(57)【要約】【課題】作業者がびびり振動の抑制に効果的な回転速度の変動を容易に実現することができる工作機械を提供する。【解決手段】振幅及び周期をパラメータとしていた従来と異なり、回転速度の振幅と主軸トルクとをパラメータとして主軸１の回転速度を変動させるため、変動値設定部１０において設定可能なパラメータの範囲を作業者に対し明確に示すことができる。したがって、作業者は、実現不可能な変動態様を設定したりすることなく、びびり振動の抑制に効果的な回転速度の変動を容易に実現させることができる。【選択図】図１
2012086347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具又はワークを回転させるための回転軸を備えているとともに、回転軸の回転速度を所定の振幅及び周期で変動可能な回転速度制御手段を備えてなる工作機械であって、
前記振幅又は前記周期の何れか一方と、前記回転軸の回転軸トルク又は前記回転軸を回転させるためのモータへの入力電力の何れか一方とをパラメータとし、各パラメータの値を設定可能な設定手段を備えており、
前記回転速度制御手段は、前記設定手段により設定された前記パラメータの値にもとづいて前記回転軸の回転速度を変動させることを特徴とする工作機械。
【請求項２】
前記回転速度制御手段は、設定された前記パラメータの値にもとづいて前記回転軸の回転速度を加速させる場合の角加速度の絶対値と、減速させる場合の角加速度の絶対値とを一致させながら回転速度を変動させることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
【請求項３】
表示手段を備えており、該表示手段に、各前記パラメータを夫々軸とした平面上に各前記パラメータの設定可能領域及び／又は現在値を表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。
【請求項４】
前記振幅又は前記周期の何れの一方を前記パラメータとして採用するかを選択する第１の選択手段、及び／又は、前記回転軸の回転軸トルク又は前記回転軸を回転させるためのモータへの入力電力の何れの一方を前記パラメータとして採用するかを選択する第２の選択手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の工作機械。
【請求項５】
前記設定手段により設定された前記パラメータの値を記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワーク又は工具を回転させながら加工を行う工作機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえばワークを回転させて表面を旋削加工するような工作機械においては、ワークの剛性が低い等の理由により、加工中にびびり振動が発生することがある。そして、びびり振動が発生した場合の抑制方法としては、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されているように、回転速度を変動させるための振幅、及び周期等を入力し、回転軸の回転速度を、所定の設定回転速度を基準として、入力された振幅及び周期で変動させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭４９−１０５２７７号公報
【特許文献２】実公昭６１−３５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、回転軸の回転速度を変動させようにも、入力された振幅や周期によっては実現できない場合がある。と言うのも、回転速度の振幅を設定回転速度で除した値を変動振幅Ｑとし、該変動振幅Ｑを周期Ｒで除した回転速度の変動率は、下記式（１）で表されるように、回転部のイナーシャＪ（回転軸３そのものや、チャック、被加工物等から定められる）、回転軸トルクＴ、被加工物の切削に必要な切削トルクＴｃ、及び回転速度Ｓの関数で表される。
【０００５】
【数１】
2012086347.tif 000003
【０００６】
そして、回転軸を回転させるためのモータへ許容量以上の電流を流してしまうと、モータが発熱し破損してしまうため、入力電力の上限が規定されており、それに伴い回転軸トルクが制限される。さらに、上記式（１）からも明らかなように、主軸トルクから切削トルクを減算したトルクしか回転速度の変動に作用することができない。したがって、回転速度の変動率Ｑ／Ｒを大きくするために振幅を大きく周期を小さく設定したとしても、回転軸トルクが制限値を超えなければならないことになり、結果的に実現不可能な状態となる場合が起こり得るのである。また、被加工物の形状は製品毎に異なるため、イナーシャＪは変数となる。つまり、回転速度の変動率の上限も一意に定まらず不明となることから、設定可能な振幅及び周期の範囲を明確に示すことは難しい。
