(57)【要約】【課題】再生びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数を、煩雑な前作業を行うことなく算出することができる装置等を提供する。【解決手段】切削加工時の工具に起因した振動データを取得する振動データ取得部３０と、取得された振動データを解析して、工具の振動周波数を算出する振動周波数算出部２２と、算出された工具の振動周波数を、主軸の回転数と比較して、再生びびり振動が生じているかどうかを検出する再生びびり検出部２３と、再生びびり振動の発生が検出された場合に、主軸の回転数を徐々に減少、又は増加させる主軸回転制御部２４と、工具の振動周波数の変動状態を監視し、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたときの主軸回転数を安定回転数とする安定回転数算出部２５とを備える。【選択図】図２
2015217500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械を用いた切削加工時の再生びびり振動を抑制可能な、主軸の安定回転数を算出する方法であって、
切削加工時の工具に起因した振動データを取得し、解析して、該工具の振動周波数を算出する振動周波数算出工程と、
前記振動周波数算出工程において算出される前記工具の振動周波数を、主軸の回転数と比較して、前記工具に再生びびり振動が生じているかどうかを検出する再生びびり検出工程と、
前記再生びびり検出工程において、再生びびり振動の発生が検出された場合に、前記主軸の回転数を徐々に減少、又は増加させる回転数変更工程と、
前記振動周波数算出工程において算出される前記工具の振動周波数の変動状態を監視し、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたときの主軸回転数を安定回転数とする安定回転数算出工程とを含むことを特徴とする、びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数の算出方法。
【請求項２】
前記安定回転数算出工程では、更に、前記回転数変更工程で主軸回転数を徐々に減少させる場合には、前記振動周波数の変動が前記基準値を超える直前の振動周波数、又は前記回転数変更工程で主軸回転数を徐々に増加させる場合には、前記振動周波数の変動が前記基準値を超えた直後の振動周波数をｆ［Ｈｚ］、そのときの主軸回転数をｎ［ｍｉｎ−１］、前記工具の刃数をＮ、正の整数をｉｂとして、該整数ｉｂを次式によって近似し、ついで、算出された整数ｉｂ以下となる正の整数ｉを用いて、次式により安定回転数ｎｉを算出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の、びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数の算出方法。
ｉｂ＝（ｆ×６０）／（ｎ×Ｎ）
ｎｉ＝（ｆ×６０）／（Ｎ×ｉ）
【請求項３】
工作機械を用いた切削加工時の再生びびり振動を抑制可能な、主軸の安定回転数を作業者に報知する方法であって、
前記請求項１又は２に記載した各工程を含み、更に、
前記安定回転数算出工程で算出された安定回転数を作業者に報知する報知工程を含むことを特徴とする、びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数の報知方法。
【請求項４】
工作機械を用いた切削加工時に、主軸の回転数を、工具の再生びびり振動を抑制可能な安定した回転数に制御する方法であって、
前記請求項１又は２又は３に記載した各工程を含み、更に、
前記切削加工時の主軸回転数を、前記安定回転数算出工程で算出された安定回転数に修正する回転数修正工程を含むことを特徴とする、工作機械の主軸回転数制御方法。
【請求項５】
前記回転数修正工程では、前記安定回転数算出工程で算出された安定回転数が複数存在する場合に、前記切削加工時の主軸回転数を、最も高い安定回転数に修正するようにしたことを特徴とする、請求項４記載の工作機械の主軸回転数制御方法。
【請求項６】
前記回転数修正工程では、前記安定回転数算出工程で算出された安定回転数が複数存在する場合に、前記再生びびり検出工程における検出結果を参照しながら、前記切削加工時の主軸回転数を、順次高い安定回転数に修正するようにしたことを特徴とする、請求項４記載の工作機械の主軸回転数制御方法。
【請求項７】
ＮＣプログラムを用いた数値制御工作機械の切削加工において、ＮＣプログラム中に設定された主軸の回転数を、工具の再生びびり振動を抑制可能な安定した回転数に修正する方法であって、
前記請求項１又は２に記載した各工程を含み、更に、
前記ＮＣプログラム中に設定された主軸の回転数を、前記安定回転数算出工程で算出された安定回転数に変更するＮＣプログラム編集工程を含むことを特徴とする、ＮＣプログラム編集方法。
【請求項８】
工作機械を用いた切削加工時の再生びびり振動を抑制可能な、主軸の安定回転数を算出する装置であって、
切削加工時の工具に起因した振動データを取得する振動データ取得部と、
前記振動データ取得部により取得された振動データを解析して、前記工具の振動周波数を算出する振動周波数算出部と、
前記振動周波数算出部において算出される前記工具の振動周波数を、主軸の回転数と比較して、前記工具に再生びびり振動が生じているかどうかを検出する再生びびり検出部と、
前記再生びびり検出部において、再生びびり振動の発生が検出された場合に、前記主軸の回転数を徐々に減少、又は増加させる主軸回転制御部と、
前記振動周波数算出部において算出される前記工具の振動周波数の変動状態を監視し、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたときの主軸回転数を安定回転数とする安定回転数算出部とを備えて構成されることを特徴とする、びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数の算出装置。
【請求項９】
