JPS63180401A

JPS63180401A - アクテイブ防振機能を有する切削工具

Info

Publication number: JPS63180401A
Application number: JP821587A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sugita; 雄二杉田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1987-01-19
Filing date: 1987-01-19
Publication date: 1988-07-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、アクティブ防振機能を有する切削工具、より
詳しくは、被加工物を作動させる駆動系と切削工具を移
動させる案内系を有する工作機械において、精密あるい
は超精密加工を行なう場合に好適なアクティブ防振機能
を有する切削工具に関するものである。

〔従来技術〕

一般に被加工物を作動させる駆動系と切削工具を移動さ
せる案内系を有する工作機械においては、その切削中振
動によって被加工物と工具先端との間に相対変位が生じ
、そのために加工精度が損なわれるという問題がある。

そこでこの駆動系および案内系の剛性を向上させること
が行なわれているが、この方法によると装置の重量増加
や製作費の増大等の問題が発生するとともに、摩擦抵抗
が増大し高速化の観点から極めて不利なものとなってく
る。このことは、特に高速で、かつ精密、超精密加工を
要求される工作機械においては問題となっており、その
ため、工作機械における好適な防振方法が求められてい
る。

また、第５図のように圧電アクチュエータと変位検出器
を組込んだ精密加工用の工具台が提案されているが、こ
れらは案内系のヨーイングあるいは被加工物のたわみに
よる寸法精度の劣化を補償しようとするもので、第６図
に示すように振動による面粗さの悪化および高速加工時
の振動増大を防止することはできない。

なお、第６図において縦軸に振幅、横軸にスライドのヨ
ーイング誤差を示しており、線（ａ）は第５図の装置に
おける補正前のデータ、線（ｂ）は補正後の誤差をそれ
ぞれ示している。

〔発明の目的〕

本発明は前記したような問題点を解決するためになされ
たものであって、その目的とするところは、被加工物を
作動させる駆動系と切削工具を移動する案内系を有する
工作機械において、−駆動系及び案内系の剛性を上げる
ことなく、被加工物と切削工具先端との間の振動を防止
し、もって加工精度の向上と高速加工を可能にすること
にある。

〔発明の概要〕

本発明は前記した目的を達成するために、切削工具に圧
電アクチュエータと荷重検出器を直列配置して組み込む
とともに、直列配置された圧電アクチュエータと荷重検
出器の両端の相対変位を検出する変位検出器を設け、前
記荷重検出器及び変位検出器からの信号に基づき、また
、前記変位検出器の出力信号にローパスフィルタをかけ
、防振対象周波数帯域にある成分を取除いて得られる信
号と、別の変位検出器により検出される案内系のヨーイ
ング量あるいは被加工物のたわみ量に相当する信号との
差から、圧電アクチュエータの準定常伸縮量を演算し、
圧電アクチュエータの変動伸縮量に加算する手段を追加
することにより、案内系のヨーイングあるいは被加工物
のたわみによる寸法精度の悪化も同時に補正することが
できる。

本発明を構成する圧電アクチュエータとしては、例えば
、ジルコンチタン酸鉛の圧電セラミックスによって製作
された複数の圧電素子ディスクで形成された積層型圧電
アクチュエータが使用される。この圧電アクチュエータ
は、引張力による破断をさけるために予め圧縮された状
態で工具に組込まれており、少なくとも圧電アクチュエ
ータに並列に配置する工具の部分を伸び縮みさせる程度
の力を発生するものが必要である。

また、荷重検出器は、ひずみゲージ、圧電体による荷重
センサあるいは圧電アクチュエータと同じ圧電素子ディ
スクによって構成されている。

そして変位検出器としては、うず電流、光、電気容量を
利用した非接触型変位検出器あるいは圧電アクチュエー
タに並列に位置する工具１の部分に貼付したひずみゲー
ジによる変位検出等が使用される。

〔実施例〕

以下、第１図ないし第４図に基づき本発明によるアクテ
ィブ防振機能を有する切削工具の実施例を説明する。

第１図は本発明によるアクティブ防振機能有する切削工
具を採用した精密旋盤Ｍの概略側面図であって、被工作
物１を作動させる電動機の如き駆動系２と切削工具３を
固定した工具台４を移動させる案内系５とにより構成さ
れており、これらは基台６上にセットされている。

切削工具（バイト等）３は第２図に示されるように、そ
の先端部７にはダイヤモンドチップ８が固定されるとと
もに、その根元部９との間の中間部１０には圧電アクチ
ュエータ１１と、例えばひずみゲージ、圧電体による荷
重センサもしくは圧電アクチュエータ１１と同じ圧電素
子ディスクによって構成された荷重検出器１２が直列に
組み込まれている。そしてこの切削工具３の中間部１０
にはひずみゲージによる変位検出器１３が設けられてい
る。

