(57)【要約】【課題】加工機械の主軸に工具が装着された状態において、主軸を含む工具の振動特性の解析精度を高める。【解決手段】加工機械１の主軸２にハンマ入力部９を有する測定工具５を装着し、ハンマリング試験を行って、主軸２に付随する軸受２及び保持機構４Ｂ等の部品を含む主軸部２Ｓの振動特性データを得る。この振動特性データに基づき、主軸２に設定した工具取付仮想点ＰをＦＥモデル化した主軸部ＦＥモデルＭｓを作成する。既知の特性データに基づき選択した工具・ホルダ１０の工具・ホルダＦＥモデルＭｔを作成する。主軸部ＦＥモデルＭｓと工具・ホルダＦＥモデルＭｔとを結合して、振動特性解析を行う。主軸２に付随する部品、その結合状態及び隙間を含む主軸部２Ｓの振動特性データに基づき、振動特性の解析を行うので、解析精度を高めることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に工具ホルダを介して工具を装着して機械加工を行う加工機械の振動特性解析方法であって、
前記主軸の前記工具ホルダが装着される工具ホルダ受に、ハンマ入力部を有する測定工具を装着して、ハンマリング試験を行い、該ハンマリング試験によって得られた振動特性データに基づき、前記主軸に設定した工具取付仮想点をＦＥモデル化した主軸部ＦＥモデルを作成し、
選択した工具及び工具ホルダの既知の特性データに基づき、前記工具と前記工具ホルダとを組み合わせた工具・ホルダをＦＥモデル化した工具・ホルダＦＥモデルを作成し、
前記主軸部ＦＥモデルと前記工具・ホルダＦＥモデルとを結合して、振動特性解析を行うことを特徴とする加工機械の振動特性解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸に工具を装着して機械加工を行う加工機械において、主軸に装着された状態の工具の振動特性をＦＥ（有限要素）モデルを用いて解析する振動特性解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削、研削加工等の機械加工を行う場合、加工機械の主軸に工具ホルダを介して切削、研削工具を装着して加工を行い、ワーク形状等に応じて工具を交換する。機械加工においては、主軸回転数、切込み量、工具送り量、ピックフィード量等の加工条件だけでなく、工具、工具ホルダ、主軸の振動特性も加工精度に大きな影響を及ぼすことが知られている。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１には、加工機械の工具、ホルダ及び主軸から構成される工具系の剛性（振動特性）をこられの形状及び材質データに基づき構造解析し、解析結果に応じて加工条件を修正することにより、加工精度を高めるようにした機械加工の加工条件設定方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４７８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているように、加工機械の主軸を含む工具系の振動特性を各構成部分の形状及び材質データに基づいて構造解析するものでは、次のような問題がある。
【０００６】
すなわち、加工機械の主軸部分は、モータ、ベアリング、伝達軸、工具ホルダ受、バネ要素等の多数の部品で構成されており、これらの部品の結合状態や隙間等により、振動特性が変化してしまうため、各部品の形状及び材質データに基づく構造解析では、高精度の解析結果を得ることが困難である。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、加工機械の主軸に工具が装着された状態において、主軸を含む工具の振動特性の解析精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、主軸に工具ホルダを介して工具を装着して機械加工を行う加工機械の振動特性解析方法であって、
前記主軸の前記工具ホルダが装着される工具ホルダ受に、ハンマ入力部を有する測定工具を装着して、ハンマリング試験を行い、該ハンマリング試験によって得られた振動特性データに基づき、前記主軸に設定した工具取付仮想点をＦＥモデル化した主軸部ＦＥモデルを作成し、
選択した工具及び工具ホルダの既知の特性データに基づき、前記工具と前記工具ホルダとを組み合わせた工具・ホルダをＦＥモデル化した工具・ホルダＦＥモデルを作成し、
前記主軸部ＦＥモデルと前記工具・ホルダＦＥモデルとを結合して、振動特性解析を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る加工機械の振動特性解析方法によれば、主軸に測定工具を装着してハンマリング試験を行うことにより、主軸に付随する部品、その結合状態及び隙間を含む主軸部の振動特性データを得ることができるので、主軸に工具が装着された状態において、主軸を含む工具の振動特性の解析精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る加工機械の主軸を含む要部の縦断面図である。
