JP4848393B2 - 工作機械の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、切削加工などを行う工作機械において、ワーク加工時のびびり振動を防止する工作機械の制御方法および制御装置に関するものである。

例えば、切削加工では、ワークの固有振動に対して加工ツールの稼働時の振動が共振することによりびびり振動が発生する。びびり振動が発生すると、ワークの加工面粗度の悪化や、振動による加工ツールの切刃の欠損といった問題が発生する。

このびびり振動の対策として、例えば特許文献１に示される方法がある。この方法では、現工程においてワークの振動データを取得し、この振動データを用いて、より仕上げ精度の高い次工程におけるびびり振動の発生有無を予測し、この予測されたびびり振動の発生有無の結果に基づいて次工程におけるワークを加工する加工データを修正する。そして、各工程でびびり振動が生じた場合には、その工程で取得したワークの振動データに基づいて該工程におけるワークのびびり振動を防止する。具体的には、加工ツールの送り量を増加させる、加工ツールのワークに対する切削速度（回転数）を減少させる、あるいは加工ツールのワークに対する切り込み量を減少させることにより、ワークのびびり振動を防止する。

特開２００６−１５０５０４号公報

上記特許文献１に示す方法においては、現工程におけるワークの振動データから、次工程におけるびびり振動の発生有無を予測し、この予測結果に基づいて次工程におけるワークを加工する加工データを修正しているが、びびり振動の発生を防止できない場合がある。これは、切削加工中にワークの質量変化および剛性変化に伴い、ワークの固有振動が変化することによる。このため、ワークの加工中に、ワークの固有振動に対して加工ツールの固有振動が共振してびびり振動が発生する。特許文献１に示す方法では、このびびり振動を防ぐため、加工ツールの送り量や回転数や切り込み量など加工ツールの稼働条件を変更している。

しかしながら、ワークの加工中に、加工ツールの稼働条件を変更すると、変更の前後でのワークの加工面粗度が変化して加工面粗度の悪化を招くと共に、加工時間が増加して加工コストが嵩むことになる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ワークの加工面粗度を向上し、かつ加工コストを低減することのできる工作機械の制御方法および制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の工作機械の制御方法では、加工前と加工後でのワークの固有振動を設定し、かつ加工ツールの加工時の振動成分を設定する工程と、前記ワークの固有振動の加工前と加工後と間での領域について、前記加工ツールの振動成分が共振する範囲以外での前記加工ツールの稼働条件を判定する工程と、判定した前記加工ツールの稼働条件に基づいて前記ワークの加工を実行する工程と、を含むことを特徴とする。

この工作機械の制御方法は、ワークの加工中にワークの質量や剛性が変化しても、この変化の領域について、ワークの固有振動と加工ツールの振動成分とが共振しない加工ツールの稼働条件でワークの加工を行うことから、びびり振動の発生を防止できる。この結果、びびり振動を抑えるためワークの加工中に加工ツールの稼働条件を変更することがないので、ワークの加工面粗度が向上し、かつ加工時間の増加が無いため加工コストが低減する。

また、本発明の工作機械の制御方法では、前記加工ツールの稼働条件は、前記加工ツールの送り量および切り込み量を一定とした前記加工ツールの回転数であることが好ましい。

また、本発明の工作機械の制御方法では、前記ワークの固有振動、および前記加工ツールの加工時の振動成分を、キャンベル線図上に設定することが好ましい。

上記の目的を達成するために、本発明の工作機械の制御装置では、加工前と加工後でのワークの固有振動を設定し、かつ加工ツールの加工時の振動成分を設定する設定部と、前記ワークの固有振動の加工前と加工後との間での領域について、前記加工ツールの振動成分が共振する範囲以外での前記加工ツールの稼働条件を判定する判定部と、判定した前記加工ツールの稼働条件に基づいて前記ワークの加工を実行する制御部と、を備えたことを特徴とする。

この工作機械の制御装置は、ワークの加工中にワークの質量や剛性が変化しても、この変化の領域について、ワークの固有振動と加工ツールの振動成分とが共振しない加工ツールの稼働条件でワークの加工を行うことから、びびり振動の発生を防止できる。この結果、びびり振動を抑えるためワークの加工中に加工ツールの稼働条件を変更することがないので、ワークの加工面粗度が向上し、かつ加工時間の増加が無いため加工コストが低減する。

本発明によれば、びびり振動の発生を防止して、ワークの加工中に加工ツールの稼働条件を変更する事態を防いだことにより、ワークの加工面粗度を向上でき、かつ加工時間の増加を無くして加工コストを低減できる。

以下に添付図面を参照して、本発明における工作機械の制御方法および制御装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例に係る工作機械およびその制御装置を示す概略構成図、図２は、加工ツールの稼働条件を判定するためのキャンベル線図、図３は、図１に示す工作機械の制御装置における動作（制御方法）のフローチャートである。

