JPH0722874B2 - 振動切削装置の自動制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、工具に振動を与えて切削加工をする振動切
削装置において、切削中の切削状態を検出してその切削
状態に応じて回転速度又は送り条件を適正に変化させる
ようにした自動制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より切削加工中に工具に適当な振動を与えると、切
屑処理や加工精度の向上、又は工具の耐久性の向上など
の優れた効果があることが知られている。

このような振動切削の効果を得るため、本出願人はすで
に、切削加工中に生じる工具の自励振動を有効に利用し
て振動切削を行なうようにした振動切削装置を特願昭62
−80021号や特願昭62−135658号等により提案してい
る。これらの振動切削装置は、工作機械の主軸に装着さ
れるツールホルダーに工具取付部を備える振動部材を切
削方向に移動可能に取付け、この振動部材にそれを定位
置に復帰させる弾性力を付与したもので、切削加工時に
工具に加わる切削振動を弾性力によって増大させて工具
に逆伝達するようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、近年において各種工作機械の無人化運転が著
しく普及し、これに並行して工作機械の切削工具につい
ても、その寿命のばらつき、損傷等に対する効果的な対
策が強く要望されている。このため以前から、切削中の
切削力を常に検出し、過大又は過小な切削力を検出した
とき即応的に回転速度又は切削送り速度を修正させる各
種の自動制御方法や装置が提案されている。

ところが、従来の自動制御装置における切削力の検出手
段としては、抵抗線歪計、差動変圧器、容量検出計など
の検出器を主軸や切削送り台に取付ける方法がとられて
いるが、これらの検出計は上記の振動切削装置に全く利
用することができない問題がある。すなわち、工具に振
動を与えて加工する振動切削においては、例えば抵抗線
歪計を用いて切削力を計測した場合、その得られる値は
振動量を示すだけで意味をなすものではなく、また機械
的振動が抵抗線歪計等の検出機構を損傷させる原因にな
る。

したがって、振動切削装置において、切削中の切削力を
検出するには従来の検出方法とは違った新しい検出方法
が必要になる。

この発明は、上記の課題に解決を与えたもので、振動切
削中におけるお工具の切削状態を正確に検出し、その切
削状態に応じて切削条件を修正するようにした自動制御
方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するため、この発明は、切削加工時に
発明する工具の機械的振動を周波数量として検出し、こ
の検出された振動周波数を基準周波数と比較し、この比
較値に基づいて主軸回転数又は切削送り量を変化させる
方法を採用したのである。

切削中の工具に損傷が生じた場合、工具又は工作機械か
ら発生するアコースティックエミッション信号（以下AE
信号と云う）は、その高周波数成分の出力レベルが高く
なることが知られている。また従来より切削中のAE信号
を検出し、その信号中に出力レベルの高い高周波数成分
が現われた際、工作機械の動きを止めるようにした工具
損傷防止装置が存在している。

本発明者等は、上記のようなAE信号の振動周波数と切削
現象との関連が工具の機械的振動と切削現象にも同様に
存在していると考え、この機械的振動を周波数量として
検出し、この検出された周波数に基づいて切削条件を制
御するようにしたのである。

また、上記工具の機械的振動は、工具の表面に吹出し口
を向き合せてエアー通路を設け、このエアー通路内の圧
力変動に変換し、この圧力変動を検出して振動周波数を
求めるようにしてもよい。このように振動する工具と非
接触状態で振動周波数を求めることにより、圧電素子等
を用いて接触状態で検出する方法に比べて工具の動きや
形状等に関係なく常に安定した周波数を求めることがで
きる。

〔作用〕

工具の機械的振動の周波数を検出し、その検出した周波
数ｆを切削加工の開始からその周波数の変化を時間を追
って表示すると、第４図（ａ）に示す関係が得られる。
図により、切削の初期の段階においては周波数は著しく
増大し、初期段階を過ぎると周波数は一様な状態で進行
している。また、切削中の工具切刃が被削材中の硬い部
分と接触するか、切込みの過不足が生じた場合（t₁時
間）、周波数は一時的に上昇し、上記状態がなくなると
再び定常の周波数に戻る現象を示す。また、周波数は、
工具切刃の摩耗が進行するに伴い、漸次増大するか、或
いは減少する現象を示し、t₂時間のように工具切刃にチ
ッピングや欠けが発生すると周波数ｆは急激な増大を示
す。

