JP5215065B2

JP5215065B2 - 工作機械の制振システム

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Publication number: JP5215065B2
Application number: JP2008187783A
Authority: JP
Inventors: 顕秀浜口
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: JP2010023187A

Description

本発明は、工作機械の回動可能な軸に振動抑制の対象となる被加工物を連結し、前記軸に直交する方向から工具を使用して前記被加工物を加工する工作機械の制振システムに関する。

従来、被加工物を加工する際に発生する振動を抑制するために、例えば特許文献１や特許文献２のように、制振対象に対して解析を行い、振動が発生しにくい加工条件を算出する機構が提案されている。また、特許文献３のように、共振周波数が可変の動吸振器を用いて振動を抑制させる制振機構が提案されている。

特開２００５−７４５６９号公報ＷＯ０２／００３１５５号公報特開２００４−２６３７６７号公報

上記特許文献１や特許文献２の技術は、加工前に振動を解析することで振動の発生を抑制できる。しかしながら、加工条件を振動が発生しない条件に変更する必要があり、加工条件が限定されることで加工効率が低下する問題があった。
また、特許文献３では、効率的に制振効果を発揮できるものの、発生する振動周波数を認識する必要があり、発生する周波数が既知の被加工物に限定されるし、発生する周波数が未知の被加工物や、加工により形状が変化する被加工物に対して、計測を行って振動周波数を検知する場合には、振動の発生後にしか動吸振器の調整が行えなかった。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、加工により被加工物の形状が変化する場合でも、振動を予測して制振作用を発揮でき、更に加工条件を変更すること無く振動の抑制を可能とする工作機械の制振システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、工作機械の回動可能な軸に振動抑制の対象となる被加工物を連結し、前記軸に直交する方向から工具を使用して前記被加工物を加工する工作機械の制振システムであって、工作機械を制御するＮＣプログラムを生成するＮＣプログラム生成手段と、前記ＮＣプログラム生成手段により生成されたＮＣプログラムにより加工されて変化した形状の前記被加工物のモデルを演算する形状演算手段と、前記形状演算手段により演算されたモデルに基づき、前記軸に直交する工具方向の共振周波数及び振動量を数値解析する振動解析手段と、前記ＮＣプログラム生成手段及び前記形状演算手段、更に前記振動解析手段の出力した情報を記憶する演算情報記憶手段と、前記共振周波数を任意に変更可能な動吸振器と、前記演算情報記憶手段に記憶された情報に基づいて前記動吸振器を制御して共振周波数を変更する制御手段とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、ＮＣプログラムの進行に従い被加工物が加工される各段階のモデル形状を演算し、その形状に対して動吸振器の共振周波数を決定することが可能となるため、各段階で加工開始前に動吸振器を効果的に制振が行える共振周波数に調整することが可能となる。
従って、未知の制振対象や形状が変化する制振対象に対しても、加工前に振動の発生を抑制する制振装置として機能させることができ、従来の如く加工条件を変更することなく制振効果を奏し得るし、実際に加工を行って振動周波数を検知する必要がないため、加工効率を維持することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記形状演算手段は、ＮＣプログラムの適宜段階のモデルデータを生成すると共に、前記振動解析手段は、前記モデルデータに基づく複数の共振周波数及び振動量を数値解析し、前記制御手段は、ＮＣプログラムの進行段階に応じて演算された複数の前記モデルデータと、ＮＣプログラムの進行段階に応じて解析された複数の前記共振周波数及び振動量とを関連付けて前記演算情報記憶手段に記憶制御し、前記演算情報記憶手段に記憶された情報に基づいて、ＮＣプログラムの進行に合わせて前記動吸振器を制御して共振周波数を変更することを特徴とする。
この構成によれば、ＮＣプログラムの進行に従い、形状が大きく変化する段階の被加工物のモデルデータと、そのモデルに対して解析した共振周波数及び振動量とを関連づけして動吸収器を制御できる。
よって、加工により被加工物形状が大きく変化しても、各段階で加工前に動吸振器の共振周波数を適切に調整することができ、加工形状に拘わらず高い制振作用を維持できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、工作機械の前記工具方向の振動を測定する振動センサを備え、前記制御手段は、前記動吸振器の共振周波数を変更する際、加工中の前記振動センサの測定値を基に、解析により求めた動吸振器の共振周波数の誤差を補正することを特徴とする。
この構成によれば、振動センサにより加工中に発生する振動を測定し、現実と解析とで誤差が発生した場合は動吸振器の共振周波数を修正する。そのため、高い制振効果を発揮することができる。

