JP5622626B2 - 回転速度表示装置 - 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、加工中に発生するびびり振動を抑制可能な回転軸の回転速度を表示するための回転速度表示装置に関するものである。

回転軸を回転させて加工を行う工作機械では、切り込み量や回転軸の回転速度などの加工条件が適切でない等に起因して加工中に所謂「びびり振動」が生じるおそれがある。そして、びびり振動が生じると、加工面の仕上げ精度が悪化したり工具が破損してしまうといった問題が生じることから、びびり振動の抑制が求められている。

このびびり振動としては、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、工作機械自身が振動源となる「強制びびり振動」との２つのびびり振動があり、前者の「再生型びびり振動」を抑制する振動抑制方法としては、たとえば特許文献１に開示されているように、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し、該安定回転速度にて回転軸を回転させるといった方法が従来知られている。一方、後者の「強制びびり振動」を抑制する振動抑制方法としては、たとえば特許文献２に開示されているように、キャンベル線図を用い、ワークの固有振動の加工前と加工後との間での領域内において、工具の振動成分が共振する範囲以外の工具の回転速度を求め、その回転速度で加工を行うといった方法が従来知られている。

特開２００３−３４０６２７号公報 特開２００９−２７４１７９号公報

上述したように「再生型びびり振動」と「強制びびり振動」とでは、異なる方法でびびり振動が生じない回転速度、逆に言えばびびり振動が生じやすい回転速度を求めなければならない。しかしながら、従来は、何れか一方の方法でしか対応することができず、たとえば特許文献１に記載の方法を採用する振動抑制装置の場合、「強制びびり振動」が生じた際に適切な回転速度を得ることができないといったような問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、現在発生しているびびり振動が「再生型びびり振動」若しくは「強制びびり振動」の何れであるかを判断することができるとともに、発生しているびびり振動の種類に応じて回転速度に係る演算を行い、その演算結果を作業者に知らせることのできる回転速度表示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、前記回転軸にびびり振動が発生した際に生じる振動情報を検出する振動検出手段と、前記びびり振動の発生を検出すると、前記振動情報をもとに前記びびり振動が生じる回転速度帯を演算する演算手段と、前記回転速度帯及び／又は前記回転速度帯を外れる回転速度帯を表示する表示手段とを備えた回転速度表示装置であって、前記演算手段は、前記振動情報にもとづいて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求め、前記びびり周波数にもとづいて位相情報を算出し、前記位相情報にもとづいて前記びびり振動が再生型びびり振動であるか、強制びびり振動であるかを判定し、前記強制びびり振動が発生した場合、前記びびり周波数を共振周波数として前記強制びびり振動が生じる回転速度帯を算出する一方、前記再生型びびり振動が発生した場合、前記振動情報にもとづいて前記びびり振動が生じる系の固有振動数を同定し、該固有振動数を共振周波数として前記再生型びびり振動が生じる回転速度帯を算出するとともに、前記びびり周波数を共振周波数として前記強制びびり振動が生じる回転速度帯をも算出し、算出した前記回転速度帯及び／又は前記回転速度帯を外れる回転速度帯を前記表示手段に表示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、前記演算手段は、前記再生型びびり振動が発生した場合、前記固有振動数をもとにして作成した安定限界線図を前記表示手段に表示することを特徴とする。

本発明によれば、演算手段が、びびり振動の発生を検出すると、それが「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを判定し、びびり振動の種類に応じてびびり振動が生じやすい回転速度帯を算出するとともに、該回転速度帯及び／又は該回転速度帯を外れる回転速度帯を表示手段に表示する。したがって、作業者は、その表示結果にもとづいて発生しているびびり振動を容易且つ確実に抑制することができ、ひいては加工面精度や加工効率の向上、工具の長寿命化等を図ることができる。

振動監視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。 振動監視装置による振動監視制御を示したフローチャート図である。 再生型びびり振動が生じた際のモニターにおける表示態様を示した説明図である。 強制びびり振動が生じた際のモニターにおける表示態様を示した説明図である。 強制びびり振動が発生する原理を示したキャンベル線図である。

