JPH08229772A - 主軸回転数の設定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 工作機械の振動特性を考慮してより優れた工
具寿命，加工精度が得られるとともに高能率加工を行う
ことができる主軸回転数を容易且つ短時間で設定できる
ようにする。 【構成】 主軸回転数を変化させながら主軸を空回転さ
せて主軸およびテーブルの振動を検出し、主軸およびテ
ーブルの振動の位相差、およびテーブルの振幅が、主軸
回転数の変化に伴って共に周期的に小さくなる回転数領
域Ｎ３を適正回転数領域とする。そして、その適正回転
数領域Ｎ３の中から要求精度などを満足する範囲で最も
高い回転数を主軸回転数として設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主軸回転数の設定方法お
よび装置に係り、特に、高い加工精度が得られるととも
に優れた工具寿命が得られるように工作機械の振動特性
に応じて主軸回転数を設定する方法および装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ボールエンドミルやフライスなどの回転
切削工具、或いは砥石などの回転研削工具等、主軸に取
り付けられた回転工具を回転駆動して、テーブルに配設
された被加工物を加工する工作機械、例えばＮＣ（数値
制御）工作機械などが広く知られている。その場合に、
主軸回転数や送り速度などの加工条件は、工具が正常摩
耗することを前提としてテストピースを加工し、工具寿
命・加工精度などを考慮して最適（例えば最高能率）と
思われる条件に設定するか、工具寿命や加工能率，加工
精度などを総合的に判断して工具メーカーによって定め
られた標準条件表に基づいて設定するようにしているの
が普通である。特開平４−３１５５７１号公報に記載の
装置は、研削抵抗がモータ容量や装置の剛性などで定ま
る最大許容値と略一致するように送り量等の研削条件を
自動設定することにより、略最大の能率で研削加工を行
うようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、テスト
ピースを実際に加工して試行錯誤で主軸回転数を設定す
る場合には、多くの工数を要して時間がかかり非効率的
であるとともに、総ての条件をテストすることは実質的
に不可能であるため、必ずしも最適な主軸回転数を設定
できるとは限らない。また、工具メーカーによって定め
られた標準条件表は、工作機械側の振動特性を考慮して
いないため、工具が工作機械と共振して振動が大きくな
り、欠けやチッピングなどの異常摩耗を生じて所期の工
具寿命や加工精度が得られないことがある一方、工作機
械の振動特性によっては工具寿命や加工精度を損なうこ
となく更に高能率な加工を行うことができる場合もある
など、必ずしも十分に満足できるものではない。研削抵
抗が工作機械の最大許容値となるように研削条件を設定
する場合も、共振などで振動が大きい場合にはその時の
研削抵抗に応じて研削条件が定められるだけであるた
め、加工能率が大幅に低下するなど、必ずしも最大能率
で加工が行われるわけではない。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、工作機械の振動特性
を考慮してより優れた工具寿命，加工精度が得られると
ともに高能率加工を行うことができる主軸回転数を容易
且つ短時間で設定できるようにすることにある。

【０００５】

【課題を解決するための第１の手段】かかる目的を達成
するために、第１発明は、主軸に取り付けられた回転工
具を回転駆動してテーブルに配設された被加工物を加工
する工作機械の主軸回転数を設定する方法であって、
（ａ）主軸回転数を変更しながら前記主軸を空回転さ
せ、その主軸および前記テーブルの振動をそれぞれ測定
する工程と、（ｂ）前記主軸および前記テーブルの振動
の位相差を求める工程と、（ｃ）前記主軸および前記テ
ーブルの何れか一方の振動の振幅、および前記位相差に
基づいて、前記主軸回転数の変化に伴って周期的に増減
するそれ等の振幅および位相差が共に小さくなる回転数
領域で主軸回転数を設定する工程とを有することを特徴
とする。

【０００６】

【作用】すなわち、主軸およびテーブルの振動の位相差
は、主軸回転数の変化に伴って周期的に増減するが、そ
の位相差が小さくなる回転数領域で主軸回転数が設定さ
れるため、加工時には主軸とテーブルとが相対的に略同
じ運動をすることになり、振動の影響を受け難くなるの
である。主軸およびテーブルの振動の周波数は同じであ
るが、主軸回転数が変化すると、主軸の回転に伴って工
作機械に加えられる強制的な振動の大きさが変化するた
め、上記のように主軸およびテーブルの振動の位相差が
周期的に増減する。

