JP2015123557A - 工作機械の動特性算出装置および動特性算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易にかつ高精度に、実際に使用する回転工具を含む振動系における動特性を測定することができる工作機械の動特性算出装置および動特性算出方法を提供することを目的とする。【解決手段】工作機械の動特性算出装置１００は、刃部６ａ，６ｂを備える回転工具６を回転しながら被加工物Ｗに対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する。当該装置は、工作機械に固定されたターゲット材１４０と回転工具６とを接触させて回転工具６を規定の撓み量まで撓ませた後に、ターゲット材１４０から回転工具６を離脱させることにより回転工具６を加振する加振制御部１０２と、回転工具６の振動を検出する振動検出器１０３と、回転工具６の刃部６ａ，６ｂを振動体とする振動系における動特性を算出する振動解析部１０５とを備える。【選択図】図６Ｃ

Description

本発明は、エンドミル等の回転工具により切削加工を行う工作機械において、回転工具の刃部を振動体とする振動系における回転工具の動特性を算出する装置および方法に関するものである。

エンドミルなどの回転工具による切削加工を高精度に行うために、工作機械の動特性を把握することは、適正な加工条件を決定するために重要である。特許文献１には、主軸にアンバランスマスタを装着して、当該アンバランスマスタの振れ量を検出し、主軸の動剛性を算出することが記載されている。また、特許文献２には、主軸または主軸に取り付けられた工具、疑似工具などの測定対象部を電磁石の磁気吸引力によって加振し、測定対象部の変位を測定して、主軸の動剛性を測定することが記載されている。当該文献には、変位センサとして、渦電流型変位センサ、インダクタンス型変位センサ、光電型変位センサ、静電容量型変位センサなどが記載されている。

特開２０１０−２７４３７５号公報 特開平１１−１９８５０号公報

ところで、近年、より高精度な切削加工を行うために、回転工具の小径化および突出量の長大化に伴い、切削加工中に回転工具のたわみ量が大きくなる。そのため、従来のように主軸自体の動剛性を測定するのみでは十分ではなく、実際に使用する回転工具を含む振動系における動特性を測定することが望まれる。そのため、疑似工具を取り付けた状態では、目的の動特性を得ることはできない。また、動特性をより容易に測定することも求められる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、容易にかつ高精度に、実際に使用する回転工具を含む振動系における動特性を測定することができる工作機械の動特性算出装置および動特性算出方法を提供することを目的とする。

（請求項１）本手段に係る工作機械の動特性算出装置は、１または複数の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を回転しながら被加工物に対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、前記工作機械に固定されたターゲット材と前記回転工具とを接触させて前記回転工具を規定の撓み量まで撓ませた後に、前記ターゲット材から前記回転工具を離脱させることにより前記回転工具を加振する加振制御部と、加振された前記回転工具の振動を検出する振動検出器と、前記振動検出器による検出値に基づいて、前記回転工具の前記刃部を振動体とする振動系における動特性を算出する振動解析部と、を備える。

本手段によれば、加振制御部は、ターゲット材との接触により回転工具を撓ませた後に、ターゲット材から回転工具を離脱させることにより回転工具を加振している。これにより、回転工具の加振を自動化することができる。本手段では、このような方法により加振された回転工具の振動を検出し、当該検出値に基づいて刃部の固有振動数を算出する。よって、断続的な切削加工によって回転工具の刃部が無負荷時の回転中心に対して撓んで振動する場合に、刃部の固有振動数を用いて加工条件を決定することで、より高精度な切削加工を行うことができる。

また、撓んだ回転工具をターゲット材から離脱させて加振することにより、ハンマーなどにより回転工具に衝撃力を加えて加振する方法と比較して、ノイズの少ない振動を付与できる。さらに、回転工具の撓み量に応じて振動の振幅が変動するため、加振の強度調整が容易となる。このように加振された回転工具の振動を検出することによって、より正確な動特性の算出できる。さらに、実際に加工に使用する回転工具を加振する構成であるため、当該回転工具を含む正確な工作機械の動特性を得ることができる。また、実際の切削加工の直前に行うことができるようになるため、実際の切削加工の状態における動特性を得ることができる。

（請求項２）また、前記加振制御部は、前記刃部におけるすくい面と逃げ面の境界部を前記ターゲット材のコーナー部に接触させた状態において、前記回転工具を加工時とは逆回転に回転させて前記境界部を前記コーナー部から離脱させることにより前記回転工具を加振してもよい。

このような構成によると、ターゲット材との接触により撓んでいた回転工具は、ターゲット材からの離脱により弾性復帰して振動する。よって、加振制御部は、ターゲット材に対して回転工具を保持する主軸装置を相対移動させなくとも、刃部の形状を利用して回転工具の回転により加振を行うことができる。また、回転工具を加工時とは逆回転に回転させるため、回転工具に接触させるターゲット材は切削加工されない。そのため、ターゲット材の摩耗を抑制できる。

（請求項３）また、前記加振制御部は、前記ターゲット材に対して前記回転工具を支持する主軸装置を位置決めした状態で、前記回転工具を継続して回転させることにより間欠的に前記回転工具を加振し、前記ターゲット材から前記回転工具が離脱してから再び前記ターゲット材に前記回転工具が接触するまでの期間が、前記回転工具の振幅が前記撓み量の１／１０以下に減衰するまでに要する期間よりも長くなるように、前記回転工具の回転数を設定してもよい。

