JP5536608B2 - 工作機械における振動抑制方法及び振動抑制装置 - Google Patents

工作機械における振動抑制方法及び振動抑制装置 Download PDF

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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、加工中に発生するびびり振動を抑制するための振動抑制方法、及び当該振動抑制方法を実行する振動抑制装置に関するものである。

従来、回転軸である主軸を回転させて加工を行う工作機械における振動抑制方法としては、たとえば特許文献1に記載の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や工具の破損等の原因となるびびり振動を抑制するため、工具やワーク等といったびびり振動が生じる系の固有振動数を求め、これを60倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除して得た値を安定回転速度とする。そして、当該安定回転速度にて加工を行うことにより、加工中に発生するびびり振動を抑制しようとしている。尚、安定回転速度は、整数値を「1」とした場合の速度、「2」とした場合の速度・・といったように、複数求められる。

特開2003−340627号公報

ところで、従来の一般的な工作機械では、主軸を回転させる際に幅広い速度領域で十分なモータトルクを得るため、主軸の回転速度に応じてギアを切り替える方式を採用したものが多い。また、主軸を高速で回転させる場合には、発熱による主軸の損傷を防止するため、主軸の回転速度に応じて主軸を支持する軸受の予圧を変化させる方式を採用したものも多い。したがって、ギアを切り替えたり予圧を変化させること、すなわち主軸の回転速度に応じて主軸系の動特性が大きく変わってしまうことになる。

ここで、びびり振動を抑制するための安定回転速度は、上述したように「びびり振動が生じる系の固有振動数」に依存して求めている。しかしながら、主軸系の動特性そのものが、上記の如く主軸の回転速度に依存しているため、複数算出される安定回転速度のうちの一部の安定回転速度においては、主軸の回転速度を該安定回転速度へ変更した際に主軸系の動特性が変化してしまい、該安定回転速度がびびり振動を抑制する回転速度ではなくなってしまう、すなわちびびり振動を抑制できない場合がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、算出した安定回転速度の中から、動特性を変化させたりしない最適な安定回転速度を選択することができ、びびり振動を確実に抑制することができる振動抑制方法及び振動抑制装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項1に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制方法であって、振動検出手段により、びびり振動を検出する第1工程と、前記びびり振動を抑制するための複数の安定回転速度、及び回転軸系の動特性が変わる切替回転速度を記憶する第2工程と、前記複数の安定回転速度のうち、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度を最適回転速度として選択する第3工程と、前記回転軸の回転速度を前記最適回転速度へと変更する第4工程とを実行することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第2工程において、検出した前記びびり振動のびびり周波数を求めるとともに、当該びびり周波数を用いて前記複数の安定回転速度を算出することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記第2工程において、前記回転軸及び/又は前記回転軸に装着される工具又はワークの種類に対応付けて回転速度の上限値及び/又は下限値を記憶するとともに、前記第工程において、前記複数の安定回転速度のうち、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度であって、且つ、前記上限値及び/又は下限値により規定される範囲内にある安定回転速度を最適回転速度として選択することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れかに記載の発明において、前記第3工程において、前記複数の安定回転速度の中に、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度が存在しない場合、表示手段において警告表示を実行することを特徴とする。
一方、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項5に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、びびり振動を検出するための振動検出手段と、前記びびり振動を抑制するための複数の安定回転速度、及び回転軸系の動特性が変わる切替回転速度を記憶する記憶手段と、前記びびり振動が検出されると、前記複数の安定回転速度のうち、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度を最適回転速度として選択する最適回転速度選択手段と、前記回転軸の回転速度を前記最適回転速度へと変更する回転速度変更手段とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の安定回転速度、及び回転軸系の動特性が変わる切替回転速度を記憶しており、その複数の安定回転速度のうち、変更時に切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度を最適回転速度として選択し、回転軸の回転速度を当該最適回転速度へと変更する。したがって、回転速度の変更に伴い回転軸系の動特性が変わってしまい「びびり振動」を抑制できないような回転速度へと変更するような事態を防止することができ、「びびり振動」を従来よりも確実に抑制することができる。
また、請求項2に記載の発明によれば、第2工程において、検出した前記びびり振動のびびり周波数を求めるとともに、当該びびり周波数を用いて複数の安定回転速度を算出している。すなわち、実際に生じている「びびり振動」に基づいて安定回転速度を算出しているため、振動抑制に一層効果的な安定回転速度を算出することができるし、たとえばインパルス加振のための高価な装置等が必要でないというメリットがある。
さらに、請求項3に記載の発明によれば、回転軸及び/又は回転軸に装着される工具又はワークの種類に対応付けて回転速度の上限値及び/又は下限値を記憶するとともに、複数の安定回転速度のうち、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度であって、且つ、上限値及び/又は下限値により規定される範囲内にある安定回転速度を最適回転速度として選択するため、回転軸自身や該回転軸に装着されている工具又はワークの種類に応じて設定される上限値や下限値を考慮した安定回転速度を最適回転速度として選択することができる。
加えて、請求項4に記載の発明によれば、第3工程において、複数の安定回転速度の中に、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度が存在しない場合、表示手段において警告表示を実行する。したがって、作業者は、上記事態が発生した旨を容易に把握することができるため、回転軸の回転を停止する等して迅速に対応することができ、回転軸に装着されている工具が破損したりするおそれがない。