【０００７】また、主軸やテーブルの振動の振幅は、主
軸回転数の変化に伴って周期的に増減しながら主軸回転
数が高くなるに従って大きくなるが、何れか一方の振動
の振幅が小さくなる回転数領域で主軸回転数が設定され
るため、その付近の主軸回転数の中では比較的振幅が小
さい。振動の振幅が周期的に増減するのは、工作機械の
固有振動に起因するもので、振動数は主軸回転数の変化
に対応して変化するが、固有振動数の倍数の振動数など
共振点において周期的に振幅が大きくなる。また、主軸
およびテーブルの振動の振幅は多少異なるが、主軸回転
数に対しては同じ変化傾向を示すため、何れの振幅を用
いて主軸回転数を設定しても差し支えない。

【０００８】なお、実際に被加工物を加工する際には、
被加工物の材質や回転工具の種類などによって加工抵抗
が異なり、それに伴って主軸回転数に対する位相差の特
性が変化する場合があるが、その場合には、例えば予め
テスト加工などで被加工物の材質や回転工具の種類など
の加工内容に応じて補正係数や補正値などを定めてお
き、空回転で測定した位相差を補正するようにすれば良
い。

【０００９】

【第１発明の効果】このように、本発明では振動の影響
を受け難いとともに振動自体の振幅も比較的小さくなる
主軸回転数が設定されるため、加工精度が向上するとと
もに工具に加わる負荷の変動が小さくなって工具寿命に
も有利である一方、高い工具寿命や加工精度を維持しつ
つ主軸回転数を高めて加工の高能率化を図ることができ
る。また、工作機械の振動特性を加味して主軸回転数が
設定されるため、工作機械の個体差に起因する加工精度
や工具寿命のばらつきが少なくなり、所定の加工精度，
工具寿命が安定して得られるようになる。しかも、本発
明では主軸を空回転させて工作機械の振動特性を調べる
ようにしているため、実際にテストピースを加工する場
合に比較して、容易且つ短時間で適切な主軸回転数を設
定することができる。

【００１０】

【課題を解決するための第２の手段】第２発明は、上記
第１発明の設定方法を好適に実施できる設定装置に関す
るもので、主軸に取り付けられた回転工具を回転駆動し
てテーブルに配設された被加工物を加工する工作機械の
主軸回転数を設定する装置であって、（ａ）前記主軸お
よび前記テーブルの振動をそれぞれ測定して、その振動
を表す信号を出力する一対の振動検出手段と、（ｂ）前
記主軸を空回転させるとともに主軸回転数を変化させる
回転制御手段と、（ｃ）その回転制御手段によって前記
主軸が回転駆動される過程で前記振動検出手段から前記
信号を取り込む取込手段と、（ｄ）その取込手段によっ
て取り込まれた信号に基づいて、前記主軸および前記テ
ーブルの何れか一方の振動の振幅を求める振幅演算手段
と、（ｅ）前記主軸回転数の変化に伴って前記振幅が周
期的に小さくなる第１回転数領域を求める第１領域演算
手段と、（ｆ）前記取込手段によって取り込まれた信号
に基づいて、前記主軸および前記テーブルの振動の位相
差を求める位相差演算手段と、（ｇ）前記主軸回転数の
変化に伴って前記位相差が周期的に小さくなる第２回転
数領域を求める第２領域演算手段と、（ｈ）前記第１回
転数領域および前記第２回転数領域の重なり部分を適正
回転数領域として求める第３領域演算手段とを有するこ
とを特徴とする。

【００１１】

【作用】このような主軸回転数の設定装置においては、
回転制御手段によって主軸回転数を変化させながら主軸
が回転駆動されるとともに、その主軸が回転駆動される
過程で取込手段により一対の振動検出手段から主軸およ
びテーブルの振動を表す信号がそれぞれ取り込まれる。
そして、振幅演算手段によって主軸およびテーブルの何
れか一方の振動の振幅が求められるとともに、主軸回転
数の変化に伴ってその振幅が周期的に小さくなる第１回
転数領域が第１領域演算手段によって求められる一方、
位相差演算手段によって主軸およびテーブルの振動の位
相差が求められるとともに、主軸回転数の変化に伴って
位相差が周期的に小さくなる第２回転数領域が第２領域
演算手段によって求められる。最後に、第３領域演算手
段によって上記第１回転数領域と第２回転数領域との重
なり部分が適正回転数領域として求められ、その適正回
転数領域の中から、例えば要求加工精度や加工能率など
を考慮して主軸回転数が設定される。

