JP5956921B2

JP5956921B2 - 動吸振器

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Publication number: JP5956921B2
Application number: JP2012282470A
Authority: JP
Inventors: 繁一志子田; 守行坂本; 久保田　哲也; 哲也久保田; 匡克財津
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014126102A

Description

本発明は、回転する工具を備えた工作機械に取り付けられて、工具の回転に伴って発生する振動を低減する動吸振器に関する。

従来、マシニングセンタなどの回転する工具を備えた工作機械に動吸振器を取り付けて、工具の振動を抑制することが知られている。一般に、動吸振器は、振動系の固有振動数と等しいような固有振動数を有するバネ−マス−ダンパ振動系を振動系に付加することにより、振動系の固有振動数周辺での共振現象を抑制するとともに振動を減衰させるものである。

例えば、特許文献１では、回転する工具の周りにハウジングを設け、このハウジングに振動減衰部（振動減衰部は動吸振器に相当）を取り付けた工作機械が示されている。この工作機械では、振動減衰部を構成する弾性部材および錘が、工具の回転の半径方向に沿うようにハウジングに取り付けられている。

特開２００７−２１６５７号公報

横型マシニングセンタなどの工作機械では、主軸の軸方向と略平行な方向をＺ方向としたときに、Ｚ方向と直交するＸ方向およびＹ方向ならびにＺ方向に工具を移動させながら加工を行う。このような工作機械に取り付けられる動吸振器にはＸ方向とＹ方向に等しい制振特性、つまり、等方性を有する制振特性が要求される。動吸振器の制振特性が前述のような等方性を備えない場合は、例えば、工具がＸ方向に切削しながら移動するときとＹ方向に切削しながら移動するときとで動吸振器の制振効果が異なる。この結果、ワークの加工品質に異方性が生じる。

特許文献１に示された工作機械では、弾性部材と錘が工具の回転の半径方向に沿うように設けられるので、工具の回転の半径方向への振動抑制が期待できる。しかし、ハウジングに対し２か所の弾性部材を介して錘が取り付けられており、この構成では工具に対する振動減衰部の位置によっては制振効果に差が生じる虞れがある。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、工作機械に取り付けられる動吸振器であって、工具のＸ方向およびＹ方向への振動に対し等しい制振効果を発揮するものを提供することを目的とする。

本発明は、工作機械に取り付けられる動吸振器であって、
前記工作機械の主軸の軸方向と略平行な仮想のＺ₁₀軸を有するとともに、前記Ｚ₁₀軸と略平行な方向をＺ₁方向、前記Ｚ₁方向と略直交する２方向をそれぞれＸ₁方向およびＹ₁方向とする仮想のＸ₁−Ｙ₁−Ｚ₁座標系を有し、
筐体と、前記Ｘ₁方向および前記Ｙ₁方向の力に対する等方性を備えるように前記Ｚ₁₀軸の周りに配置されるとともに前記Ｚ₁方向の一方の端部が前記筐体に連結された４以上のバネから成るバネ要素と、前記バネ要素の前記Ｚ₁方向の他方の端部に連結されたマス要素と、前記マス要素の前記Ｚ₁方向の両側において前記マス要素と前記筐体との間に設けられたダンパ要素とを、備えているものである。上記において「前記Ｘ₁方向および前記Ｙ₁方向の力に対する等方性」とは、Ｘ₁方向およびＹ₁方向の力を受けたときのバネ要素の物理的性質が、力を受ける方向によって変わらないことをいうものとする。

前記動吸振器において、前記４以上のバネの各々の中心が前記Ｚ₁₀軸を中心とする或１つの円周上にあり、前記４以上のバネが前記Ｚ₁₀軸を中心として周方向に均等に振り分け配置されていてよい。

また、前記動吸振器において、前記４以上のバネの各々の中心が前記Ｚ₁₀軸を中心とする或１つの円周上にあり、前記４以上のバネが前記Ｚ₁₀軸上で略直交するＸ₁−Ｙ₁平面上の２直線上に配置されていてよい。