回転工具を間欠的に加振する場合には、ターゲット材に回転工具が周期的に接触と離脱を繰り返すことになる。このとき、ターゲット材から回転工具が離脱してから再びターゲット材に回転工具が接触するまでの期間は、回転工具の速度、即ち単位時間あたりの回転数に依存する。また、回転工具は、ターゲット材から離脱すると、時間の経過とともに振幅が減衰する。この減衰の度合いは、回転工具の動特性に依存する。そこで、回転工具の回転数を、回転工具がターゲット材から離脱している期間よりも、回転部材の振幅が撓み量（振動初期の振幅）の１／１０以下に減衰するまでに要する期間よりも長くなるように設定する。これにより、回転工具の振動を検出する期間を十分に確保することができる。よって、回転工具の減衰比を含む動特性を確実に算出することができる。

（請求項４）また、前記加振制御部は、加工時の回転数で前記回転工具を回転させて前記回転工具を加振してもよい。
工作機械の動特性は、駆動装置の発熱状況などの加工環境に影響を受けることがある。そこで、回転工具を加工時の回転数で回転させて加振することで、より加工時に近い状態における動特性を得ることができる。

（請求項５）また、前記ターゲット材のうち前記回転工具と接触する部位には、前記回転工具の軸線方向視において、前記回転工具の撓み方向に直交する平面に対して傾斜する斜面が設けられていてもよい。
このような構成によると、ターゲット材に回転工具が接触した際の衝撃を低減することができる。また、接触の際に、回転工具が振動している場合にも、この振動を吸収して回転工具を好適に撓ませることが可能となる。

（請求項６）また、前記回転工具が前記ターゲット材との接触により撓んでいる状態において、前記ターゲット材に作用する前記回転工具の撓み方向の力を測定する力センサをさらに備えてもよい。
回転工具が規定の撓み量まで撓んだ状態において、回転工具と接触するターゲット材に作用する撓み方向の力は、回転工具の静剛性により変動する。そこで、ターゲット材に作用する力を測定することにより、回転工具の動特性をより確実に算出することができる。

（請求項７）また、前記振動解析部は、前記振動系における前記動特性として前記刃部の固有振動数のみを算出してもよい。
従来では、ハンマーなどにより回転工具に衝撃力を加えて加振する場合がある。このような加振態様により振動する回転工具に係る振動系の動特性を算出するには、当該振動の振動数の他に、回転工具の変位量、および対象部位の速度もしくは加速度の何れかを検出した振動から算出する必要があった。これに対して、本手段では、回転工具の加振において、ターゲット材から回転工具が離脱する際の両部材の位置関係が既知である。よって、振動解析部は、振動検出器による検出値に基づいて回転工具の固有振動数のみを算出すれば、動特性算出装置が回転工具に係る振動系の動特性を算出することが可能となる。従って、振動系の動特性の算出をより容易にかつ高精度に行うことができる。

（請求項８）本手段に係る工作機械の動特性算出方法は、１または複数の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を回転しながら被加工物に対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する方法であって、前記工作機械に固定されたターゲット材と前記回転工具とを接触させて前記回転工具を規定の撓み量まで撓ませた後に、前記ターゲット材から前記回転工具を離脱させることにより前記回転工具を加振する加振工程と、加振された前記回転工具の振動を検出する検出工程と、前記検出工程にて検出した検出値に基づいて、前記回転工具の前記刃部を振動体とする振動系における動特性を算出する振動解析工程と、を備える。
このような構成によると、請求項１と同様の効果を奏する。

本発明の実施形態における工作機械の構成を示す図である。 図１の工作機械において、回転工具により被加工物を切削している状態であって、回転工具が撓み変形している状態を示す図である。 回転工具に生じる切削抵抗および回転工具の回転中心の変位の経過時間に対する挙動を示すグラフである。 図３の時刻ｔ１における回転工具と被加工物との位置関係を示す図である。 図３の時刻ｔ２における回転工具と被加工物との位置関係を示す図である。 図３の時刻ｔ３における回転工具と被加工物との位置関係を示す図である。 図３の時刻ｔ４における回転工具と被加工物との位置関係を示す図である。 図３の時刻ｔ５における回転工具と被加工物との位置関係を示す図である。 本発明の実施形態における工作機械の動特性算出装置を含む加工条件判定装置の機能ブロック図である。 回転工具を対象とした加振工程の時刻ｔ１１における回転工具とターゲット材の位置関係を示す図である。 回転工具を対象とした加振工程の時刻ｔ１２における回転工具とターゲット材の位置関係を示す図である。 回転工具を対象とした加振工程の時刻ｔ１３における回転工具とターゲット材の位置関係を示す図である。 回転工具の撓み量（変位量）と時間の関係を示すグラフである。 図５の振動検出器を用いた振動検出処理を示すフローチャートである。 回転主軸の回転速度と加工誤差との関係を示すグラフである。 回転主軸の回転速度と回転工具の最大振幅との関係を示すグラフである。 コーナー部に斜面を形成されたターゲット材を示す図である。

本発明に係る工作機械の動特性算出装置および動特性算出方法を具体化した実施形態について説明する。
（工作機械の機械構成）
適用対象の工作機械の一例として横型マシニングセンタを例に挙げ、図１を参照して説明する。なお、本発明は、当該横型マシニングセンタに限定されるものではなく、他の構成のマシニングセンタでもよく、回転工具を用いる工作機械であれば適用できる。

