JP2013063497A - 工作機械における回転軸回転速度のモニタ方法及びモニタ装置、工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】びびり振動の抑制に対して回転軸の回転速度にかかわらず最適な変動周期を表示し、短時間で容易に最適なパラメータに設定可能とする。
【解決手段】回転速度を変動させると、モニタ１４には、回転速度の変動振幅Ｑと変動周期Ｐとの関係を示す変動図２０が表示され、変動図２０には、現在の設定値Ａの他、変動振幅Ｑと変動周期Ｐとの設定可能範囲２１と、以下の式（１）に基づいた最適変動周期Ｐ_Ｏ及び／又は式（２）に基づいた変動周期Ｐの最適範囲Ｐ_１が表示される。Ｔは回転軸の回転周期、ａ，ａ_ｍｉｎ，ａ_ｍａｘは予め設定される係数である。
Ｐ_Ｏ＝ａＴ ・・・（１）
ａ_ｍｉｎＴ≦Ｐ_１≦ａ_ｍａｘＴ ・・・（２）
【選択図】図４

Description

本発明は、工具又はワークを装着してモータ駆動する回転軸と、その回転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監視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。

工作機械を用いて低剛性の被加工物を加工する場合や、低剛性の工具を使用する加工においては、切削中にびびり振動と呼ばれる激しい振動がしばしば発生する。びびり振動は、加工面に一般にびびりマークと呼ばれる周期的な模様を発生させ、仕上げ面性状や加工精度の劣化を引き起こす。また、周期的に切削力が変動するため、騒音が発生し、工具の摩耗や欠損などを引き起こすことがあるため問題となる。
そこで、びびり振動の抑制手法として、回転軸の回転速度を変動させる技術が以下に示す特許文献１に提案されている。また、特許文献２には、びびり振動が発生した場合に、回転速度変動制御画面を表示している状態で、回転速度の変動幅、変動率を工具毎に入力可能にすることで、制御装置を簡単に操作できるようにした発明が記載されている。 一方、本件出願人は、先願である特願２０１０−２３５７２０号において、回転速度変動切削において再生型びびり振動に効果のあるパラメータの値を表示し、簡単にパラメータを決定できるようにした発明を提供している。

特開昭４９−１０５２７７号公報 特開２０００−１２６９９１号公報

しかしながら、従来、回転軸の回転速度を周期的に変動させるに際して、上述したように変動周期をびびり振動に効果があるとされる動作可能な範囲内の最小の値に設定した場合も、回転速度によってはびびり振動が最小とならない場合があった。このために、オペレータはびびり振動を抑制するための最適な変動周期を必ずしも正確に知ることができず、最適なパラメータの探索に時間がかかることがあった。

そこで、本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、びびり振動の抑制に対して回転軸の回転速度にかかわらず最適な変動周期を表示し、短時間で容易に最適なパラメータに設定可能となる工作機械における回転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回転軸と、その回転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監視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、前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲を前記変動図上に表示する設定範囲表示ステップと、以下の式（１）に基づいた最適変動周期及び／又は式（２）に基づいた変動周期の最適範囲を前記変動図上に表示する変動周期表示ステップと、を実行することを特徴とする。
Ｐ_Ｏ＝ａＴ ・・・（１）
ａ_ｍｉｎＴ≦Ｐ_１≦ａ_ｍａｘＴ ・・・（２）
Ｐ_Ｏ：最適変動周期［ｓ］
Ｐ_１：変動周期の最適範囲［ｓ］
Ｔ：回転軸の回転周期［ｓ］
ａ，ａ_ｍｉｎ，ａ_ｍａｘ：予め設定される係数
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記設定範囲表示ステップでは、前記モータの変動周期の電力限界線と、予め設定される前記変動振幅の上限値線とで囲まれる範囲を前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲として表示することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記変動位置表示ステップで表示される現在の変動位置が、前記変動周期表示ステップで表示される前記最適変動周期又は前記最適範囲と異なる場合は、前記現在の変動位置を前記最適変動周期又は前記最適範囲に向けて案内する案内表示を表示する案内表示ステップをさらに実行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４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回転軸と、その回転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監視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、前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲を前記変動図上に表示する設定範囲表示手段と、以下の式（１）に基づいた最適変動周期及び／又は式（２）に基づいた変動周期の最適範囲を前記変動図上に表示する変動周期表示手段と、を備えることを特徴とする。
Ｐ_Ｏ＝ａＴ ・・・（１）
ａ_ｍｉｎＴ≦Ｐ_１≦ａ_ｍａｘＴ ・・・（２）
Ｐ_Ｏ：最適変動周期［ｓ］
Ｐ_１：変動周期の最適範囲［ｓ］
Ｔ：回転軸の回転周期［ｓ］
ａ，ａ_ｍｉｎ，ａ_ｍａｘ：予め設定される係数
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、前記設定範囲表示手段では、前記モータの変動周期の電力限界線と、予め設定される前記変動振幅の上限値線とで囲まれる範囲を前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲として表示することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５の構成において、前記変動位置表示手段で表示される現在の変動位置が、前記変動周期表示手段で表示される前記最適変動周期又は前記最適範囲と異なる場合は、前記現在の変動位置を前記最適変動周期又は前記最適範囲に向けて案内する案内表示を表示する案内表示手段をさらに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７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回転軸と、その回転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４乃至６の何れかに記載の回転軸回転速度のモニタ装置を備えることを特徴とする。

