JP6888375B2 - Vibration analysis system and processing machine - Google Patents
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Description
本発明は、びびり振動が発生し得る切削加工系(加工システム)の振動特性を求め得る振動解析システムと、その振動特性を利用して、びびり振動を抑制しつつ切削加工を行える加工機に関する。 The present invention relates to a vibration analysis system that can obtain the vibration characteristics of a cutting processing system (machining system) that can generate chatter vibration, and a processing machine that can perform cutting while suppressing chatter vibration by utilizing the vibration characteristics.
切削加工中に、切削工具(特に切れ刃)と被削材の間に大きな振動(いわゆる「びびり振動」)が発生することがある。びびり振動は、加工面の寸法精度や表面粗さの劣化、生産性や歩留まりの低下、切削工具の損傷や加工機の不具合等の要因となる。このため、加工中にびびり振動を発生させないことが求められる。 During cutting, large vibrations (so-called "chatter vibrations") may occur between the cutting tool (particularly the cutting edge) and the work material. Chatter vibration causes deterioration of dimensional accuracy and surface roughness of the machined surface, deterioration of productivity and yield, damage to cutting tools, malfunction of the processing machine, and the like. Therefore, it is required not to generate chatter vibration during processing.
びびり振動は、その発生原因等によって複数のタイプに分かれ、そのタイプ毎に振動対策も異なる。非特許文献1で詳述されているように、びびり振動には、大別して自励びびり振動(型)と強制びびり振動(型)が存在する。自励びびり振動は、加工プロセスの中に振動をフィードバックして拡大する閉ループが存在しており、それが原因で生じる。強制びびり振動は、何らかの強制的な振動原因(例えば、フライス加工等の断続切削による切削力の変動、工作機械内部の振動等)が機械などの伝達系(振動特性)を介して拡大することによって生じる。
Chatter vibration is divided into multiple types depending on the cause of its occurrence, and vibration countermeasures differ for each type. As described in detail in Non-Patent
自励びびり振動には、再生型びびり振動とモードカップリング型びびり振動等がある。再生型びびり振動は、一回転前(多刃工具では一刃前)の切削時に生じていた振動が、加工面の起伏として残り、現在の切削時の切込み量の変動として再生することにより生じる。また、モードカップリング型びびり振動は、2方向の振動モードが近い共振周波数を有するときに、それらが連成して生じる。 Self-excited chatter vibrations include regenerative chatter vibrations and mode-coupling chatter vibrations. The regenerative chatter vibration is generated by the vibration generated during cutting one rotation before (one blade before with a multi-blade tool), which remains as the undulations of the machined surface and is regenerated as the fluctuation of the depth of cut during the current cutting. Further, the mode coupling type chatter vibration occurs in a coupled manner when the vibration modes in the two directions have similar resonance frequencies.
びびり振動の抑制策として、切込み量の低減や主軸回転数の変更等がなされることが多い。しかし、例えば、切込み量(切り取り厚さ)の低減は、切削力変動を小さくするものの、振動発生の閉ループへは影響が無い。このため、切込み量の低減によって強制びびり振動は抑制されても、自励びびり振動は抑制されない。そこで、びびり振動のタイプに応じて、びびり振動を抑制する提案が特許文献1でなされている。
As a measure to suppress chatter vibration, the depth of cut is often reduced or the spindle speed is changed. However, for example, reducing the cutting amount (cutting thickness) reduces the fluctuation of the cutting force, but does not affect the closed loop in which vibration is generated. Therefore, even if the forced chatter vibration is suppressed by reducing the depth of cut, the self-excited chatter vibration is not suppressed. Therefore,
特許文献1は、振動センサ(加速度センサ、変位センサ、音センサ等)により検出したびびり振動周波数に基づいて、びびり振動のタイプを分類し、そのタイプに応じて、切削工具の回転数(主軸回転数)を、びびり振動を低減できる回転数に変更している。
しかし、特許文献1は、びびり振動が発生したときに、その抑制を事後的に行うものに過ぎず、事前にびびり振動を抑制するものでもなければ、びびり振動が発生し易い加工条件等を予め予測するものではない。
However,
本発明は、そのような事情に鑑みて為されたものであり、加工機により被削材を加工する加工系において、びびり振動を生じ得る加工条件等の予測に有効な振動特性を求めることができる振動解析システムと、その振動特性を利用してびびり振動を抑制した範囲で切削加工できる加工機と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 it is required to obtain vibration characteristics effective for predicting processing conditions and the like that may cause chatter vibration in a processing system for processing a work material by a processing machine. It is an object of the present invention to provide a vibration analysis system capable of performing cutting and a processing machine capable of cutting within a range in which chatter vibration is suppressed by utilizing the vibration characteristics.
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、実加工中に検出した振動を周波数解析して、その振動が強制びびり振動であるときの振動特性を求め、この振動特性に基づいて、加工システムの共振周波数やびびり振動が生じ易い範囲等を予め特定または予測することを着想した。この着想を具現化させて発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to solve this problem, the present inventor frequency-analyzes the vibration detected during actual machining, obtains the vibration characteristic when the vibration is forced chatter vibration, and based on this vibration characteristic, The idea was to specify or predict in advance the resonance frequency of the processing system and the range in which chatter vibration is likely to occur. By embodying and developing this idea, the present invention described below was completed.
《振動解析システム》
(1)本発明の振動解析システムは、切削工具から被削材に印加される切削力が周期的に変動する加工システムの振動特性を解析する振動解析システムであって、前記被削材を前記切削工具で或る設定条件下で実加工しているときに検出される振動を周波数解析して、周波数領域における該振動の切削力に対する伝達関数を求める解析手段と、該解析手段から得られた伝達関数のうちで、振動のピーク周波数が切削力の変動に係る基本周波数の自然数倍に略一致するときの設定条件下における伝達関数を、該設定条件下における振動特性として記憶する記憶手段とを備える。
《Vibration analysis system》
(1) The vibration analysis system of the present invention is a vibration analysis system that analyzes the vibration characteristics of a machining system in which the cutting force applied from a cutting tool to a work material periodically fluctuates. An analysis means for frequency-analyzing the vibration detected during actual machining with a cutting tool under certain set conditions to obtain a transmission function of the vibration with respect to the cutting force in the frequency region, and an analysis means obtained from the analysis means. of transfer function storage means for peak frequencies of the vibration is the transfer function in the setting conditions when substantially matches the natural number times the fundamental frequency of the fluctuation of the cutting force is stored as the vibration characteristics of the setting conditions provided with a door.
(2)本発明の振動解析システムでは、実加工中に検出した振動に基づいて周波数解析を行い、その振動が強制びびり振動タイプであるとき、その振動の切削力に対する伝達関数を当該加工系における振動特性として採用する。これにより、非加工中の静的な加振試験等では得られない当該加工系に特有な振動特性を的確に求めることができる。 (2) In the vibration analysis system of the present invention, frequency analysis is performed based on the vibration detected during actual machining, and when the vibration is a forced chatter vibration type, the transfer function of the vibration to the cutting force is transmitted in the machining system. Adopted as vibration characteristics. As a result, it is possible to accurately obtain the vibration characteristics peculiar to the processing system, which cannot be obtained by a static vibration test or the like during non-processing.
