JP2016005858A - 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、規定の硬度に設定されている加振体１１１を予め定められた軌道Ｏｂに沿って移動させるとともに所定の速度で回転工具６に衝突させ、当該衝突により所定の速度に応じた衝撃力を回転工具６に付与することにより回転工具６を加振する加振装置１１０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６

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、適正な加工条件を決定する必要がある。加工条件の決定には、工作機械の動特性を把握することが重要である。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、規定の硬度に設定されている加振体を予め定められた軌道に沿って移動させるとともに所定の速度で前記回転工具に衝突させ、当該衝突により前記所定の速度に応じた衝撃力を前記回転工具に付与することにより前記回転工具を加振する加振装置と、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、加振装置は、加振体を予め定められた軌道に沿って移動させるとともに所定の速度で回転工具に衝突させる。これにより、回転工具は、加振体との衝突により加振体の速度に応じた衝撃力を受けて振動することになる。このように、動特性算出装置は、加振装置により回転工具の加振を自動化することができる。また、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、加振装置は、加振体の規定の硬度や衝突の際の加振体の速度を適宜制御することにより、一定の衝撃力を回転工具に付与できる。よって、ハンマーなどにより手動で回転工具に衝撃力を加えて加振する方法と比較して、回転工具に一定の振動を付与できる。さらに、加振体の速度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、より正確な動特性を測定できる。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算出できる。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、前記加振装置は、前記加振体が移動可能な管状からなる管路を有し、前記加振体を前記所定の速度で前記管路の開口から前記回転工具に向かって射出することにより、前記回転工具に前記加振体を衝突させてもよい。
このような構成によると、加振装置は、回転工具から適宜離間した状態で、回転工具に振動を付与することができる。また、射出された加振体は、回転工具に衝突した後には、衝突の反作用により弾かれて回転工具から離間して、回転工具の振動に影響しない。

（請求項３）また、前記加振装置は、前記回転工具に衝突する位置まで移動した前記加振体と衝突方向に係止することにより、前記加振体の前記回転工具側への移動を規制する規制部を有してもよい。
このような構成によると、加振体は、回転工具と衝突した後において、加振装置からの脱落を防止される。よって、加振体の回収が不要となり、また加振体の再利用が容易となる。

（請求項４）また、前記加振体は、球状に形成されてもよい。
このような構成によると、回転工具は、加振体の外周面である球面から衝撃力を加えられる。よって、回転工具に付与される衝撃力の方向が安定する。よって、加振装置は、回転工具の好適な加振を行うことができる。

（請求項５）また、前記加振体は、棒状に形成され、一方側の端部において前記回転工具と衝突してもよい。
このような構成によると、加振装置は、加振体が棒状であることから、加振体を容易に保持し、且つ移動力を付与することができる。よって、加振体の移動制御が容易となる。また、棒状にある加振体の長さを調整することにより、加振体の質量を調整することができる。これにより、加振体が回転工具に付与する衝撃力を調整し易くできる。

（請求項６）また、前記加振体の前記硬度は、前記振動系における前記動特性に含まれる固有振動数に応じて設定されてもよい。
加振装置において、加振体における回転工具との接触部位の硬度が、回転工具に付与される振動に影響する。そのため、回転工具に振動を好適に付与するには、加振体の硬度が適宜設定されている必要がある。そして、回転工具の刃部を振動体とする振動系における動特性に含まれる固有振動数が高いほど、加振体の硬度も高く設定することが好適である。また、回転工具の固有振動数は、設置された環境により変動するが、工具種別やホルダからの突出量などから事前に概ね推定することができる。そこで、推定する固有振動数に応じて加振体の硬度を設定することにより、回転工具を好適に振動させることができる。

（請求項７）また、前記加振装置は、前記工作機械に供給されているエアを用いて前記加振体に外力を付与して、前記加振体を前記軌道に沿って移動させてもよい。
このような構成によると、加振装置は、既存設備を利用した駆動機構を構成されるので、装置全体として簡易化することができる。また、エアを用いることにより、加振体の移動制御が容易となり、回転工具に一定の振動を付与できる。

