JP2014061567A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】事前のテスト加工や振動測定センサを用いなくてもびびり振動が発生しない加工が可能な工作機械を提供する。
【解決手段】中ぐり工具７を回転させる主軸５と、工具と被加工物Ｗを相対移動させる送り軸と、加工時の主軸６の負荷トルクを検出するトルク検出部３５２を有する工作機械１において、
被加工物Ｗを加工中の負荷トルク変動の隣接する極大値Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４の時間的な間隔である極値間隔時間Δｔ_１、Δｔ_２、Δｔ_３を測定し、連続する極値間隔時間が同一となる回数が所定の数に達した時にびびり振動が発生したと判定し、主軸の回転速度を変化させる。
【選択図】図８

Description

本発明は、工具または被加工物を回転させて被加工物を加工する工作機械に関し、詳しくはびびり振動防止に関するものである。

工具または被加工物を回転させて被加工物を加工する場合に、びびり振動が発生すると、加工面精度が低下したり、工具に過大な負荷が作用したりする。これを防止するために、びびり振動の発生が予測される場合や、センサによりびびり振動が検出された場合に工具の回転速度を不規則に変動してびびり振動の成長を防止している。（例えば、特許文献１参照）

特開平４−５３６４９号公報

従来技術では、びびり振動の発生を予測するためには事前のテスト加工が必要であり、びびり振動を検出するためには振動測定センサが必要である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、事前のテスト加工や振動測定センサを用いなくてもびびり振動が発生しない加工が可能な工作機械を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための請求項１に係る発明の特徴は、工具または被加工物を回転させる主軸と、前記工具と前記被加工物を相対移動させる送り軸とを有する工作機械において、
加工の負荷を検出する負荷検出手段を有し、
前記負荷検出手段で検出される負荷の変動の極値の時間的間隔が連続して同一となる回数が所定の数に達した時に、前記主軸の回転速度を変化させることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記負荷検出手段が、
前記主軸の変位を検出する変位検出手段と、
所定回転速度で回転する前記主軸により前記被加工物を加工中に前記変位検出手段で検出される変位である加工変位から、前記所定回転速度における非加工時に前記変位検出手段で検出される変位である基準変位を差引いて実加工変位の値を演算する演算手段を備え、
前記実加工変位を前記負荷とすることである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項２に係る発明において、前記実加工変位が主軸回転の同一位相における前記加工変位から前記基準変位を差引いて演算されることである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記負荷検出手段が、
前記主軸を駆動する主軸モータのトルクを検出するトルク検出手段と、
所定回転速度で回転する前記主軸により前記被加工物を加工中に前記トルク検出手段で検出されるトルクである加工トルクから、前記所定回転速度における非加工時に前記トルク検出手段で検出されるトルクである基準トルクを差引いて実加工トルクの値を演算する演算手段を備え、
前記実加工トルクを前記負荷とすることである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項４に係る発明において、前記実加工トルクが主軸回転の同一位相における前記加工トルクから前記基準トルクを差引いて演算されることである。

請求項６に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に係る発明において、前記極値における負荷量の変動度合いに応じて前記回転速度の変化量を補正することである。

請求項1に係る発明によれば、びびり振動が発生し加工負荷の変動の極値の時間的間隔が同一となる回数が所定の数に達した時に、主軸の回転速度が変動してびびり振動の成長を防止する工作機械を実現できる。

請求項２に係る発明によれば、加工の負荷に起因して主軸に生じる変位である実加工変異を検出することができ、極値の判定が正確にできる工作機械を実現できる。

請求項３に係る発明によれば、主軸の位相により決まる振れなどの変位変動に起因する誤差を除去でき、より正確に極値の判定が正確にできる工作機械を実現できる。

請求項４に係る発明によれば、加工の負荷に起因して主軸モータに作用するトルクである実加工トルクを検出することができ、極値の判定が正確にできる工作機械を実現できる。

請求項５に係る発明によれば、主軸モータの位相により決まるコギングトルクなどのトルク変動に起因する誤差を除去でき、より正確に極値の判定ができる工作機械を実現できる。

請求項６に係る発明によれば、極値の時間的間隔が一定となる回数が所定の数に達した時までの極値における負荷量の変動度合いが大きい（すなわち、主軸の現在の回転速度がびびり振動が急速に成長する回転速度に近い）場合に、回転速度の変化量を大きくしてびびり振動が急速に成長する回転速度から大きく離すことで、びびり振動が起きない可能性が高い領域へ回転速度を変更する工作機械を実現できる。

