JP7058030B1 - Drive circuit of wireless vibration device and piezoelectric element - Google Patents

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【課題】ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供する。【解決手段】ワイヤレス加振装置10は、電池1に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果により被加工物90を加振する圧電素子2と、被加工物90が加振されている間に、被加工物90から受ける力を感知する力感知部3と、感知された力を示す情報を、被加工物90の加工を制御する制御装置29へワイヤレス送信する制御部4と、を備える。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration exciter which can be easily used when measuring the dynamic rigidity of a work. A wireless vibration device 10 is connected to a battery 1, and a piezoelectric element 2 that vibrates a work piece 90 by an inverse piezoelectric effect when a drive voltage is applied, and a work piece 90 are vibrated. While there is a force sensing unit 3 that senses the force received from the workpiece 90, and a control unit 4 that wirelessly transmits information indicating the sensed force to the control device 29 that controls the machining of the workpiece 90. To prepare for. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、ワークの動剛性を測定する際に工作機械の主軸に取り付けて使用される加振装置に関する。 The present invention relates to a vibration exciter used by being attached to a spindle of a machine tool when measuring the dynamic rigidity of a work.

自動車や航空機等の機械部品は、NCフライス盤やマシニングセンタ等の工作機械を用いて被加工物(以下、ワークと呼ぶ)を加工することにより製造されている。工作機械を用いてワークを加工する際には、工作機械の主軸やワークに振動が発生する。振動が発生すると加工精度が低下し生産性が低下することから、工作機械を用いた製造現場においては、工作機械の主軸やワークの振動特性を測定し評価する様々な取り組みがなされている。例えば下記特許文献1には、回転工具を含む振動系における動特性(dynamic characteristics)を測定する技術が開示されている。 Machine parts such as automobiles and aircraft are manufactured by processing workpieces (hereinafter referred to as workpieces) using machine tools such as NC milling machines and machining centers. When machining a work using a machine tool, vibration is generated in the spindle and the work of the machine tool. When vibration occurs, the machining accuracy decreases and the productivity decreases. Therefore, at the manufacturing site using a machine tool, various efforts are made to measure and evaluate the vibration characteristics of the spindle and the workpiece of the machine tool. For example, Patent Document 1 below discloses a technique for measuring dynamic characteristics in a vibration system including a rotary tool.

また、工作機械における評価パラメータの一つとして動剛性(dynamic stiffness)がある。動剛性のうち、例えば変位および力に基づくものには機械的コンプライアンス(mechanical compliance)がある。例えば下記特許文献2には、工作機械の主軸の動剛性を測定する技術が開示されている。 In addition, there is dynamic stiffness as one of the evaluation parameters in the machine tool. Among the dynamic stiffness, for example, those based on displacement and force include mechanical compliance. For example, Patent Document 2 below discloses a technique for measuring the dynamic rigidity of a spindle of a machine tool.

特開2014-14881号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-14881 特開2013-188827号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-188827

工作機械を用いて機械部品を製造する間には、例えば荒加工や仕上げ加工等の複数の加工工程がワークに適用される。加工工程が進むにつれてワークが切除されてワークの厚さが変化すると、加工工程毎にワークの動剛性が変化してしまうという問題がある。ワークの動剛性が変化するとワークの振動特性も変化し、或る加工工程では抑制されていたワークの振動が、その後の別の加工工程では抑制されずワークに振動が発生し、ワークの加工精度が低下する。特に、例えば航空機のエンジン部品等の、薄さおよび軽さが求められる機械部品を製造する場合には、ワークの動剛性の変化は部品の加工精度および生産性に関わる重要な問題である。 While manufacturing machine parts using a machine tool, a plurality of machining processes such as roughing and finishing are applied to the workpiece. If the work is cut off and the thickness of the work changes as the processing process progresses, there is a problem that the dynamic rigidity of the work changes in each processing process. When the dynamic rigidity of the work changes, the vibration characteristics of the work also change, and the vibration of the work that was suppressed in one machining process is not suppressed in the subsequent machining process and vibration is generated in the work, and the machining accuracy of the work Decreases. In particular, when manufacturing mechanical parts that are required to be thin and light, such as aircraft engine parts, changes in the dynamic rigidity of the work are important problems related to the processing accuracy and productivity of the parts.

従来、動剛性を測定するには、インパルスハンマーと加速度計とを使用した衝撃試験を実施している。しかしながら、治具を用いて工作機械に設置されている加工工程を適用中のワークについて、衝撃試験を実施するために加工工程を中断してワーク上のいくつかの測定ポイントに加速度計を設置するには非常に手間がかかる。さらに、剛性が低いワークをインパルスハンマーを用いて手動で加振すると、ダブルハンマリングが発生する可能性があり、動剛性の測定結果の再現性が低下する可能性がある。これらの理由から、工作機械を用いた加工現場において、加工工程毎に衝撃試験を実施してワークの動剛性を測定し評価することは実用的ではない。上記した特許文献1および2のいずれの技術も、ワークの動剛性を測定する技術ではない。 Conventionally, in order to measure the dynamic rigidity, an impact test using an impulse hammer and an accelerometer is carried out. However, for workpieces that are applying the machining process installed in the machine tool using jigs, the machining process is interrupted and accelerometers are installed at some measurement points on the workpiece in order to carry out an impact test. Is very time-consuming. Furthermore, if a workpiece with low rigidity is manually vibrated using an impulse hammer, double hammering may occur, which may reduce the reproducibility of the measurement result of the dynamic rigidity. For these reasons, it is not practical to measure and evaluate the dynamic rigidity of the work by performing an impact test for each machining process at the machining site using a machine tool. Neither of the techniques of Patent Documents 1 and 2 described above is a technique for measuring the dynamic rigidity of a work.

工作機械の加工条件には、主軸の回転速度や回転工具による切除の深さ、主軸の送り速度等がある。複数の加工工程のそれぞれにおいて、ワークの振動を抑制することができる適切な加工条件の下で加工工程をワークに適用するために、それぞれの加工工程を開始する前毎にワークの動剛性を手軽に測定することが望まれている。 The machining conditions of the machine tool include the rotation speed of the spindle, the depth of cutting by the rotary tool, the feed rate of the spindle, and the like. In each of multiple machining processes, in order to apply the machining process to the workpiece under appropriate machining conditions that can suppress the vibration of the workpiece, the dynamic rigidity of the workpiece can be easily adjusted before each machining process is started. It is desired to measure.

本発明は、ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a vibration exciter that can be easily used when measuring the dynamic rigidity of a work.

