JP2024053475A - 工作機械、数値制御装置、および、振動抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動を抑制することができる工作機械、数値制御装置、および、振動抑制方法を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態による工作機械は、ワークまたはワークを加工する工具を回転させる回転軸と、加工中の工具またはワークに発生する振動を検出する振動センサと、回転軸の動作を制御する数値制御装置と、を備え、数値制御装置は、回転軸の回転数、並びに、振動の周波数および振幅の取得を複数回行うセンサ情報取得部と、センサ情報取得部により取得された回転数および周波数に基づいて、回転数の目標値である目標回転数の演算を複数回行う演算部と、回転数が目標回転数になるように、回転軸の動作の制御を複数回行う第１制御部と、複数の目標回転数から、最も小さい振幅に対応する回転数を抽出する抽出部と、を有する、工作機械。【選択図】図１

Description

本発明による実施形態は、工作機械、数値制御装置、および、振動抑制方法に関する。

工作機械は、例えば、主軸に装着された工具を用いてワークを加工する。工作機械の数値制御装置（以下、ＮＣ（Numerical Controller）装置ともいう）は、主軸に指令を出力し、主軸の動作を制御する。例えば、工作機械を用いた切削中に工具とワークとの間にびびり振動が発生すると、ワークの加工面にびびり模様が発生し、加工面品質が劣化する。また、工具の寿命が短縮したり、工具が破損したりする場合もある。

特開２００７－４４８５２号公報 特開２０１５－２１７５００号公報

振動を抑制することができる工作機械、数値制御装置、および、振動抑制方法を提供することを目的とする。

本実施形態による工作機械は、ワークまたはワークを加工する工具を回転させる回転軸と、加工中の工具またはワークに発生する振動を検出する振動センサと、回転軸の動作を制御する数値制御装置と、を備え、数値制御装置は、回転軸の回転数、並びに、振動の周波数および振幅の取得を複数回行うセンサ情報取得部と、センサ情報取得部により取得された回転数および周波数に基づいて、回転数の目標値である目標回転数の演算を複数回行う演算部と、回転数が目標回転数になるように、回転軸の動作の制御を複数回行う第１制御部と、複数の目標回転数から、最も小さい振幅に対応する回転数を抽出する抽出部と、を有する、工作機械。

第１実施形態による工作機械の構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形態による安定限界線図の一例を示す図である。 限界切込み量と加速度との関係の一例を示す図である。 第１実施形態による工作機械の動作の一例を示すフロー図である。 第１実施形態による安定回転数の推測の例を示す図である。 第１実施形態による安定回転数の推測の例を示す図である。 第１実施形態による安定回転数の推測の例を示す図である。 第１実施形態による工作機械における安定回転数の算出結果の一例を示す図である。 第１比較例による工作機械における安定回転数の算出結果の一例を示す図である。 第２実施形態による安定限界線図の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による工作機械１００の構成の一例を示すブロック図である。工作機械１００は、主軸１と、主軸モータ２と、エンコーダ３と、振動センサ４と、数値制御装置５と、サーボ制御部６と、表示装置７と、を備える。

回転軸としての主軸１は、ワークＷを加工する工具１１が設けられ、工具１１を回転させる。図１に示す例では、工具１１は、ワークＷのエンドミル切削に用いられる。従って、工具１１は、回転しながらＸ軸方向およびＺ軸方向に移動し、ワークＷを切削する。この場合、ワークＷは固定されている。尚、図１に示す例では、主軸１をＸ軸およびＺ軸などに移動させる移動軸については省略されている。また、工具１１の刃数は、例えば、４である。尚、工具１１の刃数は、一例である。

主軸モータ２は、サーボ制御部６からサーボ指令を受けて、主軸１を回転駆動させる。

回転数センサとしてのエンコーダ３は、主軸１の回転数（主軸回転数）を検出する。エンコーダ３は、例えば、主軸モータ２の軸の回転位置を検出する。この回転位置から回転数が演算される。

振動センサ４は、加工中の工具１１またはワークＷに発生する振動を検出する。振動センサ４は、例えば、ワークＷに接触するように設けられる。振動センサ４の位置は、加工点に近いことが好ましい。尚、振動センサ４は、ワークＷが載置または固定される台に設けられてもよい。振動センサ４は、例えば、加速度センサである。しかし、これに限られず、振動センサ４は、主軸１またはワークＷを移動させる移動軸の位置（変位）を検出するリニアスケールなどであってもよい（センサレスモニタリング）。また、振動センサ４は、例えば、主軸１に設けられてもよい。尚、以下では、工具１１に振動が発生する場合について説明する。しかし、これに限られず、工具１１に発生する振動は、ワークＷに発生する振動であってもよい。従って、ワークＷが薄肉工作物である場合等、ワークＷが振動しやすい場合であっても、工作機械１００を用いることができる。

