JP7829422B2

JP7829422B2 - 工作機械のびびり振動抑制方法及びびびり振動抑制システム

Info

Publication number: JP7829422B2
Application number: JP2022104922A
Authority: JP
Inventors: 憲則藤瀬; 晃弘善生; 俊介藤巻; 宮本　俊介; 淳川島
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2026-03-13
Anticipated expiration: 2042-06-29
Also published as: JP2024004982A

Description

本開示は、工作機械において、エンドミル加工によるびびり振動を抑制する方法及び、びびり振動を抑制するシステムに関する。

エンドミル加工において、びびり振動は、工作機械、工具、ワークの動特性と切削過程とがある条件を満たしたときに発生する。この工作機械、工具、ワークの動特性は、高価な測定器及び専門知識を必要とするハンマリング試験によって伝達関数が測定される。そして、ハンマリング試験により測定された伝達関数から安定限界線図を作成し、主軸回転速度を変更することで、びびり振動を抑制できることが知られている。
一方で、特許文献１，２及び非特許文献１，２には、びびり振動の加工面模様から、びびり振動周波数を同定し、主軸回転速度を変更することを繰返し行うことで、ハンマリング試験による伝達関数の測定無しに、びびり振動を抑制することが提案されている。

特許第６７２７５７８号公報特開２０２０－４９６２６号公報

「エンドミル加工面のびびり振動模様に基づく現象の逆解析と安定ポケットの探索方法」日本機械学会論文集，Vol.83，No.848，2017 「エンドミルびびり加工面模様の二次元離散フーリエ変換を用いた画像処理に基づく状態推定方法の検討」日本機械学会論文集，Vol.85，No.879，2019 「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

しかし、特許文献１，２及び非特許文献１，２は、びびり振動を発生させるため、工具にダメージが生じる。また、びびり振動の加工面模様から同定可能なのはびびり振動周波数であり、安定限界線図を作成するために必要なモーダルパラメータである、「質量ｍ、ばね定数ｋ、減衰係数ｃ」は同定できない。よって、びびり振動抑制のためには、びびり振動の加工面模様からびびり振動周波数を同定し、主軸回転速度を変更することを繰返し行う必要がある。

そこで、本開示は、びびり振動周波数を同定することなく安定限界線図を作成して切削条件を変更することができる工作機械のびびり振動抑制方法及びびびり振動抑制システムを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本開示の第１の構成は、主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制する方法であって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得ステップと、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得ステップと、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定ステップと、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成ステップと、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更ステップと、を実行し、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記振動情報取得ステップでは、前記切削工具の回転方向に配置された刃が１回転毎に生成する加工面模様の幅の大小に基づいて前記振動変位を算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、第１の構成の別の態様は、主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制する方法であって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得ステップと、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得ステップと、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定ステップと、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成ステップと、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更ステップと、
を実行し、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記振動情報取得ステップでは、前記切削工具の回転方向に配置された刃が１回転毎に生成する加工面模様の幅が変動する周期に基づいて、前記振動周波数を算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、第１の構成の別の態様は、主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制する方法であって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得ステップと、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得ステップと、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定ステップと、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成ステップと、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更ステップと、
を実行し、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記伝達関数同定ステップでは、複数の主軸回転速度で加工して得られるそれぞれの前記振動周波数に対応したコンプライアンス値を、複数の主軸回転速度で加工して得られるそれぞれの前記振動変位と切削力との比から算出し、前記振動周波数と前記コンプライアンス値との関係に基づいて前記伝達関数を同定することを特徴とする。
第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記安定限界線図作成ステップでは、前記伝達関数に対し、カーブフィッティングしてモーダルパラメータを同定し、同定した前記モーダルパラメータに基づいて前記安定限界線図を作成し、前記主軸回転速度及び／又は前記切込量を変更することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第２の構成は、主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制するシステムであって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得手段と、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得手段と、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定手段と、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成手段と、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更手段と、を備え、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記振動情報取得手段は、前記切削工具の回転方向に配置された刃が１回転毎に生成する加工面模様の幅の大小に基づいて前記振動変位を算出することを特徴とする。

本開示によれば、高価な測定器及び専門知識を必要とするハンマリング試験無しに、エンドミルによる側面加工の加工面模様から伝達関数を同定し、伝達関数を基に安定限界線図を作成し主軸回転速度及び／又は切込量を変更することで、びびり振動を抑制することができる。本開示では、びびり振動の加工面模様から、びびり振動周波数を同定し、主軸回転速度を変更することを繰返し行う必要が無いため、工具にダメージが生じない。

