JP5258921B2 - 工作機械及びその加工制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工制御装置、特に、ワークを切削加工する工具が装着された主軸の回転数を制御する加工制御装置及びそれを備えた工作機械に関する。

例えばフライス工具を用いて中ぐり加工を行う場合、工具とワークとの干渉を避けるために工具長を長くする必要がある。このような工具では、工具の刃の部分と主軸にチャックされた部分との間の距離が長くなるので、工具の剛性が比較的弱くなる。

ここで、切削中の工具は、先の切削時に残されたワーク側の起伏を、次の切削時においてずれて倣いながら切削することになる。この場合は、切削厚さが変動することになる。このような切削加工において、前述のように工具の剛性が弱い場合には、切削力の変動が工具の固有値振動を励起し、切削加工中にびびり振動が発生しやすくなる。

そこで、従来の切削加工においては、何回かの試し加工を行ってびびり振動が生じない加工条件を見つけ出し、最適加工条件を設定するようにしている。

また、特許文献１に示されるように、安定限界曲線を利用してびびり振動を予測し、加工条件を設定する方法も提案されている。この特許文献１に示される方法では、工具仕様及びワーク材質で決定される切削力特性値等のパラメータを入力値とし、この入力値に対してびびり振動が発生しない安定限界切込み量の初期値が定められる。そして、この初期値に基づいて得られる計算値と初期値とが比較され、比較結果によって初期値が修正される。以上の処理が繰り返されて、修正された初期値と計算値とが一定の誤差範囲に収まった場合に、安定限界切込み量が決定される。

特開２００７−１６７９８０号公報

従来の試し加工によって加工条件を設定する方法では、何回かの試し加工が必要であり、加工条件を設定するための作業が煩雑である。また、工具やワークが変わるたびに試し加工を行う必要がある。

一方、特許文献１に記載の方法では、理論的にはびびり振動を抑制する切込み量を決定することが可能であるが、以下のような問題がある。

まず、図１に、特許文献１において利用されている安定限界曲線の一例を示す。この図において、横軸は主軸回転数（rpm）、縦軸は軸方向切込み量（mm）である。そして、安定限界曲線曲線Ａの内側（図では下側）の領域が、びびり振動が抑制される安定領域であり、安定限界曲線Ａの外側（図では上側）が、びびり振動を生じる不安定領域である。

以上のような安定限界曲線Ａを想定し、安定領域内のａ１点の条件で加工を行ったとする。このとき、工具の剛性のバラツキやワークの素材寸法には誤差やずれが生じるので、実際の安定限界曲線（図１の破線Ａ’でその一部を示している）は図１に示した安定限界曲線Ａからずれることになる。すると、条件ａ１で加工を行ってもびびり振動が生じることになる。特に、鋳物や鍛造品のようなワークは素材寸法の誤差が大きいので、実際の安定限界曲線は、予め定められた素材寸法を前提とした場合の安定限界曲線とはずれる場合が多い。このような場合には、計算によって得られた最適切込み量ａ１により加工を行っても、実際の加工ではびびり振動を生じることになる。

このような場合、切込み量を変えて安定領域内に加工条件を設定し直し、びびり振動が生じないようにするためには、切込み量を条件ａ２にする必要がある。すなわち、図１の例では、切込み量をほぼ１／２にする必要がある。このように切込み量を大幅に減少させると、効率よく加工を行うことができない。

また、切込み量を変える場合は、１回のパスの切削加工（工具の１回の移動）によってワーク表面から切削される量が変わるので、加工プログラム中の切削加工のパス数を変更する必要がある。このため、切込み量の変更は加工プログラムの変更を伴い、加工中に対応することができない場合がある。

本発明の課題は、安定限界曲線に基づいて設定された条件で切削加工を行う工作機械において、加工中に発生したびびり振動を、容易にかつ安定して抑えることができるようにすることにある。

第１発明に係る工作機械の加工制御装置は、ワークを切削加工する工具が装着された主軸の回転数を制御する装置であって、データ格納手段と、加工開始条件設定手段と、振動検出センサと、びびり振動判定手段と、回転数制御手段と、を備えている。データ格納手段は、主軸回転数に対してびびり振動が抑制される限界切込み量を示す安定限界曲線データが格納されている。加工開始条件設定手段は安定限界曲線データに基づいて加工開始時の主軸回転数及び工具切込み量を設定する。振動検出センサは切削加工時の主軸の振動を検出する。びびり振動判定手段は振動検出センサの検出結果によりびびり振動が発生したか否かを判定する。回転数制御手段は、びびり振動が発生した場合に、安定限界曲線データを参照してびびり振動が抑制されるように主軸回転数を制御する。

また、加工開始条件設定手段は、加工開始時の切込み量を安定限界曲線データにおける安定領域の最大切込み量より少ない切込み量に設定するとともに、加工開始時の主軸回転数を安定領域の最大切込み量に対応する回転数より低い回転数に設定する。そして、回転数制御手段は、びびり振動が発生した場合に主軸回転数を所定回転数だけ増加させる。