上記課題を解決するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
(項1)
電池に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果により被加工物を加振する圧電素子と、
前記被加工物が加振されている間に、前記被加工物から受ける力を感知する力感知部と、
感知された前記力を示す情報を、前記被加工物の加工を制御する制御装置へワイヤレス送信する制御部と、
を備えるワイヤレス加振装置。
(項2)
前記圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が前記被加工物から前記力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、
をさらに備える、項1に記載のワイヤレス加振装置。
(項3)
前記制御部は、駆動周波数を変化させながら前記圧電素子を駆動させる、項1または2に記載のワイヤレス加振装置。
(項4)
前記制御部は、前記制御装置との間のワイヤレス通信の通信品質に関する情報を、前記制御装置に送信する、項1から3のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。
(項5)
前記制御部は、
前記力を示す情報と、前記加振により生じる前記被加工物の変位に関する情報とに基づいて、前記被加工物の動剛性を算出し、
算出した前記動剛性を示す情報を、前記制御装置へワイヤレス送信する、項1から4のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。
(項6)
圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が被加工物から力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、
を備える、圧電素子の駆動回路。
The present invention for solving the above problems includes, for example, the following aspects.
(Item 1)
A piezoelectric element that is connected to a battery and vibrates the workpiece by the inverse piezoelectric effect when a drive voltage is applied.
A force sensing unit that senses the force received from the workpiece while the workpiece is being vibrated.
A control unit that wirelessly transmits the detected information indicating the force to a control device that controls the processing of the workpiece.
A wireless vibration exciter equipped with.
(Item 2)
The capacitive element connected to the piezoelectric element and
It is switched between applying the voltage due to the electric energy stored in the capacitive element to the piezoelectric element or applying the voltage generated by the piezoelectric element receiving the force from the workpiece to the capacitive element. Switching part and
Item 1. The wireless vibration exciter according to Item 1.
(Item 3)
Item 2. The wireless vibration exciter according to Item 1 or 2, wherein the control unit drives the piezoelectric element while changing the drive frequency.
(Item 4)
Item 2. The wireless vibration exciter according to any one of Items 1 to 3, wherein the control unit transmits information on communication quality of wireless communication with the control device to the control device.
(Item 5)
The control unit
The dynamic rigidity of the work piece is calculated based on the information indicating the force and the information on the displacement of the work piece caused by the vibration.
Item 2. The wireless vibration exciter according to any one of Items 1 to 4, wherein the calculated information indicating the dynamic rigidity is wirelessly transmitted to the control device.
(Item 6)
Capacitive elements connected to the piezoelectric element and
A switching unit that switches between applying a voltage due to the electric energy stored in the capacitive element to the piezoelectric element or applying a voltage generated by the piezoelectric element receiving a force from a workpiece to the capacitive element. When,
A drive circuit for piezoelectric elements.

本発明によると、ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a vibration exciter that can be easily used when measuring the dynamic rigidity of a work.

本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の模式的な構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the wireless vibration apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 圧電素子の電圧と容量素子の電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the voltage of a piezoelectric element and the voltage of a capacitive element. 本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置が取り付けられた工作機械の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the machine tool to which the wireless vibration exciter which concerns on one Embodiment of this invention is attached. 本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the appearance of the wireless vibration apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例1に係る圧電アクチュエータの先端変位の測定結果である。It is a measurement result of the tip displacement of the piezoelectric actuator which concerns on Example 1. 実施例2に係るコンプライアンスの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the compliance which concerns on Example 2.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and drawings, the same reference numerals indicate the same or similar components, and thus duplicate description of the same or similar components will be omitted.

[装置の構成]
図1は、本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の模式的な構成を示す図である。
[Device configuration]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a wireless vibration exciter according to an embodiment of the present invention.

一実施形態に係るワイヤレス加振装置10(以下、単に加振装置10とも呼ぶ)は、被加工物90(以下、ワーク90と呼ぶ)の動剛性を測定する際に、後述する図3に示すNCフライス盤やマシニングセンタ等の工作機械20に取り付けて使用される。加振装置10は、電池1に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果によりワーク90を加振する圧電素子2と、ワーク90が加振されている間に、ワーク90から受ける力を感知する力感知部3と、感知された力を示す情報を、ワーク90の加工を制御する制御装置29へワイヤレス送信する制御部4と、を備える。 The wireless vibration device 10 (hereinafter, also simply referred to as a vibration device 10) according to an embodiment is shown in FIG. 3, which will be described later, when measuring the dynamic rigidity of the workpiece 90 (hereinafter, referred to as a work 90). It is used by being attached to a machine tool 20 such as an NC milling machine or a machining center. The vibrating device 10 is connected to the battery 1 and has a piezoelectric element 2 that vibrates the work 90 by the inverse piezoelectric effect when a driving voltage is applied, and a force received from the work 90 while the work 90 is vibrated. It is provided with a force sensing unit 3 for sensing the force, and a control unit 4 for wirelessly transmitting information indicating the sensed force to the control device 29 for controlling the machining of the work 90.

電池1は加振装置10に備えられ、加振装置10が備える圧電素子2、力感知部3、および制御部4等の電気的または電子的な構成に電源電圧を供給する。好ましくは電池1は二次電池であり、加振装置10の筐体に設けられた充電コネクタ11を介して外部の充電装置28と接続して充電可能となっている。電池1には、例えば市販のリチウムイオンバッテリーを用いることができる。充電コネクタ11および充電装置28には、例えばUSB Power Delivery規格に対応した、市販のUSB-typeCコネクタおよび充電器を用いることができる。 The battery 1 is provided in the vibration device 10, and supplies a power supply voltage to an electrical or electronic configuration of the piezoelectric element 2, the force sensing unit 3, the control unit 4, and the like included in the vibration device 10. Preferably, the battery 1 is a secondary battery, and can be charged by being connected to an external charging device 28 via a charging connector 11 provided in the housing of the vibration device 10. As the battery 1, for example, a commercially available lithium ion battery can be used. For the charging connector 11 and the charging device 28, for example, a commercially available USB-type C connector and a charger compatible with the USB Power Delivery standard can be used.

圧電素子2は、駆動電圧が印加されると逆圧電効果によりワーク90を加振する。圧電素子2がワーク90を加振する際の変位出力は、圧電素子2に印加される駆動電圧の波形に応じて変化する。圧電素子2は、制御部4からの駆動信号に基づいてワーク90を加振する。駆動信号は、圧電素子2の駆動電圧に関する情報を含んでいる。駆動電圧に関する情報は、駆動電圧の大きさに関する情報と、駆動電圧の波形に関する情報とを少なくとも含んでいる。例示的には、圧電素子2に印加される駆動電圧の波形は、インパルス波形、正弦波、三角波、矩形波、掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波とすることができる。圧電素子2には、例えば市販の積層型の圧電アクチュエータを用いることができる。 The piezoelectric element 2 vibrates the work 90 due to the inverse piezoelectric effect when a driving voltage is applied. The displacement output when the piezoelectric element 2 vibrates the work 90 changes according to the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 2. The piezoelectric element 2 vibrates the work 90 based on the drive signal from the control unit 4. The drive signal contains information about the drive voltage of the piezoelectric element 2. The information about the drive voltage includes at least the information about the magnitude of the drive voltage and the information about the waveform of the drive voltage. Illustratively, the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 2 can be an impulse waveform, a sine wave, a triangular wave, a rectangular wave, a sweep sine wave, a sweep triangular wave, and a sweep rectangular wave. For the piezoelectric element 2, for example, a commercially available laminated piezoelectric actuator can be used.

力感知部3は、ワーク90から受ける力(force)を感知する。力感知部3は、圧電素子2の変位軸に沿った力を感知するように配置される。本実施形態では、力感知部3において感知されたアナログ形式の力信号は、増幅器12において増幅され、図示しないアナログ-デジタル変換回路を通じてデジタル形式に変換された力を示す情報が、制御部4に入力される。力感知部3には、市販の力センサやロードセルを用いることができる。 The force sensing unit 3 senses the force received from the work 90. The force sensing unit 3 is arranged so as to sense a force along the displacement axis of the piezoelectric element 2. In the present embodiment, the analog-type force signal sensed by the force sensing unit 3 is amplified by the amplifier 12, and information indicating the force converted to the digital format through an analog-to-digital conversion circuit (not shown) is transmitted to the control unit 4. Entered. A commercially available force sensor or load cell can be used for the force sensing unit 3.