本発明の実施形態における工作機械を示す全体図である。 中ぐり加工の概念を示す図である。 図２のＡ−Ａ矢視図である。 中ぐり加工の切込み部の詳細を示す図である。 びびり振動が発生していない時の中ぐり加工の加工負荷を示す図である。 びびり振動発生時の中ぐり加工の概念を示す図である。 びびり振動発生時の切込み部の詳細を示す図である。 びびり振動発生時の中ぐり加工の加工負荷の変動の概念を示す図である。 びびり振動発生時に主軸の回転速度を変更する工程を示すフローチャートである。

本発明は検出が容易な加工負荷の値を検出することで、びびり振動の発生を判定して、主軸の回転速度を変更することで、びびり振動の発生を防止するものであり、実施形態を工具が回転する工作機械の例で説明する。
図１に示すように、工作機械１はベッド２上に、Ｘ軸方向に移動可能に支持されたテーブル３を備え、テーブル上には被加工物Ｗが保持される。さらに、ベッド２上に、Ｘ軸に直交するＺ軸方向に移動可能に支持されたコラム４を備えている。コラム４にはＸ軸、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向に移動可能に主軸本体５が保持されている。主軸本体５は主軸６を回転自在に支持し、主軸６は先端に工具７を把持しており図示しない主軸モータにより回転駆動される。

制御装置３０は、内部に各種のデータを記録する記録部３１、テーブル３の送りを制御するＸ軸制御部３２、主軸本体５の送りを制御するＹ軸制御部３３、コラム４の送りを制御するＺ軸制御部３４、回転速度制御部３５１とトルク検出部３５２を内蔵し主軸６の回転を制御する主軸制御部３５、および各種の演算を実行する演算部３６を備えている。
入力されるＮＣデータに基づき、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、主軸６を制御することで工具７により被加工物Ｗを加工する。

本実施例は加工中に発生する加工負荷の変動の極値の時間間隔の状態により主軸６の回転速度を変更してびびり振動を防止するものであり、工作機械１を用いた中ぐり加工の例で説明する。
図２に示すように、中ぐり加工は下穴が空いている被加工物Ｗに対し、下穴より大きな径の穴を加工する加工方法である。中ぐり軸８０の先端に刃先チップ８１を備えた中ぐり工具８を回転させながら穴の軸方向に送ることで、図３に示すような円形の穴を加工する。正常な加工時には、図４に示すように、中ぐり工具８の１回転あたりの送り量をＬとし刃先チップ８１の半径方向の切込み量をｄ_０とすると、ａで示す領域の一定の断面積の切屑が連続して生成される。この時の加工負荷は、切屑の断面積が一定であるため、図５に示すように一定となる。

次に、中ぐり工具８に半径方向の振動が発生した場合には、図６に示すように、真円でない穴が加工され、刃先チップ８１の半径方向の切込み量が変動しながら切削するので、切屑の断面積も変動して、加工負荷が変動する。なかでも、中ぐり工具８が１回転した時の回転の前後の刃先チップ８１の半径方向の位置が異なる場合には、図７に示すように１回転前の切込み量ｄ_１と現在の切込み量ｄ_２の差による切屑の断面積の増減量が助長され再生型のびびり振動が発生する。このため、刃先チップ８１の半径方向の位置の差（半径方向の振動の振幅）が時間と共に漸増する。この時、再生型のびびり振動が継続するのは中ぐり工具８が１回転した時の前後の刃先チップ８１の半径方向の位置関係が前述の図７に示す関係にあることが継続する場合であり、切屑の断面積の増減の時間周期が中ぐり工具８の回転周期と一定の関係にある場合である。このため、中ぐり工具８の回転周期が一定（すなわち中ぐり工具８の回転速度が一定）の場合は、びびり振動が継続するには切屑の断面積の増減の時間周期が一定となる必要がある。加工負荷は切屑の断面積に比例するから、びびり振動が発生した時の加工負荷は一定の時間間隔（断面積の増減の時間周期）で増減しその振動振幅は図８に示すように時間と共に漸増する。このため、びびり振動の発生を加工負荷の変動の極値の時間間隔が一定になるか否かで判定することができる。

工作機械１においては、加工負荷の変動は主軸モータの負荷トルクの変動となるので、トルク検出部３５２により主軸モータのトルクを検出し、その変動の極値の時間間隔が一定になるか否かを判定することで、びびり振動の発生を検出できる。
また、びびり振動の成長速度は切屑の断面積の増減量の度合いが大きいほど早くなりこれが最大となるのは、１回転した時の回転の前後の刃先チップ８１の半径方向の位置の差が最大となる（刃先チップ８１の半径方向の振動の位相が反対になる）特定の回転速度である。びびり振動の成長速度は主軸回転速度がこの特定の回転速度からどれだけ離れているかにより決まり、近いほど急激に成長することが知られている。このため、びびり振動の成長速度を検出することで、現在の主軸の設定回転速度が特定の回転速度に近いか否かを判定できる。ここで、びびり振動の成長速度とは切屑の断面積の増減量の増加速度と同じであり、さらに、加工負荷の増減量の増加速度と同じであるから、時間軸における加工負荷変動の極大値の変動度合い（負荷の増加量）を検出することで、びびり振動の成長速度を検出できる。