こうして得られた振動特性を用いれば、びびり振動が発生し易い加工領域(主軸回転数、切込み量等)を高精度に予測したり、加工機により高品質な切削加工を効率的に行うことが可能となる。 By using the vibration characteristics obtained in this way, it is possible to predict the machining area (spindle speed, depth of cut, etc.) where chatter vibration is likely to occur with high accuracy, and to efficiently perform high-quality cutting with a machining machine. It will be possible.
(3)実加工中の振動を上述したように解析することによって、びびり振動の抑止に有効利用できる加工系の振動特性を的確に求めることができる理由は次のように考えられる。実加工中は、非加工中と異なり、切削工具や被削材等に生じる撓みや振動等により、切削工具(特に刃先)と被削材との間の接触剛性や減衰特性等も変化し得る。このため、実加工中に検出される振動には、非加工中の加振試験等で得られる振動には含まれない多くの情報も含まれている。例えば、実加工中に発生する振幅の大きい振動により、切削工具(刃具)の逃げ面が被削材の加工面と接触してプロセスダンピング効果が生じることがある。このようなプロセスダンピング効果等の影響は、非加工中の加振試験等で得られた振動を解析してもわからず、本発明のように実加工中の振動を解析することにより初めてわかる。
また、実加工中には、加工系の振動特性とは別な要因で自励びびり振動が生じることがあるが、本発明では、そのような自励びびり振動が生じた場合を除外して、加工系の振動特性に起因している強制びびり振動タイプの振動のみを実質的に解析している。
こうして本発明の振動解析システムによれば、実加工中に生じるびびり振動の高精度な予測等に有効な、実加工中の当該加工系の振動特性を的確に把握することが可能になったと考えられる。
(3) By analyzing the vibration during actual machining as described above, the reason why the vibration characteristics of the machining system that can be effectively used to suppress chatter vibration can be accurately obtained is considered as follows. During actual machining, unlike during non-machining, the contact rigidity and damping characteristics between the cutting tool (especially the cutting edge) and the work material may change due to bending and vibration generated in the cutting tool and work material. .. Therefore, the vibration detected during actual processing includes a lot of information that is not included in the vibration obtained in the vibration test or the like during non-processing. For example, a large-amplitude vibration generated during actual machining may cause the flank of the cutting tool (cutting tool) to come into contact with the machined surface of the work material, resulting in a process damping effect. The influence of such a process damping effect and the like cannot be understood by analyzing the vibration obtained in the vibration test during non-processing, but can be understood only by analyzing the vibration during actual processing as in the present invention.
Further, during actual machining, self-excited chatter vibration may occur due to a factor other than the vibration characteristics of the machining system. However, in the present invention, the case where such self-excited chatter vibration occurs is excluded. Only the forced chatter vibration type vibration caused by the vibration characteristics of the processing system is analyzed substantially.
In this way, according to the vibration analysis system of the present invention, it is considered that it is possible to accurately grasp the vibration characteristics of the processing system during actual processing, which is effective for highly accurate prediction of chatter vibration generated during actual processing. Be done.
なお、本発明の振動解析システムにより求まる振動特性を利用することにより、強制びびり振動の発生のみならず、自励びびり振動の発生も定量的に予測でき、いずれのタイプの振動に対しても防振等が可能となる。例えば、自励びびり振動であれば、確立されている理論に、本発明に係る振動特性から求まるモーダルパラメータを当てはめることにより、実加工に適合したびびり振動の安定領域または不安定領域を高精度に明らかにすることができる。 By using the vibration characteristics obtained by the vibration analysis system of the present invention, not only the occurrence of forced chatter vibration but also the occurrence of self-excited chatter vibration can be quantitatively predicted, and it is possible to prevent any type of vibration. It is possible to shake. For example, in the case of self-excited chatter vibration, by applying the modal parameters obtained from the vibration characteristics according to the present invention to the established theory, it is suitable for actual machining and the stable region or unstable region of the chatter vibration can be determined with high accuracy. Can be clarified.
また、切削力の変動に応じて生じる強制びびり振動であれば、振動を抑制できる加工条件の選択が可能になる他、例えば、振動変位を把握し、それを見込んだ加工条件を選択することにより、加工誤差を実質的にゼロにした加工を当初から行うことも可能となる。 Further, in the case of forced chatter vibration generated in response to fluctuations in cutting force, it is possible to select machining conditions that can suppress the vibration. For example, by grasping the vibration displacement and selecting the machining conditions that anticipate it. It is also possible to perform machining with substantially zero machining error from the beginning.
《加工機》
本発明は、振動解析システムとしてのみならず、それにより得られた振動特性を利用して、びびり振動を抑制した範囲で切削加工できる加工機としても把握できる。例えば、本発明は、切削力を切削工具から被削材へ印加して該被削材を切削する加工機であって、上述した振動解析システムにより求まる振動特性または共振周波数に基づいて、切削工具による被削材の切込み量および/または主軸回転数を制御する制御装置を備える加工機でもよい。
"Processing machine"
The present invention can be grasped not only as a vibration analysis system but also as a processing machine capable of cutting within a range in which chatter vibration is suppressed by utilizing the vibration characteristics obtained by the system. For example, the present invention is a processing machine that applies a cutting force from a cutting tool to a work material to cut the work material, and the cutting tool is based on the vibration characteristics or resonance frequency obtained by the vibration analysis system described above. It may be a processing machine provided with a control device for controlling the depth of cut and / or the spindle rotation speed of the work material.
《その他》
(1)本発明に係る振動特性は、一つの或る設定条件(「加工条件」ともいう。)下で実加工した際に検出された振動を解析したものに限らず、異なる設定条件下で実加工した際に検出された複数種の振動を解析して得られたもの(統合振動特性)でもよい。この統合振動特性を用いることにより、当該加工系の共振周波数等をより高精度に特定することが可能となる。そこで本発明の振動解析システムは、例えば、複数種の設定条件下で得られた複数種の振動特性からなる統合振動特性から求まるゲインと位相の少なくとも一方が所定範囲内となるときの周波数を、加工システムの共振周波数とする共振周波数特定手段を備えると好適である。
<< Other >>
(1) The vibration characteristics according to the present invention are not limited to those obtained by analyzing the vibration detected during actual machining under one certain setting condition (also referred to as "machining condition"), but under different setting conditions. It may be obtained by analyzing a plurality of types of vibrations detected during actual processing (integrated vibration characteristics). By using this integrated vibration characteristic, it is possible to specify the resonance frequency and the like of the processing system with higher accuracy. Therefore, in the vibration analysis system of the present invention, for example, the frequency when at least one of the gain and the phase obtained from the integrated vibration characteristic consisting of a plurality of types of vibration characteristics obtained under a plurality of types of setting conditions is within a predetermined range is set. It is preferable to provide a means for specifying the resonance frequency as the resonance frequency of the processing system.