前記安定回転数算出部は、更に、前記主軸回転制御部が主軸回転数を徐々に減少させる場合には、前記振動周波数の変動が前記基準値を超える直前の振動周波数、又は前記主軸回転制御部が主軸回転数を徐々に増加させる場合には、前記振動周波数の変動が前記基準値を超えた直後の振動周波数をｆ［Ｈｚ］、そのときの主軸回転数をｎ［ｍｉｎ−１］、前記工具の刃数をＮ、正の整数をｉｂとして、該整数ｉｂを次式によって近似し、ついで、算出された整数ｉｂ以下となる正の整数ｉを用いて、次式により安定回転数ｎｉを算出するように構成されていることを特徴とする請求項８記載の、びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数の算出装置。
ｉｂ＝（ｆ×６０）／（ｎ×Ｎ）
ｎｉ＝（ｆ×６０）／（Ｎ×ｉ）
【請求項１０】
更に、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数を作業者に報知する報知部を備えていることを特徴とする請求項８又は９記載の、びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数の算出装置。
【請求項１１】
工作機械を用いた切削加工時に、主軸の回転数を、工具の再生びびり振動を抑制可能な安定した回転数に制御する装置であって、
前記請求項８又は９又は１０に記載した各部を備え、
前記主軸回転制御部は、更に、前記切削加工時の主軸回転数を、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数に修正するように構成されていることを特徴とする、工作機械の主軸回転数制御装置。
【請求項１２】
前記主軸回転制御部は、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数が複数存在する場合に、前記切削加工時の主軸回転数を、最も高い安定回転数に修正するように構成されていることを特徴とする、請求項１１記載の工作機械の主軸回転数制御装置。
【請求項１３】
前記主軸回転制御部は、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数が複数存在する場合に、前記再生びびり検出部における検出結果を参照しながら、前記切削加工時の主軸回転数を、順次高い安定回転数に修正するように構成されていることを特徴とする、請求項１１記載の工作機械の主軸回転数制御装置。
【請求項１４】
ＮＣプログラムを用いた数値制御工作機械の切削加工において、ＮＣプログラム中に設定された主軸の回転数を、工具の再生びびり振動を抑制可能な安定した回転数に修正する装置であって、
前記請求項８又は９に記載した各部を備え、更に、
前記ＮＣプログラム中に設定された主軸の回転数を、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数に修正するＮＣプログラム編集部を備えていることを特徴とする、ＮＣプログラム編集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械を用いた切削加工時の再生びびり振動を抑制可能な主軸回転数の算出方法、その報知方法、主軸回転数制御方法及びＮＣプログラム編集方法、並びにこれらの方法を実施するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械を用いてワークを加工する際に、びびり振動によって加工精度（特に表面精度）が悪化することは旧来より良く知られている。このようなびびり振動は、強制びびり振動と自励びびり振動に大別され、強制びびり振動は過大な外力が作用すること、或いは外力の周波数と振動系の共振周波数が同期することによって発生すると考えられている。一方、自励びびり振動には、再生型のびびり振動（再生びびり振動）とモードカップリング型のびびり振動があり、再生びびり振動は、切削抵抗の周期的変動と切り取り厚さの周期的変動の相互作用が互いに強め合う切削を継続すること（所謂再生効果）によって引き起こされると考えられており、モードカップリング型のびびり振動は、２方向の振動モードが近い共振周波数を有する場合に、それらが連成して生じるものと考えられている。
【０００３】
そして、従来、前記びびり振動の内、再生びびり振動を抑制する方法として、図４（ａ）に示すような安定限界線図（主軸回転数に対する安定限界切削幅＝切り込み深さ、を示した線図）を求め、主軸回転数が安定領域に位置するように、これを調整するといった手法が提案されており、更に、この手法を改良した加工データ修正方法が下記特許文献１に開示されている。
【０００４】
同図４（ａ）に示すように、安定限界線図には、切り込み深さを深くしても再生びびり振動が生じない安定ポケットと呼ばれる領域が複数存在し（例えば、「安定ポケット１」、「安定ポケット２」、「安定ポケット３」）、この安定ポケットの周辺の主軸回転数が安定回転数とされる。そして、最も回転数の高い「安定ポケット１」の主軸回転数ｎ１［ｍｉｎ−１］は、工具の固有振動数をｆｒ［Ｈｚ］、工具の刃数をＮとすると、ｎ１＝ｆｒ×６０／Ｎで表わされ、「安定ポケット２」の主軸回転数ｎ２は、ｎ２＝ｆｒ×６０／（Ｎ×２）で表わされ、「安定ポケット３」の主軸回転数ｎ３は、ｎ３＝ｆｒ×６０／（Ｎ×３）で表わされるというように、ｍ番目の「安定ポケットｍ」の主軸回転数ｎｍは、ｎｍ＝ｆｒ×６０／（Ｎ×ｍ）（ｍは正の整数）で表わされる。また、安定ポケットは、主軸回転数が高いほど、安定領域の幅が広い。
【０００５】
前記安定限界線図を求める基本的な手法については、下記非特許文献１及び非特許文献２に詳しく説明されているが、これら非特許文献１及び２によれば、安定限界切削幅ａｌｉｍは、下式によって算出される。
ａｌｉｍ＝−１／（２Ｋｆ×Ｇ（ωｃ））
尚、式中のＫｆは比切削抵抗［Ｎ／ｍｍ２］であり、Ｇ（ωｃ）は、機械構造のコンプライアンス伝達関数（力入力に対する振動変位出力の比）の実部であり、ωｃは角周波数である。
【０００６】
そして、比切削抵抗Ｋｆは、厚さが１ｍｍ、且つ断面積が１ｍｍ２である切りくずを生じるようにワークを切削したときの切削方向の力であり、例えば、上記特許文献１に開示されるように、使用する工具により適宜ワークを試し切削して、そのときに主軸モータに流れる電流値から算出することができる。
