JP5862111B2

JP5862111B2 - 加工データ修正方法

Info

Publication number: JP5862111B2
Application number: JP2011181663A
Authority: JP
Inventors: 松永　茂; 茂松永; 俊之沖田; 良太棚瀬
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: JP2013043240A

Description

本発明は、主軸により回転される工具を用いた加工において、加工データのびびり振動発生の有無を判定して、びびり振動が発生する場合はびびり振動の発生しないように加工データを修正する加工データ修正方法に関するものである。

回転する工具を用いた加工においてびびり振動を防止するために、びびり安定限界線図を用いてびびり振動の発生しない加工条件を設定することが行われている。びびり安定限界線図は所定の主軸回転速度におけるびびり振動の発生する工具切込み深さの限界を示す図であり、通常は図１０に示すように横軸に主軸回転速度を設定した図である。図１０の限界曲線の下側の斜線部分がびびり振動が発生しないで加工可能な安定領域である。
びびり安定限界線図は工具を含む主軸系の質量、減衰係数、剛性とこの工具を用いた切削時の比切削抵抗をパラメータとする計算式で求められる。この質量、減衰係数、剛性は工具を含む主軸系の加振テスト等から求めたコンプライアンスの周波数応答において、びびり振動発生の可能性が高いコンプライアンスが最大となるピークを用いて求めている。すなわち、コンプライアンスの周波数応答における最大のピークを用いてびびり安定限界線図を作成している。（たとえば非特許文献１）

「神戸製鋼技報２００１年Ｖｏｌ．５１Ｎｏ．３」、ｐ．２０〜ｐ．２２

主軸系のコンプライアンスの周波数応答でコンプライアンスが最大となるピークを用いて求めたびびり安定限界線図の安定領域において、最大ピークから予測されるびびり振動の周波数と異なる周波数のびびり振動が発生することがある。これは、主軸系の状態変化や加工条件の変化により、コンプライアンスの大きさが２番目以下のピークに起因するびびり振動が発生するからである。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発生の可能性の高い２番目以下のピークに起因するびびり振動に対しても有効なびびり安定限界線図を作成し、このびびり安定限界線図を用いて加工データのびびり振動発生の有無を判定し、びびり振動の発生が予測される場合は加工データを修正する加工データ修正方法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、主軸に装着した回転する工具により工作物を加工するときに発生するびびり振動に関して、主軸回転速度に対する前記工具のびびり振動発生限界の工具切込み深さの値を連結して構成される限界曲線で区分されるびびり振動の発生しない領域である安定領域を表したびびり安定限界線図を用いて、主軸回転速度と工具切込み深さの組で表される加工データを修正する加工データ修正方法であって、
前記主軸と前記工具からなる主軸系のコンプライアンスの周波数応答のピークのなかで、コンプライアンスが最大である最大ピークを用いて最大ピーク質量・減衰係数・剛性値を算出し、前記最大ピークに対して所定差以内もしくは前記最大ピークに対して所定比率以内のコンプライアンスを持つ所定ピークを用いて所定ピーク質量・減衰係数・剛性値を算出する特性値算出工程と、
前記最大ピーク質量・減衰係数・剛性値と前記工具を用いた切削における比切削抵抗から最大ピークびびり安定限界線図を作成し、前記所定ピーク質量・減衰係数・剛性値と前記比切削抵抗から所定ピークびびり安定限界線図を作成するびびり安定限界線図作成工程と、
前記最大ピークびびり安定線図と前記所定ピークびびり安定線図における前記安定領域が重複する部分を合成安定領域とし、前記合成安定領域の境界線を合成限界曲線とするびびり安定限界線図である合成びびり安定限界線図を作成する安定限界線図合成工程と、
前記加工データが、前記合成びびり安定限界線図の前記合成安定領域に含まれるか否かを判定する判定工程と、
前記判定手段で前記合成安定領域に含まれないと判定された前記加工データを前記合成安定領域内に含まれるように修正する加工データ修正工程を備えることである。

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、前記加工データ修正工程において、前記加工データに指示された主軸回転速度であるデータ主軸回転速度を、前記データ主軸回転速度に直近の前記合成限界曲線のピーク位置の主軸回転速度に修正することである。