(2)本明細書でいう「〜手段」を「〜ステップ」と換言することができ、これにより本発明の振動解析システムは振動解析方法ともできる。 (2) The "-means" referred to in the present specification can be paraphrased as "-step", whereby the vibration analysis system of the present invention can also be used as a vibration analysis method.
上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の振動解析システム(方法)のみならず、その解析結果を利用した加工機(特にその制御装置)にも適宜該当し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。 One or more components arbitrarily selected from the present specification may be added to the above-described components of the present invention. The contents described in the present specification may appropriately apply not only to the vibration analysis system (method) of the present invention but also to a processing machine (particularly its control device) using the analysis result. Which embodiment is the best depends on the target, required performance, and the like.
《加工システム》
本発明に係る加工システム(「加工系」ともいう。)は、実加工中の振動を発生させる被削材と切削工具を含む加工機との組合わせからなる。同じ加工機を用いる場合でも、被削材や切削工具が異なれば、発生する振動は異なり、本発明に係る解析によって得られる振動特性も異なる。
《Processing system》
The machining system (also referred to as “machining system”) according to the present invention comprises a combination of a work material that generates vibration during actual machining and a machining machine including a cutting tool. Even when the same processing machine is used, different work materials and cutting tools generate different vibrations, and the vibration characteristics obtained by the analysis according to the present invention also differ.
本発明に係る加工系は、振動解析の対象に関して、切削力が周期的に変動する場合である。この変動は、断続的(離散的)でも連続的でもよい。このような場合として、例えば、刃先と被削材が断続的に接触するフライス加工やエンドミル加工がある。一般的に刃先と被削材の接触が連続的である旋削加工でも、切削力が周期的に変動すれば(または切削力を周期的に変動させれば)、本発明による振動解析の対象となる。 The processing system according to the present invention is a case where the cutting force fluctuates periodically with respect to the object of vibration analysis. This variation may be intermittent (discrete) or continuous. Such cases include, for example, milling and end milling in which the cutting edge and the work material are in intermittent contact with each other. In general, even in turning where the cutting edge and the work material are in continuous contact, if the cutting force fluctuates periodically (or if the cutting force fluctuates periodically), it is the target of vibration analysis according to the present invention. Become.
《振動解析》
(1)振動の検出(検出手段)
振動は、通常、変位、速度または加速度のいずれかが検出または測定されればよい。また、加工点近傍の振動(例えば切れ刃等の振動)を直接的に検出してもよいし、加工点近傍の振動が伝達される部位の振動を間接的に検出してもよい。検出位置に応じて、適切な検出手段が選択される。検出手段は、本発明の振動解析のために専用に設けられたものでもよいし、加工機自体が備えている測定・検出機器を兼用して、本発明に係る検出手段としてもよい。
《Vibration analysis》
(1) Vibration detection (detection means)
Vibration usually may be detected or measured as either displacement, velocity or acceleration. Further, the vibration near the machining point (for example, the vibration of the cutting edge or the like) may be directly detected, or the vibration at the portion where the vibration near the machining point is transmitted may be indirectly detected. An appropriate detection means is selected according to the detection position. The detection means may be provided exclusively for the vibration analysis of the present invention, or may be used as the detection means according to the present invention by also using the measurement / detection device provided in the processing machine itself.
(2)振動タイプの判定(判定手段)
実加工中に検出される振動は多様であるが、本発明では、変動する切削力の周波数(または周期)を利用して、検出される振動が強制びびり振動型であると判断されるときに、振動特性を求めている。
(2) Vibration type determination (determination means)
There are various vibrations detected during actual machining, but in the present invention, when it is determined that the detected vibration is a forced chatter vibration type by using the frequency (or period) of the fluctuating cutting force. , Vibration characteristics are required.
具体的にいうと、強制びびり振動型であるか否の判断は、検出された振動を周波数解析して得られた結果から、ピークが現れる周波数が、切削力の基本周波数の自然数倍に略一致するか否かにより行う。仮に、検出された振動が、自励びびり振動またはそれと強制びびり振動とが混在した振動であるとき、切削力の基本周波数の自然数倍と異なる周波数でも、ピークが出現する。このため、上述した方法により、検出された振動が強制びびり振動型であるか否かの判断が可能となる。 Specifically, in determining whether or not it is a forced chatter vibration type, the frequency at which the peak appears is abbreviated to the natural number of the fundamental frequency of the cutting force from the results obtained by frequency analysis of the detected vibration. It depends on whether they match or not. If the detected vibration is a self-excited chatter vibration or a mixture of the self-excited chatter vibration and the forced chatter vibration, a peak appears even at a frequency different from the natural number of the fundamental frequency of the cutting force. Therefore, by the above-mentioned method, it is possible to determine whether or not the detected vibration is a forced chatter vibration type.
ここで切削力の基本周波数とは、変動する切削力の周波数であって、加工方法(特に切削工具の種類や形態)から特定される最小のものである。例えば、フライス加工の場合であれば、その切削工具の切れ刃が加工点を通過する周波数が本発明でいう基本周波数となる。後述する式(12)でいうと、n=1のときであるが、設定主軸回転数Ssetと刃数Nに比例して基本周波数も大きくなる。 Here, the fundamental frequency of the cutting force is a fluctuating frequency of the cutting force, which is the minimum frequency specified by the machining method (particularly the type and form of the cutting tool). For example, in the case of milling, the frequency at which the cutting edge of the cutting tool passes through the machining point is the fundamental frequency referred to in the present invention. In the equation (12) described later, when n = 1, the fundamental frequency also increases in proportion to the set spindle speed Sset and the number of blades N.
なお、ピーク周波数と基本周波数の自然数倍が略一致するとは、両者が完全一致する場合の他、検出誤差や微小なノイズの影響を考慮して、一致・不一致を実質的に判断するという意味である。 Note that the fact that the peak frequency and the natural number multiple of the fundamental frequency are approximately the same means that the match / mismatch is substantially determined in consideration of the effects of detection error and minute noise, in addition to the case where the two are completely matched. Is.
《用途》
本発明の振動解析システムは、振動解析装置や加工機の(数値)制御装置等であってもよいし、それらに組み込まれるプログラムであってもよい。また本発明の振動解析システムは、加工機(特に制御装置)と連携して、振動検出、周波数解析、振動タイプの判定、振動特性の記憶、共振周波数等や加工条件の特定・算出等が自動的になされるものであると好ましい。
《Use》
The vibration analysis system of the present invention may be a vibration analysis device, a (numerical value) control device of a processing machine, or the like, or may be a program incorporated therein. Further, the vibration analysis system of the present invention automatically performs vibration detection, frequency analysis, determination of vibration type, storage of vibration characteristics, identification / calculation of resonance frequency, etc. and processing conditions in cooperation with a processing machine (particularly a control device). It is preferable that it is done in a targeted manner.
