JP2006305683A

JP2006305683A - 制振手段付工作機械

Info

Publication number: JP2006305683A
Application number: JP2005131790A
Authority: JP
Inventors: Seiji Furuhashi; 静児古橋; Koji Takenaka; 晃治武仲; Tokio Kamata; 都喜生鎌田
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09
Also published as: DE602006003008D1; EP1716969B1; EP1716969A1

Abstract

【課題】あらゆる条件において高速で移動する送り軸により生じる振動を抑制することのできる工作機械の提供を目的とする。
【解決手段】加工プログラムに基づいて駆動される工作機械本体に制振手段と、予め記憶された振動情報に基づいて制振手段を制御する制振制御手段とを設け、制振手段は加工プログラム記憶部１２より入力された制御信号に基づき工作機械の送り速度などの動作条件に対応する振動情報を振動情報記憶部１６と、振動情報記憶部１６より読み出した振動情報に基づき制御信号を出力する制振指令発生部１７と、制御信号に基づき制振手段８を制御する制振手段駆動制御部１８とを有し、工作機械の送り速度などの動作条件に対応する振動情報に基づいて制振手段８を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の振動を強制的に抑制することのできる工作機械に関する。

従来より、工作機械の稼働時には、工作物や工具を移動させる際、或いは切削時に振動を生じ、この振動が工具に伝搬して加工精度や加工面品位に影響を及ぼすことが知られている。一方で工作機械は、非常に高い加工精度を要求されており、こうした要求を満たすために、機械を構成する部品の素材の選定や、各部品間の取り付け部の剛性を高くするなど、様々な工夫をして設計されている。

また、こうした振動対策の１つとして、特許文献１が知られている。このものは、切削時に切削点より生じた振動が工作機械の固有振動数と一致した際に共振により切削精度が低下することの防止を目的として、コラムにセンサーを設け、センサーにより検知した振動と逆位相の振動を振動発生器により加振するものである。

特開平４−３０９３８号

ところで、近年は加工の高能率化の為、工作物或いは工具を支持する移動体、例えば主軸頭やテーブル、コラム、門形マシニングセンタのクロスレール、旋盤の主軸台や刃物台など、工作機械の移動体の移動速度を向上させる要求が強く、これに対応してこうした移動体の送り速度や加減速度の向上が行なわれてきた。また、移動体の加減速度の向上に伴い移動体の反作用を受ける工作機械本体の剛性の向上や移動体の軽量化を計ってきた。同時に、加工のより高精度化、加工面の面品位向上への要求も強く、これに対応して、さらに、機械剛性を向上させるなどにより加工面品位の向上も計られるようになってきた。

従来の工作機械本体の剛性の向上や移動体の軽量化では当初、予定していた以上に加減速度を向上させると工作機械本体の剛性が足りなくなり、工作機械の主軸に取り付けた工具部分での振動が発生する。このため、加減速度向上の都度、工作機械本体の剛性向上が必要であった。工作機械本体の剛性向上を怠ると、工具部分での振動が残り、加工面品位が低下したり、加工面品位が低下しないように振動が減衰するまでの待ち時間が必要となり、加工の高効率化を阻害する要因となっている。さらに機械剛性向上は、機械の大型化や切削空間の減少となり、機械の据付面積の最小化要求、切削空間拡大要求等の市場要求を満たすことができない。こうした点を考慮して剛性向上をはかるには機械構造を複雑にし、組立時間や保守メンテ時間の増加を招き、又、本機価格も高価となってしまうという問題を生じていた。

また、特許文献１のものでは、振動が発生したことを検知してから加振するものであるので、重切削など加工点での振動が大きい場合にはその振動を検知できるが、例えば仕上げ加工を行っている場合の送りに伴う振動は検知できず、加振による制振ができないという課題があった。

さらに、上述の高速化の要望には、金型表面の仕上げ加工など加工面の精度や面品位を要求されることが多いにもかかわらず、特許文献１の手法では、仮に振動が検知できた場合であっても、少なくとも最初の振動を抑制することはできず、振動による主軸の変位が工具に伝わり加工点をずらせることになり、この結果、加工面に凹凸が生じ、結果として所定の精度、面品位が得られないという問題があった。

