(57)【要約】【課題】簡易な回転工具の中心軸線回りの工具ねじれ方向への加振方法及び高精度な工具ねじれ動特性の計測方法を提供する。【解決手段】工具ねじれ方向への加振方法は、回転可能な主軸４ａに取り付けられる回転工具６の中心軸線Ｃｔ回りの工具ねじれ方向への加振方法であって、回転工具６を回転させ、回転中の回転工具６が回転工具６の径方向に変位しない作用力を、回転中の回転工具６の刃部６ｔに入力し、回転工具６を工具ねじれ方向へ加振する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な主軸に取り付けられる回転工具の中心軸線回りの工具ねじれ方向への加振方法であって、
前記回転工具を回転させ、回転中の前記回転工具が前記回転工具の径方向に変位しない作用力を、前記回転中の回転工具の刃部に入力し、前記回転工具を前記工具ねじれ方向へ加振する、工具ねじれ方向への加振方法。
【請求項２】
前記回転工具は、外周において等角度間隔の位置に複数の刃部を有する、請求項１に記載の工具ねじれ方向への加振方法。
【請求項３】
前記回転工具を工具ねじれ方向へ加振する際に用いる治具には、穴部が設けられ、前記穴部の内周において等角度間隔の位置には、前記回転工具の刃部が当接可能な内側に凸の複数の凸領域が設けられ、周方向に隣接する前記凸領域の間には、前記回転工具の刃部が前記穴部の内周に接触せずに空転する空転領域が設けられ、
前記回転工具が前記穴部の中に同軸で位置する状態で、前記回転工具の複数の刃部のうち少なくとも２つの刃部を、前記穴部の複数の凸領域のうち少なくとも２つの凸領域に対し同時に当接させることで、前記２つの刃部に作用する力のうち、前記回転工具の径方向の力は相殺され、前記回転工具を前記工具ねじれ方向へ加振する、請求項２に記載の工具ねじれ方向への加振方法。
【請求項４】
前記回転工具の刃部と前記穴部の凸領域は、同数設けられる、請求項３に記載の工具ねじれ方向への加振方法。
【請求項５】
前記穴部の凸領域は、前記回転工具の刃部で加工される、請求項３又は４に記載の工具ねじれ方向への加振方法。
【請求項６】
請求項５に記載の工具ねじれ方向への加振方法により前記回転工具を工具ねじれ方向へ加振して、前記回転工具の刃部による前記穴部の凸領域の加工中の切削抵抗値を計測する第一切削抵抗計測工程と、
前記加工中の回転工具の工具先端面に設けられる識別子を撮像し、撮像した連続被写像に基づいて前記加工中の回転工具の工具ねじれ方向の変位量を算出する第一変位量算出工程と、
計測した前記加工中の切削抵抗値及び算出した前記加工中の工具ねじれ方向の変位量に基づいて、前記加工中の回転工具の工具ねじれ動特性を算出する第一動特性算出工程と、
を備える、工具ねじれ動特性の計測方法。
【請求項７】
前記回転工具の刃部による前記穴部の凸領域の加工終了直後の非加工中の切削抵抗値を計測する第二切削抵抗計測工程と、
前記非加工中の前記識別子を撮像し、撮像した連続被写像に基づいて前記非加工中の回転工具の工具ねじれ方向の変位量を算出する第二変位量算出工程と、
計測した前記非加工中の切削抵抗値及び算出した前記非加工中の工具ねじれ方向の変位量に基づいて、前記非加工中の回転工具の工具ねじれ動特性を算出する第二動特性算出工程と、
を備える、請求項６に記載の工具ねじれ動特性の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具ねじれ方向への加振方法及び工具ねじれ動特性の計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、高速度カメラで切削加工中の回転工具の変位量を検出するとともに、センサで回転工具の切削抵抗値を算出し、回転工具の変位量及び回転工具の切削抵抗値に基づいて回転工具の動特性を算出する工具動特性算出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２０１３−１３２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の工具動特性算出装置では、回転工具の中心軸線回りのねじれ方向の振動については、径方向の振動との分離が困難であるため、高精度な工具ねじれ動特性を計測できない問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な回転工具の中心軸線回りの工具ねじれ方向への加振方法及び高精度な工具ねじれ動特性の計測方法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】