本発明の振動解析システムの一例として、フライス加工機で実加工した際に得られる振動を分析して、その加工系(加工システム)における実加工中の振動特性を明らかにした。また、その振動特性に基づいて、その加工系の共振周波数を特定した。さらに、その振動特性に基づいて算出したモーダルパラメータを用いて、再生型びびり振動の安定限界を明らかにした。このような具体例を挙げて、本発明を以下に詳述する。 As an example of the vibration analysis system of the present invention, the vibration obtained during actual machining with a milling machine was analyzed, and the vibration characteristics during actual machining in the machining system (machining system) were clarified. Further, the resonance frequency of the processing system was specified based on the vibration characteristics. Furthermore, the stability limit of the regenerative chatter vibration was clarified using the modal parameters calculated based on the vibration characteristics. The present invention will be described in detail below with reference to such specific examples.
《加工機と振動解析装置の概要》
加工機として、図1に示すようなフライス加工機1(単に「加工機1」という。)を用意した。フライス加工機1は、モータを駆動源とする主軸2と、主軸2のホルダーに嵌挿されたシャンクの先端に取り付けられている切削工具3(刃具)と、ワーク4(被削材)を固定するベッドの送り量や主軸2の回転数(主軸回転数)を制御する数値制御(NC)装置10とを備える。
<< Overview of processing machine and vibration analyzer >>
As a processing machine, a milling machine 1 (simply referred to as “processing
加工機1でワーク4を加工している際に発生する振動を検出および解析する振動解析装置7(振動解析システム)は、加工点付近の振動(変位)を直接的に検出する振動センサ5または主軸2の固定部の振動(変位)を間接的に検出する振動センサ6(検出手段)と、それらセンサからの入力信号を演算処理する演算装置9(解析手段)と、演算装置9で処理されたデータを記憶する記憶装置8(記憶手段)と、演算装置9の演算処理に必要となる初期値、設定値、パラメータ等の情報を入力する入力装置11(入力手段)とを備える。
The vibration analysis device 7 (vibration analysis system) that detects and analyzes the vibration generated when the
振動センサ5と振動センサ6は、両方あっても良いが、一方のみでもよい。振動センサ5は、レーザー測定器や電気容量センサ等により実現でき、加工点近傍の切削工具3に生じている振動変位を直接測定できる点で好ましい。振動センサ6は、歪みゲージや加速度センサ等を用いることにより実現でき、加工点近傍の切削工具3に生じている振動変位を、間接的であるが簡易に測定できる点で好ましい。なお、詳細は後述するが、振動センサ6を用いた場合でも、補正係数(式(4)参照)を用いることにより、加工点近傍に生じている振動変位を知ることができる。
The
なお、振動センサ5または振動センサ6は、図2に示すように、ワーク4側の振動変位を検出するものでもよい。この場合、振動センサ5は、加工点近傍のワーク4に生じている振動変位を直接的に測定するものとなり、振動センサ6は加工点近傍のワーク4に生じている振動変位をベッド等を介して間接的に測定するものとなる。
As shown in FIG. 2, the
各振動センサは、変位の他、速度や加速度を検出または測定できるものでもよい。また、振動センサは少なくとも一つあれば良いが、複数の振動センサを異なる方向に配置して、複数方向の振動情報(変位、速度または加速度等)を検出または測定してもよい。さらに、振動センサは、振動解析装置7の一部として別途設ける他、加工機1が備えるセンサまたは測定機器を兼用してもよい。例えば、加工機1の主軸モータに設けられた動力計等を振動センサとして代用することが考えられる。以下では、図1に示すように、振動センサ5により、切削工具3に生じる変位を直接的に測定する場合について説明する。
Each vibration sensor may be capable of detecting or measuring velocity and acceleration in addition to displacement. Further, although at least one vibration sensor is required, a plurality of vibration sensors may be arranged in different directions to detect or measure vibration information (displacement, velocity, acceleration, etc.) in the plurality of directions. Further, the vibration sensor may be separately provided as a part of the
記憶装置8は、一時的な記憶を行う揮発性メモリ等でも良いし、長期的(半永久的)な記憶を行う固定記憶装置や不揮発性メモリ等でも良い。但し、振動解析により得られた各振動特性やそれに基づく解析結果は、データベースとして記憶装置8に長期保存されていると好ましい。
The
《振動特性等の解析》
加工機1でワーク4を実加工する際の振動特性等を、図3に示すような処理フローに沿って解析した。以下、処理フローの各ステップについて説明する。
<< Analysis of vibration characteristics, etc. >>
The vibration characteristics and the like when the
ステップS1で、演算装置9による解析処理に必要となる各種のパラメータを入力装置11から入力する(入力ステップ)。パラメータは、例えば、工具形状に関する諸変数(工具直径、刃数、ねじれ角、ピッチ角など)、加工条件に関する諸変数(主軸回転数、送り量、軸方向切込み量、半径方向切込み量など)、比切削抵抗等である。
In step S1, various parameters required for the analysis process by the
ステップS2では、実加工を行うときの主軸回転数の範囲(下限値と上限値)を、入力装置11から同様に入力して設定する。
In step S2, the range (lower limit value and upper limit value) of the spindle rotation speed at the time of actual machining is similarly input from the
ステップS3で、加工機1によりワーク4の実加工を開始して、そのときに発生する振動を振動センサ5により検出・測定する。なお、主軸の設定回転数Ssetの初期値は、ステップS2で設定した主軸回転数の下限値とした。
In step S3, the actual machining of the
ステップS4で、処理時の設定回転数Ssetと、その設定回転数Ssetで加工したときの時間領域における切削力データF(t)と振動センサ5を介して得られる振動データV(t)とを記憶装置8に記憶する。なお、切削力の算出方法の詳細は後述する。
In step S4, the set rotation speed Sset at the time of processing, the cutting force data F (t) in the time domain when processing with the set rotation speed Sset, and the vibration data V (t) obtained via the
ステップS5で、ステップS4で得られた切削力データF(t)と振動データV(t)とを演算装置9で周波数解析(高速フーリエ変換/FFT処理)する。これにより、時間領域の切削力データF(t)と振動データV(t)は、それぞれ、周波数領域の切削力データF(s)と振動データV(s)となる。
In step S5, the cutting force data F (t) and the vibration data V (t) obtained in step S4 are frequency-analyzed (fast Fourier transform / FFT processing) by the
これらから、式(1)に示すようにして、伝達関数に相当する振動特性データG(s)が得られる。なお、変位に基づく振動データを周波数解析した後に、式(2)または式(3)に基づく処理を行えば、速度や加速度を示す振動データを得ることもできる。振動データが変位、速度または加速度のとき、振動特性データはそれぞれ、コンプライアンス、モビリティまたはアクセレランスとなる。いずれを用いても良いが、本実施例では変位に基づく振動データをそのまま用いて解析した。 From these, the vibration characteristic data G (s) corresponding to the transfer function can be obtained as shown in the equation (1). If the vibration data based on the displacement is frequency-analyzed and then the processing based on the equation (2) or the equation (3) is performed, the vibration data indicating the velocity and the acceleration can be obtained. When the vibration data is displacement, velocity or acceleration, the vibration characteristic data is compliance, mobility or acceleration, respectively. Either one may be used, but in this example, the vibration data based on the displacement was used as it was for the analysis.