上記発明によれば、動吸振器はＸ₁方向の振動とＹ₁方向の振動に対し等しい制振効果を発揮できる。工作機械の主軸の軸方向を機械座標のＺ方向とし、これと直交する２方向をそれぞれ機械座標のＸ方向とＹ方向としたときに、工作機械の主軸の周囲に取り付けられた動吸振器のＺ₁₀軸は機械座標のＺ方向と略平行であり、動吸振器のＸ₁−Ｙ₁平面は機械座標のＸ−Ｙ平面と略平行である。よって、主軸に取り付けられた工具の機械座標のＸ方向の振動とＹ方向の振動に対して、動吸振器は等しい制振効果を発揮することができる。つまり、動吸振器は機械座標のＸ方向の振動とＹ方向の振動に対して等方性を有する制振特性を備えている。さらに、動吸振器は４以上のバネからなるバネ要素を備えることによって、バネ−マス−ダンパ振動系がＺ₁₀軸回りのねじれ方向（回転方向）に変形しにくい。このように動吸振器のねじれ方向の変形を抑制することにより、動吸振器の制振効果の低下を防止できる。

本発明は、前記動吸振器において、前記マス要素が、前記バネ要素の前記Ｚ₁方向の他方の端部に連結された錘基板と、前記錘基板に前記Ｚ₁方向に積層固定された複数の錘板とから成るものである。

上記構成によれば、錘板を異なる重さのものと取り換えることでマス要素の重量を容易に増減させることができる。

本発明は、前記動吸振器において、前記錘板の少なくとも１枚は、前記Ｚ₁方向の板厚が等しいが比重の異なる材料で構成された他の錘板と入れ替え可能であるものである。

上記構成によれば、マス要素の重量を増減する際に、マス要素全体のＺ₁方向の大きさを変化させることなく、重さだけを変化させることができる。これにより、マス要素の重量の調整に際して筐体や他の要素との位置やスペースの調整が不要であり、容易にマス要素の重量を調整することができる。

本発明は、前記動吸振器において、前記筐体の前記Ｚ₁方向と略直交する少なくとも１面および前記Ｚ₁方向と略平行な少なくとも１面が、開口枠と前記開口枠に着脱可能に取り付けられた面材とで形成されているものである。

動吸振器のバネ要素およびマス要素は、開口枠である前記筐体の前記Ｚ₁方向と直交する少なくとも１面から前記Ｚ₁方向に組み付けることができる。そして、マス要素の重量の調整の際にも、前記Ｚ₁方向にマス要素を解体および組み付けできることで、作業が容易となる。

本発明によれば、動吸振器はＸ₁方向の振動とＹ₁方向の振動に対し等しい制振効果を発揮できる。よって、動吸振器が取り付けられた工作機械の主軸の軸方向を機械座標のＺ方向とし、これと直交する２方向をそれぞれＸ方向とＹ方向としたときに、主軸に取り付けられた工具の機械座標のＸ方向およびＹ方向への移動に対して、動吸振器は等しい制振効果を発揮することができる。

本発明の実施の形態に係る動吸振器が取り付けられた工作機械をＸ方向から見た図である。本発明の実施の形態に係る動吸振器が取り付けられた工作機械をＹ方向から見た図である。本発明の実施の形態に係る動吸振器の斜視図である。動吸振器の内部構造を示す斜視図である。動吸振器をＹ₁−Ｚ₁平面で切断した断面図である。動吸振器をＸ₁−Ｙ₁平面で切断した断面図である。本実施の形態に係るバネの配置をＺ₁方向から見た概略図である。変形例１に係るバネ要素をＺ₁方向から見た概略図である。変形例２に係るバネ要素をＺ₁方向から見た概略図である。変形例３に係るバネ要素をＺ₁方向から見た概略図である。

