JP7403282B2

JP7403282B2 - 工作機械における主軸回転速度のモニタ装置及びモニタ方法、工作機械

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Publication number: JP7403282B2
Application number: JP2019200118A
Authority: JP
Inventors: 俊介藤巻; 顕秀浜口
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2023-12-22
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: US11162966B2; CN112783088B; JP2021070138A; CN112783088A; DE102020213616A1; US20210132102A1

Description

本発明は、工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸と、その主軸の回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段とを備えた工作機械において、表示部によって回転速度変動手段による回転速度の変動状態を表示するモニタ方法及びモニタ装置と、当該モニタ装置を備えた工作機械とに関する。

工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸を備えた工作機械により切削加工を行った場合に、工具またはワークの剛性が低いといわゆる「びびり振動」が発生することがある。びびり振動が発生すると、工具が欠損したり、ワークの表面精度を悪化させるなどの問題が生じる。このびびり振動は、加工面に生じた１回転前の起伏と、現在の切削による振動との間に位相遅れが生じることにより、ワークの切取り厚さが変動し振動が拡大していくものである。
このびびり振動を抑制する技術として、特許文献１や特許文献２に記載されているように、主軸の回転速度を所定の変動振幅と変動周期とで変動させて、切り取り厚さの変動による力の入力を不規則にする対策が知られている。特に、特許文献２に記載のモニタ装置では、モータの出力限界線などを表示することで、モータの出力限界範囲内での変動条件の選択を容易にし、使い勝手の向上が図られている。

特開昭４９－１０５２７７号公報特許第５５０７４１０号公報

しかしながら、特許文献２の発明では、モータの出力限界範囲でびびり振動の抑制効果が十分に得られるかどうかについては判断できなかった。そのため、モータの出力限界範囲にびびり振動を抑制できる変動条件がないにも関わらず、試加工を繰返して生産性を損なうという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、主軸回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段を備えた工作機械において、びびり振動の抑制効果を把握した上で回転速度を変動させるための設定値の選択及び試加工を行うことができ、効率的にびびり振動の抑制に最適な加工条件を見出すことができる工作機械における主軸回転速度のモニタ方法及びモニタ装置、そして工作機械を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸と、前記主軸の回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段と、を備えた工作機械において、表示部によって前記回転速度変動手段による前記回転速度の変動状態を表示するモニタ装置であって、
前記回転速度の変動振幅と変動周期との関係を示す変動図を前記表示部に表示する作図手段と、
前記変動図に現在の変動位置を表示する変動位置表示手段と、
びびり振動の抑制効果を表す抑制効果指標を前記変動図上に表示する抑制効果指標表示手段と、を備え、
前記抑制効果指標は、前記主軸の同じ回転位置における任意のタイミングの回転速度とその１回転前の回転速度との比である速度比と１との差分の絶対値であることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、上記構成において、変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期あたりの平均値であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、上記構成において、変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期中の最大値であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、上記構成において、前記変動周期と、前記回転速度の基準となる基準回転速度に対して変動させる前記回転速度のうち、互いにタイミングが異なる第１回転速度と第２回転速度との差と、前記工具又は前記ワークと前記主軸とを含む回転体のイナーシャと、前記主軸を駆動するモータの最大出力と、を含む計算式に基づいて、前記モータの出力限界線を作成して前記変動図上に表示する出力限界線表示手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、上記構成において、前記計算式が以下の数１であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、上記構成において、前記計算式が、前記第１回転速度と前記第２回転速度との比率を含むことを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、上記構成において、前記計算式が以下の数２であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、上記構成において、前記第１回転速度及び前記第２回転速度のいずれか一方を、前記回転速度の最大値とし、他方を前記回転速度の最小値とすることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項９に記載の発明は、工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸と、前記主軸の回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段と、を備えた工作機械であって、
請求項１乃至８のいずれかに記載の主軸回転速度のモニタ装置を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項１０に記載の発明は、工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸と、前記主軸の回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段と、を備えた工作機械において、表示部によって前記回転速度変動手段による前記回転速度の変動状態を表示するモニタ方法であって、
前記回転速度の変動振幅と変動周期との関係を示す変動図を前記表示部に表示する作図ステップと、
前記変動図に現在の変動位置を表示する変動位置表示ステップと、
びびり振動の抑制効果を表す抑制効果指標を前記変動図上に表示する抑制効果指標表示ステップと、を実行し、
前記抑制効果指標は、前記主軸の同じ回転位置における任意のタイミングの回転速度とその１回転前の回転速度との比である速度比と１との差分の絶対値であることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、上記構成において、変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期あたりの平均値であることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、上記構成において、変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期中の最大値であることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、上記構成において、前記変動周期と、前記回転速度の基準となる基準回転速度に対して変動させる前記回転速度のうち、互いにタイミングが異なる第１回転速度と第２回転速度との差と、前記工具又は前記ワークと前記主軸とを含む回転体のイナーシャと、前記主軸を駆動するモータの最大出力と、を含む計算式に基づいて、前記モータの出力限界線を作成して前記変動図上に表示する出力限界線表示ステップをさらに実行することを特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、上記構成において、前記計算式が以下の数１であることを特徴とする。