請求項１及び４，７に記載の発明によれば、オペレータは、表示部における表示にもとづいて、どのような回転速度での切削においても、びびり振動の抑制効果が高い変動切削パラメータを短時間で効率的に見つけることができ、最適なパラメータで回転軸の回転速度の変動振幅及び変動周期を変更することができる。
請求項２及び５に記載の発明によれば、上記効果に加えて、モータの最大電力を考慮した適切な設定可能範囲が選択可能となる。
請求項３及び６に記載の発明によれば、上記効果に加えて、オペレータは、びびり振動の抑制効果が高いパラメータの変更手順を簡単に認識することができる。

ＮＣ旋盤の概略構成図である。 主軸回転速度の変動例を示す説明図である。 実験結果のグラフである。 モニタの表示例を示す説明図である。 変動図の別の表示例を示す説明図である。 変動図の別の表示例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を把握する回転軸としての主軸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工作機械制御部で、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、工作機械制御部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に供給する電力を調整している。

また、工作機械制御部９には、回転速度の変更等を指令するための入力手段１０と、加工プログラム等を記憶する記憶部１１と、びびり振動を抑制するための最適なパラメータを演算するパラメータ演算部１２と、パラメータ演算部１２で演算されたパラメータや後述する変動図を表示部であるモニタ１４に表示させるパラメータ表示制御部１３とが接続されている。この工作機械制御部９は、主軸３を回転させながら図示しない刃物台に固定された工具をワークＷに切込み、刃物台を半径方向又は長手方向に送り、切削加工を行う周知の構成である。

工作機械制御部９は、入力手段１０により、主軸３の回転速度、主軸３の変動振幅及び変動周期をそれぞれ入力することにより、図２に示すように、主軸３の回転速度を指定した変動振幅及び変動周期で変動させることができる。すなわち、工作機械制御部９は回転速度変動手段としても機能する。
この主軸回転速度の変動切削において、びびり振動の抑制に最適な変動周期は、切削実験により求めることができる。例えば主軸３に固定したワークＷをボーリングバーで切削を行い、切削中の振動をボーリングバーに設置した振動計で測定しながら入力手段１０で変動周期を変更することで、振動が最も小さくなる最適変動周期を見つけることができる。図３は実験で求めた変動周期とびびり振動の大きさとの関係を示す図で、主軸３の回転周期をＴとすると、最適変動周期Ｐ_Ｏを以下の式（１）のように表すことができる。ａは、例えば前記切削実験の手段で実験的に求める係数である。