【０００６】
本発明の工具ねじれ方向への加振方法は、回転可能な主軸に取り付けられる回転工具の中心軸線回りの工具ねじれ方向への加振方法であって、前記回転工具を回転させ、回転中の前記回転工具が前記回転工具の径方向に変位しない作用力を、前記回転中の回転工具の刃部に入力し、前記回転工具を前記工具ねじれ方向へ加振する。
【０００７】
一般的に回転中の回転工具の刃部に作用力を入力すると、回転工具は回転工具の径方向及び工具ねじれ方向へ変位するが、本発明の回転中の回転工具の刃部に入力する作用力は、回転工具を回転工具の径方向に変位させないので、必然的に回転工具を工具ねじれ方向へのみ変位させることになる。よって、回転工具を工具ねじれ方向へ容易に加振できる。
【０００８】
本発明の工具ねじれ動特性の計測方法は、前記回転工具を工具ねじれ方向へ加振する際に用いる治具には、穴部が設けられ、前記穴部の内周において等角度間隔位置には、前記回転工具の刃部が当接可能な内側に凸の複数の凸領域が設けられ、前記回転工具が前記穴部の中に同軸で位置する状態で、前記回転工具の複数の刃部のうち少なくとも２つの刃部を、前記穴部の複数の凸領域のうち少なくとも２つの凸領域に対し同時に当接させることで、前記回転工具を前記工具ねじれ方向へ加振して、前記回転工具の刃部による前記穴部の凸領域の加工中の切削抵抗値を計測する第一切削抵抗計測工程と、前記加工中の回転工具の軸方向端面に設けられる識別子を撮像し、撮像した画像情報に基づいて前記加工中の回転工具の工具ねじれ方向の変位量を算出する第一変位量算出工程と、計測した前記加工中の切削抵抗値及び算出した前記加工中の工具ねじれ方向の変位量に基づいて、前記加工中の回転工具の工具ねじれ動特性を算出する第一動特性算出工程と、を備える。
【０００９】
本発明によれば、上述の理由により加工中の回転工具を工具ねじれ方向へのみ変位できるので、加工中の工具ねじれ方向の変位量を算出するとともに加工中の切削抵抗値を計測することで、加工中の回転工具の工具ねじれ動特性を高精度に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る工作機械の全体構成を示す図である。
【図２】図１の工作機械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の工作機械の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】図１の工作機械で使用する回転工具を回転工具の中心軸線方向から見た図である。
【図５】図１の工作機械で使用する治具を治具の中心軸線方向から見た図である。
【図６Ａ】図４の回転工具で図５の治具を加工開始する状態を回転工具の中心軸線方向から見た図である。
【図６Ｂ】図４の回転工具で図５の治具を加工終了した状態を回転工具の中心軸線方向から見た図である。
【図７】図４の回転工具で図５の治具を加工開始してから加工終了するまでの切削抵抗値の経時変化を示す図である。
【図８】図４の回転工具で図５の治具を加工開始直前の時点、加工開始の時点及び加工終了の時点における識別子の変動を示す図である。
【図９】図１の工作機械で使用する別例の治具を治具の中心軸線方向から見た図である。
【図１０】図１の工作機械で使用する別例の回転工具を回転工具の中心軸線方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（１．工具ねじれ動特性の計測が可能な工作機械の概略構成）
本実施形態の工具ねじれ動特性の計測が可能な工作機械として、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。
【００１２】
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とを備える。さらに、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エンドミル、リーマ、ドリル等の回転工具６とを備える。
【００１３】
さらに、ベッド１上にてＺ軸線方向に移動可能であり、回転工具６を工具ねじれ方向へ加振する際に用いる治具Ｗを載置するテーブル７と、テーブル７上にて治具Ｗを保持する保持台８と、回転工具６の工具ねじれ動特性を計測する工具ねじれ動特性計測装置９とを備える。さらに、各駆動軸の動作を制御する制御装置１０と、回転工具６の中心軸線方向の工具先端面６ｂ（図４参照）を撮像する撮像装置１１と、主軸４ａに備えられ、回転工具６に作用する切削抵抗値を測定する回転式動力計１２等とを備える。
