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JP7484408B2 - Stability limit analysis device for machine tools - Google Patents

Stability limit analysis device for machine tools Download PDF

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JP7484408B2 JP2020087179A JP2020087179A JP7484408B2 JP 7484408 B2 JP7484408 B2 JP 7484408B2 JP 2020087179 A JP2020087179 A JP 2020087179A JP 2020087179 A JP2020087179 A JP 2020087179A JP 7484408 B2 JP7484408 B2 JP 7484408B2
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Description

本発明は、工作機械に関する安定限界解析装置に関するものである。 The present invention relates to a stability limit analysis device for machine tools.

工具により工作物を加工する工作機械において、びびり現象の発生を抑制することは、工作物の加工精度を良好にするためには重要である。そこで、工具に対するハンマリング試験等により工作機械の周波数応答特性を把握し、工作機械の安定限界解析を行うことが知られている。安定限界解析の結果に基づいて、安定領域に含まれるような加工条件を決定することにより、びびり現象の発生を抑制することが可能となる。 In machine tools that use tools to machine workpieces, suppressing the occurrence of chatter is important for improving the machining accuracy of the workpiece. It is known to grasp the frequency response characteristics of the machine tool by performing hammering tests on the tools, etc., and to perform a stability limit analysis of the machine tool. By determining machining conditions that fall within the stable region based on the results of the stability limit analysis, it is possible to suppress the occurrence of chatter.

ハンマリング試験等は、工作機械の工具主軸が停止した状態で行われるため、実際の加工時とは異なる状態である。そこで、特許文献1には、工具が装着される付近に振動を検出するセンサを配置し、実際の加工時における当該センサの検出値を用いて安定限界解析の条件を設定することが記載されている。また、特許文献2にも、安定限界解析を行うことが記載されている。 Hammering tests and the like are performed with the tool spindle of the machine tool stopped, which is a different state from actual machining. Therefore, Patent Document 1 describes placing a sensor that detects vibrations near where the tool is attached, and setting the conditions for stability limit analysis using the detection value of the sensor during actual machining. Patent Document 2 also describes performing a stability limit analysis.

特開2018-126837号公報JP 2018-126837 A 特開2007-222981号公報JP 2007-222981 A

安定限界解析結果を用いて、びびり現象の発生を抑制するための対策として、加工条件の変更、各構造体および支持要素の設計変更等がある。安定限界解析するための動特性測定方法にハンマリング試験が挙げられる。ハンマリング試験の測定値や実加工時における工具付近の振動には、工具自身の振動に加えて、工具主軸の振動、その他の工作機械の構造体の振動等、種々の振動成分が含まれている。しかし、ハンマリング試験等の測定値からは、周波数領域における各ピークが工作機械のどの部位を原因とする振動であるかを特定できない。従って、びびり現象の原因となる振動モードを把握できず、適切な対策を講じることは容易ではない。びびり現象の原因となる振動モードを把握するためには、機械モデルベースでの解析等が考えられるが、安定限界解析を行うに当たり、解析時間を短くしつつ、解析条件の設定を容易にすることが求められる。 Measures to suppress the occurrence of chatter using the results of stability limit analysis include changing the machining conditions and changing the design of each structure and support element. A hammering test is one of the dynamic characteristic measurement methods for stability limit analysis. The measured values of a hammering test and the vibrations around the tool during actual machining contain various vibration components, such as the tool spindle vibration and other machine tool structures vibrations in addition to the vibration of the tool itself. However, the measured values of a hammering test, etc., do not identify which part of the machine tool is causing each peak in the frequency domain. Therefore, it is not possible to identify the vibration mode that causes chatter, and it is not easy to take appropriate measures. In order to identify the vibration mode that causes chatter, a machine model-based analysis can be considered, but when performing a stability limit analysis, it is necessary to shorten the analysis time and make it easy to set the analysis conditions.

本発明は、安定限界解析結果からびびり現象の発生を抑制するための対策を検討可能な工作機械の安定限界解析装置に関して、解析時間を短くしつつ、解析条件の設定が容易である振動解析モデルを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a vibration analysis model that shortens analysis time and makes it easy to set analysis conditions for a machine tool stability limit analysis device that can consider measures to suppress the occurrence of chatter phenomena from the stability limit analysis results.

