JP5927904B2 - Machine tool dynamic characteristics calculation device - Google Patents
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Description
本発明は、切削加工を行う際に用いられるエンドミル等の回転工具の動特性を算出する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for calculating dynamic characteristics of a rotary tool such as an end mill used when cutting.
エンドミル等の回転工具により切削加工を行う場合、回転工具の動特性を取得することは、適正な加工条件を決定する上で重要である。特許文献1には、主軸にアンバランスマスタを装着して、当該アンバランスマスタの振れ量を振れ量測定器によって検出し、主軸の動剛性を算出する技術が提案されている。しかしながら、特許文献1に示される技術では、主軸の動剛性を算出することはできるが、回転工具の動特性を取得することはできなかった。このため、従来では、作業者が回転工具をハンマーで叩いて、回転工具を加振させ、回転工具の共振周波数を測定し(ハンマリング試験)、この共振周波数から動特性を算出するのが一般的であった。 When cutting with a rotary tool such as an end mill, acquiring the dynamic characteristics of the rotary tool is important in determining appropriate machining conditions. Patent Document 1 proposes a technique in which an unbalance master is attached to a main shaft, a shake amount of the unbalance master is detected by a shake amount measuring device, and dynamic stiffness of the main shaft is calculated. However, with the technique disclosed in Patent Document 1, it is possible to calculate the dynamic rigidity of the spindle, but it is not possible to acquire the dynamic characteristics of the rotary tool. For this reason, conventionally, an operator generally hits the rotary tool with a hammer, vibrates the rotary tool, measures the resonance frequency of the rotary tool (hammering test), and calculates the dynamic characteristics from this resonance frequency. It was the target.
しかしながら、このような方法で、動特性を算出するには、回転工具に加速度計を取り付けたうえで、回転工具をハンマーで叩く必要があることから、動特性の計測に時間がかかるという問題があった。また、作業者がハンマーで回転工具叩いた後に、復元する回転工具がハンマーに接触してしまうことがあり、この場合には測定ミスとなることから、ハンマーの叩き方に経験を要するという問題があった。更に、主軸回転中においては、ハンマリング試験により動特性を計測することができず、主軸が静止時と回転中とでは、軸受の剛性が異なることから、正確な動特性を算出することができないという問題があった。 However, in order to calculate the dynamic characteristics by such a method, it is necessary to attach an accelerometer to the rotary tool and then hit the rotary tool with a hammer. there were. In addition, after the operator hits the rotary tool with a hammer, the restored rotary tool may come into contact with the hammer. In this case, a measurement error occurs. there were. In addition, the dynamic characteristics cannot be measured by a hammering test while the main spindle is rotating, and the dynamic characteristics cannot be calculated accurately because the rigidity of the bearing differs when the main spindle is stationary and rotating. There was a problem.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、手間をかけず正確な回転工具の動特性を取得することができる工作機械の動特性算出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a machine tool dynamic characteristic calculation apparatus that can acquire accurate dynamic characteristics of a rotary tool without taking time and effort.
(請求項1)
外周側に周方向に1以上の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を軸回りに回転しながら被加工物に対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、断続的な切削加工により前記回転工具が加振された場合に、振動している状態の前記回転工具の変位量を検出する工具変位量検出手段と、前記回転工具の前記切削抵抗を算出する切削抵抗算出手段と、前記工具変位量検出手段が検出した振動している状態の前記回転工具の前記変位量、及び、前記切削抵抗算出手段によって算出された前記回転工具の前記切削抵抗に基づいて、前記回転工具の動特性である質量係数、弾性係数、及び粘性減衰係数の少なくとも1つを算出する動特性算出手段と、を備える。
(Claim 1)
Using a rotary tool having one or more blades in the circumferential direction on the outer peripheral side, the machine tool moves intermittently by moving relative to the workpiece while rotating the rotary tool about its axis. A device for calculating characteristics, wherein when the rotary tool is vibrated by intermittent cutting, a tool displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the rotary tool in a vibrating state, and the rotation and cutting resistance calculating means for calculating the cutting resistance of the tool, the displacement amount of the rotary tool in a state in which the tool displacement amount detecting means is vibrating the detected and the rotation that has been calculated by the cutting resistance calculating means based on the cutting resistance of the tool, it comprises a mass coefficient is a dynamic characteristic of the rotating tool, elastic modulus, and the dynamic characteristic calculating means for calculating at least one of the viscous damping coefficient, a.
(請求項2)
前記被加工物の試し加工中において、前記工具変位量検出手段によって検出された振動している状態の前記回転工具の前記変位量に基づいて、前記動特性算出手段は、前記回転工具の前記動特性を算出する。
(Claim 2)
During trial machining of the workpiece, on the basis of the displacement amount of the rotary tool in the state that vibrations detected by said tool displacement amount detecting means, the dynamic characteristic calculating means, the movement of the rotary tool Calculate the characteristics.
(請求項3)
回転工具変位量検出手段は、撮像装置であってもよい。
(Claim 3)
The rotary tool displacement amount detection means may be an imaging device.
