JP2013188827A

JP2013188827A - 工作機械の機械剛性測定用起振ツール及び工作機械の機械剛性測定方法

Info

Publication number: JP2013188827A
Application number: JP2012056157A
Authority: JP
Inventors: Akira Naraoka; 暁奈良岡; Shinichi Hitomi; 真一人見
Original assignee: Howa Machinery Ltd
Current assignee: Howa Machinery Ltd
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: JP5862381B2

Abstract

【課題】主軸を含む機械各部における動剛性を容易に測定可能とする。
【解決手段】工作機械の機械剛性測定用起振ツール１は、工作機械の主軸に装着可能な装着部としてのホルダ部２と、そのホルダ部２に同軸で連設され、ホルダ部２より大径の軸部３と、その軸部３の端部に同軸で連設され、軸部３より大径の円盤部４と、を備え、円盤部４における偏心位置に、透孔９を形成してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の機械剛性を測定するために用いられる機械剛性測定用起振ツールと、その起振ツールを用いて工作機械の機械剛性を測定する方法とに関する。

マシニングセンタ等の工作機械の主軸の動剛性及び振動モード解析を行う場合、主軸に取り付けた工具等をインパルスハンマーで加振させ、加速度ピックアップで振動を測定し、得られた振動をＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザを用いて解析を行う方法が知られている。しかし、この方法は、振動計測やＦＦＴアナライザに関する知識、ハンマリングの技術等、熟練を要する作業となっており、誰でも行える方法ではなかった。
そこで、特許文献１において、主軸に、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取り付け、主軸の回転に伴うアンバランスマスタの振れ量を振れ量測定器で測定して、回転速度計で測定した主軸の回転速度と、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する方法及び装置が開示されている。

特開２０１０−２７４３７５号公報

しかし、主軸回転系には、ツールのクランプ用バネ等のアンバランス要因が存在し、このアンバランス要因によっても主軸に振動は発生する。従って、主軸回転系に内在するアンバランス量に対し、アンバランスマスタには十分に大きなアンバランス量が必要になる。
また、特許文献１の測定方法では、アンバランスマスタ先端と根元との振れ量を、振れ支点とアンバランスマスタ先端との距離との比例関係で求めて、軸方向の位置ズレ誤差を無視している。ところが、例えば図１０（Ａ）に示す主軸４０において、装着したツール４１に負荷が加わった場合は、同図（Ｂ）に強調して示すように、軸受４２，４２のたわみ、主軸４０の曲げ、ツール結合部４３のたわみ、ツール４１自身のたわみの影響があるため、測定箇所の位置ズレ誤差は無視できない。すなわち、このアンバランスマスタでは、剛性が不足する問題があるため、切削時における主軸及び主軸以外の各部の動剛性を正確に測定することができないものであった。

そこで、本発明は、工作機械の主軸を含む機械各部における動剛性を容易に測定することができる工作機械の機械剛性測定用起振ツールと、その起振ツールを用いた機械剛性測定方法と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、工作機械の機械剛性測定用起振ツールであって、工作機械の主軸に装着可能な装着部と、その装着部に同軸で連設され、前記装着部より大径の軸部と、その軸部の端部に同軸で連設され、前記軸部より大径の円盤部と、を備え、前記円盤部における偏心位置に、透孔又は切欠部を形成したことを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、工作機械の機械剛性測定方法であって、工作機械の主軸に請求項１に記載の機械剛性測定用起振ツールを装着し、前記工作機械の任意の部位に振動センサを取り付けて、前記主軸の回転速度を変化させた際の振動を測定し、得られた測定値と計算で求めた起振力とから前記部位の動剛性を求めることを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、工作機械の機械剛性測定方法であって、工作機械の主軸に請求項１に記載の機械剛性測定用起振ツールを装着し、前記主軸の回転速度を変化させた際の前記起振ツールの振れ量を測定し、得られた測定値と計算で求めた起振力とから前記主軸の動剛性を求めることを特徴とするものである。