以下、本発明の一実施形態となる回転速度表示装置を含んだ振動監視装置について、図面にもとづき詳細に説明する。

図１は、振動監視装置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。
振動監視装置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」を抑制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（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」の発生の有無や「びびり振動」の種類を判定し、その判定結果に基づいて「びびり振動」を抑制可能な回転速度域を表示する制御装置５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ＦＦＴ演算装置１１と、びびり振動が発生しているか否かの判定に用いる閾値やびびり振動の種類を判定するための判定用位相範囲を作業者が入力するための入力装置１２と、作業者に入力された各種の値（安定限界線図を作成したり「強制びびり振動」が生じる回転速度帯を算出したりする際に用いる値）や演算装置１４での演算結果等を記憶するための記憶装置１３と、びびり振動が発生しているか否かを判定するとともに、後述の如くして安定限界線図を作成したり「強制びびり振動」が生じる回転速度帯を算出したりする演算装置１４と、回転軸３の回転速度を制御するＮＣ装置１５とを備えており、ＮＣ装置１５には、ＮＣプログラムや機械の現在位置に加えて演算装置１４での演算結果等を表示するためのモニター１６が備えられている。

ここで、振動監視装置１０による「びびり振動」の振動監視制御について、図４のフローチャートにしたがい説明する。
まず、加工を開始する前に、入力装置１２により上述したような閾値や判定用位相範囲、工具刃数等の工具情報を入力し、記憶装置１３に予め記憶させておく。そして、ＮＣ装置１６を介して回転軸３の回転速度が指令されて加工が開始される（Ｓ１）と、制御装置５では、回転軸ハウジング１にびびり振動が生じているか否かを監視する（Ｓ２）。すなわち、振動センサ２ａ〜２ｃにより回転軸ハウジング１における時間領域の振動加速度を常時検出し、ＦＦＴ演算装置１１においてその時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行い、振動情報である周波数領域の振動加速度の最大値（最大加速度）とその周波数（びびり周波数）とを取得する。また、演算装置１４において、取得した最大加速度と記憶装置１３に記憶されている閾値とを比較し、最大加速度が閾値以下である場合には、びびり振動は発生していないと判定する（Ｓ２でＮＯと判断）。

一方、最大加速度が閾値を超えると、回転軸ハウジング１に抑制すべきびびり振動が発生していると判定し（Ｓ２でＹＥＳと判断）、そのびびり振動が「再生型びびり振動」であるか、それとも「強制びびり振動」であるかを判定する（Ｓ３）。このＳ３での判定は、まず下記式（１）〜（３）により位相情報εを求め、該位相情報εが判定用位相範囲（たとえば、０．９５より大きくて１．００より小さい範囲）内にあるか否かを判定し、位相情報εが判定用位相範囲内にあれば「強制びびり振動」であると判定する一方、判定用位相範囲外であれば「再生型びびり振動」であると判定する。

尚、式（１）中におけるω_ｃはびびり周波数（周波数領域の振動加速度が最大値をとる周波数）、Ｚは工具刃数、Ｓ_ａは現在の回転軸３の回転速度（当初はＳ１で指令した回転速度）である。また、式（１）において算出するｋ’値は無次元数であり、びびり周波数と回転速度との単位次元が異なる場合には、同次元に揃えなければならない。

そして、回転軸ハウジング１に発生しているびびり振動が「再生型びびり振動」である場合には、Ｓ４へと進み、後述するような方法でびびり振動が発生している系の固有振動数及び減衰比を同定し（Ｓ４）、該固有振動数及び減衰比を用いて安定限界線図を作成して、後述するような態様でモニター１６に表示する（Ｓ５）。また、後述するような方法で「強制びびり振動」が生じる回転速度帯（以下、強制びびり領域と称す）を算出する（Ｓ６）とともに、その回転速度帯を安定限界線図に重ねてモニター１６に表示する（Ｓ７）。一方、回転軸ハウジング１に発生しているびびり振動が「強制びびり振動」である場合には、Ｓ６へと進み、強制びびり領域を算出する（Ｓ６）とともに、その強制びびり領域をモニター１６に表示する（Ｓ７）。したがって、作業者は、モニター１６に表示された安定限界線図や強制びびり領域をもとに、びびり振動が抑制可能な回転速度を求め、ＮＣ装置１５を介して回転軸３の回転速度を変更してやればよい。尚、Ｓ６において「再生型びびり振動」の場合には固有振動数を共振周波数として、「強制びびり振動」の場合にはびびり周波数を共振周波数として夫々強制びびり領域を算出する。