(請求項1)
動特性算出手段は、回転工具の変位量、及び、回転工具の切削抵抗に基づいて、回転工具の動特性である質量係数、弾性係数、及び粘性減衰係数の少なくとも1つを算出する。これにより、回転工具が取り付けられる主軸の回転中における回転工具の動特性が算出される。このため、主軸が停止している状態で動特性を算出する場合と比較して、正確に動特性を取得することが可能となる。また、工具変位量検出手段は、断続的な切削加工により加振された回転工具の変位量を検出し、当該検出された回転工具の変位量に基づいて、動特性を算出する。このため、従来のように、回転工具に加速度計を取り付ける必要もなく、ハンマーの叩き方にも経験を要さないことから、手間をかけずに動特性を取得することができる。
(Claim 1)
The dynamic characteristic calculation means calculates at least one of a mass coefficient, an elastic coefficient, and a viscous damping coefficient, which are dynamic characteristics of the rotary tool, based on the displacement amount of the rotary tool and the cutting resistance of the rotary tool. Thereby, the dynamic characteristic of the rotary tool during rotation of the spindle to which the rotary tool is attached is calculated. For this reason, it is possible to obtain the dynamic characteristics more accurately than in the case where the dynamic characteristics are calculated while the main shaft is stopped. Further, the tool displacement amount detection means detects the displacement amount of the rotating tool that is vibrated by intermittent cutting, and calculates dynamic characteristics based on the detected displacement amount of the rotating tool. For this reason, it is not necessary to attach an accelerometer to the rotary tool as in the prior art, and since no experience is required in how to strike the hammer, the dynamic characteristics can be acquired without taking time and effort.
(請求項2)
被加工物の試し加工中において、前記工具変位量検出手段によって検出された振動している状態の前記回転工具の変位量に基づいて、前記動特性算出手段は、回転工具の動特性を算出する。これにより、最終製品の品質に影響すること無く、回転工具の動特性を算出することができる。
(Claim 2)
During the trial machining of the workpiece, the dynamic characteristic calculation unit calculates the dynamic characteristic of the rotary tool based on the displacement amount of the rotating tool in a vibrating state detected by the tool displacement amount detection unit. . As a result, the dynamic characteristics of the rotary tool can be calculated without affecting the quality of the final product.
(請求項3)
撮像装置によって、切削加工中の回転工具の変位量を検出する。これにより、撮像装置によって撮像された回転工具を含む画像データから、回転工具の外縁を検出し、回転工具の変位を検出する。このため、従来のように、加速度センサ等によって回転工具の変位を検出する方法と比較して、回転工具が取り付けられる回転主軸の回転に伴う振動等のノイズの影響を受けず、より高精度に回転工具の変位を検出することができ、微少な回転工具の変位も検出することができる。また、加速度センサを取り付けることができない小径の回転工具であっても、動特性を取得することができる。
(Claim 3)
The amount of displacement of the rotary tool during cutting is detected by the imaging device. Thereby, the outer edge of the rotary tool is detected from the image data including the rotary tool imaged by the imaging device, and the displacement of the rotary tool is detected. For this reason, compared with the conventional method of detecting the displacement of the rotary tool by an acceleration sensor or the like, it is not affected by noise such as vibration accompanying rotation of the rotary spindle to which the rotary tool is attached, and more accurately. The displacement of the rotary tool can be detected, and a slight displacement of the rotary tool can also be detected. Moreover, even if it is a small diameter rotary tool which cannot attach an acceleration sensor, a dynamic characteristic can be acquired.
