(57)【要約】【課題】回転工具の径方向の挙動が回転工具の周方向の少なくとも一部で工作物により拘束されている加工状態で、回転工具の動特性を高精度に解析できる工具動特性解析装置及び工作機械を提供する。【解決手段】工具動特性解析装置８は、工作物Ｗに関する条件、及び回転工具６による工作物Ｗの加工状態で、回転工具６の径方向の挙動が回転工具６の周方向の少なくとも一部で工作物Ｗにより拘束される条件を入力する条件入力部８１と、少なくとも回転工具６を含む振動系の工具動特性を解析するため、工作物Ｗに関する条件及び回転工具６の拘束条件に応じた拘束要素６１を含む工具解析モデルを作成するモデル作成部８２と、工作物Ｗに関する条件及び工具解析モデルに基づいて、工具動特性を算出する動特性演算部８３と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物に関する条件、及び回転工具による工作物の加工状態で、前記回転工具の径方向の挙動が前記回転工具の周方向の少なくとも一部で前記工作物により拘束される条件を入力する条件入力部と、
少なくとも回転工具を含む振動系の工具動特性を解析するため、前記工作物に関する条件及び前記回転工具の拘束条件に応じた拘束要素を含む工具解析モデルを作成するモデル作成部と、
前記工作物に関する条件及び前記工具解析モデルに基づいて、前記工具動特性を算出する動特性演算部と、
を備える、工具動特性解析装置。
【請求項２】
前記工具解析モデルは、前記回転工具の先端の一か所に前記拘束要素を含む、請求項１に記載の工具動特性解析装置。
【請求項３】
前記回転工具による前記工作物の加工は、穴加工である、請求項２に記載の工具動特性解析装置。
【請求項４】
前記工具解析モデルは、前記回転工具の先端の複数か所に前記拘束要素を含む、請求項１に記載の工具動特性解析装置。
【請求項５】
前記回転工具による前記工作物の加工は、溝加工である、請求項４に記載の工具動特性解析装置。
【請求項６】
前記拘束要素は、少なくとも弾性系の要素を含む、請求項１−５の何れか一項に記載の工具動特性解析装置。
【請求項７】
請求項１−６の何れか一項に記載の工具動特性解析装置を備える工作機械であって、
前記工作物の加工の態様に応じた複数種の前記回転工具の前記工具動特性を、前記工具動特性解析装置で予め解析してデータベースとして記憶し、現加工に対応した前記工具動特性を前記データベースから選択し、選択した前記工具動特性に基づいて前記現加工を制御する制御装置を備える、工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具動特性解析装置及び工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、リーマやエンドミル等の回転工具を加振して振動を検出し、検出した振動を解析して回転工具の動特性を解析する工具動特性解析装置を備える工作機械が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１２３５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の工具動特性解析装置では、工作物の側面加工等のように、回転工具の径方向の挙動が工作物で拘束されていない状態を模擬して解析を行っている。つまり、工具の取付け部側を固定端、工具先端側を自由端とする片持ちばりの状態で振動するような加工において、工具動特性の高精度な解析が可能である。
【０００５】
