JP5666397B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク又は工具を回転させながら加工を行う工作機械に関するものである。

従来、たとえばワークを回転させて表面を加工するような工作機械においては、ワークの剛性が低い等の理由により、加工中にびびり振動が発生することがある。そして、びびり振動が発生した場合の抑制方法としては、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されているように、回転速度を変動させるための振幅、及び周期等（変動パラメータ）を入力し、回転軸の回転速度を、所定の設定回転速度を基準として、入力された振幅及び周期で変動させる方法が知られている。特に、特許文献２に記載の工作機械では、回転軸の回転速度を制御する画面をモニターに表示している状態で、上記変動パラメータを工具毎に入力可能としており、使い勝手の向上が図られている。

特開昭４９−１０５２７７号公報 特開２０００−１２６９９１号公報

上述したように回転速度を所定の周期で変動させながら加工を行った場合、回転軸を有する回転軸ハウジング（たとえば主軸台等）の変形もまた所定の周期で変動する。そして、該変形の変化に起因して加工面に回転軸の変動周期でうねりが生じ、加工面粗さが悪化するという問題が生じる。しかしながら、従来では、設定した変動パラメータで回転速度を変動させた際、どの程度のうねりが生じるのか作業者が把握することは困難であり、びびり振動を抑制することはできたものの、目標としていた加工面粗さを得ることができなかったというような事態が起こっていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、びびり振動を抑制可能で且つ目標とする加工面粗さを得ることもできるような変動パラメータを作業者が容易に把握可能な工作機械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有する回転軸台を備えているとともに、びびり振動を抑制するために前記回転軸の回転速度を所定の振幅及び周期で変動させるための所定の変動パラメータを入力するための入力手段と、前記変動パラメータの入力値にもとづいた振幅及び周期で前記回転軸の回転速度を変動させるための回転速度制御手段とを備えてなる工作機械であって、前記回転軸の回転速度を変動させた際に前記回転軸台が変形することに起因して生じるうねりをもとに、該うねりを含んだ前記ワークの加工面粗さである理論粗さを演算する粗さ演算部を設けるとともに、前記理論粗さを前記変動パラメータに関連づけた状態で表示手段に表示するパラメータ表示制御部を設けたことを特徴とする。
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、前記入力手段により目標としたい加工面粗さを入力可能とするとともに、前記パラメータ表示制御部は、前記理論粗さが前記目標としたい加工面粗さを上回る前記変動パラメータの範囲と、前記理論粗さが前記目標としたい加工面粗さを下回る前記変動パラメータの範囲とを区別して前記表示手段に表示することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記パラメータ表示制御部は、前記びびり振動の抑制効果が高い前記変動パラメータの範囲を前記表示手段に表示することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記変動パラメータが前記振幅であり、前記理論粗さが前記目標としたい加工面粗さを上回る前記振幅を下記式により算出するパラメータ演算部を設けたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載の発明において、工作機械が、前記回転軸に把持されて回転する前記ワークの周面に前記工具を切り込ませるとともに、前記ワーク及び／又は前記工具を前記回転軸の軸方向へ送りながら加工するものであって、前記理論粗さを、前記うねりと、前記回転軸を一回転させる間に前記ワーク及び／又は前記工具を前記軸方向へ送る量である一回転あたりの送り量と、前記工具の工具ノーズとから演算することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４に記載の発明において、工作機械が、前記回転軸に装着されて回転する前記工具を前記ワークに切り込ませるとともに、前記ワーク及び／又は前記工具を前記回転軸の軸線と交差する方向へ送りながら加工するものであって、前記理論粗さを、前記うねりと、前記回転軸を一回転させる間に前記ワーク及び／又は前記工具を前記軸線と交差する方向へ送る量である一回転あたりの送り量と、前記工具の工具径とから演算することを特徴とする。

本発明によれば、回転軸の回転速度を変動させた際に回転軸台が変形することに起因して生じるうねりをもとに、該うねりを含んだワークの加工面粗さである理論粗さを演算する粗さ演算部を設けるとともに、理論粗さを変動パラメータに関連づけた状態で表示手段に表示するため、作業者は、理論粗さを把握した上で変動パラメータの値を決定する、すなわち回転速度を変動させることができる。したがって、びびり振動を抑制することはできたものの、加工面粗さが目標よりも下回ってしまったというような事態の発生を防止することができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、理論粗さが目標としたい加工面粗さを上回る変動パラメータの範囲と、理論粗さが目標としたい加工面粗さを下回る変動パラメータの範囲とを区別して表示手段に表示する。したがって、びびり振動を抑制することはできたものの、加工面粗さが目標よりも下回ってしまったというような事態の発生を確実に防止することができる。
さらに、請求項３に記載の発明によれば、びびり振動の抑制効果が高い変動パラメータの範囲を表示手段に表示するため、びびり振動を抑制しつつも加工面粗さが目標としたものを上回る変動パラメータを非常に容易に把握することができる。