数値制御装置５は、主軸１の動作を制御する。数値制御装置５は、加工中の工具１１またはワークＷに発生するびびり振動を抑制する回転数を算出する。これにより、びびり振動を抑制することができる。びびり振動は、工具１１とワークＷとの間に生じる大きな振動である。尚、びびり振動の詳細については、後で説明する。

数値制御装置５は、センサ情報取得部５１と、演算部５２と、制御部５３と、評価部５４と、を有する。

センサ情報取得部５１は、エンコーダ３および振動センサ４から、回転数ｎ_０（ｍｉｎ^－１）、並びに、振動の周波数ｆ_０（Ｈｚ）および振幅ａ_０を取得する。より詳細には、センサ情報取得部５１は、回転数、周波数、および、振幅の取得を複数回行う。センサ情報取得部５１は、回転数、周波数、および、振幅を演算部５２に送る。

演算部５２は、回転数、周波数、および、振幅に基づいて、回転数の目標値である目標回転数を演算する。より詳細には、演算部５２は、目標回転数の演算を複数回行う。尚、尚、目標回転数の詳細については、図４を参照して、後で説明する。

制御部（第１制御部）５３は、回転数が目標回転数になるように、主軸１の動作を制御する。より詳細には、制御部５３は、主軸１の動作の制御を複数回行う。制御部５３は、例えば、回転数を変更するサーボ制御指令をサーボ制御部６に送る。従って、数値制御装置５は、主軸１を目標回転数で制御してワークＷを加工する。

評価部５４は、振幅に基づいて、制御部５３により変更された回転数を評価する。より詳細には、評価部（抽出部）５４は、複数の目標回転数から、最も小さい振幅に対応する回転数を抽出する。より詳細には、評価部５４は、回転数の初期値である初期回転数、および、複数の目標回転数から、最も小さい振幅に対応する回転数を抽出する。これにより、振動を抑制することができる回転数を得ることができる。尚、振幅に基づいた回転数の評価の詳細については、図３および図４を参照して、後で説明する。

また、評価部５４は、抽出した回転数で主軸１を制御できるように、抽出した回転数を制御部５３に送る。制御部５３は、回転数が評価部５４により抽出された回転数になるように、主軸１の動作を制御する。

また、評価部５４は、目標回転数、および、センサ情報取得部５１により取得された振幅を、互いに対応付けるように、記憶部（図示せず）に記憶させる。記憶部は、例えば、数値制御装置５内に設けられる。

より詳細には、センサ情報取得部５１、演算部５２、および、制御部５３は、回転数、および周波数の取得、目標回転数の演算、主軸１の動作の制御、並びに、振幅の取得の一連の動作を所定回数行う。評価部５４は、所定回数に応じた数の目標回転数から、最も小さい振幅に対応する回転数を抽出する。所定回数は、例えば、２回である。

サーボ制御部６は、制御部５３からサーボ制御指令を受けて、主軸モータ２を制御する。これにより、回転数が変更される。

表示装置７は、表示制御部７１と、表示部７２と、を有する。

表示制御部７１は、演算部５２の判定結果などを表示部７２に表示させる。

尚、数値制御装置５を構成するセンサ情報取得部５１と、演算部５２と、制御部５３と、評価部５４とは、一つのＣＰＵ（Central Processing Unit）で実現されてもよく、それぞれ個別のＣＰＵで実現されていてもよい。また、サーボ制御部６は、数値制御装置５の一部であってもよい。

次に、びびり振動について説明する。

加工不具合の１つとして、びびり振動が存在する。びびり振動は、大きく分けて強制びびり振動および自励びびり振動の２種類に分けることができる。自励びびり振動では、一旦振動が発生すると大きな振動へ発展することが多い。自励びびり振動は、加工面の悪化および機械構造の破壊などの多くの問題を引き起こす。びびり振動の抑制を行うことは、例えば、加工精度および加工能率の向上につながる。

自励びびり振動には、１回転前の振動が仕上げ面の起伏として残り、現在の切削において切取り厚さの変動を引き起こす再生型、および、複数の振動モードが互いに影響し合うことで大きな振動へ発展していくモードカップリング型などが存在している。再生型およびモードカップリング型では、共に、切削加工プロセスおよび機械構造の伝達特性からなるフィードバックループが不安定化することで、振動が大きな振動へ成長していく。自励びびり振動を抑制するためには、系を安定な状態にする必要がある。

自励びびり振動の対策の１つとして、事前に機械構造の伝達関数および切削加工プロセスについて安定解析することで、加工可能範囲を解析する安定限界線図がある。この方法は、機械構造の変更が必要なく、事前に加工条件の予測が可能であるため、非常に便利な方法である。しかし、工具１１およびワークＷごとに測定が必要であり、測定にはある程度のノウハウが必要となる。また、測定結果に基づいて作成した安定限界線図と加工結果とが大きく外れる場合がある。実際の機械への適用においては、実装が容易であり、作業者に専門的な知識がなくても使用できる対策方法が求められる。