【０００７】
また、コンプライアンス伝達関数の実部Ｇ（ωｃ）は、同特許文献１にもその概略が開示されるように、工作機械の主軸に装着した工具の先端に、振動検出器（加速度センサ）を取り付け、ついで、打撃部に力センサ（ロードセル）を装着したインパクトハンマーで工具の先端部を打撃して得られる、加速度センサの出力信号（工具の自由振動に係る信号）、及び力センサの出力信号（打撃力に係る信号）を、専用の処理装置によって処理することによって得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−４３２４０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】社本英二、「切削加工におけるびびり振動の発生機構と抑制」、電気製鋼、第８２巻２号、２０１１年
【非特許文献２】鈴木教和、「切削加工におけるびびり振動（前編）」、精密工学会誌Ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．３、２０１０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、上述したように、従来の再生びびり振動を抑制する方法では、安定限界線図を求めるために、比切削抵抗Ｋｆを得るための試加工や、コンプライアンス伝達関数の実部Ｇ（ωｃ）を得るためのインパクトハンマーを用いた打撃テストといった前作業を行う必要があり、更に、前記比切削抵抗Ｋｆ及びコンプライアンス伝達関数の実部Ｇ（ωｃ）は、工具及び工作機械の固有値であるため、用いる工具及び工作機械に応じて、それぞれ前述の前作業を行う必要があり、その作業が煩わしく、極めて面倒であるという問題があった。
【００１１】
また、インパクトハンマーを用いた打撃テストは、人が行うものであるため、人為的なバラツキを生じ易く、また、適切なデータを得るためには、打撃自体に技能を要するという技術面における問題もある。
【００１２】
更に、インパクトハンマーの打撃部に取り付けるハンマーチップについては、測定したい振動周波数の周期（周波数の逆数）を計算し、ハンマーの接触時間が、その周期の０．３倍〜１倍程度の範囲に入るように、試行錯誤によってハンマーチップを選定しなければならないとされており、この面においても煩わしさがある。
【００１３】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、再生びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数を、煩雑な前作業を行うことなく算出することができる方法及びその装置等の提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するための本発明は、
工作機械を用いた切削加工時の再生びびり振動を抑制可能な、主軸の安定回転数を算出する方法であって、
切削加工時の工具に起因した振動データを取得し、解析して、該工具の振動周波数を算出する振動周波数算出工程と、
前記振動周波数算出工程において算出される前記工具の振動周波数を、主軸の回転数と比較して、前記工具に再生びびり振動が生じているかどうかを検出する再生びびり検出工程と、
前記再生びびり検出工程において、再生びびり振動の発生が検出された場合に、前記主軸の回転数を徐々に減少、又は増加させる回転数変更工程と、
前記振動周波数算出工程において算出される前記工具の振動周波数の変動状態を監視し、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたときの主軸回転数を安定回転数とする安定回転数算出工程とを含む、びびり振動を抑制可能な主軸安定回転数の算出方法に係る。
【００１５】
そして、この方法は、以下の構成を備えた主軸安定回転数の算出装置によって、好適に実施することができる。即ち、この主軸安定回転数の算出装置は、
切削加工時の工具に起因した振動データを取得する振動データ取得部と、
前記振動データ取得部により取得された振動データを解析して、前記工具の振動周波数を算出する振動周波数算出部と、
前記振動周波数算出部において算出される前記工具の振動周波数を、主軸の回転数と比較して、前記工具に再生びびり振動が生じているかどうかを検出する再生びびり検出部と、
前記再生びびり検出部において、再生びびり振動の発生が検出された場合に、前記主軸の回転数を徐々に減少、又は増加させる主軸回転制御部と、
前記振動周波数算出部において算出される前記工具の振動周波数の変動状態を監視し、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたときの主軸回転数を安定回転数とする安定回転数算出部とを備えて構成される。
【００１６】
この算出装置によれば、まず、前記振動データ取得部において、切削加工時の工具に起因した振動データが取得されるとともに、取得された振動データが振動周波数算出部によって解析されて、工具の振動周波数が算出され、算出された振動周波数が前記再生びびり検出部に送信される（振動周波数算出工程）。
【００１７】
再生びびり検出部では、前記振動周波数算出部により算出された工具の振動周波数と、そのときの主軸の回転数とが比較され、工具の振動周波数が、主軸回転数に工具の刃数を乗じたものに相当する周波数と異なる周波数であるときに、工具に再生びびり振動が生じていると判定される（再生びびり検出工程）。尚、前記振動データの取得、及び振動周波数の算出、並びに再生びびりの検出は、切削加工中、所定間隔で連続的に実行される。
【００１８】
そして、前記再生びびり検出部において、再生びびり振動の発生が検出されると、前記主軸回転制御部により、主軸回転数が徐々に減少、又は増加されるとともに（回転数変更工程）、前記安定回転数算出部によって、前記振動周波数算出部で算出される工具の振動周波数の変動状態が監視され、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたとき、そのときの主軸回転数が安定回転数として決定される（安定回転数算出工程）。尚、振動周波数の変動は、前記振動周波数算出部から逐次送信される振動周波数の差分を算出することによって把握することができる。
