JP6667098B2 - 工作機械の動特性算出装置、算出方法及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の動特性算出装置、算出方法及び工作機械に関するものである。

回転工具による切削加工を高精度に行うために、工作機械の動特性を把握することが重要である。特許文献１には、回転工具をターゲット材に接触させることで回転工具を撓ませた後に、回転工具をターゲット材から離脱させることにより回転工具を振動させ、回転工具の振動状態に基づいて工作機械の動特性を算出することが記載されている。

特開２０１５−１２３５５７号公報

ターゲット材と回転工具とを接触させて、回転工具を撓み変形させている。例えば、細長い回転工具などの剛性の低い回転工具が対象である場合には、回転工具を撓み変形させることは比較的容易である。しかし、短く太い回転工具などの剛性の高い回転工具が対象である場合には、回転工具を撓み変形させることは容易ではない。回転工具を撓み変形させるために、回転工具に大きな力を付与すると、回転工具の刃部が破損するおそれがある。そのため、このような回転工具を対象とした工作機械の動特性を得ることが困難である。

本発明は、回転工具の種別に関わりなく、工作機械の動特性を得ることができる工作機械の動特性算出装置、算出方法及び工作機械を提供することを目的とする。

（１．工作機械の動特性算出装置）
第１の本発明に係る工作機械の動特性算出装置は、回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、支持部材に対して変位可能に弾性支持され、変位量に応じた加振力を前記回転工具に付与する前記加振部と、前記加振部により加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工具振動検出器と、前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する動特性算出部とを備える。そして、前記回転工具は、１又は複数の刃部を備え、前記加振部は、前記支持部材に弾性支持されることにより振動し、前記加振部の振動により、前記加振部の変位量に応じた加振力が前記加振部から前記回転工具に複数回付与され、前記回転工具の現在の刃部が前記加振部に接触する時から次の刃部が前記加振部に接触する時までの周期を、刃部周期Ｔａとし、前記加振部の振動周期をＴｂとし、前記刃部周期Ｔａは、Ｔｂ×（ｎ−０．５）（ｎは１以上の整数）に設定される。
第２の本発明に係る工作機械の動特性算出装置は、回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、支持部材に対して変位可能に弾性支持され、変位量に応じた加振力を前記回転工具に付与する加振部と、前記加振部により加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工具振動検出器と、前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する動特性算出部と、前記加振部の変位量を検出する加振部変位量検出器と、前記加振部を含む振動系の動特性と前記加振部の変位量とに基づいて前記加振部が前記回転工具に付与した加振力を算出する加振力算出部と、を備え、前記動特性算出部は、前記加振力を入力とし、前記回転工具の振動挙動を出力とした場合における伝達特性である前記動特性を算出する。

回転工具に加振力を付与する部材は、支持部材に弾性支持された加振部である。加振部を変位させたときの加振部の弾性復帰力によって、加振部から回転工具に加振力が付与される。当該加振力が回転工具に付与されることで回転工具が振動し、回転工具の振動挙動に基づいて工作機械の動特性が算出される。

本発明は、弾性支持された加振部が回転工具に加振力を付与しているため、回転工具自身が大きく撓み変形する必要はない。つまり、本発明のように弾性支持された加振部により回転工具の振動を誘起する場合には、従来のように回転工具の変位のみによって回転工具の振動を誘起する場合に比べて、回転工具の撓み変形量は小さくて済むので刃部を破損しにくくできる。従って、回転工具の種別に関わりなく、工作機械の動特性が算出される。

（２．工作機械の動特性算出方法）
第３の本発明に係る工作機械の動特性算出方法は、回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する方法であって、支持部材に弾性支持される加振部の変位量に応じた加振力を前記加振部から前記回転工具に付与する工程と、加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工程と、前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する工程とを備える。そして、前記回転工具は、１又は複数の刃部を備え、前記加振部は、前記支持部材に弾性支持されることにより振動し、前記加振部の振動により、前記加振部の変位量に応じた加振力が前記加振部から前記回転工具に複数回付与され、前記回転工具の現在の刃部が前記加振部に接触する時から次の刃部が前記加振部に接触する時までの周期を、刃部周期Ｔａとし、前記加振部の振動周期をＴｂとし、前記刃部周期Ｔａは、Ｔｂ×（ｎ−０．５）（ｎは１以上の整数）に設定される。
第４の本発明に係る工作機械の動特性算出方法は、回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する方法であって、支持部材に弾性支持される加振部の変位量に応じた加振力を、前記加振部から前記回転工具に付与する工程と、加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工程と、前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する工程と、前記加振部の変位量を検出する工程と、前記加振部を含む振動系の動特性と前記加振部の変位量とに基づいて前記加振部が前記回転工具に付与した加振力を算出する工程と、を備え、前記動特性を算出する工程は、前記加振力を入力とし、前記回転工具の振動挙動を出力とした場合における伝達特性である前記動特性を算出する。
本発明は、上記の動特性算出装置による効果と同様の効果を奏する。

