JP2010274375A - 工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法 - Google Patents

工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】動剛性を高精度で求めることができる工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法を提供すること。
【解決手段】工作機械5における主軸6の動剛性測定装置1は、ホルダ7を介して主軸6に取り付け、主軸6の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタ2と、主軸6の回転速度を測定する回転速度計3と、アンバランスマスタ2に対する所定の軸方向Lの位置であって任意の周方向Cの位置に対向配置して、アンバランスマスタ2の振れ量を測定する振れ量測定器4とを有している。動剛性測定装置1は、回転速度計3によって測定した回転速度と、振れ量測定器4によって測定した振れ量との関係に基づいて、主軸6の動剛性を算出する。
【選択図】図1

Description

本発明は、工作機械における主軸の動剛性を測定する装置及び方法に関する。
工作機械における主軸(スピンドル部分)の動剛性は、工作機械による被加工物の加工精度等を知る上で重要な指標となる。
そのため、例えば、特許文献1の工作機械用スピンドルの動剛性測定方法及び測定装置においては、電磁石及び非接触型変位センサを用い、主軸を回転させた状態で、電磁石の磁気吸引力によって、工作機械用スピンドルの主軸、主軸に取り付けた工具等の測定対象部を非接触状態で加振し、非接触型変位センサによって、加振された測定対象部の変位を非接触状態で測定している。これにより、測定した動剛性に基づいて、被加工物の加工前において、この被加工物に対して迅速に好ましい加工条件を探り出すことができる。
特開平11−19850号公報
しかしながら、上記従来の動剛性の測定方法及び測定装置においては、電磁石の磁気吸引力によって、主軸、主軸に取り付けた工具等の外部から強制的に加振力を与えている。そして、与えた加振力と主軸等に生じた変位との関係より動剛性を算出している。そのため、得られた動剛性の値は、主軸が回転する際に加振力によって主軸等に生じた遠心力の値を誤差として含んでいることになる。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、動剛性を高精度で求めることができる工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法を提供しようとするものである。
第1の発明は、工作機械における主軸の動剛性を測定する装置であって、
ホルダを介して上記主軸に取り付けられ、該主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタと、
上記主軸の回転速度を測定する回転速度計と、
上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に対向配置して、該アンバランスマスタの振れ量を測定する振れ量測定器とを有しており、
上記回転速度計によって測定した上記回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出するよう構成したことを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置にある(請求項1)。
第2の発明は、工作機械における主軸の動剛性を測定する方法であって、
上記主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタを用い、
該アンバランスマスタをホルダを介して上記主軸に取り付け、また、上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に、振れ量測定器を対向配置し、
上記主軸の回転によって上記アンバランスマスタを回転させるときの振れ量を上記振れ量測定器によって測定し、
上記主軸の回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出することを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法にある(請求項4)。
本発明の工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法は、上記アンバランスマスタ、回転速度計及び振れ量測定器を用いることにより、装置の取扱いが容易で、高精度な動剛性の測定を可能にしている。
具体的には、本発明においては、工作機械における主軸の回転によって、ホルダを介して主軸に取り付けたアンバランスマスタを回転させる。このとき、アンバランスマスタの重心位置が主軸の回転中心に対して偏心していることにより、アンバランスマスタに遠心力が作用する。そして、この遠心力によって、アンバランスマスタは、周方向の各部位において均一に径方向へ振れることになる。