【００１２】なお、本発明においても、前記第１発明と
同様に必要に応じて位相差を補正することが可能で、被
加工物の材質や回転工具の種類などの加工内容に応じて
補正係数や補正値などを記憶する記憶手段や、その記憶
手段に記憶された記憶内容に従って位相差を補正する補
正手段などが必要に応じて設けられる。

【００１３】

【第２発明の効果】このように、本発明の設定装置は実
質的に前記第１発明の設定方法に従って主軸回転数を設
定するもので、第１発明と同様の効果が得られる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。図１において、１０は工作機械としての
マシニングセンタであり、軸心まわりに回転駆動される
とともに上下方向すなわちＺ軸方向へ移動させられる主
軸１２と、その主軸１２の真下に配置されて水平方向す
なわちＸ−Ｙ軸方向へ移動させられるテーブル１４と、
予め設定されたＮＣプログラムに従ってそれ等を制御す
るＮＣ制御盤１６とを備えている。主軸１２にはボール
エンドミルなどの回転工具１８が下向きに取り付けられ
る一方、テーブル１４上には図示しない被加工物が所定
の位置に位置決め固定されるようになっており、回転工
具１８によってその被加工物に所定の加工が施される。

【００１５】上記マシニングセンタ１０の主軸回転数を
設定する設定装置２０は、主軸１２の振動として加速度
を検出する加速度ピックアップ２２ａ、およびテーブル
１４の振動として加速度を検出する加速度ピックアップ
２２ｂを備えている。それ等の加速度ピックアップ２２
ａ，２２ｂは振動検出手段に相当するもので、何れも加
工面粗さに対する影響が大きいＺ軸方向、すなわち上下
方向の加速度を検出するように取り付けられている。加
速度ピックアップ２２ａ，２２ｂから出力される加速度
信号ＳＳ１，ＳＳ２は、それぞれアンプ２４ａ，２４
ｂ、およびＦＦＴ解析機能付きオシロスコープ２６を経
てパソコン２８に取り込まれる。パソコン２８は、ＣＰ
Ｕ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを有してＲＡＭの一時記憶機能
を利用しつつＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従っ
て信号処理を行うもので、図２の機能ブロック線図に示
す各種の機能を図３のフローチャートに従って実行する
ようになっている。

【００１６】図２の回転制御手段３０は図３のステップ
Ｓ１，Ｓ６，およびＳ７を実行するもので、前記ＮＣ制
御盤１６に制御信号ＳＤを出力することにより、前記主
軸１２を回転駆動（空回転）するとともにその回転数を
予め定められた最小回転数Ｎ _min から増加幅ΔＮずつ増
加させて最大回転数Ｎ_max まで変化させる。最小回転数
Ｎ_min ，最大回転数Ｎ_max は、マシニングセンタ１０の
機能や回転工具１８の種類などに応じてキーボードなど
の入力装置により予め設定される。増加幅ΔＮは予め一
定値が定められても良いが、入力装置によって適宜設定
できるようにしても良い。取込手段３２は図３のステッ
プＳ２を実行するもので、上記制御信号ＳＤの出力時す
なわち主軸１２を回転駆動している際に前記加速度信号
ＳＳ１およびＳＳ２を取り込む。振動波形演算手段３４
は図３のステップＳ３を実行するもので、取込手段３２
によって取り込まれた加速度信号ＳＳ１，ＳＳ２が表す
加速度から主軸１２，テーブル１４の変位量を逐次算出
して振動波形、すなわち変位量の変化波形を求める。振
動の変位，速度，および加速度は図４に示すように互い
に関連性を有し、加速度を２回積分すれば変位量が求め
られる。

【００１７】振幅演算手段３６は図３のステップＳ４を
実行するもので、上記振動波形演算手段３４によって求
められたテーブル１４の振動波形から振幅を求め、その
時の主軸回転数と対応して記憶する。そして、前記回転
制御手段３０によって主軸回転数が最小回転数Ｎ_min か
ら最大回転数Ｎ_max まで順次変更されることにより、例
えば図５に示すような主軸回転数に対する振幅の変化特
性が求められる。主軸１２やテーブル１４の振動の振幅
は、主軸回転数の変化に伴って周期的に増減しながら主
軸回転数が高くなるに従って大きくなる。振動の振幅が
周期的に増減するのは、マシニングセンタ１０の固有振
動に起因するもので、振動数は主軸回転数の変化に対応
して変化するが、固有振動数の倍数の振動数など共振点
において周期的に振幅が大きくなる。また、主軸１２お
よびテーブル１４の振動の振幅は多少異なるが、主軸回
転数に対しては同じ変化傾向を示すため、何れの振幅を
用いても略同じ変化特性が得られる。本実施例では、比
較的ノイズが少ないテーブル１４の振幅を用いるように
なっている。この振幅の変化特性は、マシニングセンタ
１０など使用する工作機械によってそれぞれ異なる。