(1.対象工作機械の構成)
本実施形態の動特性算出装置を適用する工作機械100の構成について説明する。工作機械100は、被加工物Wを回転工具により切削加工する工作機械である。その工作機械100の一例として、図1を参照して説明する。図1に示すように、工作機械100は、ベッド1と、回転工具5を保持する回転主軸4と、ベッド1上にて被加工物Wを載置するテーブル6、回転工具5を撮像する高速度カメラ9、工作機械100の統括制御を行う制御部50とを備える。
(1. Configuration of the target machine tool)
A configuration of the
ここで、回転工具5は、外周側に周方向に1以上の刃部5a,5bを備える。回転工具5は、例えば、ボールエンドミル、スクエアエンドミル、フライスなどを含む。回転主軸4は、図示しないアクチュエータによって、X軸、Y軸、Z軸方向に移動可能となっている。工作機械100は、回転工具5を軸回りに回転しながら、被加工物Wに対して相対移動することにより、断続的な切削加工を行う。
Here, the
制御部50は、各種プログラムが実行されるCPU50a、及び、CPU50aで実行されるプログラムや各種設定値が記憶される記憶部50bを有している。記憶部50bに記憶されCPU50aで実行されるプログラムは、後述の図6に示す各算出部、処理部、制御部に相当する。記憶部50bは、後述の図6に示す各記憶部に相当する。なお、後述の図6に示す各算出部、処理部を、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)で構成しても差し支え無い。
The
高速度カメラ9は、CCDやCMOS等の撮像素子と、この撮像素子に被写像を結像するレンズを有していて、回転工具5の側方に配置されている。高速度カメラ9は、回転工具5を側方から連続的に(例えば5000フレーム/秒)撮像する。高速度カメラ9で撮像された回転工具5を含む画像は、制御部50に出力される。図2に示した実施形態では高速度カメラ9は、回転工具5に対して送り方向Xに配設され、回転工具5の反切込方向Yの変形が撮像できるようになっている。なお、制御部50、及び、高速度カメラ9が、回転工具5の動特性を算出する動特性算出装置に相当する。図示しないが、工作機械100は、クーラントを供給するクーラントノズル、クーラントポンプなどを備える。
The high-
(2.加工中の回転工具に作用する切削抵抗及び変位の説明)
以下に、図3を参照して、加工中の回転工具5に作用する切削抵抗及び変位を説明する。被加工物Wを切削中の回転工具5には、反切込方向Yの切削抵抗Fy及び反送り方向の切削抵抗Fxが生じる。つまり、回転工具5の先端側の回転中心Cは、各方向の切削抵抗Fx,Fyの合成抵抗Fxyの方向に変位Tする(図2示)。そして、切削抵抗Fyによって、回転工具5の先端側(刃部5a,5bの部位)の回転中心Cが反切込方向Yの変位Tyすることにより、被加工物Wの加工後形状が変化する。なお、図3には、スクエアエンドミルを図示しているが、ボールエンドミルの場合も同様である。
(2. Explanation of cutting force and displacement acting on rotating tool during machining)
Below, with reference to FIG. 3, the cutting force and displacement which act on the
ここで、回転工具5に生じる切削抵抗Fyが一定であれば、回転工具5の先端側の撓み量は一定となる。しかし、回転工具5による断続的な切削加工においては、回転工具5に生じる切削抵抗Fyは逐次変化する。そのため、回転工具5の先端側の回転中心Cの変位量は、主としてY方向に逐次変化するこのときの回転工具5の先端側の回転中心Cの変位量と切削抵抗Fyとは、回転工具5の動特性に依存する。工具の動特性とは、入力された力に対する変形の挙動を示すものであり、伝達関数(コンプライアンスおよび位相遅れ)もしくはそれから算出される質量係数M、粘性減衰係数C、弾性係数(バネ乗数)K、固有振動数fd、減衰率ζなどにより表される。図2に示すように、本実施形態では、上面視した場合に、回転工具5の反切込方向Yの変位Tyが、高速度カメラ9によって撮像されて検出される。
Here, if the cutting resistance Fy generated in the
次に、回転工具5を回転しかつ送りながら被加工物Wの断続的な切削加工を行う際において、回転工具5に作用する切削抵抗Fy及び回転工具5の先端側の回転中心Cの変位量Tyの経過時間tに対する挙動について、図4及び図5を参照して説明する。ここでは、反切込方向(Y方向)における切削抵抗Fy及び先端側の回転中心Cの変位量Tyについて取り上げて説明する。
Next, when performing intermittent cutting of the workpiece W while rotating and feeding the
図4の実線と図5(a)〜(e)を参照して、切削抵抗Fyの経過時間tに対する挙動について説明する。図4の実線に示すように、切削抵抗Fyは、ゼロ付近から時刻t1にて大きな値に変化し、時刻t2に再びゼロ付近に変化している。図5(a)(b)が、それぞれ図4の時刻t1,t2に対応する。図5(a)に示すように、時刻t1は、一方の刃部5aが被加工物Wに接触開始した瞬間である。つまり、時刻t1は、一方の刃部5aにより切削加工を開始した瞬間である。一方、図5(b)に示すように、時刻t2は、一方の刃部5aによる被加工物Wの切削加工を終了した瞬間である。このように、t1〜t2の間において、一方の刃部5aが切削加工している。
The behavior of the cutting resistance Fy with respect to the elapsed time t will be described with reference to the solid line in FIG. 4 and FIGS. As shown by the solid line in FIG. 4, the cutting resistance Fy changes from near zero to a large value at time t1, and again changes to near zero at time t2. FIGS. 5A and 5B correspond to times t1 and t2 in FIG. 4, respectively. As shown in FIG. 5A, time t1 is the moment when one of the