（３．工作機械）
本発明に係る工作機械は、上記の動特性算出装置における少なくとも前記加振部及び前記工具振動検出器を備え、前記動特性算出装置により得られる前記動特性に基づいて決定された加工条件を調整する調整部を備える。得られた動特性に基づいて加工条件が調整されるため、高精度な工作物の加工が可能となる。

本発明の実施形態における工作機械の構成を示す図である。 図１の工作機械において、回転工具により工作物を切削している状態であって、回転工具が撓み変形している状態を示す図である。 図１の動特性算出装置の構成を示す図である。 ｎ＝１の場合における加振部の振動挙動（波形）、及び、回転工具が加振部から加振力を付与される時（丸印）を示す。 ｎ＝２の場合における加振部の振動挙動（波形）、及び、回転工具が加振部から加振力を付与される時（丸印）を示す。 動特性算出方法を示すフローチャートである。 図１の制御装置の構成を示す図である。 他の例における動特性算出装置の構成を示す図である。

（１．工作機械１の機械構成）
適用対象の工作機械の一例としてマシニングセンタを例に挙げ、図１を参照して説明する。なお、本発明は、当該マシニングセンタに限定されるものではなく、他の種類の工作機械にも適用できる。本発明の適用対象の工作機械は、回転工具により切削加工を行う工作機械である。つまり、本発明の好適な対象の工作機械は、１又は複数の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を回転しながら工作物に対して相対移動して断続的に切削加工を行う工作機械である。

当該工作機械１は、駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）を有する工作機械である。図１に示すように、工作機械１は、ベッド１１と、ベッド１１上にてＸ軸方向に移動可能なコラム１２と、コラム１２の前面（図１の左面）にてＺ軸方向に移動可能なサドル１３と、サドル１３に取り付けられ且つ回転可能な主軸１４ａを有する主軸装置１４と、主軸１４ａの先端側（図１の下側）に工具ホルダ１５を介して取り付けられる回転工具１６と、ベッド１１上にてＹ軸方向に移動可能であり工作物Ｗを載置するテーブル１７を備える。

さらに、工作機械１は、ベッド１１の上面のうち加工領域Ｅ１以外の位置に配置される動特性算出装置１８を備える。動特性算出装置１８は、工作機械１の動特性を算出するための装置である。また、工作機械１は、各駆動軸を制御するための制御装置２０を備える。

ここで、加工領域Ｅ１とは、回転工具１６により工作物Ｗが加工される際の空間であり、隔壁１９（二点鎖線にて示す）により区画された領域である。つまり、動特性算出装置１８は、隔壁１９によって加工領域Ｅ１とは仕切られた領域Ｅ２に位置する。ただし、当該領域Ｅ２は、回転工具１６が進入可能な領域とするために、隔壁１９は開閉可能とされる。当該領域Ｅ２は、テーブル１７の移動可能な領域の近傍に設けられる。

図１においては、動特性算出装置１８は、加工領域Ｅ１以外の領域Ｅ２に配置した。この他に、動特性算出装置１８は、テーブル１７上であって、工作物Ｗが配置される位置以外の位置に配置されるようにしてもよい。この場合、動特性算出装置１８は、加工領域Ｅ１に位置することになる。