本発明によれば、ＮＣプログラムの進行に従い被加工物が加工される各段階のモデル形状を演算し、その形状に対して動吸振器の共振周波数を決定するため、各段階で加工開始前に動吸振器を効果的に制振が行える共振周波数に調整することができる。
従って、未知の制振対象や形状が変化する制振対象に対しても、加工前に振動の発生を抑制する制振装置として機能させることができ、従来の如く加工条件を変更することなく制振効果を奏し得るし、実際に加工を行って振動周波数を検知する必要がないため、加工効率を維持することができる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る工作機械の制振システムの一例を示す概略図であり、１は工作機械、２は振動抑制装置、３は工作機械１を制御する工作機械制御装置、４は振動抑制の対象となる被加工物である。
工作機械１は、回転軸５と、回転軸５を回転可能に支持する支持部６と、回転軸５に接合されて被加工物４を把持する把持装置７と、共振周波数を任意に変更可能な動吸振器８とを備えている。また、９は支持部６を内部に形成した枠体、１０は被加工物４の振動を測定する振動センサであり、把持装置７で把持された被加工物４は、回転軸に直交する半径方向から被加工物４に向けられた工具により切削等の加工が成される。尚、振動抑制装置２と、動吸振器８と、振動センサ１０とで制振システム１１を構成している。また、動吸振器８は先端に被加工物４が取り付けられた回転軸５の後端部に装着されている。

図２は、動吸振器８の斜視図であり、円環状の錘部材１３と固定用ナット１４と回転軸５に接合された係合部材５ａと回転軸５のクランプ装置１５を用いて構成され、錘部材１３の枚数により共振周波数を任意に設定することができる。錘部材１３の枚数の変更は、クランプ装置１５にて回転軸５をクランプして、図示しないロボットアーム等を用いて固定用ナット１４を取り外し、錘部材１３の着脱を行うことで実施される。所望の枚数になったら、固定用ナット１４と係合部材５ａとで錘部材１３を係合した後、クランプ装置１５をアンクランプ状態にする。

図３は振動抑制装置２の機能ブロック図を示し、共振周波数や振動量を解析するために工作機械や被加工物のモデルデータを生成するモデルデータ生成手段１７、工作機械１を制御するプログラムを生成するＮＣプログラム生成手段１８、生成されたＮＣプログラムに基づき被加工物４の変化した形状のモデルを演算する形状演算手段１９、モデルデータに基づき共振周波数を解析する振動解析手段２０、これらの処理の出力情報が関連づけられて記憶される演算情報記憶手段２１、演算情報記憶手段２１への記憶を制御すると共に記憶された結果に基づき動吸振器８を制御する制御手段２２、ＮＣプログラム等の作成情報を入力する入力部２３を備えている。そして、振動抑制装置２には工作機械制御装置３、動吸振器８、振動センサ１０が接続されている。

尚、具体的に振動抑制装置２は図示しないＭＰＵで構成され、モデルデータ生成手段１７、ＮＣプログラム生成手段１８、形状演算手段１９、振動解析手段２０、制御手段２２等はこのＭＰＵが担当している。また、演算情報記憶手段２１への記憶制御はこのＭＰＵの制御により行われる。

このように構成された振動抑制装置２は、必要な情報を取得して処理を行い、処理結果に基づき工作機械１及び動吸振器８を制御する。以下、制御を具体的に説明する。図４は、動吸振器８の適切な共振周波数を算出するフローチャート、図５は、図４の処理結果に基づき、動吸振器８を制御するフローチャートであり、この流れに基づいて説明する。

制御開始により、まずモデルデータ生成手段１７が、予め作成されている工作機械１のモデルデータ(被加工物４を除く)を呼び出すと共に、被加工物４の加工前のモデルデータを作成する。また、入力部２３から入力された情報を基に、工作機械１の動作を制御するＮＣプログラムをＮＣプログラム生成手段において生成する（Ｓ１）。この時、ＮＣプログラム生成手段１８は、ＮＣプログラム生成にあたり、ＮＣプログラム開始時点、及び粗加工のように被加工物４の形状が大きく変化する時点に適宜トリガ指令を設ける。このトリガ指令には番号が割り振られ、区別が出来るようになっている。