その後、図4に示すように、t2〜t4の間は、切削抵抗Fyがゼロとなっている。この間は、時刻t3に対応する図5(c)に示すように、両方の刃部5a,5bが被加工物Wに接触していない。つまり、回転工具5は空転している。
Thereafter, as shown in FIG. 4, the cutting resistance Fy is zero between t2 and t4. During this time, as shown in FIG. 5C corresponding to time t3, both the
その後、図4に示すように、切削抵抗Fyが時刻t4に再び大きな値に変化し、時刻t5に再びゼロ付近に変化している。図4の時刻t4には、対応する図5(d)に示すように、他方の刃部5bが被加工物Wに接触開始している。つまり、他方の刃部5bにより切削加工を開始している。また、図4の時刻t5には、対応する図5(e)に示すように、他方の刃部5bによる切削加工を終了している。このように、t4〜t5の間において、他方の刃部5bが切削加工している。
After that, as shown in FIG. 4, the cutting resistance Fy changes again to a large value at time t4 and again changes to near zero at time t5. At time t4 in FIG. 4, the
ここで、図5における今回の切削領域より、t1〜t2、t4〜t5の各瞬間において、実切込量h(瞬間的な切込量)が異なることが分かる。つまり、実切込量hは、切削開始から一気に多くなり、ピークに達した後に徐々に少なくなっている。より詳細には、前回切削されていない部位と前回切削された部位との境界の前後で変化している。そして、図4の切削抵抗Fyのうち急激に大きくなっている部分に示すように、切削加工中の切削抵抗Fyは、略三角形状になっており、実切込量hに応じて変化していることが分かる。 Here, it can be seen from the current cutting region in FIG. 5 that the actual cutting amount h (instantaneous cutting amount) differs at the instants t1 to t2 and t4 to t5. That is, the actual cutting amount h increases at a stroke from the start of cutting and gradually decreases after reaching the peak. In more detail, it changes before and after the boundary between the part not cut last time and the part cut last time. Then, as shown in the portion of the cutting force Fy of FIG. 4 that is abruptly increased, the cutting resistance Fy during the cutting process has a substantially triangular shape, and changes according to the actual cutting depth h. I understand that
また、回転工具5は、時刻t1,t4において切削加工を開始するということは、換言すると、時刻t1,t4において被加工物Wに衝突するということになる。つまり、回転工具5が空転状態から切削加工を開始する瞬間には、回転工具5には、被加工物Wとの衝突による断続的な切削抵抗Fyが発生する。
In addition, when the
つまり、回転工具5の先端側の回転中心Cは、切削加工している間の切削抵抗Fyの変動によって、少なくとも反切込方向(Y方向)への加速度を生じる。さらに、断続切削であることによって、回転工具5の先端側の回転中心Cは、切削加工している間の切削抵抗Fy(衝撃力のような力)に起因して、少なくとも反切込方向(Y方向)に振動する(加振される)。
That is, the rotation center C on the distal end side of the
従って、回転工具5の先端側の回転中心Cの変位量Tyは、図4の破線に示すように、回転工具5の固有値に応じて振動している。特に、切削加工中に変動する切削抵抗Fyが加振源となり振動を起こし、回転工具5が空転している間に、減衰している。そして、再び、切削抵抗Fyにより変位量Tyが大きくなり、繰り返す。
Therefore, the displacement amount Ty of the rotation center C on the tip side of the
(3.工作機械の機能構成)
次に、工作機械100の機能構成についての詳細を図6〜図10を参照して説明する。工作機械100は、図6の機能ブロック図に示すように構成される。以下に、図6に示す工作機械100の機能構成について説明する。
(3. Functional configuration of machine tools)
Next, details of the functional configuration of the
切削抵抗検出センサ71は、切削加工中において回転工具5に作用する反切込方向Yの切削抵抗Fyを検出し、検出信号を切削抵抗算出部32に出力する。例えば、切削抵抗検出センサ71は、荷重センサ、変位センサ、送り軸の駆動モータの消費電力検出器、供給電流センサなどを適用できる。つまり、荷重センサにより切削抵抗Fyそのものを直接検出することもできるし、変位センサやその他により間接的に切削抵抗Fyを検出することもできる。
The cutting
切削抵抗算出部32は、切削抵抗検出センサ71から出力された検出信号に基づいて、切削加工中において回転工具5に作用する反切込方向Yの切削抵抗Fyを算出する。なお、切削抵抗算出部32は、回転工具5の情報や加工条件から、シミュレーションにより、切削加工中において回転工具5に作用する反切込方向Yの切削抵抗Fyを算出しても差し支え無い。
The cutting
