JP5155090B2 - 工作機械の振動判定方法及び振動抑制装置 - 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、加工中でのびびり振動の発生を正確に判定する方法と、発生したびびり振動を抑制する振動抑制装置とに関する。

エンドミル加工において、切込や切削量を必要以上に大きくすると加工中のびびり振動が生じて加工面が悪化する。また、びびり振動によって工具寿命の悪化にも繋がる。
このびびり振動を抑制するための技術として、例えば特許文献１に開示の振動抑制方法が知られている。この振動抑制方法では、加工面の仕上げ精度悪化の原因となる自励振動としての再生型びびり振動を抑制するため、工具やワーク等のびびり振動の発生系の固有振動数を、工具やワークをインパルス加振することにより求め、これを６０倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除して、得られた値を最適回転速度とし、当該最適回転速度で加工を行うようにしている。
一方、機械の固有振動数ではなく、びびり発生時のびびり周波数を用いた計算方法として、特許文献２が知られている。ここでは、工具やワークの近傍に音センサを配置し、回転中に音センサで検出された振動周波数に基づいて加工中のびびり周波数を求め、これを６０倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除し、得られた値を最適回転速度としたものである。また、びびり振動の発生の判定は、得られたびびり周波数における周波数領域の振動加速度を予め設定した閾値と比較して、当該閾値を超えた場合としている。

特開２００３−３４０６２７号公報 特表２００１−５１７５５７号公報

加工中のびびり振動の発生を判定する場合、閾値はなるべく小さい方が正確に判定可能となる。ところが、回転速度を上げていくと回転系の共振周波数の影響で振動加速度が増大してしまい、びびり振動判定で使用する閾値より大きくなった場合、びびり振動でなくてもびびり振動発生と判断するおそれがある。また、回転軸の個体差や取り付ける工具やホルダの影響でアンバランスが生じて振動加速度が増大するため、閾値を一定とすると、びびり振動を正確に判定できないという問題もあった。

そこで、本発明は、回転系自身の影響をなくし、びびり振動の発生を正確に判定可能とする振動判定方法及び振動抑制装置を提供することを目的としたものである。

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て前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出ステップと、検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析ステップと、解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断する判断ステップと、を実行する振動判定方法であって、
前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の最大特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の最大特性値を前記閾値として再設定する閾値修正ステップを実行して、前記ワークの実加工時に行う前記判断ステップでは、前記最大特性値が前記再設定された閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析手段と、前記解析手段で解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合に、びびり振動の発生と判断する判断手段と、前記判断手段でびびり振動の発生と判断された場合に、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して前記回転軸を前記最適回転速度で回転させる制御手段と、を備える振動抑制装置であって、前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の最大特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の最大特性値を前記閾値として再設定する閾値修正手段を設けて、前記判断手段は、前記ワークの実加工時に前記最大特性値が前記閾値修正手段で再設定された閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断することを特徴とする。
なお、本発明でいう「実加工」とは、工具が実際にワークに接触して切削等を行う状態を示し、「加工」とは、プログラムで設定され、実加工及び工具がワークに接触しない非実加工も含む一連の加工工程を指す。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出ステップと、検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析ステップと、解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断する判断ステップと、を実行する振動判定方法であって、
前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の特性値及びその周波数を記憶する周波数記憶ステップを実行して、前記ワークの実加工時に行う前記判断ステップでは、前記最大特性値が前記閾値を超えた場合に、前記最大特性値の周波数を前記周波数記憶ステップで記憶された前記実加工前の特性値の周波数と比較して、周波数が異なる場合にびびり振動の発生と判断することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析手段と、前記解析手段で解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合に、びびり振動の発生と判断する判断手段と、前記判断手段でびびり振動の発生と判断された場合に、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して前記回転軸を前記最適回転速度で回転させる制御手段と、を備える振動抑制装置であって、
前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の特性値及びその周波数を記憶する周波数記憶手段を設けて、前記判断手段は、前記ワークの実加工時に前記最大特性値が前記閾値を超えた場合に、前記最大特性値の周波数を前記周波数記憶手段で記憶された前記実加工前の特性値の周波数と比較して、周波数が異なる場合にびびり振動の発生と判断することを特徴とする。

本発明によれば、回転系の影響を除去した最小の閾値を設定できるため、種々の回転系の個体差、あるいは回転速度の違いによるびびり振動の誤判定を防止でき、びびり振動の発生が正確に判定可能となる。従って、びびり振動の効果的な抑制に繋がり、加工面を高品位にできる、工具摩耗が抑制できて工具寿命が延びるといった効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
図１は、本発明の振動抑制装置１０の一例をブロック構成で示した説明図である。図２は、振動抑制の対象となる工作機械の回転軸ハウジング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」を制御するためのものであって、回転中の回転軸３に生じる振動に伴う特性値であ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による検出値を解析してびびり振動の発生の有無を判断し、判断結果に基づいて回転軸３の回転速度を制御する制御装置（解析手段及び判断手段、制御手段）４とを備えてなる。

