JP5491350B2

JP5491350B2 - 工作機械の振動抑制装置

Info

Publication number: JP5491350B2
Application number: JP2010237703A
Authority: JP
Inventors: 肇石井; 浩上野
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: JP2012086346A

Description

本発明は、工具又はワークを回転させる回転軸を備えた工作機械において、回転軸の回転に伴って発生するびびり振動を抑制するための振動抑制装置に関する。

回転軸に装着した工具又はワークを回転させながら加工を行うマシニングセンタ等の工作機械においては、切削加工における切込量や主軸回転速度などの加工条件によっては、加工中にいわゆる「びびり振動」が発生して、加工面の仕上げ精度の悪化、急速な工具摩耗、工具欠損などの問題が生じる。特に、工具とワークとの間に生じる自励振動である「再生型びびり振動」と、工具を備える工作機械が振動源となる「強制びびり振動」とが問題となっている。
一般的には、これらのびびり振動を区別することなく作業者が加工音を基に経験的に最適な加工条件の探索を行うが、特許文献１に記載されているように、被加工物のびびり振動が再生型びびり振動か強制びびりかを判断して、それぞれに適した振動抑制処置を自動的に行う技術も考案されている。また、先願である特願２００９−２１９４５４に記載されているように、測定した振動を随時解析してその解析結果をリアルタイムで表示することで、その状態での振動特性に対して回転速度を変更して安定化を図る発明も提供されている。

特開２０００−２１０８４０号公報

特許文献１の方法では、予め記憶された基準周波数を基に処理するため、固有振動数が変化しない場合には効果を発揮できる。しかし、加工が一旦終了した後再び加工を行う際に、工具を把持するホルダが異なったり、工具をホルダに把持する際の締め付け力が異なったり、さらには回転軸の発熱などで剛性が変化したりすると固有振動数が変化するため、予め記憶された基準周波数が利用できない場合がある。
一方、先願発明の方法では、びびり振動を分析しながらびびり振動を回避する方法であるため、加工を終了して再加工を行う場合には、びびり振動が発生してから改めて安定回転速度を算出することになる。そのため、加工を開始するたびに加工面にびびりマークが残ってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、再加工の際にもびびり振動を発生させずに加工を行うことができる工作機械の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、びびり振動の発生を検出する振動検出手段と、回転軸の回転速度を変更する回転速度変更手段と、回転速度変更手段による変更後の回転速度において振動検出手段がびびり振動の発生を検出しない場合、変更の前後に係る回転速度を対にして記憶装置に記憶させる履歴制御手段と、次回の加工の際に指令された回転速度が履歴制御手段によって記憶装置に記憶された変更前の回転速度と同じ場合、当該回転速度に代えてそれと対になる変更後の回転速度で回転軸を回転させる回転速度置換手段と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、回転速度変更手段は、回転軸の回転速度の変更を１０％以下のオーバーライドで行うことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、指令値のままではびびり振動が発生してしまう場合であっても、安定した加工ができる最適回転速度に置き換えて加工することができるため、加工開始からびびりマークを発生させない安定な加工を実現できる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、回転速度の微小な調整を簡易に行うことができる。

立形マシニングセンタ及び振動抑制装置の概略構成図である。振動抑制制御のフローチャートである。回転速度及び振動加速度と時間との関係を示す説明図である。振動加速度と回転速度との関係を示す説明図である。パルス信号発生器の説明図である。角度位置検出器の説明図である。表示装置及び操作装置の説明図である。回転速度の可変範囲を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例である立形マシニングセンタ及び立形マシニングセンタに設けられる振動抑制装置１０を概略で示した構成図である。
まず、立形マシニングセンタ１は、上方に設けた主軸頭２にＣ軸回りで回転自在な回転軸としての主軸３を設け、その主軸３に取り付けた工具４によって、下方の加工テーブル５上にセットされたワーク６を加工する周知の構成で、ＮＣ装置１２が、ＮＣプログラムに従って主軸３の回転を制御すると共に、図示しない自動工具交換装置によって工具４を自動交換可能となっている。

振動抑制装置１０は、主軸３に生じる「びびり振動」を制御するためのものであって、回転中の主軸３に生じる時間領域の振動加速度を検出するための振動センサ７と、該振動センサ７による検出値をもとにして主軸３の回転速度を制御する制御装置１１とを備えている。
制御装置１１は、機械動作を制御する回転速度変更手段及び回転速度置換手段としてのＮＣ装置１２と、振動センサ７から検出される時間領域の振動加速度をもとにしたフーリエ解析を行う振動検出手段及び履歴制御手段としての演算装置１３と、演算装置１３で演算された演算値やびびり振動の抑制履歴等を記憶する記憶装置１４と、演算装置１３にて演算された結果、もしくはその結果を基にした計算結果を表示する表示装置１５と、ＮＣ装置１２にオペレータが入力操作する操作装置１６とを備えている。