これにより、本発明における振れ量測定器は、アンバランスマスタに対する任意の周方向位置に配置して、アンバランスマスタの振れ量を測定することができる。そのため、工作機械の主軸の周方向に対する振れ量測定器の配置位置によって、振れ量に誤差が生じることを防止することができる。
また、本発明においては、アンバランスマスタの回転による遠心力を利用して加振力を発生させている。これにより、加振力を発生させるために、外部から力を与える必要がなく、主軸、ホルダ及びアンバランスマスタとしての回転体自体から生ずる力を利用することができる。そのため、回転速度計によって測定した回転速度と、振れ量測定器によって測定した振れ量との関係に基づいて、主軸の動剛性を算出したときには、この動剛性を高精度で求めることができる。
それ故、第1の発明によれば、動剛性を高精度で求めることができる工作機械における主軸の動剛性測定装置を提供することができる。
また、第2の発明によれば、動剛性を高精度で求めることができる工作機械における主軸の動剛性測定方法を提供することができる。
実施例1における、動剛性測定装置の構成を示す説明図。 実施例1における、第1のアンバランスマスタを示す斜視図。 実施例1における、第2のアンバランスマスタを示す斜視図。 実施例1における、主軸の構成を示す説明図。 実施例1における、動剛性測定方法の流れを示すフローチャート。 実施例1における、主軸の回転速度と遠心力との関係を示すグラフ。 実施例1における、主軸の回転速度と振れ量との関係を示すグラフ。 実施例1における、遠心力と振れ量との関係を示すグラフ。 実施例1における、アンバランスマスタを用いて主軸に加振力を発生させる場合のアンバランスマスタの振れ状態を示す説明図。 従来例における、電磁石を用いて主軸に加振力を発生させる場合のツールの振れ状態を示す説明図。 実施例2における、主軸の振れによって加工時にエンドミルに生ずる位置ずれを示す説明図。 実施例2における、切削抵抗によって加工時にエンドミルに生ずる位置ずれを示す説明図。
上述した本発明の工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法における好ましい実施の形態につき説明する。
上記第1、第2の発明において、上記アンバランスマスタの質量をm、上記主軸の回転中心に対する上記アンバランスマスタの重心位置の偏心量をr、該アンバランスマスタの回転角速度をω、該回転角速度で回転するアンバランスマスタの振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、上記動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出するよう構成することが好ましい(請求項2、5)。
この場合には、工作機械における主軸の動剛性を簡単かつ正確に求めることができる。
また、上記アンバランスマスタは、円柱状素材に対する周方向の一部を軸方向に沿って切り欠いた形状を有していることが好ましい(請求項3、6)。
この場合には、アンバランスマスタの形状が適切であり、振れ量測定器によりアンバランスマスタの振れ量をより正確に測定することができる。また、主軸の回転中心に対する重心位置の設定を容易にすることができる。
以下に、本発明の工作機械における主軸の動剛性測定装置及び動剛性測定方法にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
(実施例1)
本例の工作機械5における主軸6の動剛性測定装置1は、図1、図2に示すごとく、ホルダ7を介して主軸6に取り付け、主軸6の回転中心Oに対して重心位置Aが偏心するアンバランスマスタ2と、主軸6の回転速度を測定する回転速度計3と、アンバランスマスタ2に対する所定の軸方向Lの位置であって任意の周方向Cの位置に対向配置して、アンバランスマスタ2の振れ量を測定する振れ量測定器4とを有している。そして、動剛性測定装置1は、回転速度計3によって測定した回転速度と、振れ量測定器4によって測定した振れ量との関係に基づいて、主軸6の動剛性を算出するよう構成してある。
以下に、本例の工作機械5における主軸6の動剛性測定装置1及び動剛性測定方法につき、図1〜図10を参照して詳説する。
図1に示すごとく、本例の工作機械5は、複数種類のツールをホルダ7によって主軸6に取替え可能に構成したマシニングセンタである。本例の回転速度計3は、工作機械5の主軸6に備え付けられたものである。本例の振れ量測定器4は、アンバランスマスタ2の投影画像を非接触で撮影することによって、アンバランスマスタ2の振れ量を測定するものである。具体的には、本例の振れ量測定器4は、アンバランスマスタ2の回転時の直径を所定のサンプリング間隔で撮影し、アンバランスマスタ2の回転時の直径がアンバランスマスタ2の静止時の直径に対してどれだけ大きくなっているかによって、振れ量を求める。この振れ量r’は、回転時の直径をD1、静止時の直径をD0としたとき、r’=(D1−D0)/2から求めることができる。
振れ量測定器4によってアンバランスマスタ2の全周に対して撮影を行うことができるように、サンプリング間隔は、主軸6の回転周期と同期しない間隔とする。