【００１４】
撮像装置１１は、高速度カメラであり、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子と、この撮像素子に被写像を結像するレンズを有する。撮像装置１１は、治具Ｗに対し回転工具６側とは反対側であって、後述する治具Ｗに設けられるＺ軸線方向に貫通する円筒状の穴部Ｗｈ内を撮像可能に配置される。そして、撮像装置１１は、穴部Ｗｈを加工する回転工具６の工具先端面６ｂを連続的（例えば５０００フレーム／秒）に撮像する。被写像は、図８に示すように、所定間隔のメッシュが付され、回転工具６の中心軸線Ｃｔがメッシュの所定位置に位置決めされる。
【００１５】
（２．回転工具及び治具の形状）
ここで、発明の解決課題で説明したように、従来は、回転工具の中心軸線回りのねじれ方向の振動については、径方向の振動との分離が困難であるため、高精度な工具ねじれ動特性を計測できない問題がある。本発明者は、回転工具６及び回転工具６の加工対象である治具Ｗの形状を工夫することにより、簡易な回転工具の中心軸線回りの工具ねじれ方向への加振方法を見出し、この加振方法を利用して高精度な工具ねじれ動特性の計測方法を見出した。以下、撮像装置１１側から見た図４及び図５を参照して回転工具６及び治具Ｗの形状を説明する。
【００１６】
先ず、回転工具６の形状について説明する。図４に示すように、回転工具６は、エンドミルであり、工具先端外周６ａの軸対称位置に複数（本例では、２つ）の刃部６ｔを有する。すなわち、２つの刃部６ｔは、工具先端外周６ａにおいて等角度間隔（本例では、１８０度間隔）の位置に取り付けられる。そして、工具先端面６ｂの刃部６ｔ近傍には、撮像装置１１で撮像される識別子６ｍが付される。なお、２つの刃部６ｔの先端を通る中心軸線Ｃｔ回りの円周の外径をＤｔとする。
【００１７】
次に、治具Ｗの形状について説明する。図５に示すように、治具Ｗは、中空円筒状に形成され、円筒状の穴部Ｗｈの内周Ｗａの軸対称位置において、回転工具６の刃部６ｔが当接可能な内側に凸の複数（本例では、２つ）の凸領域Ｗｂが設けられる。すなわち、２つの凸領域Ｗｂは、穴部Ｗｈの内周Ｗａにおいて等角度間隔（本例では、１８０度間隔）の位置に設けられる。本例では、回転工具６の刃部６ｔと穴部Ｗｈの凸領域Ｗｂは同数設けられる。そして、各凸領域Ｗｂは、中空円筒を中心軸線方向に４分の１に切断した径方向断面が９０度の扇形の形状に形成される。穴部Ｗｈは、穴部Ｗｈの内径Ｄｗが回転工具６の上記径Ｄｔよりも若干大きい径となるように形成される。これにより、周方向に隣接する凸領域Ｗｂの間には、回転工具６の刃部６ｔが穴部Ｗｈの内周Ｗａに接触せずに空転する空転領域Ｗｓが設けられる。
【００１８】
（３．回転工具の工具ねじれ方向への加振方法及び工具ねじれ動特性の計測方法）
上述の回転工具６及び治具Ｗを用いて、回転工具６を中心軸線Ｃｔ回りで工具ねじれ方向へ加振する方法について説明する。工具ねじれ方向への加振は、回転工具６を中心軸線Ｃｔ回りで回転させ、回転中の回転工具６が回転工具６の径方向に変位しない作用力を、回転中の回転工具６の刃部６ｔに入力することで得られる。
【００１９】
具体的には、図６Ａ，６Ｂに示すように、回転工具６が治具Ｗの穴部Ｗｈの中に同軸で位置する状態で、回転工具６の２つの刃部６ｔにより治具Ｗの穴部Ｗｈの２つの凸領域Ｗｂを加工する。これにより、回転工具６は、２つの刃部６ｔに逆方向の作用力が同時に入力されるので、２つの刃部６ｔに作用する力のうち、回転工具６の径方向の力は相殺される（回転工具６の径方向の変位が相殺される）ことになり、回転工具６の中心軸線Ｃｔ回りで工具ねじれ方向へ加振される。
【００２０】
次に、回転工具６の工具ねじれ動特性を計測する方法について説明する。回転工具６の工具ねじれ動特性は、上述の加振方法により得られる回転工具６の工具ねじれ方向の振動と同様の振動を発生する加工を行うことにより、得られる回転工具６の工具ねじれ方向への変位量（以下、「ねじれ変位量」という）及び切削抵抗値に基づいて計測できる。
【００２１】
すなわち、回転工具６の２つの刃部６ｔの切削側（表側）が、穴部Ｗｈの２つの凸領域Ｗｂにおける反時計回り側の角部Ｗｂｃ１に当接して加工開始してから（図６Ａ参照）、時計回り側の角部Ｗｂｃ２から抜ける直前までに得られるねじれ変位量及び切削抵抗値に基づく既知の方法で、加工中の工具ねじれ動特性を計測できる。
【００２２】