Ｐ_Ｏ＝ａＴ ・・・（１）
Ｐ_Ｏ：最適変動周期［ｓ］
Ｔ：主軸回転周期［ｓ］

次に、本発明の要部となるパラメータ表示制御部１３によるモニタ１４への表示について説明する。パラメータ表示制御部１３が、作図手段、変動位置表示手段、設定範囲表示手段、変動周期表示手段、案内表示手段として機能し、モニタ１４と合わせて本発明のモニタ装置を構成する。
まず、このＮＣ旋盤１においても、工具に設置した図示しない振動センサで加工中の時間領域の振動を検出してびびり振動の発生の有無を監視しており、モニタ１４では振動センサの波形がリアルタイムで表示されて、びびり振動の発生状況が認識できるようになっている。

びびり振動の発生が確認されると、入力手段１０による指令により、モニタ１４には、図４に示すように、メインプログラムや主軸３の現在位置等の基本表示に加えて、変動振幅Ｑを縦軸に、変動周期Ｐを横軸にそれぞれとった変動図２０が表示される（作図ステップ）。また、ここではパラメータとして、基準回転速度Ｓ_Ｏ、変動振幅Ｑ及び変動周期Ｐ、最適変動周期を求めるための係数ａ、最小係数ａ_ｍｉｎ及び最大係数ａ_ｍａｘがそれぞれ表示されると共に、変動図２０上に、モータ６の電力限界線Ｌ１と変動振幅Ｑの上限値線Ｌ２とが表示されている（設定範囲表示ステップ）。この電力限界線Ｌ１と変動振幅Ｑの上限値線Ｌ２とで囲まれる下側のエリアが各パラメータの設定可能範囲２１となっている。
よって、オペレータは、びびり振動が発生した際に所定のパラメータを入力することで、パラメータの値に応じた変動振幅Ｑ及び変動周期Ｐで主軸３の回転速度を変動させることができる。この場合、変動図２０上には現在の変動位置である設定値Ａが黒丸で表示される（変動位置表示ステップ）。

ところで、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。そのため、回転速度の変動振幅Ｑを大きく、変動周期Ｐ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。そこで、パラメータ表示制御部１３では、例えば下記の式（３）によってモータ６の最大入力電力から決まる変動可能な変動振幅Ｑと変動周期Ｐの限界線、すなわち変動周期Ｐの電力限界線Ｌ１を算出して表示している。一方、変動振幅Ｑの上限値は、モニタ１４の下部に表示される上限値設定ボタン２２を押すことで図示しない入力画面が表示されて入力可能となる。

また、図４の変動図２０では、再生型びびり振動を抑制するにあたって、あらかじめ設定した係数ａと式（１）とから与えられる最適変動周期Ｐ_Ｏと、係数ａ_ｍｉｎ、ａ_ｍａｘと主軸回転周期Ｔとを用いて以下の式（２）で与えられる変動周期の最適範囲Ｐ_１とが併せて表示されている（変動周期表示ステップ）。
ａ_ｍｉｎＴ≦Ｐ_１≦ａ_ｍａｘＴ ・・・（２）
さらにここでは、びびり振動を抑制するにあたって最適なパラメータは、推奨値Ｂとして白丸でプロットされる。この推奨値Ｂは、変動周期Ｐが式（１）で求める最適変動周期Ｐ_Ｏ、変動振幅Ｑがパラメータの設定可能範囲２１の最大値であって、モニタ１４の下部に表示される推奨値ボタン２３を押すことで、瞬時に推奨値Ｂに変更できるようになっている。

なお、推奨値ボタン２３で設定したパラメータでもびびり振動を抑制できない場合、振動センサの波形を見ながら変動周期Ｐをａ_ｍｉｎＴ≦Ｐ_１≦ａ_ｍａｘＴの範囲内で調整し、びびり振動が最も小さくなる変動周期Ｐに調整することで、短時間の調整でびびり振動の抑制効果を最大限に引き出すことが可能になる。モニタ１４の下部には、変動振幅Ｑの調整ボタン２４，２４と変動周期Ｐの調整ボタン２５，２５とが表示されている。