したがって、振幅と周期とをパラメータとして設定することにより回転速度を変動させるといった上記従来技術によれば、作業者は、びびり振動の抑制に効果的な回転速度の変動を容易に実現することができないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、作業者がびびり振動の抑制に効果的な回転速度の変動を容易に実現することができる工作機械を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えているとともに、回転軸の回転速度を所定の振幅及び周期で変動可能な回転速度制御手段を備えてなる工作機械であって、前記振幅又は前記周期の何れか一方と、前記回転軸の回転軸トルク又は前記回転軸を回転させるためのモータへの入力電力の何れか一方とをパラメータとし、各パラメータの値を設定可能な設定手段を備えており、前記回転速度制御手段は、前記設定手段により設定された前記パラメータの値にもとづいて前記回転軸の回転速度を変動させることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記回転速度制御手段は、設定された前記パラメータの値にもとづいて前記回転軸の回転速度を加速させる場合の角加速度の絶対値と、減速させる場合の角加速度の絶対値とを一致させながら回転速度を変動させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、表示手段を備えており、該表示手段に、各前記パラメータを夫々軸とした平面上に各前記パラメータの設定可能領域及び／又は現在値を表示することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記振幅又は前記周期の何れの一方を前記パラメータとして採用するかを選択する第１の選択手段、及び／又は、前記回転軸の回転軸トルク又は前記回転軸を回転させるためのモータへの入力電力の何れの一方を前記パラメータとして採用するかを選択する第２の選択手段を備えたことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記設定手段により設定された前記パラメータの値を記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、振幅又は周期の何れか一方と、回転軸の回転軸トルク又は回転軸を回転させるためのモータへの入力電力の何れか一方とをパラメータとし、各パラメータの値を設定可能な設定手段を備えており、回転速度制御手段は、設定手段により設定されたパラメータの値にもとづいて回転軸の回転速度を変動させる。したがって、振幅及び周期をパラメータとしていた従来と異なり、少なくとも回転軸トルクや入力電力については最大値が制限されるため、設定可能なパラメータの範囲が明確であることから、作業者は、実現不可能な変動態様を設定したりすることがなく、びびり振動の抑制に効果的な回転速度の変動を容易に実現させることができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、回転速度制御手段は、設定されたパラメータの値にもとづいて回転軸の回転速度を加速させる場合の角加速度の絶対値と、減速させる場合の角加速度の絶対値とを一致させながら回転速度を変動させるため、回転速度を一定の周期で変動させることができる。
さらに、請求項３に記載の発明によれば、表示手段を備えており、該表示手段に、各パラメータを夫々軸とした平面上に各パラメータの設定可能領域及び／又は現在値を表示するため、作業者は、現在の状況や設定不可能な領域等について容易に把握することができ、一層効果的にびびり振動の抑制を図ることができる。
また、請求項４に記載の発明によれば、振幅又は周期の何れの一方をパラメータとして採用するかを選択する第１の選択手段、及び／又は、回転軸の回転軸トルク又は回転軸を回転させるためのモータへの入力電力の何れの一方をパラメータとして採用するかを選択する第２の選択手段を備えているため、使い勝手が良い。
加えて、請求項５に記載の発明によれば、設定手段により設定されたパラメータの値を記憶する記憶手段を備えているため、各パラメータの設定値を加工データベースとして保持することができ、次回以降の加工の際に参考にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】工作機械の一例である旋盤のブロック構成を示した説明図である。
【図２】変動値設定部におけるパラメータに係る情報の表示態様の一例を示した説明図である。
【図３】主軸の回転速度及び主軸トルクが所定の振幅及び周期で変動する様子を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態となる工作機械について、図面にもとづき詳細に説明する。
【００１２】
図１において２０は、主軸１の先端に爪３を備えたチャック２を備えてなる旋盤であって、該チャック２はワーク４を把持可能となっている。また、主軸１を回転可能に支持する主軸台７内には、主軸１を回転させるためのモータ６、及び主軸１の回転速度を検出するためのエンコーダ５が内臓されている。
一方、８は、エンコーダ５によって主軸１の回転速度を監視するとともに、モータ６への供給電力を調整して主軸１の回転速度を制御するための主軸制御部である。また、９は、旋盤１全体の挙動を制御する工作機械制御部であって、上記主軸制御部８、加工プログラムを記憶する記憶部１１、及び主軸１の回転速度を変動させるためのパラメータ（すなわち主軸トルク及び振幅）を設定するための変動値設定部１０等と接続されており、主軸制御部８を介してワーク４の回転速度を制御する他、図示しない工具を回転中のワーク４の表面へ切り込ませるとともに、ワーク４や工具を回転軸方向及び／又は径方向へ送るといった加工動作についても周知の構成により制御するようになっている。尚、変動値設定部１０は、図２に示すようにタッチパネルとして構成されており、表示部としても機能する。