振動抑制装置のブロック構成を示した説明図である。 振動抑制の対象となる回転軸ハウジングを側方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。 安定回転速度と限界切込量との関係を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる振動抑制方法及び振動抑制装置について、図面にもとづき詳細に説明する。

図1は、振動抑制装置10のブロック構成を示した説明図である。図2は、振動抑制の対象となる回転軸ハウジング1を側方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主軸(回転軸)3に生じる「びびり振動」を抑制するためのものであって、回転中の主軸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(時間軸上の振動加速度を意味する)を検出するための振動センサ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、その判断結果に基づいて主軸3の回転速度を制御する制御装置5とを備えてなる。尚、回転軸ハウジング1内には、主軸3を回転させるための複数のギア(図示せず)、及び主軸3を回転可能に支持する軸受(図示せず)が設けられている。

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取り付ける)。

一方、制御装置5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ことにより周波数領域の振動加速度(周波数軸上の振動加速度)を求め、その最大値が所定の閾値を超えたことをもって「びびり振動」の発生を検出するびびり振動検出手段11と、びびり振動が検出された際に、周波数領域の振動加速度が最大値をとるびびり周波数を用いて後述する演算式により安定回転速度を算出する安定回転速度演算手段12と、算出された安定回転速度を記憶する安定回転速度記憶手段13と、ギアを切り替える主軸3の回転速度及び軸受の予圧を切り替える回転速度等、主軸系の動特性が変化する切替回転速度を記憶する切替回転速度記憶手段14と、主軸3の最高回転速度を記憶する許容回転速度記憶手段15と、算出された安定回転速度のうちから諸条件に基づいて「びびり振動」を抑制するために最適な回転速度を選択する最適回転速度選択手段16と、主軸3の回転速度を変更したり、主軸3の回転速度に応じてギアや軸受の予圧等を切り替えたりして回転軸ハウジング1における加工を制御するNC装置17と、作業者に警告するための警告表示装置18とを備えている。

ここで、振動抑制装置10による「びびり振動」の振動抑制制御について説明する。
まず、回転軸ハウジング1では、主軸3を回転させて加工するに際し、主軸3の回転速度が4000min−1を超える(以上になる)と、内部のギアが切り替わるようになっている。また、主軸3の回転速度が12000min−1を超える(以上になる)と、軸受の予圧が切り替わるようになっている。さらに、主軸3の最高回転速度は14000min−1となっている。そのため、作業者は、図示しない入力装置等を介して切替回転速度記憶手段14には切替回転速度として4000min−1及び13000min−1を、許容回転速度記憶手段15には最高回転速度として14000min−1を夫々設定する。尚、本実施形態では、主軸3の最高回転速度のみ設定しているが、許容回転速度としては主軸3の許容回転数の上限値である最高回転速度のみならず、必要に応じて下限値となる最低回転速度を設定し、後述する選択に際して下限値よりも上回る回転速度を最適回転速度として選択したり、上限値及び下限値の範囲内にある回転速度を最適回転速度として選択するように構成してもよい。また、主軸3へ装着する工具の種類(尚、主軸3にワークを支持させる場合にはワークの種類)に対応付けて回転速度の上限値や下限値を設定してもよい。