（２．切削加工時の回転工具１６の状態）
次に、回転工具１６により工作物Ｗを切削加工する場合における回転工具１６の状態について説明する。図２に示すように、回転工具１６は、先端側に複数の刃部１６ａ，１６ｂを備えており、基端側（根元側）に工具ホルダ１５に支持される非刃部１６ｃを備える。複数の刃部１６ａ，１６ｂは、周方向に等間隔に配置される。なお、本実施形態においては、２つの刃部１６ａ，１６ｂを有する回転工具１６を例に挙げるが、１つの刃部または３つ以上の刃部を有する回転工具を適用することもできる。

この回転工具１６による切削加工時には、図２に示すように、刃部１６ａ，１６ｂが工作物Ｗから切削抵抗Ｆｙを受けることにより、刃部１６ａ，１６ｂ側が無負荷時の回転中心Ｃｂに対して撓み変形する。例えば、Ｌ／Ｄ（＝長さ／直径）の大きな回転工具１６（例えば、細長い回転工具）を用いる場合には、当該回転工具１６の剛性が低いため、切削抵抗Ｆｙによって当該回転工具１６の先端側の撓み量（撓み変形による変形量）が大きくなる。一方、Ｌ／Ｄの小さな回転工具１６（例えば、太く短い回転工具）を用いる場合には、当該回転工具１６の剛性が高いため、切削抵抗Ｆｙによって当該回転工具１６の先端側の撓み量（撓み変形による変形量）が小さくなる。

ここで、回転工具１６に生じる切削抵抗Ｆｙが一定であれば、回転工具１６の先端側の撓み量は一定となる。しかし、回転工具１６の刃部１６ａ，１６ｂによる断続的な切削加工により、回転工具１６に生じる切削抵抗Ｆｙは逐次変化する。また、上記のように切削抵抗Ｆｙが逐次変化することに伴い、回転工具１６の撓み量も変化する。そのため、回転工具１６の刃部１６ａ，１６ｂの回転中心Ｃｔの変位量は、図２の往復矢印にて示すように、主としてＹ方向に逐次変化する。

（３．工作機械１の動特性）
算出対象の工作機械１の動特性について説明する。算出対象の工作機械１の動特性は、回転工具１６が回転している状態において、少なくとも回転工具１６を含む振動系における動特性である。当該振動系は、回転工具１６、ホルダ１５及び主軸１４ａを含む回転部材のみならず、主軸１４ａを回転可能に支持するサドル１３、さらにはコラム１２などを含む。ただし、各部材の剛性によっては、その影響度は異なる。

動特性は、刃部１６ａ，１６ｂに入力された力に対する変形の挙動を示すものであり、伝達関数（コンプライアンスおよび位相遅れ）若しくはそれから算出される固有振動数ｆ、ばね定数Ｋ、減衰比ζなどにより表される。なお、動特性として、粘性減衰係数Ｃ、質量係数Ｍを用いることもあるが、これらは、上記の固有振動数ｆ、ばね定数Ｋ、減衰比ζから求められる。

（４．動特性算出装置１８の構成）
次に、動特性算出装置１８の構成について図３を参照して説明する。動特性算出装置１８は、切削時とは逆方向に回転している状態の回転工具１６を加振させて、回転工具１６を一部とする振動系における動特性を算出する。動特性算出装置１８は、加振体ユニット３１と、工具振動検出器３２と、加振部変位量検出器３３と、加振力算出部３４と、動特性算出部３５とを備える。

加振体ユニット３１は、ベッド１１又はテーブル１７に固定される。本実施形態においては、図３に示すように、加振体ユニット３１は、長尺状の板ばねであって、加振体ユニット３１の基端側が支持部材（１１，１７）に固定される。板ばねは、金属材料により形成される。板ばねは、例えば、Ｓ４５Ｃ等の鉄系材料により形成される。その他に、板ばねは、樹脂材料等により形成してもよい。

つまり、板ばね（加振体ユニット３１）の自由端部である加振部３１ａが、支持部材（１１，１７）に対して変位可能に弾性支持されており、支持部材（１１，１７）に対して振動する。加振部３１ａ（自由端部）は、振動することにより逆回転中の回転工具１６の刃部１６ａに接触して、回転工具１６に加振力を複数回付与する。つまり、回転工具１６には、加振部３１ａの変位量に応じた加振力が、加振体３１ａから付与される。ここで、回転工具１６の中心軸方向が、加振体ユニット３１である板ばねの長尺方向に一致するように、回転工具１６及び加振体ユニット３１が配置されている。