図2、図3に示すごとく、本例のアンバランスマスタ2は、円柱状素材に対する周方向Cの一部を軸方向Lに沿って切り欠いた形状を有している。アンバランスマスタ2は、円柱状素材に対して切欠を行う角度の範囲を適宜設定することにより、その重心位置Aを変更することができる。図2は、円柱状素材に対して45°の切欠21を設けて形成した第1のアンバランスマスタ2を示し、図3は、円柱状素材に対して90°の切欠21を設けて形成した第2のアンバランスマスタ2を示す。そして、アンバランスマスタ2における重心位置Aを変更することにより、アンバランスマスタ2によって発生させる遠心力を適宜変更することができる。
図4には、駆動源としてのモータ51によって回転する主軸6の構造を示す。主軸6は、モータ51の出力軸に対して連結部(カップリング)52を介して連結したドローバー61によって構成されている。モータ51の出力軸とドローバー61との軸心のずれをカップリング52によって吸収している。ドローバー61は、カップリング52の近傍である上側端部と、下側端部とにおいてベアリング53によって回転可能に支持されている。また、カップリング(連結部)52に近い側に配置した上側のベアリング53Aは、ドローバー61の振れ回りを抑え、ドローバー61への負荷を減らすために、強度が強くしてある。
アンバランスマスタ2又は各種の加工を行うツールは、ホルダ7を介してドローバー61の下側端部に取り付ける。そして、アンバランスマスタ2又はツールの振れの支点は、カップリング52又は上側のベアリング53Aの付近にあると考える。
アンバランスマスタ2又はツールの先端(下端)から連結部(カップリング)52までの距離をXとしたとき、アンバランスマスタ2又はツールの先端から根元までの距離Yは、0.1〜0.2Xの範囲内となる。このとき、仮にアンバランスマスタ2又はツールの先端の振れ量が100μmとすると、根元の振れ量は、80〜90μmとなる。そして、アンバランスマスタ2又はツールの全長を130mmとすると、振れ量測定器4による測定位置が軸方向Lへ1mmずれる際の振れ量の誤差は、0.08〜0.15μm/mmとなり、極めて少ないことがわかる。従って、振れ量測定器4を、アンバランスマスタ2又はツールに対する所定の軸方向Lの位置に対向配置したときに、軸方向Lへのわずかな位置ずれが生じた場合でも、軸方向Lへの位置ずれ誤差は無視できる程度の量となる。
主軸6の動剛性を測定する際には、振れ量測定器4によってアンバランスマスタ2の軸方向Lにおける複数箇所の振れ量を測定し、主軸6の動剛性をアンバランスマスタ2の軸方向Lの位置の平均値として求めることができる。また、主軸6の動剛性は、アンバランスマスタ2の軸方向Lに対する測定位置を加味して、適宜補正して求めることもできる。
図1に示すごとく、本例の動剛性測定装置1は、回転速度計3から回転速度vのデータを受け取ると共に、振れ量測定器4からアンバランスマスタ2の振れ量r’のデータを受け取って、動剛性を算出する計算装置10を備えている。
計算装置10は、アンバランスマスタ2の質量をm、主軸6の回転中心Oに対するアンバランスマスタ2の重心位置Aの偏心量をr、アンバランスマスタ2の回転角速度をω、この回転角速度で回転するアンバランスマスタ2の振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、主軸6の動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出するよう構成してある。また、計算装置10は、アンバランスマスタ2を取り付けた主軸6の回転速度vを変化させたときの振れ量r’を測定すると共に遠心力Fを算出して、図8に示すごとく、主軸6の動剛性Gを、Fとr’との関係ラインMの傾きαとして求めることができる。この関係ラインMの傾きαを求める際には、最小二乗法等によって近似して求めることができる。
次に、アンバランスマスタ2を用いて主軸6の動剛性を測定する方法につき、図5のフローチャートを参照して説明する。
まず、アンバランスマスタ2単体の質量mを測定する(図5のステップS1)。
次いで、アンバランスマスタ2をホルダ7を介して主軸6に取り付け(S2)、振れ量測定器4を主軸6の回転中心Oから所定の距離であって、アンバランスマスタ2の所定の軸方向Lの位置に対向配置する(S3)。このとき、振れ量測定器4は、アンバランスマスタ2の周方向Cに対しては任意の位置に対向配置することができる。
次いで、主軸6を回転させ(S4)、回転速度計3によって主軸6の回転速度vを測定すると共に、振れ量測定器4によってアンバランスマスタ2の径方向への振れ量r’を測定する(S5)。このとき、主軸6の回転速度vを徐々に変化(上昇)させたときの振れ量r’を測定し(S6)、回転速度vと振れ量r’との関係を求める(図7参照)。本例では、主軸6の回転速度vを500(rpm)ずつ増加させた。
そして、振れ量の測定を行った後には(S7)、計算装置10は、CADの設計データより、アンバランスマスタ2における重心の回転半径r(mm)(主軸6の回転中心Oからアンバランスマスの重心位置Aまでの距離r)を読み取り(S8)、測定したアンバランスマスタ2の質量m(kg)を用い、測定を行った回転速度v(回転角速度ω)ごとに、測定した振れ量r’(mm)のデータを用いて、遠心力F(N)を、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出する(S9、図6参照)。このとき、回転角速度ω(rad/sec)は、回転速度をv(rpm)としたとき、ω=v/(2π×60)から求める。