（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、規定の硬度に設定されている加振体を予め定められた軌道に沿って移動させるとともに所定の速度で前記回転工具に衝突させ、当該衝突により前記所定の速度に応じた衝撃力を前記回転工具に付与す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。 図５における加振装置を示す模式図である。 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。 第一変形態様における加振装置２１０を示す模式図である。 第一変形態様における加振装置１１０を示す模式図である。 第二変形態様における加振装置３１０を示す模式図である。 第二変形態様における加振装置４１０を示す模式図である。 第三変形態様における加振装置を示す模式図である。

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。

また、工作機械は、図示しないコンプレッサーにより圧縮されたエアが供給されている。工作機械に供給されたエアは、エアシリンダなどを含む種々のアクチュエータに用いられる。本実施形態において、工作機械に供給されたエアは、後述する加振装置において加振体を射出する際の駆動源として用いられる。

（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、回転工具による切削加工を高精度に行うためには、上記の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７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、算出部１０５と、記憶部１０６と、加振装置１１０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および加振装置１１０を介して回転工具６の回転数、加振装置１１０の動作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、加振装置１１０に対して、回転工具６に付与する衝撃力の大きさや衝撃力を付与するタイミングなどに関する制御信号を送出する。加振装置１１０の構成および回転工具６の加振の詳細については後述する。

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６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。

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などに基づいて、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。

（加振装置１１０の構成）
加振装置１１０は、加振制御部１０２から送出される制御信号に基づいて、回転工具６に振動を付与して回転工具６を加振する。加振装置１１０は、工作機械の機内に固定されており、図６に示すように、加振体１１１と、軌道案内部１１２と、制御バルブ１１３とを有する。加振体１１１は、回転工具６と衝突した際に回転工具６に衝撃力を付与可能となるように、規定の硬度に設定される。本実施形態において、加振体１１１は、鋼材により形成され、振動系における動特性に含まれる固有振動数ｆに応じて設定される。また、加振体１１１は、球状に形成される。

軌道案内部１１２は、回転工具６の回転中心Ｃｂに対して垂直な方向に延びる本体管部１１２ａと、本体管部１１２ａから分岐する枝管部１１２ｂとを有する。本体管部１１２ａおよび枝管部１１２ｂは、球状の加振体１１１の直径よりも僅かに大きな内径を有し、加振体１１１が移動可能な管状からなる管路を構成する。本体管部１１２ａの回転工具６側の端部は、回転工具６に対して開口している。このような構成により、軌道案内部１１２は、枝管部１１２ｂより投入された加振体１１１を、予め定められた軌道Ｏｂ（図６の一点鎖線で示す）に沿って移動するように案内する。

また、軌道案内部１１２の本体管部１１２ａの回転工具６とは反対側の端部は、制御バルブ１１３を介してコンプレッサー（図示しない）に連結されている。ここで、加振装置１１０は、本実施形態において、コンプレッサーから工作機械に供給されているエアを用いて加振体１１１に外力を付与して、加振体１１１を軌道に沿って移動させる構成を採用している。制御バルブ１１３は、制御信号に基づいて動作して、軌道案内部１１２の本体管部１１２ａにおけるエアの流量を調整する。

上記のような構成からなる加振装置１１０は、軌道案内部１１２の本体管部１１２ａの開口から、本体管部１１２ａの延伸方向に位置決めされた回転工具６における非刃部６ｃの回転中心Ｃｂに向かって加振体１１１を射出する。これにより、加振装置１１０は、加振体１１１を軌道Ｏｂに沿って移動させるとともに、所定の速度で回転工具に加振体１１１を衝突させる。そして、加振装置１１０は、当該衝突により所定の速度に応じた衝撃力を回転工具６に付与することにより回転工具６を加振する。

ここで、加振体１１１の硬度は、回転工具６に付与される振動に影響する。そのため、回転工具６に意図する振動を付与するには、加振体１１１の硬度が適切に設定されている必要がある。そして、回転工具６の刃部６ａ，６ｂを振動体とする振動系の固有振動数ｆが高いほど、加振体１１１の硬度も高く設定することが好適である。これは、回転工具６に加振体１１１が衝突した際の瞬間的な接触時間と加振体１１１の硬度との間に相関があり、回転工具６に伝達される衝撃力が加振体１１１の硬度により変動することが一因と考えられる。