当該工作機械は、駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）を有する工作機械である。図１に示すように、工作機械は、ベッド１と、ベッド１上にてＸ軸方向に移動可能なコラム２と、コラム２の前面（図１の左面）にてＹ軸方向に移動可能なサドル３と、サドル３に取り付けられかつ回転可能な主軸４ａを有する主軸装置４と、主軸４ａの先端側（図１の左側）に工具ホルダ５を介して取り付けられる回転工具６と、ベッド１上にてＺ軸方向に移動可能であり被加工物Ｗを載置するテーブル７を備える。また、工作機械は、各駆動軸を制御するための制御装置（図示せず）を備える。

（切削加工時の回転工具の状態）
次に、回転工具６により被加工物Ｗを切削加工する場合における回転工具６の状態について説明する。図２に示すように、回転工具６は、先端側に複数の刃部６ａ，６ｂを備えており、基端側（根元側）に工具ホルダ５に支持される非刃部６ｃを備える。なお、本実施形態においては、２つの刃部６ａ，６ｂを有する回転工具６を例に挙げるが、１の刃部または３以上の刃部を有する回転工具を適用することもできる。

この回転工具６による切削加工時には、図２に示すように、刃部６ａ，６ｂが被加工物Ｗから切削抵抗Ｆｙを受けることにより、刃部６ａ，６ｂ側が無負荷時の回転中心Ｃｂに対して撓み変形する。特に、Ｌ／Ｄ（＝長さ／直径）の大きな回転工具６（細長い回転工具）を用いる場合には、当該回転工具６の剛性が低いため、切削抵抗Ｆｙによって当該回転工具６の先端側の撓み量（撓み変形による変形量）が大きくなる。

ここで、回転工具６に生じる切削抵抗Ｆｙが一定であれば、回転工具６の先端側の撓み量は一定となる。しかし、回転工具６の刃部６ａ，６ｂによる断続的な切削加工により、回転工具６に生じる切削抵抗Ｆｙは逐次変化する。また、上記のように切削抵抗Ｆｙが逐次変化することに伴い、回転工具６の撓み量も変化する。そのため、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの回転中心Ｃｔの変位量は、図２の往復矢印にて示すように、主としてＹ方向に逐次変化する。

このときの回転工具６の刃部６ａ，６ｂの回転中心Ｃｔの変位量と切削抵抗Ｆｙとは、回転工具６の刃部６ａ，６ｂを振動体とする振動系における動特性（以下、「回転工具の刃部の動特性」と称する）に依存する。回転工具６の刃部６ａ，６ｂの動特性は、刃部６ａ，６ｂに入力された力に対する変形の挙動を示すものであり、伝達関数（コンプライアンスおよび位相遅れ）もしくはそれから算出される固有振動数ｆ、ばね定数Ｋ、減衰比ζなどにより表される。なお、動特性として、粘性減衰係数Ｃ、質量係数Ｍを用いることもあるが、これらは、上記の固有振動数ｆ、ばね定数Ｋ、減衰比ζから求められる。

回転工具６を回転しかつ送りながら被加工物Ｗの断続的な切削加工を行う際において、回転工具６に生じる切削抵抗Ｆｙおよび回転工具６の刃部６ａ，６ｂの回転中心Ｃｔの変位量Ｙａの経過時間ｔに対する挙動について、図３、図４Ａ〜図４Ｅを参照して説明する。ここでは、反切込方向（Ｙ方向）における切削抵抗Ｆｙおよび先端側の回転中心Ｃｔの変位量Ｙａを取り上げて説明する。これは、反切込方向（Ｙ方向）が加工誤差に対して最も影響が大きいためである。

なお、上述した回転工具６の先端側の回転中心Ｃｔは、回転工具６における振動検出の対象となる部位であり、後述する加振工程における基準位置となる。本実施形態において、当該先端側の回転中心Ｃｔは、ボールエンドミルである回転工具６の先端から工具半径分だけ基端側の位置としている。先端側の回転中心Ｃｔは、回転工具６の先端部としてもよいし、先端部から所定量だけ基端側としてもよい。また、回転工具６の先端側の回転中心Ｃｔの変位量Ｙａとは、回転工具６が撓み変形することにより生じる撓み量であって、主軸４ａが無負荷時の回転中心Ｃｂと、先端側の回転中心Ｃｔの位置とのＹ軸方向の差分に相当する。

回転工具６に生じる切削抵抗Ｆｙは、図３に示すように、ゼロ付近から時刻ｔ１にて大きな値に変化し、時刻ｔ２に再びゼロ付近に変化している。図４Ａおよび図４Ｂが、それぞれ図３の時刻ｔ１，ｔ２に対応する。図４Ａに示すように、時刻ｔ１は、一方の刃部６ａが被加工物Ｗに接触開始した瞬間である。つまり、時刻ｔ１は、一方の刃部６ａにより切削加工を開始した瞬間である。一方、図４Ｂに示すように、時刻ｔ２は、一方の刃部６ａによる被加工物Ｗの切削加工を終了した瞬間である。このように、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間において、一方の刃部６ａが被加工物Ｗを切削加工している。

その後、図３に示すように、時刻ｔ２〜時刻ｔ４の間は、切削抵抗Ｆｙがゼロ付近となっている。この間は、時刻ｔ３に対応する図４Ｃに示すように、両方の刃部６ａ，６ｂが被加工物Ｗに接触していない。つまり、回転工具６は空転している。