そして、図8に示すごとく、各回転速度vにおける遠心力F(N)と振れ量r’(μm)とをプロットして、Fとr’との関係ラインMの傾きαを最小二乗法によって求める(S10)。これにより、主軸6の動剛性G(μm/N)をG=r’/Fの傾きαとして求めることができる(S11)。
図6は、上述した第1のアンバランスマスタ2(図2)と第2のアンバランスマスタ2(図3)とについて、主軸6の回転速度v(rpm)と遠心力F(N)との関係をプロットしたグラフを示し、図7は、上述した第1のアンバランスマスタ2(図2)と第2のアンバランスマスタ2(図3)とについて、主軸6の回転速度v(rpm)とアンバランスマスタ2の振れ量r’(μm)との関係をプロットしたグラフを示す。各図より、遠心力F及び振れ量r’は、回転速度vの増加に伴って二乗関数的に増加することがわかる。
図8は、遠心力F(N)とアンバランスマスタ2の振れ量r’(μm)との関係をプロットしたグラフを示す。同図より、アンバランスマスタ2の振れ量r’は、遠心力Fにほぼ比例していることがわかる。そして、この関係ラインMの傾きαを、主軸6の動剛性Gとして求めることができる。
本例の工作機械5における主軸6の動剛性測定装置1及び動剛性測定方法は、アンバランスマスタ2、回転速度計3及び振れ量測定器4を用いることにより、装置の取扱いが容易で、高精度な動剛性の測定を可能にしている。
具体的には、本例においては、工作機械5における主軸6の回転によって、ホルダ7を介して主軸6に取り付けたアンバランスマスタ2を回転させる。このとき、アンバランスマスタ2の重心位置Aが主軸6の回転中心Oに対して偏心していることにより、アンバランスマスタ2に遠心力Fが作用する。そして、この遠心力によって、アンバランスマスタ2は、周方向Cの各部位において均一に径方向へ振れることになる。
これにより、本例における振れ量測定器4は、アンバランスマスタ2に対する任意の周方向Cの位置に対向配置して、アンバランスマスタ2の振れ量r’を測定することができる。そのため、工作機械5の主軸6の周方向Cに対する振れ量測定器4の配置位置によって、振れ量r’に誤差が生じることを防止することができる。
また、本例においては、アンバランスマスタ2の回転による遠心力Fを利用して加振力を発生させている。これにより、加振力を発生させるために、外部から力を与える必要がなく、主軸6、ホルダ7及びアンバランスマスタ2としての回転体自体から生ずる力を利用することができる。そのため、回転速度計3によって測定した回転速度v(回転角速度ω)と、振れ量測定器4によって測定した振れ量r’との関係に基づいて、主軸6の動剛性Gを算出したときには、この動剛性Gを高精度で求めることができる。
図9は、本例のアンバランスマスタ2を用いて主軸6に加振力を発生させる場合を示し、図10は、従来の電磁石91を用いて主軸6におけるツール92に加振力を与える場合を示す。
図10において、電磁石91を用いて加振力をツール92に与える場合には、ツール92は、回転しながら、電磁石91と反対方向へ振れることになる。この場合、ツール92に対して電磁石91と反対方向から振れ量sを測定するときには、振れ量測定器4の位置が電磁石91に対向する位置からわずかに横方向Wにずれるだけで、振れ量sに誤差が生じる。
一方、図9において、アンバランスマスタ2を回転させるときには、アンバランスマスタ2は遠心力によって周方向Cの全方位に均等に加振されることになる。そのため、振れ量測定器4を、回転中心Oから一定の距離で、アンバランスマスタ2に対する任意の周方向Cの位置に対向配置したときでも、測定する振れ量r’にほとんど誤差が生じないことがわかる。なお、D0は、静止時のアンバランスマスタ2の直径を示し、D1は、回転時のアンバランスマスタ2の直径を示し、Eは、アンバランスマスタ2が振れる範囲を示す。
また、上記測定を行った動剛性の値は、工作機械(加工機)における種々の評価基準として用いることができる。
例えば、動剛性の値は、工作機械の評価基準として、工作機械の性能をランク分けする場合の項目として利用できる。また、動剛性の値は、加工条件を設定する際に、使用するツールが決まっていれば、必要とする加工精度を満たす加工条件を決定するための指標となる。また、動剛性の値は、加工精度を推定する際に、使用するツール、加工条件が決まっていれば、加工を行った場合の推定加工精度の算出ができる。この加工精度の推定をする際には、工作機械に取り付けるツールが必要とする加工精度を満たすか否かの判定を行うことができる。
また、動剛性の値は、使用するツール、加工条件に基づいて、加工時のツールの振れ、切削抵抗による主軸の変位を推定して算出するために用い、加工精度の補償を行うことができる。また、動剛性の値は、加工条件が決まっていれば、ツールの設計基準として、必要とする加工精度を満たすツールバランスの指標となる。さらに、動剛性の値は、加工条件、必要な加工精度が決まっていれば、どの程度のバランスのツールを選定すればよいかの指標となる。
(実施例2)
本例においては、測定した動剛性Gを用いて、工作機械5の加工精度補償を行う例を示す。また、本例においては、工作機械5において、加工ツールとしてのエンドミル2Aを用いる場合を示す。