上記現象において切削の初期の段階で周波数が増大する
のは、回転数あるいは送り量が加速状態にあり、安定す
るまでの過渡的過程であると考えられる。

したがって、制御を行なう場合は切削の初期の段階を除
き、周波数が定常状態になった時点から開始する必要が
ある。また、初期段階経過した後の定常状態は切削が正
常な状態にあるので、この状態の周波数を基準周波数す
るのが望ましい。上記の操作は、例えばタイマーの作用
によって切削初期段階を検出しないようにして制御範囲
から省くことができる。また、基準周波数は、検出開始
から基準時間（数秒間）内で周波数を複数サンプリング
し、これを平均演算して、その平均値を基準周波数fcと
設定するようにする。

制御は、基準周波数fcと実際の切削加工中に得られる周
波数ｆとを比較演算し、この比較値に基づいて工作機械
の制御装置に制御信号を出すようにする。

すなわち、基準周波数fcと測定時の周波数ｆとの比f/fc
をとり、この比f/fcが１から一定の制御幅ａを上回るか
下回ると、工作機械の制御装置に制御信号を送り、主軸
回転数又は切削送り速度を変化させる。

また、上記の場合の制御は、周波数比f/fcの大きさと、
その値の時間的変化により制御内容を分けて行なうよう
にする。即ち、第４図（ｂ）に示すように、周波数比f/
fcが上昇し、その変化が一定の時間の範囲で生じた場
合、周波数比f/fcの変化量に応じて主軸回転数か切削送
り量を減少させ、振動周波数が減少して周波数比f/fcが
制御幅ａより内側に入ると主軸回転数又は切削送り量を
再び設定された値に戻すようにする。

一方、周波数比f/fcの変化が極めて短い時間内で生じた
場合は、切刃の欠損が発生したと判断し、即座に主軸回
転や切削送りを停止させるようにする。

また、周波数比f/fcの変化がゆるやかな時間変化によっ
て所定値を越えた場合は、切刃の摩耗が一定の値に達し
たと判断し、切刃交換の信号を出す。

〔実施例〕

第１図乃至第３図は工具回転式の振動切削装置を示して
いる。

第１図において、１はマニシングセンタなどの工作機械
の主軸、２は機械本体の固定部であり、主軸１は適宜の
駆動手段により駆動される。

ツールホルダ３は、回転部材４と、この回転部材４を支
持する非回転部材５とからなっており、回転部材４の後
部には主軸１のテーパ孔に嵌合するテーパシャンク６が
設けられている。このテーパシャンク６の前部にはATC
のマニピュレータの爪が係合するグリップ７が形成され
ており、その先端に回転スリーブ８がスクリュー９を介
して取付けられている。

上記スリーブ８の内部孔8aには、工具取付部10aを有す
る工具アダプタ10と摺動部材11が気密を保って前後方向
に移動可能に取付られている。この工具アダプタ10と摺
動部材11の間には、摺動部材11の前部に設けたボール12
を工具アダプタ10の後面に当接させて若干のすき間13が
設けられており、摺動部材11とスリーブ８内部の途中に
設けた隔壁との間には、摺動部材11と工具アダプタ10を
前側に向かって付勢するコイルスプリング14が設けられ
ている。

また、スリーブ８の外周には前後の軸受15、16を介して
非回転部材５の支持部17が接着されており、この支持部
17の前後にそれぞれ、スリーブ８と工具アダプタ10を結
合するトルクリミット機構18と、スリーブ８と摺動部材
11を結合するスラストリミット機構19とが設けられてい
る。

