JP4582661B2 - 工作機械の振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具又はワークを回転させながら加工を行う工作機械において、加工中に発生する振動を抑制するための振動抑制装置に関するものである。

従来より、たとえば回転可能な主軸にワークを支持させ、ワークに対して工具を送りながら、ワークに加工を施すといった工作機械がある。該工作機械においては、切削加工における切り込み量を必要以上に大きくすると、加工中に所謂「びびり振動」が発生して、加工面の仕上げ精度を悪化させてしまうという問題がある。このとき、特に問題となるのは、工具とワークとの間に生じる自励振動である「再生型びびり振動」である。この再生型びびり振動（以下単に「びびり振動」という。）については、特許文献１、２に記載されているように、加工を行うにあたって、工具やワーク等のびびり振動が生じる系の固有振動数や加工中におけるびびり振動数を求め、固有振動数又はびびり振動数を６０倍して工具刃数及び所定の整数で除した値を回転速度とすればよいことが知られている。

特開２００３−３４０６２７号公報 特表２００１−５１７５５７号公報

しかし、上記対策は、回転速度を減少させる方向であるため、回転速度の変化量が大きい場合にはびびり振動の抑制に時間が掛かり、加工面にびびり痕が残ってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、びびり振動が生じた際にはその抑制に係る時間が最小となる最適回転速度を瞬時に求めることができ、びびり振動を短時間で効果的に抑制可能な工作機械の振動抑制装置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に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、回転中の回転軸の時間領域での振動を検出する検出手段と、検出手段により検出された時間領域の振動に基づいて、びびり振動数及びそのびびり振動数における周波数領域の振動を算出すると共に、算出した周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合、所定のパラメータに基づき、びびり振動を抑制可能な回転軸の最適回転速度を算出する演算手段と、その演算手段により算出された最適回転速度にて回転軸を回転させる回転速度制御手段と、を備え、演算手段は、所定のパラメータとなる下記の演算式（１）〜（４）に基づいて最適回転速度の演算を行うものであり、その際に、演算式（３）に基づいて算出した位相情報を所定の設定定数と比較し、その比較結果に基づいて下記の変更式（１）（２）の何れかを用いてｋ１値を求め、得られたｋ１値から演算式（４）に基づいて最適回転速度を算出することを特徴とするものである。
ｋ’値＝６０×びびり振動数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）
ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・・（２）
位相情報＝ｋ’値−ｋ値 ・・・（３）
位相情報が設定定数以上の場合：ｋ１値＝ｋ値＋１・・変更式（１）
位相情報が設定定数未満の場合：ｋ１値＝ｋ値・・変更式（２）
最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ１値）・・・（４）

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、設定定数を０．５としたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、設定定数を０．７５としたものである。
尚、請求項１における「振動」とは、振動加速度、振動による変位、及び振動による音圧等、振動自体は勿論、振動に起因して回転軸に発生し、間接的に振動を検出できる物理的変化を含むものである。

本発明によれば、実際に回転している回転軸に生じるびびり振動に基づいて最適回転速度を算出するため、より正確な最適回転速度を直ちに算出することができると共に、算出した最適回転速度を直ちに回転軸の回転に活かすことができる。特に、演算手段は、回転速度の変化量が最小となるように位相情報と設定定数との比較結果及びｋ値に基づいてｋ１値を決定し、そのｋ１値を用いた演算式（４）によって最適回転速度を算出するので、びびり振動が短時間で抑制可能となる。従って、加工面の仕上げ精度を高品位に保つことができ、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止も期待できる。

以下、本発明の一実施形態となる振動抑制装置について、図面をもとに説明する。

図１は、振動抑制装置１０のブロック構成を示した説明図である。図２は、振動抑制の対象となる回転軸ハウジング１を側面から示した説明図であり、図３は、回転軸ハウジング１を軸方向から示した説明図である。
振動抑制装置１０は、回転軸ハウジング１にＣ軸周りで回転可能に備えられた回転軸３に生じるびびり振動を抑制するためのものであって、回転中の回転軸３に生じる時間領域の振動加速度を検出するための振動センサ（検出手段）２ａ〜２ｃと、該振動センサ２ａ〜２ｃによる検出値をもとにして回転軸３の回転速度を制御する制御装置（演算手段、及び回転速度制御手段）５とを備えてなる。

