特許 5927904 工作機械の動特性算出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5927904

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月1日

(54)【発明の名称】工作機械の動特性算出装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/12 20060101AFI20160519BHJP

   B23Q 17/09 20060101ALI20160519BHJP

【ＦＩ】

   B23Q17/12

   B23Q17/09 H

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2011-283254(P2011-283254)

(22)【出願日】2011年12月26日

(65)【公開番号】特開2013-132706(P2013-132706A)

(43)【公開日】2013年7月8日

【審査請求日】2014年11月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】100089082

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 脩

(74)【代理人】

【識別番号】100130188

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 喜一

(72)【発明者】

【氏名】山田 良彦

(72)【発明者】

【氏名】濱田 賢治

(72)【発明者】

【氏名】東 孝幸

【審査官】 齊藤 彬

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１６７９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２２５２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 倉田 祐輔,鈴木 教和,社本 英二，エンドミル加工における実験結果を利用した伝達関数の逆同定，2008年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，日本，精密工学会，２００８年 ９月 ３日，第69-70ページ

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｑ １７／１２

Ｂ２３Ｑ １７／０９

Ｂ２３Ｑ １５／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周側に周方向に１以上の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を軸回りに回転しながら被加工物に対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、
断続的な切削加工により前記回転工具が加振された場合に、振動している状態の前記回転工具の変位量を検出する工具変位量検出手段と、
前記回転工具の切削抵抗を算出する切削抵抗算出手段と、
前記工具変位量検出手段が検出した振動している状態の前記回転工具の前記変位量、及び、前記切削抵抗算出手段によって算出された前記回転工具の前記切削抵抗に基づいて、前記回転工具の動特性である質量係数、弾性係数、及び粘性減衰係数の少なくとも１つを算出する動特性算出手段と、
を備える工作機械の動特性算出装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記被加工物の試し加工中において、前記工具変位量検出手段によって検出された振動している状態の前記回転工具の前記変位量に基づいて、前記動特性算出手段は、前記回転工具の前記動特性を算出する工作機械の動特性算出装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２において、
前記工具変位量検出手段は、撮像装置である工作機械の動特性算出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、切削加工を行う際に用いられるエンドミル等の回転工具の動特性を算出する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

エンドミル等の回転工具により切削加工を行う場合、回転工具の動特性を取得することは、適正な加工条件を決定する上で重要である。特許文献１には、主軸にアンバランスマスタを装着して、当該アンバランスマスタの振れ量を振れ量測定器によって検出し、主軸の動剛性を算出する技術が提案されている。しかしながら、特許文献１に示される技術では、主軸の動剛性を算出することはできるが、回転工具の動特性を取得することはできなかった。このため、従来では、作業者が回転工具をハンマーで叩いて、回転工具を加振させ、回転工具の共振周波数を測定し（ハンマリング試験）、この共振周波数から動特性を算出するのが一般的であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０−２７４３７５号公報（図１）

【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、このような方法で、動特性を算出するには、回転工具に加速度計を取り付けたうえで、回転工具をハンマーで叩く必要があることから、動特性の計測に時間がかかるという問題があった。また、作業者がハンマーで回転工具叩いた後に、復元する回転工具がハンマーに接触してしまうことがあり、この場合には測定ミスとなることから、ハンマーの叩き方に経験を要するという問題があった。更に、主軸回転中においては、ハンマリング試験により動特性を計測することができず、主軸が静止時と回転中とでは、軸受の剛性が異なることから、正確な動特性を算出することができないという問題があった。

【0005】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、手間をかけず正確な回転工具の動特性を取得することができる工作機械の動特性算出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（請求項１）
外周側に周方向に１以上の刃部を備える回転工具を用いて、当該回転工具を軸回りに回転しながら被加工物に対して相対移動して断続的な切削加工を行う工作機械の動特性を算出する装置であって、断続的な切削加工により前記回転工具が加振された場合に、振動している状態の前記回転工具の変位量を検出する工具変位量検出手段と、前記回転工具の前記切削抵抗を算出する切削抵抗算出手段と、前記工具変位量検出手段が検出した振動している状態の前記回転工具の前記変位量、及び、前記切削抵抗算出手段によって算出された前記回転工具の前記切削抵抗に基づいて、前記回転工具の動特性である質量係数、弾性係数、及び粘性減衰係数の少なくとも１つを算出する動特性算出手段と、を備える。