なお、本実施形態においては、加振体ユニット３１として、板ばねを例にあげたが、この他に、ゴム弾性体と当該ゴム弾性体に支持される部材を用いることもできる。この場合、ゴム弾性体に支持される部材が、加振部３１ａに相当する。

工具振動検出器３２は、加振部３１ａにより加振された回転工具１６の振動挙動を検出する。つまり、工具振動検出器３２は、回転工具１６の所定部位の振幅及び位相を含む情報を取得する。本実施形態においては、工具振動検出器３２は、非接触式変位計であって、非刃部１６ｃの変位を検出する。ただし、工具振動検出器３２は、回転工具１６の振動に対応する音波を検出する音波検出器を用いることもできる。
加振部変位量検出器３３は、加振部３１ａの振動方向の変位量ｘを検出する。加振部変位量検出器３３は、非接触式変位計である。

加振力算出部３４は、加振部３１ａの振動方向の変位量ｘに基づいて、加振部３１ａが回転工具１６に付与した加振力を算出する。具体的には、加振部３１ａが回転工具１６に接触する直前における加振部３１ａの最大変位量と加振部３１ａが回転工具１６に接触した時の加振部３１ａの変位量との差と、加振体ユニット３１の材料特性、加振体ユニット３１の断面係数、加振体ユニット３１の基端から加振部３１ａとしての回転工具１６との接触位置までの距離を用いて、加振力が算出される。

加振力算出部３４は、より詳細には、以下の処理により加振力を求める。まず、作業者は、加振体ユニット３１である板ばねについてのパラメータである質量係数Ｍ、粘性減衰係数Ｃ、ばね定数Ｋを予め計測する。そして、加振力算出部３４は、予め計測した加振体ユニット３１についての各パラメータＭ，Ｃ，Ｋを記憶する。ここで、加振体ユニット３１についての各パラメータＭ，Ｃ，Ｋは、後述する動特性算出部３５により算出される各パラメータとは異なる。

続いて、加振力算出部３４は、加振部変位量検出器３３による検出結果である加振部３１ａの振動方向の変位量ｘと、予め記憶した各パラメータＭ，Ｃ，Ｋとに基づいて、式（１）より、周波数領域での加振力Ｆを算出する。

動特性算出部３５は、回転工具１６の振動挙動と加振部３１ａが付与する加振力Ｆとに基づいて、回転工具１６を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する。具体的には、動特性算出部３５は、加振力Ｆを入力とし、回転工具１６の振動挙動を出力とした場合における伝達特性である動特性を算出する。

（５．刃部周期と加振体の振動周期の関係）
刃部周期Ｔａと加振部３１ａの振動周期Ｔｂとの関係について、図４及び図５を参照して説明する。刃部周期Ｔａとは、回転工具１６の現在の刃部１６ａが加振部３１ａに接触する時から、次の刃部１６ｂが加振体３１ａに接触する時までの周期である。本実施形態においては、回転工具１６は２つの刃部１６ａ，１６ｂを備えるため、刃部周期Ｔａは、回転工具１６の回転周期Ｔｘの１／２となる。

刃部周期Ｔａは、式（２）に従って設定される。式（２）において、ｎは、１以上の整数である。

上記式（２）において、回転工具１６の回転速度Ｎは、式（３）のように表される。従って、回転工具１６を式（３）で示す回転速度Ｎで逆回転させながら、回転工具１６を加振部３１ａに接触させる。式（３）において、Ｎは、回転工具１６の回転速度（ｍｉｎ^−１）であり、ｆｔは、加振体ユニット３１（板ばね）の固有振動数（Ｈｚ）であり、Ｔは、回転工具１６の刃部１６ａ，１６ｂの数であり、ｎは１以上の整数である。

図４に示す波形は、式（２）（３）において、ｎ＝２の場合の加振部３１ａの振動挙動を示す。図４は、丸印にて、加振部３１ａと回転工具１６の接触時、すなわち加振部３１ａが回転工具１６へ加振力を付与する時を示す。つまり、Ｔａ＝１．５×Ｔｂとなり、２つの刃部１６ａ，１６ｂを有する回転工具１６の場合において、Ｎ＝２０×ｆｔとなる。

