JP4777960B2 - 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、特に再生型びびり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、たとえば回転可能な主軸にワークを支持させ、回転するワークに対して工具を送りながら、ワークの外周面等に切削加工を施す工作機械がある。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、特に問題となるのが自励振動である「再生型びびり振動」である。そして、該「再生型びびり振動」を抑制するためには、特許文献１及び２に開示されているように、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のびびり周波数を求め、固有振動数又はびびり周波数を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して加工を行えばよいことが知られている。

尚、「びびり振動」が生じる系の固有振動数については、特許文献１に記載されているように、工具やワークをインパルス加振して振動数を測定することにより求めることができる。また、加工中のびびり周波数については、特許文献２に記載されているように、工具やワークの近傍に音センサを配置し、加工中に該音センサが検出した振動周波数をもとに求めることができる。

特開２００３−３４０６２７号公報 特表２００１−５１７５５７号公報

しかしながら、インパルス加振して固有振動数を求める方法を採用すると、高価なインパルス装置が必要となるため、コスト高になるという問題がある。また、特許文献１に記載の加振方法には高度な技術が必要となるにも拘わらず、「加工前に測定した固有振動数」と「加工中の固有振動数」とは必ずしも一致しないため、「びびり振動」を効果的に抑制可能な最適回転速度を得にくいし、実用性にも劣るといった問題もある。
一方、音センサを用いてびびり周波数を求める方法を採用したとしても、「回転音等の分析により算出されたびびり周波数」と「加工中の固有振動数」との間には差異があるため、最適回転速度を求めることができず、結果的に、加工面にびびりマークが残るといった問題がある。

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」を効果的に抑制可能な最適回転速度を求めることができる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、本発明のうち請求項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、回転中の前記回転軸の時間領域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もとづいて、びびり振動数及び該びびり振動数における周波数領域の振動を算出する第１演算手段と、周波数領域の振動、びびり振動数、及び回転軸回転速度を加工情報として記憶する記憶手段と、前記第１演算手段により算出された周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に、その周波数領域の振動、びびり振動数、及びその時の回転軸回転速度を新たな加工情報として記憶手段に記憶するとともに、前記加工情報を用いて下記の演算式（１）〜（３）にもとづき算出される前記加工情報を記憶した時点での位相情報と、前記記憶手段に記憶されている過去の加工情報とにもとづき下記の演算式（４）から速度変化量を算出し、前記速度変化量を用いて下記の演算式（５）から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第２演算手段と、前記第２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ていることを特徴とする。
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）
速度変化量＝（１−前々回の位相情報）×（前々回の回転軸回転速度−前回の回転軸回
転速度）／（前回の位相情報−前々回の位相情報） ・・・（４）
最適回転速度＝前々回の回転軸回転速度−速度変化量 ・・・（５）

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、前記第２演算手段は、前記周波数領域の振動が所定の閾値を超える事態が所定回数に満たない場合には、前記加工情報を用いて前記演算式（１）〜（３）にもとづき算出される位相情報と所定の設定定数とを比較し、前記位相情報が設定定数以上であれば下記演算式（６）を、前記位相情報が設定数未満であれば下記演算式（７）を夫々用いてｋ１値を算出し、当該ｋ１値を用いて下記演算式（８）から前記最適回転速度を算出する一方、前記周波数領域の振動が所定の閾値を超える事態が所定回数以上になると、前記新たな加工情報と前記過去の加工情報とにもとづき、前記演算式（４）で算出される前記速度変化量を用いて前記演算式（５）から前記最適回転速度を算出することを特徴とする。
ｋ１値＝ｋ値＋１ ・・・（６）
ｋ１値＝ｋ値 ・・・（７）
最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ１値） ・・・（８）

本発明によれば、実際に回転している回転軸に生じた「びびり振動」を検出し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。したがって、「びびり振動」の増幅を確実に抑制することができ、加工面にびびりマークが残ったりしない。
また、周波数領域の振動が所定の閾値を超える度に、当該振動、びびり振動数、及び回転軸回転速度を加工情報として記憶手段に記憶しており、次回以降、振動が閾値を超えた場合には、記憶手段に記憶されている過去の加工情報を利用して最適回転速度を算出する。したがって、安定限界線図で述べるところの最も再生型びびり振動が生じない最適回転速度を容易に算出することができ、加工面の仕上げ精度を高品位に保つことができる。
さらに、請求項２に記載の発明によれば、記憶装置に十分な加工情報が記憶されていない状態における「びびり振動」検出時には、位相情報を設定情報と比較し、その比較結果に応じて変更したｋ１値をもとに夫々最適回転速度を算出する。したがって、「びびり振動」を短時間で抑制することができ、加工面の仕上げ精度の向上、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止を期待することができる。