本発明は上述の課題を解決するもので、その目的とするところは、あらゆる条件において高速で移動する送り軸により生じる振動を抑制することのできる工作機械の提供を目的とする。

上述の課題を解決するために本発明の制振手段付工作機械は、加工プログラムに基づいて駆動される工作機械において、工作機械本体に制振手段と、予め記憶された振動波形に基づいて制振手段を制御する制振制御手段と、を設けたことを特徴とする。

ここで、前記制振制御手段が、工作機械の移動体の移動時に工作機械本体に生じる振動情報を記憶する振動情報記憶部と、工作機械の稼働時に読み込まれた移動体の移動指令に基づいて、その移動指令により工作機械に生じる振動に対応する振動情報を振動情報記憶部より読み込み、工作機械に生じる振動と逆位相の振動の制御信号指令を発生する制振指令発生部と、制振指令発生部の指令に基づいて制振手段を駆動する制振手段駆動制御部と、を有するようにすることができる。また、工作機械本体を構成する構成要素の上部に制振手段を設けるのが好ましい。

本発明によれば、工作機械に制振手段を設けることにより、工作機械本体で発生する振動とは逆位相の振動を与える事で工具部分の振動の減衰時間が短くなる、又は、工作機械本体で発生する振動とは逆位相の振動を与える事で工作機械本体の振動が除去され主軸部の振動も発生しない。このため工具部分の振動に対する減衰を待つ時間を短くすることができる、又はなくすことができる。また、工具部分の振動に伴う加工面品位の低下も発生しない。加減速度アップに伴う都度行なわれた本機剛性アップ設計も必要無くなる。

また、現状の本機剛性での振動抑制、除去に必要な制振手段を付加するだけで良いので、既に稼働中の工作機械にも制振手段を付加する事で、振動を抑制または除去することができ、加工面品位の向上も図られる。

さらに、工作機械の複雑な機構を要さない為、組立時間や保守メンテ時間の増加を招かない。機械剛性アップによる据付面積の増加や、切削空間の減少が無い。

また、請求項１または２の発明によれば、予め記憶された振動波形に基づいて制振手段を制御する制振制御手段を設けているので、振動が発生する瞬間より、その振動を抑制または排除するように制振手段を働かせることができ、加工面に凹凸を生じさせることがなく、結果として所定の精度、面品位を向上させることができる。

また、請求項３の発明によれば、工作機械本体を構成する構成要素の上部に制振手段を設けたので、制振手段を設けたので、コンパクトな制振手段で、効果的に振動を抑制、排除することができる。コンパクトな制振手段となることにより、既設の工作機械への適用が一層容易となるという効果を奏する。

図１は本発明の工作機械の一例として門形マシニングセンタの機械構成を示すもので、門形マシニングセンタ１は、移動体であるテーブル３を前後方向（Ｘ軸方向）に移動可能に保持したベッド２の左右（Ｙ軸方向）に構造物であるコラム４が立設され、２本のコラム４が互いに対向する面に形成されたガイド（図示せず）上を上下方向（Ｚ軸方向）に移動位置決め可能に移動体であるクロスレール５が載架されており、クロスレール５には左右（Ｙ軸方向）に移動可能に移動体である主軸頭６が設けられている。主軸頭６には主軸７が上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。以上の点は公知の門形マシニングセンタと同様であり、ベッド、てーぶる、コラム、クロスレール、主軸頭などの構成要素から工作機械本体が形成されている。

門形マシニングセンタ１には、制振手段８が取り付けられている。制振手段８による制振は、本来ならば、移動体の近傍で行い、他の部材に振動を伝搬させないのが最も望ましいが、その場合には、移動体の重量とほぼ同等の重量物による振動を要求される。工作機械、特に門形マシニングセンタのように比較的大型のマシニングセンタにあっては、テーブルのみでも数トン、テーブル上に載置される工作物を含めると数十トンにもなり、これと同等の重量物を制振のために設けることは現実的に見て不可能である。