請求項１５に記載の発明は、上記構成において、前記計算式が、前記第１回転速度と前記第２回転速度との比率を含むことを特徴とする。
請求項１６に記載の発明は、上記構成において、前記計算式が以下の数２であることを特徴とする。

請求項１７に記載の発明は、上記構成において、前記第１回転速度及び前記第２回転速度のいずれか一方を、前記回転速度の最大値とし、他方を前記回転速度の最小値とすることを特徴とする。

本発明によれば、びびり振動の抑制効果指標を表示することで、びびり振動の抑制効果を把握した上で回転速度を変動させるための設定値の選択及び試加工を行うことができる。よって、効率的にびびり振動の抑制に最適な加工条件を見出すことができる。
特に、請求項４乃至８及び請求項１３乃至１７に記載の発明によれば、上記効果に加えて、モータの出力限界線も把握した上で変動条件を探索するため、モータの出力限界を超えた変動条件を選択することを防止できる。

ＮＣ旋盤の概略構成図である。主軸回転速度、速度比及び抑制効果指標の変動例を示す説明図である。モニタ方法のフローチャートである。変動図を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例であるＮＣ旋盤１の概略構成図である。ＮＣ旋盤１において、主軸台２には、チャック４と爪５とを介してワークＷを把握する主軸３が回転自在に軸支され、主軸台２の内部には、主軸３を回転駆動するモータ６と、主軸台２に固定されて主軸３の回転速度を検出するエンコーダ７とが内蔵されている。８は、モータ６とエンコーダ７とに接続される主軸制御部、９は、主軸制御部８に回転速度を指令するＮＣ装置で、主軸制御部８は、エンコーダ７から検出される主軸３の回転速度を常時監視しながら、ＮＣ装置９から指令された回転速度で主軸３を回転させるよう、モータ６に供給する入力電力を調整している。

また、ＮＣ装置９には、加工プログラム等を記憶する記憶部１０と、表示部としてのモニタ１２を備えた変動値設定部１１とが接続されている。ＮＣ装置９は、記憶部１０に記憶された加工プログラムに従い、主軸３を回転させながら図示しない工具をワークＷの回転軸方向及び半径方向に送り移動させることで、切削加工を行なうものである。
さらに、ここでは入力手段を備えるモニタ１２から変動値設定部１１に主軸３の回転速度とその変動振幅及び変動周期とを入力することにより、ＮＣ装置９及び主軸制御部８を介して、図２の上段に示すように主軸３の回転速度を指定した変動振幅Ｑ及び変動周期Ｒで変動させることができるようになっている。よって、ＮＣ装置９が回転速度変動手段、変動値設定部１１が変動値設定手段となり、これに記憶部１０及びモニタ１２を加えてモニタ装置１３を形成している。モニタ装置１３は、本発明の作図手段、変動位置表示手段、抑制効果指標表示手段、出力限界線表示手段として機能する。