その後、図３に示すように、切削抵抗Ｆｙは、時刻ｔ４に再び大きな値に変化し、時刻ｔ５に再びゼロ付近に変化している。図３の時刻ｔ４には、対応する図４Ｄに示すように、他方の刃部６ｂが被加工物Ｗに接触開始している。つまり、他方の刃部６ｂにより切削加工を開始している。また、図３の時刻ｔ５には、対応する図４Ｅに示すように、他方の刃部６ｂによる切削加工を終了している。このように、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の間において、他方の刃部６ｂが切削加工している。

ここで、図４Ａ〜図４Ｅにおける今回の切削領域より、時刻ｔ１〜時刻ｔ２、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の各瞬間において、実切込量（瞬間的な切込量を意味し、切込量の指令値とは異なる意味である）が異なることが分かる。つまり、実切込量は、切削開始から一気に多くなり、ピークに達した後に徐々に少なくなっている。より詳細には、前回切削されていない部位と前回切削された部位との境界の前後で変化している。そして、図３の切削抵抗Ｆｙのうち急激に大きくなっている部分に示すように、切削加工中の切削抵抗Ｆｙは、略三角形状になっており、実切込量に応じて変化していることが分かる。

上記のように、回転工具６は、時刻ｔ１〜時刻ｔ２、時刻ｔ４〜時刻ｔ５において断続的な切削加工を行い、時刻ｔ２〜時刻ｔ４において断続的に空転している。つまり、回転工具６は、断続的な切削加工によって、断続的に力を受けることになる。つまり、回転工具６の先端側の回転中心Ｃｔは、断続的な切削加工により生じる断続的な力（切削抵抗）によって、少なくとも反切込方向（Ｙ方向）に振動する。

従って、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの回転中心Ｃｔの変位量Ｙａは、図３に示すように、回転工具６の固有振動数ｆに応じて振動している。特に、変位量Ｙａは、切削抵抗Ｆｙが発生した直後に、回転中心Ｃｔの変位量Ｙａが最も大きくなり、その後に減衰している。そして、再び、切削抵抗Ｆｙにより変位量Ｙａが大きくなり、繰り返す。

（動特性算出装置）
上述したように、回転中心Ｃｔの変位量Ｙａおよび切削抵抗Ｆｙは、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの動特性に依存する。そのため、当該動特性を把握することが重要となる。回転工具６の刃部６ａ，６ｂの動特性を算出する装置について、図５、図６Ａ〜図６Ｃ、図７および図８を参照して説明する。

図５に示すように、動特性算出装置１００は、ＦＥＭ解析部１０１と、加振制御部１０２と、振動検出器１０３と、力センサ１０４と、算出部１０５と、記憶部１０６とを備える。ＦＥＭ解析部１０１は、工作機械の構造情報に基づく公知のＦＥＭ解析により、固有振動数ｆ、ばね定数Ｋおよび減衰比ζを取得する。工作機械の構造情報には、各構成部材の形状、材質などの情報が含まれる。そして、ＦＥＭ解析部１０１は、取得した固有振動数ｆ、ばね定数Ｋおよび減衰比ζを記憶部１０６に記憶する。

ここで、固有振動数ｆは、式（１）により表される。式（１）において、減衰比ζは、１より十分に小さい場合、｛√（１−ζ²）｝は、１とみなすことができる。また、減衰比ζは式（２）により表され、運動方程式は式（３）により表される。ここで、Ｃは粘性減衰係数、Ｋはばね定数、Ｆは外力、ｘは変位である。

加振制御部１０２は、工作機械の制御装置を介して工作機械に固定されたターゲット材１４０に対する主軸装置４の位置、および回転工具６の回転数を制御することにより、回転工具６を加振する。詳細には、加振制御部１０２は、ターゲット材１４０と回転工具６とを接触させて回転工具６を規定の撓み量（変位量Ｙａ）まで撓ませた後に、ターゲット材１４０から回転工具６を離脱させることにより回転工具６を加振する。

本実施形態においては、加振制御部１０２は、先ず回転工具６の刃部６ａ，６ｂにおけるすくい面６ａ１，６ｂ１と逃げ面６ａ２，６ｂ２の境界部６ａ３，６ｂ３をターゲット材１４０のコーナー部１４１に接触させる。そして、加振制御部１０２は、このような状態において、回転工具６を加工時とは逆回転に回転させて境界部６ａ３，６ｂ３をコーナー部１４１から離脱させることにより回転工具６を加振する。

具体的には、加振制御部１０２は、先ず、回転工具６を所定の回転数で回転工具６を逆回転に回転させるとともに、主軸４ａの回転中心がターゲット材１４０のコーナー部１４１からＹ軸方向に規定量Δ１だけずれた位置に、回転工具６を位置決めする。この規定量Δ１は、回転工具６の半径Ｒより小さく設定されている（Δ１＜Ｒ）。このとき、回転工具６の先端側の回転中心Ｃｔは、主軸４ａが無負荷時の回転中心Ｃｂと同一のＸＹ位置にある。そして、回転工具６が回転することにより、回転工具６は、図６Ａに示すように、刃部６ａ（６ｂ）の境界部６ａ３（６ｂ３）がターゲット材１４０と接触した状態となる。