工具変位量算出部35は、高速度カメラ9で撮像された回転工具5の回転中心Cの反切込方向Yの変位Tyを算出する。具体的には、工具変位量算出部35は、撮像された回転工具5を含む画像データから、その明暗差等により回転工具5の画像とそれ以外(例えば背景)の部分の画像の境界(エッジ)を検出することにより、回転工具5の外縁を検出する。そして、工具変位量算出部35は、1フレーム毎に、回転工具5の軸方向所定位置において、回転工具5の外縁が反切込方向Yに何ピクセル移動したかを検出することにより、回転工具5の回転中心Cの反切込方向Yの変位Tyを算出する。このようにして、断続的な切削加工により加振され振動している状態の回転工具5の変位量(図7示)が連続的に算出される。なお、刃部5a,5bの有無によって、回転工具5の反切込方向Yの変位Tyが影響しないように、回転工具5の外縁の検出は、回転工具5の刃部5a,5bが形成されていない基部の外周面において行われる。
The tool displacement
工具変位量記憶部36には、図7に示すように、断続的な切削加工により加振され振動している状態の回転工具5の反切込方向Yの変位Tyの経時変化が連続的に記憶される。図7に示すように、回転工具5の反切込方向Yの変位Tyは、回転工具15の刃部5a、刃部5bのいずれかが最初に被加工物Wに当接した後に、最大の変位Ty1となり、その後、徐々に減衰しながら一定の周期Tで振動する。
As shown in FIG. 7, the tool displacement
動特性算出部37は、工具変位量記憶部36に記憶されている回転工具5の反切込方向Yの連続的な変位Ty、及び、切削抵抗算出部32で算出された切削抵抗Fyに基づいて、回転工具5の動特性を算出する。動特性算出部37による回転工具5の動特性(固有振動数fd、角固有振動数ωd、減衰率ζ、質量係数M、粘性減衰係数C、弾性係数K)の算出について、図8に示すフローチャートを参照して以下に説明する。
The dynamic
まず、動特性算出部37は、工具変位量記憶部36の記憶されている回転工具5の反切込方向Yの連続的な変位Tyに基づき、変位Tyの角固有振動数ωdを算出する(S21)。具体的には、まず、式(1)に示すように、動特性算出部37は、回転工具15の最大変位Ty1、Ty2の時刻t1、t2の間隔を検出して、変位Tyの周期T[s](図7示)を検出する。
First, the dynamic
(数1)
T[s]=t2−t1・・・(1)
(Equation 1)
T [s] = t2-t1 (1)
次に、動特性算出部37は、式(2)に示すように、変位Tyの周期Tの逆数から、変位Tyの固有振動数fd[Hz]を算出する。
Next, the dynamic
(数2)
fd=1/T・・・(2)
fd:固有振動数
(Equation 2)
fd = 1 / T (2)
fd: natural frequency
次に、動特性算出部37は、式(3)に示すように、変位Tyの角固有振動数ωd[rad/s]を算出する(S21)。
Next, the dynamic
(数3)
ωd=2πfd・・・(3)
ωd:角固有振動数
(Equation 3)
ωd = 2πfd (3)
ωd: angular natural frequency
次に、動特性算出部37は、工具変位量記憶部36の記憶されている回転工具5の反切込方向Yの連続的な変位Tyに基づき、式(4)に示すように、回転工具15の最大変位Ty1、Ty2(図7示)から、回転工具5の振動の減衰率ζを算出する(S22)。
Next, based on the continuous displacement Ty in the anti-cutting direction Y of the
次に、動特性算出部37は、工具変位量記憶部36の記憶されている回転工具5の反切込方向Yの連続的な変位Tyに基づき、一方の刃部5aが被加工物Wに接触開始した瞬間の時刻t0(図9示)から一方の刃部5aによる被加工物Wの切削加工を終了した瞬間の時刻t1(図9示)までの変位Tyの積分値Ak(図9示)を算出する(S23)。
Next, the dynamic
次に、動特性算出部37は、工具変位量記憶部36の記憶されている回転工具5の反切込方向Yの連続的な変位Tyを時間微分することにより、回転工具5の変形速度Vy(図9示)を算出するとともに、変形速度Vyを上記時刻t0から時刻t1まで時間積分し、回転工具5の変形速度Vyの積分値Ac(図9示)を算出する(S24)。
Next, the dynamic
次に、動特性算出部37は、切削抵抗算出部32により算出された切削抵抗Fyを上述した時刻t0から時刻t1まで時間積分し、回転工具5の切削抵抗Fyの積分値At(図9示)を算出する(S25)。
Next, the dynamic
次に、動特性算出部37は、質量係数Mを算出する(S26)。以下に、質量係数M算出手法を説明する。
被加工物Wを切削加工中の回転工具5に作用する力Fは、回転工具5に作用する反切込方向Yの切削抵抗Fy、回転工具5の弾性による力Fk、及び、回転工具5の粘性減衰による力Fcの合力であるので、下式(5)で表される。
Next, the dynamic
The force F acting on the
(数5)
F=Fy+Fk+Fc・・・(5)
F:回転工具5に作用する反切込方向Yの力
Fy:回転工具5に作用する反切込方向Yの切削抵抗
Fk:回転工具5の弾性による力
Fc:回転工具5の粘性減衰による力
(Equation 5)
F = Fy + Fk + Fc (5)
F: Force in the anti-cutting direction Y acting on the
Fy: Cutting resistance in the anti-cutting direction Y acting on the
Fk: force due to elasticity of the
Fc: Force due to viscous damping of the
ここで、Fkは下式(6)で表される。 Here, Fk is expressed by the following formula (6).
(数6)
Fk=−KTy・・・(6)
Fk:回転工具5の弾性による力
K:回転工具5の弾性係数
Ty:回転工具5の反切込方向Yの変位Ty
(Equation 6)
Fk = −KTy (6)
Fk: force due to elasticity of the
K: elastic coefficient of the
Ty: Displacement Ty in the anti-cutting direction Y of the
また、Fcは下式(7)で表される。 Fc is represented by the following formula (7).