次に、主軸3を回転させてワークに対する加工を開始すると、びびり振動検出手段11では上述したような方法により、主軸3に「びびり振動」が発生しているか否かを常時監視する。尚、振動センサ2a〜2cを用いた「びびり振動」の検出方法は、本件出願人が先に出願した特開2010−17783号公報等に詳述した方法と同じ公知の方法で行っている。
そして、びびり振動検出手段11において「びびり振動」の発生が検出されると、安定回転速度演算手段12では、当該「びびり振動」に係るびびり周波数を用いて下記の演算式(1)により安定回転速度を算出する。
安定回転速度={60×びびり周波数/工具刃数×(k値+1)} ・・・(1)
尚、「工具刃数」は、主軸3に装着されている工具の刃数であり、予め安定回転速度演算手段12に入力されているものとする。また、k値は、0以上となる整数値であって、k=0、1、2、3、4・・と順に代入して安定回転速度を算出する。したがって、複数の安定回転速度が算出されることになり、該安定回転速度と限界切込量との関係を求めると図4に示すような曲線が得られる。

そこで、制御装置5では主軸3の回転速度を安定回転速度に変更して「びびり振動」の抑制を図ることになるのだが、ここでは「びびり振動」を検出した際の主軸3の回転速度が10000min−1であり、算出された安定回転速度が9900min−1、11000min−1、12400min−1、14200min−1であった場合を想定する。一般的に「びびり振動」は、主軸の回転速度が向上するほど限界切込量が大きくなることから、できるだけ速い回転速度とした方が効果的に抑制できることが知られている。したがって、最適回転速度選択手段16は、14200min−1に着目するものの、該回転速度は許容回転速度記憶手段15に記憶されている最高回転速度、すなわち当該加工における主軸3の最高回転速度よりも速いため、当該回転速度については採用しない。次に、12400min−1に着目するものの、該回転速度は、切替回転速度記憶手段14に記憶されている切替回転速度よりも速い。すなわち、該回転速度へ変更した場合には切替回転速度を跨ぐことになるため、主軸3を支持する軸受の予圧、すなわち主軸3系の動特性が変わり、ひいては「びびり周波数」が変わってしまうため、「びびり振動」を抑制できない。したがって、12400min−1についても採用しない。そして、最終的に、最高回転速度よりも遅く、主軸3系の動特性を変えることもない11000min−1を変更すべき最適回転速度として採用する。
その後、NC装置17は、回転軸ハウジング1へ指令を送信し、主軸3の回転速度を選択された最適回転速度へと変更する。

尚、たとえば軸受の予圧を変更する切替回転速度が13000min−1であり、「びびり振動」を検出した際の主軸3の回転速度が13500min−1、算出された安定回転速度が9900min−1、11000min−1、12400min−1、14200min−1であるような場合も考えられる。この場合、14200min−1は上記同様に最高回転速度を超えているため採用することはできない。また、12400min−1では、変更時に切替回転速度を跨ぐことになるため、当該回転速度についても採用できない。すなわち、選択することができる安定回転速度が存在しないことになる。したがって、このような事態が生じると、最適回転速度選択手段16は、警告表示装置18により当該事態を作業者に報知するようになっている。

以上のような振動抑制方法及び振動抑制装置10によれば、主軸3の最高回転速度及び主軸3系の動特性が変わる切替回転速度を記憶しており、算出された複数の安定回転速度のうち、最高回転速度以下であり、且つ、回転速度の変更時に切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度を最適回転速度として選択し、主軸3の回転速度を該最適回転速度へと変更する。したがって、出力し得ない回転速度が選択されたり、主軸3系の動特性が変わってしまい「びびり振動」を抑制できないような回転速度へと変更するような事態を防止することができ、「びびり振動」を従来よりも確実に抑制することができる。
また、警告表示装置18を備えており、選択し得る安定回転速度が存在しないような場合には、当該事態を作業者に報知する。したがって、作業者は、主軸3の回転を停止する等して迅速に対応することができ、工具が破損したりするおそれがない。