【００１９】
図４（ｂ）は、主軸の回転数と再生びびり振動の周波数との関係を示した線図であるが、主軸回転数に対応する再生びびり振動の周波数の曲線は、或る複数の主軸回転数で分断され、各曲線はそれぞれ異なった変動状態を示す。即ち、再生びびり振動が発生したときに、主軸回転数を、例えば徐々に減少させながら、前記振動周波数算出部で算出される工具の振動周波数の変動状態を監視すると、振動周波数が急に高くなる、即ち、振動周波数の変動が極端に大きくなる、言い換えれば、所定の基準値を超えるところを生じる。例えば、図４（ｂ）において、主軸回転数を５０００［ｍｉｎ−１］から徐々に減少させると、振動周波数は、曲線Ａに沿って徐々に減少し、主軸回転数が４６００［ｍｉｎ−１］付近のとき、約１４７［Ｈｚ］から急激に上昇して約１７７［Ｈｚ］となり、その後、曲線Ｂに沿って徐々に減少する。
【００２０】
この変動が所定基準値を超えるときの主軸回転数は、図４（ａ）及び（ｂ）を参照することによって分かるように、安定ポケットに対応した回転数であり、振動周波数の変動が所定基準値を超えるときの主軸回転数を安定回転数として決定することができる。尚、振動周波数の変動が所定基準値を超える主軸回転数の確認は、当該主軸回転数を徐々に増加させることによっても確認することができる。そこで、本発明では、再生びびり検出部において、再生びびり振動の発生が検出された場合、主軸回転制御部により、主軸回転数を徐々に減少、又は増加させるようにしている。また、前記所定基準値は、振動周波数の変動の特異点を検出するためのものであり、この特異点を検出することができるように、適宜予め設定される。
【００２１】
このように、本発明によれば、切削加工中に再生びびり振動が生じるかどうかを監視し、再生びびり振動が生じた場合には、主軸回転数を徐々に減少、又は増加させながら工具の振動周波数の変動状態を監視することで、主軸の安定回転数を決定することができるので、従来のような、煩わしく、不安定な前作業を要することなく、自動的にしかも正確に、主軸の安定回転数を求めることができる。
【００２２】
本発明において、前記安定回転数算出部で実行される安定回転数算出工程では、更に、前記主軸回転制御部が主軸回転数を徐々に減少させる場合には、前記振動周波数の変動が前記基準値を超える直前の振動周波数、又は前記主軸回転制御部が主軸回転数を徐々に増加させる場合には、前記振動周波数の変動が前記基準値を超えた直後の振動周波数をｆ［Ｈｚ］、そのときの主軸回転数をｎ［ｍｉｎ−１］、前記工具の刃数をＮ、正の整数をｉｂとして、該整数ｉｂを次式数式１によって近似し、ついで、算出された整数ｉｂ以下となる正の整数ｉを用いて、次式数式２により安定回転数ｎｉを算出する態様を採ることができる。
（数式１）
ｉｂ＝（ｆ×６０）／（ｎ×Ｎ）
（数式２）
ｎｉ＝（ｆ×６０）／（Ｎ×ｉ）
【００２３】
図４（ｂ）から分かるように、前記振動周波数ｆは、工具の共振周波数（固有振動数ｆｒ）に近い値である。したがって、（（ｆ×６０）／Ｎ）は、安定ポケット１の主軸回転数を示し、これをそのときの主軸回転数ｎで除して得られる前記整数ｉｂは、当該主軸回転数ｎが何番目の安定ポケットに相当するものであるかを示す指標となる。仮に、ｉｂが整数「４」に近似されるとすると、当該主軸回転数ｎは、「安定ポケット４」に対応する主軸回転数とみなされる。そして、この「４」以下の整数である「３」を数式２のｉに充当して得られる主軸回転数ｎ３は「安定ポケット３」に対応する主軸回転数となり、「２」をｉに充当して得られる主軸回転数ｎ２は「安定ポケット２」に対応する主軸回転数、「１」をｉに充当して得られる主軸回転数ｎ１は「安定ポケット１」に対応する主軸回転数となる。このように、上記数式１及び数式２によって、主軸の安定回転数ｎｉを算出することができる。
【００２４】
また、本発明においては、上記構成に加えて報知部を設け、この報知部により、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数を作業者に報知する工程（報知工程）を実施するようにしても良い。このようにすれば、作業者は、再生びびり振動が生じた場合に、これを解消することができる安定した主軸回転数を容易に取得し、また、認識することができる。尚、報知の態様としては、安定回転数をディスプレイに画面表示する、或いは、スピーカを通じて音声によって出力するといった態様を挙げることができる。
【００２５】
また、本発明において、前記主軸回転制御部は、更に、前記切削加工時の主軸回転数を、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数に修正する回転数修正工程を実施するように構成されていても良い。このように構成すれば、切削加工中に再生びびり振動が生じても、作業者が何ら措置を講じることなく、自動的にこれを解消することができ、安定した加工を実現することができる。また、再生びびり振動によってワークが不良品となるのを防止することができる。
【００２６】
また、本発明において、前記主軸回転制御部は、算出された安定回転数が複数存在する場合に、前記回転数修正工程において、前記切削加工時の主軸回転数を、最も高い安定回転数に修正する、或いは、前記再生びびり検出工程における検出結果を参照しながら、前記切削加工時の主軸回転数を、順次高い安定回転数に修正するように構成されていても良い。このようにすれば、加工効率を低下させることなく、再生びびり振動を解消することができる。
【００２７】
また、本発明においては、更に、前記ＮＣプログラム中に設定された主軸の回転数を、前記安定回転数算出部で算出された安定回転数に修正するＮＣプログラム編集部（ＮＣプログラム修正工程）を備えた態様を採ることができる。この構成によれば、ＮＣプログラム中に設定された主軸回転数が再生びびり振動を生起させる回転数である場合に、ＮＣプログラム編集部によって当該主軸回転数が安定回転数に自動的に修正されるので、作業者等の手を煩わせることなく、再生びびり振動を生じない適切なＮＣプログラムを自動的に得ることができ、また、ＮＣプログラムの修正忘れを未然に防止することができるので、次回以降に、当該ＮＣプログラムを用いた加工を行う場合に、確実に安定した加工を実現することができる。