本発明に係る工作機械に関する安定限界解析装置は、複数の構造体により構成される工作機械において工具により工作物を加工する際の安定限界解析装置であって、前記複数の構造体のそれぞれを剛体とする剛体要素と前記剛体要素を支持する支持要素とにより構成される剛体モデルを記憶する剛体モデル記憶部と、前記複数の構造体の一部を対象とし且つ曲げモードを表現可能な弾性体モデルを記憶する弾性体モデル記憶部と、前記剛体モデルを用いた第一基準に対する第一対象構造体の位置および姿勢の変化に関する第一解析の結果と前記弾性体モデルを用いた第二対象構造体の変形に関する第二解析の結果とに基づいて、前記工作機械に関する安定限界解析を行う解析部とを備える。 The stability limit analysis device for a machine tool according to the present invention is a stability limit analysis device for machining a workpiece with a tool in a machine tool composed of multiple structures, and includes a rigid body model storage unit that stores a rigid body model composed of rigid elements that make each of the multiple structures a rigid body and support elements that support the rigid body elements, an elastic body model storage unit that stores an elastic body model that targets a portion of the multiple structures and can express a bending mode, and an analysis unit that performs a stability limit analysis for the machine tool based on the results of a first analysis using the rigid body model regarding changes in position and orientation of a first target structure relative to a first reference and the results of a second analysis using the elastic body model regarding deformation of a second target structure.

つまり、本発明においては、解析部は、剛体モデルを用いた第一解析の結果と弾性体モデルを用いた第二解析の結果に基づいて、安定限界解析を行っている。ここで、一般に、工作機械全体の変位解析は、剛体モデルを用いた解析により行うことができる。また、工作機械全体の変位解析は、弾性体モデルを用いた解析によっても行うことができる。 In other words, in the present invention, the analysis unit performs a stability limit analysis based on the results of a first analysis using a rigid body model and the results of a second analysis using an elastic body model. Generally, the displacement analysis of the entire machine tool can be performed by an analysis using a rigid body model. The displacement analysis of the entire machine tool can also be performed by an analysis using an elastic body model.

しかし、剛体モデルのみでの工作機械全体の変位解析は、全ての構造体を剛体要素として表現した解析である。そのため、曲げモードの影響が大きな構造体が存在する場合には、剛体モデルのみでの工作機械全体の変位解析は、高精度な解析結果を得ることができない。 However, a displacement analysis of the entire machine tool using only a rigid body model is an analysis in which all structures are represented as rigid elements. Therefore, if there is a structure that is significantly affected by the bending mode, a displacement analysis of the entire machine tool using only a rigid body model cannot obtain highly accurate analysis results.

一方、弾性体モデルのみでの工作機械全体の変位解析は、全ての構造体に対して曲げモードを含む解析となるため、高精度な解析結果を得ることができる。しかし、弾性体モデルのみでの工作機械全体の変位解析は、多大な解析時間を要する。さらに、弾性体モデルは、解析条件等の設定が容易ではないため、工作機械全体を弾性体モデルで表現するのは、解析条件の設定においても容易ではない。 On the other hand, a displacement analysis of the entire machine tool using only an elastic body model can obtain highly accurate analysis results because the analysis includes bending modes for all structures. However, a displacement analysis of the entire machine tool using only an elastic body model requires a significant amount of analysis time. Furthermore, since it is not easy to set analysis conditions for an elastic body model, it is not easy to represent the entire machine tool with an elastic body model, even in terms of setting analysis conditions.

そこで、本発明においては、構造体の一部のみを弾性体モデルとすることにより、弾性体モデルによる第二解析を行うこととした。そして、安定限界解析においては、剛体モデルによる第一解析の結果と弾性体モデルによる第二解析の結果とを併用している。 Therefore, in the present invention, a second analysis is performed using an elastic body model by using only a portion of the structure as an elastic body model. In the stability limit analysis, the results of the first analysis using a rigid body model and the results of the second analysis using an elastic body model are used together.