この装置では、安定限界曲線データがデータ格納手段に格納されている。安定限界曲線データは、切削加工時にびびり振動が抑制される主軸回転数と工具の限界切込み量との関係を示すものである。この安定限界曲線の安定領域内に加工条件設定することにより、びびり振動が抑制され、安定して加工が行える。このような安定限界曲線データに基づいて、加工開始時の主軸回転数及び工具切込み量が設定される。この設定は、オペレータによって設定されてもよいし、使用される工具の仕様等から自動的に設定されるように構成されていてもよい。そして、加工中においては、振動検出センサによって主軸の振動が検出され、その検出結果によりびびり振動が発生したか否かが判定される。びびり振動が発生したと判定された場合には、安定限界曲線データを参照して、びびり振動が抑制されるように主軸回転数が制御される。

ここでは、びびり振動が発生したと判定された場合は、主軸回転数を制御することによってびびり振動を抑えることができる。図１を用いて詳細に説明すると、まず、加工開始条件は安定限界曲線のデータを参照して条件ａ１に設定される。しかし、工具剛性のバラツキやワーク素材寸法の誤差によって安定限界曲線が曲線Ａ’にずれているとする。この場合、加工条件ａ１は不安定領域内にあり、加工中にびびり振動が発生する。このような場合は、主軸回転数を低下させて、加工条件をａ３点に移行させる。これにより、加工条件は安定領域内に位置することになり、びびり振動を抑えて安定した加工が可能になる。

以上のように、この発明では、主軸回転数を変更することにより、不安定領域にある加工条件を容易に安定領域に移行させることができる。このとき、主軸回転数を大幅に変更する必要がない。したがって、加工効率の大幅な低下を避けることができる。また、主軸回転数を制御する処理は、加工プログラムを変更する必要がなく、加工中において実行できるので、加工状況に応じて素早く対応できる。

また、ここでは、加工開始時の切込み量が安定領域内に設定され、また主軸回転数が安定領域内において低回転数側に設定される。具体的には、図１の例では、切込み量は、ある安定領域内の最大切込み量（約３．３mm）より少なく設定される。また、主軸回転数は、最大切込み量に対応する回転数（約３０００rpm）より低い２６００rpmに設定される。

ここで、図１からも明らかなように、安定限界曲線の性質上、安定領域において、主軸回転数が高い側は、低い側に比較して傾斜が急峻である。このため、主軸回転数が高い側の安定限界曲線上に加工開始時の主軸回転数を設定すると、主軸回転数の微小な変化に対して安定領域と不安定領域との間で条件が行き来することになる。このような状態では、主軸回転数の制御によって安定してびびり振動を抑えることが困難になる。

そこでこの発明では、安定領域内において主軸回転数が低い側に加工開始条件を設定し、主軸回転数の制御を容易にして、安定的にびびり振動を抑えるようにしている。

第２発明に係る工作機械の加工制御装置は、第１発明の加工制御装置において、回転数制御手段は、びびり振動が発生しない場合は加工開始時の主軸回転数を維持する。

加工開始条件が、安定領域内において比較的低い主軸回転数に設定され、かつ実際の安定限界曲線が低回転数側にずれた場合、加工開始条件のままでもびびり振動は発生しない。このため、主軸回転数を上げて加工時間を短縮することが考えられる。

しかし、主軸回転数を上げると、不安定領域内に移行する可能性があり、また主軸回転数を上げても、加工時間の大幅な短縮は期待できない。

そこで、この第２発明では、以上のような状況の場合でも主軸回転数を加工開始時の回転数に維持するようにしている。

第３発明に係る工作機械の加工制御装置は、ワークを切削加工する工具が装着された主軸の回転数を制御する装置であって、データ格納手段と、加工開始条件設定手段と、振動検出センサと、びびり振動判定手段と、回転数制御手段と、を備えている。データ格納手段は主軸回転数に対してびびり振動が抑制される限界切込み量を示す安定限界曲線データを格納する。加工開始条件設定手段は安定限界曲線データに基づいて加工開始時の主軸回転数及び工具切り込み量を設定する。振動検出センサは切削加工時の主軸の振動を検出する。びびり振動判定手段は振動検出センサの検出結果によりびびり振動が発生したか否かを判定する。回転数制御手段は、びびり振動が発生した場合に、安定限界曲線データを参照してびびり振動が抑制されるように主軸回転数を制御する。

また、加工開始条件設定手段は、加工開始時の切込み量を安定限界曲線データにおける安定領域の最大切込み量より少ない切込み量に設定するとともに、加工開始時の主軸回転数を安定領域の最大切込み量に対応する回転数より高い回転数に設定する。そして、回転数制御手段は、びびり振動が発生した場合に主軸回転数を所定回転数だけ減少させる。