【0007】

（請求項２）
前記被加工物の試し加工中において、前記工具変位量検出手段によって検出された振動している状態の前記回転工具の前記変位量に基づいて、前記動特性算出手段は、前記回転工具の前記動特性を算出する。

【0008】

（請求項３）
回転工具変位量検出手段は、撮像装置であってもよい。

【発明の効果】

【0009】

（請求項１）
動特性算出手段は、回転工具の変位量、及び、回転工具の切削抵抗に基づいて、回転工具の動特性である質量係数、弾性係数、及び粘性減衰係数の少なくとも１つを算出する。これにより、回転工具が取り付けられる主軸の回転中における回転工具の動特性が算出される。このため、主軸が停止している状態で動特性を算出する場合と比較して、正確に動特性を取得することが可能となる。また、工具変位量検出手段は、断続的な切削加工により加振された回転工具の変位量を検出し、当該検出された回転工具の変位量に基づいて、動特性を算出する。このため、従来のように、回転工具に加速度計を取り付ける必要もなく、ハンマーの叩き方にも経験を要さないことから、手間をかけずに動特性を取得することができる。

【0010】

（請求項２）
被加工物の試し加工中において、前記工具変位量検出手段によって検出された振動している状態の前記回転工具の変位量に基づいて、前記動特性算出手段は、回転工具の動特性を算出する。これにより、最終製品の品質に影響すること無く、回転工具の動特性を算出することができる。

【0011】

（請求項３）
撮像装置によって、切削加工中の回転工具の変位量を検出する。これにより、撮像装置によって撮像された回転工具を含む画像データから、回転工具の外縁を検出し、回転工具の変位を検出する。このため、従来のように、加速度センサ等によって回転工具の変位を検出する方法と比較して、回転工具が取り付けられる回転主軸の回転に伴う振動等のノイズの影響を受けず、より高精度に回転工具の変位を検出することができ、微少な回転工具の変位も検出することができる。また、加速度センサを取り付けることができない小径の回転工具であっても、動特性を取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態における工作機械の構成を示す図である。

【図2】ワーク、回転工具、及び、高速度カメラの位置関係を表した上面図である。

【図3】回転工具に生じる切削抵抗を示す説明図である。

【図4】加工誤差の発生メカニズムを説明するための図であって、回転工具に生じる切削抵抗、実切込量、及び、回転工具の回転中心の変位の経過時間に対する挙動を示す。

【図5】図４の各時刻における回転工具と被加工物との位置関係を示す。

【図6】本実施形態の工作機械の機能ブロック図である。

【図7】回転工具の反切込方向Ｙの変位Ｔｙの経時変化を表したグラフである。

【図8】図６の動特性算出部による動特性算出処理を示すフローチャートである。

【図9】回転工具の変移、変形速度、及び、切削速度の経時変化を表したグラフである。

【図10】図１の制御部で実行される動特性算出・加工処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（１．対象工作機械の構成）
本実施形態の動特性算出装置を適用する工作機械１００の構成について説明する。工作機械１００は、被加工物Ｗを回転工具により切削加工する工作機械である。その工作機械１００の一例として、図１を参照して説明する。図１に示すように、工作機械１００は、ベッド１と、回転工具５を保持する回転主軸４と、ベッド１上にて被加工物Ｗを載置するテーブル６、回転工具５を撮像する高速度カメラ９、工作機械１００の統括制御を行う制御部５０とを備える。

【0014】

ここで、回転工具５は、外周側に周方向に１以上の刃部５ａ，５ｂを備える。回転工具５は、例えば、ボールエンドミル、スクエアエンドミル、フライスなどを含む。回転主軸４は、図示しないアクチュエータによって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能となっている。工作機械１００は、回転工具５を軸回りに回転しながら、被加工物Ｗに対して相対移動することにより、断続的な切削加工を行う。

【0015】

制御部５０は、各種プログラムが実行されるＣＰＵ５０ａ、及び、ＣＰＵ５０ａで実行されるプログラムや各種設定値が記憶される記憶部５０ｂを有している。記憶部５０ｂに記憶されＣＰＵ５０ａで実行されるプログラムは、後述の図６に示す各算出部、処理部、制御部に相当する。記憶部５０ｂは、後述の図６に示す各記憶部に相当する。なお、後述の図６に示す各算出部、処理部を、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で構成しても差し支え無い。