【図２】図１の主軸に装着される測定工具の側面図である。
【図３】図２の測定工具が主軸に装着された状態を示す図である。
【図４】図２の測定工具を用いて測定した振動特性データ及び測定工具データから主軸部動剛性マトリックスを演算する方法を示す図である。
【図５】主軸の工具取付仮想点をバネ要素及びダンパー要素でＦＥモデル化した主軸部ＦＥモデルを示す図である。
【図６】ＦＥモデル化した工具・ホルダの斜視図である。
【図７】ＦＥモデル化した工具取付仮想点と工具・ホルダの節点との結合部を表す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る加工機械の振動特性解析方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の一実施形態に係る加工機械の振動特性解析方法によって演算した伝達関数に基づく共振周波数を表すグラフ図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る加工機械の振動特性解析方法によって演算した伝達関数に基づき安定ポケット理論により作成した安定限界線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態に係る加工機械の振動特性解析方法は、主軸に工具ホルダを介して工具を装着して切削、研削加工等の機械加工を行う加工機械に適用することができ、例えば、工具交換装置を備えたマシニングセンタに適用することができる。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る加工機械１（一部のみ図示する）の主軸２は、切削、研削等の各種機械加工用の工具１０Ａ（図６参照）が取付けられたテーパ形状の工具ホルダ１０Ｂ（図６参照）を着脱可能なテーパ状の工具ホルダ受２Ａを備える。主軸２は、軸受４Ａによって回転可能に支持され、モータ、減速機、駆動軸等によって回転駆動される。また、主軸２には、工具ホルダ受２Ａで工具ホルダ１０Ｂを保持するための保持機構４Ｂが設けられている。これらの主軸２に付随する部品やその結合状態及び隙間は、主軸２の振動特性に影響し、以下、主軸２及びこれらの主軸２に付随する部品を含めて主軸部２Ｓという。加工機械１は、工具交換装置（図示せず）によって主軸２に装着する工具を適宜選択、交換して、種々の機械加工を行うことができる。
【００１３】
次に、本実施形態に係る振動特性解析方法に使用する測定工具について、図２を参照して説明する。図２に示すように、測定工具５は、主軸２の工具ホルダ受２Ａに装着可能なテーパ形状のホルダ部６とホルダ部６の先端部に一体に形成され略円柱状の加振計測部７とを備える。ホルダ部６は、主軸に装着される各種工具の工具ホルダと同じ構造である。加振計測部７には、３軸方向の加速度を測定するための加速度センサ８が取付けられ、また、インパクトハンマ（図示せず）の打点となる平坦なハンマ入力部９が形成されている。加速度センサ８の取付位置及びハンマ入力部９の位置は、必要な振動特性データが得られるように適宜決定することができ、図示の例では、加速度センサ８は、加振計測部７の側面部に軸方向に沿って間隔をもって２箇所配置され、ハンマ入力部９は、加速度センサ８の取付位置の反対側の側面部に形成されている。また、測定工具５は、できるだけ動剛性が高くなるように材質及び形状を設定して、ハンマ入力時の運動が剛体運動と見做せるものが望ましい。
【００１４】
次に図８を参照しながら、本実施形態に係る振動特性解析方法の工程について説明する。
ステップＳ１において、図３に示すように、加工機械１の主軸２に測定工具５を装着してハンマリング試験を行い、主軸２に装着された測定工具５の振動特性データを取得する。このとき、測定工具５は、各種工具ホルダと同様、ホルダ部６を主軸２の工具ホルダ受２Ａに連結することができる。ハンマリング試験は、インパクトハンマによって測定工具５のハンマ入力部９に対して加振を行い、加速度センサ８によって３軸方向の加速度を測定することによって行う。
【００１５】
ステップＳ２において、加速度センサ８による測定データに基づき、主軸２に装着された測定工具５の振動特性を演算する。このとき、測定工具５を剛体と見做し、加速度センサ８の測定データに基づき、測定工具５の剛体運動から最小二乗法等の近似法を用いて、測定工具５のホルダ部６の適当な位置に設定した工具取付仮想点Ｐにおける振動特性（動剛性）を演算する。そして、図４に示すように、演算した工具取付仮想点Ｐにおける振動特性を表す動剛性マトリックス［Ｄ］testから測定工具５の既知の慣性質量マトリックス［Ｉ］を減じて、主軸２に付随する部品を含む主軸部２Ｓの工具取付仮想点Ｐにおける振動特性を表す主軸部動剛性マトリックス［Ｄ］を演算する。