前述のように、安定領域は主軸回転数に関して幅を有している。そこで、この第３発明では、加工時間の短縮を図るために、加工開始条件は比較的高い回転数（例えば、図１の例では３０００rpm）に設定されている。

第４発明に係る工作機械の加工制御装置は、第３発明の加工制御装置において、回転数制御手段は、びびり振動が発生しない場合は加工開始時の主軸回転数を維持する。

加工開始条件が、安定領域内において最高主軸回転数に設定され、かつ実際の安定限界曲線が高回転数側にずれた場合、加工開始条件のままでもびびり振動は発生しない。このため、主軸回転数をさらに上げて加工時間を短縮することが考えられる。

しかし、前記同様に、主軸回転数を上げると、不安定領域内に移行する可能性があり、また主軸回転数を上げても、加工時間の大幅な短縮は期待できない。

そこで、この第４発明においても、前記同様に、主軸回転数を加工開始時の回転数に維持するようにしている。

第５発明に係る工作機械の加工制御装置は、第１から第４発明のいずれかの加工制御装置において、安定限界曲線データは、振動解析によって得られた工具の特性値、ワークの材料によって決まる係数、及び加工条件から求められる。

第６発明に係る工作機械の加工制御装置は、第１から第５発明のいずれかの加工制御装置において、回転数制御手段は、第１回転数変更手段と、判断手段と、第２回転数変更手段と、を有している。第１回転数変更手段はびびり振動が発生した場合に主軸回転数を第１回転数分だけ増加又は低下させる。判断手段は第１回転数分だけ調整された主軸回転数が安定限界曲線データに基づいて設定された許容範囲内の回転数であるか否かを判断する。第２回転数変更手段は、調整された主軸回転数が許容範囲内の回転数でない場合、調整された主軸回転数から第１回転数分より少ない第２回転数分だけ主軸回転数を低下又は増加させる。

びびり振動が発生した場合、まず、第１回転数分だけ主軸回転数が変更される。ここで、前述のように、安定限界曲線のデータを参照することにより、ある切込み量においてびびり振動が発生しない主軸回転数の範囲（許容範囲）を求めることができる。

そこで、この第６発明では、第１回転数分だけ変更された主軸回転数が、この許容範囲内にあるか否かが判断される。そして、許容範囲内でない場合は、主軸回転数は、第１回転数分より少ない第２回転数分だけ逆側に変更される。すなわち、主軸回転数が第１回転数分だけ増加された場合は第２回転数分だけ下げ、第１回転数分だけ下げられた場合は第２回転数分だけ増加させる。このような処理によって、びびり振動が発生した場合に、確実にびびり振動が抑えられる主軸回転数に調整することができる。

第７発明に係る工作機械は、先端に切削工具が装着される主軸と、切削工具の切込み量及び主軸の回転数を含む加工条件を設定するとともに制御する数値制御部と、数値制御部に制御指令を送る請求項１から７のいずれかに記載の加工制御装置と、を備えている。

以上のような本発明では、安定限界曲線に基づいて設定された条件で切削加工を行う工作機械において、加工中に発生したびびり振動を、容易にかつ安定して抑えることができる。

安定限界曲線を示す図。 びびり振動の原因を説明するための図。 本発明の基本原理を示す図。 本発明の一実施形態による工作機械全体のシステムブロック図。 制御処理の処理１のフローチャート。 安定限界曲線のずれによるびびり振動の有無を説明するための図。 主軸回転数の調整を説明するための図。 安定限界曲線のずれによるびびり振動の有無を説明するための図。 制御処理の処理２のフローチャート。 主軸回転数の調整を説明するための図。 本発明の他の実施形態による主軸回転数の増減の判断のためのロジックを説明するための図。 本発明の他の実施形態による制御処理のフローチャート。

［本発明の基本原理］
まず、安定限界曲線について説明する。

びびり振動の原因は、切削加工中において切削厚さが変動することに起因している。この状態を図２に示している。図２（ａ）に示すように、切削中の工具は、前回切削時に残された起伏を、次の切削工程でややずれて倣いながら切削していく。このため、同図（ｂ）に示すように、切削厚さが変動し、これがびびり振動の原因である起振力となり、固有振動を励起してびびり振動が発生することになる。

そこで、図３に示すように、切削厚さが一定になるように主軸の回転数を工具の固有振動数に合わせて制御することで、びびり振動を抑えることができる。すなわち、工具による切込み量と切削周期とを所定の関係にすることで、びびり振動を抑えることができることになる。なお、切削周期は工具の刃数がわかっている場合は回転数に換算できる。

以上から明らかなように、主軸回転数に対してびびり振動を生じる限界切込み量が変化する。この主軸回転数に対する限界切込み量の変化を表したのが、図１に示す安定限界曲線である。