【0016】

高速度カメラ９は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子と、この撮像素子に被写像を結像するレンズを有していて、回転工具５の側方に配置されている。高速度カメラ９は、回転工具５を側方から連続的に（例えば５０００フレーム／秒）撮像する。高速度カメラ９で撮像された回転工具５を含む画像は、制御部５０に出力される。図２に示した実施形態では高速度カメラ９は、回転工具５に対して送り方向Ｘに配設され、回転工具５の反切込方向Ｙの変形が撮像できるようになっている。なお、制御部５０、及び、高速度カメラ９が、回転工具５の動特性を算出する動特性算出装置に相当する。図示しないが、工作機械１００は、クーラントを供給するクーラントノズル、クーラントポンプなどを備える。

【0017】

（２．加工中の回転工具に作用する切削抵抗及び変位の説明）
以下に、図３を参照して、加工中の回転工具５に作用する切削抵抗及び変位を説明する。被加工物Ｗを切削中の回転工具５には、反切込方向Ｙの切削抵抗Ｆｙ及び反送り方向の切削抵抗Ｆｘが生じる。つまり、回転工具５の先端側の回転中心Ｃは、各方向の切削抵抗Ｆｘ，Ｆｙの合成抵抗Ｆｘｙの方向に変位Ｔする（図２示）。そして、切削抵抗Ｆｙによって、回転工具５の先端側（刃部５ａ，５ｂの部位）の回転中心Ｃが反切込方向Ｙの変位Ｔｙすることにより、被加工物Ｗの加工後形状が変化する。なお、図３には、スクエアエンドミルを図示しているが、ボールエンドミルの場合も同様である。

【0018】

ここで、回転工具５に生じる切削抵抗Ｆｙが一定であれば、回転工具５の先端側の撓み量は一定となる。しかし、回転工具５による断続的な切削加工においては、回転工具５に生じる切削抵抗Ｆｙは逐次変化する。そのため、回転工具５の先端側の回転中心Ｃの変位量は、主としてＹ方向に逐次変化するこのときの回転工具５の先端側の回転中心Ｃの変位量と切削抵抗Ｆｙとは、回転工具５の動特性に依存する。工具の動特性とは、入力された力に対する変形の挙動を示すものであり、伝達関数（コンプライアンスおよび位相遅れ）もしくはそれから算出される質量係数Ｍ、粘性減衰係数Ｃ、弾性係数（バネ乗数）Ｋ、固有振動数ｆｄ、減衰率ζなどにより表される。図２に示すように、本実施形態では、上面視した場合に、回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙが、高速度カメラ９によって撮像されて検出される。

【0019】

次に、回転工具５を回転しかつ送りながら被加工物Ｗの断続的な切削加工を行う際において、回転工具５に作用する切削抵抗Ｆｙ及び回転工具５の先端側の回転中心Ｃの変位量Ｔｙの経過時間ｔに対する挙動について、図４及び図５を参照して説明する。ここでは、反切込方向（Ｙ方向）における切削抵抗Ｆｙ及び先端側の回転中心Ｃの変位量Ｔｙについて取り上げて説明する。

【0020】

図４の実線と図５（ａ）〜（ｅ）を参照して、切削抵抗Ｆｙの経過時間ｔに対する挙動について説明する。図４の実線に示すように、切削抵抗Ｆｙは、ゼロ付近から時刻ｔ１にて大きな値に変化し、時刻ｔ２に再びゼロ付近に変化している。図５（ａ）（ｂ）が、それぞれ図４の時刻ｔ１，ｔ２に対応する。図５（ａ）に示すように、時刻ｔ１は、一方の刃部５ａが被加工物Ｗに接触開始した瞬間である。つまり、時刻ｔ１は、一方の刃部５ａにより切削加工を開始した瞬間である。一方、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ２は、一方の刃部５ａによる被加工物Ｗの切削加工を終了した瞬間である。このように、ｔ１〜ｔ２の間において、一方の刃部５ａが切削加工している。

