JP5052655B2

JP5052655B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP5052655B2
Application number: JP2010196683A
Authority: JP
Inventors: 維玖馬高橋
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: JP2012051083A

Description

本発明は、複数のサーボモータで駆動する送り軸を有した工作機械に関する。

回転工具によってワークの切削加工等を行う工作機械において、加工中にびびり振動が発生することがある。びびり振動はワークの加工精度を悪化させるため、従来はびびり振動の抑制のために工具の回転速度、送り速度等の切削条件を変化させていた。この方法は切削加工の能率の低下を伴うものであった。

特許文献１には、二つのサーボモータによって駆動される被駆動体の位置、速度を制御する制御方式において、駆動方向が逆転した時に生じる駆動系のバックラッシを解消する制御方式について記載されている。二つのサーボモータにより、被駆動体に予圧を与えてバックラッシを解消する方式である。

特開平０７−０８８７４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の制御装置は、被駆動体に予圧を与えてバックラッシをなくすための装置であってびびり振動に対応するものではない。

本発明は、ワーク加工時のびびり振動を自動的に抑制する工作機械を提供する。

請求項１の発明は、複数のサーボモータの駆動力を歯車で伝達して一つの送り軸を駆動する、送り軸を有した工作機械において、ワーク加工中の前記工作機械の振動を検出する検出手段と、ワーク加工中の前記歯車の接触歯面に予圧がかかるように、前記複数のサーボモータを制御するとともに、前記検出手段により、前記工作機械の振動が検出された際、前記歯車の接触歯面の圧力を増大させるように、前記複数のサーボモータを制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
歯車の接触歯面の圧力を増大させることにより、接触歯面間の摩擦力が増え、振動エネルギーが熱エネルギーに多く変換される。

本発明によれば、工作機械に発生する振動を自動的に検出し、振動を抑制することができる。

本発明に係る工作機械の主軸ユニットの一実施形態を示す断面図であり、図２のI−Iにおける切断面を示す。本発明に係る工作機械の主軸ユニットの一実施形態を示す模式図であり、図１の第２カバーを外してII方向から見た矢視図である。本発明に係る工作機械の一実施形態を示す模式図である。（ａ）は、図２と同一の方向から見た第１中間歯車１１ｂと第１傾斜送り軸歯車１１ｃとの接触状態を示す模式図である。（ｂ）は、図２と同一の方向から見た第２中間歯車１２ｂと第２傾斜送り軸歯車１２ｃとの接触状態を示す模式図である。

以下、図１〜図４を参照して本発明による送り軸の制御装置および工作機械の実施の形態について説明する。
まず、図３で本実施形態の工作機械３の構成を説明する。図３に示す工作機械３は、主軸頭傾斜型の５軸制御工作機械であって、ベッド３３上にコラム２９がＺ軸（左右）方向に水平移動可能に立設され、コラム２９に主軸台２８、旋回台２７及び主軸頭支持台１７を介して主軸頭４がＹ軸（上下）方向に昇降可能に支持されている。主軸頭４に回転支持される主軸５には工具６が取り付けられている。旋回台２７は、主軸台２８に対してＺ軸周りのＣ軸方向に回転送り可能に支持され、主軸頭４は、Ｘ軸と平行な傾動軸線１７ａ周りのＡ軸方向に回転送り可能に主軸頭支持台１７に支持され、主軸頭支持台１７は、旋回台２７に固定されている。

ベッド３３上にはさらに、Ｘ軸方向（紙面前後方向）にスライド可能にテーブル３２が支持され、テーブル３２上にはイケール３１を介してワーク３０が取り付けられている。この構成により主軸５に取り付けられた工具６と、テーブル３２上に取り付けられたワーク３０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｃ軸方向に相対移動し、ワーク３０が加工される。
本実施形態の工作機械は、びびり振動抑制用の加速度センサＳと、制御装置Ｍを備えている。

次に、工作機械３のコラム２９に取付けられる主軸ユニット１について図１及び図２で説明する。
まず主軸ユニット１の傾斜送り軸の構成について説明する。
図１に示すように、工具６を装着する主軸５は、図示しない軸受にて主軸５の軸線周りに回転可能に主軸頭４に支持されている。主軸頭４は、主軸頭支持台１７の互いに離間した一対の側壁２０、２１の間に配設され、図１では上下方向、図２では紙面前後方向に主軸頭５の軸線と直交する傾動軸線１７ａ周りに傾斜回転可能に、すなわち図２のＡ軸方向に回転可能に側壁２０、２１に取付けられている。以下にこの主軸頭４の傾斜回転の駆動源装置７、８及び動力伝達機構について説明する。