マシニングセンタにおけるびびり振動抑制システムの概略図である。（Ａ）は、エンドミルにおける側面加工の加工面模様を示す説明図、（Ｂ）はエンドミルの説明図である。モーダルパラメータである「質量ｍ、ばね定数ｋ、減衰係数ｃ」を同定する方法を示すグラフである。同定したモーダルパラメータから作成した安定限界線図の説明図である。びびり振動抑制方法のフローチャートである。レーザ式変位計による加工面模様取得方法を示す説明図である。接触式変位計による加工面模様取得方法を示す説明図である。

以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例であるマシニングセンタ１において、第２の構成に係るびびり振動抑制システムＳを構成した一例を示す概略図である。ここではエンドミル９による側面加工の構成を示している。
マシニングセンタ１において、ワーク４は、ベッド２の上で移動するテーブル３に治具を介して固定されている。マシニングセンタ１は、ベッド２上に固定されたコラム５上で移動するサドル６及び主軸頭７を有している。エンドミル９は、ホルダ８を介して主軸頭７の主軸７ａに保持されている。マシニングセンタ１は、ワーク４とエンドミル９とが制御装置１２の指令により相対移動することで切削加工をする。
そして、マシニングセンタ１には、カメラ１０及び解析装置１１が設けられている。カメラ１０は、エンドミル９によるワーク４の加工面模様を撮影する。カメラ１０は、本開示の加工面模様取得手段の一例である。
解析装置１１は、加工面模様解析手段１３と、伝達関数算出手段１４と、安定限界線図作成手段１５と、推奨切削条件算出手段１６とを備えている。

加工面模様解析手段１３は、カメラ１０から取得した加工面模様を解析して、工具系の振動情報である振動変位及び／又は振動周波数を算出する。加工面模様解析手段１３は、本開示の振動情報取得手段の一例である。
伝達関数算出手段１４は、加工面模様解析手段１３から得た振動情報から伝達関数を同定する。伝達関数算出手段１４は、本開示の伝達関数同定手段の一例である。
安定限界線図作成手段１５は、伝達関数算出手段１４から取得した伝達関数を基に安定限界線図を作成又は推測する。安定限界線図作成手段１５は、本開示の安定限界線図作成手段の一例である。
推奨切削条件算出手段１６は、安定限界線図作成手段１５から取得した安定限界線図に基づいて、最適な主軸回転速度及び／又は切込量を算出する。
制御装置１２は、推奨切削条件算出手段１６から取得した推奨切削条件に基づいて、主軸回転速度及び／又は切込量を変更する。推奨切削条件算出手段１６及び制御装置１２は、本開示の切削条件変更手段の一例である。

図２は、エンドミル９によるワーク４の側面加工の加工面模様から振動変位及び振動周波数を算出する方法を示す説明図である。図２（Ａ）のように加工面模様２１は、切削力によりエンドミル９が加振され微小に振動しながら切削されるため、１刃送りの加工面模様（回転方向に配置された刃が１回転毎に生成する加工面模様）２２は、均一な幅ではなく幅が変動する。なお、１刃送りの加工面模様２２は、図２（Ｂ）に示すエンドミル９のねじれ角２８により、図２（Ａ）の下から上方向に切削加工され、最小幅２３のとき振動によってエンドミル９が加工面から遠ざかって加工し、最大幅２４のとき振動によってエンドミル９は加工面に近づいて加工している。最小幅（ｗmin）２３と最大幅（ｗmax）２４のとき、どの程度の深さ（ｙmin、ｙmax）で加工しているかは、以下の式（１）で算出できる。ここで、Ｄは工具直径である。

振動変位（ｘ）は、深さの差であり、以下の式（２）で算出できる。

下方向から上方向への切削速度（Ｖ_{ｃ（ｕｐ）}）２７は、円周方向の切削速度（Ｖ_ｃ）２６とねじれ角（β）２８とから、以下の式（３）で算出できる。

また、下方向から上方向への切削速度２７と加工面模様２２の幅とが変動する長さ（Ｌ）２５とから、振動周波数ｆは、以下の式（4）で算出できる。

図３は、モーダルパラメータである「質量ｍ、ばね定数ｋ、減衰係数ｃ」を同定する方法の説明図である。主軸回転速度を変更して加工した加工面模様から振動変位及び振動周波数を算出し、振動変位と、切削力シミュレーションで求めた切削力との比をコンプライアンスとし、縦軸：コンプライアンス、横軸：振動周波数としてプロットしたものが伝達関数のグラフ３１である。なお、切削力は、切削力シミュレーションを行わず、実測してもよいし、予め作成しておいたデータベースを参照して取得してもよい。プロット点３２に対し、ガウス関数（以下の式（５））でカーブフィッティング３３して、伝達関数を推定する。なお、カーブフィッティングの方法はガウス関数以外を用いても良い。