【0021】

その後、図４に示すように、ｔ２〜ｔ４の間は、切削抵抗Ｆｙがゼロとなっている。この間は、時刻ｔ３に対応する図５（ｃ）に示すように、両方の刃部５ａ，５ｂが被加工物Ｗに接触していない。つまり、回転工具５は空転している。

【0022】

その後、図４に示すように、切削抵抗Ｆｙが時刻ｔ４に再び大きな値に変化し、時刻ｔ５に再びゼロ付近に変化している。図４の時刻ｔ４には、対応する図５（ｄ）に示すように、他方の刃部５ｂが被加工物Ｗに接触開始している。つまり、他方の刃部５ｂにより切削加工を開始している。また、図４の時刻ｔ５には、対応する図５（ｅ）に示すように、他方の刃部５ｂによる切削加工を終了している。このように、ｔ４〜ｔ５の間において、他方の刃部５ｂが切削加工している。

【0023】

ここで、図５における今回の切削領域より、ｔ１〜ｔ２、ｔ４〜ｔ５の各瞬間において、実切込量ｈ（瞬間的な切込量）が異なることが分かる。つまり、実切込量ｈは、切削開始から一気に多くなり、ピークに達した後に徐々に少なくなっている。より詳細には、前回切削されていない部位と前回切削された部位との境界の前後で変化している。そして、図４の切削抵抗Ｆｙのうち急激に大きくなっている部分に示すように、切削加工中の切削抵抗Ｆｙは、略三角形状になっており、実切込量ｈに応じて変化していることが分かる。

【0024】

また、回転工具５は、時刻ｔ１，ｔ４において切削加工を開始するということは、換言すると、時刻ｔ１，ｔ４において被加工物Ｗに衝突するということになる。つまり、回転工具５が空転状態から切削加工を開始する瞬間には、回転工具５には、被加工物Ｗとの衝突による断続的な切削抵抗Ｆｙが発生する。

【0025】

つまり、回転工具５の先端側の回転中心Ｃは、切削加工している間の切削抵抗Ｆｙの変動によって、少なくとも反切込方向（Ｙ方向）への加速度を生じる。さらに、断続切削であることによって、回転工具５の先端側の回転中心Ｃは、切削加工している間の切削抵抗Ｆｙ（衝撃力のような力）に起因して、少なくとも反切込方向（Ｙ方向）に振動する（加振される）。

【0026】

従って、回転工具５の先端側の回転中心Ｃの変位量Ｔｙは、図４の破線に示すように、回転工具５の固有値に応じて振動している。特に、切削加工中に変動する切削抵抗Ｆｙが加振源となり振動を起こし、回転工具５が空転している間に、減衰している。そして、再び、切削抵抗Ｆｙにより変位量Ｔｙが大きくなり、繰り返す。

【0027】

（３．工作機械の機能構成）
次に、工作機械１００の機能構成についての詳細を図６〜図１０を参照して説明する。工作機械１００は、図６の機能ブロック図に示すように構成される。以下に、図６に示す工作機械１００の機能構成について説明する。

【0028】

切削抵抗検出センサ７１は、切削加工中において回転工具５に作用する反切込方向Ｙの切削抵抗Ｆｙを検出し、検出信号を切削抵抗算出部３２に出力する。例えば、切削抵抗検出センサ７１は、荷重センサ、変位センサ、送り軸の駆動モータの消費電力検出器、供給電流センサなどを適用できる。つまり、荷重センサにより切削抵抗Ｆｙそのものを直接検出することもできるし、変位センサやその他により間接的に切削抵抗Ｆｙを検出することもできる。

【0029】

切削抵抗算出部３２は、切削抵抗検出センサ７１から出力された検出信号に基づいて、切削加工中において回転工具５に作用する反切込方向Ｙの切削抵抗Ｆｙを算出する。なお、切削抵抗算出部３２は、回転工具５の情報や加工条件から、シミュレーションにより、切削加工中において回転工具５に作用する反切込方向Ｙの切削抵抗Ｆｙを算出しても差し支え無い。