この様な条件を満たす対策方法として、主軸回転数変化技術がある。この技術には主に２つの方法が存在する。１つ目の方法は、主軸回転数変動（ＣＳＳＶ、Continuous Spindle Speed Variation）である。ＣＳＳＶは、主軸１の回転数を正弦波または三角波のように速度変動させることで、びびり振動を抑制する技術である。２つ目の技術は、主軸回転調整（ＤＳＳＴ、Discrete Spindle Speed Tuning）である。ＤＳＳＴは、安定限界線図の原理を基に安定範囲が増加する領域へ回転数を変更することで、びびり振動を回避する技術である。

次に、自励びびり振動の安定限界線図について説明する。

図２は、第１実施形態による安定限界線図の一例を示す図である。図２に示すグラフの縦軸は、切込み量を示す。図２に示すグラフの横軸は、回転数を示す。図２は、限界切込み量ａ_ｌｉｍの回転数依存性を示す。びびり振動は、限界切込み量ａ_ｌｉｍよりも大きい切込み量で加工を行うと発生する。

図２は、例えば、ミリング加工の自励びびり振動における安定限界線図を示す。ミリング加工は、切削加工プロセスおよび機械構造の伝達特性からなるブロック線図で表現することができる。このブロック線図を解くことで、限界切込み量ａ_ｌｉｍ、位相差ε、回転数ｎなどに関する以下の式１～式４を導出することができる。
ａ_ｌｉｍ＝－（Λ_Ｒ／Ｋ_ｔ）×｛１＋（Λ_Ｉ／Λ_Ｒ）^２｝ （式１）
ｎ＝６０ω_ｃ／｛Ｎ×（２ｋπ＋ε）｝ （ｋ＝０，１，２．．．） （式３）
Λは、式４の固有値問題を解くことで得ることができる。ここで、Ｋ_ｔは、主分力方向の比切削抵抗を示す。[Ａ_０]は、切削力行列の直流成分を示す。
は、伝達関数行列を示す。ω_ｃは、びびり振動の角振動数を示す。Ｚは、工具１１の刃数を示す。ｋは、波数を示す。

上記の式を用いて、図２に示す安定限界線図を得ることができる。安定限界線図はびびり振動の特性を示しており、加工前にびびり振動が発生する限界切込み量ａ_ｌｉｍ、びびり周波数ｆ_ｃ、および、位相差εを把握することができる。また、安定ポケットと呼ばれる安定領域下の回転数を選択することにより、加工限界が広い条件を選ぶことができる。安定ポケットは、図２において、限界切込み量ａ_ｌｉｍが急激に大きくなる領域である。また、安定ポケットの付近の回転数は、安定回転数と呼ばれる。

次に、ＤＳＳＴによるびびり振動の回避方法について説明する。

安定限界線図から適切な回転数を選択することによりびびり振動を回避することが可能であり、この原理を用いてびびり振動の回避を行う技術がＤＳＳＴである。

まず、びびり周波数ｆ_ｃと回転数ｎの関係式は、式５により表される。
６０ｆ_ｃ／（Ｚ×ｎ）＝ｋ＋（ε／２π） （式５）
式５は、式３から、びびり振動の角振動数ω_ｃをびびり周波数ｆ_ｃ（ｆ_ｃ＝ω_ｃ／２π）に変換することにより得ることができる。

式１～式４により得られる安定限界線図において限界切込みが最も増加するのは、例えば、位相差ε＝０の時である。ε＝０として計算すると、以下の式６および式７を導出することができる。
ｎ_ｓ＝６０ｆ_ｃ／（Ｚ×ｋ_ｓ） （式７）
ここで、式６に示す波数ｋ_ｓは、例えば、床関数（整数部分）を示す。回転数ｎ_ｓは、限界切込み量が最も増加する主軸回転数である。このように、発生したびびり振動のびびり周波数ｆ_ｃと、その時の回転数から限界切込み量が増大する回転数を推定することが可能である。

ＤＳＳＴにより、例えば、図２に示す初期の加工条件Ａ１から回転数変更後の加工条件Ａ２が得られる。加工条件Ａ１の切込み量は、限界切込み量ａ_ｌｉｍをよりも大きい。一方、加工条件Ａ２は、限界切込み量ａ_ｌｉｍよりも小さい。従って、回転数を加工条件Ａ２の回転数に変更することにより、びびり振動を抑制することができる。

ここで、図２に示す加工条件Ｂ１、Ｂ２は、加工条件Ａ１、Ａ２と比較して、切込み量が大きい条件である。加工条件Ｂ１、Ｂ２は、いずれも限界切込み量ａ_ｌｉｍよりも大きい。従って、回転数を加工条件Ｂ２の回転数に変更しても、びびり振動が継続してしまう。すなわち、切込み量によっては、回転数を変更しただけではびびり振動を抑制することができない場合がある。