このモニタ装置１３による主軸回転速度のモニタ方法を図３のフローチャートで説明する。
まずＳ１０で、変動値設定部１１に変動振幅及び変動周期を入力すると、Ｓ２０では、図４に示す変動図を作成してモニタ１２に表示する（作図ステップ）。ここでは回転速度を変動させるための変動振幅を縦軸にとり、変動周期を横軸にとった変動振幅－変動周期のグラフとして表示されている。
併せてこのグラフには、現在の変動振幅－変動周期の設定値（現在の変動位置）が第１点として黒丸のマーカーで表示されている（変動位置表示ステップ）。オペレータは、当該グラフ上の任意の位置を直接ポイント、又は図示しないテンキー等によって変動振幅と変動周期との数値をそれぞれ入力することで、変動振幅と変動周期との各設定値を変更する。

次に、Ｓ３０では、グラフに抑制効果指標が表示される（抑制効果指標表示ステップ）。びびり振動の抑制効果指標は、下記の数３に示される、主軸３の同じ回転位置における任意のタイミングの回転速度とその１回転前の回転速度との比である速度比αと相関がある。

また、図２の中段に示すように、速度比αは、回転速度の変動に同期して変動し、１の前後で増減する。速度比αと１との差が大きいほど、びびり振動の抑制効果が大きくなる。そのため、例えば、下記の数４で抑制効果指標βを定義すれば、βが大きいほどびびり抑制効果が大きいことを意味する。

そのため、例えば、Ｓ３０では、図２の下段に示す抑制効果指標βの速度変動１周期当たりの平均値を、変動図内に表示された各変動振幅と変動周期との組み合わせごとに演算し、その大きさに対応した色でグラフの各座標点に表示する。図４では、抑制効果指標が大きな点を暗い色で示し、抑制効果指標が小さな座標を明るい色で示している。
なお、加工時間が変動周期に対して非常に短いような加工では、抑制効果指標βが大きくなるタイミングに加工を合わせると効果的である。この場合、Ｓ３０では、図２の下段に示す抑制効果指標βの速度変動１周期中の最大値を、グラフに表示してもよい。

Ｓ４０では、グラフに出力限界線Ｌが表示される（出力限界線表示ステップ）。モータ６は過大な電流を流すと発熱し破損してしまうため、入力電力の上限が規定されている。すなわち、モータ出力が制限されている。そのため、回転速度の変動振幅を大きく、変動周期を小さく設定しても、設定した値で変動できない場合がある。
出力限界線Ｌは、例えば、下記の数５によって演算し、変動可能な変動振幅と変動周期との限界線としてグラフ上に表示するようにしている。なお、数５で用いられる主軸３の最大回転速度Ｓｍａｘ及び主軸３の最小回転速度Ｓｍｉｎは、数６及び数７に示すように、変動する回転速度の基準となる基準回転速度と変動振幅とにより演算できる。この出力限界線Ｌよりも右側の範囲では、設定値どおりに回転速度を変動できることを表している。すなわち、変動値設定部１１では、この範囲の中で、最も暗い色の変動条件を選択することが望ましい。なお、数５はモータ６の最大出力から、切削及び主軸回転の摩擦等による損失（Ｐ_Ｃ）を減算した出力を主軸回転速度の変動に利用できることを表している。

なお、回転速度の変動は、一定の角加速度で行うよりも、回転速度の増減に合わせて増減させた角加速度で行うほうが、より大きなびびり抑制効果を得られる。この場合、変動振幅と変動周期の出力限界線Ｌは、上記の数５に代わって、最大回転速度と最小回転速度との比率を用いた下記の数８によって算出する。

