JP2014079867A - びびり振動抑制方法および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】加工のたびにワークの慣性モーメントを求めることなく、容易に回転速度の変動の限界を算出し、モータが破損することのないびびり振動抑制方法を提供する。
【解決手段】びびり振動抑制方法は、前記回転体の慣性モーメントを取得する取得ステップ（Ｓ３）と、前記取得された慣性モーメントを示す値を前記加工プログラムに記録する記録ステップ（Ｓ４）と、びびり振動を抑制するために前記回転体の回転速度を変動させる際の変動振幅および変動周期を、前記加工プログラムに記録された慣性モーメントを示す値、および、前記回転体を回転させるモータの最大入力電力から算出する算出ステップ（Ｓ５）と、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は工作機械による加工の際に発生するびびり振動を、回転軸の回転速度を変動させることにより抑制する制御方法および工作機械に関する。

工作機械により切削加工を行った場合に、工具または被加工物の剛性が低いと、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、被加工物の表面精度を悪化させたりす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（振動）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、被加工物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及び特許文献２において対策が提案されている。特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、回転軸の回転速度を変動させることにより、工具に入力される力を不規則にして、びびり振動を抑制しようとする技術である。特許文献１，２には、回転軸の回転速度を変動させる際の変動振幅と変動周期とを設定して、びびり振動を抑制する装置が開示されている。

特開昭４９−１０５２７７号公報 実公昭６１−３５２２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の方法は回転速度を変動させるために、変動振幅と変動周期との２つの値を設定する必要がある。びびり振動を抑制するためには、ある値以上の変動振幅で、変動周期を短く設定する方が、効果が高いことが知られている。すなわち、回転軸の加減速を急激に行う方が、びびり振動抑制効果が大きいことが知られている。しかし、回転軸の加減速を過度に繰り返すと、モータに流入する入力電力が多くなり、モータが発熱し破損する恐れがあった。

そこで、モータの最大入力電力と回転体の慣性モーメントから、回転速度を変動させる限界の値を見つけてから、本来の目的の加工を行う方法が考えられる。そのためには、慣性モーメントを求める専用の動作を行い、工作機械を制御するＮＣ装置に記録する必要がある。同一のワークを加工する場合は慣性モーメントを更新する必要はないが、異なるワークの場合には、再度慣性モーメントを求める専用の動作を行うか、以前に求めた慣性モーメントをオペレータがＮＣ装置に設定する必要があり、作業工数がかかってしまう。また、同じワークを他の工作機械で加工する場合にも同様の作業工数がかかり合理的でない。

本発明は上記問題に鑑みなされたものであって、加工のたびにワークの慣性モーメントを求めることなく、容易に回転速度の変動の限界を算出し、モータが破損することのないびびり振動抑制方法、および、工作機械を提供することを目的とする。

本発明のびびり振動抑制方法は、記憶部に記憶された加工プログラムに従って、ワークまたは工具を含む回転体を回転させて切削加工する工作機械における、びびり振動を抑制するびびり振動抑制方法であって、前記回転体の慣性モーメントを取得する取得ステップと、前記取得された慣性モーメントを示す値を前記加工プログラムに記録する記録ステップと、びびり振動を抑制するために前記回転体の回転速度を変動させる際の変動振幅および変動周期を、前記加工プログラムに記録された慣性モーメントを示す値、および、前記回転体を回転させるモータの最大入力電力から算出する算出ステップと、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記取得した回転体の慣性モーメントから、予め記憶している前記工作機械の回転部品の慣性モーメントを減算した値を、前記慣性モーメントを示す値として、前記加工プログラムに記録する。他の好適な態様では、前記加工プログラムにおいて、前記ワークを複数の工程に分けて加工することが指示されている場合、前記取得ステップでは、前記工程ごとに前記回転体の慣性モーメントを取得し、前記記録ステップでは、前記工程ごとに取得された前記回転体の慣性体モーメントを示す値を、前記工程ごとに前記加工プログラムに記憶する。

他の本発明である工作機械は、記憶部に記憶された加工プログラムに従って、ワークまたは工具を含む回転体を回転させて切削加工を行う工作機械であって、前記回転体の慣性モーメントを取得する慣性モーメント取得手段と、前記慣性モーメント取得手段により慣性モーメントが取得された場合に、前記加工プログラムに前記取得された慣性モーメントを記録する記録手段と、びびり振動を抑制するために前記回転体の回転速度を変動させる際の変動振幅および変動周期を、前記加工プログラムに記録された慣性モーメント、および、前記回転体を回転させるモータの最大入力電力から算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、一度求めた慣性モーメントが加工プログラムに記録されるため、同じワークを加工する際に慣性モーメントを求める動作を再度行う必要がなく、容易に回転速度の変動の限界を算出して、モータが破損することなくびびり振動を抑制することができる。