一方、工作機械では、比較的重量のある移動体は水平方向に移動させ、比較的軽量の移動体を垂直方向に移動させるのが一般的であり、図１の門形マシニングセンタにおいても、テーブルは地面に固定されるベッド上に直接載置される形態を採用している。

このことから、重量物から離れた位置、一般には地面から離れた位置に制振手段を設けるのが好ましいことになる。このため、本発明においては制振手段をコラム上部に設けることとしている。尚、制振手段としては、例えば特許株式会社製の制振装置、商品名「ω２」など市販の機器を使用することができる他、機械に生じる振動に応じ、同様の装置を用いることができる。

図２は本発明の工作機械の制御回路を示すブロック線図である。図２において９は数値制御装置の一部を構成する公知の数値制御手段であって、外部から加工プログラムなどの情報を入力する入力部１０と、入力部１０より入力された加工部ログラムを記憶する加工プログラム記憶部１１と、入力部１０より入力された指令に基づいて加工プログラムを解析する加工プログラム解析部１２と、加工プログラム解析部１２により解析された加工プログラムに基づいて工作機械の駆動軸のサーボモータ１４などを制御する駆動制御部１３とを有している。

１５は制振制御手段であって、入力部１０から入力された、工作機械の送り速度に対応する振動情報を記憶する振動波形記憶部１６と、加工プログラム解析部１２から出される工作機械の移動体の移動指令に基づいて振動情報記憶部１６に記憶された振動情報を読み出し、制振手段８を駆動する駆動指令を出力する制振指令発生部１７と、制振指令発生部１７の指令に基づいて制振手段８を駆動する制振手段駆動制御部１８とを有している。

本発明の実施に際しては、予め、工作機械の移動体の移動時に生じる振動情報を測定しておく必要がある。このため、図３に示すように門形マシニングセンタ１に振動を検出する検出器１９ａ、１９ｂを取り付け、予め工作物を想定した所定の重量物を載置したテーブル３を様々な送り速度、例えばテーブル送り速度が５ｍ／ｍｉｎ刻みで上限まで変化させた各条件において移動させ、テーブル３の移動の際に生じる振動波形などの振動情報を測定しておく。

ここで、検出器は、制振手段を取り付ける位置またはその近傍が望ましい。また、検出器は、各位置にＸ軸方向の振動を検出する検出器１９ａとＹ軸方向の振動を検出する検出器１９ｂとを配置している。送り軸の駆動による振動は移動体の重量が大きいほど生じやすい。前述のように比較的軽量な構造物を垂直方向に駆動するので、これにより生じる振動の影響は小さい。このことから、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の振動を測定し、制振することが、費用対効果の面で最も効果的であるといえる。勿論垂直方向振動を制振するために、そのための制振装置、制振装置を駆動する条件を測定するための測定時に垂直方向の検出器を設けるようにしても良い。

また、地面に対するベッドの固定の状態によっては、門形マシニングセンタ１全体が地面に対して振動している可能性も生じるので、ここでは、門形マシニングセンタ近傍の地面にも検出器１９ａ、１９ｂを設けている。地面に対するベッドの固定の状態や、要求される制振能力によっては省略することもできる。

このように検出器を取り付けた状態で、門形マシニングセンタ１のテーブル３、主軸頭６などを、様々な速度で駆動し、各送り速度で駆動した際に生じた振動を、検出器１９ａ、１９ｂにより検出し、測定装置２０に記録する。記録された振動波形は、入力部１０より制振制御手段１５に入力し、振動情報記憶部１６に記憶させておく。

続いて本発明の作用について説明する。門形マシニングセンタ１において加工を実施するなどの駆動指令がなされると、指令された加工プログラムに基づいて、加工プログラム解析部１２が駆動制御部１３と制振指令発生部１７に制御信号を送出する。駆動制御部１３では制御信号をサーボモータ１４の供給電流に変換し、サーボモータ１４に電力供給する。