しかし、工作物の穴加工若しくは溝加工のように、回転工具の径方向の挙動が回転工具の全周にわたって工作物により拘束されている状態、若しくは回転工具の周方向の一部で工作物により拘束されている状態では、上述のような片持ちばりの状態とは境界条件が異なるため工具挙動が異なる可能性がある。そのため、従来の解析装置では、十分に工具動特性を解析できない可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回転工具の径方向の挙動が回転工具の周方向の少なくとも一部で工作物により拘束されている加工状態で、回転工具の動特性を高精度に解析できる工具動特性解析装置及び工作機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の工具動特性解析装置は、工作物に関する条件、及び回転工具による工作物の加工状態で、前記回転工具の径方向の挙動が前記回転工具の周方向の少なくとも一部で前記工作物により拘束される条件を入力する条件入力部と、少なくとも回転工具を含む振動系の工具動特性を解析するため、前記工作物に関する条件及び前記回転工具の拘束条件に応じた拘束要素を含む工具解析モデルを作成するモデル作成部と、前記工作物に関する条件及び前記工具解析モデルに基づいて、前記工具動特性を算出する動特性演算部と、を備える。
【０００８】
本発明によれば、回転工具の拘束条件に応じた拘束要素を工具解析モデルに含めているので、回転工具の径方向の挙動が回転工具の周方向の少なくとも一部で工作物により拘束されている加工状態で、回転工具の動特性を高精度に解析できる。
【０００９】
本発明の工作機械は、上述の工具動特性解析装置を備える工作機械であって、前記工作物の加工の態様に応じた複数種の前記回転工具の前記工具動特性を、前記工具動特性解析装置で予め解析してデータベースとして記憶し、現加工に対応した前記工具動特性を前記データベースから選択し、選択した前記工具動特性に基づいて前記現加工を制御する制御装置を備える。
【００１０】
本発明によれば、回転工具の径方向の挙動が回転工具の周方向の少なくとも一部で工作物により拘束されている加工状態で、回転工具の動特性を高精度に解析できるので、回転工具のびびりを推定して抑制することができ、工作物の加工精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る加工装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１の加工装置の工具動特性解析装置及び制御装置の構成を示す図である。
【図３】図１の加工装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】回転工具による工作物の加工状態で、回転工具の径方向の挙動が回転工具の全周にわたって工作物により拘束されている場合、工具動特性解析装置で作成される工具解析モデルを回転工具の径方向から見た図である。
【図５Ａ】図４の工具解析モデルが適用される加工として回転工具による工作物の穴加工を回転工具の径方向から見た断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａを回転工具の軸線方向から見た図である。
【図６】図４の工具解析モデルを振動解析した結果を示す図である。
【図７Ａ】工具動特性解析装置で解析する振動系の工具動特性に関するデータベースとして、工作物に穴を明ける穴加工の態様において、振動系の工具動特性である固有振動数に対し、回転工具の工具長と、回転工具の工具長及び工具径の比との関係をグラフ化した例（具体的線図は省略）を示す図である。
【図７Ｂ】工具動特性解析装置で解析する振動系の工具動特性に関するデータベースとして、工作物に穴を明ける穴加工の態様において、振動系の工具動特性であるばね定数に対し、回転工具の工具長と、回転工具の工具長及び工具径の比との関係をグラフ化した例（具体的線図は省略）を示す図である。
【図７Ｃ】工具動特性解析装置で解析する振動系の工具動特性に関するデータベースとして、工作物に穴を明ける穴加工の態様において、振動系の工具動特性である減衰比に対し、回転工具の工具長と、回転工具の工具長及び工具径の比との関係をグラフ化した例（具体的線図は省略）を示す図である。
【図８Ａ】回転工具による工作物の加工状態で、回転工具の径方向の挙動が回転工具の少なくとも一部で工作物により拘束されている加工として、回転工具による工作物の溝加工を回転工具の径方向から見た断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａを回転工具の軸線方向から見た図である。