制御部4は、圧電素子2の駆動電圧に関する情報を含む圧電素子2の駆動信号を工作機械20の制御装置29からワイヤレス受信し、受信した駆動信号に基づいて圧電素子2を駆動させる。制御部4からの駆動信号に基づいて圧電素子2がワーク90を加振している間に、ワーク90から受ける力を力感知部3が感知する。制御部4は、力感知部3により感知された力を示す情報を、ワーク90の加工を制御する、工作機械20の制御装置29へワイヤレス送信する。 The control unit 4 wirelessly receives a drive signal of the piezoelectric element 2 including information on the drive voltage of the piezoelectric element 2 from the control device 29 of the machine tool 20, and drives the piezoelectric element 2 based on the received drive signal. While the piezoelectric element 2 vibrates the work 90 based on the drive signal from the control unit 4, the force sensing unit 3 senses the force received from the work 90. The control unit 4 wirelessly transmits information indicating the force sensed by the force sensing unit 3 to the control device 29 of the machine tool 20 that controls the machining of the work 90.

制御部4は、圧電素子2に印加する駆動電圧の波形を制御する。例示的には、圧電素子2に印加する駆動電圧の波形は、インパルス波形、正弦波、三角波、矩形波、掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波とすることができる。制御部4は、圧電素子2の駆動周波数を変化させながら圧電素子2を駆動させることができる。これにより、圧電素子2に印加する駆動電圧の波形を、例えば掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波とすることができる。 The control unit 4 controls the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 2. Illustratively, the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 2 can be an impulse waveform, a sine wave, a triangular wave, a rectangular wave, a sweep sine wave, a sweep triangular wave, and a sweep rectangular wave. The control unit 4 can drive the piezoelectric element 2 while changing the driving frequency of the piezoelectric element 2. As a result, the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 2 can be, for example, a sweep sine wave, a sweep triangle wave, and a sweep square wave.

制御部4と制御装置29との間のワイヤレス通信には、Wi-Fi(登録商標)やBluetooth(登録商標)等の種々の無線方式を用いることができる。制御部4は、制御装置29との間のワイヤレス通信の通信品質に関する情報を、制御装置29に送信することができる。通信品質に関する情報には、例えば、ワイヤレス通信の信号強度を表現する、RSSI (Received Signal Strength Indicator)値や、dBm(decibels relative to a milliwatt)値を用いることができる。これにより、制御装置29は、加振装置10と制御装置29との間で通信エラーが生じる可能性を事前に把握することが可能となり、制御装置29は、例えば工作機械20のオペレータに警告またはエラーを発することができる。 For wireless communication between the control unit 4 and the control device 29, various wireless methods such as Wi-Fi (registered trademark) and Bluetooth (registered trademark) can be used. The control unit 4 can transmit information regarding the communication quality of wireless communication with the control device 29 to the control device 29. As information on communication quality, for example, an RSSI (Received Signal Strength Indicator) value or a dBm (decibels reactive to a milliwatt) value, which expresses the signal strength of wireless communication, can be used. As a result, the control device 29 can grasp in advance the possibility of a communication error between the vibration exciter 10 and the control device 29, and the control device 29 warns, for example, the operator of the machine tool 20. You can issue an error.

制御部4には、CPUおよびメモリを備えワイヤレスのデータ通信機能を有する、例えばarduino(登録商標)シリーズ等の市販のシングルボード・コンピュータを用いることができる。 As the control unit 4, a commercially available single board computer such as the arduino (registered trademark) series, which has a CPU and a memory and has a wireless data communication function, can be used.

加振装置10には、圧電素子2を駆動する駆動回路5が備えられている。駆動回路5は、圧電素子2に接続された容量素子6と、容量素子6に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を圧電素子2へ印加するか、圧電素子がワーク90から力を受けることによって発生する電圧を容量素子6へ印加するか、を切り替える切替部7と、を備える。駆動回路5は、制御部4から送信される圧電素子2の駆動信号に基づいて動作し、駆動電圧を圧電素子2に印加する。本実施形態では、駆動回路5は、切替部7に印加する電圧を制御する電圧制御部8をさらに備えている。 The vibration exciter 10 is provided with a drive circuit 5 for driving the piezoelectric element 2. The drive circuit 5 is generated by applying a voltage due to the capacitive element 6 connected to the piezoelectric element 2 and the electric energy stored in the capacitive element 6 to the piezoelectric element 2, or when the piezoelectric element receives a force from the work 90. A switching unit 7 for switching whether or not to apply a voltage to be applied to the capacitive element 6 is provided. The drive circuit 5 operates based on the drive signal of the piezoelectric element 2 transmitted from the control unit 4, and applies a drive voltage to the piezoelectric element 2. In the present embodiment, the drive circuit 5 further includes a voltage control unit 8 that controls a voltage applied to the switching unit 7.

容量素子6は圧電素子2の駆動電圧を供給する。容量素子6は電池1に並列に接続されており、切替部7の切り替え動作(プッシュプル動作)に応じて放電または充電される。容量素子6が放電されると、容量素子6に蓄積されている電気エネルギーによる電圧が圧電素子2へ印加され、圧電素子2が逆圧電効果によりワーク90を加振する。圧電素子2がワーク90から力を受けると、圧電効果により圧電素子2において発生する電圧が容量素子6へ印加され、容量素子6が回生的に充電される。容量素子6は、複数の容量素子が並列または直列に接続されて構成されていてもよい。容量素子6には市販の電界コンデンサを用いることができる。 The capacitive element 6 supplies the drive voltage of the piezoelectric element 2. The capacitive element 6 is connected to the battery 1 in parallel, and is discharged or charged according to the switching operation (push-pull operation) of the switching unit 7. When the capacitive element 6 is discharged, a voltage due to the electric energy stored in the capacitive element 6 is applied to the piezoelectric element 2, and the piezoelectric element 2 vibrates the work 90 by the inverse piezoelectric effect. When the piezoelectric element 2 receives a force from the work 90, a voltage generated in the piezoelectric element 2 is applied to the capacitive element 6 due to the piezoelectric effect, and the capacitive element 6 is regeneratively charged. The capacitive element 6 may be configured by connecting a plurality of capacitive elements in parallel or in series. A commercially available electric field capacitor can be used for the capacitive element 6.

容量素子6の内部抵抗は電池1の内部抵抗よりも低いことが好ましい。容量素子6の内部抵抗は交流インピーダンスを意味する。これにより、容量素子6は、電池1が蓄える電気エネルギーよりも高い周波数の電気エネルギーを回生的に蓄積することができる。加振装置10が容量素子6を備えることにより、加振装置10はより高い周波数の電気エネルギーを回生的に蓄積することが可能となり、より高い駆動周波数(例えば約50Hz以上)で圧電素子2を駆動することが可能となる。これにより、より高い周波数での動剛性の測定に、加振装置10を用いることが可能となる。 The internal resistance of the capacitive element 6 is preferably lower than the internal resistance of the battery 1. The internal resistance of the capacitive element 6 means AC impedance. As a result, the capacitive element 6 can regeneratively store electric energy having a frequency higher than that of the electric energy stored in the battery 1. When the vibration device 10 includes the capacitive element 6, the vibration device 10 can regeneratively store electric energy having a higher frequency, and the piezoelectric element 2 can be installed at a higher drive frequency (for example, about 50 Hz or more). It becomes possible to drive. This makes it possible to use the vibration exciter 10 for measuring the dynamic rigidity at a higher frequency.