【００２８】
尚、前記安定回転数算出部（安定回転数算出工程）において、複数の安定回転数が算出される場合には、ＮＣプログラム編集部（ＮＣプログラム修正工程）では、これらの内の最も高い安定回転数、或いは、任意に一の安定回転数を選択して、ＮＣプログラム中の主軸回転数を修正するようにすることができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明によれば、切削加工中に再生びびり振動が生じるかどうかを監視し、再生びびり振動が生じた場合には、主軸回転数を徐々に減少、又は増加させながら工具の振動周波数の変動状態を監視することで、主軸の安定回転数を決定することができるので、従来のような、煩わしく、不安定な前作業を要することなく、自動的にしかも正確に、主軸の安定回転数を求めることができる。
【００３０】
また、報知部を設けて、この報知部により安定回転数を作業者に報知するようにすれば、作業者は、再生びびり振動が生じた場合に、これを解消することができる安定した主軸回転数を容易に取得し、また、認識することができる。
【００３１】
また、主軸回転制御部により、切削加工時の主軸回転数を、安定回転数算出部で算出された安定回転数に修正するように構成すれば、切削加工中に再生びびり振動が生じても、作業者が何ら措置を講じることなく、自動的にこれを解消することができ、安定した加工を実現することができる。
【００３２】
また、ＮＣプログラム編集部を設けて、ＮＣプログラム中に設定された主軸の回転数を、安定回転数算出部で算出された安定回転数に修正するようにすれば、ＮＣプログラム中に設定された主軸回転数が再生びびり振動を生起させる回転数である場合に、この主軸回転数を自動的に安定回転数に修正することができ、作業者等の手を煩わせることなく、再生びびり振動を生じない適切なＮＣプログラムを自動的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＮＣ工作機械及び主軸回転数制御装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る主軸回転数制御装置の概略構成を示したブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＮＣプログラム編集装置の概略構成を示したブロック図である。
【図４】主軸の安定回転数について説明するための説明図であり、（ａ）は、主軸回転数に対する安定限界切削幅を示した安定限界線図であり、（ｂ）は、主軸回転数と再生びびり振動周波数との関係を示した線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る主軸回転数制御装置、及びこの主軸回転数制御装置が付設されるＮＣ工作機械の概略構成を示した説明図であり、図２は、主軸回転数制御装置の構成を示したブロック図である。
【００３６】
まず、ＮＣ工作機械１の概略について説明する。このＮＣ工作機械１は、ベッド２と、ベッド２上に立設されたコラム３と、コラム３の前面（加工領域側の面）に矢示Ｚ軸方向に移動自在に設けられた主軸頭４と、軸中心に回転自在に前記主軸頭４に保持された主軸５と、前記主軸頭４より下方の前記ベッド２上に矢示Ｙ軸方向に移動自在に設けられたサドル６と、サドル６上に矢示Ｘ軸方向に移動自在に配設されたテーブル７と、前記主軸頭４、サドル６及びテーブル７を前記各軸方向に移動させる送り機構（図示せず）と、前記主軸５を回転させる主軸モータ（図示せず）と、前記送り機構（図示せず）及び主軸モータ（図示せず）などを数値制御するＮＣ装置１０とを備えている。尚、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、相互に直交する軸である。
【００３７】
斯くして、このＮＣ工作機械１では、ＮＣ装置１０による制御の下で、前記送り機構（図示せず）及び主軸モータ（図示せず）が駆動されて、主軸５がその軸中心に回転するとともに、当該主軸５とテーブル７とが３次元空間内で相対的に移動する。そして、例えば、ＮＣ装置１０が、内蔵されるＮＣプログラムに従って、前記送り機構（図示せず）及び主軸モータ（図示せず）を駆動することで、テーブル７上に載置，固定されたワークＷが、主軸５に装着された工具Ｔによって、適宜加工される。
【００３８】
次に、本例の主軸回転数制御装置２０について説明する。本例の主軸回転数制御装置２０は、図１及び図２に示すように、演算部２１、前記主軸５の外周面に装着された加速度センサ３０、及び前記演算部２１に接続された報知装置３５から構成される。
【００３９】
前記加速度センサ３０は、主軸５の加速度、言い換えれば、主軸５に装着された工具Ｔから伝達される加速度（即ち、振動）を検出するものである。回転する工具Ｔによって前記ワークＷを切削加工すると、その切削抵抗によって工具Ｔに振動が生じるが、加速度センサ３０は、この工具Ｔから主軸５に伝わる振動（工具Ｔに起因した振動）を検出して、当該振動に応じた信号を出力する。
【００４０】
前記報知装置３５は、画面表示するディスプレイからなり、安定回転数に係る画面表示を行う。
【００４１】
前記演算部２１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどのハードウエア、並びにＲＯＭやＲＡＭなどの適宜記憶部に格納されたソフトウエアなどから構成され、このソフトウエアが実行されることによって、振動周波数算出部２２、再生びびり検出部２３、安定回転数算出部２５、主軸回転制御部２４及び報知制御部２６の各機能部として機能する。
【００４２】