【図９】図８Ａ，Ｂの溝加工において、工具動特性解析装置で作成される工具解析モデルを回転工具の径方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（１．工作機械の概略構成）
本実施形態の工具動特性解析装置を備える工作機械として、横型マシニングセンタを例に挙げ、図１を参照して説明する。横型マシニングセンタは、駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）を有する工作機械である。なお、本発明は、当該横型マシニングセンタに限定されるものではなく、他の構成のマシニングセンタでもよく、回転工具を用いる工作機械であればよい。
【００１３】
図１に示すように、横型マシニングセンタは、ベッド１と、ベッド１の上方にてＸ軸線方向に移動可能なコラム２と、コラム２の前面（図１の左側面）にてＹ軸線方向に移動可能なサドル３と、サドル３に取り付けられ且つ回転可能な主軸４ａを有する主軸装置４と、主軸４ａの先端側（図１の左端側）に工具ホルダ５を介して取り付けられるリーマ、エンドミル、ドリル等の回転工具６とを備える。
【００１４】
さらに、横型マシニングセンタは、ベッド１上にてＺ軸線方向に移動可能であり、工作物Ｗを載置するテーブル７と、回転工具６の工具動特性をＦＥＭ解析する工具動特性解析装置８と、各駆動軸の動作を制御する制御装置９と、複数種の回転工具６を保持して主軸４ａに対し自動で工具交換を行う工具交換装置１０等とを備える。
【００１５】
（２．工具動特性解析装置及び制御装置の構成）
ここで、発明の解決課題で説明したように、工作物Ｗの穴加工においては、回転工具６の径方向の挙動が回転工具６の全周にわたって工作物Ｗにより拘束されている状態にある。この状態では、回転工具６による工作物Ｗの加工中における振動モードが１次モードではないため、従来の工具動特性解析装置では、工具動特性の高精度な解析が困難となる。
【００１６】
本発明者は、上記拘束状態において工具動特性をＦＥＭ解析するための工具解析モデルを見出して工具動特性解析装置８に適用した。以下に、工具動特性解析装置８及び制御装置９の構成について、図２を参照して説明する。図２に示すように、工具動特性解析装置８は、条件入力部８１、モデル作成部８２及び動特性演算部８３を備える。制御装置９は、記憶部９１、主軸制御部９２、Ｘ軸制御部９３、Ｙ軸制御部９４、Ｚ軸制御部９５、工具交換制御部９６を備える。
【００１７】
条件入力部８１は、工作物Ｗに関する条件及び回転工具６の拘束条件を入力してモデル作成部８２及び動特性演算部８３に入力する。工作物Ｗに関する条件としては、工作物Ｗの物性（硬度、粘性、熱伝導率等）や工作物Ｗに対する回転工具６の加工条件（切込量、回転数等）が挙げられる。回転工具６の拘束条件としては、回転工具６による工作物Ｗの加工状態で、回転工具６の径方向の挙動が回転工具６の周方向で工作物Ｗにより拘束される条件が挙げられる。
【００１８】
モデル作成部８２は、回転工具６、工具ホルダ５及び主軸４ａを含む振動系（以下、単に「振動系」という）の工具動特性をＦＥＭ解析により求めるための工具解析モデルを作成して動特性演算部８３に入力する。なお、工具解析モデルは、回転工具６を含む振動系であれば、回転工具６のみの振動系、もしくは回転工具６及び工具ホルダ５を含む振動系であってもよい。
【００１９】
工具解析モデルは、具体的には、図４に示すように、振動系を径方向から見たモデルを、図示破線で示す矩形状の複数の小領域に分割して作成する。これは、ＦＥＭ解析に用いられる一般的なものである。さらに、工具解析モデルは、工作物Ｗに関する条件及び回転工具６の拘束条件に応じた拘束要素を含む。
【００２０】
つまり、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、回転工具６による工作物Ｗの加工が穴加工である場合、回転工具６の拘束条件は、回転工具６の刃部６ａの先端の径方向の挙動が回転工具６の全周にわたって工作物Ｗにより拘束されているという条件になる。そこで、図４に示すように、工具解析モデルにおいては、回転工具６の刃部６ａの先端の一か所に拘束要素６１を付加する。