切替部7は、容量素子6に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を圧電素子2へ印加する動作と、圧電素子がワーク90から力を受けることによって発生する電圧を容量素子6へ印加する動作とを交互に切り替える。切替部7による切り替え動作(プッシュプル動作)の詳細については後述する。本実施形態では、切替部7は、NPNトランジスタ71とPNPトランジスタ72とを2段に接続したプッシュプル回路により構成されている。NPNトランジスタ71のエミッタおよびコレクタ間には、エミッタからコレクタに沿って順方向に整流素子73が接続されており、PNPトランジスタ72のエミッタおよびコレクタ間には、エミッタからコレクタに沿って逆方向に整流素子74が接続されている。 The switching unit 7 applies a voltage due to the electric energy stored in the capacitive element 6 to the piezoelectric element 2 and an operation of applying a voltage generated by the piezoelectric element receiving a force from the work 90 to the capacitive element 6. Alternately. The details of the switching operation (push-pull operation) by the switching unit 7 will be described later. In the present embodiment, the switching unit 7 is composed of a push-pull circuit in which the NPN transistor 71 and the PNP transistor 72 are connected in two stages. A rectifying element 73 is connected in the forward direction from the emitter to the collector between the emitter and the collector of the NPN transistor 71, and rectified in the reverse direction from the emitter to the collector between the emitter and the collector of the PNP transistor 72. The element 74 is connected.

電圧制御部8は、制御部4から送信される圧電素子2の駆動信号に基づいて、切替部7に印加する電圧を制御する。本実施形態では、制御部4から電圧制御部8へ送信される圧電素子2の駆動信号は、図示しないデジタル-アナログ変換回路を通じてアナログ形式に変換されて、電圧制御部8に入力される。電圧制御部8には、例えばオペアンプを用いることができる。圧電素子2の駆動電圧を制御するために、電圧制御部8(オペアンプ)には切替部7の出力ノードN1の出力がフィードバック入力されている。 The voltage control unit 8 controls the voltage applied to the switching unit 7 based on the drive signal of the piezoelectric element 2 transmitted from the control unit 4. In the present embodiment, the drive signal of the piezoelectric element 2 transmitted from the control unit 4 to the voltage control unit 8 is converted into an analog format through a digital-analog conversion circuit (not shown) and input to the voltage control unit 8. For example, an operational amplifier can be used for the voltage control unit 8. In order to control the drive voltage of the piezoelectric element 2, the output of the output node N1 of the switching unit 7 is fed back input to the voltage control unit 8 (op amp).

なお本実施形態では、電池1からの電源電圧は、昇圧回路13において昇圧されて駆動回路5へ供給される。例示的には、電池1の出力電圧は約5V(DC)であり、昇圧回路13の出力電圧は約100V(DC)である。電池1の出力電圧は、例えば電池1の内部において複数の内部セルを直列に接続することにより高めることができることから、昇圧回路13は任意の構成とすることができる。 In this embodiment, the power supply voltage from the battery 1 is boosted by the booster circuit 13 and supplied to the drive circuit 5. Illustratively, the output voltage of the battery 1 is about 5V (DC) and the output voltage of the booster circuit 13 is about 100V (DC). Since the output voltage of the battery 1 can be increased by connecting a plurality of internal cells in series inside the battery 1, for example, the booster circuit 13 can have an arbitrary configuration.

図2は、圧電素子の電圧と容量素子の電圧との関係を示す図である。図中、圧電素子2の駆動電圧(ピエゾ電圧)には符号31を付して実線で示し、容量素子6の電圧(コンデンサ電圧)には符号32を付して破線で示す。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the voltage of the piezoelectric element and the voltage of the capacitive element. In the figure, the drive voltage (piezo voltage) of the piezoelectric element 2 is designated by a reference numeral 31 and is indicated by a solid line, and the voltage of the capacitive element 6 (capacitor voltage) is indicated by a reference numeral 32 and is indicated by a broken line.

図1および図2を参照して、切替部7による切り替え動作(プッシュプル動作)について説明する。図2に示すように、圧電素子2の駆動電圧31と容量素子6の電圧32とは、切替部7の切り替え動作(プッシュプル動作)により逆位相で変化する。図2中、符号33で示す区間は、容量素子6が放電されて、圧電素子2が逆圧電効果によりワーク90を加振している区間である。符号34で示す区間は、圧電素子2がワーク90から力を受けて、圧電効果により発生する電圧により容量素子6が回生的に充電されている区間である。 The switching operation (push-pull operation) by the switching unit 7 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 2, the drive voltage 31 of the piezoelectric element 2 and the voltage 32 of the capacitive element 6 change in opposite phase due to the switching operation (push-pull operation) of the switching unit 7. In FIG. 2, the section indicated by reference numeral 33 is a section in which the capacitive element 6 is discharged and the piezoelectric element 2 vibrates the work 90 due to the inverse piezoelectric effect. The section indicated by reference numeral 34 is a section in which the piezoelectric element 2 receives a force from the work 90 and the capacitive element 6 is regeneratively charged by the voltage generated by the piezoelectric effect.

区間33では、切替部7においてNPNトランジスタ71がオン、PNPトランジスタ72がオフとなり、切替部7のプッシュプル回路はプッシュ動作を行う。容量素子6に蓄積されている電気エネルギーによる電圧は、図1に示すノードN2,N3、NPNトランジスタ71、ノードN4を通じて、圧電素子2へ印加される。 In the section 33, the NPN transistor 71 is turned on and the PNP transistor 72 is turned off in the switching unit 7, and the push-pull circuit of the switching unit 7 performs a push operation. The voltage due to the electric energy stored in the capacitive element 6 is applied to the piezoelectric element 2 through the nodes N2 and N3, the NPN transistor 71, and the node N4 shown in FIG.

区間34では、切替部7においてNPNトランジスタ71がオフ、PNPトランジスタ72がオンとなり、切替部7のプッシュプル回路はプル動作を行う。圧電素子2がワーク90から力を受けることによって発生する電圧は、図1に示すノードN4、整流素子73、ノードN3,N2を通じて、容量素子6へ印加される。 In the section 34, the NPN transistor 71 is turned off and the PNP transistor 72 is turned on in the switching unit 7, and the push-pull circuit of the switching unit 7 performs a pull operation. The voltage generated when the piezoelectric element 2 receives a force from the work 90 is applied to the capacitive element 6 through the node N4, the rectifying element 73, and the nodes N3 and N2 shown in FIG.

このように、一実施形態に係る加振装置10では、圧電素子2の逆圧電効果による動作および圧電効果による動作と、容量素子6の電気エネルギーの充放電と、切替部7のプッシュプル動作とが互いに調和して動作する。これにより、加振装置10を動作する際の電池1の電源電圧の負担は低下し、電池1の定格容量および寸法の小型化が促進される。電池1が小型化されると加振装置10の小型化および軽量化も促進される。 As described above, in the vibration device 10 according to the embodiment, the operation due to the inverse piezoelectric effect and the operation due to the piezoelectric effect of the piezoelectric element 2, the charging / discharging of the electric energy of the capacitive element 6, and the push-pull operation of the switching unit 7 are performed. Works in harmony with each other. As a result, the burden on the power supply voltage of the battery 1 when operating the vibration exciter 10 is reduced, and the miniaturization of the rated capacity and dimensions of the battery 1 is promoted. When the battery 1 is miniaturized, the vibrating device 10 is also miniaturized and lightened.

なお、二次電池に関する技術の進歩により電池1の小型化および大容量化が促進されると、加振装置10はその寸法が小型化されたまま、容量素子6および切替部7を用いることなく、電池1から供給される電源電圧のみを用いて、圧電素子2を短期間で連続的に駆動することが可能となる。容量素子6および切替部7を備える駆動回路5は任意の構成である。 When the miniaturization and large capacity of the battery 1 are promoted due to the advancement of the technology related to the secondary battery, the vibration exciter 10 does not use the capacitance element 6 and the switching unit 7 while keeping its size miniaturized. The piezoelectric element 2 can be continuously driven in a short period of time by using only the power supply voltage supplied from the battery 1. The drive circuit 5 including the capacitive element 6 and the switching unit 7 has an arbitrary configuration.