回転工具６は、この状態でさらに回転すると、ターゲット材１４０との接触部位である境界部６ａ３（６ｂ３）がターゲット材１４０のコーナー部１４１に向かって移動する。そして、回転工具６は、境界部６ａ３（６ｂ３）がターゲット材１４０のコーナー部１４１に接近するに従って、徐々に撓み変形の変形量が増大する。図６Ｂに示すように、回転工具６の境界部６ａ３（６ｂ３）がターゲット材１４０のコーナー部１４１に接触した状態では、回転工具６の変位量Ｙａが最大となる。このとき、変位量Ｙａの最大値は、回転工具６の半径Ｒと主軸４ａを位置決めした際の規定量Δ１との差分に等しくなる（Ｙａ＝Ｒ−Δ１）。なお、振動系における動特性に含まれるばね定数Ｋに基づいて規定量Δ１を設定することにより、変位量Ｙａの最大値を調整することが可能である。

回転工具６は、この状態でさらに回転すると、図６Ｃに示すように、境界部６ａ３（６ｂ３）がターゲット材１４０のコーナー部１４１から離脱して、ターゲット材１４０と非接触の状態となる。これにより、回転工具６は、撓み変形した状態から弾性復帰して、振動系の動特性に従ってＹ軸方向に振動する。回転工具６の振動は、減衰比ζで徐々に減衰する。

本実施形態において、加振制御部１０２は、上記のようにターゲット材１４０に対して回転工具６を支持する主軸装置４を位置決めした状態で、回転工具６を継続して回転させることにより間欠的に回転工具６を加振する。このとき、回転工具６の回転数は、ＦＥＭ解析により取得される固有振動数ｆや減衰比ζを含む振動系の動特性や加工時の回転数などを勘案して適宜設定される。本実施形態において、回転工具６の回転数は、回転工具６がターゲット材１４０と非接触となって振動する期間をある程度確保するように設定される。

具体的には、回転工具６の回転数は、振動期間Ｌ１が減衰期間Ｌ２よりも長くなるように設定される（Ｌ１＞Ｌ２）。ここで、「振動期間Ｌ１」とは、ターゲット材１４０から回転工具６が離脱してから再びターゲット材１４０に回転工具６が接触するまでの期間である。また「減衰期間Ｌ２」とは、図７に示すように、回転工具６の振幅（変位量Ｙａ）が最大の撓み量（Ｒ−Δ１）の１／１０以下に減衰するまでに要する期間である。なお、図７の時刻ｔ１１は図６Ａに対応し、図７の時刻ｔ１２は図６Ｂに対応し、図７の時刻ｔ１３は図６Ｃに対応する。

つまり、減衰比ζが大きいほど減衰期間Ｌ２が短くなるので、回転工具６の回転数は、振動期間Ｌ１を短くするように高回転に設定することが可能となる。反対に減衰比ζが０に近くなるほど減衰期間Ｌ２が長くなるので、回転工具６の回転数は、十分な振動期間Ｌ１を確保するために低回転に設定する必要がある。また、間欠的な加振の間隔は、上記のように回転工具６の回転数によって変動するものであり、ＦＥＭ解析により取得される固有振動数ｆや減衰比ζに基づいて調整することが可能である。

振動検出器１０３は、加振された回転工具６の振動を検出する。本実施形態において、振動検出器１０３は、回転工具６が加振された場合に、回転工具６が振動によって生じる音波を検出する音波検出器を適用する。振動検出器１０３は、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの近傍に位置決めする。この振動検出器１０３は、音波を用いた検出方法を採用することから、高精度に位置決めすることなく、ある程度の設置自由度を有する。

力センサ１０４は、回転工具６がターゲット材１４０との接触により撓んでいる状態において、ターゲット材１４０に作用する回転工具６の撓み方向の力を測定する。本実施形態においては、力センサ１０４は、ターゲット材１４０と工作機械の固定部との間に配置され、撓み方向であるＹ軸方向の荷重を測定する。この力センサ１０４による測定値は、上記の式（３）における外力Ｆに相当する。

次に、振動検出器１０３による音波検出処理について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。振動検出器１０３には、複数の検出周波数レンジがあり、設定された検出周波数レンジにおける周波数帯の音波を検出する。そこで、動特性算出装置１００は、振動検出器１０３の検出条件としての検出周波数レンジを、ＦＥＭ解析部１０１により取得された固有振動数ｆを含む検出周波数レンジに設定する（Ｓ１）。このように、ＦＥＭ解析により取得した固有振動数ｆに基づいて、測定に使用する検出周波数レンジを絞ることにより、測定の分解能を高く設定できる。これにより、振動検出器１０３は、実際の固有振動数ｆを含む音波を確実に検出できる。また、加振制御部１０２は、ＦＥＭ解析部１０１による解析結果に基づいて、加振の強度を調整すべく回転工具６の規定の撓み量（変位量Ｙａの最大値）を設定する。

続いて、工作機械は、加振工程において、図６Ａ〜図６Ｃに図示した加振態様によって、回転工具６を間欠的に加振する（Ｓ２）。そして、工作機械は、検出工程において、回転工具６が加振されて回転工具６が振動することによって回転工具６が発生する音波を、振動検出器１０３によって検出する（Ｓ３）。このとき、動特性算出装置１００は、振動検出器１０３による検出値のうち、上記の減衰期間Ｌ２に検出されたものを有効とする。振動検出器１０３による検出値の有効性の判断については、例えば主軸４ａの回転位相に基づくようにしてもよい。また、動特性算出装置１００は、振動検出器１０３による検出値に対して、ＦＥＭ解析により取得した固有振動数ｆを含む周波数帯でフィルタリングを行うようにしてもよい。これにより、振動検出器１０３による検出値におけるノイズを除去することができる。

