった工程を繰り返す。

ここで、安定回転速度をもとにした設定回転速度の重み付けについて説明する。
所定の工具を用いた加工に関して安定限界線図を作成したとすると、図５に示すような繰り返し極大値が現れる曲線が得られることになる。そこで、本実施形態では、２０ｍｉｎ^−１を単位回転速度として２０ｍｉｎ^−１毎に設定回転速度を設定する。そして、算出した安定回転速度に等しい若しくは最も近い値となる設定回転速度を特定の設定回転速度として求め、当該特定の設定回転速度に対してびびり振動の抑制に最も効果のある回転速度として「５」という評価値を付与するとともに、特定の設定回転速度よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度に対し、所定のパターンにしたがい評価値「１」〜「４」を夫々付与するといった態様で設定回転速度の重み付けを行う。つまり、「５」という評価値が付与された特定の設定回転速度よりも１単位回転速度だけ遅い設定回転速度に対して評価値「４」を、２単位回転速度遅い設定回転速度に対して評価値「３」を、３単位回転速度遅い設定回転速度に対して評価値「２」を、４単位回転速度遅い設定回転速度に対して評価値「１」を夫々付与する一方、１単位回転速度速い設定回転速度に対して評価値「２」を、２単位回転速度速い設定回転速度に対して評価値「１」を夫々付与する。なお、このようにして重み付けされた設定回転速度は、図７に示すような態様で表示装置１５に表示される。また、評価値を付与しない設定回転速度について、「０」という評価値を付与したという見方をしてもよい。

以上のような振動抑制制御が現実にはどのようになされるのか、図６及び図７にしたがい具体例を一つ説明する。
まず、回転速度４１６０ｍｉｎ^−１、切込量２６ｍｍで加工を開始したとする。当該加工条件は、図６中のＰ１で示すように、びびりモード１の安定限界線図では不安定領域にあるため、加工中にびびりモード１でのびびり振動が発生することになる。このびびり振動は、当然ながら振動抑制装置１０によって検出され、安定回転速度が算出されることになる。そして、この安定回転速度は３８６０ｍｉｎ^−１になったとする。すると、演算装置１４により、安定回転速度に等しい設定回転速度である設定回転速度３８６０ｍｉｎ^−１が特定の設定回転速度として求められ、該特定の設定回転速度３８６０ｍｉｎ^−１に対して評価値「５」が付与されるとともに、設定回転速度３８６０ｍｉｎ^−１よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度に対して上記パターンにしたがい夫々評価値「１」〜「４」が付与され、その結果が表示装置１５に表示される（図７（ａ））。したがって、作業者は、評価値の最も高い設定回転速度（ここでは、安定回転速度に等しい３８６０ｍｉｎ^−１）が最適回転速度であるとして、回転速度を該最適回転速度に変更し、加工を継続することになる。

ただ、図６中でＰ２となる変更後の加工条件は、びびりモード１の安定限界線図では安定領域にあるものの、びびりモード２の安定限界線図では不安定領域にあるため、変更後の加工中にびびりモード２でのびびり振動が発生することになる。このびびり振動も、当然ながら振動抑制装置１０によって検出され、再度安定回転速度が算出される。そして、この安定回転速度は３７４０ｍｉｎ^−１になったとする。すると、演算装置１４により、上記同様に、安定回転速度に等しい設定回転速度である設定回転速度３７４０ｍｉｎ^−１が特定の設定回転速度として求められ、該特定の設定回転速度３７４０ｍｉｎ^−１に対して評価値「５」が付与されるとともに、設定回転速度３７４０ｍｉｎ^−１よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度に対して上記パターンにしたがい夫々評価値「１」〜「４」が付与され、その結果が前回の結果と共に表示装置１５に表示される（図７（ｂ））。したがって、作業者は、前回の重み付けの結果と今回の重み付けの結果とから最適回転速度を見いだし（ここでは、３７８０ｍｉｎ^−１）、その最適回転速度に回転速度を変更して、加工を継続する。つまり、図６中のＰ３で示すような安定回転速度として算出される特定の設定回転速度３７４０ｍｉｎ^−１に変更すると、びびりモード２でのびびり振動の発生は抑えられるものの、再度びびりモード１でのびびり振動が発生するにすぎない。そこで、図６中のＰ４で示すようなびびりモード１、びびりモード２どちらのびびり振動にも効果があるとされる（すなわち、評価値が付与されている）設定回転速度を最適回転速度として選択することにより、以降の加工においてびびり振動の発生を効果的に抑制することができることになる。なお、びびりモード１、びびりモード２どちらのびびり振動にも効果があるとされる設定回転速度が存在しない場合もある。そのような場合には、最適回転速度は存在しないことになるため、「最適回転速度は存在しません」等のメッセージを表示をしてもよい。また、算出した安定回転速度に等しい設定回転速度が存在しない場合もある。このような場合には、安定回転速度に最も近い値となる設定回転速度を特定の設定回転速度とすればよい。