(数7)
Fc=−CVy・・・(7)
Fc:回転工具5の粘性減衰による力
C:回転工具5の粘性減衰係数
Vy:回転工具5の反切込方向Yの変形速度Vy
(Equation 7)
Fc = −CVy (7)
Fc: Force due to viscous damping of the
C: Viscous damping coefficient of
Vy: Deformation speed Vy in the anti-cutting direction Y of the
次に、回転工具5の質量係数Mとし、回転工具5の加速度をaとすると、上式(5)及び下式(8)から式(9)が導かれる。
Next, when the mass coefficient M of the
(数8)
F=Ma・・・(8)
F:回転工具5に作用する反切込方向Yの力
M:回転工具5の質量係数
a:回転工具5の加速度
(Equation 8)
F = Ma (8)
F: Force in the anti-cutting direction Y acting on the
M: Mass coefficient of the
a: Acceleration of the
(数9)
a=(Fy+Fk+Fc)/M・・・(9)
(Equation 9)
a = (Fy + Fk + Fc) / M (9)
ここで、上記時刻t0での回転工具5の変形速度をV0(図9示)、上記時刻t1での回転工具5の変形速度をV1(図9示)とすると、その間の回転工具5の速度変化量ΔVy=(V1−V0)は、回転工具5の加速度aを上記時刻t0から時刻t1まで時間積分した値であるので、上式(9)に上式(6)、(7)を代入し、上記時刻t0から時刻t1まで時間積分すると、下式(10)が導かれる。
Here, if the deformation speed of the
上式(10)に、S25において算出した切削抵抗Fyの積分値At、S23において算出した変位Tyの積分値Ak、及び、S24において算出した変形速度Vyの積分値Acを代入すると、下式(11)が導かれる。 Substituting the integrated value At of the cutting force Fy calculated in S25, the integrated value Ak of the displacement Ty calculated in S23, and the integrated value Ac of the deformation speed Vy calculated in S24 into the above formula (10), 11) is derived.
(数11)
MΔVy=At−KAk-CAc…(11)
(Equation 11)
MΔVy = At−KAk−CAc (11)
ここで、減衰率ζが十分に小さいとすると、減衰振動の運動方程式から、角固有振動数ωdは、下式(12)で表される。 Here, if the damping rate ζ is sufficiently small, the angular natural frequency ωd is expressed by the following equation (12) from the equation of motion of the damping vibration.
(数12)
ωd=√(K/M)…(12)
ωd:角固有振動数
K:弾性係数
C:粘性減衰係数
(Equation 12)
ωd = √ (K / M) (12)
ωd: angular natural frequency
K: elastic modulus
C: Viscous damping coefficient
上式(12)を変形させると、弾性係数Kは下式(13)で表される。 When the above equation (12) is deformed, the elastic coefficient K is expressed by the following equation (13).
(数13)
K=ωd2M…(13)
(Equation 13)
K = ωd 2 M (13)
一方で、減衰振動の運動方程式から、減衰率ζは、下式(14)で表される。 On the other hand, the damping rate ζ is expressed by the following equation (14) from the equation of motion of the damped vibration.
(数14)
ζ=C/2√(K・M)…(14)
ζ:減衰率
K:弾性係数
C:粘性減衰係数
(Equation 14)
ζ = C / 2√ (K · M) (14)
ζ: Decay rate
K: elastic modulus
C: Viscous damping coefficient
上式(14)を変形し、上式(12)を代入すると、粘性減衰係数Cは、下式(15)で表される。 When the above equation (14) is transformed and the above equation (12) is substituted, the viscous damping coefficient C is expressed by the following equation (15).
(数15)
C=2ζ√(K・M)=2ζωdM…(15)
(Equation 15)
C = 2ζ√ (K · M) = 2ζωdM (15)
次に、上式(11)に、上式(13)及び上式(15)を代入すると、下式(16)が導き出される。 Next, when the above equation (13) and the above equation (15) are substituted into the above equation (11), the following equation (16) is derived.
(数16)
At=MΔVy+Mωd2Ak+2MζωdAc…(16)
(Equation 16)
At = MΔVy + Mωd 2 Ak + 2MζωdAc (16)
そして、上式(16)を変形すると、下式(17)が導きだされる。
(数17)
M=At/(ΔVy+ωd2Ak+2ζωdAc)…(17)
And if the above equation (16) is transformed, the following equation (17) is derived.