【0030】

工具変位量算出部３５は、高速度カメラ９で撮像された回転工具５の回転中心Ｃの反切込方向Ｙの変位Ｔｙを算出する。具体的には、工具変位量算出部３５は、撮像された回転工具５を含む画像データから、その明暗差等により回転工具５の画像とそれ以外（例えば背景）の部分の画像の境界（エッジ）を検出することにより、回転工具５の外縁を検出する。そして、工具変位量算出部３５は、１フレーム毎に、回転工具５の軸方向所定位置において、回転工具５の外縁が反切込方向Ｙに何ピクセル移動したかを検出することにより、回転工具５の回転中心Ｃの反切込方向Ｙの変位Ｔｙを算出する。このようにして、断続的な切削加工により加振され振動している状態の回転工具５の変位量（図７示）が連続的に算出される。なお、刃部５ａ，５ｂの有無によって、回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙが影響しないように、回転工具５の外縁の検出は、回転工具５の刃部５ａ，５ｂが形成されていない基部の外周面において行われる。

【0031】

工具変位量記憶部３６には、図７に示すように、断続的な切削加工により加振され振動している状態の回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙの経時変化が連続的に記憶される。図７に示すように、回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙは、回転工具１５の刃部５ａ、刃部５ｂのいずれかが最初に被加工物Ｗに当接した後に、最大の変位Ｔｙ１となり、その後、徐々に減衰しながら一定の周期Ｔで振動する。

【0032】

動特性算出部３７は、工具変位量記憶部３６に記憶されている回転工具５の反切込方向Ｙの連続的な変位Ｔｙ、及び、切削抵抗算出部３２で算出された切削抵抗Ｆｙに基づいて、回転工具５の動特性を算出する。動特性算出部３７による回転工具５の動特性（固有振動数ｆｄ、角固有振動数ωｄ、減衰率ζ、質量係数Ｍ、粘性減衰係数Ｃ、弾性係数Ｋ）の算出について、図８に示すフローチャートを参照して以下に説明する。

【0033】

まず、動特性算出部３７は、工具変位量記憶部３６の記憶されている回転工具５の反切込方向Ｙの連続的な変位Ｔｙに基づき、変位Ｔｙの角固有振動数ωｄを算出する（Ｓ２１）。具体的には、まず、式（１）に示すように、動特性算出部３７は、回転工具１５の最大変位Ｔｙ１、Ｔｙ２の時刻ｔ１、ｔ２の間隔を検出して、変位Ｔｙの周期Ｔ［ｓ］（図７示）を検出する。

【0034】

（数１）
Ｔ［ｓ］＝ｔ２−ｔ１・・・（１）

【0035】

次に、動特性算出部３７は、式（２）に示すように、変位Ｔｙの周期Ｔの逆数から、変位Ｔｙの固有振動数ｆｄ［Ｈｚ］を算出する。

【0036】

（数２）
ｆｄ＝１／Ｔ・・・（２）
ｆｄ：固有振動数

【0037】

次に、動特性算出部３７は、式（３）に示すように、変位Ｔｙの角固有振動数ωｄ［ｒａｄ／ｓ］を算出する（Ｓ２１）。

【0038】

（数３）
ωｄ＝２πｆｄ・・・（３）
ωｄ：角固有振動数

【0039】

次に、動特性算出部３７は、工具変位量記憶部３６の記憶されている回転工具５の反切込方向Ｙの連続的な変位Ｔｙに基づき、式（４）に示すように、回転工具１５の最大変位Ｔｙ１、Ｔｙ２（図７示）から、回転工具５の振動の減衰率ζを算出する（Ｓ２２）。

【0040】

【数4】

【0041】

次に、動特性算出部３７は、工具変位量記憶部３６の記憶されている回転工具５の反切込方向Ｙの連続的な変位Ｔｙに基づき、一方の刃部５ａが被加工物Ｗに接触開始した瞬間の時刻ｔ０（図９示）から一方の刃部５ａによる被加工物Ｗの切削加工を終了した瞬間の時刻ｔ１（図９示）までの変位Ｔｙの積分値Ａｋ（図９示）を算出する（Ｓ２３）。

【0042】

次に、動特性算出部３７は、工具変位量記憶部３６の記憶されている回転工具５の反切込方向Ｙの連続的な変位Ｔｙを時間微分することにより、回転工具５の変形速度Ｖｙ（図９示）を算出するとともに、変形速度Ｖｙを上記時刻ｔ０から時刻ｔ１まで時間積分し、回転工具５の変形速度Ｖｙの積分値Ａｃ（図９示）を算出する（Ｓ２４）。