ここで、Ｓ６における強制びびり領域の算出及び表示について説明する。
まず、強制びびり振動が発生する原理について、図７のキャンベル線図をもとに説明する。図７中の破線で示される各ハーモニクス線ｆ_ｋ（Ｓ）は、下記式（４）で示されるＳの一次関数として算出することができる。そして、この値が図７中の太い帯線で示される共振周波数帯ｆ_１やｆ_２と一致すると「強制びびり振動」が発生することになる。

そこで、回転軸３の共振周波数のうち最大の振動量をもつ共振周波数ｆ（上述したように「再生型びびり振動」では固有振動数であり、「強制びびり振動」ではびびり周波数である）の±５％の領域を共振周波数帯として下限値ｆ_ｍｉｎ、上限値ｆ_ｍａｘを算出し、各ハーモニクス線において、下記式（５）及び（６）により求められる回転速度領域Ｓｎ_ｍｉｎ〜Ｓｎ_ｍａｘを強制びびり領域とし（Ｓ６）、当該強制びびり領域を、図５及び図６に示す如く、モニター１６に色を塗りつぶした帯線として表示する（Ｓ７）。

尚、式（５）及び（６）中のｌは任意の整数である。

次に、Ｓ４とＳ５とにおける固有振動数及び減衰比の同定と安定限界線図の作成とについて説明する。
加工条件で定まる係数行列をＡ_０、系の伝達関数をＧとすると、「再生型びびり振動」が生じる臨界条件式は下記式（７）となる。

尚、式（７）中におけるＦ_０は切削力ベクトル、ａ_ｌｉｍは限界切込量、Ｋ_ｔは比切削抵抗、ω_ｃはびびり周波数、Ｔは切刃通過周期、ｉは虚数単位である。

ただ、本実施例では簡単にするため系の回転軸直交方向のモーダルパラメータがそれぞれ等しいと仮定し、伝達関数行列を下記式（８）で定義する。

そして、ｆ_ｎを系の固有振動数、ζを減衰比、Ｒ_ｍａｘをコンプライアンスとすると、等価パラメータＭ、Ｋ、Ｃは、それぞれ下記式（９）で表される。

ここで、行列Ａ_０・Ｇ（ｉω_ｃ）の固有値の逆数をΛとおくと、下記式（１０）の関係が成り立つ。

そして、このとき限界切込量ａ_ｌｉｍ、位相情報ε、及びびびり周波数ω_ｃに対応する主軸回転速度Ｓは、夫々下記式（１１）〜（１３）で表される。

尚、式（１３）中のｌは任意の整数である。

そして、式（７）〜式（１２）の関係式から、コンプライアンスＲ_ｍａｘは位相情報εに影響しないため、Ｒ_ｍａｘを任意の値とし、位相情報εを用いてパラメータ同定を行うことにより固有振動数及び減衰比を得ることができる。また、「再生型びびり振動」の振動振幅と切込量とは線形関係にあると考えられるため、限界切込量と振動振幅の逆数とは相似形状の分布となる。一方で、この限界切込量の分布は、コンプライアンス及び減衰比で決定されるものの、減衰比については上述したように算出される。したがって、限界切込量の分布形状が実際の振動振幅の逆数の分布と一致するようにコンプライアンスの値を選ぶことにより、図５に示すような安定限界線図を得ることができ、「再生型びびり振動」が生じる回転速度及び切込量の領域に関しては、色を付けて表示する（Ｓ５）。