【００１８】位相差演算手段３８は図３のステップＳ５
を実行するもので、前記振動波形演算手段３４によって
求められた主軸１２およびテーブル１４の振動波形の位
相差を求め、その時の主軸回転数と対応して記憶する。
そして、前記回転制御手段３０によって主軸回転数が最
小回転数Ｎ_min から最大回転数Ｎ_max まで順次変更され
ることにより、例えば図６に示すような主軸回転数に対
する位相差の変化特性が求められる。主軸１２およびテ
ーブル１４の振動の周波数は同じであるが、主軸回転数
が変化すると、主軸１２の回転に伴ってマシニングセン
タ１０に加えられる強制的な振動の大きさが変化するた
め、上記のように主軸１２およびテーブル１４の振動の
位相差が周期的に増減する。この位相差の変化特性は、
マシニングセンタ１０など使用する工作機械によってそ
れぞれ異なるが、主軸１２を支持しているベアリングの
プリロードを変更することによって調整することが可能
である。

【００１９】第１領域演算手段４０は図３のステップＳ
８を実行するもので、前記振幅演算手段３６によって求
められた主軸回転数と振幅との関係から、振幅が周期的
に小さくなる第１回転数領域Ｎ１（図５参照）を求め
る。この第１回転数領域Ｎ１の設定は、例えば振幅のピ
ーク値とピーク値との間の中間部において、そのピーク
値間の回転数幅の所定割合（図では１／２程度）の範囲
など、予め定められるか或いはキーボードなどの入力装
置によって入力された設定基準に従って行われる。第２
領域演算手段４２は図３のステップＳ９を実行するもの
で、前記位相差演算手段３８によって求められた主軸回
転数と位相差との関係から、位相差が周期的に小さくな
る第２回転数領域Ｎ２（図６参照）を求める。この第２
回転数領域Ｎ２の設定は、例えば位相差が所定値（図で
はπ／２程度）以下の領域など、予め定められるか或い
はキーボードなどの入力装置によって入力された設定基
準に従って行われる。

【００２０】第３領域演算手段４４は図３のステップＳ
１０を実行するもので、図７に示すように上記第１回転
数領域Ｎ１および第２回転数領域Ｎ２の重なり部分を適
正回転数領域Ｎ３として求める。また、主軸回転数設定
手段４６は図３のステップＳ１１を実行するもので、上
記適正回転数領域Ｎ３の中から要求精度などを満足する
範囲で最も高い回転数を主軸回転数として設定する。要
求精度などは、キーボードなどの入力装置によって入力
される。このようにして主軸回転数が決まれば、回転工
具１８の１刃当たりの最適送り量から送り速度が定ま
り、主軸回転数として最高回転数を選択すれば最高送り
速度が設定されることになり、最高能率で加工が行われ
る。

【００２１】このような設定装置２０においては、主軸
１２およびテーブル１４の振動の位相差が小さくなる回
転数領域、すなわち第２回転数領域Ｎ２内で主軸回転数
が設定されるため、主軸１２とテーブル１４とが相対的
に略同じ運動をすることになり、振動の影響を受け難く
なる。また、テーブル１４の振幅が小さくなる回転数領
域、すなわち第１回転数領域Ｎ１内で主軸回転数が設定
されるため、その付近の主軸回転数の中では比較的振幅
が小さい。このように振動の影響を受け難いとともに振
動自体の振幅も比較的小さくなる主軸回転数が設定され
るため、加工精度が向上するとともに回転工具１８に加
わる負荷の変動が小さくなって工具寿命にも有利である
一方、高い工具寿命や加工精度を維持しつつ主軸回転数
を高めて加工の高能率化を図ることができる。

【００２２】また、使用する工作機械、この実施例では
マシニングセンタ１０の振動特性を加味して主軸回転数
が設定されるため、工作機械の個体差に起因する加工精
度や工具寿命のばらつきが少なくなり、所定の加工精
度，工具寿命が安定して得られるようになる。しかも、
主軸１２を空回転させて工作機械の振動特性を調べるよ
うにしているため、実際にテストピースを加工する場合
に比較して、容易且つ短時間で適切な主軸回転数を設定
することができる。

