JP2014083674A

JP2014083674A - 作業機械のびびり抑制方法

Info

Publication number: JP2014083674A
Application number: JP2012247864A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Komai; 保宏駒井; Hiromitsu Morita; 洋光盛田
Original assignee: NT Engineering KK
Current assignee: NT Engineering KK
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2032-10-23
Also published as: WO2014064953A1; JP5288318B1

Abstract

【課題】簡単な工程で、びびり周波数と固有周波数との差を補完することができ、びびりの発生を可及的に阻止して高精度な加工作業が効率的に遂行可能にする。
【解決手段】作業機械のびびり抑制方法は、バイト２２又はワークＷの回転が開始される際に発生する振動を検出し、前記回転開始時から検出される前記振動が、機械主軸の空転時の振動の閾値を越えたと判断された際、前記振動をフーリエ級数展開により解析し、再生びびりによる周波数を算出し、さらに前記再生びびりによる周波数に、推定減衰比を加味して再生びびり回避周波数を得て主軸１８の回転数を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工工具を介してワークに加工処理を施す際に、びびりが発生することを抑制するための作業機械のびびり抑制方法に関する。

一般的に、加工工具を介してワークに加工処理を施すために、各種の工作機械が使用されている。例えば、ボーリング加工は、中ぐり用バイト（刃先）が設けられたボーリングツールを工作機械の回転主軸（スピンドル）に取り付け、前記ボーリングツールを高速で回転させながら下穴に沿って順次繰り出すことにより、その刃先加工径で所定の位置に高精度な孔部を加工するものである。

この種の作業機械では、主軸や加工工具やワークに、切削抵抗による撓みが発生し易い。そして、この撓みに起因して加工工具やワークに振動が惹起され、この振動がびびり（所謂、再生びびりを含む）となって加工に表れる場合がある。上記のびびりを抑えるために、例えば、特許文献１に開示された作業機械のびびり抑制方法及び装置が知られている。

このびびり抑制方法は、加工工具又はワークの回転が開始される際に発生する振動を検出する工程と、機械主軸の空転時の振動を閾値に設定する工程と、前記機械主軸の加工時に検出される加工振動が、前記閾値を超えたか否かを判断する工程と、前記加工振動が前記閾値を越えたと判断された際、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、周波数×６０÷刃数（又はその逓倍）の演算式から、前記機械主軸の回転数を調整する工程とを有している。

特開２０１０−２４７３１６号公報

一般的に、びびりの振動数（周波数）は、回転体である加工工具やワークの固有振動数と同一の値であると認識されている。ところが、びびりが発生した際のびびりの周波数と、固有周波数の周波数データとの間に、わずかな差が生じることが判明した。

本発明は、簡単な工程で、びびり周波数と固有周波数との差を補正することができ、びびりの発生を可及的に阻止して高精度な加工作業が効率的に遂行可能な作業機械のびびり抑制方法を提供することを目的とする。

本発明は、加工工具を介してワークに加工処理を施す際に、びびりが発生することを抑制するための作業機械のびびり抑制方法に関するものである。

このびびり抑制方法は、加工工具又はワークの回転が開始される際に発生する振動を検出する工程と、機械主軸の空転時の振動を閾値に設定する工程と、前記機械主軸の加工時に検出される加工振動が、前記閾値を超えたか否かを判断する工程と、前記加工振動が前記閾値を越えたと判断された際、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、再生びびりによる周波数を算出する工程と、算出された前記再生びびりによる周波数に、推定減衰比を加味して再生びびり回避周波数を得る工程と、前記再生びびり回避周波数×６０÷刃数（又はその逓倍）の演算式から、前記機械主軸の回転数を調整する工程とを有している。

また、このびびり抑制方法では、推定減衰比は、加工工具又はワークの固有振動数に基づいて推定されることが好ましい。

さらに、このびびり抑制方法では、推定減衰比は、０．０１〜０．０５の範囲内に設定されることが好ましい。

本発明に係る作業機械のびびり抑制方法では、回転開始時から振動を検出し、前記振動をフーリエ級数展開により解析して再生びびりによる周波数を算出している。そして、算出された再生びびりによる周波数に、推定減衰比を加味して再生びびり回避周波数が得られている。