(Equation 17)
M = At / (ΔVy + ωd 2 Ak + 2ζωdAc) (17)
次に、上式(17)に、S21で算出した角固有振動数ωd、S22で算出した減衰率ζを代入すると、回転工具5の質量係数Mが算出される。
Next, when the angular natural frequency ωd calculated in S21 and the damping factor ζ calculated in S22 are substituted into the above equation (17), the mass coefficient M of the
次に、動特性算出部37は、上式(13)に、S21で算出した角固有振動数ωd、及び、S26で算出した質量係数Mを代入することにより、回転工具5の弾性係数Kを算出する(S27)。
Next, the dynamic
最後に、動特性算出部37は、上式(15)に、S21で算出した角固有振動数ωd、S22で算出した減衰率ζ、S26で算出した質量係数Mを代入することにより、回転工具5の粘性減衰係数Cを算出する(S28)。
Finally, the dynamic
工具動特性記憶部38は、動特性算出部37によって算出された回転工具5の固有振動数fd、角固有振動数ωd、減衰率ζ、質量係数M、粘性減衰係数C、弾性係数(バネ乗数)Kからなる回転工具5の動特性を記憶する。
The tool dynamic characteristic storage unit 38 includes a natural frequency fd, an angular natural frequency ωd, a damping factor ζ, a mass coefficient M, a viscous damping coefficient C, an elastic coefficient (spring multiplier) calculated by the dynamic characteristic calculating unit 37. ) The dynamic characteristics of the
加工条件決定処理部39は、工具動特性記憶部38に記憶されている動特性に基づいて、切削加工の加工条件を決定する。例えば、加工条件決定処理部39は、回転工具5の固有振動数fd(共振周波数)に基づいて、回転工具5の固有振動数fdを避けるように、回転工具5の回転速度S(回転主軸4の回転速度)を決定する。なお、加工条件決定処理部39は、切削加工の加工条件を決定して、NCデータそのものを変更することもできるし、切削加工中に切削加工の加工条件を補正することもできる。
The machining condition
機械制御部41は、NCデータ、及び、加工条件決定処理部39にて決定された切削加工の加工条件に基づいて、各駆動部61を制御する。駆動部61には、回転主軸4を回転させるモータ、回転主軸4をX軸、Y軸、Z軸方向に移動するアクチュエータが含まれる。
The
(4.動特性算出・加工処理の説明)
次に、図6及び図10のフローチャートを参照して、図1や図6に示す制御部50の各算出部、加工条件決定処理部39、及び、機械制御部41が実行する動特性算出・加工処理について説明する。まず、機械制御部41は、駆動部61に制御信号を出力することにより、試し加工を実行する(S101)。この試し加工は、製品の品質に影響しない箇所の加工や仕上げ加工前の粗加工、或いは、テストピースによる切削が含まれる。次に、工具変位量算出部35は、上述した処理によって、高速度カメラ9が撮像した回転工具15を含む撮像データに基づいて、回転工具5の反切込方向Yの変位Tyを算出して、試し加工中において加振され振動している回転工具5の変位Tyを検出する(S102)。
(4. Description of dynamic characteristics calculation and processing)
Next, referring to the flowcharts of FIGS. 6 and 10, calculation of dynamic characteristics executed by each calculation unit of the
次に、切削抵抗算出部32は、上述した処理によって、試し加工中の切削抵抗Fyを算出する(S103)。次に、動特性算出部37は、上述した処理によって、S102で検出した試し加工中の回転工具5の反切込方向Yの変位Ty、及び、S103で算出した試し加工中の切削抵抗Fyに基づいて、回転工具5の固有振動数fd、角固有振動数ωd、減衰率ζ、質量係数M、粘性減衰係数C、及び、弾性係数Kからなる回転工具5の動特性を算出する(S103)。
Next, the cutting
次に、加工条件決定処理部39は、S103で算出された動特性に基づいて、加工条件を決定する(S105)。次に、機械制御部41は、NCデータ、及び、S105で決定された加工条件に基づいて、駆動部61に制御信号を出力することにより、本加工を実行し(S106)、製品を完成させる。このように、S101において、最終製品の品質に影響しない箇所の被加工物Wを切削加工することにより、S102において試し加工中の回転工具5の変位量Tyを検出し、S104において回転工具5の動特性を算出し、S105において、算出された動特性によって加工条件を決定し、S106において、加工条件が最適化された状態で、本加工を行うので、最終製品の品質に影響することなく、より精度高く切削加工を行うことができる。
Next, the machining condition
上述した動特性算出装置によれば、以下のような効果を奏する。図6に示す動特性算出部37(動特性算出手段)は、工具変位量算出部35が算出した切削加工中の回転工具5の反切込方向Yの変位量Ty、切削抵抗算出部32によって算出された回転工具5の反切込方向Yの切削抵抗Fyに基づいて、回転工具5の動特性を算出する。これにより、回転主軸4が回転中の回転工具5の動特性が算出される。このため、回転主軸4が停止している状態で動特性を算出する場合と比較して、正確に動特性を算出して取得することが可能となる。また、高速度カメラ9(工具変位量検出手段)は、断続的な切削加工により加振された回転工具5の反切込方向Yの変位量Tyを検出し、当該検出された回転工具5の変位量Tyに基づいて、動特性を算出する。このため、従来のように、回転工具5に加速度計を取り付ける必要もなく、ハンマーの叩き方にも経験を要さないことから、手間をかけずに動特性を取得することができる。
According to the above-described dynamic characteristic calculation apparatus, the following effects can be obtained. The dynamic characteristic calculation unit 37 (dynamic characteristic calculation unit) illustrated in FIG. 6 is calculated by the displacement amount Ty in the anti-cutting direction Y of the
また、被加工物Wの試し加工中において、高速度カメラ9(工具変位量検出手段)によって検出された振動している状態の回転工具5の変位量に基づいて、動特性算出部37(動特性算出手段)は、回転工具5の動特性を算出する。これにより、最終製品の品質に影響すること無く、回転工具5の動特性を算出することができる。
Further, during the trial machining of the workpiece W, based on the displacement amount of the