本発明によれば、発生の可能性の高い複数のびびり振動に対する安定領域を備えた合成びびり安定限界線図を作成することができる。この合成びびり安定限界線図を用いた加工データのびびり振動発生有無の判定と、安定領域に含まれない加工データを安定領域に含まれるように修正することにより、環境条件の変動が起きてもびびり振動が発生しない加工能率の大きな加工条件を設定することが可能となる。

本実施形態の工作機械の全体図である。本実施形態の加工データ修正工程を示す工程図である。加振テストの概要を示す図である。加振テストによるコンプライアンスの周波数応答を示す図である。コンプライアンスのピーク１の周波数応答から質量と剛性と減衰係数を求める概念を示す図である。コンプライアンスのピーク２の周波数応答から質量と減衰係数と剛性を求める概念を示す図である。第１のびびり安定限界線図を示す図である。第２のびびり安定限界線図を示す図である。合成びびり安定限界線図を示す図である。従来のびびり安定限界線図を示す図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。
図１において、工作機械１は、ベッド２上にＺ軸方向へ前後進するコラム３とＸ軸方向（紙面に垂直な方向）に移動可能なテーブル４を備え、コラム３はＸ軸とＺ軸に直角な方向であるＹ軸方向へ上下する主軸６を可動に支持し、テーブル４上には工作物Ｗが固定されている。主軸６は回転自在に保持されモータ８により回転駆動されるスピンドル７を備え、スピンドル７の先端には工具５が装着されている。工具５と工作物Ｗは、図示しない送り装置によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の相対運動が可能で、この相対運動により加工が行われる。

工作機械１はＮＣ制御装置９により制御され、加工データに基づき工作物Ｗの加工を行う。
ＮＣ制御装置９は、モータ８の回転を制御する主軸モータ制御部９１、比切削抵抗を演算する比切削抵抗演算部９２、びびり安定限界線図を作成するびびり安定限界線図作成部９３、加工データのびびり振動発生の有無を判定する判定部９４、加工データを修正する加工データ修正部９５、加工データを記録する加工データ記録部９６などを備えている。
びびり安定限界線図作成部９３は、主軸系の質量、減衰係数、剛性である主軸系特性値や比切削抵抗値などの各種データを記録するデータ記録部９３１、びびり安定限界線図の演算を行うびびり安定線図演算部９３２、びびり安定限界線図の合成を行うびびり安定限界線図合成部９３３を備えている。

以下に、図２の工程図に基づき実施形態の加工データ修正方法の詳細を説明する。
所定工具５を用いて工作機械１で工作物Ｗを試し切削し、主軸モータ制御部９１で検出したモータ８の電流値を用いて比切削抵抗演算部９２において比切削抵抗Ｋ_ｆ５Ｗを演算し、びびり安定限界線図作成部９３内のデータ記録部９３１へ記録する（Ｓ１）。図３に示すように、スピンドル７に装着した所定工具５に振動検出器１１を固定してハンマー１２で所定工具５を加振し、図４に示すようなコンプライアンスの周波数応答を周波数応答測定装置１０で測定する。この例では、びびり安定限界線図作成対象となるピークは、最大ピークであるピーク１とピーク１から合成対象最大ピーク差の範囲にあるピーク２が該当する。ここで、合成対象最大ピーク差は工具や主軸系の特性とびびり振動発生の実績を勘案して所望の値に設定する（Ｓ２）。図５において、測定した周波数応答のコンプライアンスが最大であるピーク１に対して、実線で示す最適フィッティングする伝達関数Ｇ_１（ｓ）＝１／（ｍ_１ｓ^２＋ｃ_１ｓ＋ｋ_１）を設定し、この伝達関数Ｇ_１（ｓ）の質量ｍ_１、減衰係数ｃ_１、剛性ｋ_１を主軸系の特性値１として、データ記録部９３１へ記録する（Ｓ３）。ステップＳ１で求めた比切削抵抗Ｋ_ｆ５ＷとステップＳ３で求めた質量ｍ_１、減衰係数ｃ_１、剛性ｋ_１の値と、たとえば２０１０年３月４日、日本機械学会Ｎｏ．１０−２４講習会−生産加工基礎講座−実習で学ぼう「切削加工、びびり振動の基礎知識」、講習会テキスト、ｐｐ、１−１２に示されるようなびびり安定限界線図の求め方を用いて、びびり安定線図演算部９３２で図７に示すようなびびり安定限界線図１を演算し、データ記録部９３１へ記録する。図７において、限界曲線１の下部の斜線の領域がびびり振動が発生しない安定領域である（Ｓ４）。