次に、限界切込み量ａ_ｌｉｍと振幅との関係について説明する。

図３は、限界切込み量ａ_ｌｉｍと加速度ＡＣとの関係の一例を示す図である。図３に示す限界切込み量ａ_ｌｉｍは、切込み限界試験の結果である。図３に示す加速度ＡＣは、振動センサ４としての加速度センサの検出結果である。尚、振幅は、加速度ＡＣと同じ傾向を示す。また、加速度ＡＣは、１０ｍｍの切込み量における加速度を示す。図３に示す加速度ＡＣの結果の大部分は、限界切込み量ａ_ｌｉｍを越えた切込み量で加工が行われている。

図３に示すグラフの横軸は、回転数を示す。図３に示すグラフの左側の縦軸は、限界切込み量ａ_ｌｉｍに対応する軸方向切込みを示す。図３に示すグラフの右側の縦軸は、加速度（ｍ／ｓ^２）を示す。また、右側の縦軸は、軸方向が反転している。従って、紙面上方向になるほど加速度ＡＣは小さくなり、紙面下方向になるほど加速度ＡＣは大きくなる。

図３に示すように、限界切込み量ａ_ｌｉｍと加速度ＡＣとの間で、似た回転数依存性の傾向が存在することが分かる。例えば、限界切込み量ａ_ｌｉｍが急激に大きくなる３６７５ｍｉｎ^－１および３８００ｍｉｎ^－１付近の回転数で、加速度ＡＣが急激に小さくなる。すなわち、切込み量が限界切込み量ａ_ｌｉｍを越えている場合でも、安定回転数付近で加速度ＡＣ、すなわち、振幅が強く抑制される。また、上記の関係は、切込み量が限界切込み量ａ_ｌｉｍを越えている場合でも見られる。

限界切込み量ａ_ｌｉｍと加速度ＡＣ（振幅）との間の上記の関係を利用することにより、振幅に基づいて、回転数が安定回転数付近であるか否かを評価することができる。従って、切込み量が大きくびびり振動が発生している場合であっても、安定回転数の探索が可能となる。

次に、ＤＳＳＴと、振幅を用いた回転数の評価と、を組み合わせた、安定回転数を探索する方法（振動抑制方法）について説明する。

図４は、第１実施形態による工作機械１００の動作の一例を示すフロー図である。

まず、演算部５２は、繰り返し回数Ｎに１を代入し、オーバライド値（％）ｎ_{ｒａｔｅ０}に１００を代入する（Ｓ１０）。オーバライド値は、基準の回転数から何％変更するかを示す指令値である。

次に、センサ情報取得部５１は、びびり振動を検知する（Ｓ２０）。センサ情報取得部５１は、振幅（ｄＢ）ａ_０、回転数（ｍｉｎ^－１）ｎ_０、初期回転数ｎ_ｈ、および、周波数（Ｈｚ）ｆ_０を取得する。振幅ａ_０および周波数ｆ_０は、例えば、振動センサ４による振動データにＦＦＴ（Fast Fourier Transform）分析を行うことにより得られる。尚、初期回転数ｎ_ｈは、作業者により予め設定される指令値である。

次に、演算部５２は、波数ｋ_０および位相差ｖ_０として、ｋ_０＋ｖ_０を演算する（Ｓ３０）。
ｋ_０＋ｖ_０＝６０ｆ_０／（Ｚ×ｎ_０） （式８）
尚、波数ｋ_０は、式８の右辺の整数部分であり、位相差ｖ_０は、式８の右辺の小数部分である。

次に、演算部５２は、びびり振動が再生びびりであるか否か判定する（Ｓ４０）。演算部５２は、位相差ｖ_０が式９を満たすか否か判定する。より詳細には、演算部５２は、取得された回転数および周波数に基づいて、びびり振動が発生しているか否か判定する。
ｖ_ＬＬ＜ｖ_０＜ｖ_ＵＬ （式９）
ここで、判定下限ｖ_ＬＬは、再生びびり振動の判定の下限である。判定下限ｖ_ＬＬは、任意に設定可能であり、例えば、０．４である。判定上限ｖ_ＵＬは、再生びびり振動の判定の上限である。判定上限ｖ_ＵＬは、任意に設定可能であり、例えば、０．９である。

位相差ｖ_０が式９を満たさない場合（Ｓ４０のＮＯ）、演算部５２は、びびり振動が強制びびり振動であると判定する。表示制御部７１は、びびり振動が強制びびり振動であることを表示部７２に表示させる（Ｓ５０）。

一方、位相差ｖ_０が式９を満たす場合（Ｓ４０のＹＥＳ）、演算部５２は、繰り返し回数Ｎが１であるか否かを判定する（Ｓ６０）。

繰り返し回数Ｎが１である場合（Ｓ６０のＹＥＳ）、評価部５４は、保管振幅ａ_１に振幅ａ_０を代入し、保管回転数ｎ_１に回転数ｎ_０を代入し、保管周波数ｆ_１に周波数ｆ_０を代入し、保管オーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ１}にオーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ０}を代入する（Ｓ７０）。

すなわち、評価部５４は、ステップＳ１０におけるオーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ０}、およびセンサ情報取得部５１により取得された振幅ａ_０を対応付けるように、記憶部に記憶させる。