また、回転工具６の固有振動数ｆは、設置された環境により変動するが、回転工具６の種別やホルダからの突出量に基づいて、ＦＥＭ解析などにより推定される。そこで、本実施形態において、加振装置１１０は、予め想定される固有振動数ｆに応じて加振体１１１の硬度を設定する。即ち、加振装置１１０は、固有振動数ｆに対応した種別（硬度）の加振体１１１を用いて回転工具６の加振を行う。

また、回転工具６に付与される衝撃力は、加振体１１１の硬度の他に、加振体１１１の質量や、衝突の際の加振体１１１の速度によって変動する。本実施形態において、加振体１１１は、一定の質量を有する鋼球であり、制御バルブ１１３の開度に応じて変動するエアの流量に応じて加速され、所定の速度で回転工具６に衝突する。このように、加振装置１１０は、加振体１１１を同一の条件（回転工具６における衝突部位、衝突方向、射出速度）で回転工具６に衝突させて加振することが可能となっている。

加振装置１１０による回転工具６の加振において、回転工具６は、軌道案内部１１２に対して加振体１１１の軌道方向に加振体１１１の直径以上に離間して位置決めされる。これにより、加振装置１１０から射出された加振体１１１は、回転工具６に衝突した後に、回転工具６から受ける反作用等によって弾かれて飛散する。この加振体１１１については、回収した後に再び加振装置１１０にセットされて再利用されてもよいし、加工時に発生する切り屑とともに回収して廃棄してもよい。

ここで、回転工具６が振動すると、振動検出器１０３は、回転工具６の振動によって生じる音波を検出することが可能である。また、回転工具６と加振体１１１が衝突した後に、回転工具６の振動は、減衰比ζで徐々に減衰する。振動検出器１０３による回転工具６の振動の検出については、少なくとも１回の加振でも足りるが、検出誤差を低減して高精度に振動を検出するために、複数回に亘り振動の検出を行うようにしてもよい。

そこで、加振制御部１０２は、予め想定される減衰比ζに応じて、適宜の間隔で回転工具６を加振するように加振装置１１０に制御信号を送出する。これにより、加振装置１１０は、複数回に亘り適宜の間隔で加振体１１１を回転工具６に射出する。これにより、回転工具６は、間欠的に加振される。振動検出器１０３は、回転工具６において維持される振動によって生じる音波を検出する。また、加振体１１１を射出する間隔については、適宜設定可能であり、例えば振動の減衰と回転工具６が付与される衝撃力の関係を勘案して、振動が１／１０程度となるまで減衰する期間に設定してもよい。

また、回転工具６を加振装置１１０が加振する際に、回転工具６は、所定の回転数で回転していることが好ましい。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、加工時の回転数に設定される。

（音波検出処理）
次に、振動検出器１０３による音波検出処理について、図７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（付与する衝撃力）を調整すべく回転工具６に衝突する際の加振体１１１の速度を設定する。より具体的には、加振制御部１０２は、加振装置１１０に対して位置決めされる回転工具６の位置、加振体１１１の硬度、および加振装置１１０の制御バルブ１１３の開度などを適宜設定する。

続いて、工作機械は、加振工程において、加振装置１１０により適宜の間隔で射出された加振体１１１を回転工具６に衝突させることによって、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。

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８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９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８および図９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８および図９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、規定の硬度に設定されている加振体１１１を予め定められている軌道Ｏｂに沿って移動させるとともに所定の速度で回転工具６に衝突させ、当該衝突により所定の速度に応じた衝撃力を回転工具６に付与す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、動特性算出装置１００は、このような方法により加振された回転工具６の振動を検出し、当該検出値に基づいて刃部６ａ，６ｂの固有振動数ｆを算出する。よって、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に対して撓んで振動する場合に、刃部６ａ，６ｂの固有振動数ｆ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。