次に、形状演算手段１９が、トリガ指令を起点として（Ｓ２）、Ｓ１で作成された工作機械のモデルデータをＮＣプログラムに基づき、被加工物４の形状変化を演算（Ｓ３）する。そして、振動解析手段２０が、演算後のモデルの共振周波数と工具方向の振動量を解析し、最も振動量の大きいときの周波数を共振周波数とする（Ｓ４）。制御手段２２は、こうして作成したトリガ指令と、Ｓ３で演算されたモデル形状と、Ｓ４で算出された共振周波数とを関連付けて演算情報記憶手段２１に記憶する（Ｓ５）。
Ｓ６ではＮＣプログラムが継続しているかを判別し、継続しているならばＳ３に戻り、トリガ指令が出るまで待機し、以上のＳ２〜Ｓ５までの処理をＮＣプログラム終了まで繰り返し行い、トリガ指令毎のデータが演算情報記憶手段２１に記憶される。

トリガ指令による処理が完了したら、ＮＣプログラムにより工作機械制御装置３が加工制御を開始する（Ｓ７）。このとき制御手段２２は、ＮＣプログラムによる加工開始のトリガ指令を受けて（Ｓ８）、トリガ指令に関連付けられたデータを、演算情報記憶手段２１から呼び出し（Ｓ９）、呼び出したデータに基づき動吸振器８を制御して共振周波数を変更（Ｓ１０）する。この変更操作を受けて、工作機械制御装置３はＮＣプログラムを進行して加工を開始する（Ｓ１１）。

加工中は、制御手段２が振動センサ１０により発生する振動周波数を測定し（Ｓ１２）、その周波数とＳ５で記憶した解析結果とが一致しているかどうかを判別する（Ｓ１３）。この判別において、差が所定量以下で小さければ、そのままＳ１５の処理へ進み、大きければＳ１２で測定した振動周波数に基づき、動吸振器８の共振周波数を変更（Ｓ１４）してＳ１５の処理へ進む。

Ｓ１５ではＮＣプログラムが継続しているかを判別し、継続しているならば再度Ｓ８でトリガ指令が出るまで待機し、終了しているならば制御を終了する。以上のＳ８〜Ｓ１５までの処理をＮＣプログラム終了まで繰り返し行い、制御手段２２はトリガ指令ごとに動吸振器８の共振周波数の調整を行う。

このように、ＮＣプログラムの進行に従い被加工物が加工される各段階のモデル形状を演算し、その形状に対して動吸振器の共振周波数を決定するため、各段階で加工開始前に動吸振器を効果的に制振が行える共振周波数に調整することができ、加工により被加工物の形状が大きく変化しても、ＮＣプログラム進行情報によりその都度最適な共振周波数に変更することができる。
よって、未知の制振対象や形状が変化する制振対象に対しても、加工前に振動の発生を抑制する制振装置として機能させることができ、従来の如く加工条件を変更することなく制振効果を奏し得るし、実際に加工を行って振動周波数を検知する必要がないため、加工効率を維持することができる。
特に、ＮＣプログラムの進行に従い、形状が大きく変化する段階にトリガ指令を配置し、被加工物のモデル形状と、そのモデルに対して解析した共振周波数及び振動量とを関連づけして動吸収器を制御するので、加工により被加工物形状が大きく変化する段階において、加工前に動吸振器の共振周波数を適切に調整することができ、加工形状に拘わらず高い制振作用を維持できる。
そして、振動センサにより加工中に発生する振動を測定し、現実と解析とで誤差が発生した場合は動吸振器の共振周波数を修正するため、高い制振効果を発揮することができる。

図６〜図９は、上記実施形態の効果を検証するために行ったシミュレーションの解析結果と、実機による測定結果との比較を示している。図６は加工前の被加工物４ａと加工後の被加工物４ｂの形状を示す断面説明図、図７は解析に用いたモデルを示す斜視図、図８は加工前の被加工物４ａに対する解析結果と測定結果、図９は加工後の被加工物４ｂに対する解析結果と測定結果を示している。

解析では、被加工物４の先端に一定の大きさで周期変動する力を加えた場合の各周波数における被加工物４の先端での振動振幅を算出した。また、測定では振動センサ１０として加速度センサを用いて解析と同じ位置・方向にインパルス加振を行ったときの単位力当たりの振動振幅を測定した。図８、図９において、曲線２４はシミュレーション解析から算出された振動振幅を示し、曲線２５は実機により測定された振動振幅を示している。

図８に示す加工前の結果では、誤差は生じるものの、シミュレーション解析と実機による測定とから導出されたピーク２６及び２７は、共に近い周波数になっている。また、図９に示す加工後の結果においてもシミュレーション解析と実機による測定とから導出されたピーク２８及びピーク２９は共に近い周波数になっている。これらの結果は、加工により被加工物４の形状に変化が生じた場合にも、被加工物４のモデルデータの変更により、発生する振動周波数を推定し得ることを示し、本発明が振動抑制に有効であること示している。