主軸頭支持台１７において、主軸５の配置されている方向を前方、その反対方向を後方として説明する。図１に示すように、主軸頭支持台１７には主軸頭４の後方に中間壁１９が設けられており、後壁１８との間にスペースが形成されている。このスペースに第１サーボモータ７ａ及び第２サーボモータ８ａが、各々第１減速機９及び第２減速機１０に連結されて収納されている。以下、第１サーボモータ７ａ及び第１減速機９を第１駆動源装置７、第２サーボモータ８ａ及び第２減速機１０を第２駆動源装置８とする。

第１駆動源装置７及び第２駆動源装置８は互いに水平位置にある主軸５の軸線に対して１８０°回転対称の位置に設けられる。すなわち水平位置にある主軸５の軸線周りに主軸頭支持台１７を１８０°回転させると第１駆動源装置７は第２駆動源装置８の元の位置に、第２駆動源装置８は第１駆動源装置７の元の位置に重なるように配設される。

図１に示すように、側壁２０及び２１の間に、第１駆動源装置７及び第２駆動源装置８は、各々の出力軸１５ａ、１５ｂが各々側壁２０、２１を向くように反対向きに設けられる。各々の出力軸１５ａ、１５ｂの先端には、テーパギヤが取り付けられ、動力伝達機構であるテーパギヤ列に接続されている。

図１には主軸頭４の傾斜回転の駆動機構について、図２のＩ−Ｉ断面図が描かれている。そのため、図２の紙面手前側に見えている第２側壁２１に第２減速機１０を介して取り付けられている第２モータ８が図１に実線で示されている。

２台のサーボモータ７ａ、８ａはその駆動力を歯車で伝達して一つの傾斜送り軸を駆動する。第１のサーボモータ７ａの出力軸は第１減速機９を介して第１駆動歯車１１ａ、第１中間歯車１１ｂ、第１傾斜送り軸歯車１１ｃに連結している。第２のサーボモータ８ａの出力軸は第２減速機１０を介して第２駆動歯車１２ａ、第１中間歯車１２ｂ、第２傾斜送り軸歯車１２ｃに連結している。第１傾斜送り軸歯車１１ｃ及び第２傾斜送り軸歯車１２ｃは各々主軸頭４に連結されている。

２台のサーボモータ７ａ、８ａは、加工の際、工具の傾斜送りの反転時等に歯車にバックラッシが生じないように、常に歯車の第１中間歯車１１ｂと第１傾斜送り軸歯車１１ｃとの接触面、及び第２中間歯車１２ｂと第２傾斜送り軸歯車１２ｃとの接触面に予圧がかかるように制御されている。そして、加工中、加速度センサＳの信号を振動検出部Ｖで処理することより工作機械のびびり振動が検出された際、傾斜送り軸に駆動力を伝達する前記２箇所の接触歯面に加わる面圧を増大させるように、前記２台のサーボモータ７ａ、８ａを制御する。

びびり振動については、加工中の加速度センサＳの信号を振動検出部Ｖで処理し、振動の振幅が所定のしきい値を超えた状態が所定時間続いたときにびびり振動が発生したと判断する。本実施形態では振動の検出を加速度センサＳで行っているが、変位センサ、速度センサ等他のセンサで行ってもよいし、また、２台のサーボモータ７ａ、８ａの電流値の振幅で検出する方法で行ってもよい。

