JP2017154219A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】
長尺ワークの加工で２次の振動モードでのびびり振動が問題となる場合において、振れ止め装置を使用せず、心押台のみを使用し、加工位置の剛性をコントロールしてびびり振動を抑制することができる工作機械を提供する。
【解決手段】
様々な心押部７の突出し長さ条件において、予め解析した振動モードの情報に基づき、工具１３が加工を行うワークＷの長手方向位置Ａと振動モードＶａの節の位置ができる限り近くなるように心押台９を動作させ、心押部突出し長さＬａを調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械に関し、特に、長尺ワークの加工に好適な工作機械に関する。

工作機械を用いて低剛性のワークを加工する場合にびびり振動がしばしば発生する。長尺ワークの加工におけるびびり振動の抑制を目的として、一般的に心押や振れ止めによるワーク剛性の向上が行われている。しかしながら、心押台を用いても両端付近以外での剛性不足が要因でびびり振動が発生することが多い。また、振れ止めを使用する場合は、ワーク表面への圧痕や、振れ止め装置への切りくずの堆積、装置に必要なコスト、段取時間が問題となっている。

そこで、心押台について、特許文献１には、押圧力を予め設定した値に自動的に調整するための技術が開示されている。また、圧痕を解決するために、特許文献２には、防振材をワーク外周の一部に押圧しワークのびびり振動を抑制するための技術が開示されている。

特開２００５−２６２３２６号公報 特開２００６−３２６７９６号公報

しかしながら、従来の技術による心押台では、安定した押圧力によるワークの支持が可能であるが、加工位置の剛性をコントロールすることはできなかった。また、振れ止め装置を用いても、振れ止め装置に切りくずが堆積してしまう問題や、装置にコストがかかってしまうという問題は解決されない。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、振れ止め装置を使用せず、心押台のみを使用し、加工位置の剛性をコントロールしてびびり振動を抑制することができる工作機械を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ワークを支持する主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸台と、ワークの端面を心押しする心押部と、心押部を軸方向に移動可能に支持する心押台とを備え、工作機械制御部によって挙動が制御される工作機械において、心押部の心押台からの突出し長さを変更する突出し長さ制御手段をさらに備えており、工作機械制御部は、心押部の突出し長さをワークの寸法および加工位置の少なくとも一方に応じて制御する突出し長さ制御部を有していることを特徴とする。

突出し長さ制御手段は、例えば、心押部を一定の力で押圧した状態で、心押台を軸方向に移動させる心押台送り装置を備え、心押台の軸方向位置を変化させることで、心押部の突出し長さを変化させるものとされる。心押台送り装置は、ボールねじ装置など、心押台を直線駆動するものとされる。突出し長さ制御手段は、心押部の心押台からの突出し長さを変更するものであれば、その構成は限定されるものではない。

心押部の心押台からの突出し長さによって、２次の振動モードの節の位置が変化する。そこで、加工位置が２次の振動モードの節付近になるように、ワーク形状や加工位置に応じて心押部の突出し長さを制御することによって、びびり振動を抑制することが可能になる。

請求項２の発明は、突出し長さ制御部は、加工中に連続的に心押部の突出し長さを変更することを特徴とする。

心押部の心押台からの突出し長さについては、びびり振動が最も大きくなる加工位置が２次の振動モードの節付近になるように設定し、加工中は変更しないようにしてもよいが、加工中に連続的に突出し長さを変更することがより好ましい。

ワークは、基端部が主軸に支持され（基端部が固定端）、先端部が心押部に押圧され、心押部は、基端側が心押台に支持され（基端側が固定端）、先端部（回転センタ）がワークの先端に押圧される。このため、心押部の突出し長さが最小の場合、振動の節の位置はワークの長手方向中央の近傍にあり、この状態から心押部の突出し長さを大きくしていくと、振動の節の位置はワークの先端側に移動していく。したがって、加工中に連続的に突出し長さを変更することにより、びびり振動をより効率よく抑えることができる。

請求項３の発明は、突出し長さ制御部は、振動モードの解析に必要なワーク情報に基づき、予め主軸とワークと心押台とその他機械を構成する要素のうち少なくともワークを含む振動モードを解析し、心押部の突出し長さと振動の節の位置との関係に基づいて加工位置と振動の節の位置とが近くなるように心押部の突出し長さを制御することを特徴とする。