以下に、びびり振動の防止方法について説明する。
予め、初期設定の主軸回転速度Ｎ、極値間隔時間の評価回数ｎ、間隔時間差許容値ｋ_１、極大値比率分別定数ｋ_２の各々の値を記録部３１に入力する。ここで、極値間隔時間の評価回数ｎとは、負荷変動の隣接する極値の時間間隔である極値間隔時間が一定である回数がｎ回連続した場合にびびり振動が発生したと判定する閾値である。間隔時間差許容値ｋ_１とは、隣接する極値間隔時間が同一であると判断する最大時間差のことであり、２つの極値間隔時間の差がｋ_１より小さい場合に同一時間であると見なす。極大値比率分別定数ｋ_２とは、極値間隔時間が同一である回数がｎ回連続した場合に、１回目の極大値の負荷の値Ｔ_Ｐ１とｎ回目の極大値の負荷の値Ｔ_Ｐｎの比率Ｔ_Ｐｎ／Ｔ_Ｐ１を大小２つのグループに分類する閾値であり、比率がｋ_２より大きい場合は大グループに分類される。
次に、主軸モータのトルクを検出し、その変動の極値の時間間隔が連続して同一になる回数がｎ回あるか否かを判定することで、びびり振動の発生を検出する。
びびり振動が発生している場合は、連続する極大値の差を演算してその値がｋ_２より大きい場合は、現在の主軸回転速度と特定の回転速度が近いと判定し、大きな変速量で主軸回転速度を変更し、ｋ_２より小さい場合はすでにある程度離れていると判定し、小さな変速量で主軸回転速度を変更する。こうすることで、初期設定の主軸回転速度にできるだけ近い主軸回転速度への変更でびびり振動を効果的に防止することができる。

具体的なびびり振動の防止の工程を、図９のフローチャートに基づきながら説明する。
主軸を初期設定の所定の主軸回転速度Ｎで回転させ、主軸の回転位相に対応した主軸モータのトルク変動をトルク検出部３５２で検出し、基準トルクＴｍとして記録部３１に記録する（Ｓ１）。中ぐり工具８と被加工物Ｗを所定の加工開始位置へ移動する（Ｓ２）。中ぐり工具８をその回転軸方向へ送り、切削を開始する（Ｓ３）。主軸６の回転位相に対応した主軸モータのトルク変動をトルク検出部３５２で検出し、加工トルクＴｋとして記録部３１に記録する（Ｓ４）。演算部３６において主軸６の同じ回転位相における、加工トルクＴｋから基準トルクＴｍを差引き、主軸６の回転位相に対応した実加工トルクＴｊとして記録部３１に記録する（Ｓ５）。実加工トルクＴｊのトルク変動の連続するｎ＋１個の極大値を選択し、隣接する極大値の時間間隔であるｎ個の極値間隔時間Δｔ_１からΔｔ_ｎを演算部３６で演算し記録部３１に記録する。具体例として図８に極値間隔時間の評価回数ｎが３の場合を示す、この場合、連続する４個の極大値Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４を選択し、極値間隔時間をΔｔ_１＝ｔ_２−ｔ_１、Δｔ_２＝ｔ_３−ｔ_２、Δｔ_３＝ｔ_４−ｔ_３で演算する（Ｓ６）。

カウンターＣ_１の値を２に設定する（Ｓ７）。極値間隔時間Δｔ_１と極値間隔時間Δｔ_Ｃ１の差の絶対値が時間間隔差許容値ｋ_１以下か否か判定し、ｋ_１以下であればＳ９へ移動し、そうでなければステップＳ４へ移動する。ここで、Δｔ_Ｃ１の_Ｃ１はカウンターＣ_１の値を示しＣ_１＝２の場合Δｔ_Ｃ１はΔｔ_２であり以下の操作を実行する。｜Δｔ_１−Δｔ_２｜≦ｋ_１であればΔｔ_１とΔｔ_２は同一であると見なしステップＳ９へ移動し、そうでなければステップＳ４へ移動する（Ｓ８）。カウンターＣ_１の値に１を加算する（Ｓ９）。カウンターＣ_１の値がｎ＋１以上か判定し、Ｃ_１≧ｎ＋１ならステップＳ１１へ移動し、そうでなければステップＳ８へ移動する（Ｓ１０）。
以上のステップＳ８からステップＳ１０をカウンターＣ_１の値がｎ＋１になるまで繰り返した場合は、ｎ個の極値間隔時間は同一であると見なしびびり振動が発生していると判定されステップＳ１１へ移動する。そうでない場合は、びびり振動は発生していないと判定されステップＳ４へ移動し再び加工トルクＴｋを実測する。