振動センサ２ａ〜２ｃは、図２及び３に示す如く回転軸ハウジング１に取り付けられており、一の振動センサは、他の振動センサに対して直角方向への時間領域の振動加速度（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出するようになっている（たとえば、振動センサ２ａ〜２ｃにて、それぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動加速度を検出するようにする）。

一方、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃから検出される時間領域の振動加速度をもとにした解析を行うＦＦＴ演算装置６と、該ＦＦＴ演算装置６にて算出された値に基づいて最適回転速度の算出等を行うパラメータ演算装置７と、回転軸ハウジング１における加工を制御するＮＣ装置８とを備えており、ＦＦＴ演算装置６における後述の如き解析、及び回転軸３の回転速度のモニタリングを行っている。

以下、制御装置５におけるびびり振動の抑制制御について、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ＦＦＴ演算装置６では、回転中に常時検出される振動センサ２ａ〜２ｃにおける時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行い（Ｓ１）、図４の４に示すような最大加速度とその周波数（びびり振動数）とを算出する（Ｓ２）。
次に、パラメータ演算装置７で、上記Ｓ２で算出された最大加速度と予め設定された所定の閾値とを比較し（Ｓ３）、閾値を超えた場合には、回転軸３に抑制すべきびびり振動が生じているとして、Ｓ４で、びびり振動数、工具刃数、回転軸３の回転速度から以下の演算式（１）〜（３）により、ｋ値及び位相情報を算出する。

ｋ’値＝６０×びびり振動数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）
ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・・（２）
位相情報＝ｋ’値−ｋ値 ・・・（３）
ここで、演算式（１）における「工具刃数」は、予めパラメータ演算装置７に設定されているものとする。また、演算式（１）における回転軸回転速度とは、現在（最適回転速度とする前）の回転速度である。

次に、Ｓ５において、演算式（３）で得られた位相情報と設定定数とを比較する。ここで、位相情報が設定定数以上であれば、Ｓ６で、変更式（１）に基づいてｋ１値を算出する。一方、位相情報が設定定数未満であれば、Ｓ７で、変更式（２）に基づいてｋ１値を算出する。
ｋ１値＝ｋ値＋１・・・変更式（１）
ｋ１値＝ｋ値・・・変更式（２）
なお、設定定数は、通常は０．５を設定すれば回転速度の変化量が最小となる。但し、回転速度の変化割合が小さい場合は、回転速度を変更する方向によっては安定限界線図でいう切削下限を下回ってしまい、再生びびりを生じる可能性があるので、その下限を設定定数として位相情報と比較すればよい。その場合、設定定数は０．７５を選択するのが望ましい。

次に、Ｓ８では、びびり振動数、工具刃数、Ｓ６，７で得られたｋ１値から、以下の演算式（４）に基づいて最適回転速度の演算を行う。
最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ１値）・・・（４）
そして、Ｓ９で、算出された最適回転速度となるように、ＮＣ装置８にて回転軸３の回転速度を変更して、びびり振動の増幅の防止、すなわち抑制を行う。
以上のようにして、制御装置５におけるびびり振動の抑制制御は行われる。

このように、上記形態の振動制御装置１０によれば、振動センサ２ａ〜２ｃ、ＦＦＴ演算装置６、及びパラメータ演算装置７により回転軸３の回転中に生じるびびり振動をリアルタイムでモニタリングしており、びびり振動の発生が検出されると、上記演算式（１）〜（４）及び変更式（１）（２）により直ちに最適回転速度を算出して、回転軸３の回転速度を該最適回転速度としてびびり振動の増幅を抑制する。すなわち、実際に回転している回転軸３に生じたびびり振動に基づいて最適回転速度を算出するため、より正確な最適回転速度を直ちに算出することができる。特に、パラメータ演算装置７は、位相情報を設定定数と比較し、その比較結果に応じて変更したパラメータで夫々最適回転速度を算出するので、びびり振動が短時間で抑制可能となる。従って、加工面の仕上げ精度を高品位に保つことができ、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止も期待できる。

図６は、本発明を採用しない従来の振動抑制装置を採用した場合、図７は、本発明の振動抑制装置を採用した場合の夫々のびびり周波数（びびり振動数）の抑制効果を示すグラフである。図６の場合は、回転速度が６８００ｍｉｎ^−１から６２５０ｍｉｎ^−１と大きく変化するため、びびり抑制に時間を要するのに対し、図７の場合では、回転速度が６８００ｍｉｎ^−１から７０００ｍｉｎ^−１に素早く変化して最適回転速度に達し、最大加速度Ｇが図６のタイミングよりも早く減少してびびり振動を短時間で抑制できていることがわかる。