前記振動周波数算出部２２は、工具Ｔを用いたワークＷの切削加工中に、前記加速度センサ３０からの出力信号を入力し、これをフーリエ解析して、最も多い周波数成分を工具Ｔの振動周波数として、前記再生びびり検出部２３及び前記安定回転数算出部２５に送信する。尚、この振動周波数算出処理は、切削加工中、所定のサンプリング間隔で連続的に行われる。
【００４３】
前記再生びびり検出部２３は、前記振動周波数算出部２２によって算出された工具Ｔの振動周波数を当該振動周波数算出部２２から受信するとともに、そのときの前記主軸５の回転数を前記ＮＣ装置１０から受信して、当該工具Ｔの振動周波数と、主軸５の回転数（以下、主軸回転数という）とを比較し、当該工具Ｔに再生びびり振動が生じているかどうかの判定処理を行う。より具体的には、再生びびり検出部２３は、工具Ｔの振動周波数と、主軸回転数に工具Ｔの刃数を乗じたものに相当する周波数（主軸回転周波数）に所定のマージンを加味した周波数帯域（主軸回転周波数帯域）とを比較し、工具Ｔの振動周波数が主軸回転周波数帯域外の周波数であるとき、工具Ｔに再生びびり振動が生じていると判定して、再生びびり検出信号を前記主軸回転制御部２４及び前記安定回転数算出部２５に送信する。主軸回転数に工具Ｔの刃数を乗じることによって得られる周波数は、工具Ｔの刃がワークＷに接触することによって生じる振動周波数であるから、正常な振動周波数であり、一方、これ以外の振動周波数は、正常な振動周波数ではない、即ち、再生びびり振動に係る振動周波数と見做し得るからである。
【００４４】
前記主軸回転制御部２４は、前記再生びびり検出部２３から再生びびり検出信号を受信したとき、前記ＮＣ装置１０に対して、主軸回転数を徐々に減少させるための信号を送信する。主軸回転数を徐々に減少させるための信号は、特別な信号であっても良いが、現在の指令に従った主軸回転数を調整するためのオーバライド信号とするのが好ましい。通常の一般的なＮＣ装置１０には、オーバライド機能が備えられており、このオーバライド機能によって、主軸回転数を減少させるようにすれば、ＮＣ装置１０側の改良が不要であり、装置コストを抑えることができる。尚、このオーバライド信号によって主軸回転数を減少させる場合、主軸回転制御部２４は、所定の時間間隔で、９９％、９８％、９７％というように、徐々に減少させたオーバライド値（パーセント）をＮＣ装置１０に送信する。これにより、ＮＣ装置１０による制御の下で主軸回転数が徐々に減少される。
【００４５】
また、前記主軸回転制御部２４は、詳しくは後述する前記安定回転数算出部２５によって算出された安定回転数ｎｉに係るデータを受信すると、上述の主軸回転数を徐々に減少させる処理を中止して、切削中の主軸回転数を受信した安定回転数ｎｉに修正すべく、前記ＮＣ装置１０に修正信号を送信して、前記主軸５の回転数を修正する。尚、修正信号としては、修正回転数に係るデータを含む特別な信号としても良いが、上記と同様に、ＮＣプログラムで設定された主軸回転数を修正回転数に調整するオーバライド信号とするのが好ましい。このようにすれば、ＮＣ装置１０側の改良が不要であり、装置コストを抑えることができる。また、受信した安定回転数ｎｉに係るデータが複数ある場合には、その中の最も高い回転数となるように修正する。
【００４６】
前記安定回転数算出部２５は、前記再生びびり検出部２３から再生びびり検出信号を受信した後、処理を開始して、前記振動周波数算出部２２から送信される工具Ｔの振動周波数の変動状態を監視し、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたとき、その直前の振動周波数ｆ［Ｈｚ］と、そのときの主軸回転数ｎ［ｍｉｎ−１］を基に、次式数式１及び数式２に従って、候補となる安定回転数ｎｉ［ｍｉｎ−１］を算出して、算出した安定回転数ｎｉに係るデータを前記主軸回転制御部２４及び報知制御部２６に送信する処理を行う。尚、振動周波数の変動は、前記振動周波数算出部２２から逐次送信される振動周波数の差分をとることによって算出することができる。また、主軸回転数ｎは、前記主軸回転制御部２４を介して、ＮＣ装置１０から受信する。
（数式１）
ｉｂ＝（ｆ×６０）／（ｎ×Ｎ）
（数式２）
ｎｉ＝（ｆ×６０）／（Ｎ×ｉ）
但し、Ｎは工具Ｔの刃数、ｉｂは正の整数、ｉはｉｂ以下の正の整数である。
【００４７】
図４を用いて既述した通り、主軸回転数ｎと再生びびり振動の周波数との対応曲線は、図４（ｂ）に示すように、或る複数の主軸回転数ｎで分断され、各曲線はそれぞれ異なった変動状態を示す。即ち、再生びびり振動が発生したときに、主軸回転数ｎを、例えば徐々に減少させながら、工具Ｔの振動周波数の変動状態を監視すると、振動周波数が急に高くなる、即ち、振動周波数の変動が極端に大きくなり、所定の基準値を超えるところを生じる。
【００４８】
例えば、同図４（ｂ）において、主軸回転数ｎを５０００［ｍｉｎ−１］から徐々に減少させると、振動周波数は、曲線Ａに沿って徐々に減少し、主軸回転数ｎが４６００［ｍｉｎ−１］付近のとき、約１４７［Ｈｚ］から急激に上昇して約１７７［Ｈｚ］となり、その後、曲線Ｂに沿って徐々に減少する。この変動が所定基準値を超えるときの主軸回転数ｎは、図４（ａ）及び（ｂ）を参照することによって分かるように、安定ポケットに対応した回転数であり、振動周波数の変動が所定基準値を超えるときの主軸回転数は、安定回転数である。尚、この所定の基準値は、振動周波数の変動の特異点を検出するためのものであり、この特異点を検出することができるように、適宜予め設定される。
【００４９】
また、図４（ｂ）から分かるように、前記変動が所定基準値を超える直前の前記振動周波数ｆは、工具Ｔの共振周波数（固有振動数ｆｒ）に近い値である。したがって、上記数式１における（（ｆ×６０）／Ｎ）は、（（ｆｒ×６０）／Ｎ）と見做すことができるものであり、安定ポケット１の主軸回転数に相当するものである。よって、これをそのときの主軸回転数ｎで除して近似される前記整数ｉｂは、当該主軸回転数ｎが何番目の安定ポケットに相当するものであるかを示す指標となる。
【００５０】