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。以下では動吸振器を取り付ける工作機械の一例として横型マシニングセンタを用いて説明する。ただし、本発明に係る動吸振器が適用される工作機械はマシニングセンタに限定されない。図１は本発明の実施の形態に係る動吸振器が取り付けられた工作機械をＸ方向から見た図であり、図２は本発明の実施の形態に係る動吸振器が取り付けられた工作機械をＹ方向から見た図である。ここで、工作機械の主軸１２の軸方向を機械座標のＺ方向とし、Ｚ方向と略直交する２方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とする。図１において、機械座標のＸ方向は紙面を貫く方向であり、Ｙ方向は紙面の上下方向である。また、図２において、機械座標のＸ方向は紙面の左右方向であり、Ｙ方向は紙面の上下方向である。

図１および２に示すように、本実施の形態に係る動吸振器１０は、アダプター１１を介して横型マシニングセンタの主軸１２の周囲に取り付けられている。ここでは主軸１２のＸ方向に動吸振器１０が取り付けられているが、動吸振器１０は主軸１２の周囲のどの位置に取り付けられていても構わない。主軸１２には工具１３が着脱可能に装着されている。この工具１３は、例えば、切削加工を行う刃具である。治具によりイケール１５に固定されたワーク１６に対して、主軸１２が工具１３を回転させながらＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させることにより、ワーク１６が加工される。なお、マシニングセンタは一般に知られた工作機械であり、その詳細な説明については省略する。

動吸振器１０は、機械座標のＺ方向と平行な軸方向を有する。以下では、動吸振器１０の軸方向と平行な方向をＺ₁方向とし、Ｚ₁方向と略直行する２方向をそれぞれＸ₁方向、Ｙ₁方向とする。このように動吸振器１０は仮想のＸ₁−Ｙ₁−Ｚ₁座標系を有することとする。図２において、主軸１２の外周の接線方向がＹ₁方向であり、工具１３を中心とする放射方向（半径方向）がＸ₁方向である。

図３は本発明の実施の形態に係る動吸振器の斜視図、図４は動吸振器の内部構造を示す斜視図、図５は動吸振器をＹ₁−Ｚ₁平面で切断した断面図、図６は動吸振器をＸ₁−Ｙ₁平面で切断した断面図である。図４は、動吸振器１０を図３と同じ方向から見た斜視図であるが、内部構造をわかりやすくするために、筐体２１から面材２３が外されている。

図３〜６に示すように、動吸振器１０はＺ₁方向に延びる仮想のＺ₁₀軸を有する。動吸振器１０では、Ｚ₁₀軸を中心軸として、筐体２１内にバネ要素、マス要素およびダンパ要素から成るバネ−マス−ダンパ振動系が構築されている。以下、動吸振器１０の構造について詳細に説明する。

まず、筐体２１について説明する。筐体２１は、フレーム２２と、フレーム２２に取り付けられた複数の面材２３とで全体として直方体に形成されている。フレーム２２は、アダプター１１に固定される固定板２２１と、固定板２２１と略直交する組付け基板２２２と、他の枠構成部材２２３，，，とで直方体に形成されている。組付け基板２２２の主面は、Ｚ_１0軸と略直交するＸ₁−Ｙ₁平面である。フレーム２２の固定板２２１と組付け基板２２２以外の４面は開口枠となっている。ただし、筐体２１は、Ｚ₁方向と直交する少なくとも１面およびＺ₁方向と略平行な少なくとも１面が、開口枠となっていればよい。このフレーム２２の開口枠を利用して、筐体２１内に動吸振器１０の各構成要素をＺ₁方向から組み付けることができる。そして、筐体２１内部に構成要素を組み付けたあとで、フレーム２２の開口枠となっている面の各々に面材２３が着脱可能に取り付けられる。フレーム２２に取り付けられた面材２３は筐体２１の剛性を向上させており、これにより筐体２１の変形が抑制されている。

次に、バネ要素について説明する。バネ要素はＺ₁方向の一方の端部が筐体２１の組付け基板２２２に連結された４以上のバネ２５から成る。４以上のバネ２５はいずれも同じ形状であって同じ弾性係数（バネ定数）のものである。４以上のバネ２５は、バネ要素全体としてＸ₁方向およびＹ₁方向の力に対する等方性を備えるように筐体２１内に配置されている。ここで「Ｘ₁方向およびＹ₁方向の力に対する等方性」とは、Ｘ₁方向およびＹ₁方向の力を受けたときのバネ要素の物理的性質が、力を受ける方向によって変わらないことをいう。