動剛性測定装置1の計算装置10は、エンドミル2Aの質量mを測定するか又は設計データから読み込み、エンドミル2Aのバランスr(主軸の回転中心Oからエンドミル2Aの重心位置Aまでの距離)を設計データから読み込み、また加工時の主軸6の回転速度vのデータを読み込む。
次いで、予め求めてある主軸6の動剛性Gの値を用い、エンドミル2Aによる加工時に生ずると推定されるエンドミル2Aの振れ量r’を、G=r’/F=r’/{(G×m×(r+r’)×ω2}の式を変形して、r’=(G×m×r×ω2)/(1−G×m×ω2)より算出する。そして、切削抵抗を加味して、加工時のエンドミル2Aの位置ずれ量を算出する。これにより、エンドミル2Aで加工を行う際の推定加工誤差が算出され、この推定加工誤差を見込んで、エンドミル2Aの加工位置を補正する。
図11には、主軸6の振れによって加工時にエンドミル2Aに位置ずれが生じることにより、ワーク8に対して加工を行う実際の加工ラインK’が、目標とする加工ラインKからずれることを示す。また、図12には、エンドミル2Aへの切削抵抗によって加工時にエンドミル2Aに位置ずれが生じることにより、ワーク8に対して加工を行う実際の加工ラインK’が、目標とする加工ラインKからずれることを示す。これらに対し、エンドミル2Aの加工位置の補正を行ったときには、実際の加工ラインK’を目標とする加工ラインKにほとんど合わせることができる。
このように、工作機械5における主軸6の動剛性Gを高精度で求めることができれば、ワーク8に対する加工精度を向上させることができる。
1 動剛性測定装置
10 計算装置
2 アンバランスマスタ
21 切欠
3 回転速度計
4 振れ量測定器
5 工作機械
6 主軸6
7 ホルダ
O 回転中心
A 重心位置

Claims (6)

  1. 工作機械における主軸の動剛性を測定する装置であって、
    ホルダを介して上記主軸に取り付けられ、該主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタと、
    上記主軸の回転速度を測定する回転速度計と、
    上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に対向配置して、該アンバランスマスタの振れ量を測定する振れ量測定器とを有しており、
    上記回転速度計によって測定した上記回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出するよう構成したことを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置。
  2. 請求項1において、上記アンバランスマスタの質量をm、上記主軸の回転中心に対する上記アンバランスマスタの重心位置の偏心量をr、該アンバランスマスタの回転角速度をω、該回転角速度で回転するアンバランスマスタの振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、
    上記動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出するよう構成したことを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置。
  3. 請求項1又は2において、上記アンバランスマスタは、円柱状素材に対する周方向の一部を軸方向に沿って切り欠いた形状を有していることを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定装置。
  4. 工作機械における主軸の動剛性を測定する方法であって、
    上記主軸の回転中心に対して重心位置が偏心するアンバランスマスタを用い、
    該アンバランスマスタをホルダを介して上記主軸に取り付け、また、上記アンバランスマスタに対する所定の軸方向位置であって任意の周方向位置に、振れ量測定器を対向配置し、
    上記主軸の回転によって上記アンバランスマスタを回転させるときの振れ量を上記振れ量測定器によって測定し、
    上記主軸の回転速度と、上記振れ量測定器によって測定した上記振れ量との関係に基づいて、上記主軸の動剛性を算出することを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法。
  5. 請求項4において、上記アンバランスマスタの質量をm、上記主軸の回転中心に対する上記アンバランスマスタの重心位置の偏心量をr、該アンバランスマスタの回転角速度をω、該回転角速度で回転するアンバランスマスタの振れ量をr’としたとき、遠心力Fを、F=m×(r+r’)×ω2に基づいて算出し、
    上記動剛性Gを、G=r’/Fに基づいて算出することを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法。
  6. 請求項4又は5において、上記アンバランスマスタは、円柱状素材に対する周方向の一部を軸方向に沿って切り欠いた形状を有していることを特徴とする工作機械における主軸の動剛性測定方法。
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