ガウス関数から、コンプライアンス（Ｇmax）、固有振動数（ｆ_０）、減衰率（ξ）は、以下の式（６）～（８）で算出できる。

また、モーダルパラメータである質量（ｍ）、ばね定数（ｋ）、減衰係数（ｃ）は、以下の式（９）～（１１）で算出できる。

図４は、伝達関数を基に安定限界線図を作成し、主軸回転速度及び切込量を変更する図である。伝達関数を基にした安定限界線図の作成方法は、非特許文献３の方法を用いる。以下、手順を説明する。
（１）加工面模様から同定した伝達関数の実部が負となる領域においてびびり振動周波数ω_ｃを仮定する。
（２）以下の式（１２）より、安定限界ａ_limを算出する。ここで、Ｋ_ｆは比切削抵抗、Ｇは伝達関数の実部である。

（３）以下の式（１３）より、それぞれの波数ｋ＝０，１，２・・に対して回転速度ｎを算出する。

式（１３）をＴについて解くと、以下の式（１４）が求められる。ここで、Ｔは回転周期、ｎは主軸回転速度である。

（４）共振周波数近傍でωを変えて（１）から（３）を繰り返す。
そして、作成された図４の安定限界線図４１から、加工プログラムで最初に設定された初期切削条件４２より安定限界切込量の高い推奨切削条件４３に主軸回転速度を変更すると、初期切削条件４２より大きな切込量に変更しても安定して加工が可能となる。切込量の変更範囲は、初期切削条件４２の切込量以上かつ、安定限界線図４１の安定限界切込量以下である。

図５は、びびり振動抑制システムＳにおいて実行する第１の構成に係るびびり振動抑制方法の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップ（以下「Ｓ」）１では、制御装置１２が、初期切削条件４２で加工を行う。
Ｓ２では、加工面模様２１をカメラ１０で撮影する（加工面模様取得ステップ）。
Ｓ３では、Ｓ２で取得した加工面模様２１の画像から、加工面模様解析手段１３が工具系の振動変位及び振動周波数を算出する。
Ｓ４では、加工面模様解析手段１３が振動周波数から主軸回転速度の変動幅を算出する（Ｓ３，Ｓ４：振動情報取得ステップ）。
Ｓ５では、制御装置１２が、変動幅に基づいて主軸回転速度を変更して再び加工する。
Ｓ６では、加工面模様２１をカメラ１０で撮影する（加工面模様取得ステップ）。

Ｓ７では、Ｓ６で取得した加工面模様２１の画像から、加工面模様解析手段１３が工具系の振動変位及び振動周波数を算出する（振動情報取得ステップ）。
Ｓ８では、伝達関数算出手段１４が、振動変位を切削力シミュレーションで求めた切削力で除してコンプライアンスを算出する。
Ｓ９では、伝達関数算出手段１４が、縦軸：コンプライアンス、横軸：振動周波数としてプロットし、カーブフィッティングで伝達関数を推定する（Ｓ８，Ｓ９：伝達関数同定ステップ）。
Ｓ１０では、安定限界線図作成手段１５が、推定した伝達関数からモーダルパラメータ「質量ｍ、ばね定数ｋ、減衰係数ｃ」を同定する。
Ｓ１１では、安定限界線図作成手段１５が、モーダルパラメータをもとに安定限界線図４１を作成する（Ｓ１０，Ｓ１１：安定限界線図作成ステップ）。
Ｓ１２では、推奨切削条件算出手段１６が、安定限界線図４１から最適な主軸回転速度及び切込量を算出する（切削条件変更ステップ）。

上記形態のびびり振動抑制システムＳでは、エンドミル９（切削工具の一例）で切削加工されたワーク４の側面の加工面模様２１をカメラ１０で取得し（Ｓ２，Ｓ６）、取得した加工面模様２１から、工具系の振動変位及び振動周波数（振動情報の一例）を算出し（Ｓ３，Ｓ７）、取得した振動変位及び振動周波数から伝達関数を同定し（Ｓ８～Ｓ１０）、同定した伝達関数に基づいて安定限界線図４１を作成して（Ｓ１１）、作成した安定限界線図４１に基づいて、主軸回転速度及び切込量を変更する（Ｓ１２）。
この構成によれば、高価な測定器及び専門知識を必要とするハンマリング試験無しに、エンドミル９による側面加工の加工面模様２１から伝達関数を同定し、伝達関数を基に安定限界線図４１を作成し主軸回転速度及び切込量を変更することで、びびり振動を抑制することができる。この構成では、びびり振動の加工面模様２１から、びびり振動周波数を同定し、主軸回転速度を変更することを繰返し行う必要が無いため、工具にダメージが生じない。