【0043】

次に、動特性算出部３７は、切削抵抗算出部３２により算出された切削抵抗Ｆｙを上述した時刻ｔ０から時刻ｔ１まで時間積分し、回転工具５の切削抵抗Ｆｙの積分値Ａｔ（図９示）を算出する（Ｓ２５）。

【0044】

次に、動特性算出部３７は、質量係数Ｍを算出する（Ｓ２６）。以下に、質量係数Ｍ算出手法を説明する。
被加工物Ｗを切削加工中の回転工具５に作用する力Ｆは、回転工具５に作用する反切込方向Ｙの切削抵抗Ｆｙ、回転工具５の弾性による力Ｆｋ、及び、回転工具５の粘性減衰による力Ｆｃの合力であるので、下式（５）で表される。

【0045】

（数５）
Ｆ＝Ｆｙ＋Ｆｋ＋Ｆｃ・・・（５）

Ｆ：回転工具５に作用する反切込方向Ｙの力
Ｆｙ：回転工具５に作用する反切込方向Ｙの切削抵抗
Ｆｋ：回転工具５の弾性による力
Ｆｃ：回転工具５の粘性減衰による力

【0046】

ここで、Ｆｋは下式（６）で表される。

【0047】

（数６）
Ｆｋ＝−ＫＴｙ・・・（６）

Ｆｋ：回転工具５の弾性による力
Ｋ：回転工具５の弾性係数
Ｔｙ：回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙ

【0048】

また、Ｆｃは下式（７）で表される。

【0049】

（数７）
Ｆｃ＝−ＣＶｙ・・・（７）

Ｆｃ：回転工具５の粘性減衰による力
Ｃ：回転工具５の粘性減衰係数
Ｖｙ：回転工具５の反切込方向Ｙの変形速度Ｖｙ

【0050】

次に、回転工具５の質量係数Ｍとし、回転工具５の加速度をａとすると、上式（５）及び下式（８）から式（９）が導かれる。

【0051】

（数８）
Ｆ＝Ｍａ・・・（８）

Ｆ：回転工具５に作用する反切込方向Ｙの力
Ｍ：回転工具５の質量係数
ａ：回転工具５の加速度

【0052】

（数９）
ａ＝（Ｆｙ＋Ｆｋ＋Ｆｃ）／Ｍ・・・（９）

【0053】

ここで、上記時刻ｔ０での回転工具５の変形速度をＶ０（図９示）、上記時刻ｔ１での回転工具５の変形速度をＶ１（図９示）とすると、その間の回転工具５の速度変化量ΔＶｙ＝（Ｖ１−Ｖ０）は、回転工具５の加速度ａを上記時刻ｔ０から時刻ｔ１まで時間積分した値であるので、上式（９）に上式（６）、（７）を代入し、上記時刻ｔ０から時刻ｔ１まで時間積分すると、下式（１０）が導かれる。

【0054】

【数10】

【0055】

上式（１０）に、Ｓ２５において算出した切削抵抗Ｆｙの積分値Ａｔ、Ｓ２３において算出した変位Ｔｙの積分値Ａｋ、及び、Ｓ２４において算出した変形速度Ｖｙの積分値Ａｃを代入すると、下式（１１）が導かれる。