本実施の形態では、４本のバネ２５が、バネ要素全体としてＸ₁方向およびＹ₁方向の力に対して等方性を備えるように、筐体２１に配置されている。図７は本実施の形態に係るバネ２５の配置をＺ₁方向から見た概略図である。図７では、バネ２５と筐体２１の組付け基板２２２以外の要素を省略して示しており、Ｚ₁₀軸を通るＸ₁方向の直線をＸ₁₀軸とし、Ｚ₁₀軸を通るＹ₁方向の直線をＹ₁₀軸として示している。図６および図７に示すように、４本のバネ２５をＺ₁方向から見たときに、Ｚ₁₀軸を中心とする或１つの円周上に４本のバネ２５の各中心軸２５Ｃが位置しており、４本のバネ２５が配置Ｚ₁₀軸の周りに周方向に均等に振り分け配置されている。このように配置された４本のバネ２５は、隣接するバネ同士の中心軸２５Ｃの中心角が等しく、且つ、Ｚ₁₀軸から中心軸２５Ｃまでの距離が等しい。また、４本のバネ２５をＺ₁方向から見たときに、Ｘ₁−Ｙ₁平面上のＺ₁₀軸を通るどの直線に関しても、４本のバネ２５が線対称となっている。例えば、図７では、Ｘ₁₀軸とＹ₁₀軸とにより区画される第１〜４象限のそれぞれにバネ２５が配置されている。そして、Ｘ₁₀軸を挟んで２つずつ配置された計４つのバネ２５は、Ｘ₁₀軸に関し線対称となるように配置されている。同様に、Ｙ₁₀軸を挟んで２つずつ配置された計４つのバネ２５は、Ｙ₁₀軸に関し線対称となるように配置されている。

上記のように配置された本実施の形態に係るバネ要素は、バネ２５が組み付けられる略正方形の組付け基板２２２を基準として見れば、組付け基板２２２の４隅に弾性係数の等しい４本のバネ２５が配置されている。換言すれば、弾性係数の等しい４本のバネ２５がＺ₁₀軸で直交する２本のＸ₁−Ｙ₁平面上の直線上（ここでは、組付け基板２２２の直交対角線上）に配置されている。ただし、バネ要素の形態は上記に実施の形態に限定されない。例えば、図８に示すように、バネ要素は、前述の実施の形態のバネ要素と比較して各バネ２５の位相がＺ₁₀軸を中心として４５°ずれて配置されていてもよい。

また、本実施の形態に係るバネ要素は弾性係数の等しい４本のバネを備えているが、バネ２５の数は４本以上であればよく、さらに、弾性係数の異なるバネが用いられていてもよい。要するに、バネ要素がＸ₁方向およびＹ₁方向の力に対して等方性を備えていれば、バネ要素を構成しているバネ２５の形態は上記実施の形態に限定されない。例えば、図９に示すように、バネ要素は、弾性係数の等しい４の倍数（８，１２，，，）本のバネ２５が、Ｚ₁₀軸から中心軸２５Ｃまでの距離が等しくなるように、配置Ｚ₁₀軸の周りに周方向に均等に振り分け配置されたものであってよい。ここでは、動吸振器１０にＸ₁方向とＹ₁方向に対し等しい制振効果を発揮するバネ要素を簡易に設計するために、バネ要素を構成しているバネ２５の数を４の倍数としている。また、例えば、図１０に示すようにバネ要素が配置されてもよい。この例では、Ｘ₁₀軸とＹ₁₀軸とにより区画される第１象限と第３象限にそれぞれ２つの小さい円で示されるバネ２５が配置され、第２象限と第４象限にそれぞれ大きな円で示されるバネ２５が配置されている。そして、小さな円で示される２つのバネ２５の組が、大きな円で示される１つのバネ２５とバネの特性上等価であることによって、バネ要素はＸ₁方向およびＹ₁方向の力に対して等方性を備えている。なお、上記図８〜１０は、変形例１〜３に係るバネ要素をＺ₁方向から見た概略図であり、これらの図ではバネ２５と筐体２１の組付け基板２２２以外の要素を省略して示しており、Ｚ₁₀軸を通るＸ₁方向の直線をＸ₁₀軸とし、Ｚ₁₀軸を通るＹ₁方向の直線をＹ₁₀軸として示している。