【００２１】
この拘束要素６１は、振動系の弾性係数Ｋ（弾性系）及び振動系の粘性減衰係数Ｃ（粘性系）で表される。そして、拘束要素６１における振動系の弾性係数Ｋの値及び振動系の粘性減衰係数Ｃの値は、工作物Ｗに関する条件、つまり工作物Ｗの物性（硬度、粘性、熱伝導率等）や工作物Ｗに対する回転工具６の加工条件（切込量、回転数等）に応じて設定される。なお、拘束要素６１は、少なくとも弾性系の要素を含むようにする。また、主軸４ａは、軸受４ｂで支持されるので、工具解析モデルにおいては、軸受４ｂの支持箇所（本例では４箇所）に上記拘束要素６１と同様の拘束要素４１を付加する。
【００２２】
動特性演算部８３は、条件入力部８１から入力される工作物Ｗに関する条件及びモデル作成部８２で作成される拘束要素６１を有する工具解析モデルに基づいて、振動系の工具動特性を算出する。つまり、先ず、動特性演算部８３は、拘束要素６１を有する工具解析モデルのＦＥＭ解析を行うことで、図６に示すような振動系の振動解析を行う。なお、図６では、便宜上、回転工具６及び工具ホルダ５の一部における振動解析結果を示す。
【００２３】
次に、動特性演算部８３は、回転工具６の刃部６ａの回転中心Ｃｔの変位量２Ｔ（図６参照）及び回転工具６の刃部６ａが工作物Ｗから受ける切削抵抗Ｆ（図５Ａ参照）を算出し、算出した変位量２Ｔ及び切削抵抗Ｆに依存する振動系の工具動特性を算出する。この工具動特性は、回転工具６の刃部６ａに入力された力に対する変形の挙動を示すものであり、伝達関数（コンプライアンス及び位相遅れ）もしくはそれから算出される固有振動数、ばね定数、減衰比などにより表される。なお、振動系の工具動特性として、粘性減衰係数、質量係数を用いることもあるが、これらは、上記固有振動数、ばね定数、減衰比から求められる。
【００２４】
記憶部９１には、動特性演算部８３で算出した振動系の工具動特性が記憶される。また、記憶部９１には、工作物Ｗの加工を制御するためのＮＣプログラム及び振動系の工具動特性に関するデータベースが予め記憶される。主軸制御部９２、Ｘ軸制御部９３、Ｙ軸制御部９４及びＺ軸制御部９５は、記憶部９１から読み出したＮＣプログラムに従って、主軸装置４、コラム２、サドル３及びテーブル７の各動作をそれぞれ制御する。
【００２５】
記憶部９１に記憶する振動系の工具動特性に関するデータベースとしては、例えば、図７Ａ−７Ｃに示すように、工作物Ｗに穴を明ける穴加工の態様では、振動系の工具動特性である固有振動数、ばね定数又は減衰比等に対し、回転工具６の工具長と、回転工具６の工具長及び工具径の比との関係をそれぞれグラフ化したものが挙げられる。なお、各グラフにおいては、具体的な線図は省略する。主軸制御部９２は、記憶部９１から読み出した動特性演算部８３で算出した振動系の工具動特性及び振動系の工具動特性に関するデータベースに基づいて、適切な回転工具６の工具交換を制御する。
【００２６】
（３．横型マシニングセンタの動作）
次に、横型マシニングセンタの動作について図３のフローチャートを参照して、横型マシニングセンタにおいて、工作物Ｗのサドル３と対向する側面にＺ軸線方向に穴を明ける穴加工を行う場合を説明する。工具動特性解析装置８において、条件入力部８１は、入力した工作物Ｗに関する条件及び回転工具６の拘束条件をモデル作成部８２に入力し、また入力した工作物Ｗに関する条件を動特性演算部８３に入力する（図３のステップＳ１）。
【００２７】
モデル作成部８２は、条件入力部８１から入力される回転工具６の拘束条件及び工作物Ｗに関する条件に応じて、拘束要素６１における振動系の弾性係数Ｋの値及び振動系の粘性減衰係数Ｃの値を設定する（図３のステップＳ２）。そして、振動系の弾性係数Ｋの値及び振動系の粘性減衰係数Ｃの値が設定された拘束要素６１を有する工具解析モデルを動特性演算部８３に入力する（図３のステップＳ３）。
【００２８】