このため、推定減衰比を加味してフィードバックすることにより、高精度な再生びびり回避周波数を得ることができる。これにより、実際にびびりによる影響が生じる前に、機械主軸の回転数を調整するとともに、再生びびりの発生を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の実施形態に係る作業機械のびびり抑制装置の概略説明図である。前記びびり抑制装置を構成するびびり抑制コントローラの説明図である。前記びびり抑制装置によるびびり制御方法を説明するフローチャートの前段である。前記フローチャートの後段である。空転時の振動と切削時の振動との説明図である。主軸回転数が安定領域にある際の説明図である。安定加工時の説明図である。安定加工時の高調波が除去された状態の説明図である。ＦＦＴアナライザにより取得された固有振動数とびびり振動数とにおける種々の波形説明図である。減衰比の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るびびり抑制方法を実施するびびり抑制装置１０は、工作機械（作業機械）１２に適用される。

工作機械１２は、ハウジング１４内にベアリング１６を介して回転可能に設けられるスピンドル（機械主軸）１８と、前記スピンドル１８に着脱自在なボーリングバー（加工工具）２０とを備え、前記ボーリングバー２０の先端に中ぐり用バイト２２が装着されている。作業テーブル２４上には、ワークＷが載置されている。

びびり抑制装置１０は、ボーリングバー２０の回転が開始される際に発生する振動を検出するためにハウジング１４の側部に装着される加速度センサ（振動検出機構）２６と、前記ボーリングバー２０の回転開始時から検出される前記振動をフーリエ級数展開により解析し、主軸１８の回転数を調整して機械制御装置２８に更新値を出力するびびり抑制コントローラ３０とを備える。機械制御装置２８は、工作機械１２を制御するものであり、制御操作盤３２に接続される。

振動検出機構は、加速度センサ２６の他に、音波により振動音を取得するマイクロフォン３４が使用される。なお、加速度センサ２６は、ハウジング１４に代えて、ワークＷ側、例えば、作業テーブル２４に取り付けてもよい。

図２に示すように、びびり抑制コントローラ３０は、加速度センサ２６等により検出された機械的振動（加工振動）をアンプ及びフィルタ回路３６により増幅して取り込むびびり抑制演算ユニット（演算機構）３８を備える。

びびり抑制演算ユニット３８には、振動の監視状態から演算処理を開始するための閾値（後述する）を指示するための指示ユニット４０、主軸１８の回転数やバイト２２の刃数等の加工条件を入力するための加工条件入力ユニット４２、補完用の推定減衰比（後述する）を入力するための推定減衰比入力ユニット４３、加工状態等を外部に表示するための表示ユニット４４及び後述する演算処理により調整される主軸回転数を出力するための更新値出力ユニット４６とが接続される。更新値出力ユニット４６は、工作機械１２の工作機械制御装置２８に更新された主軸回転数を自動的に出力する。

このように構成されるびびり抑制装置１０によるびびり抑制方法について、図３以降に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

図１に示すように、工作機械１２では、ボーリングバー２０を取り付けたスピンドル１８が回転駆動されるとともに、ワークＷの下穴Ｗａに沿って繰り出される。そして、ボーリングバー２０がワークＷの下穴Ｗａ側に相対的に移動する。このため、ボーリングバー２０が回転し、このボーリングバー２０に装着されたバイト２２を介して下穴Ｗａを構成する内壁面にボーリング加工が施される。

びびり抑制装置１０は、スピンドル１８が回転駆動を開始すると同時に（ステップＳ１）、加速度センサ２６（及び／又はマイクロフォン３４）による加工振動の監視が開始される（ステップＳ２）。びびり抑制演算ユニット３８では、アンプ及びフイルタ回路３６を介して取り込まれる加工振動が、予め自動設定された閾値、例えば、主軸１８の空転時の振動を超えたか否かが判断される（ステップＳ３）。

ここで、機械加工を開始する前に主軸１８の空転時の振動と、切削時の振動とは、実際上、図５に示すように、変化する。そして、主軸１８の空転時の振動を許容値として振動解析の閾値を演算しておく。