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４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１１と、該ＦＦＴ演算装置１１にて解析された値を記憶する記憶装置１２と、現在の値と記憶している値と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１３と、回転軸ハウジング１における加工を制御するＮＣ装置１４とを備えている。

次に、制御装置４によるびびり振動の判定方法に係る制御を、図６のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ＦＦＴ演算装置１１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って（Ｓ１）、例えば図４に示すように、回転軸３の周波数と、その周波数における回転軸３の周波数領域の振動加速度（周波数軸上の振動加速度）との関係に解析している。なお、びびり振動かどうかを判定する閾値は記憶装置１２に予め設定されている。
そして、Ｓ２の判別で、プログラム指令等により回転軸３への回転指令がなされて回転が開始され、その後、実加工が開始される前の定常回転になると、図４の関係のうち、最大加速度とその周波数（同図の振動６）とを取得する（Ｓ３）。実加工前で取得されるこの最大加速度は、びびり振動ではなく回転系の振動に起因するものである。

次のＳ４では、Ｓ３で取得した最大加速度（実加工前の最大特性値）が、記憶装置１２に設定されている閾値を超えるか否かを判別する。ここで、最大加速度が閾値を超えている場合は、Ｓ５で、当該最大加速度の値を新たな閾値に再設定する（閾値修正ステップ）。例えば元の閾値が０．１５であった場合、図４に示す振動６での最大加速度０．２が上回っているため、閾値は０．２に再設定されることになる。

そして、Ｓ６で実加工が開始されると、Ｓ２，３と同様に、ＦＦＴ演算装置１１が、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、例えば図５の５に示すような最大加速度と周波数とを取得する（Ｓ７）。
次に、Ｓ８で、パラメータ演算装置１３が、Ｓ７で取得された最大加速度が、Ｓ５で再設定された閾値を超えるか否かを判別する。ここで当該閾値を超えた場合は、回転軸３に抑制すべきびびり振動が発生しているとして、Ｓ９で当該最大加速度に基づいて最適回転速度の演算を行う。閾値を超えない場合はＳ６へ戻る。

すなわち、元の閾値を、当該閾値を超える実加工前の最大加速度に再設定することで、実加工中で表れる回転系の振動（実加工前の最大加速度以下の振動、図５での振動６）を排除して、実加工時のびびり振動の発生を確実に判定可能としたものである。
なお、Ｓ９での最適回転速度の演算は、例えば背景技術の特許文献２で説明したように、びびり周波数を６０倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除して得る等、所定のパラメータを用いた公知の方法で求めればよい。
そして、Ｓ１０では、Ｓ９での演算結果に基づいてＮＣ装置１４が回転軸３の回転速度を最適回転速度に変更し、びびり振動の抑制を図ることになる。その後、Ｓ１１の判別で加工終了でなければＳ６へ戻り、非実加工であればＳ１から、実加工であればＳ６からの処理が繰り返される。

このように、上記形態１の振動判定方法及び振動抑制装置によれば、実加工前の最大加速度に基づいて閾値の修正を行うことで、びびり振動が正確に判定可能となる。特に回転系の振動は、回転軸系のアンバランスや工具、工具ホルダによって変化するため、予め調査しておくことはできない。しかし、上記方法により、回転系の影響を除去した最小の加速度閾値を設定できるため、種々の回転系の個体差、あるいは回転速度の違いによるびびり振動の誤判定を防止できる。従って、びびり振動の効果的な抑制に繋がり、加工面を高品位にできる、工具摩耗が抑制できて工具寿命が延びるといった効果が得られる。

［形態２］
次に、本発明の他の形態を説明する。但し、工作機械や振動抑制装置の構成は図１で説明したものと同様で、制御装置４によるびびり振動の判定制御のみ異なるため、重複する説明は省略して当該判定制御を図７のフローチャートに基づいて説明する。
Ｓ２１〜Ｓ２４は、形態１の図６で説明したＳ１〜Ｓ４と同じであるが、Ｓ２５では、Ｓ２４で閾値を超えている振動加速度とその周波数とを記憶装置１２に記憶する（周波数記憶ステップ、図４では振動６が記憶される）。従って、記憶される振動加速度及び周波数は複数の場合もあり得る。
そして、Ｓ２６で実加工が開始されると、Ｓ２７で、ＦＦＴ演算装置１１が時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行い、最大加速度と周波数とを取得し、Ｓ２８で、パラメータ演算装置１３が、Ｓ２７で取得された最大加速度が閾値を超えるか否かを判別する。

ここで、最大加速度が閾値を超えている場合、Ｓ２９で、当該最大加速度に係る周波数と、Ｓ２５で記憶された振動加速度の周波数とを比較し、記憶された周波数と同じ周波数は判定制御から除外する。すなわち、比較対象の周波数が全て記憶された周波数と同じで周波数が残らなければ、びびり振動は発生していないとして、回転速度を変更せずにＳ２６へ戻る。
一方、記憶された周波数と同じでなく、除外されない周波数が残っていれば、びびり振動が発生しているとして、Ｓ３０で残った周波数のうち最大加速度に係るものに基づいて最適回転速度の演算を行う。すなわち、図５で言うと、実加工前に得られた振動６は除外されて、残った振動５に対して最適回転速度が演算されることになる。後の処理は形態１と同じである。