【0056】

（数１１）
ＭΔＶｙ＝Ａｔ−ＫＡｋ-ＣＡｃ…（１１）

【0057】

ここで、減衰率ζが十分に小さいとすると、減衰振動の運動方程式から、角固有振動数ωｄは、下式（１２）で表される。

【0058】

（数１２）
ωｄ＝√（Ｋ／Ｍ）…（１２）
ωｄ：角固有振動数
Ｋ：弾性係数
Ｃ：粘性減衰係数

【0059】

上式（１２）を変形させると、弾性係数Ｋは下式（１３）で表される。

【0060】

（数１３）
Ｋ＝ωｄ^２Ｍ…（１３）

【0061】

一方で、減衰振動の運動方程式から、減衰率ζは、下式（１４）で表される。

【0062】

（数１４）
ζ＝Ｃ／２√（Ｋ・Ｍ）…（１４）
ζ：減衰率
Ｋ：弾性係数
Ｃ：粘性減衰係数

【0063】

上式（１４）を変形し、上式（１２）を代入すると、粘性減衰係数Ｃは、下式（１５）で表される。

【0064】

（数１５）
Ｃ＝２ζ√（Ｋ・Ｍ）＝２ζωｄＭ…（１５）

【0065】

次に、上式（１１）に、上式（１３）及び上式（１５）を代入すると、下式（１６）が導き出される。

【0066】

（数１６）
Ａｔ＝ＭΔＶｙ＋Ｍωｄ^２Ａｋ＋２ＭζωｄＡｃ…（１６）

【0067】

そして、上式（１６）を変形すると、下式（１７）が導きだされる。
（数１７）
Ｍ＝Ａｔ／（ΔＶｙ＋ωｄ^２Ａｋ＋２ζωｄＡｃ）…（１７）

【0068】

次に、上式（１７）に、Ｓ２１で算出した角固有振動数ωｄ、Ｓ２２で算出した減衰率ζを代入すると、回転工具５の質量係数Ｍが算出される。

【0069】

次に、動特性算出部３７は、上式（１３）に、Ｓ２１で算出した角固有振動数ωｄ、及び、Ｓ２６で算出した質量係数Ｍを代入することにより、回転工具５の弾性係数Ｋを算出する（Ｓ２７）。

【0070】

最後に、動特性算出部３７は、上式（１５）に、Ｓ２１で算出した角固有振動数ωｄ、Ｓ２２で算出した減衰率ζ、Ｓ２６で算出した質量係数Ｍを代入することにより、回転工具５の粘性減衰係数Ｃを算出する（Ｓ２８）。

【0071】

工具動特性記憶部３８は、動特性算出部３７によって算出された回転工具５の固有振動数ｆｄ、角固有振動数ωｄ、減衰率ζ、質量係数Ｍ、粘性減衰係数Ｃ、弾性係数（バネ乗数）Ｋからなる回転工具５の動特性を記憶する。

【0072】

加工条件決定処理部３９は、工具動特性記憶部３８に記憶されている動特性に基づいて、切削加工の加工条件を決定する。例えば、加工条件決定処理部３９は、回転工具５の固有振動数ｆｄ（共振周波数）に基づいて、回転工具５の固有振動数ｆｄを避けるように、回転工具５の回転速度Ｓ（回転主軸４の回転速度）を決定する。なお、加工条件決定処理部３９は、切削加工の加工条件を決定して、ＮＣデータそのものを変更することもできるし、切削加工中に切削加工の加工条件を補正することもできる。

【0073】

機械制御部４１は、ＮＣデータ、及び、加工条件決定処理部３９にて決定された切削加工の加工条件に基づいて、各駆動部６１を制御する。駆動部６１には、回転主軸４を回転させるモータ、回転主軸４をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動するアクチュエータが含まれる。

【0074】

（４．動特性算出・加工処理の説明）
次に、図６及び図１０のフローチャートを参照して、図１や図６に示す制御部５０の各算出部、加工条件決定処理部３９、及び、機械制御部４１が実行する動特性算出・加工処理について説明する。まず、機械制御部４１は、駆動部６１に制御信号を出力することにより、試し加工を実行する（Ｓ１０１）。この試し加工は、製品の品質に影響しない箇所の加工や仕上げ加工前の粗加工、或いは、テストピースによる切削が含まれる。次に、工具変位量算出部３５は、上述した処理によって、高速度カメラ９が撮像した回転工具１５を含む撮像データに基づいて、回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙを算出して、試し加工中において加振され振動している回転工具５の変位Ｔｙを検出する（Ｓ１０２）。

【0075】

次に、切削抵抗算出部３２は、上述した処理によって、試し加工中の切削抵抗Ｆｙを算出する（Ｓ１０３）。次に、動特性算出部３７は、上述した処理によって、Ｓ１０２で検出した試し加工中の回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙ、及び、Ｓ１０３で算出した試し加工中の切削抵抗Ｆｙに基づいて、回転工具５の固有振動数ｆｄ、角固有振動数ωｄ、減衰率ζ、質量係数Ｍ、粘性減衰係数Ｃ、及び、弾性係数Ｋからなる回転工具５の動特性を算出する（Ｓ１０３）。