切削中の工具の運動は、質量ｍ、減衰定数ｃ、バネ定数ｋ、外力Ｆｆを用いて以下の運動方程式で表される。また、Ｋｆは、比切削抵抗で、ワークの材質によって決まる値である。さらに、ａは軸方向切込み量、ｈは切取り厚さであり、Ｔは切削工程における時間遅れ（切削周期）である。なお、切削工具の減衰定数ｃ及びバネ定数ｋについては、工具を振動解析することによって求めることができる。

以上の運動方程式を解くことによって、安定限界曲線を得ることができる。そして、安定限界曲線が得られると、加工条件を安定領域内に設定することで、びびり振動の発生を抑えることができる。

しかし、工具の剛性のバラツキやワークの素材寸法に誤差があると、実際の安定限界曲線は計算上の安定限界曲線からずれることになる。特に、ワークが鋳物や鍛造の場合、素材寸法の誤差が大きいので切込み量のバラツキも大きくなり、安定限界曲線における安定領域内に加工条件を設定しても、びびり振動が発生する場合がある。

そこで、本発明では、安定限界曲線を参照して加工開始条件を設定するとともに、加工中においてびびり振動を検出し、びびり振動が発生した場合は、安定限界曲線を参照して主軸回転数を調整し、びびり振動を抑えるようにしている。

［全体構成］
図４は本発明の一実施形態による工作機械全体のシステムのブロック図である。この図に示すように、本システムは、工作機械本体１と、工作機械本体１の加工を制御する数値制御装置（ＮＣ装置）２と、数値制御装置２に対して切込み量及び主軸回転数を指令する制御装置３と、を有している。工作機械本体１には、モータによって回転する主軸１ａが設けられ、主軸１ａの先端には切削工具４が装着される。そして、主軸１ａには、主軸１ａの振動を計測するための振動検出センサ５が設けられている。振動検出センサ５としては、例えば加速度計が用いられる。また、数値制御装置２には、加工プログラムが格納された記憶装置や、加工条件を設定するための操作盤が設けられている。

制御装置３は、振動検出センサ５からの信号を高速フーリエ変換するフーリエ変換部（ＦＦＴ）６と、安定限界曲線のデータが記憶された記憶部７と、各種の演算を行う演算部８と、を有している。演算部８は、フーリエ変換部６からの入力によってびびり振動が生じているか否かを判定する機能と、びびり振動が生じた場合に主軸回転数を調整するための指令を数値制御装置２に指令する機能と、を有している。また、演算部８は、主軸回転数を調整した場合に、この主軸回転数が予め設定された最大又は最小値（設定限界値）を超えていないか否かを判断する機能を有している。また、記憶部７には、キーボード等の入力装置９を介して、設定限界値、びびり振動の有無を判定するためのしきい値、主軸回転数を調整する際の調整回転数（α）等が入力されるようになっている。また、入力装置９は、オペレータが、安定限界曲線のデータを参照して加工開始時の主軸回転数及び工具切込み量を設定するために用いられる。なお、加工開始時の主軸回転数及び工具切込み量については、数値制御装置２の操作盤から入力するようにしてもよい。さらに、安定限界曲線を参照して、演算部８により加工開始時の主軸回転数及び工具切込み量を決定し、数値制御装置２に対して設定するようにしてもよい。

［加工制御方法］
本実施形態の工作機械において、主軸回転数を制御する方法は以下のステップを含んでいる。

第１ステップ：切削工具の特性値（質量、減衰定数、バネ定数）、ワークの材料によって決まる係数（比切削抵抗）、及び加工条件（外力）から、主軸回転数に対してびびり振動が抑制される限界切り込み量を示す安定限界曲線データを求める。この安定限界曲線データは、加工開始前に求めておき、制御装置３の記憶部７に格納される。

第２ステップ：安定限界曲線データに基づいて、加工開始時の加工条件として主軸回転数及び工具切り込み量を設定する。これらの条件は、制御装置３又は数値制御装置２を介してオペレータによって入力される。あるいは、安定限界曲線データを用いて自動で設定するようにしてもよい。

第３ステップ：第２ステップで設定された加工開始条件で加工を開始させる。

第４ステップ：切削加工時の主軸の振動を振動検出センサ５によって検出する。

第５ステップ：第４ステップでの振動検出結果によりびびり振動が発生したか否かを判定する。

第６ステップ：びびり振動が発生した場合に、安定限界曲線データを参照してびびり振動が抑制されるように主軸回転数を制御する。

［制御処理］
以上の加工制御方法を実施するためのフローチャートを、図５を用いて説明する。このフローチャートには、制御装置３での処理とは別に行われる切削加工を行うための準備処理と、制御装置３によって行われる切削加工中の主軸回転数の制御処理が含まれている。