また、本実施形態では、高速度カメラ9(撮像装置)によって、切削加工中の回転工具5の変位量を検出している。そして、高速度カメラ9によって撮像された回転工具5を含む画像データから、回転工具5の外縁を検出し、回転工具5の反切込方向Yの変位Tyを検出する。このため、従来のように、加速度センサ等によって回転工具5の変位を検出する方法と比較して、回転主軸4の回転に伴う振動等のノイズの影響を受けず、より高精度に回転工具5の反切込方向Yの変位を検出することができ、微少な回転工具5の変位も検出することができる。また、加速度センサを取り付けることができない小径の回転工具5であっても、回転工具5の動特性を取得することができる。
In this embodiment, the amount of displacement of the
以上説明した実施形態では、被加工物Wを切削加工中の回転工具5の反切込方向Yの変位量Tyを検出する工具変位量検出手段として、高速度カメラ9を用いている。しかし、前記工具変位量検出手段として、レーザ発光素子とレーザ受光素子からなり、レーザ発光素子が切削加工中の回転工具5にレーザを照射し、回転工具5によって反射されレーザ受光素子によって受光したレーザにより、切削加工中の回転工具5の反切込方向Yの変位量Tyを検出するレーザ式変位センサであっても差し支え無い。或いは、前記工具変位量検出手段として、回転主軸4内に設けられ、回転主軸4の変位量を検出する主軸内部変位センサと、回転主軸4の変位量より切削加工中の回転工具5の反切込方向Yの変位量Tyを算出する工具変位量算出部とからなる主軸内部変位センサシステムであっても差し支え無い。
In the embodiment described above, the high-
なお、回転工具5の共振点が複数ある場合には、回転工具5の反切込方向Yの変位Tyのうち、回転工具5の回転周期の整数倍分だけ切り出して、拡散フーリエ展開(DFT)によって回転工具5の動特性を算出することが好ましい。
In addition, when there are a plurality of resonance points of the
5:回転工具、 5a,5b:刃部、 9…高速度カメラ(撮像装置、工具変位量検出手段)、 32:切削抵抗算出部(切削抵抗算出手段)、 37:動特性算出部(動特性算出手段)、 50:制御部、 100…工作機械、 W:被加工物 5: Rotary tool, 5a, 5b: Blade part, 9 ... High-speed camera (imaging device, tool displacement amount detection means), 32: Cutting resistance calculation part (cutting resistance calculation means), 37: Dynamic characteristic calculation part (dynamic characteristic) Calculation means), 50: control unit, 100 ... machine tool, W: workpiece
Claims (3)
断続的な切削加工により前記回転工具が加振された場合に、振動している状態の前記回転工具の変位量を検出する工具変位量検出手段と、
前記回転工具の切削抵抗を算出する切削抵抗算出手段と、
前記工具変位量検出手段が検出した振動している状態の前記回転工具の前記変位量、及び、前記切削抵抗算出手段によって算出された前記回転工具の前記切削抵抗に基づいて、前記回転工具の動特性である質量係数、弾性係数、及び粘性減衰係数の少なくとも1つを算出する動特性算出手段と、
を備える工作機械の動特性算出装置。 Using a rotary tool having one or more blades in the circumferential direction on the outer peripheral side, the machine tool moves intermittently by moving relative to the workpiece while rotating the rotary tool about its axis. A device for calculating characteristics,
A tool displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the rotating tool in a vibrating state when the rotating tool is vibrated by intermittent cutting;
Cutting force calculating means for calculating cutting resistance of the rotary tool;
The displacement amount of the rotary tool in a state in which the tool displacement amount detecting means is vibrating the detected and, based on the cutting force of the rotary tool calculated by the cutting resistance calculating means, movement of the rotary tool Dynamic characteristic calculating means for calculating at least one of a characteristic mass coefficient, elastic coefficient, and viscous damping coefficient ;
A machine tool dynamic characteristic calculation apparatus comprising:
前記被加工物の試し加工中において、前記工具変位量検出手段によって検出された振動している状態の前記回転工具の前記変位量に基づいて、前記動特性算出手段は、前記回転工具の前記動特性を算出する工作機械の動特性算出装置。 In claim 1,
During trial machining of the workpiece, on the basis of the displacement amount of the rotary tool in the state that vibrations detected by said tool displacement amount detecting means, the dynamic characteristic calculating means, the movement of the rotary tool Machine tool dynamic characteristic calculation device for calculating characteristics.
前記工具変位量検出手段は、撮像装置である工作機械の動特性算出装置。 In claim 1 or claim 2,
The tool displacement amount detection means is a dynamic characteristic calculation device of a machine tool which is an imaging device.
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