工作機械の一例である旋盤のブロック構成を示した説明図である。 主軸の回転速度が所定の振幅及び周期で変動する様子を示した説明図である。 主軸台が変形した様子を主軸の軸方向から示した説明図である。 表示手段における変動パラメータに係る情報及び理論粗さに係る情報の表示態様の一例を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる工作機械について、図面にもとづき詳細に説明する。

図１において２０は、主軸１の先端に爪３を備えたチャック２を備えてなる旋盤であって、該チャック２はワーク４を把持可能となっている。また、主軸１を回転可能に支持する主軸台７内には、主軸１を回転させるためのモータ６、及び主軸１の回転速度を検出するためのエンコーダ５が内臓されている。尚、１９は、ベッドであって、主軸台７は該ベッド１９上に固定されている。

一方、８は、エンコーダ５によって主軸１の回転速度を監視するとともに、主軸１の回転速度を制御するための主軸制御部である。また、９は、旋盤２０全体の挙動を制御する工作機械制御部であって、上記主軸制御部８、回転速度の変動を指令等するための入力手段１０、加工プログラム等を記憶する記憶部１１、後述するようにして主軸台７の変形に起因して生じるうねり、及びうねりを含んだ加工面の理論粗さを演算する粗さ演算部１２、びびり振動が発生した場合に主軸１の回転速度を変動させる変動パラメータの値を演算するためのパラメータ演算部１３、及びモニター等の表示手段１５を備えたパラメータ表示制御部１４と接続されており、主軸制御部８を介してワーク４の回転速度を制御する他、図示しない工具を回転中のワーク４の周面へ切り込ませるとともに、ワーク４及び／又は工具を回転軸方向及び／又は径方向へ送るといった加工動作についても周知の構成により制御するようになっている。尚、入力手段１０は、図４に示すように表示手段１５の画面の一部に設けられたタッチパネルとして構成されている。

上記旋盤２０では、記憶部１１に記憶されている加工プログラムにしたがい、主軸制御部８による制御のもとモータ６へ電力が供給されて主軸１を所定の基準回転速度で回転させるとともに、工具をワーク４の表面に切り込ませる等して加工が行われる。そして、当該加工中にびびり振動が生じると、作業者は、入力手段１０を介して変動パラメータを入力し、主軸１の回転速度を、現在の回転速度を基準として入力された振幅及び周期で変動させる。たとえば、変動パラメータとしての振幅をＱ、周期をＰとし、主軸１の回転速度を図２に示すような態様で変動させ、このように主軸１の回転速度を変動させることによって、びびり振動の抑制を図る。

そして、図２に示すように振幅Ｑ及び周期Ｐで主軸１の回転速度を変動させる際、加速時及び減速時のモータトルクは下記式（１）及び（２）のように表される。尚、主軸基準回転速度Ｓ_０とは、振幅Ｑ及び周期Ｐで変動させる前の主軸１の回転速度（上記現在の回転速度）である。

ここで、回転体のイナーシャＪについては、回転体（ここでは主軸１）の形状から計算して求めることも可能であるし、空切削状態で回転速度を変動させた際の主軸のモータトルクＴ_０、主軸基準回転速度Ｓ_０、振幅Ｑ、及び周期Ｐから下記式（３）より求めることも可能である。

また、切削トルクＴ_ｃについては、工具の形状と、ワーク４の比切削抵抗と、加工条件とから計算して求めることも可能であるし、回転速度が一定である場合には実際の加工時におけるモータトルクから求めることも可能である。さらに、回転速度を変動させる場合には、下記式（４）より求めることも可能である。

そして、主軸台７の変形について考えると、モータ６の反力により主軸１の回転中心周りのモーメントが生じた際、主軸台７は図３に示す如く変形する。簡単にするため、主軸台７をベッド１９との接合部を固定端とした片持ち梁としてモデル化すると、加速時及び減速時の主軸１の回転中心のＸ軸方向変位は、モーメントを受ける場合における片持ち梁のたわみ式を用いて、下記式（５）及び（６）のように表される。