従って、本発明において、解析部による安定限界解析は、剛体モデルのみを用いた場合に比べて、高精度な解析結果を得ることができる。一方、本発明において、解析部による安定限界解析は、弾性体モデルのみを用いた場合に比べて、解析時間を短くすることができると共に、解析条件の設定も容易となる。 Therefore, in the present invention, the stability limit analysis by the analysis unit can obtain more accurate analysis results than when only a rigid body model is used. On the other hand, in the present invention, the stability limit analysis by the analysis unit can shorten the analysis time and make it easier to set the analysis conditions than when only an elastic body model is used.

工作機械の一例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a machine tool. 安定限界解析装置を示す機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram showing a stability limit analysis device. 工具主軸の回転速度と限界切込量との関係を示す安定限界線図である。FIG. 4 is a stability limit diagram showing the relationship between the rotation speed of the tool spindle and the limit cutting amount. 剛体モデルの一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a rigid body model. 弾性体モデルの一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of an elastic body model. 解析部による安定限界解析の処理ブロック図である。FIG. 4 is a processing block diagram of a stability limit analysis performed by an analysis unit. 解析部による周波数応答解析の処理ブロック図である。FIG. 2 is a processing block diagram of a frequency response analysis performed by an analysis unit. 剛体モデルを用いた第一解析および弾性体モデルを用いた第二解析を適用した場合の周波数応答解析の結果(周波数応答特性)を示すグラフであって、工具と工作物との相対的な振動の周波数と機械的コンプライアンスとの関係を示す。1 is a graph showing the results of frequency response analysis (frequency response characteristics) when a first analysis using a rigid body model and a second analysis using an elastic body model are applied, showing the relationship between the frequency of relative vibration between a tool and a workpiece and mechanical compliance. 剛体モデルのみを用いた場合の周波数応答解析の結果を示すグラフである。13 is a graph showing the results of a frequency response analysis when only a rigid body model is used. 弾性体モデルのみを用いた場合の周波数応答解析の結果を示すグラフである。13 is a graph showing the results of a frequency response analysis when only an elastic body model is used.

(1.工作機械1の例)
安定限界解析装置の対象である工作機械1は、工具Tと工作物Wとを相対的に移動させることにより、工具Tによって工作物Wの加工を行う装置である。さらに、対象の工作機械1は、工具Tと工作物Wとを相対的に移動させるための複数の構造体により構成される。対象の工作機械1は、例えば、マシニングセンタ、旋盤、フライス盤、歯車加工装置、研削盤等の切削または研削を行う工作機械である。
(1. Example of machine tool 1)
The machine tool 1 that is the target of the stability limit analysis device is a device that machines a workpiece W with a tool T by moving the tool T relatively to the workpiece W. Furthermore, the target machine tool 1 is composed of a plurality of structures for relatively moving the tool T and the workpiece W. The target machine tool 1 is a machine tool that performs cutting or grinding, such as a machining center, a lathe, a milling machine, a gear processing device, or a grinding machine.

工作機械1の一例について、図1を参照して説明する。本例においては、工作機械1は、工具交換を可能なマシニングセンタを例にあげる。特に、工作機械1としてのマシニングセンタは、ギヤスカイビング加工やホブ加工によって、工作物Wに歯形を加工することができる。さらに、工作機械1としてのマシニングセンタは、横形マシニングセンタを基本構成とする。なお、工作機械1は、上記構成を例にあげるが、立形マシニングセンタ等、他の構成を適用することができる。 An example of a machine tool 1 will be described with reference to FIG. 1. In this example, the machine tool 1 is a machining center capable of tool replacement. In particular, the machining center as the machine tool 1 can machine a tooth profile on the workpiece W by gear skiving or hobbing. Furthermore, the machining center as the machine tool 1 is basically configured as a horizontal machining center. Note that although the above configuration is given as an example of the machine tool 1, other configurations such as a vertical machining center can also be applied.