以上の如く構成された振動抑制装置１０における「びびり振動」の抑制制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１で操作装置１６から任意の回転速度を入力して加工開始を指示すると、Ｓ２で、入力された回転速度が記憶装置１４にあるか否か、すなわち記憶されている対の回転速度のうちの変更前のものか否かを判別する。初回の加工の場合、この記憶はないので、Ｓ３で、入力された回転速度で主軸３を回転させて加工を開始する。
加工中には、振動センサ７から得られる加工中の振動を監視して、演算装置１３で周波数領域の加速度に変換し、Ｓ４で、得られた最大加速度の値を予め設定した閾値と比較する。この判別で最大加速度が閾値を越えた場合には、びびり振動が発生したと判断して、Ｓ５でそのときの回転速度とびびり周波数とを記憶装置１４に記憶し、Ｓ６で、回転速度と振動状態とを関連付けた結果を演算してその演算結果を表示装置１５に表示する。

この表示は、振動加速度の時間波形、もしくは振動加速度を随時周波数解析した波形をリアルタイムに表示することで、回転速度の変化に伴う振動加速度の増減が分かるようにするもので、例えば図３に示すように、回転速度の時間軸波形２１と振動加速度の時間軸波形２２とを互いに測定時間を揃えて上下に並べて表示する。この表示によれば、各回転速度における振動加速度の大きさが分かりやすくなる。
または、図４に示すように、各回転速度における振動加速度を、横軸を回転速度、縦軸を振動加速度として関連付けてマーカー２３として表示することもできる。このとき、縦軸に示す振動加速度は時間波形のピーク値、もしくは、周波数解析を行った波形のピーク値とする。

よって、オペレータはＳ７において、表示装置１５での表示結果を参照しながら回転速度の変更をＮＣ装置１２に指令する。この指令を行う操作装置１６としては、例えば図５に示すように、回転操作によって回転速度を最小で１ｍｉｎ^−１ごとに連続的に変更可能なパルス式ハンドル３１と、パルス式ハンドル３１を一目盛り回転させた際の変更量を１倍、１０倍、１００倍の三段階に変更可能な倍率調整スイッチ３２とを備えたパルス信号発生器３０が考えられる。すなわち、パルス式ハンドル３１の変更量に倍率調整スイッチ３２の倍率を掛け合わせた値で現在の回転速度が変更可能となる。
または、図６に示すような角度位置検出器４０を用いても、オーバーライド調整ツマミ４１の角度に割り当てられた割合（一目盛りで１％変更、右回転で増加、左回転で減少）を現在の回転速度に掛け合わせて現在の回転速度を変更することができる。

さらに、図７に示すように、モニタ１７を備える表示装置１５に並設された±１％〜±１０％の変更量を表示する操作ボタン１８、もしくは操作ボタン１８に対応して設置された操作キー１９を用いて、各操作ボタン１８もしくは各操作キー１９に割り当てられた割合と現在の回転速度とを掛け合わせた値に合わせて現在の回転速度を変更することもできる。このとき、変更量は押した回数にしたがって蓄積していくため、現在の回転速度と変更割合とをモニタ１７上に表示させておく。
但し、パルス信号発生器３０や角度位置検出器４０、操作ボタン１８等によって回転速度の変更を行う場合、回転速度の変更倍率を１０％以下の主軸オーバーライドで行うのが望ましい。このように±１０％以下にすれば、回転速度の微小な調整を簡易に行うことができる。

また、回転速度の変更の際には、安全に作業を行うために、図８に示すように、回転軸下限回転速度５１と回転軸上限回転速度５２と、オペレータが設定した設定下限回転速度５３と設定上限回転速度５４とを保持して、現在の回転速度５０が、回転軸下限回転速度５１と設定下限回転速度５３のうち大きい方を下限とし、回転軸上限回転速度５２と設定上限回転速度５４のうち小さい方を上限として、その範囲内でのみ回転速度の変更を可能とするのが望ましい。

こうしてＳ７で回転速度を変更した後、演算装置１３は、Ｓ８で、再び加工中に得られる最大加速度の値を予め設定した閾値と比較する。ここでＹＥＳ、すなわち閾値を超えていれば、依然としてびびり振動が発生しているとして、Ｓ５に戻って回転速度とびびり周波数とを記憶して発生状況を表示装置１５に表示する処理を続ける。
一方、Ｓ８の判別でびびり振動が発生していないと判断されたら、演算装置１３は、Ｓ９で、変更の前後の回転速度を対にして記憶装置１４に記憶する。Ｓ１０の判別で加工が終了していなければ、Ｓ４からの処理を継続する。