また、回転工具６の２つの刃部６ｔの切削側（表側）が、時計回り側の角部Ｗｂｃ２から空転領域Ｗｓに抜けて加工終了した後（図６Ｂ参照）に得られるねじれ変位量及び切削抵抗値に基づく既知の方法で、非加工中の工具ねじれ動特性を計測できる。
【００２３】
（４．工具ねじれ動特性計測装置及び制御装置の構成）
工具ねじれ動特性計測装置９及び制御装置１０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、工具ねじれ動特性計測装置９は、切削抵抗値記憶部９１、工具変位量算出部９２、工具変位量記憶部９３、動特性演算部９４を備える。制御装置１０は、記憶部１０１、主軸制御部１０２、Ｘ軸制御部１０３、Ｙ軸制御部１０４、Ｚ軸制御部１０５を備える。
【００２４】
切削抵抗値記憶部９１は、回転式動力計１２で測定される穴部Ｗｈを加工する回転工具６に作用する切削抵抗値の経時変化を時間情報、例えばタイムスタンプとともに記憶する。工具変位量算出部９２は、切削抵抗値記憶部９１から読み出す切削抵抗値の経時変化及び撮像装置１１で撮像される穴部Ｗｈを加工する回転工具６の工具先端面６ｂの連続被写像（時間情報、例えばタイムスタンプを有する）に基づいて、回転工具６の加工中及び非加工中のねじれ変位量を算出する。工具変位量記憶部９３は、工具変位量算出部９２でされる回転工具６の加工中及び非加工中のねじれ変位量を記憶する。
【００２５】
例えば、回転工具６の２つの刃部６ｔが、２つの凸領域Ｗｂの角部Ｗｂｃ１に当接して加工開始し、２つの凸領域Ｗｂの角部Ｗｂｃ２から抜けて加工終了する場合、回転工具６に作用する切削抵抗値及びねじれ変位量は以下のようになる。すなわち、図７に示すように、回転工具６に作用する切削抵抗値Ｆは、当接直前の加工開始時刻ｔ１から当接時刻ｔ２までにＦ１に急上昇し、角部Ｗｂｃ２から抜ける直前の時刻ｔ３まで略Ｆ１を維持し、加工終了直後の時刻ｔ４で０になる。
【００２６】
そして、図８に示すように、回転工具６の工具先端面６ｂの識別子６ｍは、当接直前の時刻ｔ１における位置Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）から、当接時刻ｔ２において位置Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）に変位して時刻ｔ３まで略Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）を維持し、加工終了直後の時刻ｔ４において位置Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）に変位する。なお、図８では、識別子６ｍの変位は、回転工具６の回転力による変位は含まれておらず、切削抵抗による変位のみを示す。
【００２７】
よって、回転工具６の加工中のねじれ変位量Ｔ１は、回転工具６の中心軸線Ｃｔに対する識別子６ｍの変位量Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）−Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）に基づいて算出できる。また、回転工具６の非加工中のねじれ変位量Ｔ２は、回転工具６の中心軸線Ｃｔに対する識別子６ｍの変位量Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）−Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）に基づいて算出できる。
【００２８】
動特性演算部９４は、切削抵抗値記憶部９１及び工具変位量記憶部９３から読み出した切削抵抗値及びねじれ変位量に依存する工具ねじれ動特性を算出する。例えば、動特性演算部９４は、加工開始時刻ｔ１から時刻ｔ３までの切削抵抗値Ｆの変化０〜Ｆ１及びねじれ変位量Ｔ１に基づいて、既知の方法により加工中のねじれ動特性を算出する。また、時刻ｔ３から加工終了直後の時刻ｔ４までの切削抵抗値Ｆの変化Ｆ１〜０及びねじれ変位量Ｔ２に基づいて、既知の方法により非加工中のねじれ動特性を算出する。
【００２９】
この工具ねじれ動特性は、回転工具６の刃部６ｔに入力された作用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、工具ねじれ動特性として、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。
【００３０】