加振装置１１０は、加振体１１１の規定の硬度や衝突の際の加振体１１１の速度を適宜制御することにより、一定の衝撃力を回転工具６に付与できる。よって、ハンマーなどにより手動で回転工具６に衝撃力を加えて加振する方法と比較して、回転工具６に一定の振動を付与できる。さらに、加振体１１１の速度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、より正確な動特性を測定できる。さらに、実際に加工に使用する回転工具６を加振する構成であるため、当該回転工具６を含む正確な工作機械の動特性を算出できる。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、加振装置１１０は、工作機械に供給されているエアを用いて加振体１１１に外力を付与して、加振体１１１を軌道Ｏｂに沿って移動させる。このような構成によると、加振装置１１０は、既存設備を利用した駆動機構で構成されるので、装置全体として簡易化することができる。また、エアを用いることにより、加振体１１１の移動制御が容易となり、回転工具６に一定の振動を付与できる。

また、加振装置１１０は、加振体１１１を所定の速度で回転工具６に向かって射出することにより、回転工具６に加振体１１１を衝突させる。このような構成によると、加振装置１１０は、回転工具６から適宜離間した状態で、回転工具６に振動を付与することができる。また、射出された加振体１１１は、回転工具６に衝突した後には、衝突の反作用により弾かれて回転工具６から離間して、回転工具６の振動に影響しない。

また、加振体１１１は、球状に形成される。このような構成によると、回転工具６は、加振体１１１の外周面である球面から衝撃力を加えられる。よって、回転工具６に付与される衝撃力の方向が安定する。よって、加振装置１１０は、回転工具６の好適な加振を行うことができる。

また、加振体１１１の硬度は、振動系における動特性に含まれる固有振動数ｆに応じて設定される。加振装置１１０において、加振体１１１における回転工具６との接触部位の硬度が、回転工具６に付与される振動に影響する。そのため、回転工具６に振動を好適に付与するには、加振体１１１の硬度が適宜設定されている必要がある。そして、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に含まれる固有振動数ｆが高いほど、加振体１１１の硬度も高く設定することが好適である。また、回転工具６の固有振動数ｆは、設置された環境により変動するが、工具種別やホルダからの突出量などから事前に概ね推定することができる。そこで、推定する固有振動数ｆに応じて加振体１１１の硬度を設定することにより、回転工具６を好適に振動させることができる。

＜実施形態の変形態様＞
（第一変形態様）
実施形態における加振装置１１０の加振体１１１は、球状に形成されるものとした。これに対して、加振体１１１は、球状の他に種々の形状に形成されてもよい。例えば、加振体１１１は、直線状の軌道Ｏｂ方向に延びる棒状に形成され、一方側の端部において回転工具６と接触する構成を採用できる。

より具体的には、加振装置２１０は、図１０に示すように、棒状に形成された加振体２１１と、シリンダ部材２１５とを有する。加振体２１１は、シリンダ部材２１５の内周側に配置されたピストン部材であり、図示しないエアの供給によって、予め定められた軌道Ｏｂに沿って移動可能に保持されている。また、加振体２１１の一方側の端部には、チップ２１１ａが交換可能に設けられている。当該チップ２１１ａは、実施形態と同様に、規定の硬度に設定される。複数種類のチップ２１１ａを交換することで、加振体２１１における回転工具６との接触部位における硬度を調整することが可能となっている。

上記のような構成からなる加振装置２１０は、シリンダ部材２１５内の気圧を制御することにより、軌道Ｏｂの延伸方向に位置決めされた回転工具６に所定の速度で衝突する。この衝突により、回転工具６には所定の速度に応じた衝撃力が付与され、回転工具６が加振される。このように、加振体２１１が棒状である構成によると、加振体２１１を保持しやすくなるとともに、加振体２１１に付与する移動力の制御が容易になる。また、加振体２１１の硬度や質量が調整し易くなるので、加振体２１１が回転工具６に付与する衝撃力の制御精度が向上する。

また、実施形態における加振装置１１０は、回転工具６に衝突する位置まで移動した加振体１１１と衝突方向に係止することにより、加振体１１１の回転工具６側への移動を規制する規制部を有してもよい。具体的には、図１０に示すように、加振体２１１が棒状の場合には、例えば加振体２１１の外周に径方向外方に突出したフランジ部２１１ｂを設け、シリンダ部材２１５の内周面に形成された規制部２１５ａと衝突方向（軌道Ｏｂの延伸方向）に係止する構成としてもよい。