算出部１０５は、振動解析工程において、振動検出器１０３により検出された音波、および力センサ１０４により検出された荷重に基づいて、固有振動数ｆを算出する。算出部１０５は、本発明の「振動解析部」に相当し、本実施形態においては振動系における動特性として刃部６ａ，６ｂの固有振動数ｆのみを算出する。この固有振動数ｆは、検出された音波の周波数から算出することができる。そして、算出部１０５は、算出した固有振動数ｆを、ＦＥＭ解析部１０１によって記憶部１０６に記憶された固有振動数ｆに変更して、記憶部１０６に記憶する。つまり、記憶部１０６に記憶される固有振動数ｆは、算出部１０５により算出された固有振動数ｆとなる。

ここで、作業者による組付ずれなどにより、回転工具６を工具ホルダ５へ取り付ける位置は、ＦＥＭ解析部１０１におけるＦＥＭ解析と実際とで僅かに異なる。つまり、ＦＥＭ解析部１０１におけるＦＥＭ解析は、回転工具６が工具ホルダ５へ取り付けられた実際の位置における解析ではない。一方、振動検出器１０３により検出される音波は、実際に回転工具６の振動によって生じる音波であるため、回転工具６が工具ホルダ５へ取り付けられた実際の位置に基づいたものとなる。つまり、ＦＥＭ解析部１０１により取得された固有振動数ｆは、算出部１０５により算出される固有振動数ｆと異なる。そして、記憶部１０６に記憶される固有振動数ｆは、算出部１０５により算出される固有振動数ｆ、すなわち実際の回転工具６の刃部６ａ，６ｂの固有振動数となる。

（回転工具の回転速度と加工誤差または回転工具の最大振幅との関係）
ここで、回転工具６の回転速度Ｓと加工誤差Δｙとの関係を図９に示し、回転速度Ｓと回転工具６の最大振幅Ａとの関係を図１０に示す。例えば、回転速度Ｓが６５００min^-1付近において、加工誤差Δｙおよび最大振幅Ａが小さくなっていることが分かる。このように、回転工具６の回転速度Ｓを変更することによって、加工誤差Δｙおよび最大振幅Ａが変化する。これは、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの振動系における動特性と、回転工具６の刃部６ａ，６ｂが被加工物Ｗに接触するときの周波数との関係が変化することによる。回転工具６の振動系における動特性は変化しないが、回転工具６の刃部６ａ，６ｂが被加工物Ｗに接触するときの周波数は、回転工具６の回転速度Ｓによって変化する。このように、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの動特性と回転速度Ｓとの関係によって、加工誤差Δｙおよび最大振幅Ａは小さくなったり、大きくなったりする。

そして、図９および図１０に示す関係は、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの動特性を得ることができれば、図示することができる。つまり、回転工具６の刃部６ａ，６ｂの動特性を得ることができれば、加工誤差Δｙおよび最大振幅Ａを小さくすることができる回転速度Ｓを見出すことができる。特に、得られる固有振動数ｆが変わると、加工誤差Δｙおよび最大振幅Ａが急激に変化する回転速度Ｓが変化することになる。従って、特に、固有振動数ｆを正確に得ることが、高い加工精度を得るためには必要なことと言える。

（動特性算出装置の適用例）
次に、動特性算出装置の適用例について、図５を参照して説明する。図５に示すように、動特性算出装置１００は、加工条件判定装置１２０の一部として機能させることができる。加工条件判定装置１２０の判定部１２１は、記憶部１０６に記憶された回転工具６の刃部６ａ，６ｂの動特性を用いて、図９および図１０に示したような回転速度Ｓと加工誤差Δｙまたは最大振幅Ａとの関係を導き出しておく。さらに、判定部１２１は、加工誤差Δｙまたは最大振幅Ａが閾値より小さくなる回転速度Ｓの範囲を記憶しておく。

そして、判定部１２１は、現在の加工条件に含まれる回転速度Ｓの指令値が、記憶されている回転速度Ｓの範囲内に含まれるか否かを判定する。指令値が当該範囲内に含まれていれば、現在の加工条件は良好であると判断し、当該加工条件において切削加工を行う。一方、指令値が当該範囲内に含まれていない場合には、回転速度Ｓの指令値を変化させる。

また、動特性算出装置１００は、実際に回転工具６を振動させることにより得られる音波に基づいて固有振動数ｆを算出するため、実際の状態の固有振動数ｆを得ることができる。従って、断続的な切削加工によって回転工具６の刃部６ａ，６ｂが無負荷時の回転中心Ｃｂに対して撓んで振動する場合に、所望の加工精度を得ることができる加工条件を決定することができる。

一方、ばね定数Ｋおよび減衰比ζをＦＥＭ解析により取得している。ここで、固有振動数ｆのずれに比べて、ばね定数Ｋおよび減衰比ζのずれによる加工精度への影響は小さい。そこで、ばね定数Ｋおよび減衰比ζをＦＥＭ解析により取得することで、これらを容易に取得することができると共に、十分な加工精度を得ることができる。