次に、演算部５２は、変更回転数（ｍｉｎ^－１）ｎを演算する（Ｓ８０）。すなわち、演算部５２は、びびり振動が発生している場合、目標回転数の演算を行う。変更回転数ｎは、式１０により表される。
ｎ＝６０ｆ_０／｛Ｚ×（ｋ_０＋ｕｄ＋ｖ）｝ （式１０）
ここで、検索範囲ｕｄは、主軸１の回転数を、上げる（加速）側、および、下げる（減速）側のいずれかに変更することを示すパラメータである。変更位相差ｖは、任意に設定可能である。

また、演算部５２は、変更回転数ｎに基づいたオーバライド値をオーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ０}に代入する。オーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ０}は、式１１により表される。
ｎ_{ｒａｔｅ０}＝１００＋｛（ｎ－ｎ_ｈ）／ｎ_ｈ×１００｝ （式１１）

また、演算部５２は、式１０に示す変更位相差ｖに、例えば、ゼロを代入する。演算部５２は、式１０に示す検索範囲ｕｄに、ゼロまたは１を代入する。尚、検索範囲ｕｄは、予め作業者により設定される。検索範囲ｕｄがゼロである場合、回転数ｎ_０の直上の変更回転数ｎが得られる。検索範囲ｕｄが１である場合、回転数ｎ_０の直下の変更回転数ｎが得られる。

次に、演算部５２は、回転数の変動が変動可能な範囲内であるか否か判定する（Ｓ９０）。

演算部５２は、オーバライド上限ｎ_{ｌｉｍｉｔ}を演算する。オーバライド上限ｎ_{ｌｉｍｉｔ}は、式１２により表される。
ｎ_{ｌｉｍｉｔ}＝（ｎ－ｎ_０）／ｎ_０×１００ （式１２）

演算部５２は、オーバライド上限ｎ_{ｌｉｍｉｔ}が式１３を満たすか否か判定する。
－ｎ_ＭＬ＜ｎ_{ｌｉｍｉｔ}＜＋ｎ_ＰＬ （式１３）
ここで、変動上限ｎ_ＭＬは、マイナス側のオーバライド変動上限である。変動上限ｎ_ＭＬは、任意に設定可能であり、例えば、２０％である。変動上限ｎ_ＰＬは、プラス側のオーバライド変動上限である。変動上限ｎ_ＰＬは、任意に設定可能であり、例えば、２０％である。

オーバライド上限ｎ_{ｌｉｍｉｔ}が式１３を満たさない場合（Ｓ９０のＮＯ）、表示制御部７１は、回転数変更上限であることを表示部７２に表示する（Ｓ１００）。

オーバライド上限ｎ_{ｌｉｍｉｔ}が式１３を満たす場合（Ｓ９０のＹＥＳ）、演算部５２は、検索範囲ｕｄが１であるか否か判定する（Ｓ１１０）。

検索範囲が１である場合（Ｓ１１０のＹＥＳ）、演算部５２は、検索範囲ｕｄに０を代入する（Ｓ１２０）。一方、検索範囲ｕｄが０である場合（Ｓ１１０のＮＯ）、演算部５２は、検索範囲ｕｄに１を代入する（Ｓ１３０）。

ステップＳ１２０またはステップＳ１３０の後、制御部５３は、オーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ０}により主軸１の回転数を変更する。ディレイタイマーｄＴは、主軸１の回転数を変更してから、ステップＳ１５０を実行するまでの時間である。加工が安定するまで待つためのディレイタイマーｄＴを設定することにより、びびり振動の検知をより正確に行うことができる。ディレイタイマーｄＴは、任意に設定可能であり、例えば、１秒である。

次に、演算部５２は、繰り返し回数ＮにＮ＋１を代入する（Ｓ１５０）。すなわち、繰り返し回数Ｎに１を加算する。その後、ステップＳ２０～Ｓ６０が再び実行される。尚、繰り返し回数Ｎが２以降である場合のステップＳ２０において取得される振幅ａ_０、回転数ｎ_０および、周波数ｆ_０は、主軸１の回転数が変更された後に取得される検出値である。

繰り返し回数Ｎが１ではない場合（Ｓ６０のＮＯ）、評価部５４は、保管振幅ａ_１が振幅ａ_０よりも大きいか否か判定する（Ｓ１６０）。すなわち、評価部５４は、主軸１の回転数の変更前後での振幅を比較する。

保管振幅ａ_１が振幅ａ_０よりも大きい場合（Ｓ１６０のＹＥＳ）、評価部５４は、保管振幅ａ_１に振幅ａ_０を代入し、保管回転数ｎ_１に回転数ｎ_０を代入し、保管周波数ｆ_１に周波数ｆ_０を代入し、保管オーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ１}にオーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ０}を代入する（Ｓ１７０）。一方、保管振幅ａ_１が振幅ａ_０以下である場合（Ｓ１６０のＮＯ）、保管振幅ａ_１、保管回転数ｎ_１、保管周波数ｆ_１、および、保管オーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ１}は、更新されない。