図1に示すように、工作機械1は、例えば、相互に直交する3つの直進軸(X軸,Y軸,Z軸)を駆動軸として有する。ここで、工具Tの回転軸線(工具主軸の回転軸線に等しい)の方向をZ軸方向と定義し、Z軸方向に直交する2軸をX軸方向およびY軸方向と定義する。図1においては、水平方向をX軸方向とし、鉛直方向をY軸方向とする。さらに、工作機械1は、さらに、工具Tと工作物Wとの相対姿勢を変更するための2つの回転軸(B軸およびCw軸)を駆動軸として有する。また、工作機械1は、工具Tを回転するための回転軸としてのCt軸を有する。 As shown in FIG. 1, the machine tool 1 has, for example, three mutually orthogonal linear axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis) as drive axes. Here, the direction of the rotation axis of the tool T (equal to the rotation axis of the tool spindle) is defined as the Z-axis direction, and the two axes perpendicular to the Z-axis direction are defined as the X-axis direction and the Y-axis direction. In FIG. 1, the horizontal direction is the X-axis direction, and the vertical direction is the Y-axis direction. Furthermore, the machine tool 1 further has two rotation axes (B-axis and Cw-axis) as drive axes for changing the relative attitude of the tool T and the workpiece W. The machine tool 1 also has a Ct-axis as a rotation axis for rotating the tool T.

つまり、工作機械1は、自由曲面を加工可能な5軸加工機(工具主軸(Ct軸)を考慮すると6軸加工機となる)である。ここで、工作機械1は、B軸(基準状態においてY軸回りの回転軸)およびCw軸(基準状態においてZ軸回りの回転軸)を有する構成に代えて、A軸(基準状態においてX軸回りの回転軸)およびB軸を有する構成としてもよいし、A軸およびCw軸を有する構成としてもよい。また、工作機械1は、ギヤスカイビング加工を可能な専用加工機として、駆動軸数を5軸加工機とは異なる構成を有する工作機械を適用することもできる。 In other words, the machine tool 1 is a 5-axis machining center (a 6-axis machining center when the tool spindle (Ct axis) is taken into account) capable of machining free-form surfaces. Here, instead of a configuration having a B-axis (axis of rotation about the Y-axis in the reference state) and a Cw-axis (axis of rotation about the Z-axis in the reference state), the machine tool 1 may be configured to have an A-axis (axis of rotation about the X-axis in the reference state) and a B-axis, or an A-axis and a Cw-axis. Furthermore, the machine tool 1 can be used as a dedicated machine capable of gear skiving machining, with a machine tool having a different number of drive axes from that of a 5-axis machining center.

工具Tは、工作物Wの加工に用いる回転工具である。工具Tは、例えば、エンドミル、ギヤスカイビングカッタ、ホブカッタ等である。本例において、工具Tは、ギヤスカイビング加工により工作物Wに歯形を創成する際に用いるギヤスカイビングカッタを例に挙げて説明する。 The tool T is a rotating tool used to machine the workpiece W. The tool T is, for example, an end mill, a gear skiving cutter, a hob cutter, etc. In this example, the tool T will be described using a gear skiving cutter used to create a tooth profile on the workpiece W by gear skiving.

工作機械1において、工具Tと工作物Wとを相対的に移動させる構成は、適宜選択可能である。本例では、工作機械1は、工具TをY軸方向およびZ軸方向に直動可能とし、工作物WをX軸方向に直動可能とし、さらに工作物WをB軸回転およびCw軸回転可能とする。また、工具Tは、Ct軸回転可能である。 In the machine tool 1, the configuration for moving the tool T and the workpiece W relative to one another can be selected as appropriate. In this example, the machine tool 1 allows the tool T to move linearly in the Y-axis and Z-axis directions, allows the workpiece W to move linearly in the X-axis direction, and further allows the workpiece W to rotate about the B-axis and Cw-axis. In addition, the tool T can rotate about the Ct-axis.

工作機械1は、ベッド10と、工作物保持装置20と、工具保持装置30とを備える。ベッド10は、略矩形状等の任意の形状に形成されており、床面に設置される。工作物保持装置20は、工作物Wをベッド10に対して、X軸方向に直動可能とし、B軸回転およびCw軸回転可能とする。工作物保持装置20は、X軸移動テーブル21と、B軸回転テーブル22と、工作物主軸装置23とを主に備える。 The machine tool 1 comprises a bed 10, a workpiece holding device 20, and a tool holding device 30. The bed 10 is formed in any shape, such as a substantially rectangular shape, and is placed on the floor. The workpiece holding device 20 allows the workpiece W to move linearly in the X-axis direction relative to the bed 10, and to rotate about the B-axis and Cw-axis. The workpiece holding device 20 mainly comprises an X-axis moving table 21, a B-axis rotating table 22, and a workpiece spindle device 23.