１番目の極大値Ｐ_１の値Ｔ_ｐ１とｎ番目の極大値Ｐ_ｎの値Ｔ_Ｐｎの比ｈを演算部３６で式ｈ＝Ｔ_Ｐｎ／Ｔ_Ｐ１で演算し、記録部３１に記録する（Ｓ１１）。比ｈの値が極大値比率分別定数ｋ_２以下ならステップＳ１３へ移動し、そうでなければステップＳ１４へ移動する（Ｓ１２）。主軸の変更回転速度Ｎｈを演算部３６で式Ｎｈ＝０．９・Ｎで演算し、記録部３１に記録した後に、ステップＳ１５へ移動する（Ｓ１３）。主軸の変更回転速度Ｎｈを演算部３６で式Ｎｈ＝０．７・Ｎで演算し、記録部３１に記録する（Ｓ１４）。主軸６の回転速度をＮｈに変更するよう回転速度制御部３５１に指令すると共に、主軸６の回転速度Ｎの値をＮｈの値に書き換える（Ｓ１５）。
以上のステップＳ１１からステップＳ１５により、びびり振動の成長速度に応じた２段階の主軸回転速度の変速量を設定できる。こうすることで、特定（１回転した時の回転の前後の刃先チップ８１の振動の位相が反対になる場合）の主軸回転速度に近くびびり振動の成長が速い時は、主軸の回転速度を３０％低下させ、特定の回転速度から大きく低下させることでびびり振動を防止する。一方、びびり振動は発生しているが成長が遅い時は、現状の回転速度でも特定の回転速度からある程度離れているので、主軸の回転速度を１０％低下させ、特定の回転速度からさらに少しだけ離れるようにする。

以上のように、本実施形態の方法によれば主軸モータの負荷トルクの変動の極大値を検出することで、びびり振動の発生を検出できる。びびり振動が発生した場合は、びびり振動の成長速度に対応した適正な変速量だけ主軸回転速度を変更することで、初期設定から過剰に加工条件を変更することなく速やかにびびり振動を防止できる。

上記の実施形態では、中ぐり加工の例を示したが、被加工物を回転させる旋盤加工や複数の刃先を備えたエンドミル加工に用いてもよい。
加工負荷の検出を主軸モータのトルクで検出したが、主軸の変位により検出してもよい。また、被加工物を回転させる旋盤加工においては、工具側に作用する力を加工負荷として検出してもよい。
極大値比率分別係定数ｋ_２を１つ用いて比率Ｐ_ｎ／Ｐ_１を大小２つのグループに分類したが、２つ以上の極大値比率分別定数を用いて、主軸回転速度の変速量を３段階以上に細分してもよい。
極大値を用いたが、極小値を用いてもよいし、極小値と極大値の両方を用いてもよい。

１：工作機械 ２：ベッド ５：主軸本体 ６：主軸 ７：工具 ３０：制御装置 ３５：主軸制御部 ３５２：トルク検出部 Ｗ：被加工物 Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４：極大値 Δｔ_１、Δｔ_２、Δｔ_３：極値間隔時間

Claims (6)

1. 工具または被加工物を回転させる主軸と、前記工具と前記被加工物を相対移動させる送り軸とを有する工作機械において、
   加工の負荷を検出する負荷検出手段を有し、
   前記負荷検出手段で検出される負荷の変動の極値の時間的間隔が連続して同一となる回数が所定の数に達した時に、前記主軸の回転速度を変化させる工作機械。
2. 前記負荷検出手段が、
   前記主軸の変位を検出する変位検出手段と、
   所定回転速度で回転する前記主軸により前記被加工物を加工中に前記変位検出手段で検出される変位である加工変位から、前記所定回転速度における非加工時に前記変位検出手段で検出される変位である基準変位を差引いて実加工変位の値を演算する演算手段を備え、
   前記実加工変位を前記負荷とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記実加工変位が主軸回転の同一位相における前記加工変位から前記基準変位を差引いて演算される請求項２に記載の工作機械。
4. 前記負荷検出手段が、
   前記主軸を駆動する主軸モータのトルクを検出するトルク検出手段と、
   所定回転速度で回転する前記主軸により前記被加工物を加工中に前記トルク検出手段で検出されるトルクである加工トルクから、前記所定回転速度における非加工時に前記トルク検出手段で検出されるトルクである基準トルクを差引いて実加工トルクの値を演算する演算手段を備え、
   前記実加工トルクを前記負荷とする請求項１に記載の工作機械。
5. 前記実加工トルクが主軸回転の同一位相における前記加工トルクから前記基準トルクを差引いて演算される請求項４に記載の工作機械。
6. 前記極値における負荷量の変動度合いに応じて前記回転速度の変化量を補正する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の工作機械。

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