１４は演算装置であって、荷重検出器１２によって検出
される交番力および変位検出器１３によって検出される
相対変位に応じて圧電アクチュエータ１１の伸び量を求
め、この伸び量を発生するために必要な圧電アクチュエ
ータ１１への印加電圧を演算する。

つぎに、上記実施例の動作を説明する。

被加工物１と切削工具３との相対変位が駆動系２による
振動、工作機械の外部から伝搬する振動、あるいは切削
力の変化によって第２図の矢印Ａ方向に変動すると、切
削工具３には交番力が作用する。

この交番力のうち、圧電アクチュエータ１１を伝播する
交番力は、荷重検出器１２によって検出され、荷重信号
Ｖ、として演算装置１４に入力される。これと同時に、
切削工具３の先端部７と根元部９との間の相対変位は変
位検出器１３によって検出され、変位信号ｖｕとして演
算装置１４に入力される。

一方、切削等に伴う振動による加振力により被工作物１
と切削工具３の先端部７と根元部９が独立に振動し、先
端部７と根元部９との間に交番力りが作用している状態
を考えると、切削工具３の先端部７と根元部９との相対
変位Ｘの変動成分Ｘは、Ｘ　＝　ｘ　ｏ　＋　ｐ　＊　Ｌ　　　　　（１）と表
わすことができる。

ここで、Ｘ、は、切削工具３の先端部７と根元部９の間
に作用する交番力り以外の外部からの加振力によって定
まる相対変位の変動成分であり、ＤはＬに対する（ツー
τ。）のインパルス応答関数で、その求め方は後述する
。また、＊印はコンボリューションを表わす。

この状態で圧電アクチュエータ１１を伸縮量Ｕで伸び縮
みさせると、切削工具３の先端部７と根元部９の間に作
用する交番力りは圧電アクチュエータ１１を伝播する交
番力り、と切削工具３の中間部１０を伝播する交番力Ｌ
ｘの和、つまりＬ””　ＬＩ＋Ｌｚ−に＋（’Ｘ　　ｕ
）＋に、ｘ　　　（２）であるから、式（１）、　（２
）より次式を得る。

ここで、ｋ、は圧電アクチュエータ１１と荷重検出器１
３のばね定数を合せたものであり、ｋ２は切削工具３の
中間部１０のばね定数である。

式（３）から、交番力りを０にするためには、ｕ　”　
（１＋ｋｚ／に＋）ｘｏ　　　　　　（４）となるよう
に、圧電アクチュエータ１１を伸び縮みさせればよいこ
とがわかる。

しかるに、式（１）を利用すれば、ｕ　＝（１＋ｋｔ／ｋｇ）（ｘ−Ｄ’ｋＬ）　　　（５
）となり、さらに式（２）を利用すると、τ＝　（１＋
ｋｚ／に＋）啓−ＤＩ（−に２７））（６）となる。し
たがって切削工具３の先端部７と根元部９の間の相対変
位Ｘと圧電アクチェエータ１１を伝播する交番力Ｌ１を
変位検出器１３と荷重検出器１２を用いて計測し、式（
６）から計算される伸縮ｉ１ｕで圧電アクチュエータ１
１を伸び縮みさせれば、切削工具３を伝播する交番力は
０になる。

したがって、切削工具３で振動が吸収されることから工
具先端部７と被加工物１との間に生じる交番力は工具先
端部７の慣性力だけとなる。

しかるに、工具先端部７は軽量であることから、その慣
性力は小さく、切削工具３の先端部７およびダイヤモン
ドチップ８と被工作物１との相対変位の変動は０に近づ
（。

なお、式（１１のＤは、ＸがＯのとき、つまり、外部振
動がない状態で圧電アクチェエータ１１だけを駆動して
、交番力りと相対変位々の周波数伝達関数を求め、逆フ
ーリエ変換してインパルス応答の形で表わす。そして、
ＤＳＬの演算は二つの時系列データＤとＬのコンボリュ
ーション演算で求める。

以上から、演算装置１４では、第３図のようにまず、荷
重検出器１２の出力Ｖｆをバイパスフィルタ２０を通し
た後、電圧−荷重換算係数Ｋｆ倍し、加算器２１に入力
する。また、変位検出器１３の出力Ｖｕはバイパスフィ
ルタ２２を通した後、電圧−変位換算係数Ｋｕ倍し、更
にばね定数ｋｔを乗じた後、加算器２１に入力する。