主軸回転数を調整するための制御処理を実行するに際しては、まず準備工程Ｐ１を実行する。準備工程Ｐ１では、使用する工具仕様、被切削材としてのワークの材質、及び加工条件から、前述の式を解くことによって安定限界曲線を求める。そして、安定限界曲線が求まれば、この安定限界曲線を参照して、準備工程２において、加工開始条件として主軸回転数Ｒｓ（rpm）と切込み量ａ（mm）とを設定する。これらの条件は、オペレータによって入力される。これらの準備工程１，２が終了すれば、ステップＳ１以降の制御処理が実行される。

＜処理１＞
ここでは、加工開始条件を、図６に示すように、切込み量ａでかつ主軸回転数Ｒｓ１（条件Ｂ１）に設定した場合の処理について説明する。なお、切込み量ａは、一例として、安定限界曲線の最も高い切込み量の１／√２である。また、主軸回転数Ｒｓ１は、図６に示すように、安定領域の範囲内において、切込み量ａにおける最低回転数である。

まずステップＳ１では、加工開始の指令を数値制御装置２に送る。ステップＳ２では、振動検出センサ５からの検出信号を取得し、ステップ３ではびびり振動が発生しているか否かを判断する。具体的には、振動検出センサ５からの検出信号をフーリエ変換部６で高速フーリエ変換し、最もパワーの強い卓越周波数の振幅Ｆｐを求める。そして、この振幅Ｆｐが所定のしきい値Ｆ０以上であるか否かを判断する。

−事象１−
例えば、ワークの素材寸法に誤差があり、加工代が増える場合は、相対的に安定限界曲線が低下し、図６の破線Ａ’で示すような特性になる。この場合は、主軸回転数Ｒｓ１で切込み量ａの加工開始条件Ｂ１は、安定領域の外になってしまう。このため、びびり振動が発生することになる。

びびり振動が生じた場合は、振幅Ｆｐがしきい値Ｆ０以上になる。この場合は、ステップＳ３からステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、数値制御装置２に対する主軸回転数の指令値（以下、「主軸回転数の指令値」を単に「主軸回転数」と記載する）を回転数α（rpm）だけ上げる。これにより、加工条件は図６に示す条件Ｃ１に移行する。また、ステップＳ５では、主軸回転数を上げた回数をカウントするための処理を実行する。なお、「ｎ」の初期値は「１」であり、回転数を上げる毎に「＋１」される。

次にステップＳ６では、調整された主軸回転数（Ｒｓ１＋α）が、設定限界値（ここでは設定最高回転数Ｒmax）を超えていないか否かを判断する。ここで、設定最高回転数Ｒmaxは、準備工程Ｐ１で得られた安定限界曲線のデータを参照して予め設定されている。具体的には、図６において、切込み量ａにおける安定領域範囲内の最高の主軸回転数はＲ２であり、この回転数Ｒ２を１．２倍した回転数を設定最高回転数Ｒmaxとする。回転数Ｒ２を１．２倍するのは、実際の安定限界曲線は計算上の安定限界曲線Ａからずれている場合が多く、このずれを考慮して最高回転数を高回転数側にシフトしている。

図６に示すように、調整された主軸回転数（Ｒｓ１＋α）が設定最高回転数Ｒmaxを超えていない場合は、ステップＳ６からステップＳ７に移行する。ステップＳ７では、主軸回転数の変更指令を数値制御装置２に送信し、ステップＳ２に戻る。

また、調整された主軸回転数（Ｒｓ１＋α）が設定最高回転数Ｒmaxを超えている場合は、ステップＳ６からステップＳ８に移行する。ステップＳ８では、先に調整された主軸回転数（Ｒｓ１＋α）からα／ｎだけ回転数を下げる。すなわち、主軸回転数の調整回数が１回目の場合は、調整された主軸回転数からα／２（rpm）だけ回転数を下げ、ステップＳ７に移行して主軸回転数変更指令を数値制御装置２に送信し、ステップＳ２に戻る。

以上の処理によって、主軸回転数が変更される。そして、ステップＳ２からステップＳ８の処理が繰り返し実行され、びびり振動が発生することなく加工が終了すれば、ステップＳ９を経て制御処理を終了する。

なお、１回目のステップＳ８の処理で主軸回転数を下げてもびびり振動が生じる場合は、さらに主軸回転数をα／（２＋１）だけ下げ、同様の処理を実行する。

−事象２−
工具やワークの状況によっては、図７に示すように、実際の安定限界曲線Ａ’が計算上の安定限界曲線Ａよりずれる場合がある。この場合は、加工開始条件として設定された主軸回転数Ｒｓ１で切込み量ａの条件Ｂ１は安定領域内にある。したがって、びびり振動は発生しない。この場合は、加工が終了するまでステップＳ３でＮＯと判断され、ステップＳ２及びステップＳ３を繰り返し実行して加工終了によって制御処理を終了する。