X軸移動テーブル21は、ベッド10に対してX軸方向に移動可能に設けられる。具体的に、ベッド10には、X軸方向(図1前後方向)へ延びる一対のX軸ガイドレールが設けられ、X軸移動テーブル21は、図示しないリニアモータまたはボールねじ機構によって駆動されることにより、一対のX軸ガイドレールに案内されながらX軸方向へ往復移動する。 The X-axis moving table 21 is provided so as to be movable in the X-axis direction relative to the bed 10. Specifically, the bed 10 is provided with a pair of X-axis guide rails extending in the X-axis direction (front-to-back direction in FIG. 1), and the X-axis moving table 21 is driven by a linear motor or a ball screw mechanism (not shown) to move back and forth in the X-axis direction while being guided by the pair of X-axis guide rails.

B軸回転テーブル22は、X軸移動テーブル21の上面に設置され、X軸移動テーブル21と一体的にX軸方向へ往復移動する。また、B軸回転テーブル22は、X軸移動テーブル21に対し、B軸回転可能に設けられる。B軸回転テーブル22には、図示しない回転モータが収納され、B軸回転テーブル22は、回転モータに駆動されることでB軸回転可能となる。 The B-axis rotating table 22 is placed on the top surface of the X-axis moving table 21, and moves back and forth in the X-axis direction together with the X-axis moving table 21. The B-axis rotating table 22 is also arranged to be rotatable about the B-axis relative to the X-axis moving table 21. A rotating motor (not shown) is housed in the B-axis rotating table 22, and the B-axis rotating table 22 is driven by the rotating motor to be able to rotate about the B-axis.

工作物主軸装置23は、B軸回転テーブル22に設置され、B軸回転テーブル22と一体的にB軸回転する。工作物主軸装置23は、工作物主軸基台23a、工作物主軸ハウジング23b、および、工作物主軸23cを備える。工作物主軸基台23aは、B軸回転テーブル22の上面に固定されている。 The workpiece spindle device 23 is installed on the B-axis rotating table 22 and rotates about the B-axis together with the B-axis rotating table 22. The workpiece spindle device 23 includes a workpiece spindle base 23a, a workpiece spindle housing 23b, and a workpiece spindle 23c. The workpiece spindle base 23a is fixed to the upper surface of the B-axis rotating table 22.

工作物主軸ハウジング23bは、工作物主軸基台23aに固定され、B軸中心線に直交するCw軸中心線を中心とする円筒内周面を有する。工作物主軸23cは、工作物主軸ハウジング23bに回転可能に支持される。工作物主軸23cには、工作物Wが着脱可能に保持される。つまり、工作物主軸23cは、工作物Wを工作物主軸ハウジング23bにCw軸回転可能に保持し、工作物Wと一体的に回転する。 The workpiece spindle housing 23b is fixed to the workpiece spindle base 23a and has a cylindrical inner peripheral surface centered on the Cw-axis centerline that is perpendicular to the B-axis centerline. The workpiece spindle 23c is rotatably supported by the workpiece spindle housing 23b. The workpiece W is removably held by the workpiece spindle 23c. In other words, the workpiece spindle 23c holds the workpiece W in the workpiece spindle housing 23b rotatably about the Cw-axis and rotates integrally with the workpiece W.

工作物主軸ハウジング23bの内部には、工作物主軸23cを回転させる回転モータ(図示せず)と、工作物主軸23cの回転角度を検出するエンコーダ等の検出器(図示せず)が設けられる。このように、工作物保持装置20は、工作物Wを、ベッド10に対して、X軸方向へ移動可能とし、且つ、B軸回転およびCw軸回転可能とする。 Inside the workpiece spindle housing 23b, there is provided a rotary motor (not shown) that rotates the workpiece spindle 23c, and a detector (not shown) such as an encoder that detects the rotation angle of the workpiece spindle 23c. In this way, the workpiece holding device 20 allows the workpiece W to be moved in the X-axis direction relative to the bed 10, and to be rotated about the B-axis and Cw-axis.