本発明によれば、機械剛性測定用起振ツールを用いて工作機械の任意の部位の動剛性や主軸の動剛性を容易に測定することができる。

機械剛性測定用起振ツールの側面図である。機械剛性測定用起振ツールの正面図である。立型マシニングセンタの正面図である。図３のＡ部拡大図である。動剛性測定方法のフローチャートである。主軸に機械剛性測定用起振ツールを装着した状態を示す説明図である。主軸の動剛性測定方法のフローチャートである。立型マシニングセンタの側面図である。図８の主軸部の拡大図である。（Ａ）は主軸の説明図、（Ｂ）は主軸剛性に影響するたわみ等の要因の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１，２は、機械剛性測定用起振ツール（以下単に「起振ツール」という。）の一例を示す説明図である。この起振ツール１は、工作機械である立型マシニングセンタの主軸に装着される装着部としてのホルダ部２と、ホルダ部２の前方（図１の左側）に連設される軸部３と、その軸部３の前端に連設される円盤部４とからなる。

まず、ホルダ部２は、ツールを保持して主軸に装着されるツールホルダと同じ形状で、後方へ先細りとなるテーパシャンク５と、テーパシャンク５の前方に形成される同軸円形のフランジ６とからなる。７は、テーパシャンク５の後端軸心に形成された雌ネジ部で、プルスタッドのねじ込み装着のために用いられる。
また、軸部３は、テーパシャンク５の前端径よりも大径の円形軸となっている。
さらに、円盤部４は、軸部３よりも小径で形成される連結軸８を介して軸部３と同軸で形成されており、円盤部４の偏心位置には、円盤部４の軸線と平行な軸線を有する透孔９が穿設されて、起振ツール１をアンバランスとしている。この透孔９は、主軸回転系に内在するアンバランスより十分大きなアンバランス（例えば２０倍）を生じさせる大きさを有している。なお、軸部３及び連結軸８は、測定時に円盤部４の振れの測定値に影響を与えない剛性を有する寸法としている。

以上の如く構成された起振ツール１を用いて、図３に示す立型マシニングセンタ１０の動剛性を測定する方法を、図５のフローチャートに基づいて説明する。
立型マシニングセンタ１０において、１１はベッド、１２はサドル、１３はコラムで、コラム１３の前方には、主軸部１５を下向きに備えた主軸頭１４が設けられている。
この立型マシニングセンタ１０に対し、まず、Ｓ１において、振動測定装置をセットする。すなわち、図３，４に示すように、加速度センサ３０を測定したい部位に取り付けて、加速度センサ３０を振動計３１に接続することでなされる。ここでは主軸部１５の下端に設けられて回転しない主軸キャップ１６の外周面に加速度センサ３０が取り付けられる。

次に、Ｓ２において、主軸１７に起振ツール１を取り付ける。これは、図６に示すように、主軸１７の下端に形成されたホルダ装着孔１８に、通常のツールと同様にホルダ部２のテーパシャンク５を差し込んで、主軸１７の軸心に設けられたツールホルダ把持用のドローバー１９によって、テーパシャンク５に装着されたプルスタッド２０を引き込むことで、起振ツール１をクランプすることになる。２１は主軸１７の軸受、２２はドローバー１９を引き込み付勢する皿ばねである。
次に、Ｓ３において、主軸１７を、設定された回転数（例えば６０００ｒｐｍ）で回転させて、Ｓ４で振動加速度の測定を行う。この測定は、回転数を所定量（例えば５００ｒｐｍ）ずつ変化させながら複数回行う（Ｓ５〜Ｓ６）。

そして、Ｓ５で測定が終了したら、Ｓ７では、起振ツール１のアンバランス量と回転数とから起振力を算出し、続くＳ８で、機械動剛性を算出する。この起振力Ｆは、透孔９が起振ツール１と同じ材料で満たされていた場合の透孔９の質量をｍ、透孔９の偏芯量をｒ、回転数をＳとしたとき、Ｆ＝ｍｒ×（２π×Ｓ／６０）^２で算出することができる。ここで、振幅をＸとしたとき、Ｘ／Ｆを算出すれば、その回転数におけるコンプライアンスが求められる。動剛性Ｇはコンプライアンスを逆数として得ることができる。
このように、ここでは起振ツール１を用いて加速度センサ３０を取り付けた位置での動剛性を容易に測定することができる。