例えば、主軸回転数ｎが１４００［ｍｉｎ−１］のときに、前記再生びびり検出部２３によって再生びびり振動の発生が検出されて、安定回転数算出部２５が、再生びびり検出部２３から再生びびり検出信号を受信したとすると、当該安定回転数算出部２５は、前記振動周波数算出部２２から送信される工具Ｔの振動周波数の変動状態（曲線Ｄの変動状態）を監視し、主軸回転数ｎが１１２５［ｍｉｎ−１］となった付近で、振動周波数の変動が前記所定基準値を超えると、これを検出して、所定基準値を超える直前の振動周波数ｆ＝１４７［Ｈｚ］、主軸回転数ｎ＝１１２５［ｍｉｎ−１］を基に、上記数式１によって、下記のように、安定ポケット指標である前記ｉｂを算出する。尚、工具Ｔの刃数Ｎは２とする。
ｉｂ＝１４７×６０／（１１２５×２）＝３．９２≒４
この結果から、１１２５［ｍｉｎ−１］は４番目の安定ポケットの安定回転数と見做すことができる。
【００５１】
ついで、安定回転数算出部２５は、算出されたｉｂ（＝４）以下となる正の整数を設定し、前記数式２のｉに充当して、候補となる安定回転数ｎｉ［ｍｉｎ−１］を算出する。
この例では、４番目の安定ポケットに対応する安定回転数ｎ４は、
ｎ４＝（１４７×６０）／（２×４）＝１１０３［ｍｉｎ−１］
となり、３番目の安定ポケットに対応する安定回転数ｎ３は、
ｎ３＝（１４７×６０）／（２×３）＝１４７０［ｍｉｎ−１］
となり、２番目の安定ポケットに対応する安定回転数ｎ２は、
ｎ２＝（１４７×６０）／（２×２）＝２２０５［ｍｉｎ−１］
となり、１番目の安定ポケットに対応する安定回転数ｎ１は、
ｎ１＝（１４７×６０）／（２×１）＝４４１０［ｍｉｎ−１］
となる。
【００５２】
前記安定回転数算出部２５は、このようにして候補となる安定回転数ｎｉを算出し、算出した安定回転数ｎｉに係るデータを前記主軸回転制御部２４及び報知制御部２６に送信する。尚、再生びびり振動が発生する主軸回転数ｎによっては、前記ｉｂが１となることがあり、この場合、「安定ポケット１」に相当する安定回転数ｎ１のみが算出される。
【００５３】
前記報知制御部２６は、前記報知装置３５の画面表示制御する機能部であり、前記安定回転数算出部２５によって算出された安定回転数ｎｉに係る情報を前記報知装置３５に画面表示させる。表示される画面としては、安定回転数ｎｉを表すテキスト画面が例示される。
【００５４】
以上の構成を備えた本例の主軸回転数制御装置２０によれば、前記加速度センサ３０によって工具Ｔに起因した振動が検出され、当該振動に応じた信号が前記振動周波数算出部２２に入力される。そして、振動周波数算出部２２では、少なくとも切削加工中に前記加速度センサ３０から入力される振動信号をフーリエ解析して、最も多い周波数成分を工具Ｔの振動周波数として、前記再生びびり検出部２３及び前記安定回転数算出部２５に送信する。
【００５５】
再生びびり検出部２３では、前記振動周波数算出部２２によって算出された工具Ｔの振動周波数と、そのときの前記主軸５の回転数とを比較して、工具Ｔに再生びびり振動が生じているかどうかを判定し、再生びびり振動が生じていると判定された場合には、再生びびり検出信号を前記主軸回転制御部２４及び前記安定回転数算出部２５に送信する。
【００５６】
そして、前記主軸回転制御部２４では、前記再生びびり検出部２３から再生びびり検出信号を受信すると、前記ＮＣ装置１０に対し、主軸回転数を徐々に減少させるための信号を送信して、主軸回転数を徐々に減少させる。
【００５７】
一方、前記安定回転数算出部２５では、前記主軸回転制御部２４の主軸回転数減少処理と並行して、前記振動周波数算出部２２から送信される工具Ｔの振動周波数の変動状態を監視し、振動周波数の変動が所定の基準値を超えたとき、その直前の振動周波数ｆ［Ｈｚ］と、そのときの主軸回転数ｎ［ｍｉｎ−１］を基に、上記数式１及び数式２に従って、候補となる安定回転数ｎｉ［ｍｉｎ−１］を算出し、算出した安定回転数ｎｉに係るデータを前記主軸回転制御部２４及び報知制御部２６に送信する。
【００５８】
そして、前記主軸回転制御部２４は、前記安定回転数算出部２５から安定回転数ｎｉに係るデータを受信すると、主軸回転数を徐々に減少させる処理を中止して、前記ＮＣ装置１０に修正信号を送信し、前記主軸５の回転数が安定回転数ｎｉとなるように、これを修正する。
【００５９】
また、前記報知制御部２６は、前記安定回転数算出部２５から受信した安定回転数ｎｉに係る情報を前記報知装置３５に画面表示させる。
【００６０】
斯くして、本例の主軸回転数制御装置２０によれば、切削加工中に再生びびり振動が生じるかどうかを再生びびり検出部２３によって監視し、再生びびり振動が生じた場合には、主軸回転制御部２４によって主軸回転数を徐々に減少させながら、安定回転数算出部２５により工具Ｔの振動周波数の変動状態を監視することで、主軸の安定回転数ｎｉを決定することができるので、従来のような、煩わしく、不安定な前作業を要することなく、自動的にしかも正確な主軸の安定回転数ｎｉを求めることができる。
【００６１】
また、切削加工中に再生びびり振動が生じた場合に、切削加工中の主軸回転数が、主軸回転制御部２４によって、自動的に安定回転数ｎｉに修正されるので、作業者は何ら措置を講じることなく、自動的に再生びびり振動を解消することができ、安定した加工を実現することができる。また、このようにすることで、再生びびり振動によってワークが不良品となるのを防止することができる。
【００６２】
また、前記安定回転数算出部２５で算出された安定回転数ｎｉを報知装置３５に表示するようにしているので、作業者は、再生びびり振動が生じた場合に、これを解消することができる安定した主軸回転数ｎｉを容易に認識することができ、ＮＣ装置１０内に格納されたＮＣプログラムに規定される該当の主軸回転数を、表示された安定回転数ｎｉに変更する等の対応を採ることができる。
【００６３】
また、前記主軸回転制御部２４は、安定回転数算出部２５によって算出された安定回転数ｎｉが複数存在する場合には、前記切削加工時の主軸回転数を、最も高い安定回転数ｎｉに修正するようにしているので、加工効率を低下させることなく、再生びびり振動を解消することができる。
【００６４】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るＮＣプログラム編集装置について、図３を参照しながら説明する。