ここで、図７に示す事象の場合、びびり振動は発生していないので、主軸回転数を上げると条件Ｂ１が安定領域外に移行するおそれがあり、またびびり振動が発生しない程度だけ主軸回転数を上げても、加工時間の大幅な短縮は期待できない。したがって、この場合は、主軸回転数を加工開始時の回転数Ｒｓ１に維持するようにしている。

＜処理２＞
次に、加工開始条件を、図８に示すように、切込み量ａでかつ主軸回転数Ｒｓ２（条件Ｂ２）に設定した場合の処理について、図９のフローチャートを用いて説明する。なお、図９において、ステップＳ１１〜１３，１５，１７，１９の処理は処理１と同様である。また、切込み量ａは、処理１と同様である。主軸回転数Ｒｓ２は、図８に示すように、安定領域の範囲内において、切込み量ａにおける最高回転数である。

この処理２では、ステップＳ１１〜ステップＳ１３までの処理は処理１と全く同様であるので省略する。

−事象１−
工具やワークの状況によっては、図８に示すように、実際の安定限界曲線Ａ’が計算上の安定限界曲線Ａより低回転数側にずれる場合がある。この場合は、主軸回転数Ｒｓ２で切込み量ａの加工条件Ｂ２は安定領域外になるので、びびり振動が発生することになる。

びびり振動が生じた場合は、図９のステップＳ１３からステップＳ１４に移行する。ステップＳ１４では、主軸回転数Ｒｓ２をα（rpm）だけ下げる。これにより、加工条件は図８に示す条件Ｃ２に移行する。また、ステップＳ１５では、回転数を下げた回数をカウントするための処理を実行する。

次にステップＳ１６では、調整された主軸回転数（Ｒｓ２−α）が、設定限界値（ここでは設定最低回転数Ｒmin）より低いか否かを判断する。ここで、設定最小回転数Ｒminは、図８において、切込み量ａにおける安定領域の最小回転数Ｒ１を０．８倍した回転数である。回転数Ｒ１を０．８倍するのは、前記同様に、実際の安定限界曲線は計算上の安定限界曲線Ａからずれている場合が多いからであり、このずれを考慮して設定最低回転数（Ｒmin）を低回転数側にシフトしている。

図８に示すように、調整された主軸回転数（Ｒｓ２−α）が設定最低回転数Ｒmin以上の場合は、ステップＳ１６からステップＳ１７に移行する。ステップＳ１７では、主軸回転数の変更指令を数値制御装置２に送信し、ステップＳ１２に戻る。

また、調整された主軸回転数（Ｒｓ２−α）が設定最低回転数Ｒminより低い場合は、ステップＳ１６からステップＳ１８に移行する。ステップＳ１８では、調整された主軸回転数（Ｒｓ２−α）からα／ｎだけ回転数を上げる。そして、ステップＳ１７に移行して主軸回転数変更指令を数値制御装置２に送信し、ステップＳ１２に戻る。

−事象２−
工具やワークの状況によっては、図１０に示すように、実際の安定限界曲線Ａ'が計算上の安定限界曲線Ａより高回転数側にずれる場合がある。この場合は、加工開始条件として設定された主軸回転数Ｒｓ２で切込み量ａの条件Ｂ２は安定領域内にある。したがって、びびり振動は発生しない。この場合は、加工が終了するまでステップＳ１３でＮＯと判断され、ステップＳ１２及びステップＳ１３を繰り返し実行して加工終了によって制御処理を終了する。

この事象２では、びびり振動は発生していないので、主軸回転数を上げると条件Ｂ２が安定領域外に移行するおそれがあり、またびびり振動が発生しない程度だけ主軸回転数を上げても、加工時間の大幅な短縮は期待できない。したがって、この場合は、主軸回転数を加工開始時の回転数に維持するようにしている。

［特徴］
（１）切削加工中にびびり振動が発生した場合は、主軸回転数を制御することによってびびり振動を抑えることができる。しかも、主軸回転数を大幅に変更することなくびびり振動を抑えることができるので、加工効率の大幅な低下を避けることができる。また、主軸回転数を制御する処理は、加工プログラムを変更する必要がないので、加工中において実行でき、加工状況に応じて素早く対応できる。

（２）調整された主軸回転数が設定最高回転数を超えていないか、あるいは設定最低回転数より下回っていないかを、安定限界曲線を参照して判定し、適切な回転数の制御を行っているので、素早く安定してびびり振動を抑えることができる。

（３）加工開始条件を、安定領域において、ある切込み量の最低回転数に設定した場合は、最高回転数に設定した場合に比較して制御が容易になる。より詳細には、安定限界曲線の安定領域における低回転数の特性は、高回転数側の特性に比較して傾斜が緩やかである。このため、調整する主軸回転数の増減分を細かく設定する必要がなく、容易にびびり振動を抑えることができる。

（４）前記とは逆に加工開始条件を、安定領域において、ある切込み量の最高回転数に設定した場合は、加工時間を短縮することができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