上記のように４以上のバネ２５はバネ要素がＸ₁方向およびＹ₁方向の力に対して等方性を備えるように配置され、これらのバネ２５でマス要素を支持することにより、動吸振器１０はＸ₁方向の振動とＹ₁方向の振動に対し等しい制振効果を発揮できるようになっている。さらに、動吸振器１０がＺ₁₀軸の周りに配置された４以上のバネ２５からなるバネ要素を備えることによって、動吸振器１０のバネ−マス−ダンパ振動系がＺ₁₀軸回りのねじれ方向（回転方向）に変形しにくい。バネ−マス−ダンパ振動系にねじれ方向の振動モードが発生すると、バネ−マス−ダンパ振動系のパフォーマンスが阻害されて制振効果が低下してしまう。これに対し、上記動吸振器１０では、バネ−マス−ダンパ振動系のねじれ方向の変形が抑制されていることにより、制振効果の低下を防止することができる。

バネ要素を構成している各バネ２５は、Ｚ₁方向に延びる中心軸２５Ｃを回転の中心とする回転体に形成されている。バネ２５は、例えばポリアセタール（ＰＯＭ）から成る樹脂バネであって、一体的に成形されたものである。ただし、バネ２５の材質は樹脂に限らず、金属等であってもよい。要するに、バネ２５の形状および材質は所望の共振周波数が得られる形状および材質であればよい。バネ２５の大部分はＺ₁方向に延びる柱状体であって、バネ２５のＺ₁方向の両端近傍にフランジ２５１，２５１が設けられている。バネ２５の一方のフランジ２５１は、筐体２１の組付け基板２２２にボルト４０とナットプレート４１からなる締結具で固定されている。バネ２５の他方のフランジ２５１は、後述する錘２６の錘基板２６１にボルト４２とナットプレート４３から成る締結具で固定されている。

バネ２５のＺ₁方向の両端はフランジ２５１，２５１よりも突出した突出部２５２，２５２となっている。この突出部２５２，２５２が組付け基板２２２と後述する錘基板２６１の各々に設けられた位置決め孔２２２ａ，２６１ａに嵌入することによって、バネ２５が組付け基板２２２と錘基板２６１に相対的に位置固定される。

続いて、マス要素について説明する。マス要素である錘２６は、バネ要素のＺ₁方向の端部に連結された錘基板２６１と、錘基板２６１にＹ₁方向に積層され固定された複数の錘板２６２とから構成されている。錘基板２６１と複数の錘板２６２とはボルト４４およびナット４５から成る締結具によってＹ₁方向に締結されている。錘２６はその重心がＺ₁₀軸上にあるように配置されている。本実施の形態に係る錘基板２６１および錘板２６２は、Ｚ₁₀軸と略直交する主面が略正方形であり、Ｚ₁方向に厚みを有する厚板状である。そして、錘基板２６１および錘板２６２の略正方形の対角線の交点にＺ₁₀軸が位置している。ただし、錘基板２６１および錘板２６２の形状はこれに限定されず、例えば、Ｚ₁₀軸と略直交する主面がＺ₁₀軸を中心とした円形であってＺ₁方向に厚みを有する厚板状とすることもできる。