なお、本発明の振動抑制装置に係る構成は、上記実施の形態に記載した態様に何ら限定されるものではなく、検出手段、制御装置、及び制御装置における振動抑制の制御等に係る構成を、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。

たとえば、演算式（１）〜（４）や変更式（１）（２）に示すような位相情報、ｋ値、設定定数等やこれらの関係は、工作機械の種類に応じて適宜調査し、決定するようにすることで精度をさらに向上させることができる。
また、上記ｋ１値から計算される最適回転速度について、Ｓ５からＳ８の処理に代えて、演算式（４）において、ｋ値とｋ値＋１とから夫々２つの最適回転速度を算出し、その２つの最適回転速度と現在の回転速度との差から回転速度変化量の割合が小さい方の最適回転速度を選択して、ＮＣ装置８にて回転軸３の回転速度を変更し、びびり振動の抑制を行うようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、検出手段にて検出される時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行った際、周波数領域の振動加速度が最大値を示す波形を使用して、びびり振動の抑制に係る制御を行うようにしているが、周波数領域の振動加速度の値が上位の複数（たとえば、３つ）の波形を用いて最適回転速度を算出するようにして、びびり振動の抑制効果の更なる向上を図ってもよい。

さらにまた、上記実施形態では、検出手段により回転軸の振動加速度を検出し、検出された振動加速度に基づいて最適回転速度を算出するといった構成としているが、検出手段によって振動による変位や音圧を検出し、検出された変位や音圧に基づいて最適回転速度を算出するように構成してもよい。
加えて、上記実施形態では、工具を回転させる所謂マシニングセンタ等の工作機械の回転軸における振動を検出する構成としているが、回転しない側（固定側）であるワーク又はその近傍の振動を検出するようにしても良い。更には、旋盤などワークを回転させる工作機械にも適用可能であり、その場合には回転軸であるワークを保持する主軸側の振動を検出したり、固定側である工具の振動を検出したりすることができる。尚、検出手段の設置位置や設置数等を、工作機械の種類、大きさ等に応じて適宜変更してもよいことは言うまでもない。

振動抑制装置のブロック構成を示した説明図である。 振動抑制の対象となる回転軸ハウジングを側面から示した説明図である。 回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。 時間領域の振動加速度のフーリエ解析結果の一例を示した説明図である。 びびり振動の抑制制御に係るフローチャートである。 従来のびびり振動の抑制効果を示すグラフである。 本発明のびびり振動の抑制効果を示すグラフである。

符号の説明

１・・回転軸ハウジング、２ａ、２ｂ、２ｃ・・振動センサ、３・・回転軸、５・・制御装置、６・・ＦＦＴ演算装置、７・・パラメータ演算装置、８・・ＮＣ装置、１０・・振動抑制装置。

Claims (3)

1. 工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、
   回転中の前記回転軸の時間領域での振動を検出する検出手段と、検出手段により検出された時間領域の振動に基づいて、びびり振動数及びそのびびり振動数における周波数領域の振動を算出すると共に、算出した前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合、所定のパラメータに基づき、びびり振動を抑制可能な前記回転軸の最適回転速度を算出する演算手段と、その演算手段により算出された最適回転速度にて前記回転軸を回転させる回転速度制御手段と、を備え、
   前記演算手段は、前記所定のパラメータとなる下記の演算式（１）〜（４）に基づいて最適回転速度の演算を行うものであり、その際に、演算式（３）に基づいて算出した位相情報を所定の設定定数と比較し、その比較結果に基づいて下記の変更式（１）（２）の何れかを用いてｋ１値を求め、得られたｋ１値から演算式（４）に基づいて最適回転速度を算出することを特徴とする工作機械の振動抑制装置。
   ｋ’値＝６０×びびり振動数／（工具刃数×回転軸回転速度） ・・・（１）
   ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・・（２）
   位相情報＝ｋ’値−ｋ値 ・・・（３）
   位相情報が設定定数以上の場合：ｋ１値＝ｋ値＋１・・変更式（１）
   位相情報が設定定数未満の場合：ｋ１値＝ｋ値・・変更式（２）
   最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ１値）・・・（４）
2. 設定定数が０．５である請求項１に記載の工作機械の振動抑制装置。
3. 設定定数が０．７５である請求項１に記載の工作機械の振動抑制装置。

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