例えば有限要素解析によってあらかじめ振動モードを解析しておくことによって、びびり振動が起こりやすい形状のワークに対してもびびり振動を抑えるための最適加工が可能となる。

加工位置が２次の振動モードの節付近になるように、ワーク形状や加工位置に応じて心押部の突出し長さを制御することによって、加工位置の剛性のコントロールができ、振れ止めを使用しなくてもびびり振動を抑制することが可能になる。また、振れ止めを使用しないことで、加工面への圧痕や切りくずの堆積が生じないため、面品位の高いワークを能率良く生産することができる。

図１は、本発明に係る工作機械の概略側面図である。 図２は、本発明による心押台制御の一例を示す要部の概略側面図である。 図３は、図２の状態から突出し長さを変化させた一例を示す要部の概略側面図である。 図４は、心押部突出し長さを制御するフローを表す説明図である。 図５は、振動モード解析の例を示す図で、（ａ）は、図２に対応し、（ｂ）は、図３に対応している。

以下、本発明の１実施形態を図面に基づき説明する。以下の説明において、図１の左右を左右というものとする。

本発明の工作機械２８は、長尺のワークの加工に適したもので、図１に概略的に示すように、ワークＷを支持する主軸１と、主軸１を回転可能に支持する主軸台４と、ワークＷの端面を心押してワークＷを支持する心押部７と、心押部７を移動可能に支持する心押台９と、工具台１４と、工具台１４が固定されたサドル１５と、工作機械２８の全体の挙動を制御する工作機械制御部２１とを備えている。

主軸１は、左右にのびて配されており、その右端（先端）には、チャック２が設けられて、チャック２によりワークＷを把持するようになっている。心押部７は、主軸１に右側から対向するように設けられており、心押部７に回転自在に把持された回転センタ６によりワークＷの右端面を押圧することにより、ワークＷを回転自在に支持する。

主軸台４内には、主軸１を回転させるためのモータ３、及び主軸１の回転速度を検出するためのエンコーダ５が内蔵されている。

心押台９内には、心押部７を左右方向（すなわち、ワークＷの長手方向）に動作させる油圧シリンダ８が固定されており、油圧シリンダ８は、心押台９から離れた位置に設置された油圧装置２５に接続されている。油圧シリンダ８は、心押台９に固定されており、心押台９と一緒に移動する。油圧シリンダ８内には、心押部７に固定されて心押部７と一体でワークＷの長手方向に移動可能なピストン８ａが配されている。

心押台９は、ベッド１９の上に搭載され、ベッド１９に備えられたモータ（心押台送り軸モータ）１０により回転可能なボールねじ（心押台送り軸ボールねじ）１２と接続されており、エンコーダ（心押台送り軸エンコーダ）１１が心押台９の送り速度や位置を検出するようになっている。

工具台１４は、径方向（ワークＷの長手方向に直交する方向）に動作可能であり、この工具台１４に、ワークＷを加工する工具１３が固定されている。工具１３は、サドル１５がワークＷの長手方向に移動することに伴い、ワークＷの長手方向所定位置に加工を行う。

サドル１５は、ベッド１９の上に搭載され、ベッド１９に備えられたモータ（サドル送り軸モータ）１６により回転可能なボールねじ（サドル送り軸ボールねじ）１８と接続されており、エンコーダ（サドル送り軸エンコーダ）１７がサドル１５の送り速度や位置を検出するようになっている。

工作機械２８は、工作機械制御部２１を介して主軸１と回転センタ６とに支持されたワークＷの回転速度を制御するとともに、工具１３をワークＷの径方向に切込み、長手方向に送るといった加工動作を周知の構成により制御する。

工作機械制御部２１には、主軸制御部２０と、心押部突出し長さ制御部２２と、心押台送り軸制御部２３と、サドル送り軸制御部２４と、加工プログラムなどを記憶する記憶部２６と、必要なデータを入力するための入力手段２７とがそれぞれ接続されている。