図４に示すコンプライアンスの周波数応答において、合成対象最大ピーク差の範囲内にあるピークが１個以上（ｎ個）あるか判定する、ｎ個あるならステップＳ７へ移動し、０個であればステップＳ６へ移動する。（Ｓ５）。びびり安定限界線図１を判定部９４に記録し、Ｓ１３へ移動するする（Ｓ６）。
この例では、ｎ＝１であるからステップＳ７へ移動する。

びびり安定限界線図の番号を管理するために設定したカウンターの値Ｃを２に書き換える（Ｓ７）。測定したコンプライアンスのＣ番目のピークに対して、最適フィッティングする伝達関数Ｇ_Ｃ（ｓ）＝１／（ｍ_Ｃｓ^２＋ｃ_Ｃｓ＋ｋ_Ｃ）の質量ｍ_Ｃ、減衰係数ｃ_Ｃ、剛性ｋ_Ｃを主軸系の特性値Ｃとして、データ記録部９３１へ記録する（Ｓ８）。質量ｍ_１、減衰係数ｃ_１、剛性ｋ_１に替えて質量ｍ_Ｃ、減衰係数ｃ_Ｃ、剛性ｋ_Ｃを用いてステップＳ４と同様にしてびびり安定限界線図Ｃを演算し、データ記録部９３１へ記録する。図８において、限界曲線２の下部の領域がびびり振動が発生しない安定領域である（Ｓ９）。カウンターの値Ｃに１を加算する（Ｓ１０）。カウンターの値Ｃがｎ以上か判定する。Ｃ≧ｎ＋１ならばステップＳ１２へ移動し、Ｃ＜ｎ＋１ならばステップＳ８へ移動する。（Ｓ１１）。合成対象最大ピーク差の範囲内にあるピークがｎ個ある場合、上記のステップＳ８からステップＳ１１をｎ回繰り返し、ｎ個のびびり安定限界線図を演算しデータ記録部９３１へ記録する。
この例では、ｎ＝１であるから図６に示すピーク２に対して、最適フィッティングする伝達関数Ｇ_２（ｓ）＝１／（ｍ_２ｓ^２＋ｃ_２ｓ＋ｋ_２）の質量ｍ_２、減衰係数ｃ_２、剛性ｋ_２を用いて演算された図８に示すびびり安定限界線図２がデータ記録部９３１に記録される。データ記録部９３１にはステップＳ４で記録されたびびり安定限界線図１と合わせて２個のびびり安定限界線図が記録されている。

びびり安定限界線図合成部９３３において、びびり安定限界線図１からびびり安定限界線図ｎ＋１までの、同一の主軸回転速度に対応したｎ＋１個の限界曲線の最小の限界切込み深さの値を選択して合成限界曲線を構成することで合成びびり安定限界線図を作成し、判定部９４に記録する（Ｓ１２）。
この例では、ｎ＝１なので図９に示すように、同一の主軸回転速度に対応した限界曲線１と限界曲線２の限界切込み深さの値の小さいほうを選択して構成される合成限界曲線を作成する。合成限界曲線の下部の斜線の領域が、ピーク１とピーク２に対応するびびり振動が発生しない合成安定領域である。

判定部９４において、加工データが判定部９４に記録されているびびり安定限界線図の安定領域に含まれるか否か判定する。具体的には、加工データに指示された工具切込み深さが加工データに指示された主軸回転速度におけるびびり安定限界線図の限界曲線より小さければ安定領域に含まれ、大きければ安定領域に含まれない。安定領域に含まれない加工データがある場合はステップＳ１４へ移動する、全ての加工データが安定領域にある場合は終了する（Ｓ１３）。
この例では、判定部９４に記録されているびびり安定限界線図は、ステップＳ１２で合成された合成びびり安定限界線図である。