動特性演算部８３は、条件入力部８１から入力される工作物Ｗに関する条件及びモデル作成部８２から入力される振動系の弾性係数Ｋの値及び振動系の粘性減衰係数Ｃの値が設定された拘束要素６１を有する工具解析モデルに基づいて、振動系の工具動特性を算出し、制御装置９の記憶部９１に記憶する（図３のステップＳ４）。
【００２９】
工具交換制御部９６は、記憶部９１に記憶した振動系の工具動特性に対応するデータベース（本例では、回転工具６の工具長と、回転工具６の工具長及び工具径の比との関係）を選択する（図３のステップＳ５）。そして、現穴加工（現加工）の穴深さや穴径に適切な回転工具６を決定し（図３のステップＳ６）、決定した回転工具６を主軸４ａに装着する（図３のステップＳ７）。
【００３０】
主軸制御部９２は、記憶部９１から読み出したＮＣプログラムに従って、回転工具６が所定の回転速度となるように主軸４ａを回転する（図３のステップＳ８）。そして、Ｘ軸制御部９３、Ｙ軸制御部９４及びＺ軸制御部９５は、記憶部９１から読み出したＮＣプログラムに従って、コラム２、サドル３及びテーブル７をＸ，Ｙ，Ｚ軸線方向に移動させ、回転工具６を工作物Ｗの側面の穴明け位置に位置決めする（図３のステップＳ９）。
【００３１】
Ｚ軸制御部９５は、テーブル７をＺ軸線方向に移動させ、回転工具６で工作物Ｗの側面にＺ軸線方向に穴を明ける（図３のステップＳ１０）。Ｚ軸制御部９５は、所定深さの穴を明けたか否かを判断し（図３のステップＳ１１）、所定深さの穴が明いたらテーブル７を加工方向とは逆方向のＺ軸線方向に移動させ、回転工具６を工作物Ｗの側面から抜き出す（図３のステップＳ１２）。そして、主軸制御部９２は、回転工具６の回転を停止させ（図３のステップＳ１３）、全ての処理を終了する。
【００３２】
（４．その他）
上述の実施形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、回転工具６による工作物Ｗの加工状態で、回転工具６の径方向の挙動が回転工具６の全周にわたって工作物Ｗにより拘束されている状態にある場合を説明した。すなわち、工作物Ｗに穴加工を行う場合は、図４に示すように、工具解析モデルにおいて、回転工具６の先端の一か所に拘束要素６１を付加する。
【００３３】
この他に、図８Ａ及び図５Ｂに示すように、に示すように、回転工具６による工作物Ｗの加工状態で、回転工具６の径方向の挙動が回転工具６の周方向の少なくとも一部（本例では半周）で工作物Ｗにより拘束されている状態、すなわち工作物Ｗに溝加工を行う場合であっても同様に適用できる。この溝加工の場合、工具解析モデルは、図９に示すように、回転工具６の工具刃６ｂの先端の複数か所（本例では２か所）に拘束要素６２を含むように作成する。
【００３４】
また、制御装置９の記憶部９１には、穴加工についての振動系の工具動特性に関するデータベースを記憶する構成としたが、溝加工やリーマ加工等についての振動系の工具動特性に関するデータベースを記憶する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
４：主軸装置、  ４ａ：主軸、  ５：工具ホルダ、  ６：回転工具、  ６１，６２：拘束要素  ８：工具動特性解析装置、  ８１：条件入力部、  ８２：モデル作成部、  ８３：動特性演算部、  ９：制御装置、  ９１：記憶部、  ９２：主軸制御部、  Ｗ：工作物
【図１】
2020082284.tif 000003
【図２】
2020082284.tif 000004
【図３】
2020082284.tif 000005
【図４】
2020082284.tif 000006
【図５Ａ】
2020082284.tif 000007
【図５Ｂ】
2020082284.tif 000008
【図６】
2020082284.tif 000009
【図７Ａ】
2020082284.tif 000010
【図７Ｂ】
2020082284.tif 000011
【図７Ｃ】
2020082284.tif 000012
【図８Ａ】
2020082284.tif 000013
【図８Ｂ】
2020082284.tif 000014
【図９】
2020082284.tif 000015