【0076】

次に、加工条件決定処理部３９は、Ｓ１０３で算出された動特性に基づいて、加工条件を決定する（Ｓ１０５）。次に、機械制御部４１は、ＮＣデータ、及び、Ｓ１０５で決定された加工条件に基づいて、駆動部６１に制御信号を出力することにより、本加工を実行し（Ｓ１０６）、製品を完成させる。このように、Ｓ１０１において、最終製品の品質に影響しない箇所の被加工物Ｗを切削加工することにより、Ｓ１０２において試し加工中の回転工具５の変位量Ｔｙを検出し、Ｓ１０４において回転工具５の動特性を算出し、Ｓ１０５において、算出された動特性によって加工条件を決定し、Ｓ１０６において、加工条件が最適化された状態で、本加工を行うので、最終製品の品質に影響することなく、より精度高く切削加工を行うことができる。

【0077】

上述した動特性算出装置によれば、以下のような効果を奏する。図６に示す動特性算出部３７（動特性算出手段）は、工具変位量算出部３５が算出した切削加工中の回転工具５の反切込方向Ｙの変位量Ｔｙ、切削抵抗算出部３２によって算出された回転工具５の反切込方向Ｙの切削抵抗Ｆｙに基づいて、回転工具５の動特性を算出する。これにより、回転主軸４が回転中の回転工具５の動特性が算出される。このため、回転主軸４が停止している状態で動特性を算出する場合と比較して、正確に動特性を算出して取得することが可能となる。また、高速度カメラ９（工具変位量検出手段）は、断続的な切削加工により加振された回転工具５の反切込方向Ｙの変位量Ｔｙを検出し、当該検出された回転工具５の変位量Ｔｙに基づいて、動特性を算出する。このため、従来のように、回転工具５に加速度計を取り付ける必要もなく、ハンマーの叩き方にも経験を要さないことから、手間をかけずに動特性を取得することができる。

【0078】

また、被加工物Ｗの試し加工中において、高速度カメラ９（工具変位量検出手段）によって検出された振動している状態の回転工具５の変位量に基づいて、動特性算出部３７（動特性算出手段）は、回転工具５の動特性を算出する。これにより、最終製品の品質に影響すること無く、回転工具５の動特性を算出することができる。

【0079】

また、本実施形態では、高速度カメラ９（撮像装置）によって、切削加工中の回転工具５の変位量を検出している。そして、高速度カメラ９によって撮像された回転工具５を含む画像データから、回転工具５の外縁を検出し、回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙを検出する。このため、従来のように、加速度センサ等によって回転工具５の変位を検出する方法と比較して、回転主軸４の回転に伴う振動等のノイズの影響を受けず、より高精度に回転工具５の反切込方向Ｙの変位を検出することができ、微少な回転工具５の変位も検出することができる。また、加速度センサを取り付けることができない小径の回転工具５であっても、回転工具５の動特性を取得することができる。

【0080】

以上説明した実施形態では、被加工物Ｗを切削加工中の回転工具５の反切込方向Ｙの変位量Ｔｙを検出する工具変位量検出手段として、高速度カメラ９を用いている。しかし、前記工具変位量検出手段として、レーザ発光素子とレーザ受光素子からなり、レーザ発光素子が切削加工中の回転工具５にレーザを照射し、回転工具５によって反射されレーザ受光素子によって受光したレーザにより、切削加工中の回転工具５の反切込方向Ｙの変位量Ｔｙを検出するレーザ式変位センサであっても差し支え無い。或いは、前記工具変位量検出手段として、回転主軸４内に設けられ、回転主軸４の変位量を検出する主軸内部変位センサと、回転主軸４の変位量より切削加工中の回転工具５の反切込方向Ｙの変位量Ｔｙを算出する工具変位量算出部とからなる主軸内部変位センサシステムであっても差し支え無い。

【0081】

なお、回転工具５の共振点が複数ある場合には、回転工具５の反切込方向Ｙの変位Ｔｙのうち、回転工具５の回転周期の整数倍分だけ切り出して、拡散フーリエ展開（ＤＦＴ）によって回転工具５の動特性を算出することが好ましい。

【符号の説明】

【0082】

５：回転工具、 ５ａ，５ｂ：刃部、 ９…高速度カメラ（撮像装置、工具変位量検出手段）、 ３２：切削抵抗算出部（切削抵抗算出手段）、 ３７：動特性算出部（動特性算出手段）、 ５０：制御部、 １００…工作機械、 Ｗ：被加工物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】