すなわち、評価部５４は、センサ情報取得部５１により取得された振幅と、記憶部に記憶された振幅と、を比較する。評価部５４は、センサ情報取得部５１により取得された振幅が記憶部に記憶された振幅よりも小さい場合、目標回転数、および、センサ情報取得部５１により取得された振幅を、記憶部に更新させる。

ステップＳ１６０またはステップＳ１７０の後、演算部５２は、繰り返し回数Ｎが３であるか否か判定する（Ｓ１８０）。

繰り返し回数Ｎが３ではない場合（Ｓ１８０のＮＯ）、ステップＳ８０が再び実行される。

尚、ステップＳ１１０～Ｓ１３０において、検索範囲ｕｄは、繰り返し回数Ｎが変わるごとに、０から１に、または、１からゼロに反転される。すなわち、演算部５２は、回転数が交互に加速および減速するように、目標回転数の演算を複数回行う。これにより、安定回転数の探索開始時における回転数付近の安定回転数を探索することができる。

一方、繰り返し回数Ｎが３である場合（Ｓ１８０のＹＥＳ）、制御部５３は、保管オーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ１}により主軸１の回転数を変更する（Ｓ１９０）。保管オーバライド値ｎ_{ｒａｔｅ１}には、ステップＳ２０で３回取得される振幅ａ_０のうち、最も小さい振幅ａ_０に対応する回転数のオーバライド値である。変更された主軸１の回転数で、ワークＷの加工が継続される。

次に、図４に示す方法の検証結果について説明する。

図５Ａ～図５Ｃは、第１実施形態による安定回転数の推測の例を示す図である。図５Ａ～図５Ｃに示すグラフの横軸は、回転数（ｍｉｎ^－１）であり、図５Ａ～図５Ｃでそれぞれ同じ値を示す。図５Ａに示すグラフの縦軸は、振幅（ｍ／ｓ^２）を示す。図５Ｂに示すグラフの縦軸は、びびり周波数ｆ_ｃ（Ｈｚ）を示す。図５Ｃに示すグラフの縦軸は、位相差（ｒａｄ）を示す。

図５Ｂから分かるように、びびり周波数ｆ_ｃは、回転数の変化に伴って周期的に変化している。また、びびり周波数ｆ_ｃは、２９２５ｍｉｎ^－１、３０７５ｍｉｎ^－１、および、３２２５ｍｉｎ^－１付近で急激に変化している。

図５Ｃから分かるように、回転数の変化による位相差の変化においても周期性が見られる。また、位相差は、２９２５ｍｉｎ^－１、３０７５ｍｉｎ^－１、および、３２２５ｍｉｎ^－１付近で急激に変化している。これは、自励びびり振動の特徴に類似している。このことから、２９２５ｍｉｎ^－１、３０７５ｍｉｎ^－１、および、３２２５ｍｉｎ^－１付近が安定回転数であることが分かる。

図５Ａから分かるように、回転数の変化による実際の振幅の変化においても、２９２５ｍｉｎ^－１、３０７５ｍｉｎ^－１、および、３２２５ｍｉｎ^－１付近で低下が見られる。このことから、２９２５ｍｉｎ^－１、３０７５ｍｉｎ^－１、および、３２２５ｍｉｎ^－１付近が安定回転数であると推測される。

図６は、第１実施形態による工作機械１００における安定回転数の算出結果の一例を示す図である。図６に示すグラフの横軸は、初期回転数ｎ_ｈ（ｍｉｎ^－１）である。図５に示すグラフの縦軸は、最適回転数（ｍｉｎ^－１）である。最適回転数とは、安定回転数を得るための方法により出力された回転数である。

図６は、シミュレーション結果を示す。シミュレーションは、３０２５ｍｉｎ^－１から３１２５ｍｉｎ^－１の５条件の初期回転数ｎ_ｈを対象に行われた。プロット間の値は、前後の値から線形近似することで算出された。図４に示すアルゴリズム（方法）を用いることにより、主軸１の回転数が安定回転数（３０７５ｍｉｎ^－１および３２２５ｍｉｎ^－１）付近に収束していることが分かる。このことから、図４に示す方法によって、安定回転数を算出することができた。尚、図６に示すシミュレーションでは、繰り返し回数Ｎは、図４に示すＮ＝１～３に対応する３回である。従って、少ない繰り返し回数Ｎで安定回転数を得ることが可能である。

以上のように、第１実施形態によれば、評価部５４は、複数の回転数（目標回転数）から、最も小さい振幅に対応する回転数を抽出する。これにより、振動が小さくなる回転数（安定回転数）を見つけることができる。また、びびり振動が継続している中で、安定回転数を探索することができる。

尚、工作機械１００は、エンドミル加工に限られず、ボーリング加工や旋削加工などに用いられてもよい。旋削加工の場合、回転軸は、ワークＷを回転させる。この場合、例えば、工具を一定速度で送ることによってワークＷの切削が行われる。