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を側方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（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出するための振動センサ（検出手段）２ａ〜２ｃと、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５とからなる。

振動センサ２ａ〜２ｃは、図２及び図３に示す如く、回転軸ハウジング１の回転軸３近傍位置に取り付けられており、一の振動センサが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を検出する（たとえば、それぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向への時間領域の振動加速度を検出する）ようになっている。

一方、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃにより検出された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（第１演算手段）６と、ＦＦＴ演算装置６にて算出された値にもとづいて最適回転速度等の算出を行う演算装置（第２演算手段）７と、演算装置７で算出された算出値等を記憶する記憶装置（記憶手段）９と、回転軸ハウジング１での加工を制御するＮＣ装置（回転速度制御手段）８とを備えており、回転軸３の回転速度を後述の如く制御して、回転軸３に生じる「びびり振動」を抑制するようになっている。

ここで、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のフローチャートをもとに説明する。
まず、ＦＦＴ演算装置６で、振動センサ２ａ〜２ｃにより回転軸３の回転中に常時検出される時間領域で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（周波数領域の振動加速度）とその周波数（びびり振動数）とを算出する（Ｓ２）。
次に、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、びびり振動数、工具刃数、及び回転軸３の回転速度から以下の演算式（１）〜（３）により、ｋ’値、ｋ値、及び位相情報を算出するとともに、当該ｋ’値、ｋ値、及び位相情報に加えて、上記Ｓ２で算出された最大加速度及びびびり振動数、さらには現時点での回転軸回転速度を新たな加工情報として記憶装置９へ記憶する（Ｓ４）。

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、予め演算装置７に入力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。

さらに、記憶装置９に記憶されている加工情報のうち、前回閾値を超えた際の位相情報及び回転軸回転速度（過去の加工情報）と、前々回閾値を超えた際の位相情報及び回転軸回転速度（過去の加工情報）とを読み出し、以下の演算式（４）及び（５）により、最適回転速度を算出する（Ｓ５）。

速度変化量＝（１−前々回の位相情報）×（前々回の回転軸回転速度−前回の回転軸回
転速度）／（前回の位相情報−前々回の位相情報） ・・・（４）
最適回転速度＝前々回の回転軸回転速度−速度変化量 ・・・（５）
そして、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、「びびり振動」の増幅の防止、すなわち抑制を行う（Ｓ６）。
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。

尚、回転軸３の回転開始後、初めて閾値を超える最大加速度が検出された場合、及び閾値を超える最大加速度の検出が二度目であった場合には、上記演算式（４）を用いることができない。したがって、この場合にはＳ３の後、演算式（３）で得られた位相情報と設定定数とを比較し、位相情報が設定定数以上であれば、演算式（６）によりｋ１値を算出する一方、位相情報が設定定数未満であれば、演算式（７）によりｋ１値を算出する。
ｋ１値＝ｋ値＋１ ・・・（６）
ｋ１値＝ｋ値 ・・・（７）
ここで、設定定数としては、通常０．５を設定すれば回転速度の変化量を最小とすることができる。ただし、回転速度の変化割合が小さい場合、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、再生型びびり振動を生じる可能性があるため、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、設定定数としては０．７５を採用することが望ましい。

そして、上記演算式（６）又は（７）で得られたｋ１値を用い、以下の演算式（８）により最適回転速度を算出することができ、該最適回転速度となるように回転軸３の回転速度を変更すればよい。
最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ１値） ・・・（８）

上述したような振動制御装置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）〜（５）により直ちに最適回転速度を算出して、回転軸３の回転速度を最適回転速度に変更するようになっている。このように、実際に回転している回転軸３に生じた「びびり振動」を検出し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。したがって、「びびり振動」の増幅を確実に抑制することができ、加工面にびびりマークが残ったりしない。