工具保持装置30は、コラム31と、サドル32と、工具主軸装置33とを主に備える。コラム31は、ベッド10に対してZ軸方向に移動可能に設けられる。具体的に、ベッド10には、Z軸方向(図1左右方向)へ延びる一対のZ軸ガイドレールが設けられ、コラム31は、図示しないリニアモータまたはボールねじ機構によって駆動されることにより、一対のZ軸ガイドレールに案内されながらZ軸方向へ往復移動する。 The tool holding device 30 mainly comprises a column 31, a saddle 32, and a tool spindle device 33. The column 31 is provided so as to be movable in the Z-axis direction relative to the bed 10. Specifically, the bed 10 is provided with a pair of Z-axis guide rails extending in the Z-axis direction (left-right direction in FIG. 1), and the column 31 is driven by a linear motor or a ball screw mechanism (not shown) to reciprocate in the Z-axis direction while being guided by the pair of Z-axis guide rails.

サドル32は、コラム31における工作物W側の側面(図1の左側面)であって、Z軸方向に直交する平面に平行な側面に配置される。このコラム31の側面には、Y軸方向(図1の上下方向)へ延びる一対のY軸ガイドレールが設けられ、サドル32は、図示しないリニアモータまたはボールねじ機構に駆動されることで、Y軸方向へ往復移動する。 The saddle 32 is disposed on the side of the column 31 facing the workpiece W (the left side in FIG. 1), which is parallel to a plane perpendicular to the Z-axis direction. A pair of Y-axis guide rails extending in the Y-axis direction (the up-down direction in FIG. 1) are provided on the side of the column 31, and the saddle 32 reciprocates in the Y-axis direction by being driven by a linear motor or ball screw mechanism (not shown).

工具主軸装置33は、サドル32に設置されると共に、サドル32と一体的にY軸方向へ移動する。工具主軸装置33は、工具主軸ハウジング33aと、工具主軸33bとを備える。工具主軸ハウジング33aは、サドル32に固定され、Z軸に平行なCt軸中心線を中心とする円筒内周面を有する。工具主軸33bは、工具主軸ハウジング33aに回転可能に支持される。工具主軸33bには、工具Tが着脱可能に保持される。つまり、工具主軸33bは、工具Tを工具主軸ハウジング33aにCt軸回転可能に保持し、工具Tと一体的に回転する。 The tool spindle device 33 is mounted on the saddle 32 and moves in the Y-axis direction integrally with the saddle 32. The tool spindle device 33 includes a tool spindle housing 33a and a tool spindle 33b. The tool spindle housing 33a is fixed to the saddle 32 and has a cylindrical inner circumferential surface centered on the Ct-axis center line parallel to the Z-axis. The tool spindle 33b is rotatably supported by the tool spindle housing 33a. A tool T is removably held by the tool spindle 33b. In other words, the tool spindle 33b holds the tool T in the tool spindle housing 33a rotatably about the Ct-axis and rotates integrally with the tool T.

工具主軸ハウジング33aの内部には、工具主軸33bを回転させる工具回転モータ(図示せず)と、工具主軸33bの回転角度を検出するエンコーダ等の検出器(図示せず)とが設けられる。このように、工具保持装置30は、工具Tを、ベッド10に対して、Y軸方向およびZ軸方向に移動可能とし、且つ、Ct軸回転可能に保持する。 Inside the tool spindle housing 33a, there is provided a tool rotation motor (not shown) that rotates the tool spindle 33b, and a detector (not shown) such as an encoder that detects the rotation angle of the tool spindle 33b. In this way, the tool holding device 30 holds the tool T so that it can move in the Y-axis and Z-axis directions relative to the bed 10 and can rotate about the Ct axis.

(2.安定限界解析装置50の構成)
安定限界解析装置50の構成について、図2を参照して説明する。安定限界解析装置50は、上述した工作機械1において工具Tにより工作物Wを加工する際の安定限界を解析する。安定限界解析装置50は、図3に示すような安定限界線図を生成する。
(2. Configuration of Stability Limit Analysis Device 50)
The configuration of the stability limit analysis device 50 will be described with reference to Fig. 2. The stability limit analysis device 50 analyzes the stability limit when machining the workpiece W with the tool T in the above-mentioned machine tool 1. The stability limit analysis device 50 generates a stability limit diagram as shown in Fig. 3.