【００１３】
上記旋盤２０では、記憶部１１に記憶されている加工プログラムにしたがい、主軸制御部８による制御のもとモータ６へ電力が供給されて主軸１を所定の設定回転速度で回転させるとともに、工具をワーク４の表面に切り込ませる等して旋削加工が行われる。そして、当該加工中にびびり振動が生じると、主軸１の回転速度を、現在の回転速度を基準として所定の態様で変動させることにより、びびり振動の抑制を図ることになる。そこで、作業者は、変動値設定部１０において所定のパラメータを設定すればよい。すると、工作機械制御部９では、設定されたパラメータにもとづいて主軸１の回転速度を変動させるべく、主軸制御部８へ指令を送信し、主軸制御部８では該指令にもとづいて主軸１の回転速度を変動させ、びびり振動の抑制が図られる。このとき、工作機械制御部９から主軸制御部８へは変動に応じた回転速度を直接入力するように構成してもよいし、変動に応じてモータ６への入力電力を入力するようにするように構成してもよい。また、入力電力Ｐと主軸トルクＴとの間には、下記式（２）で示す関係があることから、工作機械制御部９から主軸制御部８へ主軸トルクＴを指令して主軸１の回転速度を制御させることも可能である。尚、式（２）におけるＳは、回転速度である。
【００１４】
【数２】
2012086347.tif 000004
【００１５】
ここで、パラメータとして主軸トルク及び振幅を設定して回転速度を変動させる際の具体的な一実施例について図２を参照し詳述する。まず、モータ６への入力電力の許容量から制限される最大主軸トルクは２００Ｎ・ｍとなっており、パラメータの１つである主軸トルクを、今回はその最大主軸トルク以下である８０Ｎ・ｍに設定する。また、回転速度の最大振幅は１００％となっており、パラメータの１つである振幅を、今回はその最大振幅以下である３０％に設定する。この設定は、変動値設定部１０において、作業者が表示画面の下部にある「＋」「−」を指等によりタッチして操作することにより行われる。すると、設定した値が表示画面中に、各パラメータを縦軸及び横軸とする平面上に●として表示されることになる。尚、最大主軸トルクについても平面上に直線として表示されており、主軸トルクの設定可能領域を表示し、作業者が最大主軸トルクを超えるような主軸トルクを設定できないようになっている。
【００１６】
以上のようにしてパラメータの値が設定されると、工作機械制御部９では、回転速度を変動させる際の主軸トルクが８０Ｎ・ｍで、且つ、振幅が３０％（すなわち±１５％）で主軸１の回転速度を変動させるように主軸制御部８へ指令を送信する（このとき、上述したように回転速度を指令値としてもよいし、主軸トルク又は入力電力を指令値としてもよい）。したがって、たとえば設定回転速度が１０００ｍｉｎ−１である場合、主軸制御部８はエンコーダ５によって検出される主軸１の回転速度が＋１５％の１１５０ｍｉｎ−１になるまで主軸トルクを８０Ｎ・ｍで加速させる。このとき、加速時の主軸１の角加速度を、回転速度を微分することによって求め、工作機械制御部９において一時記憶する。また、回転速度が１１５０ｍｉｎ−１に達すると、工作機械制御部９は減速時の角加速度の絶対値が加速時の角加速度の絶対値と一致するように主軸制御部８へ指令し、主軸制御部８では加速時と減速時との角加速度の絶対値が一致するように主軸トルクを制御し、主軸の回転速度が−１５％の８５０ｍｉｎ−１になるまで減速させる。そして、加工が終了する、若しくは、新たなパラメータの値が設定されるまで、工作機械制御部９及び主軸制御部８では上記動作を繰り返しながら、主軸１の回転速度を変動させる。
【００１７】
上述の如く主軸１の回転速度を変動させる際の時間と回転速度との関係、及び時間と主軸トルクとの関係を図３に示す。図３からも明らかなように、主軸１の回転を加速及び減速させる際に大きな主軸トルクが必要となることがわかる。したがって、加速時における主軸１の角加速度の絶対値と減速時における主軸１の角加速度の絶対値とを一致させることにより、切削トルクを中心として主軸トルクを変動させる上下幅が等しくなり、主軸１の回転速度の加速時間と減速時間とを等しくすることができる。また、上述したように、切削トルクは加速時における主軸トルクと減速時における主軸トルクとの中央値（平均値）として求めることができる。さらに、回転速度の変動態様から回転速度を変動させる周期を求めることができ、振幅及び主軸トルクについては既知であることから、それらに加え、エンコーダ５により検出される回転速度と、上記切削トルクとを式（１）へ代入することにより、イナーシャＪを算出することができる。そこで、変動値設定部１０では、図２に示すように、切削トルクと、イナーシャと、主軸制御部８で検出した入力電力（消費電力）とを表示する。尚、イナーシャを算出するに際して、周期及び振幅を用いるとしたが、主軸１の角加速度を用いても同様にイナーシャを算出することができる。
【００１８】