同様に、起振ツール１を用いて主軸１７の動剛性を測定する方法（主軸単体でなく主軸系の動剛性（図１０（Ｂ）で示した要因全てを含む））を、図７のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１１において、振動測定装置をセットする。すなわち、図８，９に示すように、主軸部１５の後方で主軸頭１４の下面に、着脱可能なセンサ保持具３２を介して非接触変位センサ３３を取り付けて、非接触変位センサ３３を変位計３４及び記録計３５に接続することでなされる。次に、Ｓ１２において、主軸１７に起振ツール１を取り付ける、この状態で、非接触変位センサ３３は、起振ツール１の円盤部４と同じ高さで円盤部４の周面に検出面を近接させた状態で保持される。

こうして振動測定装置がセットされると、Ｓ１３で、主軸１７を微速回転させて、Ｓ１４で起振ツール１の初期振れを確認する。そして、Ｓ１５で、この振れ測定値が、予め設定された振れ許容値を下回っているか否かを判別する。ここで振れ測定値が振れ許容値以上であれば、Ｓ１６で起振ツール１を取り外してＳ１７でホルダ装着孔１８やホルダ部２を清掃する等して振れの修正を図る。

次に、Ｓ１８において、主軸１７を、設定された回転数（例えば６０００ｒｐｍ）で回転させて、Ｓ１９で振れの測定を行う。この測定は、回転数を所定量（例えば５００ｒｐｍ）ずつ変化させながら複数回行う（Ｓ２０〜Ｓ２１）。
そして、Ｓ２０で測定が終了したら、Ｓ２２では、起振ツール１のアンバランス量と回転数とから起振力を算出し、続くＳ２３で、主軸動剛性を算出する。
このように、ここでは起振ツール１を用いて主軸１７の動剛性を容易に測定することができる。

このように、上記形態によれば、立型マシニングセンタ１０の主軸１７に装着可能なホルダ部２と、そのホルダ部２に同軸で連設され、ホルダ部２より大径の軸部３と、その軸部３の端部に同軸で連設され、軸部３より大径の円盤部４と、を備え、円盤部４における偏心位置に、透孔９を形成してなる起振ツール１を用いたことで、立型マシニングセンタ１０における任意の部位の動剛性や主軸１７の動剛性を容易に測定することができる。

なお、起振ツールの形状は上記形態に限定するものではなく、透孔に代えて切欠部を形成したり、連結軸を省略して円盤部を軸部に直接形成したり等、適宜変更可能である。
勿論加速度センサの取付位置は主軸キャップに限らず、コラムの側面等の任意の部位を選択できる。

１・・機械剛性測定用起振ツール、２・・ホルダ部、３・・軸部、４・・円盤部、５・・テーパシャンク、６・・フランジ、７・・雌ネジ部、８・・連結軸、９・・透孔、１０・・立型マシニングセンタ、１５・・主軸部、１７・・主軸、２０・・プルスタッド、３０・・加速度センサ、３２・・センサ保持具、３３・・非接触変位センサ。

Claims

工作機械の主軸に装着可能な装着部と、その装着部に同軸で連設され、前記装着部より大径の軸部と、その軸部の端部に同軸で連設され、前記軸部より大径の円盤部と、を備え、前記円盤部における偏心位置に、透孔又は切欠部を形成したことを特徴とする工作機械の機械剛性測定用起振ツール。
工作機械の主軸に請求項１に記載の機械剛性測定用起振ツールを装着し、前記工作機械の任意の部位に振動センサを取り付けて、前記主軸の回転速度を変化させた際の振動を測定し、得られた測定値と計算で求めた起振力とから前記部位の動剛性を求めることを特徴とする工作機械の機械剛性測定方法。
工作機械の主軸に請求項１に記載の機械剛性測定用起振ツールを装着し、前記主軸の回転速度を変化させた際の前記起振ツールの振れ量を測定し、得られた測定値と計算で求めた起振力とから前記主軸の動剛性を求めることを特徴とする工作機械の機械剛性測定方法。