安定限界線図は、例えば、工具主軸33bの回転速度(工具Tの回転速度に等しい)と限界切込量との関係を表す線図、または、工作物主軸23cの回転速度(工作物Wの回転速度に等しい)と限界切込量との関係を表す線図等である。本例では、図3に示すように、工具主軸33bが工作物主軸23cよりも曲げ剛性が低いことから、安定限界解析装置50は、工具主軸33bの回転速度と限界切込量との関係を表す安定限界線図を生成する場合を例にあげる。安定限界線図において、限界切込量の上側が不安定領域、下側が安定領域となる。 The stability limit diagram is, for example, a diagram showing the relationship between the rotational speed of the tool spindle 33b (equal to the rotational speed of the tool T) and the limit cutting depth, or a diagram showing the relationship between the rotational speed of the workpiece spindle 23c (equal to the rotational speed of the workpiece W) and the limit cutting depth. In this example, as shown in FIG. 3, since the tool spindle 33b has a lower bending rigidity than the workpiece spindle 23c, the stability limit analysis device 50 generates a stability limit diagram showing the relationship between the rotational speed of the tool spindle 33b and the limit cutting depth. In the stability limit diagram, the upper side of the limit cutting depth is an unstable region, and the lower side is a stable region.

安定限界解析装置50は、剛体モデル記憶部51、弾性体モデル記憶部52、および、解析部53を備える。剛体モデル記憶部51は、解析モデルの1つとして、工作機械1全体を表す剛体モデルM1を記憶する。剛体モデルM1は、工作機械1を構成する複数の構造体のそれぞれを剛体とする剛体要素と、剛体要素を支持する支持要素とにより構成される。 The stability limit analysis device 50 includes a rigid body model storage unit 51, an elastic body model storage unit 52, and an analysis unit 53. The rigid body model storage unit 51 stores a rigid body model M1 representing the entire machine tool 1 as one of the analysis models. The rigid body model M1 is composed of rigid body elements, each of which is a rigid body of a plurality of structures constituting the machine tool 1, and support elements that support the rigid body elements.

弾性体モデル記憶部52は、解析モデルの他の1つとして、工作機械1を構成する複数の構造体の一部を対象とする弾性体モデルM2を記憶する。弾性体モデルM2は、剛体モデルM1と異なり、曲げモードを表現可能なモデルである。例えば、弾性体モデルM2は、有限要素法による変形解析(FEM解析)を実行するためのモデルである。 The elastic body model storage unit 52 stores an elastic body model M2, which is targeted at a portion of the multiple structures that make up the machine tool 1, as another analysis model. Unlike the rigid body model M1, the elastic body model M2 is a model that can represent bending modes. For example, the elastic body model M2 is a model for performing deformation analysis using the finite element method (FEM analysis).

本例では、弾性体モデルM2は、工作機械1の構造体の一部である工具主軸33bおよび工具Tを含む工具ユニットを対象とする。また、弾性体モデルM2は、工具主軸33bのみを対象としてもよい。また、弾性体モデルM2は、上記の他に、工作物主軸23cおよび工作物Wを含む工作物ユニットを対象としてもよい。また、弾性体モデルM2は、工作物主軸23cのみを対象としてもよい。また、弾性体モデルM2は、工具主軸33bや工作物主軸23cの他に、他の構造体を対象とすることもできる。 In this example, the elastic body model M2 targets a tool unit including the tool spindle 33b and tool T, which are part of the structure of the machine tool 1. The elastic body model M2 may also target only the tool spindle 33b. The elastic body model M2 may also target a workpiece unit including the workpiece spindle 23c and workpiece W, in addition to the above. The elastic body model M2 may also target only the workpiece spindle 23c. The elastic body model M2 can also target other structures in addition to the tool spindle 33b and workpiece spindle 23c.