次いで、加工振動が閾値を超えたと判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、前記加工振動のフーリエ変換（フーリエ級数展開）による演算解析が行われる。具体的には、時間振動ｆ（ｔ）は、ｆ（ｔ）＝Σ（ａ_ｊｃｏｓ２πＪｔ＋ｂ_ｊｓｉｎ２πＪｔ）で表される。なお、ａ_ｊは、周波数Ｊの余弦調和成分フーリエ係数であり、ｂ_ｊは、周波数Ｊの正弦調和成分フーリエ係数である。

そして、周波数Ｊに対するフーリエ係数は、ａ_ｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｃｏｓ（２πＪｔ）ｄｔ、及びｂ_ｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｓｉｎ（２πＪｔ）ｄｔに基づいて、フーリエ級数展開を行う。なお、積分区間は、０〜Ｔであり、この積分区間Ｔは、周期１／Ｊの整数倍とする。

ここで、フーリエ級数展開によるリアルタイム性（即時性）の向上を図るため、実際にびびりの生じる振動数、例えば、２０Ｈｚ〜４０００Ｈｚに限定し、解析のためのデータ数を最小限にする。

さらに、ステップＳ５に進んで、得られたフーリエ係数に基づいて、パワースペクトルＰ（Ｊ）（最大振動振幅）が、Ｐ（Ｊ）＝ａ_ｊ ^２＋ｂ_ｊ ^２から算出される。

次いで、ステップＳ６に進んで、周波数ピークの粗検索が行われる。粗検索とは、フーリエ級数展開処理された振動信号のパワースペクトルのピークを大まかに走査し、その中のピーク値を検索することをいう。具体的には、２０Ｈｚ〜４０００Ｈｚ間の周波数域を１０Ｈｚ（第１の周波数）毎に走査する。

ピーク値がない場合には（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻って、振動監視処理が行われる。一方、ピーク値があると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、粗検索されたピーク値の精検索が行われる。精検索とは、粗検索されたピーク値の前後数＋Ｈｚを、１Ｈｚ（第２の周波数）毎に走査する。

そして、ステップＳ９に進み、ピーク値がない場合には（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻って、振動監視処理が行われる。一方、ピーク値があると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、パワー最大の周波数ピーク（基本波）が検索される。

ここで、機械振動をフーリエ級数展開すると、基本周波数成分とその高調波成分（２次高調波、３次高調波等）とが算出される。高調波成分は、基本周波数の整数倍の周波数であり、本来の基本周波数がもっている振動の物理的な原因と結びついていない不要な信号である。このため、ステップＳ１１で、高調波成分が存在していると判断された際には（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、この高調波を削除する。これにより、振動原因と結びつく基本波のみが得られる。

通常、工作機械１２により安定加工が行われていると、図６及び図７に示すように、主軸１８の回転数は、安定領域にある。なお、図６は、主軸１８の回転数に対してびびりが発生する限界切り込みの変化を示しており、安定限界が部分的に高くなる、所謂、安定ポケットが存在している。

一方、図７に示すように、算出される周波数成分は、例えば、基本周波数成分（スピンドル１８の空転時の回転数）Ａ、びびりの成長する前の振動成分Ｂ、２次高調波成分Ｃ及び３次高調波成分Ｄを含んでいる。なお、基本周波数成分Ａは、加工条件入力ユニット４２に予め入力された数値であり、その数値を変更指示しない。

そこで、高調波の削除処理は、先ず取り込んだ振動周波数をフーリエ級数展開した後、パワースペクトルに変換し、そのデータの中からパワーピークの一番高い周波数を選び出す。次に、これを基本波として、その整数倍の周波数を高調波とするとともに、この高調波を算出したパワースペクトルのピーク値と比較をする。

比較は、周波数ピークの低い方から順番に行い、一致するものがあれば、それを削除していく処理とする。その結果、高調波（２次高調波成分Ｃ及び３次高調波成分Ｄ）が削除された基本周波数成分のみが残ることとなり、これは取りも直さず振動の物理的な原因と結びついた振動周波数のみが検出されたことになる（図８参照）。

同様にして、パワー最大の次なる周波数ピーク（基本波）が検索され（ステップＳ１３）、次なるピークがないと判断されると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進み、びびり振動か否かの判定を行う。