図５に示す波形は、式（２）（３）において、ｎ＝３の場合の加振部３１ａの振動挙動を示す。図５は、丸印にて、加振部３１ａと回転工具１６の接触時、すなわち加振部３１ａが回転工具１６へ加振力を付与する時を示す。つまり、Ｔａ＝２．５×Ｔｂとなり、２つの刃部１６ａ，１６ｂを有する回転工具１６の場合において、Ｎ＝８×ｆｔとなる。

図４及び図５に示すように、刃部周期Ｔａが式（２）を満たすように設定されることで、加振部３１ａ及び回転工具１６が振動しながらも、刃部１６ａ，１６ｂが、毎時、加振部３１ａから所望の加振力を付与される。特に、上記の設定により、加振部３１ａが回転工具１６に向かって移動し、且つ、加振部３１ａの移動速度が最大となる時に、加振部３１ａが回転工具１６に加振力を付与する。

さらに、図５においては、回転工具１６と加振部３１ａとの接触するときの加振部３１ａの変位量が、ほぼ一定である。さらに、図５において、加振部３１ａの振動挙動が、加振部３１ａの振動周期Ｔｂの２．５倍の周期で、安定した挙動となる。このように安定した挙動であるほど、高精度に且つ容易に動特性を算出することができる。なお、回転工具１６の種類によって、図５に示すようなｎの値は異なる。

（６．動特性算出方法）
次に、動特性算出装置１８を含む工作機械１による動特性の算出方法について、図６を参照して説明する。まず、回転工具１６を所定の回転速度Ｎで逆回転させる（Ｓ１）。この回転速度Ｎは、式（３）より導出される。なお、ｎの値は、適宜設定される。

次に、加振部３１ａを振動させて、回転工具１６と加振部３１ａとの接触させることで、加振部３１ａの変位量ｘに応じた加振力を、加振部３１ａから回転工具１６に付与する（Ｓ２）。ここで、加振部３１ａの初期変位は、回転工具１６をＸ軸方向に移動することにより付与することができる。

続いて、工具振動検出器３２により、加振部３１ａにより加振された回転工具１６の非刃部１６ｃの振動挙動を検出する（Ｓ３）。続いて、加振部変位量検出器３３により、加振部３１ａの振動挙動を検出する（Ｓ４）。特に、加振部３１ａが回転工具１６に加振力を付与する直前における加振部３１ａの最大変位量と、加振部３１ａが回転工具１６に加振力Ｆを付与した時の加振部３１ａの変位量とを検出する。

続いて、加振直前の加振部３１ａの最大変位量と加振力付与時の加振部３１ａの変位量との差に基づいて、加振力算出部３４により、加振部３１ａが回転工具１６に付与した加振力を算出する（Ｓ５）。続いて、動特性算出部３５により、回転工具１６の振動挙動と算出された加振力とに基づいて、回転工具１６を含む振動系の動特性を算出する（Ｓ６）。

（７．制御装置２０の構成）
上述したように、動特性算出装置１８により算出された、回転工具１６を含む振動系の動特性は、工作物Ｗの切削加工を行う際の加工条件の調整に用いる。制御装置２０は、調整部２１と、制御部２２とを備える。

調整部２１は、算出された動特性に基づいて加工条件を調整する。例えば、調整部２１は、動特性を用いて、加工条件に含まれる回転工具１６の回転速度を調整し、加工誤差が小さくなる加工条件に変更する。制御部２２は、調整部２１により調整された加工条件に基づいて、各軸の駆動装置及び主軸１４ａの駆動装置などを制御する。

（８．変形例としての動特性算出装置４０の構成）
上記したように、回転工具１６が異なれば、回転工具１６を含む振動系の動特性は、異なる。そこで、動特性算出装置４０は、回転工具１６の種類に応じて回転工具１６の刃部周期Ｔａを自動的に選定し、選定された刃部周期Ｔａに応じた回転速度Ｎで回転工具１６を回転させながら動特性の算出を行う。この場合の動特性算出装置４０について、図８を参照して説明する。ただし、図３と同一構成は同一符号を付して、説明を省略する。

動特性算出装置４０は、加振体ユニット３１、工具振動検出器３２、加振部変位量検出器３３、加振力算出部３４、及び、動特性算出部３５の他に、記憶部４１及び選定処理部４２を備える。