ここで、主軸台７の断面二次モーメントＩについては、主軸台７の断面をたとえば長方形とみなして下記式（７）より求めてもよいし、有限要素解析により求めてもよい。

すると、上記式（５）及び（６）で表されるＸ軸方向変位がワーク４の加工面においてうねりとして現れるため、該うねりの大きさは下記式（８）のように表される。

上記式（８）からわかるように、うねりｗは、主軸基準回転速度Ｓ_０、振幅Ｑ、及び周期Ｐの関数となる。なお、式（８）における比例係数については、上記式（３）及び（７）より回転体のイナーシャＪ及び断面二次モーメントＩを求めて算出してもよいし、実際に回転速度を変動させながら加工を行い、発生したうねりを測定することで同定してもよい。また、空切削状態で主軸１の回転速度を変動させ、たとえばチャック２に固定したテストバーの変位を非接触変位計で測定することにより同定してもよい。

そこで、主軸台７の変形に起因するうねりｗを含めた加工面の理論粗さを下記式（９）のように表す。尚、一回転あたりの送り量については、図示しない送り軸エンコーダにより測定する。また、工具ノーズＲに関しては、予め入力手段１０により設定している。

粗さ演算部１２において上記式（９）により理論粗さを算出するとした上で、パラメータ表示制御部１４による表示手段１５への表示に関し、図４をもとに以下詳述する。
旋盤２０では、主軸１を回転させると、パラメータ演算部１３による演算及びパラメータ表示制御部１４による制御のもと、変動パラメータに係る情報と理論粗さに係る情報とを表示手段１５に表示するようになっている。そして、変動パラメータに係る情報としては、振幅Ｑを縦軸、周期Ｐを横軸にそれぞれとった平面上に、入力手段を介して入力された振幅及び周期の値をプロットし、●として表示する。また、びびり振動を抑制する（特に再生型びびり振動を抑制する）にあたり、回転速度を変動させる周期が回転軸の回転周期よりも十分に大きい条件のもとでは、振幅Ｑを大きくするほど、そして周期Ｐを小さくするほど振動抑制効果が大きくなることがわかっている。そこで、振幅Ｑが大きく且つ周期Ｐが小さくて高い振動抑制効果を期待できる領域３１ａについては明るく表示する一方、振幅Ｑが小さく且つ周期Ｐが大きくて低い振動抑制効果しか期待できない領域３１ｂについては暗く表示し、振動抑制効果の期待度の高低をグラデーション表示により作業者に報知する。

一方、理論粗さに係る情報としては、上記式（９）により求められる理論粗さを、上記変動パラメータに係る情報を表示している振幅Ｑを縦軸、周期Ｐを横軸にそれぞれとった平面上に、等高線状にプロットし表示する。また、目標としたい加工面粗さ（図４中の目標表面粗さ３２）を入力することにより、理論粗さが目標とした加工面粗さを下回る変動パラメータの領域３１ｃを灰色で表示し、そのような領域３１ｃに含まれる変動パラメータの値を入力しないように作業者に報知する。

尚、以下のようにして変動パラメータの一部が自動的に設定されるように構成してもよい。たとえば、主軸基準回転速度Ｓ_０と周期Ｐとを作業者が入力すると、パラメータ演算部１３において目標とする加工面粗さを上回る範囲内において最も高い振動抑制効果を期待できる振幅Ｑを、式（９）をもとにした下記式（１０）により算出し、当該振幅Ｑを自動的に設定して主軸１を回転速度の変動を開始させるようにしてもよい。また、変動開始について作業者による入力をもって開始するようにしたり、式（１０）により算出した振幅Ｑを表示手段１５に表示して作業者による入力を促すようにしてもよいことは言うまでもないし、振幅Ｑではなく周期Ｐが演算されるように構成しても何ら問題はない。

以上のような旋盤２０によれば、びびり振動を抑制するために主軸１の回転速度を変動させるにあたって、びびり振動の抑制に効果的な変動パラメータに係る情報を表示するとともに、回転速度を変動させることで加工面に生じるうねりを考慮して、該うねりを含んだ理論粗さを算出し、該理論粗さを変動パラメータに関連づけた状態で表示手段１５に表示する。そのため、作業者は、理論粗さを考慮に入れた上で振動抑制効果の高い変動パラメータの値を容易に把握することができる。したがって、びびり振動を抑制することはできたものの、加工面粗さが目標よりも下回ってしまったというような事態の発生を防止することができる。