そして、変更の前後の対の回転速度を記憶して加工が終了した後、新たな加工を行う場合、Ｓ１で回転速度を入力すると、ＮＣ装置１２は、Ｓ２で、入力された回転速度が記憶装置１４にあるか否か、すなわち記憶されている対の回転速度のうち、変更前の回転速度であるか否かを判別する。ここで、入力された回転速度が前回の変更前の回転速度である場合、Ｓ１１で、これと対になっている変更後の回転速度で主軸３を回転させる。よって、新たな加工開始時には最初からびびり振動を発生させない最適な回転速度で加工を行うことができる。

このように、上記形態の振動抑制装置１０によれば、びびり振動の発生を検出する振動検出手段（振動センサ７及び演算装置１３）と、主軸３の回転速度を変更する回転速度変更手段（パルス信号発生器３０等及びＮＣ装置１２）と、ＮＣ装置１２による変更後の回転速度において演算装置１３がびびり振動の発生を検出しない場合、変更の前後に係る回転速度を対にして記憶装置１４に記憶させる履歴制御手段（演算装置１３）と、次回の加工の際に指令された回転速度が演算装置１３によって記憶装置１４に記憶された変更前の回転速度と同じ場合、当該回転速度に代えてそれと対になる変更後の回転速度で主軸３を回転させる回転速度置換手段（ＮＣ装置１２）と、を備えたことで、指令値のままではびびり振動が発生してしまう場合であっても、安定した加工ができる最適回転速度に置き換えて加工することができるため、加工開始からびびりマークを発生させない安定な加工を実現できる。

特にここでは、パルス信号発生器３０等の回転速度変更手段は、主軸３の回転速度の変更を１０％以下のオーバーライドで行うようにしているので、回転速度の微小な調整を簡易に行うことができる。

なお、上記形態では、びびり振動の発生状況をそのまま表示装置に表示させるようにしているが、びびり振動の発生時に周波数領域の振動加速度が最大となるびびり周波数や工具刃数を元にして、びびり振動を抑制できる回転速度（最適回転速度）を演算装置に算出させ、その最適回転速度を表示装置に表示させるようにしてもよい。このようにすれば、オペレータはびびり振動の抑制に係る回転速度の変更をより確実且つ迅速に行うことができる。また、このようなオペレータによる回転速度の変更に限らず、びびり振動の発生によって演算装置が算出した最適回転速度へ自動的に変更するようにしてもよい。何れの場合もびびり振動の抑制履歴を保存することで、次回の加工の際には変更後の回転速度に置換することができる。

一方、工作機械からの振動の検出には、振動センサの他、マイク、位置・回転検出器、主軸・送り軸モータの電流を用いることができ、振動の発生状況の表示も、回転速度と振動加速度との関係に限らず、振動周波数や切削速度、送り速度、回転軸トルク等を使用して表示しても差し支えない。
その他、工作機械としては立形マシニングセンタに限らず、回転軸に装着したワークを回転させて加工を行うＮＣ旋盤等の他の工作機械であっても本発明は適用可能である。

１・・立形マシニングセンタ、２・・主軸頭、３・・主軸、４・・工具、６・・ワーク、７・・振動センサ、１０・・振動抑制装置、１１・・制御装置、１２・・ＮＣ装置、１３・・演算装置、１４・・記憶装置、１５・・表示装置、１６・・操作装置、１７・・モニタ、１８・・操作ボタン、１９・・操作キー、２１，２２・・時間軸波形、２３・・マーカー、３０・・パルス信号発生器、４０・・角度位置検出器、４１・・オーバーライド調整ツマミ。

Claims

工具又はワークを回転させる回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸の回転に伴って発生するびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、
びびり振動の発生を検出する振動検出手段と、
前記回転軸の回転速度を変更する回転速度変更手段と、
前記回転速度変更手段による変更後の前記回転速度において前記振動検出手段が前記びびり振動の発生を検出しない場合、変更の前後に係る前記回転速度を対にして記憶装置に記憶させる履歴制御手段と、
次回の加工の際に指令された前記回転速度が前記履歴制御手段によって前記記憶装置に記憶された変更前の前記回転速度と同じ場合、当該回転速度に代えてそれと対になる変更後の前記回転速度で前記回転軸を回転させる回転速度置換手段と、
を備えたことを特徴とする工作機械の振動抑制装置。
前記回転速度変更手段は、前記回転軸の回転速度の変更を１０％以下のオーバーライドで行うことを特徴とする請求項１に記載の工作機械の振動抑制装置。