一方、制振指令発生部１７では、加工プログラム記憶部１２より入力された工作機械の送り速度指令値に対応する振動情報を振動情報記憶部１６より読み出し、制振手段駆動制御部１８に制御信号を出力する。ここで、指令された送り速度が測定時の条件と同一でない場合には、動作条件に近い測定条件から求めるようにすれば良い。測定条件が送り速度で５ｍ／ｍｉｎ毎であった場合、加工時の送り速度指令が１２ｍ／ｍｉｎであれば、１０ｍ／ｍｉｎと１５ｍ／ｍｉｎでの測定時の振動情報から内挿して求めることができる。制振手段駆動制御部１８では、制御信号に基づいて制振手段８を制御する。

以上により、工作機械本体に生じる振動とは逆位相の振動を与える事ができ、振動の減衰時間を短く、又は、除去することができる。

尚、振動情報の測定について、上述の実施形態では、テーブルの送り速度の変化を例に述べたが、ワークや段取り、治具などの変更を考慮してテーブル上に載置される物の重量を変更したり、加速度を変更したり、或いはクロスレールの上下方向位置、主軸頭の左右方向位置、主軸の上下方向位置、主軸に装着される工具やアタッチメントなどを変更したり、各部に設けられたクランプやブレーキなどの手段がある場合にはこうした手段の作動非作動を変えたり、更には移動体駆動用のモータの制御系に絶対値検出器などを別途備えた機械にあってはそうした別途設けた手段の機能の作動非作動を変えるなど、様々な要素を変化させることにより、様々な条件を段階的に変化させて振動情報を測定し、こうした各種条件、或いはその際のモータ電流値などの条件の情報と共に記憶するのが好ましい。

また、事前に測定し記録された振動と、制振手段により発生される振動は逆位相でなければならないが、検出器１９ａ、１９ｂで検出された測定値から逆位相に変換した振動情報を予め振動情報記憶部１６に記憶するようにしても良いし、制振指令発生部部１７あるいは制振手段駆動制御部１８で逆位相に変換するようにしても良い。

また、加工プログラム解析部１２より制振指令発生部１７に入力される情報は、プログラム上の送り速度指令値の他、加速度またはトルクなどの指令値でも良い。また、サーボモータに送られる電流に対応する情報でも良く、測定時に振動情報と共に記憶させた条件の情報に対応する形態であれば良い。尚、モータに加えられる電流に対応する情報である場合には、加工プログラム解析部１２に代えて駆動制御部１３から出力するようにしても良い。また、本発明はテーブル３に限定されるものではなく、主軸頭の左右移動など工作機械の他の移動体においても適用することができる。その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であることはいうまでもない。

本発明を適用した門形マシニングセンタの斜視図である。本発明の制御回路を示すブロック線図である。本発明を適用する際に予め振動を検出する際の門形マシニングセンタの斜視図である。

符号の説明

１・・・門形マシニングセンタ
２・・・ベッド
３・・・テーブル
４・・・コラム
５・・・クロスレール
６・・・主軸頭
７・・・主軸
８・・・制振手段
９・・・数値制御手段
１０・・・入力部
１１・・・加工プログラム記憶部
１２・・・加工プログラム解析部
１３・・・駆動制御部
１４・・・サーボモータ
１５・・・制振制御手段
１６・・・振動情報記憶部
１７・・・制振指令発生部
１８・・・制振手段駆動制御部
１９ａ，１９ｂ・・・検出器
２０・・・測定装置

Claims

加工プログラムに基づいて駆動される工作機械において、
工作機械本体に制振手段と、
予め記憶された振動波形に基づいて制振手段を制御する制振制御手段と、
を設けたことを特徴とする制振手段付工作機械。
前記制振制御手段が、
工作機械の移動体の移動時に工作機械本体に生じる振動情報を記憶する振動情報記憶部と、
工作機械の稼働時に読み込まれた移動体の移動指令に基づいて、その移動指令により工作機械に生じる振動に対応する振動情報を振動情報記憶部より読み込み、工作機械に生じる振動と逆位相の振動の制御信号指令を発生する制振指令発生部と、
制振指令発生部の指令に基づいて制振手段を駆動する制振手段駆動制御部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の制振手段付工作機械。
工作機械本体を構成する構成要素の上部に制振手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の制振手段付工作機械。