[装置の使用態様]
図3は、本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置が取り付けられた工作機械の構成を模式的に示す図である。図4は、本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の外観を示す斜視図である。図3に示すように、一実施形態に係るワイヤレス加振装置10は、被加工物90(ワーク90)の動剛性を測定する際に、NCフライス盤やマシニングセンタ等の工作機械20に取り付けて使用される。
[Usage of the device]
FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration of a machine tool to which a wireless vibration exciter according to an embodiment of the present invention is attached. FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the wireless vibration exciter according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the wireless vibration exciter 10 according to the embodiment is used by being attached to a machine tool 20 such as an NC milling machine or a machining center when measuring the dynamic rigidity of the workpiece 90 (work 90). To.

例示する態様の工作機械20は、互いに直交する3つの駆動軸(X軸、Y軸およびZ軸)を有する工作機械である。工作機械20は、ベッド21と、ベッド21上においてY軸方向に移動可能なコラム22と、コラム22に沿ってZ軸方向に移動可能なサドル23と、回転可能な主軸241を有してサドル23に取り付けられる主軸装置24と、主軸241の先端側に取り付けられるツールホルダ25と、ベッド21上においてX軸方向に移動可能でありワーク90を載置するテーブル26と、制御装置29とを備える。各駆動軸の制御および主軸241の制御を含む工作機械20の動作は、制御装置29により制御されている。例示する態様では、制御装置29は例えばパーソナルコンピュータであり、工作機械20と通信可能に接続されている。工作機械20がワーク90を加工する間、テーブル26上におけるワーク90の位置は治具27により固定されている。 The machine tool 20 of the exemplary embodiment is a machine tool having three drive axes (X-axis, Y-axis and Z-axis) orthogonal to each other. The machine tool 20 has a bed 21, a column 22 that can move in the Y-axis direction on the bed 21, a saddle 23 that can move in the Z-axis direction along the column 22, and a saddle having a rotatable spindle 241. It includes a spindle device 24 attached to 23, a tool holder 25 attached to the tip end side of the spindle 241, a table 26 movable in the X-axis direction on the bed 21 and on which a work 90 is placed, and a control device 29. .. The operation of the machine tool 20 including the control of each drive shaft and the control of the spindle 241 is controlled by the control device 29. In an exemplary embodiment, the control device 29 is, for example, a personal computer and is communicably connected to the machine tool 20. While the machine tool 20 processes the work 90, the position of the work 90 on the table 26 is fixed by the jig 27.

工作機械20がワーク90に対して加工工程を施す間、ツールホルダ25の先端には、それぞれの加工工程に応じた、例えばエンドミルやフライス等の回転工具が取り付けられている。加振装置10は、工作機械20を用いたワーク90の加工工程における一工程として、それぞれの加工工程を開始する前毎に、回転工具に替えて取り付けて使用される。例えば工作機械20がマシニングセンタである場合、加振装置10は、普段は工作機械20の図示しないツールマガジンに収納または装着されており、それぞれの加工工程を開始する前毎に、マシニングセンタの自動工具交換(Automatic Tool Changer, ATC)機能により回転工具に替えて取り付けられる。例示する態様では、加振装置10はツールホルダ25に取り付けられており、加振装置10はツールホルダ25とセットで回転工具と取り替えられる。 While the machine tool 20 performs a machining process on the work 90, a rotary tool such as an end mill or a milling cutter corresponding to each machining process is attached to the tip of the tool holder 25. The vibration exciter 10 is used as one step in the machining process of the work 90 using the machine tool 20 by attaching it in place of the rotary tool before each machining process is started. For example, when the machine tool 20 is a machining center, the vibration exciter 10 is usually stored or mounted in a tool magazine (not shown) of the machine tool 20, and the automatic tool change of the machining center is performed before each machining process is started. (Automatic Tool Changer, ATC) It can be installed in place of a rotary tool by the function. In the exemplary embodiment, the vibrating device 10 is attached to the tool holder 25, and the vibrating device 10 is replaced with a rotary tool as a set with the tool holder 25.

制御装置29は、圧電素子2の駆動電圧に関する情報を加振装置10の制御部4へワイヤレス送信する。制御装置29は、工作機械20の各部を動作させて、加振装置10の圧電素子2をワーク90の測定ポイント91に当接させる。例示する態様では、ワーク90は円筒状の中空な部品であり、測定ポイント91はワーク90の薄い側壁である。加振装置10の制御部4は、制御装置29から送信される、圧電素子2の駆動電圧に関する情報に基づいて圧電素子2を駆動させ、ワーク90の測定ポイント91を加振する。加振装置10は、測定ポイント91を加振している間に測定ポイント91から受ける力の測定を行う。測定ポイント91の加振は、加振装置10の圧電素子2により行われ、力の測定は、加振装置10の力感知部3により行われる。 The control device 29 wirelessly transmits information regarding the drive voltage of the piezoelectric element 2 to the control unit 4 of the vibration device 10. The control device 29 operates each part of the machine tool 20 to bring the piezoelectric element 2 of the vibration device 10 into contact with the measurement point 91 of the work 90. In an exemplary embodiment, the work 90 is a cylindrical hollow component and the measurement point 91 is a thin side wall of the work 90. The control unit 4 of the vibration device 10 drives the piezoelectric element 2 based on the information regarding the drive voltage of the piezoelectric element 2 transmitted from the control device 29, and vibrates the measurement point 91 of the work 90. The vibrating device 10 measures the force received from the measuring point 91 while vibrating the measuring point 91. The vibration of the measurement point 91 is performed by the piezoelectric element 2 of the vibration device 10, and the force is measured by the force sensing unit 3 of the vibration device 10.

加振装置10による力の測定が行われた後、制御装置29は、測定により得られた力を示す情報を、加振装置10の制御部4からワイヤレス受信する。一般に、圧電素子における駆動電圧と変位量との対応関係は、いわゆる圧電素子の性能特性として予め把握されている。すなわち、圧電素子2による加振により生じるワーク90の変位に関する情報は、制御装置29が加振装置10へ送信した圧電素子2の駆動電圧に関する情報に対応しており、制御装置29は、受信した力を示す情報と、加振装置10へ送信した圧電素子2の駆動電圧に関する情報とに基づいて、ワーク90の動剛性に関するデータ291を算出する。本実施形態では、ワーク90の動剛性の評価に用いる値として、変位および力から機械的コンプライアンスを算出する。 After the force is measured by the vibrating device 10, the control device 29 wirelessly receives information indicating the force obtained by the measurement from the control unit 4 of the vibrating device 10. Generally, the correspondence between the drive voltage and the displacement amount in the piezoelectric element is grasped in advance as the performance characteristic of the so-called piezoelectric element. That is, the information regarding the displacement of the work 90 caused by the vibration caused by the piezoelectric element 2 corresponds to the information regarding the drive voltage of the piezoelectric element 2 transmitted by the control device 29 to the vibration device 10, and the control device 29 has received the information. The data 291 regarding the dynamic rigidity of the work 90 is calculated based on the information indicating the force and the information regarding the drive voltage of the piezoelectric element 2 transmitted to the vibration exciter 10. In this embodiment, the mechanical compliance is calculated from the displacement and the force as the values used for evaluating the dynamic rigidity of the work 90.