図１に示すように、工作機械としてのワーク加工装置１は、加工部２と、制御装置４とを備えている。

加工部２の下部にはベッド２１が設けられている。ベッド２１上には門型をなすコラム２２が立設されている。コラム２２の前面には、Ｘ軸方向（左右方向）に延在するガイド２３，２４を介してサドル２５が往復移動可能に支持されている。また、サドル２５の前面には、Ｚ軸方向（鉛直方向）に延在するガイド２６を介して主軸頭２７が昇降可能に支持されている。主軸頭２７の下面には、加工ヘッド２８が回転軸Ｐ回りに回転可能に支持されている。この加工ヘッド２８には、加工ツールＴが保持される。なお、加工ヘッド２８には、加工ツールＴがワークＷに接触した際の接触圧を吸収するダンパ２８ａが設けられている。また、ベッド２１上には、Ｙ軸方向（前後方向）に延在するガイド２９を介してテーブル３０がスライド移動可能に支持されている。このテーブル３０には、ワークＷを保持するワーク保持部３１が設けられている。なお、図１で示すワークＷは、ガスタービンなどに用いられるタービン翼を例示している。

すなわち、加工部２は、加工ツールＴをＸ軸方向（左右方向）およびＺ軸方向（鉛直方向）に移動可能に構成され、かつワークＷをＹ軸方向（前後方向）に移動可能に構成されている。このＸ軸方向、Ｚ軸方向およびＹ軸方向の移動は、後述の移動機構駆動部４６によって駆動される。さらに、加工部２は、加工ツールＴを回転軸Ｐ回りに回転可能に構成されている。この加工ツールＴの回転は、後述の加工ツール回転駆動部４７によって駆動される。

このワーク加工装置１は、加工ツールＴを回転軸Ｐ回りに回転させつつ、加工ツールＴをＸ、Ｚ軸方向に移動させると共に、ワークＷをＹ軸方向に移動させることにより、加工ツールＴをワークＷに接触させてワークＷの切削加工を実行する。

制御装置４は、マイコンなどから構成され、加工部２の動作を制御するものである。この制御装置４は、制御部４１を有している。この制御部４１には、記憶部４２、入力部４３、設定部４４、判定部４５、移動機構駆動部４６、および加工ツール回転駆動部４７が接続されている。

入力部４３には、後述の判定部４５において加工部２の稼働条件を判定するための諸事項が入力される。入力部４３に入力される諸事項には、ワークＷの固有振動、および加工ツールＴの加工時の振動成分がある。ワークＷの固有振動には、加工前と加工後のものがある。これら加工前と加工後のワークＷの固有振動は、ワークＷの設計データに基づいた有限要素法解析または実験モード解析によって得ることができる。また、加工ツールＴの振動成分は、加工ツールＴの回転数［Ｎ］と加工ツールＴの切刃数［Ｚ］との積（ＮＺ）で算出された周波数成分、および該周波数成分の高調波成分である。なお、入力部４３に入力される諸事項には、予め記憶部４２に格納されたもの、または制御装置４の外部から入力部４３に接続された外部入力手段（図示せず）により入力部４３に入力されるものがある。

なお、ワークＷの固有振動には、ねじれモードと曲げモードとがある。ねじれモードは、ワークＷが、図１で例示するタービン翼のように板片状の場合、例えば長手方向の中央部を加工する際、ねじれ方向に加重がかかるモードである。一方、曲げモードは、図１で例示するワークＷの長手方向の先端部を加工する際、曲げ方向に加重がかかるモードである。これら、ねじれモードと曲げモードとでは、ねじれモードの方が、固有振動が大きく、かつ加工前と加工後とでの固有振動の差が大きいので、びびり振動が発生しやすい。したがって、本実施例では、ねじれモードでの加工における固有振動を適用して説明する。

設定部４４は、入力部４３に入力された、ワークＷの固有振動および加工ツールＴの加工時の振動成分を、図２に示すキャンベル線図上に設定するものである。

判定部４５は、上記キャンベル線図により、ワークＷの固有振動の加工前と加工後との間での領域について、加工ツールＴの振動成分が共振する範囲以外での加工ツールＴの稼働条件を判定するものである。なお、本実施例では、加工ツールＴの稼働条件を、加工ツールＴの送り量および切り込み量を一定とした加工ツールＴの回転数としている。加工ツールＴの回転数は、加工ツールＴの振動成分を決定する上で用いられるものであるため、稼働条件としてより好ましい。

そして、制御部４１は、記憶部４２に予め格納したプログラムやデータに従って、主に判定部４５で判定された加工ツールＴの稼働条件に基づいて、移動機構駆動部４６および加工ツール回転駆動部４７を制御する。

図２のキャンベル線図および図３のフローチャートに基づいて、上記制御装置４によるワーク加工装置１の制御（制御方法）について説明する。

まず、入力部４３において、加工前と加工後のワークＷの固有振動を入力する（ステップＳ１）。次に、設定部４４において、ワークＷの固有振動の加工前と加工後との間での領域をキャンベル線図上に設定する（ステップＳ２）。キャンベル線図は、図２で示すように、縦軸が周波数［Ｈｚ］で、横軸が回転数［ｒｐｍ］とされている。そして、設定部４４では、このキャンベル線図上に、ワークＷの固有振動の加工前と加工後との間での領域（斜線部分）を設定する。