【００６５】
尚、本例のＮＣプログラム編集装置４０は、本発明をＮＣプログラム編集装置として具現化したものであって、図３に示すように、その演算部４１が、ＮＣプログラム編集部４２を備えている点においてのみ、上述した主軸回転数制御装置２０の演算部２１とは、その構成が異なっており、他の構成については、上述の主軸回転数制御装置２０と同じ構成である。したがって、同一の構成部分には同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。
【００６６】
前記ＮＣプログラム編集部４２は、前記ＮＣ装置１０に接続されており、前記安定回転数算出部２５から安定回転数ｎｉに係るデータを受信すると、実行中の切削加工が終了された後、ＮＣ装置１０内に格納されたＮＣプログラム中の該当する主軸回転数を、送信された安定回転数ｎｉに変更する処理を行う。
【００６７】
変更処理の具体的な態様としては、例えば、当該ＮＣ装置１０から該当するＮＣプログラムを読み出し、当該ＮＣプログラム中の該当するＳコードを検出して、当該Ｓコード中の回転数に係る数値を、安定回転数ｎｉに係る数値に置き換えた後、前記ＮＣ装置１０内に格納される該当のＮＣプログラムに、編集後のＮＣプログラムを上書きすることで、当該編集後のＮＣプログラムを前記ＮＣ装置１０に格納する態様を挙げることができる。
【００６８】
尚、前記安定回転数算出部２５により算出された安定回転数ｎｉが複数存在する場合には、ＮＣプログラム編集部４２は、ＮＣプログラム中の該当する主軸回転数を、最も高い安定回転数ｎｉに修正する、或いは、任意に選択される一の安定回転数ｎｉに修正するようにしても良い。
【００６９】
斯くして、本例のＮＣプログラム編集装置４０によれば、ＮＣプログラム中に設定された主軸回転数が再生びびり振動を生起させる回転数である場合に、ＮＣプログラム編集部４２によって当該主軸回転数が安定回転数に自動的に修正されるので、作業者等の手を煩わせることなく、再生びびり振動を生じない適切なＮＣプログラムを自動的に得ることができ、また、ＮＣプログラムの修正忘れを未然に防止することができるので、これ以降に、当該ＮＣプログラムを用いた加工を行う場合に、確実に安定した加工を実現することができる。
【００７０】
以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明が採り得る態様は、何らこれに限定されるものではない。
【００７１】
例えば、上例において、前記主軸回転制御部２４は、再生びびり検出部２３により再生びびり振動が検出された場合に、主軸回転数を徐々に減少させるように構成されているが、これに限るものではなく、逆に、当該主軸回転制御部２４は、再生びびり振動が検出された場合に、主軸回転数を徐々に増加させるように構成されていても良い。図４（ｂ）から分かるように、振動周波数の変動が所定基準値を超える主軸回転数の確認は、当該主軸回転数を徐々に増加させることによっても確認することができる。したがって、主軸回転制御部２４を、このように構成しても、安定回転数算出部２５において、安定回転数ｎｉを算出することができる。尚、この場合、安定回転数算出部２５は、振動周波数の変動が所定の基準値を超えた直後の振動周波数を基に、上記数式１及び２に従って、候補となる安定回転数ｎｉを算出するように構成される。
【００７２】
また、前記主軸回転制御部２４は、安定回転数算出部２５において算出された安定回転数ｎｉが複数存在する場合に、前記再生びびり検出部２３における検出結果を参照しながら、前記切削加工時の主軸回転数を、順次高い安定回転数に修正するように構成されていても良い。安定回転数ｎｉは、再生びびり振動が生じない主軸回転数であるから、加工効率を考慮すると、主軸回転数を最も高い安定回転数ｎｉに修正するのが好ましいが、一足飛びに最も高い安定回転数ｎｉに修正すると、予測できない不具合を生じることがあるため、再生びびり検出部２３における検出結果を参照しながら、順次高い安定回転数に修正する方が好ましい。このようにしても、相応に、加工効率を低下させることなく、再生びびり振動を解消することができる。
【００７３】
また、前記安定回転数算出部２５において、上記数式１及び２に従って、候補となる安定回転数ｎｉを複数算出するようにしたが、これに限られるものではなく、安定回転数算出部２５は、単に、工具Ｔの振動周波数の変動が、所定の基準値を超える主軸回転数を安定回転数とするように構成されていても良い。加工効率を重視しない態様では、このような構成によっても、再生びびり振動を解消することができる。
【００７４】
また、上例では、前記報知装置３５をディスプレイから構成したが、これに限るものではなく、スピーカなどの音声出力装置から構成されていても良い。この場合、報知制御部２６は、音声出力装置を制御するように構成される。
【００７５】
また、上例では、工具Ｔに起因した振動データを、主軸５に装着した加速度センサ３０によって取得するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、ＮＣ工作機械の加工領域内において、その上方に、マイクロフォンを配設して、切削加工中の切削音をこのマイクロフォンによって集音することによって、前記振動データを取得するようにしても良い。切削音は、工具Ｔの振動によって生じるものであるから、切削音を解析することによって、工具Ｔの振動状態を検出することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１    ＮＣ工作機械
５    主軸
７    テーブル
Ｔ    工具
Ｗ    ワーク
１０  ＮＣ装置
２０  主軸回転数制御装置
２１  演算部
２２  振動周波数算出部
２３  再生びびり検出部
２４  主軸回転制御部
２５  安定回転数算出部
２６  報知制御部
３０  加速度センサ
３５  報知装置
【図１】
2015217500.tif 000003
【図２】
2015217500.tif 000004
【図３】
2015217500.tif 000005
【図４】
2015217500.tif 000006