ステップS6では、ステップ5で得られた振動データV(s)に基づいて、加工機1とワーク4の加工系で発生していた振動(びびり振動)のタイプを判別する。その振動が強制びびり振動であるときは、ステップ7でそのときの設定回転数Ssetに対応させて、振動特性データG(s)を記憶装置8に記憶する。
In step S6, the type of vibration (chatter vibration) generated in the processing system of the
強制びびり振動であるか否かは、振動データV(s)のピーク周波数が、変動する切削力の基本周波数(切削工具3の切れ刃通過周波数)の自然数倍に一致しているかにより行う。両者が実質的に一致していたとき、加工系で発生していた振動のタイプは強制びびり振動であると判断する。 Whether or not the vibration is forced chatter depends on whether the peak frequency of the vibration data V (s) matches the natural frequency of the fluctuating fundamental frequency of the cutting force (the cutting edge passing frequency of the cutting tool 3). When the two are substantially the same, it is determined that the type of vibration generated in the processing system is forced chatter vibration.
本実施例の場合に生じる強制びびり振動は、一定間隔で離間して配置されている切削工具3(切れ刃)が、ワーク4を断続的に切削することにより、ワーク4に周期的な切削力を印加し、その切削力が起振力となって生じ得る。このため、設定回転数Sset(rpm)と切削工具3の切れ刃数Nを用いて、切削力の基本周波数は切れ刃の通過周波数(N・Sset/60)として求まり、その自然数倍(n=1、2、3・・・)の周波数fcutは式(12)のようにして求まる。
The forced chatter vibration that occurs in the case of this embodiment is caused by the cutting tools 3 (cutting edges) that are arranged at regular intervals and intermittently cut the
なお、振動特性データG(s)のピーク周波数がfcutに一致しないとき、強制びびり振動以外に自励びびり振動等の想定外の振動が生じているか、少なくとも混在していると考えられる。このときの振動特性データG(s)は記憶装置8に記憶せず、ステップS11で、主軸の設定回転数Ssetを変更する。ステップS12で、その設定回転数Ssetが予め設定した主軸回転数の上限値以内であれば、前回と異なる条件(主軸回転数)下で、ステップS3以降の処理を繰り返し行う。
When the peak frequency of the vibration characteristic data G (s) does not match the fcut, it is considered that unexpected vibrations such as self-excited chatter vibrations occur in addition to the forced chatter vibrations, or at least they are mixed. The vibration characteristic data G (s) at this time is not stored in the
ステップS8では、ステップS7で記憶した振動特性データG(s)の位相データθ(s)が、各周波数fcutにおいて、所定の閾値の範囲内かを判断する。具体的にいうと、振動データV(s)が変位に基づく場合、位相データθ(s)が−90°近傍の所定範囲内となる周波数fcutがあれば、その周波数fcutを共振周波数fn(またはその近傍の周波数)と判断して記憶する。 In step S8, it is determined whether the phase data θ (s) of the vibration characteristic data G (s) stored in step S7 is within a predetermined threshold range at each frequency fcut. Specifically, when the vibration data V (s) is based on the displacement, if there is a frequency fcut in which the phase data θ (s) is within a predetermined range near −90 °, the frequency fcut is set to the resonance frequency fn (or). It is determined that the frequency is in the vicinity) and stored.
なお、振動データV(s)が速度または加速度に基づく場合であれば、それぞれ、位相データθ(s)が0°近傍または90°近傍となるときの周波数fcutを、共振周波数fn(またはその近傍の周波数)と判断すればよい。 If the vibration data V (s) is based on velocity or acceleration, the frequency fcut when the phase data θ (s) is near 0 ° or 90 ° is set to the resonance frequency fn (or its vicinity). Frequency).
ステップS9で、強制びびり振動に係る振動特性データG(s)のゲインが、各周波数fcutにおいて、所定の閾値より大きいかを判断する。ゲインが所定の範囲内(閾値超)となる周波数fcutがあれば、その周波数fcutを共振周波数fn(またはその近傍の周波数)と判断して記憶する。 In step S9, it is determined whether the gain of the vibration characteristic data G (s) related to the forced chatter vibration is larger than a predetermined threshold value at each frequency fcut. If there is a frequency fcut whose gain is within a predetermined range (exceeding the threshold value), the frequency fcut is determined to be the resonance frequency fn (or a frequency in the vicinity thereof) and stored.
なお、ステップS8とステップS9の一方のみでも、ある周波数fcutが共振周波数fnまたはその近傍の周波数であるかを判断できる。但し、位相とゲインの両方で判断することにより、加工に影響を及ぼす共振周波数fnをより的確に特定できる。 It should be noted that only one of step S8 and step S9 can determine whether a certain frequency fcut is a resonance frequency fn or a frequency in the vicinity thereof. However, the resonance frequency fn that affects machining can be more accurately specified by judging by both the phase and the gain.
ステップS10では、ステップS8およびステップS9で所定範囲内の位相およびゲインを示す周波数fcutを、共振周波数fnとして記憶装置8に記憶する(共振周波数特定手段)。なお、ステップS8またはステップS9で、位相またはゲインが所定範囲外となるときは、共振周波数fn(周波数fcut)の記憶は行わない。
In step S10, the frequency fcut indicating the phase and gain within the predetermined range in steps S8 and S9 is stored in the
ステップS11では、共振周波数fnのより正確な特定を行うため、設定回転数Ssetを上限値側へ変更して、ステップS3〜S11を繰返し行う。この際、設定回転数Ssetの増加分(幅)は一定でもよいが、振動特性データG(s)の位相またはゲインが大きく変動する付近で、設定回転数Ssetの増加分を小さくすると、共振周波数fnをより正確に効率よく特定できる。そしてステップS12で、設定回転数Ssetが上限値に到達すると、振動特性の解析を終了する。 In step S11, in order to more accurately identify the resonance frequency fn, the set rotation speed Sset is changed to the upper limit value side, and steps S3 to S11 are repeated. At this time, the increase (width) of the set rotation speed Sset may be constant, but if the increase of the set rotation speed Sset is reduced in the vicinity where the phase or gain of the vibration characteristic data G (s) fluctuates greatly, the resonance frequency The fn can be specified more accurately and efficiently. Then, in step S12, when the set rotation speed Sset reaches the upper limit value, the analysis of the vibration characteristics is completed.