制御装置29は、算出した動剛性に関するデータ291に基づいてワーク90の振動特性を評価する。これにより、制御装置29は、直後に適用しようとする次の加工工程に適切な、主軸241の回転速度や回転工具による切除の深さ、主軸241の送り速度等の加工条件を改めて吟味し、それぞれの加工工程を開始する直前に吟味された適切なその加工条件の下で、加工工程をワーク90に適用することができる。例えば制御装置29は、ワーク90の変位が大きくなる加振周波数を避けることが可能な工作機械20の加工条件の下で、加工工程をワーク90に適用する。これにより、加工工程が進むにつれてワーク90が切除されて、加工工程毎にワーク90の厚さが変化しても、ワーク90の加工精度の低下を抑制することができる。 The control device 29 evaluates the vibration characteristics of the work 90 based on the calculated dynamic rigidity data 291. As a result, the control device 29 reexamines the machining conditions such as the rotation speed of the spindle 241 and the cutting depth by the rotary tool, and the feed rate of the spindle 241 suitable for the next machining step to be applied immediately afterwards. The machining process can be applied to the work 90 under the appropriate machining conditions examined just before the start of each machining step. For example, the control device 29 applies the machining process to the work 90 under the machining conditions of the machine tool 20 in which the vibration frequency at which the displacement of the work 90 becomes large can be avoided. As a result, the work 90 is cut off as the processing process progresses, and even if the thickness of the work 90 changes in each processing process, it is possible to suppress a decrease in the processing accuracy of the work 90.

以上、本発明によると、ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a vibration exciter that can be easily used when measuring the dynamic rigidity of a work.

一実施形態に係る加振装置10によると、加振装置10は、回転工具に替えて工作機械20の主軸241に取り付けて使用され、ワーク90の動剛性の測定は、工作機械20を用いたワーク90の加工工程における一工程として行われる。測定されたワーク90の力を示す情報は、加振装置10から制御装置29へワイヤレスで送信される。これにより、加振装置10は、それぞれの加工工程を開始する前毎に、ワーク90の動剛性を手軽に測定することが可能となる。加振装置10と制御装置29との間の通信はワイヤレス化されているから、マシニングセンタの自動工具交換機能により回転工具に替えて加振装置10を自動で取り付ける際にも、通信用のケーブルの取り回しを考慮する必要が無く、交換作業をスムーズに行うことができる。 According to the vibration device 10 according to the embodiment, the vibration device 10 is used by being attached to the spindle 241 of the machine tool 20 instead of the rotary tool, and the machine tool 20 is used for measuring the dynamic rigidity of the work 90. It is performed as one step in the processing process of the work 90. The measured information indicating the force of the work 90 is wirelessly transmitted from the vibration exciter 10 to the control device 29. As a result, the vibration exciter 10 can easily measure the dynamic rigidity of the work 90 before each processing step is started. Since the communication between the vibration exciter 10 and the control device 29 is made wireless, even when the vibration exciter 10 is automatically attached instead of the rotary tool by the automatic tool change function of the machining center, the communication cable is used. There is no need to consider handling, and replacement work can be performed smoothly.

また、加振装置10が駆動回路5を備え、駆動回路5が容量素子6と切替部7とを備えることにより、圧電素子2の逆圧電効果による動作または圧電効果による動作に応じて、容量素子6に電気エネルギーが充放電される。これにより、圧電素子2は、電池1から供給される電源電圧に加えて、容量素子6に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を、駆動電圧として用いることが可能となる。これにより、電池1を小型化することが可能となり加振装置10の小型化および軽量化が促進される。加振装置10の寸法が小型化されると、例えばマシニングセンタ等の工作機械20において、他の回転工具と同様にツールマガジンに加振装置10を容易に収納または装着することが可能となり、工作機械20を用いたワーク90の加工工程における一工程として、それぞれの加工工程を開始する前毎に、ワーク90の振動特性をより手軽に評価することが可能となる。 Further, the vibration exciter 10 includes the drive circuit 5, and the drive circuit 5 includes the capacitance element 6 and the switching unit 7, so that the capacitive element can be operated according to the operation due to the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric element 2 or the operation due to the piezoelectric effect. Electrical energy is charged and discharged to 6. As a result, the piezoelectric element 2 can use the voltage due to the electric energy stored in the capacitive element 6 as the drive voltage in addition to the power supply voltage supplied from the battery 1. As a result, the battery 1 can be miniaturized, and the miniaturization and weight reduction of the vibration exciter 10 are promoted. When the dimensions of the vibrating device 10 are reduced, for example, in a machine tool 20 such as a machining center, the vibrating device 10 can be easily stored or mounted in a tool magazine in the same way as other rotary tools, and the machine tool As one step in the machining process of the work 90 using 20, it becomes possible to more easily evaluate the vibration characteristics of the work 90 before each machining step is started.

[その他の形態]
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。
[Other forms]
Although the present invention has been described above by the specific embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment.

上記した実施形態では、力を示す情報を加振装置10から受信した制御装置29が、ワーク90の動剛性に関するデータ291を算出しているが、動剛性に関するデータ291の算出は、制御装置29に代えて加振装置10の制御部4が行ってもよい。すなわち、制御部4が、力を示す情報と、加振により生じるワーク90の変位に関する情報とに基づいて、ワーク90の動剛性を算出し、算出した動剛性を示す情報を、制御装置29へワイヤレス送信してもよい。前述したように、圧電素子における駆動電圧と変位量との対応関係は、圧電素子の性能特性として予め把握されており、加振により生じるワーク90の変位に関する情報は、制御装置29が加振装置10へ送信した圧電素子2の駆動電圧に関する情報に対応している。 In the above-described embodiment, the control device 29 that has received the information indicating the force from the vibration device 10 calculates the data 291 regarding the dynamic rigidity of the work 90, but the calculation of the data 291 regarding the dynamic rigidity is the control device 29. Instead of, the control unit 4 of the vibration device 10 may perform the operation. That is, the control unit 4 calculates the dynamic rigidity of the work 90 based on the information indicating the force and the information regarding the displacement of the work 90 caused by the vibration, and transfers the calculated dynamic rigidity information to the control device 29. It may be transmitted wirelessly. As described above, the correspondence between the drive voltage and the displacement amount in the piezoelectric element is grasped in advance as the performance characteristic of the piezoelectric element, and the information regarding the displacement of the work 90 caused by the vibration is transmitted by the control device 29 to the vibration device. It corresponds to the information regarding the drive voltage of the piezoelectric element 2 transmitted to 10.

上記した実施形態では、ワーク90の動剛性の評価に用いる値として、変位および力から機械的コンプライアンスを算出しているが、動剛性の評価に用いる値としてアパレントスティフネス(apparent stiffness)を算出し、算出したアパレントスティフネスをワーク90の動剛性の評価に用いてもよい。また、ワーク90の動剛性の評価に用いる値として、モビリティ(mobility)やイナータンス(inertance)を算出してもよい。モビリティは、変位の微分値から速度を導出し、速度および力から算出することができる。イナータンスは、速度の微分値から加速度を導出し、加速度および力から算出することができる。 In the above-described embodiment, the mechanical compliance is calculated from the displacement and the force as the value used for the evaluation of the dynamic rigidity of the work 90, but the apparent stiffness is calculated as the value used for the evaluation of the dynamic rigidity. , The calculated apparent stiffness may be used for the evaluation of the dynamic rigidity of the work 90. Further, mobility and inertia may be calculated as values used for evaluating the dynamic rigidity of the work 90. Velocity can be calculated from velocity and force by deriving velocity from the derivative of displacement. The inertia can be calculated from the acceleration and the force by deriving the acceleration from the derivative value of the velocity.