上記トルクリミット機構18は、ボール20と、このボール
を受けるために工具アダプタ10の外周に形成された凹所
21と、凹所21にボール20に押し付けるバネ22及びバネ受
23から成っており、バネ受23はスリーブ８前端に装着し
たトルクアジャスタナット24の内周面に圧着されてい
る。このアジャスタナット24の内周面は第２図に示すよ
うに、180゜位相がずれた位置で渦巻の一部となるよう
に一端から次第に深くなるように対称形に形成されてお
り、アジャスタナット24を同図矢印で示すように回して
いくと、バネ22が次第に圧縮されて凹所21に対するボー
ル20に加わる力が強くなり、スリーブ８とアダプタ10間
で伝達されるトルクが増大する。

スラストリミット機構19の構造は、上記のトルクリミッ
ト機構18と基本的に同一であり、スラストアジャスタナ
ット25の内周面と摺動部材11外周の凹所26との間に、バ
ネ27とボール28とバネ受を介在させて成っており、アジ
ャスタナット25の内周面には、第２図と同様の調節のた
めの傾斜面が形成されている。

また、非回転部材５の内周には、環状部材29が固定さ
れ、この環状部材29の内面はスリーブ８の連通孔30を設
けた位置の外周面に気密を保って接触している。上記連
通孔30は、工具アダプタ10の外周に形成した周溝31に連
通しており、この周溝31は連通路32により工具アダプタ
10と摺動部材11の間のすき間13に連通している。

また、上記環状部材29の内部には連通孔30に通じる半径
方向の連通孔33が設けてある。

非回転部材５の一側には、流体受部34が一体に設けられ
ており、この流体受部34を上下に貫通する縦孔に係合ピ
ン35が取付けられている。

一方、工作機械の固定部２には、係合ピン35がはまる係
合孔36が設けてあり、係合ピン35が係合孔36に嵌合した
状態で係合ピンに移動可能に取付けた押圧部材37がバネ
38の弾性により固定部２に圧着されるようになってい
る。

上記押圧部材37には逆止弁39を有する空気導入口40が設
けられ、この導入口40は係合ピン35に設けた連通路41に
連通し、又、流体受部34には連通路41と環状部材29の連
通孔33を連通させる連通路42を設けてある。上記の逆止
弁39は、押圧部材37が固定部２に圧着されたときに、固
定部２の先端から突出しているピン39′によって押圧さ
れて開放する。

一方、工作機械の固定部２には、上記空気導入口40に通
じる空気供給路43が設けてあり、この空気供給路43に
は、逆止弁44と絞り弁45を介してコンプレッサやレシー
バタンク等の圧縮空気源46が接続している。上記構造に
おいて、圧縮空気源46から出た空気は、空気供給路43か
ら空気導入口40→連通路41→連通路42→連通孔33→連通
孔30→周溝31→連通路32を通してすき間13に導入される
ことになり、この空気供給路43から連通路32までを上下
エアー通路56と呼ぶ。

空気供給路43の途中の分岐路には圧力センサ47が設けら
れ、この圧力センサ47に制御回路48が接続されている。
上記圧力センサ47は、圧力スイッチ等が用いられ空気供
給路43内の圧力が変動するとその圧力変動ごとにスイッ
チングして電気信号を制御回路48に伝達する。

第３図は制御回路48の構造を示しており、図において、
49は増幅器、50はハンドパスフィルタ、51はタイマー、
52と53は演算器、54は比較器であり、この比較器54が工
作機械の主軸回転や刃物台の送り量を制御する制御装置
55に接続している。この制御回路48の作用は後に述べ
る。

なお、空気供給路43と圧縮空気源46の途中に設けた絞り
弁45は、ツールホルダ３を主軸２に取付けたときに所望
の圧力に維持するように回路が構成されている。

この実施例は上記のような構造で成っており、次に作用
について説明する。

主軸１にツールホルダ３のテーパシャンク６を嵌め込
み、絞り弁45を開くと、空気供給路43により圧縮空気が
エアー通路56を通して工具アダプタ10と摺動部材11間の
すき間13に供給される。このようにすき間13に圧縮空気
が入った後、工具アダプタ10と摺動部材11との間のすき
間13の大きさをボール12を介して小ねじ12′を回すこと
によって調節する。