びびり安定限界線図の安定領域に含まれない加工データの値を、安定領域に含まれるように修正する。具体的には、加工データに指示された主軸回転速度を、この主軸回転速度に近い限界曲線のピーク位置の主軸回転速度に変更する（図９においてＡ_０点からＡ_１点へ移動）。この状態においても安定領域に含まれない場合は、さらに、加工データに指示された工具切込み深さを変更された主軸回転速度における限界曲線より５％程度小さい値に変更する（図９においてＢ_０点からＢ_１点へ移動）（Ｓ１５）。

以上のように、本発明により、発生の可能性の高い２番目以下のピークに起因するびびり振動に対しても有効な合成びびり安定限界線図を作成することができる。加工データが合成びびり安定限界線図の合成安定領域にあるかどうかを判定し、合成安定領域外にあるときは加工データの修正を行うことで、主軸系の状態変化や加工条件の変化が起きてもびびり振動の発生しない加工データを作成することが可能となる。

上記の実施形態では、最大ピークと、最大ピークに対して合成対象最大ピーク差以内のコンプライアンス差を備えたピークを対象として合成びびり安定限界線図を作成したが、最大ピークと、最大ピークに対して所定比率以内のコンプライアンスを備えたピークを対象としてもよいし、所定の順位以内のピークを対象として合成びびり安定限界線図を作成してもよい。
合成対象最大ピーク差以内または所定比率以内のコンプライアンスを備えたピークが存在しない場合は、最大ピークの周波数のびびり振動以外のびびり振動が発生する可能性はほとんどないので、合成びびり安定限界線図を作成せず、びびり安定限界線図１を用いて判定を行う。

１：工作機械５：工具６：主軸７：スピンドルＷ：工作物９：ＮＣ制御装置１０：周波数応答測定装置９３：びびり安定限界線図作成部９３２：びびり安定限界線図演算部９３３：びびり安定限界線図合成部９４：判定部９５：加工データ修正部

Claims

主軸に装着した回転する工具により工作物を加工するときに発生するびびり振動に関して、主軸回転速度に対する前記工具のびびり振動発生限界の工具切込み深さの値を連結して構成される限界曲線で区分されるびびり振動の発生しない領域である安定領域を表したびびり安定限界線図を用いて、主軸回転速度と工具切込み深さの組で表される加工データを修正する加工データ修正方法であって、
前記主軸と前記工具からなる主軸系のコンプライアンスの周波数応答のピークのなかで、コンプライアンスが最大である最大ピークを用いて最大ピーク質量・減衰係数・剛性値を算出し、前記最大ピークに対して所定差以内もしくは前記最大ピークに対して所定比率以内のコンプライアンスを持つ所定ピークを用いて所定ピーク質量・減衰係数・剛性値を算出する特性値算出工程と、
前記最大ピーク質量・減衰係数・剛性値と前記工具を用いた切削における比切削抵抗から最大ピークびびり安定限界線図を作成し、前記所定ピーク質量・減衰係数・剛性値と前記比切削抵抗から所定ピークびびり安定限界線図を作成するびびり安定限界線図作成工程と、
前記最大ピークびびり安定線図と前記所定ピークびびり安定線図における前記安定領域が重複する部分を合成安定領域とし、前記合成安定領域の境界線を合成限界曲線とするびびり安定限界線図である合成びびり安定限界線図を作成する安定限界線図合成工程と、
前記加工データが、前記合成びびり安定限界線図の前記合成安定領域に含まれるか否かを判定する判定工程と、
前記判定手段で前記合成安定領域に含まれないと判定された前記加工データを前記合成安定領域内に含まれるように修正する加工データ修正工程を備える加工データ修正方法。
前記加工データ修正工程において、前記加工データに指示された主軸回転速度であるデータ主軸回転速度を、前記データ主軸回転速度に直近の前記合成限界曲線のピーク位置の主軸回転速度に修正する、請求項１に記載の加工データ修正方法。