上述したような振動抑制装置１０によれば、演算装置１４において、びびり振動を抑制するための安定回転速度を算出すると、安定回転速度に等しい若しくは最も値が近い設定回転速度を特定の設定回転速度として求め、当該特定の設定回転速度に対しびびり振動の抑制に最も効果のある回転速度として「５」という評価値を付与するとともに、特定の設定回転速度よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度に対して上記パターンにしたがい夫々評価値「１」〜「４」を付与するといった態様で設定回転速度の重み付けを行い、その結果を表示装置１５に表示して最適回転速度を表示する。また、一旦最適回転速度を表示し回転速度を変更したにも拘わらず、再度びびり振動が発生すると、新たに設定回転速度の重み付けを行い、前回の重み付けの結果と今回の重み付けの結果とを併せて表示装置１５に表示することにより、前回発生したびびり振動及び今回発生したびびり振動のどちらをも抑制可能な新たな最適回転速度を表示する。したがって、たとえ複数のびびりモードでびびり振動が発生するような状況であっても、びびり振動の発生を効果的に抑制可能な最適回転速度を好適に表示することができる。

なお、本発明に係る回転速度表示方法は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、重み付けの態様や重み付けの結果の表示に係る態様等を、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、上記実施形態では、設定回転速度の重み付けの結果のみを表示するとしているが、図７（ｃ）に示す如く、重み付けの結果から最適回転速度を判断し、最適回転速度を直接的に示唆するような表示を行ってもよい。つまり、びびりモード１での重み付けの結果において評価値が「１」以上であり、且つ、びびりモード２での重み付けの結果において評価値が「１」以上である設定回転速度を最適回転速度として直接的に表示するようになっている。なお、当該表示を上記重み付けの結果の表示に併せて表示するようにしても何ら問題はないし、評価値がどのような値以上であることを最適回転速度の条件とするか等については適宜設計変更可能である。また、上記条件が満たされる設定回転速度が複数存在すると、評価値の合計値が最も高い設定回転速度を最適回転速度として表示する等してもよい。さらに、びびりモード１でのびびり振動の発生時には最適回転速度を表示するのみで重み付けやその表示を省略し、びびりモード２でのびびり振動の発生時に重み付けを併せて表示するようにしてもよい。

また、単位回転速度をどのような値とするかも適宜変更可能であるし、評価値を付与するパターンについても上記実施形態のパターンに限定されることはない。さらに、所定の序列にしたがいびびり振動の抑制効果の高低を表すものであるならば、アルファベット等の文字や◎○といった記号を数値に代えて採用することも可能である。
さらにまた、上記実施形態では、作業者が回転速度を変更するように構成しているが、最適回転速度が求められるとＮＣ装置が自動的に回転速度を最適回転速度へ変更するように構成することも可能である。この場合、全てを自動的に変更するのではなく、びびりモード１でのびびり振動に対する最適回転速度への変更のみを自動で行い、びびりモード２でのびびり振動に対しては、重み付けの結果を表示して作業者に回転速度の変更を促すようにしてもよい。

またさらに、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し、本発明は、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の工作機械にも好適に採用することができる。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（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、１２・・入力装置、１３・・記憶装置（記憶手段）、１４・・演算装置（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、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための最適回転速度を表示するための回転速度表示方法であって、
振動検出手段により、びびり振動を検出する第１工程と、
びびり振動が検出されると、演算手段により、前記びびり振動を抑制するための安定回転速度を算出する第２工程と、
前記演算手段により、記憶手段に所定の単位回転速度毎に設定されている設定回転速度のうち、前記安定回転速度に等しい若しくは最も値が近い特定の設定回転速度を求めるとともに、当該特定の設定回転速度と、該特定の設定回転速度よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度とに対し、所定の序列にしたがい前記びびり振動の抑制効果の高低を表す文字、記号、数字の何れか１つからなる評価値を、特定の設定回転速度の評価値が最も高くなるような所定のパターンにしたがい夫々付与することにより、設定回転速度の重み付けを行う第３工程と、
前記演算手段により、表示手段に、設定回転速度の重み付けの結果を表示することによって最適回転速度を表示する第４工程と、
前記最適回転速度への回転速度の変更後、新たにびびり振動が検出されると、前記演算手段により、今回検出された新たなびびり振動を抑制するための新たな安定回転速度を算出する第５工程と、
前記演算手段により、前記設定回転速度のうち、今回算出した前記新たな安定回転速度に等しい若しくは最も値が近い特定の設定回転速度を求めるとともに、当該特定の設定回転速度と、該特定の設定回転速度よりも遅い設定回転速度及び速い設定回転速度とに対し、前記評価値を、前記所定のパターンにしたがって夫々付与することにより、新たに設定回転速度の重み付けを行う第６工程と、
前記演算手段により、前記表示手段に、前回の設定回転速度の重み付けの結果と、今回の設定回転速度の重み付けの結果とを表示することによって新たな最適回転速度を表示する第７工程と
を実行することを特徴とする回転速度表示方法。
前記第７工程において、前記前回の設定回転速度の重み付けの結果、前記評価値が所定のランク以上であり、且つ、前記今回の設定回転速度の重み付けの結果、前記評価値が所定のランク以上である設定回転速度を前記新たな最適回転速度として表示することを特徴とする請求項１に記載の回転速度表示方法。