次に主軸１が回転し、工具アダプタ10に取付けた工具に
より加工が始まると、加工が正常に行なわれている間は
第１図に示すように、トルクリミット機構18とスラスト
リミット機構19のボール20、28がそれぞれ凹所21、26に
嵌り、工具アダプタ10とスリーブ８が共に回転する。こ
の場合、工具アダプタ10とスリーブ８とは一定の位置関
係を保っているので、工具アダプタ10の周溝31とスリー
ブ８の連通孔30の位置は一致しており、すき間13とエア
ー通路56内には圧縮空気が所定の圧力で滞留した状態に
なっている。

この状態で工具により切削が行なわれると、工具切刃に
加わる切削振動により工具アダプタ10は前後方向に微小
振動する。この振動はトルクリミット機構18のバネ22で
増大されて工具アダプタ10に逆伝達され、振動切削が行
なわれる。このように切削中工具アダプタ10が振動する
と、すき間13の間隔が変動し、この変動に合わせてすき
間13とエアー通路56内の圧縮空気の圧力が変動する。

この圧力変動は、空気供給路43に設けた圧力センサ47に
おいて電気信号に変換されて周波数としてとらえられ、
この検出信号は制御回路48において増幅器49により増幅
される。増幅された周波数信号は次のハンドパスフィル
タ50において、切削加工により発生する周波数成分以外
の周波数成分が除去される。

周波数が分別された出力信号は、先ずタイマー51の作用
により切削の初期部分が除かれる。次に定常加工状態に
なると検出が開始される（t₀時間）。検出が開始される
と、最初の所定時間で複数の周波数値がサンプリングさ
れ、演算器52に送られる。演算器52では、このサンプリ
ングされた周波数の平均値が計算されて基準周波数fcが
決定され、それを次の演算器53に出力する。

この演算器53においては、基準周波数fcとハンドパスフ
ィルタ50から連続して入力される振動周波数ｆとが割算
され、その比f/fcが求められる。

次の比較器54においては、第５図に示すように、上記の
ように求めた比f/fcが任意に設定される制御量ａと比較
され、比f/fcが制御量ａを越えた場合、その比f/fcの変
化の時間的変化が測定され、その測定結果に基づいて工
作機械の制御装置55に制御信号が出力される。これは、
比f/fcが制御量ａを逸脱した場合、比f/fcの上昇分Δｆ
と時間量Δとの割合Δf/Δｔが計算され、この割合Δf/
Δｔの大きさに基づいて（急）、（中間）、（緩）の３
つの制御枝が選択され、その選択に基づいて制御信号が
出力されるものである。

すなわち、いま第４図（ａ）において、時間t₁のように
切込みの過不足等が生じて周波数ｆが一定の割合内で上
昇すると、（中間）の制御枝が選択され、比f/fcの上昇
の割合に応じて主軸回転数又は切削送り量を減少させる
制御信号が出力される。これにより切削力が減少し、工
具の折損や切込み異常が未然に防止される。また、切削
力が減少して周波数比f/fcが制御量ａ内に入ると、上記
制御信号は解除され、主軸回転や送り量は元の条件に復
帰する。

一方、時間t₂のように工具の欠損が発生すると、周波数
ｆすなわち周波数比f/fcが急激に上昇するので、（急）
の制御枝が選択され、主軸回転や機械送りを即座に停止
する制御信号が出力される。これにより、工作機械は即
座に停止される。

また、第４図（ａ）に破線で示すように工具切刃が摩耗
すると周波数ｆが緩やかに上昇するため、これを検知す
ると（緩）の制御枝が選択され、工具交換を知らせる警
報が発するか、工作機械を停止させる信号が出力され
る。