（ａ）前記実施形態では、加工開始条件が安定限界曲線のどの位置に存在するのかが予めわかっている例を示した。この場合は、主軸回転数を調整するための制御処理において、回転数を増加するのか減少するのかを判断する必要はない。具体的には、各処理１，２のステップＳ４及びステップＳ１４において、主軸回転数を所定回転数分αだけ増加又は減少する処理で、加工条件を安定領域内に移行させることができる。

しかし、加工開始条件を自動で設定する場合は、加工開始時の主軸回転数が、安定領域内のどの位置にあるのかわからない場合がある。

より詳細には、加工開始条件を自動で設定する場合、演算上では、加工開始条件は安定領域内に設定されるはずである。しかし、前記実施形態同様に、ワーク素材寸法の誤差等により、実際上は設定された加工開始条件が安定領域の外にずれる場合がある。

このような場合には、加工中にびびり振動が発生するので、主軸回転数を調整して加工条件を安定領域内に移行させる必要がある。しかし、加工開始条件が自動で設定された場合、加工開始条件が安定領域内のどの位置に設定されたか、すなわち、安定領域内の低回転数側に設定されたのか、あるいは高回転数側に設定されたのかわからない場合がある。このような場合には、主軸回転数を調整するに際して、主軸回転数を増加させるべきか、減少させるべきか判断できない。

そこで、主軸回転数を増加するのか減少するのかを、以下のロジックに従って判断している。

まず、安定限界曲線Ａの一部をモデル化して図１１に示す。安定限界曲線Ａのデータは、主軸回転数に対する切込み量の２次元テーブルとして記憶部７に格納されている。このテーブル中のデータと加工開始条件のデータとを参照して、主軸回転数を増加させるか減少させるかを判断する。具体的には、図１１（ａ）に示すように、安定限界曲線Ａのテーブルを参照して、加工開始条件としてデータＤＳが設定されたとする。次に、安定限界曲線Ａのテーブル内のデータを走査し、このデータＤＳと同じ切込み量ａで、かつ安定領域内において主軸回転数が最も低いデータＤＬと、主軸回転数が最も高いデータＤＨとを求める。さらに、データＤＳとデータＤＬとの回転数差ＤＳ−Ｌと、データＤＳとデータＤＨとの回転数差ＤＳ−Ｈとを求める。そして、図１１（ａ）に示すように、回転数差ＤＳ−Ｈが回転数差ＤＳ−Ｌよりも大きい場合は、主軸回転数を増加させる。また、図１１（ｂ）に示すように、回転数差ＤＳ−Ｌが回転数差ＤＳ−Ｈよりも大きい場合は、主軸回転数を減少させる。

以上の判断を含んだ主軸回転数の制御処理のためのフローチャートを図１２に示している。このフローチャートにおいて、ステップＳ２１〜２３、２７，２９の処理は前記実施形態と同様である。

前述のように、加工開始条件は安定領域内に設定されるが、ワーク素材寸法の誤差等により安定限界曲線が演算上の曲線からずれ、自動で設定された加工開始条件が安定領域の外にずれる場合がある。この場合には、加工中にびびり振動が発生する。

そこで、ステップＳ２３においてびびり振動が発生したと判断された場合は、ステップＳ２３からステップＳ３０に移行する。ステップＳ３０では、図１１で説明した前述のロジックを用いて、主軸回転数を増加させるか減少させるかを判断する。次にステップＳ２４では、数値制御装置２に対する主軸回転数を、ステップＳ３０の判断に基づいて所定回転数分（α）だけ増加又は減少させる。また、ステップＳ２５では、主軸回転数を調整した回数をカウントするための処理を実行する。なお、前記同様に、「ｎ」の初期値は「１」であり、回転数を調整する毎に「＋１」される。

次にステップＳ２６では、安定限界曲線Ａのデータを参照して、調整された主軸回転数が、設定限界値の範囲内であるか否かを判断する。すなわち、調整された主軸回転数が、設定最低回転数Ｒminを越え、設定最高回転数Ｒmax未満であるかを判断する。これらの各回転数Ｒmin及びＲmaxは、前記実施形態と同様にして予め設定されている。

調整された主軸回転数が許容回転数の範囲内である場合は、ステップＳ２６からステップＳ２７に移行する。ステップＳ２７では、主軸回転数の変更指令を数値制御装置２に送信し、ステップＳ２２に戻る。

また、調整された主軸回転数が許容回転数の範囲外である場合は、ステップＳ２６からステップＳ２８に移行する。ステップＳ２８では、先に調整された主軸回転数を逆方向に調整する。すなわち、主軸回転数の調整回数が１回目の場合は、調整された主軸回転数からα／２（rpm）だけ回転数をステップＳ２４とは逆方向に調整し、ステップＳ２７に移行して主軸回転数変更指令を数値制御装置２に送信し、ステップＳ２２に戻る。