本発明の実施形態であるＮＣ旋盤の概略構成図である。 回転軸の回転速度の変動例を示す説明図である。 びびり振動抑制方法のフローチャートである。 加工プログラムの一部を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるＮＣ旋盤の概略構成図である。主軸台７には、チャック２と爪３を介してワーク４を把握する主軸１が回転自在に軸支されている。主軸台７に固定されたステータ６ａおよび主軸１に固定されたロータ６ｂからなるモータ６により、主軸１とロータ６ｂとチャック２と爪３とワーク４とから形成される回転体が、回転駆動される。主軸台７には、主軸１の回転速度を検出するエンコーダ５が固定されている。回転軸制御部８は、モータ６およびエンコーダ５に接続され、ＮＣ装置９は、回転軸制御部８に回転速度を指令する。回転軸制御部８は、エンコーダ５から検出される主軸１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回転体を回転させるよう、モータ６に供給する入力電流を調整している。

また、ＮＣ装置９には、加工プログラム等を記憶する記憶部１１と、モニタ等による出力とキーボード等による入力とを行う入出力部１０と、が接続されている。ＮＣ装置９は記憶部１１に記憶された加工プログラムに従い、主軸１を回転させながら図示しない工具をワーク４の回転軸方向及び又は半径方向に送り移動させることで、切削加工を行うものである。さらに、ＮＣ装置９には、入出力部１０から主軸１の回転速度、変動振幅、および、変動周期が入力される。そして、これにより、主軸１の回転速度が、図２に示すように、ＮＣ装置９及び回転軸制御部８を介して、指定した変動振幅及び変動周期で変動できるようになっている。

慣性モーメントは、ステータ６ａに入力する電流と回転体の回転速度変化から求めることができる。例えば、ＮＣ装置９から回転軸制御部８に対して、回転体をある回転速度で回転するよう速度指令を出すと、回転体は、停止状態から徐々に速度を上げて指令回転速度に達する。このときの回転体の慣性モーメントＪと、角加速度αと、モータ６のトルクＴとの間には式１の関係がある。
Ｔ＝Ｊ・α・・・（１）

また、トルクＴは、入力電流Ｉと、モータによって決まるトルク定数ｋと、で式２のように表すことができる。
Ｔ＝ｋ・Ｉ・・・（２）

ここで、角加速度αは、エンコーダ５で検出される回転速度の変化量から算出でき、回転軸制御部８で入力する入力電流Ｉは、既知である。そのため、式１及び式２から、慣性モーメントＪを算出することができる。このような演算をＮＣ装置９で行い、求めた慣性モーメントはＮＣ装置９の加工プログラムに記録される。なお、このエンコーダ５や、慣性モーメントを計算するＮＣ装置９等が、回転体の慣性モーメントを取得する取得手段として機能する。

本実施形態のＮＣ旋盤で用いられる、びびり振動抑制方法を図３のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１では、ワークの加工プログラムが、記憶部１１からＮＣ装置９に読み込まれる。ステップＳ２では、この加工プログラム全体に対して慣性モーメントＪが記録されているか否か判定し、記録されていない場合にはステップＳ３に進み、記録されている場合にはＳ５に進む。ステップＳ３では、既知の方法により回転体の慣性モーメントを測定する。例えば、前述の方法や回転体を加減速させ、その際にモータ６に供給する入力電流と回転速度の変化とから慣性モーメントを求める方法等が提案されている。

ステップＳ４では、ステップＳ３で求めた慣性モーメントを、記録手段として機能するＮＣ装置９が、ＮＣ装置９内の加工プログラムに記録する。この記録した加工プログラムの例を図４に示す。ステップＳ３で求めた慣性モーメントが、例えば、０．５ｋｇ・ｍ^２であった場合、この「０．５」という数値を、加工プログラムの先頭に慣性モーメントの変数名ＩＮＡに続けて記録する。ステップＳ５では、算出手段として機能するＮＣ装置９が、プログラムに記録されている慣性モーメントと、予め記憶部１１に記憶されているモータ６の最大入力電力とから、回転速度を変動する際の限界の変動振幅と変動周期を式３から求める。なお、式３において、Ｑは、回転速度変動振幅［％］、Ｒは、回転速度変動周期［ｓｅｃ］、Ｓは、主軸回転速度［ｍｉｎ^−１］、Ｐは、モータの最大入力電力［Ｗ］である。
Ｑ＝４５００・Ｐ・Ｒ／（π^２・Ｓ^２・Ｊ）・・・（３）