錘板２６２は複数種類の板厚のものが用いられている。さらに、錘板２６２の少なくとも１枚は、Ｚ₁方向の板厚が等しいが比重の異なる材料で構成された他の錘板と入れ替え可能に構成されている。このように、錘板２６２を異なる重さのものと取り換えることで、マス要素の重量を容易に増減させることができるようにしている。さらに、マス要素の重量を増減する際に、マス要素全体のＺ₁方向の大きさを変化させることなく、重さだけを変化させることができるようにしている。これにより、マス要素の重量の調整に際して筐体や他の要素との位置やスペースの調整が不要であり、容易にマス要素の重量を調整することができる。例えば、アルミニウム等の比較的比重の小さい材料でなる錘板２６２と、タングステン等の比較的比重の大きい材料でなる錘板２６２とをそれぞれ用意し、外形（特に、Ｚ₁方向の厚み）が同じで重さの異なる錘板２６２同士を入れ替える。本実施の形態では、錘基板２６１はステンレス製であり、錘板２６２のうち比較的比重の大きい材料でなるものはタングステン合金製である。そして、主として使用される錘板２６２を比較的比重の大きいタングステン合金製とすることによって、錘２６の体積をより小さくして動吸振器１０全体がコンパクトになるようにしている。

続いて、ダンパ要素について説明する。動吸振器１０のダンパ要素は、振動エネルギーを吸収して振動を減衰させるものであって、本実施の形態では２つのダンパ２７から成る。２つのダンパ２７のダンパ特性（減衰係数）は同じであってもよいし相違していてもかまわない。本実施形態に係るダンパ２７は板状のゴム材である。ダンパ２７は、錘２６のＺ₁方向両側のそれぞれにおいて、Ｚ₁₀軸の周囲に設けられている。第１のダンパ２７１は、錘基板２６１のＺ₁方向一方側に設けられたスペーサブロック３０と、筐体２１の組付け基板２２２との間に設けられている。第２のダンパ２７２は、錘２６と筐体２１の面材２３との間に設けられている。従って、筐体２１の組付け基板２２２からＺ₁方向に、第１のダンパ２７１、スペーサブロック３０、錘２６（錘基板２６１および複数の錘板２６２）、第２のダンパ２７２、および筐体２１の面材２３の順に並んでいる。

ここで、上記構成の動吸振器１０のマシニングセンタの主軸１２への組み付け手順を説明する。

まず、マシニングセンタの主軸１２の周囲に、アダプター１１を固定する。ここで、図６に示すように、アダプター１１はボルト等の締結具５１により主軸１２の周囲に締結される。さらに、アダプター１１に筐体２１のフレーム２２のうち固定板２２１を固定する。ここでも、図６に示すように、固定板２２１はボルト等の締結具５２によりアダプター１１に締結される。

次に、４本のバネ２５のＺ₁方向の一方の端部を筐体２１の組付け基板２２２に取り付ける。具体的には、組付け基板２２２に設けられた位置決め孔２２２ａにバネ２５の突出部２５２を嵌め入れ、バネ２５のフランジ２５１と組付け基板２２２をこれらをＺ₁方向に貫くボルト４０とナットプレート４１から成る締結具で締結する。このようにして４本のバネ２５の一方の端部を組付け基板２２２に固定する。

続いて、４本のバネ２５のＺ₁方向の他方の端部を錘２６の錘基板２６１を取り付ける。具体的には、錘基板２６１に設けられた位置決め孔２６１ａにバネ２５の突出部２５２を嵌め入れ、バネ２５のフランジ２５１と錘基板２６１をこれらをＺ₁方向に貫くボルト４２とナットプレート４３から成る締結具で締結する。それと同時に、組付け基板２２２と錘基板２６１との間に、第１のダンパ２７１とスペーサブロック３０とを介挿する。なお、組み立てを容易にするために、スペーサブロック３０に第１のダンパ２７１が接着剤などで固定されていてもよい。

続いて、錘基板２６１に錘板２６２を固定する。具体的には、錘基板２６１と複数の錘板２６２をＺ₁方向に積層し、これらをＺ₁方向に貫くボルト４４とナット４５から成る締結具で締結する。

最後に、筐体２１のフレーム２２の開口枠となっているすべての面に面材２３を固定する。面材２３はフレーム２２の開口枠を覆うように配置され、ボルトおよびナットから成る締結具によりフレーム２２と締結される。ここで、組付け基板２２２と対向する面材２３をフレーム２２に固定するときには、錘２６の最も端に位置する錘板２６２と面材２３との間に第２のダンパ２７２を介挿する。なお、組み立てを容易にするために、錘２６の最も端に位置する錘板２６２に第２のダンパ２７２が接着剤などで固定されていてもよい。