以上のような旋盤２０によれば、振幅及び周期をパラメータとしていた従来と異なり、回転速度の振幅と主軸トルクとをパラメータとして主軸１の回転速度を変動させる、すなわち最大値が明確な主軸トルクをパラメータとして採用しているため、変動値設定部１０において設定可能なパラメータの範囲を作業者に対し明確に示すことができる。したがって、作業者は、実現不可能な変動態様を設定したりすることなく、びびり振動の抑制に効果的な回転速度の変動を容易に実現させることができる。
また、変動値設定部１０では、一方の軸を振幅とし、他方の軸を主軸トルクとした平面上に各パラメータの設定可能な領域、及び現在値を示すため、作業者は、現在の状況は勿論、設定不可能な領域についても容易に把握することができ、一層効果的にびびり振動の抑制を図ることができる。
さらに、変動値設定部１０において、切削トルクやイナーシャ、入力電力についても算出したり検出したりして表示するため、加工の状態を数値として把握することができるとともに、消費エネルギーも容易に監視することができる。
加えて、回転速度を変動させることにより加工面にムラが生じてしまうものの、作業者は、変動値設定部１０に表示されている入力電力を確認しながら、実現可能な範囲内において、びびり振動を抑制することができ、且つ、回転速度の変動率や振幅の小さな変動態様を探ることができるため、上記ムラを最低限にとどめることができる。
【００１９】
なお、本発明に係る工作機械は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、回転速度を変動させるためのパラメータ、変動値設定部、及び工作機械全体に係る構成等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
【００２０】
たとえば、上記実施形態では、主軸１の回転速度を変動させるためのパラメータとして振幅及び主軸トルクを採用しているが、主軸トルクに代えて入力電力を採用することも可能である。この場合、工作機械制御部９において、設定された入力電力を式（２）へ代入することにより主軸トルクへと変更し、後は上記実施形態同様の制御を実行すればよい。当該制御においても、最大値が明確な入力電力をパラメータとして採用しているため、振幅及び周期をパラメータとして設定させていた従来と異なり、変動値設定部１０において設定可能なパラメータの範囲を作業者に対し明確に示すことができる等の効果がある。
また、変動値設定部１０において、入力するパラメータを主軸トルクとするか入力電力とするか作業者によって任意に選択可能とすることも可能であり、当該構成を採用することによって使い勝手を向上することができる。
【００２１】
さらに、振幅に代えて回転速度を変動させる周期を採用することも可能である。周期を採用した場合、たとえば変動値設定部１０において周期が２秒、主軸トルクが８０Ｎ・ｍとして夫々設定されると、周期の半分である１秒間にわたり主軸トルク８０Ｎ・ｍで主軸１の回転速度を加速する。その際、上記実施形態同様に、工作機械制御部９では角加速度を記憶しておく。そして、次に、周期の残り半分である１秒間にわたり角加速度の絶対値が加速時と同じになるような主軸トルクで主軸１の回転速度を減速させるといった制御を実行することになる。そして、該制御においても、上記実施形態同様に、振幅及び周期をパラメータとして設定させていた従来と異なり、変動値設定部１０において設定可能なパラメータの範囲を作業者に対し明確に示すことができる等の効果がある。
また、変動値設定部１０において、入力するパラメータを振幅とするか周期とするか作業者によって任意に選択可能とすることも当然可能であり、当該構成を採用することによって使い勝手を向上することができる。
【００２２】
さらにまた、主軸トルクや入力電力を直接の値として入力するのではなく、最大主軸トルクや最大入力電力の何割かといった相対値を入力しても何ら問題はないし、今回設定した各種パラメータを工具の種類や加工プログラムに関連づけて記憶部１１に記憶させ、次回以降の加工時（同じ工具による加工時や同じ加工プログラムによる加工時）には加工当初から主軸１の回転速度を今回設定したパラメータの値にもとづく態様で変動させることにより、びびり振動の発生を防止するように構成することも可能である。
さらにまた、設定した主軸トルク、入力電力、振幅、周期に加え、変動時における実際の回転速度、切り込み量、切削トルクやイナーシャ等といった各種パラメータの設定値や加工条件値を記憶部１１に記憶させてもよい。このように記憶することで、種々の値を加工データベースとして保持することができ、次回以降の加工の際に参考にすることができる。
加えて、上記実施形態では、工作機械としてワークを回転させる旋盤を採用しているが、工具を回転させるマシニングセンタ等といった他の工作機械にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１・・主軸（回転軸）、２・・チャック、３・・爪、４・・ワーク、５・・エンコーダ（回転速度検出手段）、６・・モータ、７・・主軸台、８・・主軸制御部（回転速度制御手段）、９・・工作機械制御部（回転速度制御手段）、１０・・変動値設定部（設定手段、表示手段、選択手段）、１１・・記憶部（記憶手段）、２０・・旋盤（工作機械）。
【図１】
2012086347.tif 000005
【図２】
2012086347.tif 000006
【図３】
2012086347.tif 000007