ここで得られた変動振幅と変動周期の関係は一次式であるため、ステップＳ６で、入出力部１０のモニタにグラフとして表示してもよいし、代表値を数値で表示してもよい。

なお、ステップＳ４で慣性モーメントをＮＣ装置９内の加工プログラムに記録したが、この加工プログラムを保存することで、記憶部１１に慣性モーメントを記録した加工プログラムが記憶される。これ以降、慣性モーメントも記録された加工プログラムを読み込むことができる。

このようにすることで、一度求めた慣性モーメントを加工プログラムに記録できるため、同じワークを加工する際に慣性モーメントを求める動作を再度行う必要がなく、容易に回転速度の変動の限界を算出することができ、ひいては、モータが破損することなくびびり振動を抑制することができる。

なお、ステップＳ４において、回転体の慣性モーメントを記録するとしたが、工作機械の回転部品の慣性モーメントを減算した慣性モーメントを記録してもよい。すなわち、ＮＣ旋盤に固有である主軸１と、ロータ６ｂの慣性モーメントとを予め記憶部１１に記憶しておき、この値を測定した回転体の慣性モーメントから減算した値を記録してもよい。こうすることで、他のＮＣ旋盤で加工する際には、そのＮＣ旋盤固有の主軸と、ロータの慣性モーメントに、加工プログラムに記録されている慣性モーメントを加算するだけで、回転体の慣性モーメントを求めることができる。したがって、ワークと加工プログラムをセットにして移動するだけで、慣性モーメントを求める動作を省くことができ、合理的で汎用的にびびり振動を抑制することができる。

また、これまでは、加工前の初期状態における慣性モーメントを測定する方法について説明してきたが、工程毎に慣性モーメントを測定し、加工プログラムに記録することもできる。ワークは加工により削られていくため、慣性モーメントが減少していく。そのため、例えば、外形の荒加工工程や、内径の仕上げ加工工程など加工工程ごとに慣性モーメントを測定し、加工工程の区切りに記録することにより、それぞれの工程に応じた慣性モーメントを得ることができる。この値を用いることで、工程ごとに最適な回転速度の変動振幅と変動周期とを算出することができる。

なお、これまでワークを回転させて切削加工を行うＮＣ旋盤を例に説明してきたが、本発明は、工具を回転させて切削加工を行うマシニングセンタ等、他の工作機械にも適用できるものである。

１ 主軸、２ チャック、３ 爪、４ ワーク、５ エンコーダ、６ モータ、６ａ ステータ、６ｂ ロータ、７ 主軸台、８ 回転軸制御部、９ ＮＣ装置、１０ 入出力部、１１ 記憶部。

Claims (4)

1. 記憶部に記憶された加工プログラムに従って、ワークまたは工具を含む回転体を回転させて切削加工する工作機械における、びびり振動を抑制するびびり振動抑制方法であって、
   前記回転体の慣性モーメントを取得する慣性モーメント取得ステップと、
   前記取得された慣性モーメントを示す値を前記加工プログラムに記録する記録ステップと、
   びびり振動を抑制するために前記回転体の回転速度を変動させる際の変動振幅および変動周期を、前記加工プログラムに記録された慣性モーメントを示す値、および、前記回転体を回転させるモータの最大入力電力から算出する算出ステップと、
   を備えることを特徴とするびびり振動抑制方法。
2. 前記取得した回転体の慣性モーメントから、予め記憶している前記工作機械の回転部品の慣性モーメントを減算した値を、前記慣性モーメントを示す値として、前記加工プログラムに記録する、ことを特徴とする請求項１に記載のびびり振動抑制方法。
3. 前記加工プログラムにおいて、前記ワークを複数の工程に分けて加工することが指示されている場合、
   前記取得ステップでは、前記工程ごとに前記回転体の慣性モーメントを取得し、
   前記記録ステップでは、前記工程ごとに取得された前記回転体の慣性体モーメントを示す値を、前記工程ごとに前記加工プログラムに記憶する、
   ことを特徴とするびびり振動抑制方法。
4. 記憶部に記憶された加工プログラムに従って、ワークまたは工具を含む回転体を回転させて切削加工を行う工作機械であって、
   前記回転体の慣性モーメントを取得する慣性モーメント取得手段と、
   前記慣性モーメント取得手段により慣性モーメントが取得された場合に、前記加工プログラムに前記取得された慣性モーメントを記録する記録手段と、
   びびり振動を抑制するために前記回転体の回転速度を変動させる際の変動振幅および変動周期を、前記加工プログラムに記録された慣性モーメント、および、前記回転体を回転させるモータの最大入力電力から算出する算出手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械。

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