また、エンコーダ３が設けられなくてもよい。例えば、インバータ制御の同期モータでは、フィードバックが行われない場合がある。この場合、主軸１が指令値で回転しているとして、回転数ｎ_０に指令値が用いられてもよい。すなわち、センサ情報取得部５１は、回転数ｎ_０として指令値を取得する。

（比較例）
図７は、第１比較例による工作機械における安定回転数の算出結果の一例を示す図である。第１比較例では、振幅を用いた回転数の評価が行われない点で、第１実施形態とは異なっている。

第１比較例では、評価部５４が設けられない。

図７は、２９００ｍｉｎ^－１から３２５０ｍｉｎ^－１の間の初期回転数ｎ_ｈを対象に、振幅を用いた回転数の評価が行われないＤＳＳＴによって安定回転数を算出した結果を示す。図７に示すように、第１比較例において算出された回転数の多くは、図５Ａ～図５Ｃから推測した安定回転数（３０７５ｍｉｎ^－１および３２２５ｍｉｎ^－１）から外れている。この原因は、軸方向切込みを１４ｍｍで一定とした加工のため、回転数によっては限界切込みから外れており、安定限界線図の理論とは異なるびびり周波数ｆ_ｃの振動が発生したためと考えられる。そのため、第１比較例において算出された回転数が、推測した安定回転数に収束しなかったと考えられる。

第１比較例では、図２に示す加工条件Ａ１、Ａ２のように切込み量が小さい場合には安定回転数を得ることができるが、加工条件Ｂ１、Ｂ２のように切込み量が大きい場合には安定回転数を得ることができない。

これに対して、第１実施形態では、図３を参照して説明した限界切込み量ａ_ｌｉｍと加速度ＡＣとの関係に基づいて、振幅を用いた回転数の評価が行われる。これにより、切込み量が大きくびびり振動が発生している場合であっても、安定回転数を得ることができる。すなわち、切込み量によらず、安定回転数を得ることができる。

第２比較例として、ＤＳＳＴが行われず、少しずつ回転数を変えて振幅を確認することを繰り返すことによっても、安定回転数を得ることができる場合がある。しかし、どの回転数で振幅が小さくなるか分からないために、小刻みな回転数変更を繰り返すことにより時間がかかってしまう可能性がある。また、安定回転数を得る前に、加工が終わってしまう可能性もある。

これに対して、第１実施形態では、振動センサ４の振動データを分析することにより得られる周波数を用いて、目標回転数が演算される。これにより、より短い時間で安定回転数を得ることができる。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態による安定限界線図の一例を示す図である。第２実施形態は、抽出された回転数となるように回転数が変更された後に、切込み量を変化させる点で、第１実施形態とは異なっている。

制御部（第２制御部）５３は、振幅が所定値以下になるまで、ワークＷに対する工具１１の切込み量を低下させるように、主軸１の動作を制御する。所定値は、予め設定される値であり、任意に設定可能である。これにより、自動で、びびり振動を抑制することができる切込み量を得ることができる。すなわち、制御部５３は、評価部５４により抽出された回転数でのワークＷの加工中に、びびり振動が発生している状態からびびり振動が発生していない状態になるまで、ワークＷに対する工具１１の切込み量を低下させるように、主軸１の動作を制御する。制御部５３は、例えば、びびり振動の有無の判定結果に基づいて、切込み量を低下させてもよい。

図４に示す方法により、例えば、図８に示す初期の加工条件Ｃ１から回転数変更後の加工条件Ｃ２が得られる。加工条件Ｃ３は、加工条件Ｃ２から切込み量を低下させた条件である。加工条件Ｃ２の切込み量は、限界切込み量ａ_ｌｉｍをよりも大きい。一方、加工条件Ｃ３の切込み量は、限界切込み量ａ_ｌｉｍよりも小さい。従って、回転数を加工条件Ｃ３の回転数に変更することにより、びびり振動を抑制することができる。

また、図８に示す加工条件Ｃ３の切込み量は、図２に示す加工条件Ａ２の切込み量よりも大きい。これは、安定回転数では、より少ない切込み量の低減で、びびり振動を抑制することができるためである。また、経験がない加工で安定加工が可能な切込み量が分からない場合でも、より短い時間で適切な加工条件を見つけることが可能となる。