【００２３】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することも
できる。

【００２４】例えば、前記実施例では主軸１２の軸心方
向であるＺ軸方向の振動を検出するようになっていた
が、例えばフライスなど径方向の振動が面粗さに大きく
影響する場合には、その径方向の振動を検出するように
すれば良い。

【００２５】また、前記実施例では振動検出手段として
加速度ピックアップ２２ａ，２２ｂが用いられていた
が、変位量を検出する変位センサなど他の振動検出手段
を採用することも可能である。

【００２６】また、前記実施例では主軸回転数を増加幅
ΔＮずつ増加させて振動を検出するようになっていた
が、最大回転数Ｎ_max から最小回転数Ｎ_min まで所定の
変化幅で減少させながら振動を検出するようにしても良
い。

【００２７】また、前記実施例の設定装置２０はあくま
でも一例で、第１発明の設定方法の実施に際しては、例
えば図５，図６に示すデータから作業者が手作業で適正
回転数領域を決めるようにしても良い。図５，図６のデ
ータを表示装置などに表示させて、第１回転数領域Ｎ
１，第２回転数領域Ｎ２をそれぞれ作業者が入力操作で
設定できるようにしても良い。

【００２８】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１発明の設定方法を好適に実施する第２発明
の設定装置の一例を説明する構成図である。

【図２】図１のパソコンの機能ブロック線図である。

【図３】図１の設定装置の作動を説明するフローチャー
トである。

【図４】図１の加速度ピックアップで検出される加速度
と変位との関係を説明する図である。

【図５】図１におけるテーブルの振幅と主軸回転数との
関係の一例を、第１回転数領域Ｎ１と共に示す図であ
る。

【図６】図１における主軸およびテーブルの振動の位相
差と主軸回転数との関係の一例を、第２回転数領域Ｎ２
と共に示す図である。

【図７】図５および図６を併せて示す図で、適正回転数
領域Ｎ３を説明する図である。

【符号の説明】

１０：マシニングセンタ（工作機械） １２：主軸 １４：テーブル １８：回転工具 ２０：主軸回転数の設定装置 ２２ａ，２２ｂ：加速度ピックアップ（振動検出手段） ２８：パソコン ３０：回転制御手段 ３２：取込手段 ３６：振幅演算手段 ３８：位相差演算手段 ４０：第１領域演算手段 ４２：第２領域演算手段 ４４：第３領域演算手段 Ｎ１：第１回転数領域 Ｎ２：第２回転数領域 Ｎ３：適正回転数領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸に取り付けられた回転工具を回転駆
   動してテーブルに配設された被加工物を加工する工作機
   械の主軸回転数を設定する方法であって、 主軸回転数を変更しながら前記主軸を空回転させ、該主
   軸および前記テーブルの振動をそれぞれ測定する工程
   と、 前記主軸および前記テーブルの振動の位相差を求める工
   程と、 前記主軸および前記テーブルの何れか一方の振動の振
   幅、および前記位相差に基づいて、前記主軸回転数の変
   化に伴って周期的に増減する該振幅および位相差が共に
   小さくなる回転数領域で主軸回転数を設定する工程とを
   有することを特徴とする主軸回転数の設定方法。
2. 【請求項２】 主軸に取り付けられた回転工具を回転駆
   動してテーブルに配設された被加工物を加工する工作機
   械の主軸回転数を設定する装置であって、 前記主軸および前記テーブルの振動をそれぞれ測定し
   て、該振動を表す信号を出力する一対の振動検出手段
   と、 前記主軸を空回転させるとともに主軸回転数を変化させ
   る回転制御手段と、 該回転制御手段によって前記主軸が回転駆動される過程
   で前記振動検出手段から前記信号を取り込む取込手段
   と、 該取込手段によって取り込まれた信号に基づいて、前記
   主軸および前記テーブルの何れか一方の振動の振幅を求
   める振幅演算手段と、 前記主軸回転数の変化に伴って前記振幅が周期的に小さ
   くなる第１回転数領域を求める第１領域演算手段と、 前記取込手段によって取り込まれた信号に基づいて、前
   記主軸および前記テーブルの振動の位相差を求める位相
   差演算手段と、 前記主軸回転数の変化に伴って前記位相差が周期的に小
   さくなる第２回転数領域を求める第２領域演算手段と、 前記第１回転数領域および前記第２回転数領域の重なり
   部分を適正回転数領域として求める第３領域演算手段と
   を有することを特徴とする主軸回転数の設定装置。