《振動データ》
式(4)に示すように、振動モードの節点ではない位置に設けられた振動センサ6から検出される振動データV6(s)に、補正係数P56(s) (ゲインおよび位相)を周波数領域で掛け合わせることにより、振動センサ5の位置における振動データV5(s)を間接的に得ることができる。この変換された振動データV5(s)を用いても、同様に振動特性データG(s)が得られる。
《Vibration data》
As shown in equation (4), the vibration data V 6 (s) detected from the
なお、補正係数P56(s)は、例えば、有限要素法(FEM)を利用した振動解析、インパルスハンマや振動素子を用いた加振試験等を行い、振動センサ5の位置と振動センサ6の位置との間の振動モードを明らかにすれば求まる。
The correction coefficient P 56 (s) is determined by, for example, performing a vibration analysis using the finite element method (FEM), a vibration test using an impulse hammer or a vibration element, and the position of the
《切削力データ》
ステップS4で用いた切削力データF(t)の算出例を次に説明する。切削力データF(t)は、切取厚さh(t)に対して比例する切削成分と、切取厚さゼロで生じるエッジフォース成分(切片成分)とから算出できる。具体的にいうと、切削力データF(t)は、比切削抵抗KcとエッジフォースKeを用いて、式(5)のように表される。
《Cutting force data》
An example of calculating the cutting force data F (t) used in step S4 will be described below. The cutting force data F (t) can be calculated from a cutting component proportional to the cutting thickness h (t) and an edge force component (intercept component) generated at zero cutting thickness. Specifically, the cutting force data F (t) is expressed by the equation (5) using the specific cutting resistance Kc and the edge force Ke.
直線切れ刃による二次元切削であれば、切削力は主分力(切削方向に平行な成分)Fp(t)と背分力(切削方向に垂直な成分)Ff(t)の2成分となり、対応する比切削抵抗Kcp、KcfとエッジフォースKep、Kefも2成分となる。 In the case of two-dimensional cutting with a straight cutting edge, the cutting force has two components, the main component force (component parallel to the cutting direction) Fp (t) and the back component force (component perpendicular to the cutting direction) Ff (t). The corresponding specific cutting resistances Kcp and Kcf and edge force Kep and Kef are also two components.
切取厚さh(t)が変化するフライス加工の場合、切削力は、ワーク(被削材)と接触している微小要素の切削力ΔFt、 ΔFr、 ΔFaを積算することにより算出できる(参照文献:実習で学ぼう「切削加工、びびり振動の基礎知識」 日本機械学会2012年 生産加工基礎講座講習会資料テキスト)。 In the case of milling in which the cutting thickness h (t) changes, the cutting force can be calculated by integrating the cutting forces ΔFt, ΔFr, and ΔFa of the minute elements in contact with the work (work material) (References). : Let's learn in practice "Basic knowledge of cutting and chatter vibration" Japan Society of Mechanical Engineers 2012 Production Processing Basic Course Workshop Material Text).
エンドミル加工の場合であれば、エンドミル(工具)に対する回転角φ(t)に対する回転座標系を考える。エンドミルの周方向切削力Ft(φ)、半径方向切削力Fr(φ)、回転軸方向切削力Fa(φ) は、軸方向切込み量a、軸方向座標zにおけるワーク(被削材)の切取厚さh(φ,z)、比切削抵抗Kt、Kr、Kaを用いて、式(6)〜(8)のように表すことができる。 In the case of end mill machining, consider a rotating coordinate system with respect to the rotation angle φ (t) with respect to the end mill (tool). The circumferential cutting force Ft (φ), radial cutting force Fr (φ), and rotary axial cutting force Fa (φ) of the end mill are the axial depth of cut a and the cutting of the work (work material) at the axial coordinate z. Using the thickness h (φ, z) and the specific cutting resistance Kt, Kr, Ka, it can be expressed as the equations (6) to (8).
切取厚さh(φ,z)は、入力装置11で入力する各パラメータを用いて、図4に示す幾何形状から求めることができる。これをz軸方向(回転軸方向)に積分することで、エンドミル全体の切削面積を求めることができる。xy面を回転軸に垂直面とすると、固定座標系における切削力は、式(9)〜(11)に示すようになる。
The cut-out thickness h (φ, z) can be obtained from the geometric shape shown in FIG. 4 by using each parameter input by the
なお、断続切削がなされるフライス加工やエンドミル加工の他、連続切削である旋削加工でも、切取厚さに応じて、切削力を同様に算出できる。また、切削力データF(t)は、算出値の他、実測値でもよい。例えば、加工機1のモータ動力等の測定値や、ワーク4に取り付けた動力計等の測定値に基づいて切削力データF(t)を求めてもよい。このとき、周波数解析を行った切削力データF(s)はステップS6で振動データV(s)のピーク周波数に一致しているかにより、強制びびり振動であるか否かを判断することもできる。
In addition to milling and end milling in which intermittent cutting is performed, cutting force can be similarly calculated according to the cutting thickness in turning processing, which is continuous cutting. Further, the cutting force data F (t) may be an actually measured value in addition to the calculated value. For example, the cutting force data F (t) may be obtained based on the measured value of the motor power or the like of the
ちなみに、切削力が測定値ではなく算出値である場合、振動変位によって生じる切取厚さをも考慮して切削力データF(t)を算出すると、より正確な振動特性データG(s)の算出が可能になる。 By the way, when the cutting force is a calculated value instead of a measured value, if the cutting force data F (t) is calculated in consideration of the cutting thickness generated by the vibration displacement, more accurate vibration characteristic data G (s) is calculated. Becomes possible.
《解析例》
上述した加工機1および振動解析装置7を用いて、ワーク4の実加工中に生じる振動を検出して、その加工系における振動特性を具体的に求めた。振動データは、一方向の変位を測定して得た。切削力は、比切削抵抗から求めた。
<< Analysis example >>
Using the
ステップS1で入力するパラメータ(工具形状、加工条件に関する諸変数、比切削抵抗)と、ステップS2で入力する主軸回転数(設定回転数Sset)の上・下限値は、次の通りとした。なお、工具刃先は十分鋭く、エッジフォース成分は無視できるためゼロとした。
・工具形状 …工具直径:20mm、刃数:1刃、ねじれ角:0°
・加工条件 …一刃送り量:0.15mm、
軸方向の切込み量:2mm、半径方向の切込み量:0.15mm
・比切削抵抗 …周方向:3029MPa、半径方向:2040MPa
・主軸回転数 …下限値:3900rpm、上限値:6850rpm、
The parameters (tool shape, variables related to machining conditions, specific cutting resistance) input in step S1 and the upper and lower limit values of the spindle speed (set rotation speed Sset) input in step S2 are as follows. The cutting edge of the tool is sharp enough and the edge force component can be ignored, so it was set to zero.