本実施形態によれば、加振工程（Ｓ２）において、ターゲット材１４０との接触により回転工具６を撓ませた後に、ターゲット材１４０から回転工具６を離脱させることにより回転工具６を加振している。これにより、回転工具６の加振を自動化することができる。

また、撓んだ回転工具６をターゲット材１４０から離脱させて加振することにより、ハンマーなどにより回転工具６に衝撃力を加えて加振する方法と比較して、ノイズの少ない振動を付与できる。さらに、回転工具の撓み量に応じて振動の振幅が変動するため、加振の強度調整が容易となる。このように加振された回転工具６の振動を検出することによって、より正確に動特性を算出できる。さらに、実際に加工に使用する回転工具を加振する構成であるため、当該回転工具を含む正確な工作機械の動特性を得ることができる。また、実際の切削加工の直前に行うことができるようになるため、実際の切削加工の状態における動特性を得ることができる。

また、工作機械は、加振工程（Ｓ２）において、回転工具６を加工時とは逆回転に回転させて、刃部６ａ（６ｂ）におけるすくい面６ａ１（６ｂ１）と逃げ面６ａ２（６ｂ２）の境界部６ａ３，６ｂ３をターゲット材１４０のコーナー部１４１から離脱させる。これにより、加振制御部１０２は、回転工具６の刃部６ａ，６ｂにおける段差を利用し、ターゲット材１４０からの離脱する回転工具を加振できる。また、回転工具６を加工時とは逆回転に回転させるため、回転工具６に接触させるターゲット材１４０は切削加工されない。そのため、加振工程において、ターゲット材１４０の摩耗を抑制できる。

また、工作機械は、加振工程（Ｓ２）において、振動期間Ｌ１が減衰期間Ｌ２よりも長くなるように、回転工具６の回転数を設定される。これにより、回転工具６の振動を検出する期間を十分に確保することができる。よって、回転工具６の減衰比を含む動特性を確実に算出することができる。

また、動特性算出装置１００は、撓み変形している回転工具６からターゲット材１４０に作用する力を力センサ１０４によって測定する。ターゲット材１４０が受ける荷重は、回転工具６の静剛性により変動し、式（３）における外力Ｆに相当する。そのため、本実施形態のようにターゲット材１４０に作用する力を測定することにより、回転工具６の動特性をより確実に算出することができる。

また、算出部１０５は、振動解析工程において、振動検出器１０３により検出された音波、および力センサ１０４により検出された荷重に基づいて、振動系における動特性として刃部６ａ，６ｂの固有振動数ｆのみを算出する。これにより、動特性算出装置１００は、算出された固有振動数ｆなどに基づいて、振動系の動特性を算出することが可能となる。従って、振動系の動特性の算出をより容易にかつ高精度に行うことができる。

＜実施形態の変形態様＞
（加振態様について）
実施形態の工作機械は、加振工程（図８のＳ２）において、図６Ａ，図６Ｂに示すように、回転工具６の境界部６ａ３，６ｂ３をターゲット材１４０のコーナー部１４１に接触させて撓ませた状態で、回転工具６を加工時とは逆回転させて境界部６ａ３，６ｂ３をコーナー部１４１から離脱させることにより加振した。つまり、本実施形態における加振態様は、回転工具６の刃部６ａ，６ｂに段差があることを利用したものであり、回転工具６を支持する主軸装置４とターゲット材１４０との相対移動を伴わない態様である。

これに対して、加振工程（Ｓ２）においては、回転工具６を支持する主軸装置４をターゲット材１４０に対して直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）方向に相対移動させることにより、撓んだ回転工具６をターゲット材１４０から離脱させて加振する態様を適用できる。当該加振態様においては、ターゲット材１４０に接触する回転工具６の部位は、刃部６ａ，６ｂでも非刃部６ｃでもよい。また、当該加振態様においては、加振する際に、回転工具６を無回転としてもよいし、加工時と同じ方向に所定の回転数で回転してもよい。なお、回転工具６が無回転の場合には、ターゲット材１４０から回転工具６を離脱させるために、ターゲット材１４０に対して主軸装置４を直進軸方向に移動させる。これにより、実施形態と同様に回転工具６を加振できる。

また、何れの加振態様において、回転工具６を所定の回転数で回転させる場合には、加工時の回転数で回転工具６を回転させてもよい。工作機械の動特性は、駆動装置の発熱状況などの加工環境に影響を受けることがある。そこで、加振工程（Ｓ２）において、回転工具６を加工時の回転数で回転させて加振することで、より加工時に近い状態における動特性を得ることができる。

（ターゲット材について）
実施形態のターゲット材１４０は、図６Ａに示すように、直角のコーナー部１４１を有する形状とした。これに対して、ターゲット材１４０のうち回転工具６と接触する部位には、回転工具６の軸線方向視（Ｚ軸方向視）において、回転工具６の撓み方向（Ｙ軸方向）に直交する平面（ＸＺ平面）に対して傾斜する斜面が設けられている構成としてもよい。この斜面は、平面状または曲面状に形成される。

具体的には、図１１に示すように、ターゲット材２４０は、回転工具６と接触するコーナー部２４１に曲面状の斜面２４２を有する。斜面２４２は、回転工具６と接触し始める部位から回転工具６と離脱する部位に向かって徐々に曲率が小さくなるように形成されている。このような構成によると、ターゲット材２４０に回転工具６が接触した際の衝撃を低減し、回転工具６を好適に撓ませることができる。