記憶部４１は、回転工具１６の種類に応じた複数の刃部周期Ｔａをマップとして記憶する。記憶部４１に記憶される回転工具１６の種類は、代表的な形状及び材質により分類してもよいし、個別に分類してもよい。記憶部４１に記憶される刃部周期Ｔａは、例えば、図５に示すように、安定した加振部３１ａの振動挙動を得ることができるような刃部周期Ｔａである。

選定処理部４２は、記憶部４１に記憶される複数の刃部周期Ｔａの中から、動特性の算出対象となる回転工具１６に対応する刃部周期Ｔａを選定する。選定された刃部周期Ｔａとなる回転速度で回転工具１６を逆回転させ、動特性の算出処理が行われる（図６のＳ１〜Ｓ６）。

（９．実施形態の効果）
上述したように、動特性算出装置１８，４０は、回転工具１６により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置である。動特性算出装置１８，４０は、支持部材（１１，１７）に対して変位可能に弾性支持され、加振部３１ａの変位量に応じた加振力を回転工具１６に付与する加振部３１ａと、加振部３１ａにより加振された回転工具１６の振動挙動を検出する工具振動検出器３２と、回転工具１６の振動挙動に基づいて、回転工具１６を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する動特性算出部３５とを備える。

回転工具１６に加振力を付与する部材は、支持部材（１１，１７）に弾性支持された加振部３１ａである。加振部３１ａを変位させたときの加振部３１ａの弾性復帰力によって、加振部３１ａから回転工具１６に加振力が付与される。当該加振力が回転工具１６に付与されることで回転工具１６が振動し、回転工具１６の振動挙動に基づいて工作機械１の動特性が算出される。

そして、弾性支持された加振部３１ａが回転工具１６に加振力を付与しているため、回転工具１６自身が大きく撓み変形する必要はない。つまり、弾性支持された加振部３１ａにより回転工具１６の振動を誘起する場合には、従来のように回転工具１６の変位のみによって回転工具１６の振動を誘起する場合に比べて、回転工具１６の撓み変形量は小さくて済むので刃部１６ａ，１６ｂを破損しにくくできる。従って、回転工具１６の種別に関わりなく、工作機械１の動特性が算出される。

また、回転工具１６は、１又は複数の刃部を備え、加振部３１ａは、弾性支持されることにより振動し、加振部３１ａの振動により、加振部３１ａの変位量に応じた加振力が加振部３１ａから回転工具１６に複数回付与される。ここで、回転工具１６の現在の刃部１６ａが加振部３１ａに接触する時から次の刃部１６ｂが加振部３１ａに接触する時までの周期を、刃部周期Ｔａとし、加振部３１ａの振動周期をＴｂとする。このとき、刃部周期Ｔａは、Ｔｂ×（ｎ−０．５）（ｎは１以上の整数）に設定される。これにより、加振部３１ａ及び回転工具１６が振動しながらも、刃部１６ａ，１６ｂが、毎時、加振部３１ａから所望の加振力を付与される。

また、刃部周期Ｔａを上記のように設定することにより、加振部３１ａが回転工具１６に向かって移動し、且つ、加振部３１ａの移動速度が最大となる時に、加振部３１ａが回転工具１６に加振力を付与する。つまり、加振部３１ａは、回転工具１６に対して大きな加振力を確実に付与できる。

また、動特性算出装置１８は、加振部３１ａの変位量を検出する加振部変位量検出器３３と、加振部３１ａの変位量に基づいて加振部３１ａが回転工具１６に付与した加振力を算出する加振力算出部３４とを備える。このとき、動特性算出部３５は、加振力を入力とし、回転工具１６の振動挙動を出力とした場合における伝達特性である動特性を算出する。

このように、加振力を得ることができることにより、振動系の固有振動数ｆのみならず、粘性減衰係数Ｃ、質量係数Ｍ、ばね定数Ｋ、減衰比ζなどを算出できる。

また、回転工具１６は、切削時とは逆方向に回転しながら、加振部３１ａにより加振力を付与される。これにより、回転工具１６の刃部１６ａ，１６ｂが加振部３１ａを切削することはない。さらに、切削抵抗が生じる場合には、切削抵抗が加振部３１ａ及び回転工具１６の振動に影響を及ぼすおそれがあるが、このようなこともない。