但し、変動振幅Ｑについては、大きくしすぎると、低速時または高速時に切削速度が工具の推奨切削速度と異なってしまうことから、びびり振動を抑制可能な範囲でできるだけ小さい値にすることが望ましい。よって、現在の設定値Ａが最適範囲Ｐ_１に含まれない場合は、入力手段１０による入力指令に基づいて、図４に示すように、現在の設定値Ａを始点として、変動周期Ｐのみを最適変動周期Ｐ_Ｏへ導く横線と、そこから変動振幅Ｑを上限値へ導いて推奨値Ｂとする縦線とからなる案内表示としての案内矢印２６を表示するようにしている（案内表示ステップ）。この案内矢印２６により、オペレータに、現在の設定値Ａからまず最適変動周期Ｐ_Ｏへの変更を促し、それでもびびり振動の抑制効果が得られない場合は、さらに変動振幅Ｑの上限値（ここでは推奨値Ｂ）への変更を促すことになる。

同様に図５、図６に示す変動図２０では、パラメータの設定可能範囲２１の中で電力限界線Ｌ１と変動周期Ｐの最適範囲Ｐ_１とが交わる場合において、それぞれの推奨値Ｂと、パラメータ変更手順を表す案内矢印とを示している。モータ６の消費電力が一定の条件下では変動振幅Ｑが大きい方がびびり抑制効果が大きくなる。そこで、図５では、変動周期Ｐのみを係数ａと式（１）とから与えられる最適変動周期Ｐ_Ｏへ導く横線と、そこからさらなるびびり抑制効果の増加を目的として変動周期Ｐをモータ６の電力が最大となる電力限界線Ｌ１上へ導く縦線と、さらに電力限界線Ｌ１上で変動振幅Ｑを推奨値Ｂへ導く斜線とからなる案内矢印２７を表示している。同様に、図６でも、変動周期Ｐのみを最適範囲Ｐ_１及び電力限界線Ｌ１上へ導く横線と、電力限界線Ｌ１上で変動振幅Ｑを推奨値Ｂへ導く斜線とからなる案内矢印２８を表示している。

このように、上記形態のＮＣ旋盤１のモニタ方法及びモニタ装置によれば、びびり振動が発生した際には、主軸３の回転速度の変動振幅Ｑと変動周期Ｐとの関係を示す変動図２０をモニタ１４に表示させて回転速度を任意のパターンで連続的に変動させることを可能とする一方、変動図２０に現在の設定値Ａと、変動振幅Ｑと変動周期Ｐとの設定可能範囲２１とを表示すると共に、式（１）に基づいた最適変動周期Ｐ_Ｏ及び式（２）に基づいた変動周期Ｐの最適範囲Ｐ_１を変動図２０上に表示するようにしている。従って、オペレータは、モニタ１４における表示にもとづいて、どのような回転速度での切削においても、びびり振動の抑制効果が高い変動切削パラメータを短時間で効率的に見つけることができ、最適なパラメータで主軸３の回転速度の変動振幅Ｑ及び変動周期Ｐを変更することができる。

特にここでは、モータ６の変動周期Ｐの電力限界線Ｌ１と、予め設定される変動振幅Ｑの上限値線Ｌ２とで囲まれる範囲を変動振幅Ｑと変動周期Ｐとの設定可能範囲２１として表示するようにしているので、モータ６の最大電力を考慮した適切な設定可能範囲が選択可能となる。
また、現在の設定値Ａが最適範囲Ｐ_１と異なる場合は、現在の設定値Ａを最適変動周期Ｐ_Ｏに向けて案内する案内矢印２６〜２８を表示するようにしているので、オペレータは、びびり振動の抑制効果が高いパラメータの変更手順を簡単に認識することができる。

なお、上記形態では、モニタに変動図が表示されて主軸の変動が開始されると、電力限界線と変動振幅の上限値線、最適変動周期及び最適範囲が自動的に表示されるようにしているが、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し、案内表示も自動的に表示されるようにしてもよい。勿論変動図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。
また、ここでは変動図に最適変動周期と最適範囲とが同時に表示されるようになっているが、何れか一方のみを表示することも可能である。

さらに、現在の設定値や推奨値の表示は丸に限らず、他の形状のマーカーを選択したり、現在の設定値と推奨値とでマーカーの形状を変えたりしても差し支えない。各パラメータの設定可能範囲の表示も、線による区別以外に、色の違いや濃淡等によって区別するようにしてもよい。加えて、案内表示も矢印に限らず、例えば現在の変動位置のマーカーを点滅させながら新たな変動位置へ移動させる表示を繰り返したりする等、新たな変動位置への示唆が可能であれば適宜変更可能であるし、推奨値までの案内に限らず、最適変動周期又は最適範囲の何れかへの案内にとどめてもよい。但し、案内表示は必ずしも設ける必要はない。