また、周波数領域の振動加速度の最大加速度が閾値を超える度に、当該最大加速度とその周波数（びびり振動数）、回転軸回転速度に加え、演算式（１）〜（３）により算出されるｋ’値、ｋ値、及び位相情報を新たな加工情報として記憶装置９に記憶し、次回以降、最大加速度が閾値を超えた場合には、記憶装置９に記憶されている過去の加工情報を利用して最適回転速度を算出するようになっている。したがって、安定限界線図で述べるところの最も再生型びびり振動が生じない最適回転速度を容易に算出することができ、加工面の仕上げ精度を高品位に保つことができる。

さらに、記憶装置９に十分な加工情報が記憶されていない１度目及び２度目の「びびり振動」検出時には、位相情報を設定情報と比較し、その比較結果に応じて変更したｋ１値をもとに夫々最適回転速度を算出する。したがって、「びびり振動」を短時間で抑制することができ、加工面の仕上げ精度の向上、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止を期待することができる。

なお、本発明に係る振動抑制装置は、上記実施形態に記載の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）〜（８）に示すようなｋ’値、ｋ値、位相情報、速度変化量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ことで、精度をさらに向上させることができる。
また、速度変化量の算出にあたり、演算式（４）では定数「１」から前々回の位相情報を減算するようにしているが、該定数は、理論上「１」となるるものの、「１．０５」等「１」からややずれた値を用いて速度変化量を求めるようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、記憶装置にｋ’値、ｋ値、及び位相情報に加えて、上記Ｓ２で算出された最大加速度及びびびり振動数、さらには現時点での回転軸回転速度を加工情報として記憶するようにしているが、ｋ’値、ｋ値、及び位相情報については記憶せず、演算式（４）による演算を行う都度、加工情報をもとに算出するよう構成することも可能である。
さらにまた、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う際、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となる複数（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、「びびり振動」の抑制効果の更なる向上を図ってもよい。

またさらに、上記実施形態では、振動センサにより回転軸の振動加速度を検出するよう構成しているが、振動による回転軸の変位や音圧を検出し、当該変位や音圧にもとづいて最適回転速度を算出するように構成することも可能である。
加えて、上記実施形態では、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）の振動を検出し、最適回転速度を算出するように構成してもよいし、工具を回転させるマシニングセンタに限らず、ワークを回転させる旋盤等といった工作機械にも適用可能である。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方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図である。

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・・演算装置、８・・ＮＣ装置、９・・記憶装置、１０・・振動抑制装置。

Claims (2)

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もとづいて、びびり振動数及び該びびり振動数における周波数領域の振動を算出する第１演算手段と、
   周波数領域の振動、びびり振動数、及び回転軸回転速度を加工情報として記憶する記憶手段と、
   前記第１演算手段により算出された周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に、その周波数領域の振動、びびり振動数、及びその時の回転軸回転速度を新たな加工情報として記憶手段に記憶するとともに、前記加工情報を用いて下記の演算式（１）〜（３）にもとづき算出される前記加工情報を記憶した時点での位相情報と、前記記憶手段に記憶されている過去の加工情報とにもとづき下記の演算式（４）から速度変化量を算出し、前記速度変化量を用いて下記の演算式（５）から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第２演算手段と、
   前記第２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ていることを特徴とする振動抑制装置。
   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）
   速度変化量＝（１−前々回の位相情報）×（前々回の回転軸回転速度−前回の回転軸回
   転速度）／（前回の位相情報−前々回の位相情報） ・・・（４）
   最適回転速度＝前々回の回転軸回転速度−速度変化量 ・・・（５）
2. 前記第２演算手段は、前記周波数領域の振動が所定の閾値を超える事態が所定回数に満たない場合には、前記加工情報を用いて前記演算式（１）〜（３）にもとづき算出される位相情報と所定の設定定数とを比較し、前記位相情報が設定定数以上であれば下記演算式（６）を、前記位相情報が設定数未満であれば下記演算式（７）を夫々用いてｋ１値を算出し、当該ｋ１値を用いて下記演算式（８）から前記最適回転速度を算出する一方、
   前記周波数領域の振動が所定の閾値を超える事態が所定回数以上になると、前記新たな加工情報と前記過去の加工情報とにもとづき、前記演算式（４）で算出される前記速度変化量を用いて前記演算式（５）から前記最適回転速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。
   ｋ１値＝ｋ値＋１ ・・・（６）
   ｋ１値＝ｋ値 ・・・（７）
   最適回転速度＝６０×びびり振動数／（工具刃数×ｋ１値） ・・・（８）

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