このように、上記形態２の振動判定方法及び振動抑制装置においても、実加工前に得られる振動を除外してびびり振動の判定を行うことで、びびり振動の有無が正確に判定可能となり、種々の回転系の個体差、あるいは回転速度の違いによるびびり振動の誤判定を防止できる。従って、びびり振動の効果的な抑制に繋がり、加工面を高品位にできる、工具摩耗が抑制できて工具寿命が延びるといった形態１と同様の効果が得られる。

なお、本発明の振動判定方法及び振動抑制装置は、上記形態１，２に限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、検出手段や制御装置、判定制御等に係る構成を適宜変更して差し支えない。

例えば、形態１では、最適回転速度に変更後の回転速度における非実加工時の振動加速度は不明であるため、同じ閾値をそのまま用いるようにしているが、指令回転速度と最適回転速度とは近い値であるため、修正した閾値をさらに２，３割増加して新たに閾値とすることで対処することもできる。
さらに、上記形態１，２では、回転軸の振動に係る特性値を振動センサを用いて得るようにしているが、マイクによる音圧、回転軸のモータトルク、歪ゲージの歪量等、他のセンサによるデータを採用して解析し、振動判定を行うようにしてもよい。
一方、上記形態では、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、固定側であるワーク又はその近傍で振動に係る特性値を検出するようにしてもよい。勿論本発明は、マシニングセンタやＮＣ旋盤等の種々の工作機械に適用可能である。

工作機械及び振動抑制装置の構成図である。 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。 非実加工中の振動加速度のフーリエ解析結果である。 実加工中の振動加速度のフーリエ解析結果である。 形態１の判定制御のフローチャートである。 形態２の判定制御のフローチャートである。

符号の説明

１・・回転軸ハウジング、２ａ〜２ｃ・・振動センサ、３・・回転軸、４・・制御装置、５，６・・振動、１０・・振動抑制装置、１１・・ＦＦＴ演算装置、１２・・記憶装置、１３・・パラメータ演算装置、１４・・ＮＣ装置。

Claims (4)

1. 工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出ステップと、検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析ステップと、解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断する判断ステップと、を実行する振動判定方法であって、
   前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の最大特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の最大特性値を前記閾値として再設定する閾値修正ステップを実行して、
   前記ワークの実加工時に行う前記判断ステップでは、前記最大特性値が前記再設定された閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断する
   ことを特徴とする工作機械の振動判定方法。
2. 工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析手段と、前記解析手段で解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合に、びびり振動の発生と判断する判断手段と、前記判断手段でびびり振動の発生と判断された場合に、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して前記回転軸を前記最適回転速度で回転させる制御手段と、を備える振動抑制装置であって、
   前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の最大特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の最大特性値を前記閾値として再設定する閾値修正手段を設けて、
   前記判断手段は、前記ワークの実加工時に前記最大特性値が前記閾値修正手段で再設定された閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断する
   ことを特徴とする工作機械の振動抑制装置。
3. 工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出ステップと、検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析ステップと、解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合にびびり振動の発生と判断する判断ステップと、を実行する振動判定方法であって、
   前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の特性値及びその周波数を記憶する周波数記憶ステップを実行して、
   前記ワークの実加工時に行う前記判断ステップでは、前記最大特性値が前記閾値を超えた場合に、前記最大特性値の周波数を前記周波数記憶ステップで記憶された前記実加工前の特性値の周波数と比較して、周波数が異なる場合にびびり振動の発生と判断する
   ことを特徴とする工作機械の振動判定方法。
4. 工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うための回転軸を備えた工作機械において、前記ワークの実加工時に、前記回転軸の回転に伴う振動に係る特性値を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記特性値を、周波数とそれに対応する特性値との関係に解析する解析手段と、前記解析手段で解析された前記関係のうちの最大特性値が予め設定される所定の閾値を超えた場合に、びびり振動の発生と判断する判断手段と、前記判断手段でびびり振動の発生と判断された場合に、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して前記回転軸を前記最適回転速度で回転させる制御手段と、を備える振動抑制装置であって、
   前記ワークの実加工前に、前記回転軸が定常回転に達した状態で前記特性値を検出して周波数との関係に解析し、取得された実加工前の特性値が前記閾値を超えた場合には、前記実加工前の特性値及びその周波数を記憶する周波数記憶手段を設けて、
   前記判断手段は、前記ワークの実加工時に前記最大特性値が前記閾値を超えた場合に、前記最大特性値の周波数を前記周波数記憶手段で記憶された前記実加工前の特性値の周波数と比較して、周波数が異なる場合にびびり振動の発生と判断する
   ことを特徴とする工作機械の振動抑制装置。

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