尚、制御部５３に代えて、作業者が、びびり振動が抑制されるまで切込み量を低下させてもよい。この場合も、びびり振動を抑制することができる切込み量を得ることができる。

第２実施形態のように、回転数の変更後、切込み量が変更されてもよい。第２実施形態による工作機械１００は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態による工作機械１００、数値制御装置５および振動抑制方法の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、工作機械１００、数値制御装置５および振動抑制方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、工作機械１００、数値制御装置５および振動抑制方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ 工作機械、１ 主軸、１１ 工具、２ 主軸モータ、３ エンコーダ、４ 振動センサ、５ 数値制御装置、５１ センサ情報取得部、５２ 演算部、５３ 制御部、５４ 評価部、７ 表示装置、７１ 表示制御部、７２ 表示部、Ｗ ワーク、ａ_ｌｉｍ 限界切込み量、ａ_０ 振幅、ａ_１ 保管振幅、ｎ 変更回転数、ｎ_０ 回転数、ｎ_１ 保管回転数、ｎ_{ｒａｔｅ０} オーバライド値、ｎ_{ｒａｔｅ１} 保管オーバライド値、ｎ_ｈ 初期回転数、ｆ_０ 周波数、ｆ_１ 保管周波数、ｆ_ｃ びびり周波数、ｋ_０ 波数、ｖ_０ 位相差、ｕｄ 検索範囲、Ｎ 繰り返し回数

Claims (11)

1. ワークまたは前記ワークを加工する工具を回転させる回転軸と、
   加工中の前記工具または前記ワークに発生する振動を検出する振動センサと、
   前記回転軸の動作を制御する数値制御装置と、
   を備え、
   前記数値制御装置は、
   前記回転軸の回転数、並びに、前記振動の周波数および振幅の取得を複数回行うセンサ情報取得部と、
   前記センサ情報取得部により取得された前記回転数および前記周波数に基づいて、前記回転数の目標値である目標回転数の演算を複数回行う演算部と、
   前記回転数が前記目標回転数になるように、前記回転軸の動作の制御を複数回行う第１制御部と、
   複数の前記目標回転数から、最も小さい前記振幅に対応する前記回転数を抽出する抽出部と、
   を有する、工作機械。
2. 前記センサ情報取得部、前記演算部、および、前記第１制御部は、前記回転数および前記周波数の取得、前記目標回転数の演算、前記回転軸の動作の制御、並びに、前記振幅の取得の一連の動作を所定回数行い、
   前記抽出部は、前記所定回数に応じた数の前記目標回転数から、最も小さい前記振幅に対応する前記回転数を抽出する、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記抽出部は、前記回転数の初期値である初期回転数、および、複数の前記目標回転数から、最も小さい前記振幅に対応する前記回転数を抽出する、請求項２に記載の工作機械。
4. 前記第１制御部は、前記回転数が前記抽出部により抽出された前記回転数になるように、前記回転軸の動作を制御する、請求項１に記載の工作機械。
5. 前記数値制御装置は、前記抽出部により抽出された前記回転数での前記ワークの加工中に、前記センサ情報取得部により取得された前記振幅が所定値以下になるまで、前記ワークに対する前記工具の切込み量を低下させように、前記回転軸の動作を制御する第２制御部をさらに備える、請求項４に記載の工作機械。
6. 前記抽出部は、前記目標回転数、および、前記センサ情報取得部により取得された前記振幅を、互いに対応付けるように、記憶部に記憶させる、請求項１に記載の工作機械。
7. 前記抽出部は、前記センサ情報取得部により取得された前記振幅が記憶部に記憶された前記振幅よりも小さい場合、前記目標回転数、および、前記センサ情報取得部により取得された前記振幅を、前記記憶部に更新させる、請求項１に記載の工作機械。
8. 前記演算部は、前記回転数が交互に加速および減速するように、前記目標回転数の演算を複数回行う、請求項１に記載の工作機械。
9. 前記演算部は、取得された前記回転数および前記周波数に基づいて、びびり振動が発生しているか否か判定し、びびり振動が発生している場合、前記目標回転数の演算を行う、請求項１に記載の工作機械。
10. ワークまたは前記ワークを加工する工具を回転させる回転軸の動作を制御する数値制御装置であって、
    前記回転軸の回転数、並びに、加工中の前記工具または前記ワークに発生する振動の周波数および振幅の取得を複数回行うセンサ情報取得部と、
    前記センサ情報取得部により取得された前記回転数および前記周波数に基づいて、前記回転数の目標値である目標回転数の演算を複数回行う演算部と、
    前記回転数が前記目標回転数になるように、前記回転軸の動作の制御を複数回行う第１制御部と、
    複数の前記目標回転数から、最も小さい前記振幅に対応する前記回転数を抽出する抽出部と、
    を備える、数値制御装置。
11. ワークまたは前記ワークを加工する工具を回転させる回転軸と、加工中の前記工具または前記ワークに発生する振動を検出する振動センサと、前記回転軸の動作を制御する数値制御装置と、を備える工作機械の振動抑制方法であって、
    前記回転軸の回転数、および、前記振動の周波数をセンサ情報取得部により取得し、前記センサ情報取得部により取得された前記回転数および前記周波数に基づいて、前記回転数の目標値である目標回転数を演算部により演算し、前記回転数が前記目標回転数になるように、前記回転軸の動作を第１制御部により制御し、前記振動の振幅を前記センサ情報取得部により取得する、ことを複数回繰り返し、
    複数の前記目標回転数から、最も小さい前記振幅に対応する前記回転数を抽出部により抽出する、
    ことを具備する、振動抑制方法。