以上のような振動監視装置１０によれば、びびり振動の発生を検出すると、それが「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを判定し、びびり振動の種類に応じてびびり振動が生じやすい回転速度帯を算出するとともに、該びびり振動が生じやすい回転速度帯と生じにくい回転速度帯とを区別して表示する。したがって、作業者は、モニター１６の表示にもとづいて発生しているびびり振動を容易且つ確実に抑制することができ、ひいては加工面精度や加工効率の向上、工具の長寿命化等を図ることができる。

なお、本発明に係る回転速度表示装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、振動検出手段、振動判定手段、及びびびり振動の種類の判定に係る制御や判定後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、上記実施形態では、びびり振動の種類を判定後、びびり振動が生じやすい回転速度帯と生じにくい回転速度帯とを区別して表示するのみとしているが、表示とともにびびり振動が生じにくい回転速度へＮＣ装置が自動的に回転速度を変更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、びびり振動が生じやすい回転速度帯と生じにくい回転速度帯とを表示手段に表示しているが、何れか一方の回転速度帯のみを表示手段に表示するように構成しても同様の効果を奏することができる。
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安定回転速度を算出するようにしてもよく、他には、回転軸の位置や回転を検出する検出器、回転軸モータや送り軸モータの電流を測定する電流測定器を振動検出手段として採用することも可能である。

さらに、上記実施形態では、「強制びびり振動」が生じた際に強制びびり領域を算出するにあたって、びびり周波数を共振周波数として採用しているが、予め加振実験を行うことで、系の固有振動数を求めておき、該固有振動数を共振周波数として採用することも可能である。また、この固有振動数を安定限界線図の作成に用いても何ら問題はない。
またさらに、共振周波数帯を共振周波数の±５％としているが、±５％に何ら限定されることはなく、別の％を採用してもよいし、工作機械の種類等に応じて変更設定可能としても何ら問題はない。

さらにまた、「びびり振動」の検出にあたって、周波数領域の振動加速度が最大値を示す波形のみではなく、周波数領域の振動加速度の値が上位となる複数（たとえば、３つ）の波形を用いるようにし、「びびり振動」の検出精度の向上を図ってもよい。
加えて、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、安定限界線図や強制びびり領域を算出するように構成してもよい。また、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し、振動検出手段の設置位置や設置数、閾値や判定用位相範囲の値等を、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。

１・・回転軸ハウジング、２ａ、２ｂ、２ｃ・・振動センサ（振動検出手段）、３・・回転軸、５・・制御装置、１０・・振動監視装置、１１・・ＦＦＴ演算装置（振動検出手段）、１２・・入力装置、１３・・記憶装置、１４・・演算装置（振動検出手段、演算手段）、１５・・ＮＣ装置、１６・・モニター（表示手段）。

Claims (2)

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、前記回転軸にびびり振動が発生した際に生じる振動情報を検出する振動検出手段と、前記びびり振動の発生を検出すると、前記振動情報をもとに前記びびり振動が生じる回転速度帯を演算する演算手段と、前記回転速度帯及び／又は前記回転速度帯を外れる回転速度帯を表示する表示手段とを備えた回転速度表示装置であって、
   前記演算手段は、前記振動情報にもとづいて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求め、前記びびり周波数にもとづいて位相情報を算出し、前記位相情報にもとづいて前記びびり振動が再生型びびり振動であるか、強制びびり振動であるかを判定し、
   前記強制びびり振動が発生した場合、前記びびり周波数を共振周波数として前記強制びびり振動が生じる回転速度帯を算出する一方、
   前記再生型びびり振動が発生した場合、前記振動情報にもとづいて前記びびり振動が生じる系の固有振動数を同定し、該固有振動数を共振周波数として前記再生型びびり振動が生じる回転速度帯を算出するとともに、前記びびり周波数を共振周波数として前記強制びびり振動が生じる回転速度帯をも算出し、
   算出した前記回転速度帯及び／又は前記回転速度帯を外れる回転速度帯を前記表示手段に表示することを特徴とする回転速度表示装置。
2. 前記演算手段は、前記再生型びびり振動が発生した場合、前記固有振動数をもとにして作成した安定限界線図を前記表示手段に表示することを特徴とする請求項１に記載の回転速度表示装置。

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