主軸制御部２０は、エンコーダ５によって主軸１の回転速度を監視するとともに、主軸１の回転速度を制御する。

心押部突出し長さ制御部２２は、後述するように、心押部７の突出し長さを制御する。

心押台送り軸制御部２３は、エンコーダ１１によって心押台９の位置と送り速度を監視するとともに、心押台９の位置と送り速度を制御する。

サドル送り軸制御部２４は、エンコーダ１７によってサドル１５の位置と送り速度を監視するとともに、サドル１５の位置と送り速度を制御する。

心押部７の心押台９からの突出し長さの変更は、エンコーダ１１からの情報に基づいて、モータ１０の回転量を制御することで、ボールねじ１２の移動量が制御され、これによって、心押台９の軸方向位置が変化することで実現される。モータ１０、エンコーダ１１およびボールねじ１２は、心押部７の心押台９からの突出し長さを変更する突出し長さ制御手段を構成している。モータ１０は適宜な駆動装置に、エンコーダ１１は適宜なセンサに、ボールねじ１２は適宜な直線移動装置にそれぞれ置き換えることができる。

上記突出し長さ制御手段および心押部突出し長さ制御部２２により、心押部突出し長さは、心押台９を移動させて、図２に示す心押部突出し長さＬａが大の状態と図３に示す心押部突出し長さＬｂが小の状態との間で連続的に変化させることができる。

油圧装置２５は、ピストン８ａに付加される油圧を一定に保つ。したがって、心押部７が受ける油圧は一定であり、心押台９が移動しても回転センタ６がワークＷを一定の力で押し続ける。なお、ベッド１９に対する心押部７の位置については特に制御しない。

次に、本発明の要部となる心押部突出し長さ制御部２２による心押部の突出し長さの制御について、図４のフローを表す説明図に沿って説明する。

まず、ステップ１（以下、Ｓ１と略称する。以下のステップについても同様とする）では、オペレータによって、例えばワーク寸法やワーク形状、ワーク材質のようにモード解析に必要なワークの情報が入力手段２７を介して入力される。

入力されたワークの情報と、予め入力された工作機械の形状や材質の情報とに基づき、Ｓ２では、心押部突出し長さ制御部２２が適正な心押部突出し長さを求める解析を行う。具体的には、例えば有限要素解析によって、０から最大の心押部突出し長さまで、最大の心押部突出し長さをＮ等分（Ｎは任意の自然数）した長さごとの（Ｎ+1）個の心押部突出し長さ条件において、ワークＷと回転センタ６と心押部７とで構成される振動体モデルのモーダル解析を行い、心押部突出し長さ条件ごとに振動の２次モードにおける節の位置を求める。なお、節の位置は、例えば解析したモデルの要素の内、固定端から予め設定した割合分の長さを除いて、最も変位の小さい要素の位置とする。

Ｓ３では、以上のようにして求めた心押部突出し長さと振動モードの節の位置との関係を記憶部２６に保存する。

Ｓ４では、ワークＷの長手方向の加工範囲をＭ等分（Ｍは任意の自然数）し、１〜Ｍ番目の各加工位置において、記憶部２６に保持している心押部突出し長さと振動モードの節の位置との関係を参照し、加工位置と節の位置が最も近くなる心押部突出し長さを求め、これを加工位置における心押部突出し長さに決定する。また、ｍ番目とｍ＋１番目との加工位置の間の心押部突出し長さについては、ｍ番目とｍ＋１番目との加工位置における心押部突出し長さから線形補間等によって決定する。以上のようにして決定した長手方向加工位置と心押部突出し長さとの関係を記憶部２６に保存し、心押部突出し長さを加工開始の加工位置に対応した値になるように後述する方法で心押台９の位置を制御する。

Ｓ５で加工を開始した後、Ｓ６では、記憶部２６に保存された長手方向加工位置と心押部突出し長さとの関係を満たすように加工中も心押部突出し長さを制御するべく心押台９を制御する。

次に、加工中の心押台９の制御について、図２および図３を用いて説明する。

加工中、工作機械制御部２１は、記憶部２６に予め保存された加工プログラムにしたがってサドル１５を長手方向に切削送りさせるべく、サドル送り軸制御部２４に指令を出し、同時に、記憶部２６に保存された長手方向加工位置と心押部突出し長さとの関係を満たすように心押部突出し長さを調整するべく、心押台送り軸制御部２３にも指令を出す。

図２および図３は、心押台制御の一例を示す説明図であり、チャック２と回転センタ６とに支持され回転しているワークＷに対して径方向に切込んだ工具１３を長手方向に送り加工を行っている様子を表している。図２は、心押部突出し長さＬａが相対的に大きい場合の１例を、図３は、心押部突出し長さＬｂが相対的に小さい場合の１例をそれぞれ示している。