なお、この実施例では、上記のような原因以外に、工具
選定不良や切屑詰まりなどの原因で切削抵抗が一定値以
上に増大した場合にも機械作動を停止させる構造がとら
れている。すなわち、切削トルクやスラスト力が一定以
上に増大すると、第１図に示す工具アダプタ10外周の凹
所21と摺動部材11外周に設けた凹所26からそれぞれボー
ル20、28がはずれ、工具アダプタ10がスリーブ８の回転
に追随しなくなると共に、スリーブ８内部を後方に移動
し、工具アダプタ10の周溝31とスリーブ８の連通孔30の
位置がずれる。こうして連通孔30が遮断されると、エア
ー通路56内の空気圧が急上昇し、圧力センサ47がこれを
感知して制御回路48で増幅され、工具欠損の場合と同様
に機械作動を停止させる信号が制御装置55に出力される
ようになっている。

第６図は他の実施例を示すもので、これは旋盤等の外径
加工用工具に適用した例を示している。

図において57は工具チップ58を先端に固定したチップホ
ルダであり、このチップホルダ57は板バネ59と座金60を
介してその後端がツールシャンク61の先端に締付け固定
される。

また、ツールシャンク61の先端には、開口62aをチップ
ホルダ57の下面に向き合せたエアノズル62が取付けられ
ており、このエアノズル62に、シャンク61内に設けたエ
アー通路63が連通し、このエアー通路63に空気供給路64
が接続するようになっている。上記空気供給路64には、
上述した実施例と同様に圧縮空気源46が接続すると共
に、分岐路に圧力センサ47を介して制御回路48が接続し
ている。

上記構造の振動切削装置ではエアノズル46から空気を吹
き出させた状態で切削加工を始めると、加工時の切削振
動によってチップホルダ57が上下に振動し、振動切削を
行なう。そして、この振動によって、エアノズル62の開
口62aも開閉を繰り返す。こうしてチップホルダー57の
下面がエアノズル62の開口を塞いだり開放したりするこ
とによりエアー通路63内のエア圧力が変動し、この圧力
変動が圧力センサ47で検出されて制御回路48に送られ
る。この制御回路48における制御は上述した実施例の場
合と同じ方法で行なわれる。

〔発明の結果〕

以上のように、この発明は、工具の機械的振動を周波数
量として検出し、この振動周波数をもとに切削条件を制
御するようにしたものであるから、振動切削を行なって
いる工具の切削状態を正確に検出することができ、精度
よく的確な制御を行なうことができる。

また、上記工具の機械的振動をエアー通路内の圧力変動
に変換して検出するようにすると、工具の振動を非接触
で検出できるので、工具形状が変化しても同一状態で検
出できると共に、圧電素子などの接触型の振動検出器を
使用した場合のように、検出器の耐久性から検出精度が
悪化する欠点がなく、常に正確な検出ができる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施する振動切削装置の一例を一部
を切欠いて示す図、第２図は第１図のII−II線に添った
断面図、第３図は同上の制御回路を示すブロック図、第
４図（ａ）は振動周波数と時間との関係を示す図、第４
図（ｂ）は制御状態を示す図、第５図は周波数比と時間
との関係を示す図、第６図は振動切削装置の他の実施例
を示す図である。 １……主軸、３……ツールホルダ、 ８……回転スリーブ、10……工具アダプタ、 11……摺動部材、13……すき間、 18……トルクリミット機構、 19……スラストリミット機構、 43……空気供給路、46……圧縮空気源、 47……圧力センサ、48……制御回路、 55……制御装置、56……エアー通路、 57……チップホルダ、 61……ツールシャンク、 62……エアノズル、63……エアー通路、 64……空気供給路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工具に振動を与えつつ切削加工を行なう振
   動切削装置において、切削加工時に発生する工具の機械
   的振動を周波数量として検出し、この検出された振動周
   波数を基準周波数と比較し、この比較値に基づいて主軸
   回転数又は切削送り量を変化させることを特徴とする振
   動切削装置の自動制御方法。
2. 【請求項２】工具の機械的振動を、その工具に設けたエ
   アー通路内の圧力変動に変換し、その圧力変動から振動
   周波数を得ることを特徴とする請求項（１）に記載の振
   動切削装置の自動制御方法。