なお、上記形態では、カメラによる加工面模様の撮影と振動情報の取得とを２回行っているが、３回以上行ってもよい。
上記形態では、振動情報として工具系の振動変位及び振動周波数を取得しているが、振動変位と振動周波数との何れか一方のみを取得してもよい。
上記形態では、推奨切削条件として主軸回転速度及び切込量を変更しているが、主軸回転速度と切込量との何れか一方のみを変更してもよい。
上記形態では、加工面模様をカメラにより取得しているが、加工面模様取得手段は、カメラに限らず、例えば図６に示すように、加工面模様２１は、レーザ式の変位計１０１で取得したり、図７に示すように、接触式の変位計１０２で取得したりしてもよい。
工作機械は、マシニングセンタ以外であってもよい。
びびり振動抑制システムは、上記形態のように制御装置と解析装置とを別に設ける他、制御装置に解析装置を組み込んで構成してもよい。また、解析装置は、工作機械と別に外部に設置してもよい。この場合、１つの解析装置で複数の工作機械の解析を行って個々の制御装置に推奨切削条件を提示することで、各工作機械でびびり振動抑制を図ることもできる。

１・・マシニングセンタ、２・・ベッド、３・・テーブル、４・・ワーク、５・・コラム、６・・サドル、７・・主軸頭、７ａ・・主軸、８・・ホルダ、９・・エンドミル、１０・・カメラ、１１・・解析装置、１２・・制御装置、１３・・加工面模様解析手段、１４・・伝達関数算出手段、１５・・安定限界線図作成手段、１６・・推奨切削条件算出手段、２１・・側面加工の加工面模様、２２・・１刃送りの加工面模様、２３・・加工面模様の最小幅、２４・・加工面模様の最大幅、２５・・加工面模様の幅が変動する長さ、２６・・円周方向の切削速度、２７・・下方向から上方向への切削速度、２８・・ねじれ角、３１・・伝達関数のグラフ、３２・・プロット点、３３・・カーブフィッティング、４１・・安定限界線図、４２・・初期切削条件、４３・・推奨切削条件。

Claims

主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制する方法であって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得ステップと、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得ステップと、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定ステップと、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成ステップと、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更ステップと、
を実行し、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記振動情報取得ステップでは、前記切削工具の回転方向に配置された刃が１回転毎に生成する加工面模様の幅の大小に基づいて前記振動変位を算出することを特徴とする工作機械のびびり振動抑制方法。
主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制する方法であって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得ステップと、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得ステップと、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定ステップと、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成ステップと、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更ステップと、
を実行し、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記振動情報取得ステップでは、前記切削工具の回転方向に配置された刃が１回転毎に生成する加工面模様の幅が変動する周期に基づいて、前記振動周波数を算出することを特徴とする工作機械のびびり振動抑制方法。
主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制する方法であって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得ステップと、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得ステップと、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定ステップと、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成ステップと、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更ステップと、
を実行し、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記伝達関数同定ステップでは、複数の主軸回転速度で加工して得られるそれぞれの前記振動周波数に対応したコンプライアンス値を、複数の主軸回転速度で加工して得られるそれぞれの前記振動変位と切削力との比から算出し、前記振動周波数と前記コンプライアンス値との関係に基づいて前記伝達関数を同定することを特徴とする工作機械のびびり振動抑制方法。
前記伝達関数同定ステップでは、複数の主軸回転速度で加工して得られるそれぞれの前記振動周波数に対応したコンプライアンス値を、複数の主軸回転速度で加工して得られるそれぞれの前記振動変位と切削力との比から算出し、前記振動周波数と前記コンプライアンス値との関係に基づいて前記伝達関数を同定することを特徴とする請求項２に記載の工作機械のびびり振動抑制方法。
前記安定限界線図作成ステップでは、前記伝達関数に対し、カーブフィッティングしてモーダルパラメータを同定し、同定した前記モーダルパラメータに基づいて前記安定限界線図を作成し、前記主軸回転速度及び／又は前記切込量を変更することを特徴とする請求項３に記載の工作機械のびびり振動抑制方法。
主軸に装着した切削工具を回転させてワークの側面を切削加工する工作機械において、加工に伴うびびり振動を抑制するシステムであって、
加工された前記側面の加工面模様を取得する加工面模様取得手段と、
取得した前記加工面模様から工具系の振動情報を算出する振動情報取得手段と、
取得した前記振動情報から伝達関数を同定する伝達関数同定手段と、
同定した前記伝達関数に基づいて安定限界線図を作成する安定限界線図作成手段と、
作成した前記安定限界線図に基づいて主軸回転速度及び／又は前記切削工具による切込量を変更する切削条件変更手段と、
を備え、
前記振動情報は、振動変位及び／又は振動周波数であり、
前記振動情報取得手段は、前記切削工具の回転方向に配置された刃が１回転毎に生成する加工面模様の幅の大小に基づいて前記振動変位を算出することを特徴とする工作機械のびびり振動抑制システム。