また、加振部３１ａは、長尺状の板ばねの自由端部であり、加振部３１ａとしての自由端部が回転工具１６に加振力を付与する。加振体ユニット３１として板ばねが用いられることで、加振体ユニット３１は安価で且つ小型にできる。さらに、板ばねは、自由端部が変位した状態において復帰力が大きいため、上記構成により回転工具１６に加振力を複数回付与することに適している。

また、回転工具１６は、回転工具１６の中心軸方向が加振体ユニット３１である板ばねの長尺方向に一致するように配置される。これにより、長尺状の回転工具１６と加振体ユニット３１としての長尺状の板ばねが、同一方向に延びるように位置する。従って、加振体ユニット３１としての板ばねを配置するためのスペースを小さくできる。なお、上記実施形態の場合に限られず、回転工具１６の中心軸方向は、加振体ユニット３１である板ばねの長尺方向に一致しないようにしてもよい。例えば、回転工具１６の中心軸方向が、板ばねの長尺方向に対して、直角方向としたり、斜め方向としたりしてもよい。

また、動特性算出装置４０は、回転工具１６の種類に応じた複数の刃部周期Ｔａを記憶する記憶部４１と、記憶部４１に記憶される複数の刃部周期Ｔａの中から、動特性の算出対象となる回転工具１６に対応する刃部周期Ｔａを選定する選定処理部４２とを備える。これにより、回転工具１６の種類に応じて適切な刃部周期Ｔａを自動的に取得して、当該刃部周期Ｔａとなるように回転工具１６を回転させた状態で動特性の算出処理を行う。従って、より容易に、高精度な動特性を得ることができる。

また、工作機械１は、少なくとも加振部３１ａ及び工具振動検出器３２を備え、動特性算出装置１８，４０により得られる動特性に基づいて加工条件を調整する調整部２１を備える。従って、算出された動特性に対応した適切な加工条件を自動的に得ることができる。

また、加振部３１ａ及び工具振動検出器３２は、加工領域Ｅ１以外の位置に配置されるようにしてもよい。例えば、加振部３１ａなどは、隔壁１９などにより、加工領域Ｅ１と仕切られた別領域Ｅ２に配置してもよい。加振部３１ａなどを別領域Ｅ２に配置することにより、加振部３１ａなどに、切粉やクーラントなどがかかることを防止できる。なお、加振部３１ａ及び工具振動検出器３２は、加工に影響を与えないのであれば、テーブル１７上などの加工領域Ｅ１に配置されるようにしてもよい。

１：工作機械、 １４：主軸装置、 １４ａ：主軸、 １５：工具ホルダ、 １６：回転工具、 １６ａ，１６ｂ：刃部、 １６ｃ：非刃部、 １８，４０：動特性算出装置、 １９：隔壁、 ２０：制御装置、 ２１：調整部、 ２２：制御部、 ３１：加振体ユニット（板ばね）、 ３１ａ：加振部（板ばねの自由端部）、 ３２：工具振動検出器、 ３３：加振部変位量検出器、 ３４：加振力算出部、 ３５：動特性算出部、 ４１：記憶部、 ４２：選定処理部、 Ｅ１：加工領域、 Ｔａ：刃部周期、 Ｔｂ：振動周期、 Ｗ：工作物

Claims (12)