また、入力部４３において、加工ツールＴの加工時の振動成分を入力する（ステップＳ３）。次に、設定部４４において、加工ツールＴの加工時の振動成分をキャンベル線図上に設定する（ステップＳ４）。このステップＳ４において、設定部４４では、図２に示すように、加工ツールＴの加工時の振動成分として、加工ツールＴの回転数［Ｎ］と加工ツールＴの切刃数［Ｚ］との積（ＮＺ）で算出された周波数成分、および該周波数成分の高調波成分（２ＮＺ，３ＮＺ，４ＮＺ…）を、キャンベル線図上に設定する。ワークＷの固有振動および加工ツールＴの加工時の振動成分をキャンベル線図上に設定することにより、加工ツールＴの回転数の判定の確認が容易に行える。

次に、判定部４５において、キャンベル線図により、ワークＷの固有振動の加工前と加工後との間での領域について、加工ツールＴの振動成分が共振する範囲以外での加工ツールＴの回転数を判定する（ステップＳ５）。これにより、図２に示すように、びびり振動が発生しない回転数の範囲が得られる。

最後に、制御部４１は、加工ツールＴの回転数（稼働条件）に基づいて、加工ツール回転駆動部４７を制御すると共に、移動機構駆動部４６を制御して、ワークＷの加工を実行し（ステップＳ６）、本制御を終了する。

なお、上記ステップＳ１，Ｓ２とステップＳ３，Ｓ４とは、その順番が逆であってもよい。すなわち、先に、加工ツールＴの加工時の振動成分を入力（ステップＳ３）し、この加工ツールＴの加工時の振動成分をキャンベル線図上に設定（ステップＳ４）して、次に、加工前と加工後のワークＷの固有振動を入力（ステップＳ１）し、ワークＷの固有振動の加工前と加工後との間での領域をキャンベル線図上に設定（ステップＳ２）してもよい。

このように、本実施例における工作機械の制御方法および制御装置によれば、ワークＷの固有振動の加工前と加工後と間での領域について、加工ツールＴの振動成分が共振する範囲以外での加工ツールＴの回転数（稼働条件）を判定し、この判定した加工ツールＴの回転数に基づいてワークＷの加工を実行している。このため、ワークＷの加工中にワークＷの質量や剛性が変化しても、この変化の領域について、ワークＷの固有振動と加工ツールＴの振動成分とが共振することのない加工ツールＴの回転数でワークＷの加工を行うことから、びびり振動の発生を防止できる。この結果、びびり振動を抑えるためワークＷの加工中に加工ツールＴの稼働条件を変更することがないので、ワークの加工面粗度を向上でき、かつ加工時間の増加を無くして加工コストを低減できる。

以上のように、本発明に係る工作機械の制御方法および制御装置は、ワークの加工面粗度を向上し、かつ加工コストを低減することに適している。

本発明の実施例に係る工作機械およびその制御装置を示す概略構成図である。 加工ツールの稼働条件を判定するためのキャンベル線図である。 図１に示す工作機械の制御装置における動作（制御方法）のフローチャートである。

符号の説明

１ ワーク加工装置（工作機械）
２ 加工部
２１ ベッド
２２ コラム
２３，２４ ガイド
２５ サドル
２６ ガイド
２７ 主軸頭
２８ａ ダンパ
２８ 加工ヘッド
２９ ガイド
３０ テーブル
３１ ワーク保持部
４ 制御装置
４１ 制御部
４２ 記憶部
４３ 入力部
４４ 設定部
４５ 判定部
４６ 移動機構駆動部
４７ 加工ツール回転駆動部
Ｐ 回転軸
Ｔ 加工ツール
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 加工前と加工後でのワークの固有振動を設定し、かつ加工ツールの加工時の振動成分を設定する工程と、
   前記ワークの固有振動の加工前と加工後と間での領域について、前記加工ツールの振動成分が共振する範囲以外での前記加工ツールの稼働条件を判定する工程と、
   判定した前記加工ツールの稼働条件に基づいて前記ワークの加工を実行する工程と、
   を含むことを特徴とする工作機械の制御方法。
2. 前記加工ツールの稼働条件は、前記加工ツールの送り量および切り込み量を一定とした前記加工ツールの回転数であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の制御方法。
3. 前記ワークの固有振動、および前記加工ツールの加工時の振動成分を、キャンベル線図上に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の工作機械の制御方法。
4. 加工前と加工後でのワークの固有振動を設定し、かつ加工ツールの加工時の振動成分を設定する設定部と、
   前記ワークの固有振動の加工前と加工後との間での領域について、前記加工ツールの振動成分が共振する範囲以外での前記加工ツールの稼働条件を判定する判定部と、
   判定した前記加工ツールの稼働条件に基づいて前記ワークの加工を実行する制御部と、 を備えたことを特徴とする工作機械の制御装置。