このように、本実施形態の主軸回転速度のモニタ装置１３は、回転速度の変動振幅と変動周期との関係を示すグラフをモニタ１２に表示する作図手段と、グラフに現在の変動位置（第１点）を表示する変動位置表示手段と、数４に基づいてグラフに変動条件ごとのびびり振動の抑制効果指標を表示する抑制効果指標表示手段として、上記Ｓ２０～Ｓ４０のモニタ方法を実行可能としている。
よって、びびり振動の抑制効果を把握した上で回転速度を変動させるための設定値の選択及び試加工を行うことができ、効率的にびびり振動の抑制に最適な加工条件を見出すことができる。
特にここでは、数５に基づいてモータ６の変動振幅と変動周期との出力限界線Ｌを作成してグラフ上に表示可能としているので、モータ６の出力限界線Ｌも把握した上で変動条件を探索するため、モータ６の限界を超えた変動条件を選択することを防止できる。

なお、本実施形態では、出力限界線Ｌよりも左側の範囲でも抑制効果指標を示しているが、設定値どおりに回転速度を変動できない変動条件領域であるため、それを示唆するために抑制効果指標は表示しなくてもよい。
また、モニタにグラフが表示されると、抑制効果指標や出力限界線も自動的に算出されて表示されるようにしているが、変動値設定部に設けた入力手段により、これらをそれぞれ任意のタイミングで表示させるようにしてもよい。勿論グラフの形態も上記内容に限らず、軸を逆にしたり三次元的に表示したり等の変更は可能である。出力限界線の表示を省略することもできる。
また、変動位置の表示は丸に限らず、他の形状のマーカーを選択したり、現在の変動位置と新たな変動位置とでマーカーの形状を変えたりしても差し支えない。

一方、本実施形態では、最初から回転速度を変動させて加工を行っているが、振動センサによって主軸の振動を検出して得られた振動を所定の閾値と比較してびびり振動の発生を検出する周知の検出手段を搭載した工作機械では、最初は設定した等速度で主軸を回転させて、検出手段によってびびり振動の発生が検出されると、変動値設定部において回転速度の変動振幅と変動周期とを入力することで回転速度を変動させると共に、モニタにグラフ等の変動図を表示させるようにしてもよい。
また、変動振幅及び変動周期をオペレータが変動値設定部によって任意に設定可能としているが、プログラムによって自動的に変動値を設定する場合も抑制効果指標の表示は可能である。
さらに、上記形態では、数５及び数８において、最大回転速度と最小回転速度との差をそれぞれ用いているが、これに限らず、最大回転速度及び最小回転速度に近い値をそれぞれ任意のタイミングで取得して変動振幅と変動周期との関係を算出してもよい。比率を用いる場合も同様である。

さらに、本発明はＮＣ旋盤に限らず、回転速度を変動させて切削加工する工作機械であれば、たとえばマシニングセンタ等も含まれる。よって、工具主軸のみを備えた工作機械においても本発明は同様に適用できる。
また、工具を装着してモータ駆動する工具主軸を備え、その工具主軸の回転速度をワーク主軸の回転速度とともに変動させる工作機械の場合も、上記の数３，数４によって、工具主軸に係るびびり振動の抑制効果指標を併せて表示すればよい。
その他、モニタ装置を構成する記憶部、変動値設定部、モニタを、ＮＣ装置と別にして工作機械と有線又は無線で接続してもよい。この場合、複数の工作機械を１つのモニタ装置で集中管理して変動振幅と変動周期との設定及び抑制効果指標の表示が可能となる。

１・・ＮＣ旋盤、２・・主軸台、３・・主軸、４・・チャック、５・・爪、６・・モータ、７・・エンコーダ、８・・主軸制御部、９・・ＮＣ装置、１０・・記憶部、１１・・変動値設定部、１２・・モニタ、１３・・モニタ装置、Ｗ・・ワーク、Ｌ・・出力限界線。