尚、本発明の制振システムに係る構成は、上記実施の形態に記載した態様に何ら限定されるものではなく、工作機械１、振動抑制装置２、及び動吸振器８等に係る構成を、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。例えば、上記実施形態に記載の制御において、モデルデータの作成やＮＣプログラムの生成（Ｓ１）などの処理をコンピュータ内部のモデルデータ生成手段１７やＮＣプログラム生成手段１８で行っているが、外部装置で行い、入力部２３よりデータを得るような構成としてもよい。
また、上記実施形態では、未知の被加工物４を想定してモデルデータから共振周波数を算出しているが、大量生産品のように同一加工が行われる場合には、最初の加工において、Ｓ１４の新たな共振周波数を記憶データとして修正して、次からの加工においては、修正された記憶データを用いて処理を行うことで、加工前に動吸振器８をより適した共振周波数に調整することも可能である。

更に、上記実施形態では、動吸振器８を、回転軸５の後方に結合された錘部材１３の枚数により共振周波数を変更可能とする構造としたが、結合位置や構造を変更してもよい。たとえば、工作機械１のいずれかの箇所に結合してもよいし、棒状部材の突き出し長さを変更することで共振周波数を変更可能とする構造としてもよい。
また、振動センサ１０の設置部位は、支持部６を備えた枠体９の先端外周部としているが、回転軸５に近接し、更に被加工物４に近接した部位とすると更に良い。

本発明に係る工作機械の振動抑制装置の一例を示す概略図である。図１の動吸振器の斜視図である。振動抑制装置の機能ブロック図である。動吸振器の適切な共振周波数を算出するフローチャートを示す図である。算出した共振周波数に基づき動吸振器を制御するフローチャートを示す図である。検証に用いた加工前後の被加工物の形状を示す断面図である。解析に用いたモデルを示す斜視図である。加工前の被加工物に対する解析結果と測定結果を示す振動振幅−周波数関係図である。加工後の被加工物に対する解析結果と測定結果を示す振動振幅−周波数関係図である。

符号の説明

１・・工作機械、２・・振動抑制装置、３・・工作機械制御装置、４・・被加工物、５・・回転軸（軸）、６・・支持部、７・・把持装置、８・・動吸振器、９・・枠体、１０・・振動センサ、１１・・・制振システム、１７・・モデルデータ生成手段、１８・・ＮＣプログラム生成手段、１９・・形状演算手段、２０・・振動解析手段、２１・・演算情報記憶手段、２２・・・制御手段。

Claims

工作機械の回動可能な軸に振動抑制の対象となる被加工物を連結し、前記軸に直交する方向から工具を使用して前記被加工物を加工する工作機械の制振システムであって、
工作機械を制御するＮＣプログラムを生成するＮＣプログラム生成手段と、
前記ＮＣプログラム生成手段により生成されたＮＣプログラムにより加工されて変化した形状の前記被加工物のモデルを演算する形状演算手段と、
前記形状演算手段により演算されたモデルに基づき、前記軸に直交する工具方向の共振周波数及び振動量を数値解析する振動解析手段と、
前記ＮＣプログラム生成手段及び前記形状演算手段、更に前記振動解析手段の出力した情報を記憶する演算情報記憶手段と、
前記共振周波数を任意に変更可能な動吸振器と、
前記演算情報記憶手段に記憶された情報に基づいて前記動吸振器を制御して共振周波数を変更する制御手段とを備えたことを特徴とする工作機械の制振システム。
前記形状演算手段は、ＮＣプログラムの適宜段階のモデルデータを生成すると共に、前記振動解析手段は、前記モデルデータに基づく複数の共振周波数及び振動量を数値解析し、
前記制御手段は、ＮＣプログラムの進行段階に応じて演算された複数の前記モデルデータと、ＮＣプログラムの進行段階に応じて解析された複数の前記共振周波数及び振動量とを関連付けて前記演算情報記憶手段に記憶制御し、
前記演算情報記憶手段に記憶された情報に基づいて、ＮＣプログラムの進行に合わせて前記動吸振器を制御して共振周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の制振システム。
工作機械の前記工具方向の振動を測定する振動センサを備え、
前記制御手段は、前記動吸振器の共振周波数を変更する際、加工中の前記振動センサの測定値を基に、解析により求めた動吸振器の共振周波数の誤差を補正することを特徴とする請求項１又は２記載の工作機械の制振システム。