また、ターゲット材１４０，２４０のうち回転工具６と接触する部位には、衝撃吸収材を設ける構成としてもよい。これにより、ターゲット材１４０，２４０に回転工具６が接触した際の衝撃により、回転工具６が加振されることを防止し、回転工具６を好適に撓ませることができる。

実施形態における加振態様は、上記のように、回転工具６の刃部６ａ，６ｂに段差があることを利用し、ターゲット材１４０から回転工具６を離脱させる態様である。これに対して、ターゲット材側に段差を設けることにより、当該段差を利用した同様の加振態様としてもよい。具体的には、例えば全体形状としては柱状からなり、位相に応じて中心からの距離が異なるカム部を設けたターゲット材を用いる態様が考えられる。

そして、加振制御部１０２は、当該ターゲット材のカム部を例えば回転工具６の非刃部６ｃに接触させた状態で、ターゲット材を回転させる。そうすると、実施形態と同様に、回転工具６の撓み変形して徐々に変形量が増大する。その後に、回転工具６は、カム部の段差から離脱して振動する。このとき、回転工具６は、無回転でもよいし、例えば加工時の回転数で回転させた状態でもよい。

このような加振態様によっても実施形態と同様の効果を奏する。但し、回転工具６を規定の撓み量（Ｒ−Δ１）だけ撓ませるためには、柱状のターゲット材の撓み量も勘案する必要がある。また、ターゲット材を回転させるための駆動装置が必要となることから、設備コストの増大を抑制しつつ振動系の動特性を算出するという点からは、実施形態で例示した加振態様が好適である。

（振動検出器について）
上記実施形態において、振動検出器１０３は、音波検出器とした。この他に、振動検出器１０３は、回転工具６の振動によって変動する磁気を検出できる磁気センサ、その他にも光（レーザー）、渦電流、静電容量などを用いた検出器を適用することができる。磁気センサは、音波検出器と同様に、設置の自由度が高い。そのため、設置に熟練技術を要することがないため、設置時間を短縮できる点で有用である。何れの検出器においても実施形態と同様の効果を奏する。

５：工具ホルダ、 ６：回転工具、 ６ａ，６ｂ：刃部、 ６ｃ：非刃部、 １００：動特性算出装置、 １０１：ＦＥＭ解析部、 １０２：加振制御部、 １０３：振動検出器、 １０４：力センサ、 １０５：算出部（振動解析部）、 １４０，２４０：ターゲット材、 １４１，２４１：コーナー部、 ｆ：固有振動数、 Ｍ：質量係数、 ζ：減衰比

Claims (8)

1. １または複数の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を回転しながら被加工物に対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、
   前記工作機械に固定されたターゲット材と前記回転工具とを接触させて前記回転工具を規定の撓み量まで撓ませた後に、前記ターゲット材から前記回転工具を離脱させることにより前記回転工具を加振する加振制御部と、
   加振された前記回転工具の振動を検出する振動検出器と、
   前記振動検出器による検出値に基づいて、前記回転工具の前記刃部を振動体とする振動系における動特性を算出する振動解析部と、
   を備える、工作機械の動特性算出装置。
2. 前記加振制御部は、前記刃部におけるすくい面と逃げ面の境界部を前記ターゲット材のコーナー部に接触させた状態において、前記回転工具を加工時とは逆回転に回転させて前記境界部を前記コーナー部から離脱させることにより前記回転工具を加振する、請求項１の工作機械の動特性算出装置。
3. 前記加振制御部は、
   前記ターゲット材に対して前記回転工具を支持する主軸装置を位置決めした状態で、前記回転工具を継続して回転させることにより間欠的に前記回転工具を加振し、
   前記ターゲット材から前記回転工具が離脱してから再び前記ターゲット材に前記回転工具が接触するまでの期間が、前記回転工具の振幅が前記撓み量の１／１０以下に減衰するまでに要する期間よりも長くなるように、前記回転工具の回転数を設定する、請求項２の工作機械の動特性算出装置。
4. 前記加振制御部は、加工時の回転数で前記回転工具を回転させて前記回転工具を加振する、請求項１〜３の何れか一項の工作機械の動特性算出装置。
5. 前記ターゲット材のうち前記回転工具と接触する部位には、前記回転工具の軸線方向視において、前記回転工具の撓み方向に直交する平面に対して傾斜する斜面が設けられている、請求項１〜４の何れか一項の工作機械の動特性算出装置。
6. 前記回転工具が前記ターゲット材との接触により撓んでいる状態において、前記ターゲット材に作用する前記回転工具の撓み方向の力を測定する力センサをさらに備える、請求項１〜５の何れか一項の工作機械の動特性算出装置。
7. 前記振動解析部は、前記振動系における前記動特性として前記刃部の固有振動数のみを算出する、請求項１〜６の何れか一項の工作機械の動特性算出装置。
8. １または複数の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を回転しながら被加工物に対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する方法であって、
   前記工作機械に固定されたターゲット材と前記回転工具とを接触させて前記回転工具を規定の撓み量まで撓ませた後に、前記ターゲット材から前記回転工具を離脱させることにより前記回転工具を加振する加振工程と、
   加振された前記回転工具の振動を検出する検出工程と、
   前記検出工程にて検出した検出値に基づいて、前記回転工具の前記刃部を振動体とする振動系における動特性を算出する振動解析工程と、
   を備える、工作機械の動特性算出方法。

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