Claims

工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸と、前記主軸の回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段と、を備えた工作機械において、表示部によって前記回転速度変動手段による前記回転速度の変動状態を表示するモニタ装置であって、
前記回転速度の変動振幅と変動周期との関係を示す変動図を前記表示部に表示する作図手段と、
前記変動図に現在の変動位置を表示する変動位置表示手段と、
びびり振動の抑制効果を表す抑制効果指標を前記変動図上に表示する抑制効果指標表示手段と、を備え、
前記抑制効果指標は、前記主軸の同じ回転位置における任意のタイミングの回転速度とその１回転前の回転速度との比とである速度比と１との差分の絶対値であることを特徴とする工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期あたりの平均値であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期中の最大値であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
前記変動周期と、前記回転速度の基準となる基準回転速度に対して変動させる前記回転速度のうち、互いにタイミングが異なる第１回転速度と第２回転速度との差と、前記工具又は前記ワークと前記主軸とを含む回転体のイナーシャと、前記主軸を駆動するモータの最大出力と、を含む計算式に基づいて、前記モータの出力限界線を作成して前記変動図上に表示する出力限界線表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
前記計算式が以下の数１であることを特徴とする請求項４に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
前記計算式が、前記第１回転速度と前記第２回転速度との比率を含むことを特徴とする請求項４に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
前記計算式が以下の数２であることを特徴とする請求項４又は６に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
前記第１回転速度及び前記第２回転速度のいずれか一方を、前記回転速度の最大値とし、他方を前記回転速度の最小値とすることを特徴とする請求項４乃至７の何れかに記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ装置。
工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸と、前記主軸の回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段と、を備えた工作機械であって、
請求項１乃至８のいずれかに記載の主軸回転速度のモニタ装置を備えることを特徴とする工作機械。
工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸と、前記主軸の回転速度を任意のパターンで連続的に変動させる回転速度変動手段と、を備えた工作機械において、表示部によって前記回転速度変動手段による前記回転速度の変動状態を表示するモニタ方法であって、
前記回転速度の変動振幅と変動周期との関係を示す変動図を前記表示部に表示する作図ステップと、
前記変動図に現在の変動位置を表示する変動位置表示ステップと、
びびり振動の抑制効果を表す抑制効果指標を前記変動図上に表示する抑制効果指標表示ステップと、を実行し、
前記抑制効果指標は、前記主軸の同じ回転位置における任意のタイミングの回転速度とその１回転前の回転速度との比である速度比と１との差分の絶対値であることを特徴とする工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。
変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期あたりの平均値であることを特徴とする請求項１０に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。
変動する前記抑制効果指標が、前記回転速度の変動１周期中の最大値であることを特徴とする請求項１０に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。
前記変動周期と、前記回転速度の基準となる基準回転速度に対して変動させる前記回転速度のうち、互いにタイミングが異なる第１回転速度と第２回転速度との差と、前記工具又は前記ワークと前記主軸とを含む回転体のイナーシャと、前記主軸を駆動するモータの最大出力と、を含む計算式に基づいて、前記モータの出力限界線を作成して前記変動図上に表示する出力限界線表示ステップをさらに実行することを特徴とする請求項１０乃至１２の何れかに記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。
前記計算式が以下の数１であることを特徴とする請求項１３に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。
前記計算式が、前記第１回転速度と前記第２回転速度との比率を含むことを特徴とする請求項１３に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。
前記計算式が以下の数２であることを特徴とする請求項１３又は１５に記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。
前記第１回転速度及び前記第２回転速度のいずれか一方を、前記回転速度の最大値とし、他方を前記回転速度の最小値とすることを特徴とする請求項１３乃至１６の何れかに記載の工作機械における主軸回転速度のモニタ方法。