記憶部１０１には、動特性演算部９４で算出した工具ねじれ動特性が記憶される。また、記憶部１０１には、治具Ｗの加工を制御するためのＮＣプログラムが予め記憶される。主軸制御部１０２、Ｘ軸制御部１０３、Ｙ軸制御部１０４及びＺ軸制御部１０５は、記憶部１０１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。
【００３１】
また、主軸制御部１０２、Ｘ軸制御部１０３、Ｙ軸制御部１０４及びＺ軸制御部１０５は、記憶部１０１から読み出した工具ねじれ動特性に基づいて、切削加工の加工条件を決定して主軸装置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。例えば、主軸制御部１０２は、回転工具６の固有振動数（共振周波数）を避けるように回転工具６の回転速度（主軸４ａの回転速度）を決定して主軸装置４の動作を制御する。
【００３２】
（５．回転工具の工具ねじれ動特性の計測方法）
回転工具６の工具ねじれ動特性の計測方法について図３のフローチャートを参照して説明する。まず、制御装置１０は、回転工具６を回転させ、回転工具６を移動させて回転工具６の中心軸線Ｃｔと治具Ｗの穴部Ｗｈの中心軸線Ｃｗを一致させる（図３のステップＳ１）。そして、回転工具６を穴部Ｗｈ内に入り込む中心軸線Ｃｔ方向に移動させて穴部Ｗｈを加工する（図６のステップＳ２）。
【００３３】
工具ねじれ動特性計測装置９は、回転式動力計１２で測定される穴部Ｗｈを加工する回転工具６に作用する切削抵抗値の経時変化をタイムスタンプとともに記憶する（第一切削抵抗計測工程、第二切削抵抗計測工程）。同時に、撮像装置１１で撮像される穴部Ｗｈを加工する回転工具６の工具先端面６ｂの連続被写像に基づいて、回転工具６の所定時間毎のねじれ変位量を算出してタイムスタンプとともに記憶する（図３のステップＳ３、第一変位量算出工程、第二変位量算出工程）。そして、工具ねじれ動特性計測装置９は、記憶した切削抵抗値及びねじれ変位量に基づいて加工中及び非加工中の各工具ねじれ動特性を算出し（図３のステップＳ４、第一動特性算出工程、第二動特性算出工程）、全ての処理を終了する。穴部Ｗｈを加工しているときの回転工具６の刃部６ｔは、凸領域Ｗｂにおける接触状態と空転領域Ｗｓにおける非接触状態とを周期的に繰り返すことになる。すなわち、工具ねじれ方向への加振を周期的に繰り返すことになるので、複数の工具ねじれ動特性を算出して平均値を求めることができる。
【００３４】
（６．その他）
上述の実施形態では、回転工具６に作用する切削抵抗値を回転式動力計１２で測定する構成としたが、荷重センサ、変位センサ等の切削抵抗検出センサで測定する構成としてもよい。また、回転工具６の工具先端面６ｂには、撮像装置１１で撮像される識別子６ｍを付したが、メッシュや微細構造のもの（例えば、生物の羽）を付したり、砥粒を吹き付けるようにしてもよい。また、回転工具６のねじれ変位量を撮像装置１１で撮像して求める構成としたが、レーザ変位計や渦電流計等の非接触式センサを用いて求める構成としてもよい。また、回転工具６の軸方向に沿って複数のセンサを取り付けることにより、加工中の振動モードを測定できる。
【００３５】
また、上述の実施形態では、治具Ｗは、穴部Ｗｈの内周Ｗａにおいて１８０度隔てて設けられる２つの凸領域Ｗｂを有する構成としたが、図９に示すように、穴部Ｗｈの内周Ｗａにおいて１８０度隔てて設けられる２つの凸部Ｗｃ（凸領域）を有する構成としてもよい。この凸部Ｗｃ（凸領域）は、穴部Ｗｈの内周Ｗａにおいて９０度にわたって凸となる凸領域Ｗｂと異なり、穴部Ｗｈの内周Ｗａにおいて数度分だけ凸となる。
【００３６】
また、上述の実施形態では、回転工具６は、工具先端外周６ａにおいて１８０度隔てて取り付けられる２つの刃部６ｔを有する構成としたが、図１０に示すように、工具先端外周６ａにおいて９０度隔てて取り付けられる４つの刃部６ｔを有する構成としてもよい。図１０に示す回転工具６は、図９に示す治具Ｗの２つの凸部Ｗｃを加工する際に適した形状である。
【符号の説明】
【００３７】
４ａ：主軸、  ６：回転工具、  ６ｔ：刃部、  ６ｍ：識別子、  ９：工具ねじれ動特性計測装置、  ９１：切削抵抗値記憶部、  ９２：工具変位量算出部、  ９３：工具変位量記憶部、  ９４：動特性演算部、  Ｗ：治具、  Ｗｈ：穴部、  Ｗａ:穴部の内周、  Ｗｂ：凸領域、  Ｗｃ：凸部（凸領域）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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