一方、上記形態では、最初は設定した等速度で主軸を回転させて、びびり振動の発生が検出されると、入力手段で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ようにしているが、最初から回転速度を変動させるようにしてもよい。
その他、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、たとえば工具を装着した回転軸を回転させてワークの加工を行うマシニングセンタ等も含まれる。

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・・工作機械制御部、１０・・入力手段、１１・・記憶部、１２・・パラメータ演算部、１３・・パラメータ表示制御部、１４・・モニタ、２０・・変動図、２１・・設定可能範囲、２２・・上限値設定ボタン、２３・・推奨値ボタン、２４，２５・・調整ボタン、２６・・案内矢印、Ｗ・・ワーク、Ｌ１・・電力限界線、Ｌ２・・上限値線、Ａ・・現在の設定値、Ｂ・・推奨値。

Claims (7)

1. 工具又はワークを装着してモータ駆動する回転軸と、その回転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監視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、
   前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲を前記変動図上に表示する設定範囲表示ステップと、
   以下の式（１）に基づいた最適変動周期及び／又は式（２）に基づいた変動周期の最適範囲を前記変動図上に表示する変動周期表示ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械における回転軸回転速度のモニタ方法。
   Ｐ_Ｏ＝ａＴ ・・・（１）
   ａ_ｍｉｎＴ≦Ｐ_１≦ａ_ｍａｘＴ ・・・（２）
   Ｐ_Ｏ：最適変動周期［ｓ］
   Ｐ_１：変動周期の最適範囲［ｓ］
   Ｔ：回転軸の回転周期［ｓ］
   ａ，ａ_ｍｉｎ，ａ_ｍａｘ：予め設定される係数
2. 前記設定範囲表示ステップでは、前記モータの変動周期の電力限界線と、予め設定される前記変動振幅の上限値線とで囲まれる範囲を前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲として表示す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回転軸回転速度のモニタ方法。
3. 前記変動位置表示ステップで表示される現在の変動位置が、前記変動周期表示ステップで表示される前記最適変動周期又は前記最適範囲と異なる場合は、前記現在の変動位置を前記最適変動周期又は前記最適範囲に向けて案内する案内表示を表示する案内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１又は２に記載の工作機械における回転軸回転速度のモニタ方法。
4. 工具又はワークを装着してモータ駆動する回転軸と、その回転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監視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、
   前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲を前記変動図上に表示する設定範囲表示手段と、
   以下の式（１）に基づいた最適変動周期及び／又は式（２）に基づいた変動周期の最適範囲を前記変動図上に表示する変動周期表示手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械における回転軸回転速度のモニタ装置。
   Ｐ_Ｏ＝ａＴ ・・・（１）
   ａ_ｍｉｎＴ≦Ｐ_１≦ａ_ｍａｘＴ ・・・（２）
   Ｐ_Ｏ：最適変動周期［ｓ］
   Ｐ_１：変動周期の最適範囲［ｓ］
   Ｔ：回転軸の回転周期［ｓ］
   ａ，ａ_ｍｉｎ，ａ_ｍａｘ：予め設定される係数
5. 前記設定範囲表示手段では、前記モータの変動周期の電力限界線と、予め設定される前記変動振幅の上限値線とで囲まれる範囲を前記変動振幅と前記変動周期とを設定可能な範囲として表示す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回転軸回転速度のモニタ装置。
6. 前記変動位置表示手段で表示される現在の変動位置が、前記変動周期表示手段で表示される前記最適変動周期又は前記最適範囲と異なる場合は、前記現在の変動位置を前記最適変動周期又は前記最適範囲に向けて案内する案内表示を表示する案内表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の工作機械における回転軸回転速度のモニタ装置。
7. 工具又はワークを装着してモータ駆動する回転軸と、その回転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４乃至６の何れかに記載の回転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。

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