・ Tool shape: Tool diameter: 20 mm, number of blades: 1, blade angle: 0 °
・ Machining conditions: Single blade feed amount: 0.15 mm,
Axial depth of cut: 2 mm, radial depth of cut: 0.15 mm
-Specific cutting resistance: Circumferential direction: 3029 MPa, radial direction: 2040 MPa
・ Spindle speed: Lower limit: 3900 rpm, Upper limit: 6850 rpm,
設定回転数Ssetを或る値(3900rpm)としたときの時間領域における切削力データF(t)と振動データV(t)をそれぞれ図5と図6に示した。また、それらを周波数解析して得られた周波数領域における切削力データF(s)と振動データV(s)をそれぞれ図7と図8に示した。また、それらと式(1)から求めた振動特性データG(s)を図9に示した。 The cutting force data F (t) and the vibration data V (t) in the time domain when the set rotation speed Sset is set to a certain value (3900 rpm) are shown in FIGS. 5 and 6, respectively. Further, the cutting force data F (s) and the vibration data V (s) in the frequency domain obtained by frequency analysis of them are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. Further, the vibration characteristic data G (s) obtained from them and the equation (1) is shown in FIG.
設定回転数Sset=3900rpmのとき、刃数N=1であるから、式(12)より周波数fcut=65n(n=1、2、3・・・)Hzとなる。図8に示した振動データV(s)は、65n(n=1、2、3・・・)Hz毎にピークが現れている。従って、この加工系における振動は強制びびり振動であると判断できる。また、その振動特性データG(s)から5次高調成分のゲインが極大となっており、周波数fcut=325Hz(5×65Hz)かその近傍に、共振周波数fnが存在し得ることが予測される。 When the set rotation speed Sset = 3900 rpm, the number of blades N = 1, so the frequency fcut = 65 n (n = 1, 2, 3 ...) Hz according to the equation (12). In the vibration data V (s) shown in FIG. 8, a peak appears every 65 n (n = 1, 2, 3 ...) Hz. Therefore, it can be determined that the vibration in this processing system is forced chatter vibration. Further, from the vibration characteristic data G (s), the gain of the fifth harmonic component is maximized, and it is predicted that the resonance frequency fn may exist at or near the frequency fcut = 325 Hz (5 × 65 Hz). ..
設定回転数Ssetを、3900〜6850rpmの全範囲にわたって順次増加させ、同様に振動特性データG(s)を求める。こうして得られた各振動特性データG(s)を重畳させたもの(統合振動特性データG(s))を図10に示した。また、各振動特性データG(s)から求まる位相データθ(s)を重畳させたもの(統合位相データθ(s))を図11に示した。 The set rotation speed Sset is sequentially increased over the entire range of 3900 to 6850 rpm, and the vibration characteristic data G (s) is obtained in the same manner. FIG. 10 shows a superposition of the vibration characteristic data G (s) obtained in this manner (integrated vibration characteristic data G (s)). Further, FIG. 11 shows a superposed phase data θ (s) obtained from each vibration characteristic data G (s) (integrated phase data θ (s)).
図10と図11から、ゲインが極大となる周波数または位相が−90°に最も近い周波数は、345Hzであった。この結果から、この加工系における共振周波数fn=345Hzと特定した。 From FIGS. 10 and 11, the frequency at which the gain is maximized or the frequency whose phase is closest to −90 ° is 345 Hz. From this result, it was specified that the resonance frequency fn = 345 Hz in this processing system.
上述した振動解析とは別に、インパルスハンマを用いた加振試験により、加工していない状態(切れ刃がワークに接触していない状態)における振動特性G(s)*を求めた。また、この振動特性G(s)*から位相θ(s)* も求めた。これらを図10と図11に、それぞれ破線で重ねて示した。 Apart from the vibration analysis described above, the vibration characteristic G (s) * in the unprocessed state (the state where the cutting edge is not in contact with the work) was obtained by a vibration test using an impulse hammer. In addition, the phase θ (s) * was also obtained from this vibration characteristic G (s) *. These are shown in FIGS. 10 and 11 by superimposing them with broken lines, respectively.
振動解析を行った場合と加振試験を行った場合とを比較すると、振動変位が生じ易い共振周波数付近で、両者の差が大きくなった。このことから、実加工中の振動データに基づいて解析した振動特性を用いることにより、加工系に発生する振動をより的確に把握し得ることがわかった。 Comparing the case where the vibration analysis was performed and the case where the vibration test was performed, the difference between the two became large near the resonance frequency where the vibration displacement was likely to occur. From this, it was found that the vibration generated in the machining system can be grasped more accurately by using the vibration characteristics analyzed based on the vibration data during actual machining.
《モーダルパラメータに基づく振動特性の算出》
(1)振動特性データG(s)から、モーダルパラメータ(共振周波数、減衰比、振動モードまたは質量、減衰係数、ばね定数)を算出することができる(安田仁彦:振動工学 基礎編 コロナ社)。
<< Calculation of vibration characteristics based on modal parameters >>
(1) Modal parameters (resonance frequency, damping ratio, vibration mode or mass, damping coefficient, spring constant) can be calculated from the vibration characteristic data G (s) (Hitohiko Yasuda: Basics of Vibration Engineering, Corona).
共振周波数(fn)を前述した345Hzとしたときのモーダルパラメータに基づいて算出した連続的な振動特性G(s)**、およびその振動特性G(s)**から算出した位相θ(s)**と、前述した離散的な振動特性データG(s)および位相データθ(s)とを、それぞれ、図12および図13に重ねて示した。少なくとも振動対策上重要な共振周波数付近において、いずれの場合も、整合性が高いことが確認できた。 The continuous vibration characteristic G (s) ** calculated based on the modal parameter when the resonance frequency (fn) is set to 345 Hz described above, and the phase θ (s) calculated from the vibration characteristic G (s) **. ** and the above-mentioned discrete vibration characteristic data G (s) and phase data θ (s) are shown superimposed on FIGS. 12 and 13, respectively. It was confirmed that the consistency was high at least in the vicinity of the resonance frequency, which is important for vibration countermeasures.
(2)この結果を踏まえて、振動特性データG(s)から算出したモーダルパラメータを用いて、実際の加工現場で問題視され易い再生びびり振動(自励びびり振動の一種)に係る安定限界線図を算出した(参照:非特許文献1)。こうして得られた安定限界線図と、従来のように加工を伴わない加振試験に基づいて算出した安定限界線図とを重ねて図14に示した。 (2) Based on this result, using the modal parameters calculated from the vibration characteristic data G (s), the stability limit line related to the regenerated chatter vibration (a type of self-excited chatter vibration) that is likely to be regarded as a problem at the actual processing site. The figure was calculated (see: Non-Patent Document 1). The stability limit diagram thus obtained and the stability limit diagram calculated based on the vibration test without processing as in the conventional case are shown in FIG. 14 in an overlapping manner.