本実施形態では、実用的な振動範囲内（例えば、２０Ｈｚ〜４０００Ｈｚ）で行うため、その振動数は、主軸１８の回転数の振動数（高調波を含む）、それに使うバイト２２の刃数を乗じた振動数（高調波を含む）及び加工に伴うびびり振動数が含まれる。

そこで、予め主軸１８の回転数とバイト２２の刃数等が、びびり抑制演算ユニット３８に入力されている。従って、主軸１８の回転数の振動数及びバイト２２の刃数を乗じた振動数に該当しない振動は、びびり振動数あるいはその予兆となる。このため、これらの一連の処理を、機械加工開始時点から常時行なえば、機械振動の中からびびり振動の予兆を自動的に算出することとなる。

具体的には、高調波成分を削除した演算周波数のピーク値が、事前に加工条件として入力した主軸１８の回転数の振動数（回転数÷６０）、又はバイト２２刃数の振動数（回転数×刃数÷６０）と一致するかどうかの比較を行う（ステップＳ１６及びステップＳ１７）。

ここで、演算周波数のピーク値が、これらの事前入力情報値と一致すると（ステップＳ１６及び１７中、ＹＥＳ）、それは主軸１８が回転加工をするのに伴い発生する加工力の変動、又はバイト２２の切れ刃が断続的に切削を繰り返すことによる強制振動と判断して（ステップＳ１８）、振動監視に戻る（ステップＳ１９）。

一方、この条件に合致しない演算周波数ピークが検出されたら（ステップＳ１６及び１７中、ＮＯ）、それを再生びびりの振動数と判断する（ステップＳ２０）。そして、ステップＳ２１に進んで、再生びびりによる周波数に、推定減衰比を加味して再生びびり回避周波数を得る処理が行われる。

本出願人は、実証実験により、再生びびりによる周波数と、測定対象物（主軸１８及びバイト２２）の固有周波数の周波数データとの間に、わずかな差が生じることを見出した。具体的には、工作機械１２において、スピンドル１８に取り付けられたボーリングバー２０の先端部を、インパクトハンマーによって加振することにより、測定対象物の振動状態が、加速度センサにより信号として所得された。

次いで、インパクトハンマーの加振力を入力とする一方、加速度センサからの振動信号を出力とし、これらをＦＦＴアナライザに取り込んで、フーリエ解析及び演算が行われた。さらに、出力／入力を伝達関数として、固有振動数及び減衰比等が取得された。

この固有振動数の測定により得られたＦＦＴアナライザのデータは、例えば、図９の上部側に示されている。図９の中、上部側上段は、インパクトハンマーによる加振入力状態を表し、上部側中段は、測定対象物の振動度合いを加速度センサ２６の出力として表し、上部側下段は、出力／入力を伝達関数として表している。縦線で示す（ｆｎ）は、測定対象物の固有振動数（Ｈｚ）を表している。

上記と同一の工作機械１２を用いて加工実験を行い、再生びびりの生成状態等の振動データの取得が行われた。加工振動（びびり振動も含む）は、加速度センサ２６により取得され、これをＦＦＴアナライザに取り込んで解析することにより、振動振幅とパワースペクトラムを観察しながら、加工実験が行われた。

ここで、図９の下部側は、加工中に再生びびりが発生した状態を示している。図９の中、下部側下段は、びびり振動数（ｆｃ）にて再生びびりが生じた時のパワースペクトラムを表し、下部側上段は、その時の振動波形を表している。

従って、再生びびりが発生した際のびびり振動数（ｆｃ）と、予め取得された固有振動数（ｆｎ）との間には、わずかな周波数の差Δｆ１が存在している。すなわち、びびり振動数（ｆｃ）は、固有振動数（ｆｎ）よも高い数値（例えば、０．０３）であることが判明した。

この場合、本実施形態では、周波数の差Δｆ１を加味して、再生びびりによる周波数にフィードバックして再生びびり回避周波数が算出される。その際、周波数の差Δｆ１は、固有周波数測定の半値半幅（Δｆ２）と同一であることが判明した（図１０参照）。そして、半値半幅（Δｆ２）は、減衰比ζと固有振動数（ｆｎ）との積により算出される。従って、減衰比ζ＝Δｆ２／（２×ｆｎ）となる。