上記のように動吸振器１０の筐体２１に組み付けられたバネ−マス−ダンパ振動系は、振動を抑制する対象物体である主軸１２の固有振動数と同じまたは近い固有振動数となるように調整される。バネ−マス−ダンパ振動系の調整のために、動吸振器１０では主に錘２６の重量を変更させる。場合によっては、バネ２５をバネ定数が異なるバネに取り換えたり、ダンパ２７を減衰係数の異なるダンパに取り換えたりする。このように調整された動吸振器１０では、主軸１２の振動に伴いバネ−マス−ダンパ振動系が共振することにより主軸１２の振動を低減できる。さらに、動吸振器１０のダンパ２７が振動エネルギーを吸収する結果、主軸１２の振動を減衰させることができる。

以上のようにマシニングセンタの主軸１２に取り付けられた動吸振器１０のＺ₁₀軸およびＺ_１方向は、主軸１２の機械座標のＺ方向と略平行である。したがって、主軸１２の機械座標のＸ−Ｙ平面は、動吸振器１０のＸ₁−Ｙ₁平面と略平行である。動吸振器１０は、４本のバネ２５がＸ₁方向およびＹ₁方向の力に対して等方性を備えるようにＺ₁₀軸の周りに配置されることによって、Ｘ₁方向の振動とＹ₁方向の振動に対し等しい制振効果を発揮できる。ここで、上述の通り主軸１２の機械座標のＸ−Ｙ平面は動吸振器１０のＸ₁−Ｙ₁平面と略平行であるので、動吸振器１０では主軸１２の機械座標のＸ方向の振動とＹ方向の振動に対し等しい制振効果を発揮することができる。換言すれば、動吸振器１０は工作機械の主軸１２の軸方向に垂直な２方向（Ｘ方向とＹ方向）の振動に対して等方性を有する制振特性を備えている。

また、動吸振器１０では、前述のとおりバネ−マス−ダンパ振動系の特性の調整を行うが、この調整作業を容易とするために、動吸振器１０は一方向（ここではＺ₁方向）から構成要素の組み付けができるように構成されている。さらに、筐体をフレーム構造とし、フレーム２２の開口枠を通って内部へ構成要素を組み付けできるようにしている。例えば、錘２６の重量を変更する場合には、組付け基板２２２と対向する面材２３をフレーム２２から取り外し、複数の錘板２６２を錘基板２６１に締結しているボルト４４を取り外し、錘板２６２を異なる重さのものと取り換え、再びボルト４４で複数の錘板２６２を錘基板２６１に締結し、組付け基板２２２と対向する面材２３をフレーム２２へ取り付ける。

上述のように動吸振器１０ではバネ−マス−ダンパ振動系の調整作業を容易に行うことができる。したがって、動吸振器１０のバネ−マス−ダンパ振動系の特性を、取り付ける工作機械の特性に合わせて最適に調整することが容易である。つまり、既存の工作機械にも本実施形態に係る動吸振器１０を適用することが容易である。

〔実施例１〕
ここで、工作機械に上記動吸振器１０を取り付けた一実施例を紹介する。この実施例に係る工作機械は横型マシニングセンタである。この横型マシニングセンタでは、主軸に刃具を取り付けてチタン合金等の難削材の切削加工を行っている。動吸振器を取り付ける以前は、切削加工時の加工条件（切り込み量、主軸回転数など）によってはビビリ振動が発生することがあった。ビビリ振動は、工具とワークの間で継続的に発生する振動のことである。このビビリ振動が生じるとワークの切削面に振動に対応した痕跡が残り、加工品質が低下する。また、ビビリ振動は工具や工作機械を損傷させる原因となり得る。よって、ビビリ振動の発生を回避するために加工速度を上げることができず、生産効率の上昇が妨げられていた。

そこで、以下のようにして設計されたパッシブな動吸振器を横型マシニングセンタの主軸に取り付けて、ビビリ振動を抑制するようにした。動吸振器は、横型マシニングセンタの主軸の軸方向と動吸振器のＺ₁₀軸とが略平行となるように、横型マシニングセンタの主軸の側部に取り付けた。