【００１６】
ステップＳ３において、図５に示すように、主軸部動剛性マトリックス［Ｄ］を周波数依存性を考慮したバネ要素Ｓ及びダンパー要素ＤでＦＥモデル化した主軸部ＦＥモデルＭｓを作成する。
【００１７】
ステップＳ４において、図６に示すように、選択した工具１０Ａ及び工具１０Ａに取付けられた工具ホルダ１０Ｂ（工具１０Ａと工具ホルダ１０Ｂとを結合したものを工具・ホルダ１０とする）をこれらの既知の形状情報、材料データ（ヤング率、ポアソン比、密度）等から工具・ホルダ１０をＦＥモデル化した工具・ホルダＦＥモデルＭｔを作成する。
【００１８】
ステップＳ５において、ステップＳ３で作成した主軸部ＦＥモデルＭｓと、ステップＳ４で作成した工具・ホルダＦＥモデルＭｔとを工具取付仮想点Ｐで結合し、その結合したＦＥモデルの振動特性を解析する。このとき、図７に示すように、主軸ＦＥＭモデルＭｓの工具取付仮想点Ｐと、工具・ホルダＦＥモデルＭｔのホルダ１０Ｂのテーパ面上の節点ｎ１，ｎ２，ｎ３，…を剛体要素ＲＢＥ１，ＲＢＥ２，ＲＢＥ３，…で結合する。そして、主軸部ＦＥモデルＭｓと工具・ホルダＦＥモデルＭｔとを結合したＦＥモデルについて振動特性（周波数応答）を解析して伝達関数を得る。振動特性の解析は、汎用有限要素法解析ソルバーを用いて行うことができる。これにより、主軸２に選択した工具・ホルダ１０が装着された状態の加工点における振動特性を解析することができる。
【００１９】
ステップＳ６において、機械加工すべきワーク情報、選択された工具・ホルダ１０、加工効率、刃具の寿命、サイクルタイム等を考慮して、一般的な手法により、主軸回数、切込み量、工具送り量、ピックフィード量等の加工条件を仮に設定する。
【００２０】
ステップＳ７において、ステップＳ５で解析した主軸２に選択した工具・ホルダ１０が装着された状態の加工点における振動特性に基づき、加工時に「びびり」が発生する条件と、ステップＳ６で仮に設定した加工条件とが一致又は近似するか否かを判定する。
【００２１】
一致又は近似しない場合は、ステップＳ８で、その工具・ホルダ１０及び加工条件で機械加工を実行する。加工時に「びびり」が発生する条件と、仮に設定した加工条件とが一致又は近似する場合は、ステップＳ９で、加工条件を加工時に「びびり」が発生する条件に近似しないように修正して機械加工を実行する（ステップＳ８）。あるいは、ステップＳ１０で、工具１０Ａ及び工具ホルダ１０Ｂの少なくとも一方を変更して、ステップＳ４に戻る。
【００２２】
このとき、例えば図９に示すように、主軸部ＦＥモデルＭｓと工具・ホルダＦＥモデルＭｔとを結合したＦＥモデルについて振動特性（周波数応答）を解析して得た伝達関数に基づいて得られる共振周波数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，…が、主軸回転数及び工具の刃数から計算される加工周波数の整数倍に一致又は近似する場合に「強制びびり」が発生する、と判定することができる。
【００２３】
また、図１０に示すように、主軸部ＦＥモデルＭｓと工具・ホルダＦＥモデルＭｔとを結合したＦＥモデルについて振動特性（周波数応答）を解析して得た伝達関数に基づき、安定ポケット理論によって安定限界線図を作成し、この安定限界線図において安定限界及びｎ次安定ポケットＳｐｎを含む安定領域を逸脱した切込み幅及び主軸回転数において「再生びびり」が発生する、と判定することができる。
【００２４】
以上のようにして、主軸２に測定工具５を装着してハンマリング試験を行うことにより、主軸２に付随する部品、その結合状態及び隙間を含む主軸部２Ｓの振動特性データに基づき、振動特性の解析を行うことができるので、主軸２に選択した工具・ホルダ１０が装着された状態の加工点における振動特性を高い精度で解析することができ、解析結果に基づき、加工時の「びびり」の発生を効果的に抑制して、加工精度を高めることができる。
【００２５】
なお、上記実施形態では、加工機械１としてマシニングセンタを例示したが、本発明は、これに限らず、主軸に工具を装着して機械加工を行うものであれば、他の加工機械にも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１…加工機械、２…主軸、２Ａ…工具ホルダ受、５…測定工具、９…ハンマ入力部、１０Ａ…工具、１０Ｂ…工具ホルダ、Ｍｓ…主軸部ＦＥモデル、Ｍｔ…工具・ホルダＦＥモデル、Ｐ…工具取付仮想点
【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６】
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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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