上記した実施形態では、制御部4により制御される、圧電素子2に印加する駆動電圧の波形は、インパルス波形、正弦波、三角波、矩形波、掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波が例示されているが、圧電素子2に印加する駆動電圧の波形は、これら例示するものに制限されない。制御部4は、圧電素子2の駆動電圧を、任意の波形で圧電素子2に印加することができる。 In the above-described embodiment, the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 2 controlled by the control unit 4 is exemplified by an impulse waveform, a sine wave, a triangular wave, a rectangular wave, a sweep sine wave, a sweep triangular wave, and a sweep rectangular wave. However, the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 2 is not limited to these examples. The control unit 4 can apply the drive voltage of the piezoelectric element 2 to the piezoelectric element 2 with an arbitrary waveform.

上記した実施形態では、制御装置29はパーソナルコンピュータであり、工作機械20と通信可能に接続されているが、制御装置29の態様はこれに限定されない。制御装置29は、工作機械20と別に設けられていてもよいし、工作機械20と一体化されて構成されていてもよい。例えば一般的な工作機械に設けられているコンピュータ化された数値制御装置(Numerical Control, NC)を、制御装置29として用いることができる。制御装置29は、工作機械20の動作を直接的または間接的に制御することができて、加振装置10の制御部4とワイヤレスで通信することができればよい。 In the above-described embodiment, the control device 29 is a personal computer and is communicably connected to the machine tool 20, but the aspect of the control device 29 is not limited to this. The control device 29 may be provided separately from the machine tool 20, or may be integrated with the machine tool 20. For example, a computerized numerical control device (Numerical Control, NC) provided in a general machine tool can be used as the control device 29. It suffices that the control device 29 can directly or indirectly control the operation of the machine tool 20 and can communicate wirelessly with the control unit 4 of the vibration device 10.

上記した実施形態では、制御装置29は、ワーク90の動剛性に関するデータ291を算出する際に、加振装置10へ送信した圧電素子2の駆動電圧に関する情報を用いているが、制御装置29は、加振装置10へ送信した駆動電圧に関する情報に代えて、圧電素子2に実際に印加されている印加電圧の実測値を用いて、データ291を算出してもよい。この場合、例えば圧電素子2に電圧検出器を設けて、圧電素子2に実際に印加されている印加電圧を実測し、圧電素子2への印加電圧の実測値を、制御部4から制御装置29へワイヤレス送信するとよい。制御部4では、印加電圧の実測値をメモリに記憶しておくとよい。 In the above-described embodiment, the control device 29 uses the information regarding the drive voltage of the piezoelectric element 2 transmitted to the vibration exciter 10 when calculating the data 291 regarding the dynamic rigidity of the work 90, but the control device 29 uses the information. , Data 291 may be calculated using the measured value of the applied voltage actually applied to the piezoelectric element 2 instead of the information regarding the drive voltage transmitted to the vibration apparatus 10. In this case, for example, a voltage detector is provided in the piezoelectric element 2, the applied voltage actually applied to the piezoelectric element 2 is actually measured, and the measured value of the applied voltage to the piezoelectric element 2 is measured by the control unit 4 from the control device 29. It is good to send wirelessly to. The control unit 4 may store the measured value of the applied voltage in the memory.

[実施例]
以下の実施例では、本発明による加振装置の試作機を作製して性能評価を行った。作製した試作機の概要を表1に示す。

Figure 0007058030000002
[Example]
In the following examples, a prototype of the vibration exciter according to the present invention was manufactured and its performance was evaluated. Table 1 shows an outline of the manufactured prototype.
Figure 0007058030000002

電池には、薄型で大容量(定格容量1.5AH)であり、内部抵抗が低い積層シート型のリチウムイオンバッテリーを使用した。使用した電池の内部抵抗は、1kHzの高周波印加時に6.5mΩであった。圧電素子には、株式会社トーキン製の積層圧電アクチュエータ「TOKIN ASL170C801」シリーズを使用した。力感知部には、スイス国キスラー(KISTLER)グループ社製の水晶圧電式力センサ「9134B」を使用した。制御部には、英国ラズベリーパイ財団による「Raspberry Pi 3 Model B+」を使用した。容量素子には、静電容量が1000μFの市販の電界コンデンサを8つ並列に接続して使用した。合成静電容量は約8000μFであった。切替部には、米国ビシェイ・シリコニクス(Vishay Siliconix)社製のN-Channel MOSFETおよびP-Channel MOSFETである、「Si7172ADP」および「Si7431DP」を使用した。 As the battery, a thin, large-capacity (rated capacity 1.5 AH), laminated sheet type lithium-ion battery with low internal resistance was used. The internal resistance of the battery used was 6.5 mΩ when a high frequency of 1 kHz was applied. As the piezoelectric element, a laminated piezoelectric actuator "TOKIN ASL170C801" series manufactured by Tokin Corporation was used. For the force sensing unit, a crystal piezoelectric force sensor "9134B" manufactured by KISTLER Group, Switzerland was used. For the control unit, "Raspberry Pi 3 Model B +" by the Raspberry Pi Foundation in the United Kingdom was used. Eight commercially available electric field capacitors having a capacitance of 1000 μF were connected in parallel to the capacitive element. The combined capacitance was about 8000 μF. For the switching unit, "Si7172ADP" and "Si7431DP", which are N-Channel MOSFETs and P-Channel MOSFETs manufactured by Vishay Siliconix of the United States, were used.

実施例1では、圧電アクチュエータが対象物に押し当てられていない状態である、無負荷時の加振における圧電アクチュエータの先端変位を測定することにより、加振変位の測定を行った。圧電アクチュエータの先端変位の測定は、三角測量型のレーザ変位計を用いて行った。測定条件として、印加電圧を50V、加振周波数を1Hz~2000Hz、加振時間を10秒、サンプリング周波数を100kHzとした。測定結果を図5に示す。 In Example 1, the vibration displacement was measured by measuring the displacement of the tip of the piezoelectric actuator in the vibration under no load, in which the piezoelectric actuator is not pressed against the object. The displacement of the tip of the piezoelectric actuator was measured using a triangulation type laser displacement meter. The measurement conditions were an applied voltage of 50 V, a vibration frequency of 1 Hz to 2000 Hz, a vibration time of 10 seconds, and a sampling frequency of 100 kHz. The measurement results are shown in FIG.

図5の(A)は圧電アクチュエータの先端変位の時間波形を示すグラフであり、(B)は圧電アクチュエータの先端変位のスペクトログラムである。(B)に示すスペクトログラムにおいて、パワー/周波数(dB/Hz)の比率が高く、図中に白く表示されている周波数のデータが、加振中に多く含まれている周波数成分のデータである。 FIG. 5A is a graph showing a time waveform of the tip displacement of the piezoelectric actuator, and FIG. 5B is a spectrogram of the tip displacement of the piezoelectric actuator. In the spectrogram shown in (B), the frequency data in which the power / frequency (dB / Hz) ratio is high and is displayed in white in the figure is the data of the frequency component contained in a large amount during the vibration.

(A)に示すように、約10秒間の加振時間の間に、圧電アクチュエータの先端が約8μm変位していることが確認された。(B)において図中に白く表示されているように、約10秒間の加振の間に、周波数が約0Hz~約2000Hzまでリニアに変化して掃引されていることが確認された。 As shown in (A), it was confirmed that the tip of the piezoelectric actuator was displaced by about 8 μm during the vibration time of about 10 seconds. As shown in white in the figure in (B), it was confirmed that the frequency changed linearly from about 0 Hz to about 2000 Hz and was swept during the vibration for about 10 seconds.