次に、図４でサーボモータの制御方法について説明する。
上述のように、びびり振動が発生していない通常の加工状態においては、バックラッシを防止する目的で図４（ａ）、（ｂ）に示す接触歯面に予圧を与えるべく、図示する歯面の接触状態において、送り軸を位置Ｐに位置決めする場合、第１のサーボモータ７ａには位置指令Ｐを与え、第２のサーボモータ８ａには位置指令（Ｐ＋ΔＰ）を与える（ΔＰ＞０）。第２のサーボモータは速度ループの積分制御を行わず、第１のサーボモータのみに速度ループの積分制御を行わせることで、位置指令Ｐを維持した状態でギヤの歯の当たり面に接触圧ｐ１が確保される。この状態で２台のサーボモータ７ａ、８ａを反転させ、傾斜送り軸の駆動方向を切替えても図４（ａ）、（ｂ）の接触面は同じ面圧ｐ１を保ち、接触歯面は離間することがないため、バックラッシの発生が防止される。なお、ΔＰの値は、工作機械ごとに試験を行って、バックラッシの発生しない制御条件を求め、その試験結果のデータにより決定する。

加工中にびびり振動が発生すると、上記加速度センサＳの信号が振動検出部Ｖにて処理され、びびり振動発生の信号が制御装置Ｍに伝えられる。制御装置Ｍはこの際、上記のバックラッシ防止用の制御をびびり振動抑制のための制御に切替える。

びびり振動抑制のための制御は上記第１のサーボモータ７ａへの位置指令Ｐは変えずに、第２のサーボモータ８ａへの位置指令を（Ｐ＋ΔＰ’）とすることにより行う（ΔＰ’＞ΔＰ）。すなわち、第２のサーボモータ８ａへの位置指令の第１のサーボモータ７ａへの位置指令とのずれ量を所定量増加させることにより、接触歯面の面圧を増大（ｐ１→ｐ２）させる。これにより、接触歯面間の摩擦力を増大させることで、接触歯面で発生する熱量を増大させ、びびり振動のエネルギーを熱エネルギーに変換させることでびびり振動を抑制する。ΔＰ’の値についても、工作機械ごとに試験を行い、びびり振動を発生させてこれを抑制する制御条件を求め、その試験結果のデータにより決定する。

びびり振動の抑制のための制御の解除については、加工の負荷等を考慮して、発生時の判断基準と同様に、振動値の範囲と継続時間で解除条件を定めることができる。

本実施形態では２台のサーボモータ７ａ、８ａの制御をサーボモータへの位置指令にて行うが、これをサーボモータのトルク制御で行う方式としてもよい。すなわち、２台のサーボモータ７ａ、８ａに作用するトルク値をサーボモータの駆動電流値にて制御する方式である。例えば通常の加工時は、バックラッシ防止用の設定トルクＴ１が作用するように２台のサーボモータ７ａ、８ａを制御し、びびり振動発生時は設定トルクＴ２（Ｔ２＞ＴＩ）が作用するように２台のサーボモータ７ａ、８ａを制御する。

本実施形態の傾斜送り軸の制御装置は、びびり振動が発生した場合だけこれを検知して動力伝達機構の歯車の接触面圧を増大させる（ｐ２）ため、通常の加工時はバックラッシの防止用の接触面圧（ｐ１）が加わるのみであり、駆動機構に過大な負担をかけずに自動的にびびり振動を抑制することができる。

本実施形態の工作機械として図３にマシニングセンタを示した。工具としてはエンドミルの他、フライスやドリルなどにも使用できる。また、本発明の工作機械は旋盤等でもよい。さらに、本発明の送り軸は、回転送り軸だけでなく直線送り軸に適用することも可能である。

１主軸ユニット
３工作機械
４主軸頭
５主軸
６工具
７第１駆動源装置
８第２駆動源装置
１１ａ第１駆動歯車
１１ｂ第１中間歯車
１１ｃ第１傾斜軸歯車
１２ａ第２駆動歯車
１２ｂ第２中間歯車
１２ｃ第２傾斜軸歯車
１７主軸頭支持台
２７旋回台
２８主軸台
２９コラム
３０ワーク
３１イケール
３２テーブル
３３ベッド
Ｓ加速度センサ
Ｖ振動検出部
Ｍ制御装置

Claims

複数のサーボモータの駆動力を歯車で伝達して一つの送り軸を駆動する、送り軸を有した工作機械において、
ワーク加工中の前記工作機械の振動を検出する検出手段と、
ワーク加工中の前記歯車の接触歯面に予圧がかかるように、前記複数のサーボモータを制御するとともに、前記検出手段により、前記工作機械の振動が検出された際、前記歯車の接触歯面の圧力を増大させるように、前記複数のサーボモータを制御する制御手段と、
を具備する工作機械。