安定限界線は、上方領域がびびり振動が発生し易い不安定領域を示し、下方領域がびびり振動の発生し難い安定領域を示す。図14から明らかなように、本実施例に係るモーダルパラメータに基づく算出結果の方が、加振試験に基づく算出結果よりも安定領域が拡大していることがわかる。加工中の振動特性に基づいて算出した前者の場合、非加工中の振動特性に基づいて算出した後者の場合に対して、実加工中のみに生じるプロセスダンピング効果を考慮した結果となったために、安定限界線図中の安定領域が拡大したと考えられる。 The stability limit line indicates an unstable region in which chatter vibration is likely to occur in the upper region, and a stable region in which chatter vibration is unlikely to occur in the lower region. As is clear from FIG. 14, it can be seen that the calculation result based on the modal parameters according to this embodiment has a wider stable region than the calculation result based on the vibration test. In the former case calculated based on the vibration characteristics during machining, the result was obtained by considering the process damping effect that occurs only during actual machining, as opposed to the latter case calculated based on the vibration characteristics during non-machining. It is considered that the stable region in the stability limit diagram has expanded.
このように実加工中の振動を解析して得た振動特性を利用することにより、びびり振動の発生を抑制して加工できる範囲をより高精度に予測でき、従来よりも、加工条件等の設定を適切に行え、高品質な切削加工を効率的に生産できるようになる。 By using the vibration characteristics obtained by analyzing the vibration during actual machining in this way, it is possible to predict the range that can be machined by suppressing the occurrence of chatter vibration with higher accuracy, and set the machining conditions, etc. than before. Can be performed appropriately, and high-quality cutting can be efficiently produced.
《補足》
(1)本発明に係る振動特性を用いることにより、強制びびり振動の発生を推定することもできる。例えば、式(1)からわかるように、振動特性データG(s)に切削力データF(s)を掛け合わせることにより、周波数領域における振動データV(s)が得られる。この振動データV(s)を逆変換(逆FFT処理)すれば、時間領域における振動データV(t)が得られる。これにより、実加工中に生じ得る振動変位等を容易に求めることができる。
<< Supplement >>
(1) By using the vibration characteristics according to the present invention, it is possible to estimate the occurrence of forced chatter vibration. For example, as can be seen from the equation (1), the vibration data V (s) in the frequency domain can be obtained by multiplying the vibration characteristic data G (s) by the cutting force data F (s). If the vibration data V (s) is inversely transformed (inverse FFT processing), the vibration data V (t) in the time domain can be obtained. This makes it possible to easily determine the vibration displacement and the like that may occur during actual machining.
(2)本発明の振動解析システムにより振動特性を求めるにあたって、フライス加工やエンドミル加工のように、変動成分を持つ切削力(周期的な切削力)が生じる場合に好適であるが、旋削加工にも適用可能である。旋削加工は、一般的に切削力が略一定であるが、例えば、被削材に切欠きを施す等して、意図的に周期的な切削力を生じさせれば、上述した方法によって旋削加工系について振動特性を求めることができる。 (2) When determining the vibration characteristics by the vibration analysis system of the present invention, it is suitable when a cutting force (periodic cutting force) having a fluctuating component is generated as in milling and end milling, but it is suitable for turning. Is also applicable. In the turning process, the cutting force is generally substantially constant, but if a periodic cutting force is intentionally generated by, for example, making a notch in the work material, the turning process is performed by the above-mentioned method. The vibration characteristics of the system can be obtained.
また、本発明の振動解析システムによって振動特性を求めるにあたって、切削力が断続的に変動する場合の他、加工条件が変化して切削力が変動するような場合にも、適用可能である。そのときの切削力も既述した方法により算出され得る。 Further, in obtaining the vibration characteristics by the vibration analysis system of the present invention, it can be applied not only when the cutting force fluctuates intermittently but also when the cutting force fluctuates due to changes in the machining conditions. The cutting force at that time can also be calculated by the method described above.
(3)本発明に係る振動特性を用いた強制びびり振動または自励びびり振動の予測は、切削力の周期性によらず、フライス加工および旋削加工等に適用可能である。(切削力の一定となる旋削加工においても、自励びびり振動は発生し得る。) (3) The prediction of forced chatter vibration or self-excited chatter vibration using the vibration characteristics according to the present invention can be applied to milling, turning, etc. regardless of the periodicity of the cutting force. (Self-excited chatter vibration can occur even in turning where the cutting force is constant.)
(4)本発明の振動解析システムは、加工系の振動特性等の解明を目的とする他、加工機またはその制御装置等に組み込まれて、びびり振動を抑制できる安定領域内で加工機を運転する制御システムでもよい。例えば、被削材の加工中に生じる振動を随時測定(リアルタイム測定)し、その都度求まる振動特性に基づいて、びびり振動を抑制できる加工条件を随時更新するものでもよい。これにより、例えば、摩耗等で工具刃先形状が変化し、プロセスダンピング効果により振動特性が変化するような場合でも、びびり振動が長期的に抑制された状態で安定的に加工することが可能となる。 (4) The vibration analysis system of the present invention is intended to elucidate the vibration characteristics of the processing system, and is incorporated into the processing machine or its control device to operate the processing machine in a stable region where chatter vibration can be suppressed. It may be a control system. For example, the vibration generated during the machining of the work material may be measured at any time (real-time measurement), and the machining conditions capable of suppressing chatter vibration may be updated at any time based on the vibration characteristics obtained each time. As a result, even if the shape of the tool edge changes due to wear or the like and the vibration characteristics change due to the process damping effect, stable machining can be performed with chatter vibration suppressed for a long period of time. ..
1 加工機
2 主軸
3 切削工具(刃具)
4 ワーク(被削材)
5 振動センサ
7 振動解析装置
8 記憶装置
9 演算装置
1 Processing
4 Work (work material)
5
Claims (3)
前記被削材を前記切削工具で或る設定条件下で実加工しているときに検出される振動を周波数解析して、周波数領域における該振動の切削力に対する伝達関数を求める解析手段と、
該解析手段から得られる伝達関数のうちで、振動のピーク周波数が切削力の変動に係る基本周波数の自然数倍に略一致するときの設定条件下における伝達関数を、該設定条件下における振動特性として記憶する記憶手段と、
を備える振動解析システム。 A vibration analysis system that analyzes the vibration characteristics of a machining system in which the cutting force applied to the work material from a cutting tool fluctuates periodically.
An analysis means for frequency-analyzing the vibration detected when the work material is actually machined with the cutting tool under a certain set condition to obtain a transfer function for the cutting force of the vibration in the frequency domain.
Among the transfer functions obtained from the analysis means, the transfer function in the setting conditions when the peak frequency of the vibration is substantially equal to a natural number multiple of the fundamental frequency in accordance with variations in cutting force, vibration in the setting conditions A storage means to memorize as a characteristic and
Vibration analysis system equipped with.
請求項1または2に記載の振動解析システムにより求まる振動特性または共振周波数に基づいて、切削工具による被削材の切込み量および/または主軸回転数を制御する制御装置を備える加工機。 A processing machine that applies cutting force from a cutting tool to a work material to cut the work material.
A processing machine including a control device for controlling the depth of cut and / or the spindle speed of a work material by a cutting tool based on the vibration characteristics or resonance frequency obtained by the vibration analysis system according to claim 1 or 2.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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