以上の処理によって、主軸回転数が変更される。そして、ステップＳ２２以下の処理が繰り返し実行され、びびり振動が発生することなく加工が終了すれば、ステップＳ２９を経て制御処理を終了する。

なお、１回目のステップＳ２８の処理で主軸回転数を逆方向に調整してもびびり振動が生じる場合は、さらに主軸回転数をα／（２＋１）だけ調整し、同様の処理を実行する。

以上のような実施形態においても、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。特に、加工開始条件を自動で設定できるので、より効率よく加工を行うことができる。

（ｂ）前記実施形態では、加工開始時の切込み量を、安定限界曲線の最も高い切込み量の１／√２に設定したが、この値は一例であって限定されるものではない。

（ｃ）前記実施形態では、制御装置３を工作機械の数値制御装置２とは別に設けたが、制御装置３を数値制御装置２内に組み込んでもよい。

１ 工作機械本体
２ 数値制御装置
３ 制御装置
５ 振動検出センサ
７ 記憶部
８ 演算部
Ａ 安定限界曲線

Claims (7)

1. ワークを切削加工する工具が装着された主軸の回転数を制御する工作機械の加工制御装置であって、
   主軸回転数に対してびびり振動が抑制される限界切込み量を示す安定限界曲線データを格納するデータ格納手段と、
   前記安定限界曲線データに基づいて加工開始時の主軸回転数及び工具切り込み量を設定する加工開始条件設定手段と、
   切削加工時の主軸の振動を検出する振動検出センサと、
   前記振動検出センサの検出結果によりびびり振動が発生したか否かを判定するびびり振動判定手段と、
   びびり振動が発生した場合に、前記安定限界曲線データを参照してびびり振動が抑制されるように主軸回転数を制御する回転数制御手段と、
   を備え、
   前記加工開始条件設定手段は、加工開始時の切込み量を前記安定限界曲線データにおける安定領域の最大切込み量より少ない切込み量に設定するとともに、加工開始時の主軸回転数を前記安定領域の最大切込み量に対応する回転数より低い回転数に設定し、
   前記回転数制御手段は、びびり振動が発生した場合に主軸回転数を所定回転数だけ増加させる、
   工作機械の加工制御装置。
2. 前記回転数制御手段は、びびり振動が発生しない場合は前記加工開始時の主軸回転数を維持する、請求項１に記載の工作機械の加工制御装置。
3. ワークを切削加工する工具が装着された主軸の回転数を制御する工作機械の加工制御装置であって、
   主軸回転数に対してびびり振動が抑制される限界切込み量を示す安定限界曲線データを格納するデータ格納手段と、
   前記安定限界曲線データに基づいて加工開始時の主軸回転数及び工具切り込み量を設定する加工開始条件設定手段と、
   切削加工時の主軸の振動を検出する振動検出センサと、
   前記振動検出センサの検出結果によりびびり振動が発生したか否かを判定するびびり振動判定手段と、
   びびり振動が発生した場合に、前記安定限界曲線データを参照してびびり振動が抑制されるように主軸回転数を制御する回転数制御手段と、
   を備え、
   前記加工開始条件設定手段は、加工開始時の切込み量を前記安定限界曲線データにおける安定領域の最大切込み量より少ない切込み量に設定するとともに、加工開始時の主軸回転数を前記安定領域の最大切込み量に対応する回転数より高い回転数に設定し、
   前記回転数制御手段は、びびり振動が発生した場合に主軸回転数を所定回転数だけ減少させる、
   工作機械の加工制御装置。
4. 前記回転数制御手段は、びびり振動が発生しない場合は前記加工開始時の主軸回転数を維持する、請求項３に記載の工作機械の加工制御装置。
5. 前記安定限界曲線データは、振動解析によって得られた工具の特性値、ワークの材料によって決まる係数、及び加工条件から求められる、請求項１から４のいずれかに記載の工作機械の加工制御装置。
6. 前記回転数制御手段は、
   びびり振動が発生した場合に主軸回転数を第１回転数分だけ増加又は減少させる第１回転数変更手段と、
   前記第１回転数分だけ調整された主軸回転数が前記安定限界曲線データに基づいて設定された許容範囲内の回転数であるか否かを判断する判断手段と、
   前記調整された主軸回転数が前記許容回転数でない場合、前記調整された主軸回転数から前記第１回転数分より少ない第２回転数分だけ主軸回転数を減少又は増加させる第２回転数変更手段と、
   を有する請求項１から５のいずれかに記載の工作機械の加工制御装置。
7. 先端に切削工具が装着される主軸と、
   前記切削工具の切込み量及び前記主軸の回転数を含む加工条件を設定するとともに制御する数値制御部と、
   前記数値制御部に制御指令を送る請求項１から６のいずれかに記載の加工制御装置と、
   を備えた工作機械。