動吸振器のバネ−マス−ダンパ振動系の特性の設計条件を、固有値計測の結果と、３次元ＣＡＤおよびＣＡＥによる固有値解析結果とから求めた。なお、設計の制約として、軸方向の切り込み量の絶対安定限界を１．５倍とした。

固有値計測の結果、横型マシニングセンタの主軸の上下（図１ではＹ方向に相当）及び左右（図１ではＸ方向に相当）の固有振動モードが９６Ｈｚであった。よって、動吸振器のバネ−マス−ダンパ振動系の目標固有振動数の目標値を９６Ｈｚとした。

バネ−マス−ダンパ振動系のマス要素の重量は、横型マシニングセンタとマス要素の質量比が０．０５以上となる値とした。また、バネ要素のバネ定数は、固有値解析により導き出された最適値の０．９〜１．１倍の範囲に含まれる値とした。また、ダンパ要素の減衰係数は、固有値解析により導き出された最適値の０．５〜２．０倍の範囲に含まれる値とした。

上記のように設計された動吸振器を横型マシニングセンタの主軸に取り付けることにより、従来と比較して切削速度や主軸回転数を上げてもビビリ振動の発生が抑制された。つまり、従来と比較して切削速度や主軸回転数が増加しても高品質の切削加工を行えるようになった。これにより切削加工速度を増加させることが可能となるので、生産効率の向上が期待される。

１０動吸振器
１１アダプター
１２（工作機械の）主軸
１３工具
１５イケール
１６ワーク
２１筐体
２２フレーム
２２１固定板
２２２組付け基板
２２２ａ位置決め孔
２３面材
２５バネ
２５１フランジ
２５２突出部
２６錘
２６１錘基板
２６１ａ位置決め孔
２６２錘板
２７ダンパ
２７１第１のダンパ
２７２第２のダンパ
３０スペーサブロック

Claims

工作機械に取り付けられる動吸振器であって、
前記工作機械の主軸の軸方向と略平行な仮想のＺ₁₀軸を有するとともに、前記Ｚ₁₀軸と略平行な方向をＺ₁方向、前記Ｚ₁方向と略直交する２方向をそれぞれＸ₁方向およびＹ₁方向とする仮想のＸ₁−Ｙ₁−Ｚ₁座標系を有し、
筐体と、
前記Ｘ₁方向および前記Ｙ₁方向の力に対する等方性を備えるように前記Ｚ₁₀軸の周りに配置されるとともに前記Ｚ₁方向の一方の端部が前記筐体に連結された４以上のバネから成るバネ要素と、
前記バネ要素の前記Ｚ₁方向の他方の端部に連結されたマス要素と、
前記マス要素の前記Ｚ₁方向の両側において前記マス要素と前記筐体との間に設けられたダンパ要素とを、
備えている、動吸振器。
前記４以上のバネの各々の中心が前記Ｚ₁₀軸を中心とする或１つの円周上にあり、
前記４以上のバネが前記Ｚ₁₀軸を中心として周方向に均等に振り分け配置されている、請求項１に記載の動吸振器。
前記４以上のバネの各々の中心が前記Ｚ₁₀軸を中心とする或１つの円周上にあり、
前記４以上のバネが前記Ｚ₁₀軸上で略直交するＸ₁−Ｙ₁平面上の２直線上に配置されている、請求項１に記載の動吸振器。
前記マス要素が、前記バネ要素の前記Ｚ₁方向の他方の端部に連結された錘基板と、前記錘基板に前記Ｚ₁方向に積層固定された複数の錘板とから成る、請求項１〜３のいずれか一項に記載の動吸振器。
前記錘板の少なくとも１枚は、前記Ｚ₁方向の板厚が等しいが比重の異なる材料で構成された他の錘板と入れ替え可能である、請求項４に記載の動吸振器。
前記筐体の前記Ｚ₁方向と略直交する少なくとも１面および前記Ｚ₁方向と略平行な少なくとも１面が、開口枠と前記開口枠に着脱可能に取り付けられた面材とで形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の動吸振器。