図２のＶａおよび図３のＶｂは、ワークＷと回転センタ６と心押部７を含む構造体の振動モードを表しており、上記のように予め心押部突出し長さ制御部２２にて求めておいた長手方向加工位置と心押部突出し長さとの関係にしたがって加工中に心押台９を動作させ、心押部突出し長さＬａ，Ｌｂを調整することにより、工具１３の長手方向加工位置Ａ，Ｂが構造体の振動モードの節の位置に近い状態で加工を行うことができる。

図５は、図２および図３に示した２つの心押部突出し長さ条件での振動モード解析の例を示す説明図で、（ａ）が図２に対応し、（ｂ）が図３に対応している。すなわち、心押台９側からチャック２側へ送り加工をする場合、心押部突出し長さを図２のＬａから図３のＬｂに短くすることで、長手方向加工位置の移動に合わせて、節の位置を図５（ａ）に示す位置から図５（ｂ）に示す位置に移動させることができる。こうして、図２および図３に示すように、工具台１４（サドル１５）をワークＷの長手方向に移動させて、節の位置またはその近傍を加工位置とすることにより、びびり振動を抑えることができる。

工作機械制御部２１は、心押部７の突出し長さが最大の状態で心押台９を後退させたり、最小の状態で心押台９を前進させたりしないように、例えば心押部７のシリンダ８の端部に達したことを図示しないリミットスイッチやスケール等で検知して、回転センタ６がワークＷから離れたりワークＷを押しすぎたりしないよう心押台９の位置を制御している。

なお、上記実施形態では加工中に心押台９を動作させることによって心押部突出し長さＬａ，Ｌｂを調整したが、びびり振動が一部分だけで発生する場合には、予め心押部突出し長さ制御部２２にて求めておいた長手方向加工位置と心押部突出し長さとの関係から、びびり振動が発生する位置が振動モードの節の位置に近くなるように心押部突出し長さを加工前に設定しておき、始終その突出し長さで（例えば、図２または図３の位置で心押部７を固定した状態で）加工を行っても良い。

また、溝を有するワークを加工し、断続的な切削力によりワークが加振されてびびり振動が発生する場合、予め心押部突出し長さ制御部２２にてモーダル解析を行って心押部突出し長さとワークの共振周波数との関係を求めておき、図示しないマイクロフォンで測定した加工中のびびり振動周波数とワークの共振周波数が離れるように、心押部突出し長さＬａ，Ｌｂを調整しても良いし、心押部突出し長さＬａ，Ｌｂをスイープさせて図示しないマイクロフォンで測定した音圧レベルが最も小さくなるような心押部突出し長さを探索し、見つかったらその心押部突出し長さ条件で加工を継続するようにすることも可能である。

なお、本発明に係る工作機械は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、回転センタ６、心押部７、油圧シリンダ８及び工作機械全体に係る構成等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

例えば、上記実施形態では、回転するワークＷに回転しない工具１３を押し当てる加工を挙げたが、複合加工機を用いた長尺ワークＷの回転工具による加工にも適用可能である。

１：主軸
４：主軸台
７：心押部
９：心押台
２１：工作機械制御部
２２：心押部突出し長さ制御部
２３：心押台送り軸制御部
２８：工作機械
Ｗ：ワーク

Claims (3)

1. ワークを支持する主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸台と、ワークの端面を心押しする心押部と、心押部を軸方向に移動可能に支持する心押台とを備え、工作機械制御部によって挙動が制御される工作機械において、
   心押部の心押台からの突出し長さを変更する突出し長さ制御手段をさらに備えており、工作機械制御部は、心押部の突出し長さをワークの寸法および加工位置の少なくとも一方に応じて制御する突出し長さ制御部を有していることを特徴とする工作機械。
2. 突出し長さ制御部は、加工中に連続的に心押部の突出し長さを変更することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 突出し長さ制御部は、振動モードの解析に必要なワーク情報に基づき、予め主軸とワークと心押台とその他機械を構成する要素のうち少なくともワークを含む振動モードを解析し、心押部の突出し長さと振動の節の位置との関係に基づいて加工位置と振動の節の位置とが近くなるように心押部の突出し長さを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の工作機械。