1. 回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、
   支持部材に対して変位可能に弾性支持され、変位量に応じた加振力を前記回転工具に付与する加振部と、
   前記加振部により加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工具振動検出器と、
   前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する動特性算出部と、
   を備え、
   前記回転工具は、１又は複数の刃部を備え、
   前記加振部は、前記支持部材に弾性支持されることにより振動し、
   前記加振部の振動により、前記加振部の変位量に応じた加振力が前記加振部から前記回転工具に複数回付与され、
   前記回転工具の現在の刃部が前記加振部に接触する時から次の刃部が前記加振部に接触する時までの周期を、刃部周期Ｔａとし、
   前記加振部の振動周期をＴｂとし、
   前記刃部周期Ｔａは、Ｔｂ×（ｎ−０．５）（ｎは１以上の整数）に設定される、工作機械の動特性算出装置。
2. 回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、
   支持部材に対して変位可能に弾性支持され、変位量に応じた加振力を前記回転工具に付与する加振部と、
   前記加振部により加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工具振動検出器と、
   前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する動特性算出部と、
   前記加振部の変位量を検出する加振部変位量検出器と、
   前記加振部を含む振動系の動特性と前記加振部の変位量とに基づいて前記加振部が前記回転工具に付与した加振力を算出する加振力算出部と、
   を備え、
   前記動特性算出部は、前記加振力を入力とし、前記回転工具の振動挙動を出力とした場合における伝達特性である前記動特性を算出する、工作機械の動特性算出装置。
3. 前記加振部が前記回転工具に向かって移動し、且つ、前記加振部の移動速度が最大となる時に、前記加振部が前記回転工具に加振力を付与する、請求項１に記載の工作機械の動特性算出装置。
4. 前記動特性算出装置は、
   前記加振部の変位量を検出する加振部変位量検出器と、
   前記加振部を含む振動系の動特性と前記加振部の変位量とに基づいて前記加振部が前記回転工具に付与した加振力を算出する加振力算出部と、
   を備え、
   前記動特性算出部は、前記加振力を入力とし、前記回転工具の振動挙動を出力とした場合における伝達特性である前記動特性を算出する、請求項１又は３に記載の工作機械の動特性算出装置。
5. 前記回転工具は、切削時とは逆方向に回転しながら、前記加振部により前記加振力を付与される、請求項１−４の何れか一項に記載の工作機械の動特性算出装置。
6. 前記加振部は、基端を前記支持部材に固定された長尺状の板ばねの自由端部であり、
   前記加振部としての前記自由端部が前記回転工具に加振力を付与する、請求項１−５の何れか一項に記載の工作機械の動特性算出装置。
7. 前記回転工具は、前記回転工具の中心軸方向が前記板ばねの長尺方向に一致するように配置される、請求項６に記載の工作機械の動特性算出装置。
8. 前記動特性算出装置は、
   前記回転工具の種類に応じた複数の前記刃部周期を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶される複数の前記刃部周期の中から、動特性の算出対象となる前記回転工具に対応する前記刃部周期を選定する選定処理部と、
   を備える、請求項１に記載の工作機械の動特性算出装置。
9. 回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する方法であって、
   支持部材に弾性支持される加振部の変位量に応じた加振力を、前記加振部から前記回転工具に付与する工程と、
   加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工程と、
   前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する工程と、
   を備え、
   前記回転工具は、１又は複数の刃部を備え、
   前記加振部は、前記支持部材に弾性支持されることにより振動し、
   前記加振部の振動により、前記加振部の変位量に応じた加振力が前記加振部から前記回転工具に複数回付与され、
   前記回転工具の現在の刃部が前記加振部に接触する時から次の刃部が前記加振部に接触する時までの周期を、刃部周期Ｔａとし、
   前記加振部の振動周期をＴｂとし、
   前記刃部周期Ｔａは、Ｔｂ×（ｎ−０．５）（ｎは１以上の整数）に設定される、工作機械の動特性算出方法。
10. 回転工具により切削加工を行う工作機械の動特性を算出する方法であって、
    支持部材に弾性支持される加振部の変位量に応じた加振力を、前記加振部から前記回転工具に付与する工程と、
    加振された前記回転工具の振動挙動を検出する工程と、
    前記回転工具の振動挙動に基づいて、前記回転工具を振動体の少なくとも一部とする振動系における動特性を算出する工程と、
    前記加振部の変位量を検出する工程と、
    前記加振部を含む振動系の動特性と前記加振部の変位量とに基づいて前記加振部が前記回転工具に付与した加振力を算出する工程と、
    を備え、
    前記動特性を算出する工程は、前記加振力を入力とし、前記回転工具の振動挙動を出力とした場合における伝達特性である前記動特性を算出する、工作機械の動特性算出方法。
11. 請求項１−８の何れか一項に記載の前記動特性算出装置における少なくとも前記加振部及び前記工具振動検出器を備え、前記動特性算出装置により得られる前記動特性に基づいて加工条件を調整する調整部を備える、工作機械。
12. 前記加振部及び前記工具振動検出器は、加工領域以外の位置に配置される、請求項１１に記載の工作機械。

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