実施例2では、マシニングセンタの主軸に加振装置の試作機を取り付けて、マシニングセンタ上で平板の加振実験を行い、コンプライアンスを測定した。また、マシニングセンタ上の平板に対して、インパルスハンマーおよび加速度計を使用した衝撃試験(ハンマリング試験)を行い、コンプライアンスを測定した。両者の測定におけるコンプライアンスの測定値を比較した。平板の厚さは約10mmであった。測定値の比較結果を図6に示す。 In Example 2, a prototype of the vibration exciter was attached to the spindle of the machining center, and a flat plate vibration experiment was conducted on the machining center to measure compliance. In addition, an impact test (hammering test) using an impulse hammer and an accelerometer was performed on the flat plate on the machining center to measure compliance. Compliance measurements in both measurements were compared. The thickness of the flat plate was about 10 mm. The comparison result of the measured values is shown in FIG.

図6は、コンプライアンスの測定値を示すグラフである。(A)~(E)に示すように、コンプライアンスの測定は、加振器による静的な押し付け量と、圧電アクチュエータの動作電圧(印加電圧)の振幅との組み合わせを変化させて複数回行った。符号61で示す濃い線のデータは、加振装置の試作機による測定データであり、符号62で示す薄い線のデータは衝撃試験(ハンマリング試験)による測定データである。(A)は、加振器による静的な押し付け量が40μmであり、圧電アクチュエータの動作電圧の振幅が50Vにおける測定値のグラフである。同様に、(B)は、静的な押し付け量が80μmであり動作電圧の振幅が50Vにおける測定値のグラフである。(C)は、静的な押し付け量が120μmであり動作電圧の振幅が50Vにおける測定値のグラフである。(D)は、静的な押し付け量が40μmであり動作電圧の振幅が25Vにおける測定値のグラフである。(E)は、静的な押し付け量が80μmであり動作電圧の振幅が25Vにおける測定値のグラフである。 FIG. 6 is a graph showing the measured values of compliance. As shown in (A) to (E), the compliance was measured a plurality of times by changing the combination of the static pressing amount by the exciter and the amplitude of the operating voltage (applied voltage) of the piezoelectric actuator. .. The dark line data indicated by reference numeral 61 is the measurement data obtained by the prototype of the vibration exciter, and the light line data indicated by the reference numeral 62 is the measurement data obtained by the impact test (hammering test). (A) is a graph of measured values when the static pressing amount by the exciter is 40 μm and the amplitude of the operating voltage of the piezoelectric actuator is 50 V. Similarly, (B) is a graph of measured values when the static pressing amount is 80 μm and the amplitude of the operating voltage is 50 V. (C) is a graph of measured values when the static pressing amount is 120 μm and the amplitude of the operating voltage is 50 V. (D) is a graph of measured values when the static pressing amount is 40 μm and the amplitude of the operating voltage is 25 V. (E) is a graph of measured values when the static pressing amount is 80 μm and the amplitude of the operating voltage is 25 V.

(A)~(E)のそれぞれのグラフにおいて、上段に示されている振幅と周波数との関係を表すデータについて着目する。符号61で示す濃い線のデータと、符号62で示す薄い線のデータとで、振幅がピークを示す周波数の値は概ね一致していた。このことから、本発明の加振装置の試作機による測定データは、従来の衝撃試験(ハンマリング試験)と良好な対応関係を示していることが確認された。 In each of the graphs (A) to (E), attention is paid to the data showing the relationship between the amplitude and the frequency shown in the upper row. The dark line data indicated by reference numeral 61 and the light line data indicated by reference numeral 62 generally had the same frequency value at which the amplitude showed a peak. From this, it was confirmed that the measurement data of the prototype of the vibration exciter of the present invention showed a good correspondence with the conventional impact test (hammering test).

1 電池
2 圧電素子
3 力感知部
4 制御部
5 駆動回路
6 容量素子
7 切替部
8 電圧制御部
10 ワイヤレス加振装置
11 充電コネクタ
12 増幅器
13 昇圧回路
20 工作機械
21 ベッド
22 コラム
23 サドル
24 主軸装置
25 ツールホルダ
26 テーブル
27 治具
28 充電装置
29 制御装置
291 データ
71 NPNトランジスタ
72 PNPトランジスタ
73 整流素子
74 整流素子
90 被加工物(ワーク)
91 測定ポイント
241 主軸
1 Battery 2 Piezoelectric element 3 Force sensing unit 4 Control unit 5 Drive circuit 6 Capacitive element 7 Switching unit 8 Voltage control unit 10 Wireless vibration exciter 11 Charging connector 12 Amplifier 13 Booster circuit 20 Machine tool 21 Bed 22 Column 23 Saddle 24 Main shaft device 25 Tool holder 26 Table 27 Judge 28 Charging device 29 Control device 291 Data 71 NPN transistor 72 PNP transistor 73 Rectifier element 74 Rectifier element 90 Work piece (work)
91 Measurement point 241 Headstock

Claims (6)

電池に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果により被加工物を加振する圧電素子と、
前記被加工物が加振されている間に、前記被加工物から受ける力を感知する力感知部と、
感知された前記力を示す情報を、前記被加工物の加工を制御する制御装置へワイヤレス送信する制御部と、
を備えるワイヤレス加振装置。
A piezoelectric element that is connected to a battery and vibrates the workpiece by the inverse piezoelectric effect when a drive voltage is applied.
A force sensing unit that senses the force received from the workpiece while the workpiece is being vibrated.
A control unit that wirelessly transmits the detected information indicating the force to a control device that controls the processing of the workpiece.
A wireless vibration exciter equipped with.
前記圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が前記被加工物から前記力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、
をさらに備える、請求項1に記載のワイヤレス加振装置。
The capacitive element connected to the piezoelectric element and
It is switched between applying the voltage due to the electric energy stored in the capacitive element to the piezoelectric element or applying the voltage generated by the piezoelectric element receiving the force from the workpiece to the capacitive element. Switching part and
The wireless vibration exciter according to claim 1.
前記制御部は、駆動周波数を変化させながら前記圧電素子を駆動させる、請求項1または2に記載のワイヤレス加振装置。 The wireless vibration exciter according to claim 1 or 2, wherein the control unit drives the piezoelectric element while changing the drive frequency. 前記制御部は、前記制御装置との間のワイヤレス通信の通信品質に関する情報を、前記制御装置に送信する、請求項1から3のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。 The wireless vibrating device according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit transmits information regarding the communication quality of wireless communication with the control device to the control device. 前記制御部は、
前記力を示す情報と、前記加振により生じる前記被加工物の変位に関する情報とに基づいて、前記被加工物の動剛性を算出し、
算出した前記動剛性を示す情報を、前記制御装置へワイヤレス送信する、請求項1から4のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。
The control unit
The dynamic rigidity of the work piece is calculated based on the information indicating the force and the information on the displacement of the work piece caused by the vibration.
The wireless vibration exciter according to any one of claims 1 to 4, wherein the calculated information indicating the dynamic rigidity is wirelessly transmitted to the control device.
請求項1から5のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置に設けられる、圧電素子の駆動回路であって、
前記圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が被加工物から力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、を備える、圧電素子の駆動回路。
A drive circuit for a piezoelectric element provided in the wireless vibration exciter according to any one of claims 1 to 5.
The capacitive element connected to the piezoelectric element and
A switching unit that switches between applying a voltage due to the electric energy stored in the capacitive element to the piezoelectric element or applying a voltage generated by the piezoelectric element receiving a force from a workpiece to the capacitive element. And, the drive circuit of the piezoelectric element.
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