また、加振体１１１が球状の場合には、図１１に示すように、軌道案内部１１２における本体管部１１２ａの端部に規制部２１２ｃを設ける。規制部２１２ｃは、開口径が加振体１１１の直径よりも小さく設定されており、加振体１１１の衝突方向の移動を規制する。このような構成（図１０，図１１）によると、加振体１１１，２１１は、回転工具６と衝突した後において、加振装置１１０，２１０からの脱落を防止される。よって、加振体１１１，２１１の回収が不要となり、また加振体１１１，２１１の再利用が容易となる。

（第二変形態様）
実施形態における加振装置１１０は、加振工程（Ｓ２）において、工作機械に供給されているエアを用いて加振体１１１に外力を付与して、加振体１１１を軌道Ｏｂに沿って移動させる。これに対して、加振装置１１０は、他の方法により加振体１１１を軌道Ｏｂに沿って移動させるようにしてもよい。他の方法としては、電力や磁力、重力などを採用することができる。

より具体的には、加振装置３１０は、図１２に示すように、一部が湾曲した軌道案内部３１２を有し、投入された球状の加振体１１１が落下する力を利用して、当該加振体１１１を軌道Ｏｂに沿って移動させる構成としてもよい。また、加振装置４１０は、図１３に示すように、固定された回転軸周りに回転可能に指示された振り子の先端に球状の加振体１１１を配置してもよい。このような構成においても同様に、加振体１１１は、予め定められた軌道Ｏｂに沿って移動して、回転工具６に衝突する。

（第三変形態様）
実施形態において、加振装置１１０は、加振体１１１を所定の速度で回転工具６に向かって射出することにより、回転工具６に加振体１１１を衝突させる。これに対して、加振装置１１０は、回転工具６に衝突した後の加振体１１１が加振装置１１０から脱落しない構成としてもよい。

より具体的には、図１４に示すように、軌道案内部５１２は、加振体１１１を回収するための第二枝管部５１２ｄをさらに有する。そして、加振工程（Ｓ２）において、回転工具６は、回転工具６と軌道案内部５１２との距離が加振体１１１の直径より小さく（好適には、半径よりも小さく）なるように位置決めされる。これにより、加振体１１１は、回転工具６との衝突後に再び軌道案内部５１２の内部に戻り、第二枝管部５１２ｄを通って回収される。

（その他）
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
１０５：算出部（振動解析部）、 １１０，２１０：加振装置、 １１１，２１１：加振体、 １１２，５１２：軌道案内部、 １１２ａ：本体管部（管路）、 ２１２ｃ，２１５ａ：規制部、 ｆ：固有振動数、 Ｍ：質量係数、 ζ：減衰比、 Ｏｂ：軌道

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、
   規定の硬度に設定されている加振体を予め定められた軌道に沿って移動させるとともに所定の速度で前記回転工具に衝突させ、当該衝突により前記所定の速度に応じた衝撃力を前記回転工具に付与することにより前記回転工具を加振する加振装置と、
   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. 前記加振装置は、前記加振体が移動可能な管状からなる管路を有し、前記加振体を前記所定の速度で前記管路の開口から前記回転工具に向かって射出することにより、前記回転工具に前記加振体を衝突させる、請求項１に記載の工作機械の動特性算出装置。
3. 前記加振装置は、前記回転工具に衝突する位置まで移動した前記加振体と衝突方向に係止することにより、前記加振体の前記回転工具側への移動を規制する規制部を有する、請求項１に記載の工作機械の動特性算出装置。
4. 前記加振体は、球状に形成されている、請求項１〜３の何れか一項に記載の工作機械の動特性算出装置。
5. 前記加振体は、棒状に形成され、一方側の端部において前記回転工具と衝突する、請求項１〜３の何れか一項に記載の工作機械の動特性算出装置。
6. 前記加振体の前記硬度は、前記振動系における前記動特性に含まれる固有振動数に応じて設定される、請求項１〜５の何れか一項に記載の工作機械の動特性算出装置。
7. 前記加振装置は、前記工作機械に供給されているエアを用いて前記加振体に外力を付与して、前記加振体を前記軌道に沿って移動させる、請求項１〜６の何れか一項に記載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、
   規定の硬度に設定されている加振体を予め定められた軌道に沿って移動させるとともに所定の速度で前記回転工具に衝突させ、当該衝突により前記所定の速度に応じた衝撃力を前記回転工具に付与す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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