なお、本発明に係る振動抑制方法及び振動抑制装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、検出手段、制御装置、及び制御装置における振動抑制の制御等に係る構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、安定回転速度を求めるに際し、上記実施形態では振動センサ2a〜2cを用いて安定回転速度を算出しているが、当該方法ではなく、インパルス加振により機械系の動特性を求め、図4に示すような安定限界線図を作成する等により予め求めておき、安定回転速度記憶手段に記憶させるように構成する(すなわち、安定回転速度演算手段を省略する)ことも可能である。尚、上記実施形態の方法で安定回転速度を算出する方が、実際に生じている「びびり振動」に基づいて安定回転速度を算出しているため、効果的な安定回転速度を算出することができるし、インパルス加振のための高価な装置等が必要でないというメリットがある。
また、上記実施形態では、振動センサにより回転軸の振動加速度を検出するよう構成しているが、振動による回転軸の変位や音圧を検出し、当該変位や音圧にもとづいて最適回転速度を算出するように構成することも可能である。
さらに、上記実施形態では、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、回転しない側(固定側)の振動を検出し、最適回転速度を算出するように構成してもよいし、工具を回転させるマシニングセンタに限らず、ワークを回転させる旋盤等といった工作機械にも適用可能である。尚、検出手段の設置位置や設置数等を、工作機械の種類、大きさ等に応じて適宜変更してもよいことは言うまでもない。
加えて、回転速度を変更するにあたり、手動で回転速度を変更するように構成してもよいし、切替回転速度や最高回転速度等については、当然、実施形態に記載の数値に何ら限定されることはなく、実施形態に記載の安定回転速度についても、当該数値に何ら限定されない。

1・・回転軸ハウジング、2a、2b、2c・・振動センサ(振動検出手段)、3・・主軸(回転軸)、5・・制御装置、10・・振動抑制装置、11・・びびり振動検出手段(振動検出手段)、12・・安定回転速度演算手段、13・・安定回転速度記憶手段(記憶手段)、14・・切替回転速度記憶手段(記憶手段)、15・・許容回転速度記憶手段(記憶手段)、16・・最適回転速度選択手段、17・・NC装置(回転速度変更手段)、18・・警告表示装置(表示手段)。

Claims (5)

  1. 工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制方法であって、
    振動検出手段により、びびり振動を検出する第1工程と、
    前記びびり振動を抑制するための複数の安定回転速度、及び回転軸系の動特性が変わる切替回転速度を記憶する第2工程と、
    前記複数の安定回転速度のうち、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度を最適回転速度として選択する第3工程と、
    前記回転軸の回転速度を前記最適回転速度へと変更する第4工程と
    を実行することを特徴とする振動抑制方法。
  2. 前記第2工程において、検出した前記びびり振動のびびり周波数を求めるとともに、当該びびり周波数を用いて前記複数の安定回転速度を算出することを特徴とする請求項1に記載の振動抑制方法。
  3. 前記第2工程において、前記回転軸及び/又は前記回転軸に装着される工具又はワークの種類に対応付けて回転速度の上限値及び/又は下限値を記憶するとともに、
    前記第工程において、前記複数の安定回転速度のうち、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度であって、且つ、前記上限値及び/又は下限値により規定される範囲内にある安定回転速度を最適回転速度として選択することを特徴とする請求項1又は2に記載の振動抑制方法。
  4. 前記第3工程において、前記複数の安定回転速度の中に、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度が存在しない場合、表示手段において警告表示を実行することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の振動抑制方法。
  5. 工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、
    びびり振動を検出するための振動検出手段と、
    前記びびり振動を抑制するための複数の安定回転速度、及び回転軸系の動特性が変わる切替回転速度を記憶する記憶手段と、
    前記びびり振動が検出されると、前記複数の安定回転速度のうち、回転速度を安定回転速度へと変更するに際して前記切替回転速度を跨ぐことのない安定回転速度を最適回転速度として選択する最適回転速度選択手段と、
    前記回転軸の回転速度を前記最適回転速度へと変更する回転速度変更手段と
    を備えていることを特徴とする振動抑制装置。
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