このため、変更する周波数としては、周波数の差Δｆ１と同一の値となる固有周波数（ｆｎ）の測定データの減衰比ζの値を、推定減衰比としてフィードバック値に代入する。具体的には、再生びびり回避振動数（Ｈｚ）＝再生びびり振動数／（１＋推定減衰比）、及び、再生びびり回避回転数（ＲＰＭ）＝再生びびり振動数／（１＋推定減衰比）×６０の関係式から算出される。

一方、予め固有振動数（ｆｎ）が測定されておらず、減衰比ζの値が不明の場合には、推定減衰比は、０．０１〜０．０５に設定される。主軸系や治具ワーク系の固有振動特性（ｆｎ）の減衰比の値は、一般的な使用例で、０．０１〜０．０５の範囲内であり、この数値をフィードバック値として反映（補完）させることによって、精度の高いびびり回避処理が遂行されるからである。

次に、ステップＳ２１において、再生びびり回避周波数に変換された後、主軸１８の回転数を調整するための機械回転数変更の指示へと進む（ステップＳ２２）。ステップＳ２２では、びびり振動を抑制するために、加工状態をリアルタイムに監視し、びびりの予兆振動が発生した場合に、その補完された振動数をもって安定ポケット法に基づく、再生びびり回避周波数×６０÷刃数（又はその逓倍）の演算を行う。これにより、主軸１８の更新回転数が算出され、それは自動的に安定ポケット法の中心回転数を現すことになる。

次いで、びびり抑制演算ユニット３８は、算出された主軸１８の更新回転数を表示ユニット４４に表示するとともに、機械の回転数変更信号（例えば、主軸１８の回転数の外部からのオーバーライド指示）として、更新値出力ユニット４６から工作機械制御装置２８へ自動フィードバック出力する。このため、工作機械１２は、指示された主軸１８の回転数に直ちに変更され、有害なびびりが出ない切削加工が可能となる。

この場合、本実施形態では、回転開始時から振動を検出し、前記振動をフーリエ級数展開により解析して再生びびりによる周波数を算出している。そして、算出された再生びびりによる周波数に、推定減衰比を加味して再生びびり回避周波数が得られている。

このため、推定減衰比を加味してフィードバックすることにより、高精度な再生びびり回避周波数を得ることができる。これにより、実際にびびりによる影響が生じる前に、機械主軸の回転数を調整するとともに、再生びびりの発生を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

１０…びびり抑制装置１２…工作機械
１４…ハウジング１８…スピンドル
２０…ボーリングバー２２…バイト
２６…加速度センサ２８…機械制御装置
３０…びびり抑制コントローラ
３２…制御操作盤３４…マイクロフォン
３８…びびり抑制演算ユニット４０…指示ユニット
４２…加工条件入力ユニット４３…推定減衰比入力ユニット
４４…表示ユニット４６…更新値出力ユニット

Claims

加工工具を介してワークに加工処理を施す際に、びびりが発生することを抑制するための作業機械のびびり抑制方法であって、
前記加工工具又は前記ワークの回転が開始される際に発生する振動を検出する工程と、
機械主軸の空転時の振動を閾値に設定する工程と、
前記機械主軸の加工時に検出される加工振動が、前記閾値を超えたか否かを判断する工程と、
前記加工振動が前記閾値を越えたと判断された際、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、再生びびりによる周波数を算出する工程と、
算出された前記再生びびりによる周波数に、推定減衰比を加味して再生びびり回避周波数を得る工程と、
前記再生びびり回避周波数×６０÷刃数（又はその逓倍）の演算式から、前記機械主軸の回転数を調整する工程と、
を有することを特徴とする作業機械のびびり抑制方法。
請求項１記載のびびり抑制方法において、前記推定減衰比は、前記加工工具又は前記ワークの固有振動数に基づいて推定されることを特徴とする作業機械のびびり抑制方法。
請求項１又は２記載のびびり抑制方法において、前記推定減衰比は、０．０１〜０．０５の範囲内に設定されることを特徴とする作業機械のびびり抑制方法。