また、目標としたい加工面粗さを入力可能としているとともに、目標としたい加工面粗さが入力されると、該加工面粗さを上回る変動パラメータの範囲を、加工面粗さを下回る変動パラメータの範囲と区別して表示する。したがって、作業者は、びびり振動を抑制しつつも加工面粗さが目標としたものを上回る変動パラメータを非常に容易に把握することができ、上述したような事態の発生を一層確実に防止することができる。

なお、本発明に係る工作機械は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、回転速度を変動させるための変動パラメータ、粗さ演算部、パラメータ演算部、パラメータ表示制御部、及び工作機械全体に係る構成等を、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、変動パラメータとして振幅及び周期を採用しているが、主軸トルクやモータへの入力電力等といった他のパラメータを変動パラメータとして採用することも可能である。
また、上記実施形態では、工作機械としてワークを回転させる旋盤を採用しているが、工具を回転させるマシニングセンタ等といった他の工作機械にも適用可能である。そして、回転軸に装着された回転中の工具をワークに切り込ませ、ワーク及び／又は工具を回転軸の軸線と交差する方向へ送りながら加工するミーリング加工を行う場合には、うねりｗを含めた加工面の理論粗さは下記式（１１）のように表される。尚、工具径Ｄに関しては、予め設定されているものとする。

１・・主軸（回転軸）、２・・チャック、３・・爪、４・・ワーク、５・・エンコーダ（回転速度検出手段）、６・・モータ、７・・主軸台（回転軸台）、８・・主軸制御部（回転速度制御手段）、９・・工作機械制御部（回転速度制御手段）、１０・・入力手段、１１・・記憶部、１２・・粗さ演算部、１３・・パラメータ演算部、１４・・パラメータ表示制御部、１５・・表示手段、１９・・ベッド、２０・・旋盤（工作機械）。

Claims (6)

1. 工具又はワークを回転させるための回転軸を有する回転軸台を備えているとともに、びびり振動を抑制するために前記回転軸の回転速度を所定の振幅及び周期で変動させるための所定の変動パラメータを入力するための入力手段と、前記変動パラメータの入力値にもとづいた振幅及び周期で前記回転軸の回転速度を変動させるための回転速度制御手段とを備えてなる工作機械であって、
   前記回転軸の回転速度を変動させた際に前記回転軸台が変形することに起因して生じるうねりをもとに、該うねりを含んだ前記ワークの加工面粗さである理論粗さを演算する粗さ演算部を設けるとともに、
   前記理論粗さを前記変動パラメータに関連づけた状態で表示手段に表示するパラメータ表示制御部を設けたことを特徴とする工作機械。
2. 前記入力手段により目標としたい加工面粗さを入力可能とするとともに、
   前記パラメータ表示制御部は、前記理論粗さが前記目標としたい加工面粗さを上回る前記変動パラメータの範囲と、前記理論粗さが前記目標としたい加工面粗さを下回る前記変動パラメータの範囲とを区別して前記表示手段に表示することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記パラメータ表示制御部は、前記びびり振動の抑制効果が高い前記変動パラメータの範囲を前記表示手段に表示することを特徴とする請求項２に記載の工作機械。
4. 前記変動パラメータが前記振幅であり、前記理論粗さが前記目標としたい加工面粗さを上回る前記振幅を下記式により算出するパラメータ演算部を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の工作機械。
   

   
5. 工作機械が、前記回転軸に把持されて回転する前記ワークの周面に前記工具を切り込ませるとともに、前記ワーク及び／又は前記工具を前記回転軸の軸方向へ送りながら加工するものであって、
   前記理論粗さを、前記うねりと、前記回転軸を一回転させる間に前記ワーク及び／又は前記工具を前記軸方向へ送る量である一回転あたりの送り量と、前記工具の工具ノーズとから演算することを特徴とする請求項１〜４に記載の工作機械。
6. 工作機械が、前記回転軸に装着されて回転する前記工具を前記ワークに切り込ませるとともに、前記ワーク及び／又は前記工具を前記回転軸の軸線と交差する方向へ送りながら加工するものであって、
   前記理論粗さを、前記うねりと、前記回転軸を一回転させる間に前記ワーク及び／又は前記工具を前記軸線と交差する方向へ送る量である一回転あたりの送り量と、前記工具の工具径とから演算することを特徴とする請求項１〜４に記載の工作機械。

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