加算器２１の出力は、Ａ／Ｄ変換器２３でデジタル化さ
れ、コンピュータ２４で式（６）の右辺（）内第２項の
コンポリニージョンを計算し、その結果をＤ／Ａ変換器
２５でアナログ信号に変換する。

一方、電圧−変位換算係数に１倍した変位検出器１３の
出力は前記Ｄ／Ａ変換器２５の出力とともに減算器２６
に入力する。この出力電圧は、さらに（ｔ＋ｋｔ／に＋
）倍され、さらに（１／に、）倍される。

ここで、Ｋ、は圧電アクチュエータ１１の電圧−伸縮量
変換係数である。そして、その出力電圧に圧電アクチュ
エータ１１が必要とするバイアス電圧を加算器２７で加
えた電圧が、圧電アクチュエータ１１への印加電圧■１
となる。

圧電アクチェエータ１１に電圧■１が印加されると、例
えば、切削工具３の先端部７と根元部９の間の相対変位
が大きくなると、それに等しい大きさで圧電アクチュエ
ータ１１が伸び、切削工具を伝播する交番力が０となり
、ダイヤモンドチップ８への加振力が０に近づ（ことか
らダイヤモンドチップ８と被加工物１との相対変位の変
動は０に近づく。

第４図は他の実施例を示すための演算装置である。前述
した実施例は圧電アクチュエータ１１の変動伸縮量だけ
を利用して振動による面精度の低下を防止したものであ
るが、さらに、圧電アクチュエータ１１の準定常的な伸
縮量の大きさを制御することにより、加工寸法を高精度
に保持することができる。これを実現するために、第４
図の演算装置では、変位検出器１３の出力電圧Ｖ、を防
振対象周波数帯域を除くためのローパスフィルタ２８に
通した後に、倍して得られる準定常変位信号αを、別の
変位検出器から得られる基準値信号βとともに減算器２
９に入力する。

そして、減算器２９の出力は加算器２６を通して、第３
図に示す実施例の演算装置と一体化する。

このような回路を追加すると、フィードバック作用によ
り準定常変位信号αは基準値信号βに等しくなり、基準
値信号βに、例えば案内系のヨーイング量あるいは被加
工物のたわみ量の計測値を用いることにより被加工物１
と切削工具３の基準案内面との相対変位の準定常値も一
定に保持することができ、高い寸法精度と表面精度を得
ることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によるアクティブ
防振機能を有する切削・工具によれば、切削工具の先端
部と根元部との間に圧電アクチュエータと荷重検出器と
を組み込むとともに変位検出器を設け、この荷重検出器
と変位検出器からの信号を演算し、この演算値により圧
電アクチュエータへの印加電圧を調整するようにしたた
め、工作機械の駆動系及び案内系の剛性をそれほど向上
させることなく被加工物と切削工具の先端との間の振動
を防止することができ、通常では振動が大きくなる高速
切削加工が可能になると云う効果がある。

さらに、案内系のヨーイング量あるいは被加工物のたわ
み量を計測する変位検出器を付加することにより、高精
度な寸法を保持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明によるアクティブ防振機能
を有する切削工具の実施例を示すものであって、第１図
は精密旋盤の概略側面図、第２図は要部拡大図、第３図
は演算装置のブロック図、第４図は他の演算装置のブロ
ック図である。また、第５図は圧電アクチュエータを用いた従来の寸法
精度補正機構、第６図はその効果を示す図である。 ■・・・被加工物、２・・・駆動系、３・・・切削工具
、４・・・工具台、５・・・案内系、６・・・基台、７
・・・先端部二８・・・ダイヤモンドチップ、９・・・
根元部、ＩＯ・・・中間部、１１・・・圧電アクチュエ
ータ、１２・・・荷重検出器、１３・・・変位検出器、
１４・・・演算装置、２０．２２・・・バイパスフィル
タ、２３．２５・・・Ａ／Ｄ変換器、２４・・・コンピ
ュータ、２６．２９・・・減算器、２１．２７・・・加
算器、２８・・・ローパスフィルタ。

Claims

【特許請求の範囲】

切削工具に圧電アクチュエータと荷重検出器を直列に配
置して組み込むとともに、直列配置された圧電アクチュ
エータと荷重検出器の両端の相対変位を検出する変位検
出器を設け、前記荷重検出器及び変位検出器からの信号
に基づき圧電アクチュエータを駆動することを特徴とす
るアクティブ防振機能を有する切削工具。