解析部53は、剛体モデルM1および弾性体モデルM2を用いて、工作機械1に関する安定限界解析を行う。ここで、解析部53は、剛体モデルM1のみを用いた解析ではなく、また、弾性体モデルM2のみを用いた解析でもない。つまり、解析部53は、剛体モデルM1による解析結果と弾性体モデルM2による解析結果との両者を利用している。 The analysis unit 53 performs a stability limit analysis of the machine tool 1 using the rigid body model M1 and the elastic body model M2. Here, the analysis unit 53 does not perform an analysis using only the rigid body model M1, nor does it perform an analysis using only the elastic body model M2. In other words, the analysis unit 53 uses both the analysis results using the rigid body model M1 and the analysis results using the elastic body model M2.

解析部53は、剛体モデルM1を用いた第一解析を行うと共に、弾性体モデルM2を用いた第二解析を行う。第一解析は、工作機械1における第一基準に対する第一対象構造体の位置および姿勢の変化に関する解析である。第二解析は、工作機械1における第二基準に対する第二対象構造体の所定位置の変形に関する解析である。第二解析は、例えば、有限要素法による変形解析である。 The analysis unit 53 performs a first analysis using the rigid body model M1 and a second analysis using the elastic body model M2. The first analysis is an analysis of changes in the position and orientation of the first target structure relative to a first reference in the machine tool 1. The second analysis is an analysis of deformation of a predetermined position of the second target structure relative to a second reference in the machine tool 1. The second analysis is, for example, a deformation analysis using the finite element method.

そして、解析部53は、工作機械1を構成する複数の構造体のうち一部を剛体モデルM1として第一解析を行うと共に、残りの一部を弾性体モデルM2として第二解析を行う。つまり、解析部53は、第一解析と第二解析とを行うことにより、剛体モデルM1および弾性体モデルM2を利用した解析の結果を得ることができる。 The analysis unit 53 then performs a first analysis using some of the multiple structures that make up the machine tool 1 as a rigid body model M1, and performs a second analysis using the remaining part as an elastic body model M2. In other words, by performing the first and second analyses, the analysis unit 53 can obtain the results of an analysis that uses the rigid body model M1 and the elastic body model M2.

解析部53は、さらに、第一解析の結果および第二解析の結果に基づいて、工作機械1全体に関する安定限界解析を行う。このように、工作機械1全体に関する安定限界解析においては、剛体モデルM1による第一解析の結果と弾性体モデルM2による第二解析の結果とを併用している。 The analysis unit 53 further performs a stability limit analysis for the entire machine tool 1 based on the results of the first analysis and the second analysis. In this way, in the stability limit analysis for the entire machine tool 1, the results of the first analysis using the rigid body model M1 and the results of the second analysis using the elastic body model M2 are used in combination.

なお、解析部53は、工作物Wと工具Tとの相対移動の複数の軸方向において、全ての軸方向について、第一解析の結果および第二解析の結果に基づいて、工作機械1全体に関する安定限界解析を行うようにしてもよい。この他に、解析部53は、複数の軸方向において、一部の軸方向ついては第一解析の結果および第二解析の結果を用いると共に、残りの軸方向については第一解析の結果のみまたは第二解析の結果のみを用いて、工作機械1全体に関する安定限界解析を行うようにしてもよい。 The analysis unit 53 may perform a stability limit analysis of the entire machine tool 1 for all of the multiple axial directions of the relative movement between the workpiece W and the tool T, based on the results of the first analysis and the results of the second analysis. In addition, the analysis unit 53 may perform a stability limit analysis of the entire machine tool 1 by using the results of the first analysis and the results of the second analysis for some of the multiple axial directions, and using only the results of the first analysis or only the results of the second analysis for the remaining axial directions.

ここで、一般に、工作機械1全体の変位解析は、剛体モデルM1を用いた解析により行うことが可能である。また、工作機械1全体の変位解析は、弾性体モデルM2を用いた解析によっても行うことができる。 Here, generally, displacement analysis of the entire machine tool 1 can be performed by analysis using a rigid body model M1. Displacement analysis of the entire machine tool 1 can also be performed by analysis using an elastic body model M2.

しかし、剛体モデルM1のみでの工作機械1全体の変位解析は、全ての構造体を剛体要素として表現した解析である。そのため、曲げモードの影響が大きな構造体が存在する場合には、剛体モデルM1のみでの工作機械1全体の変位解析は、高精度な解析結果を得ることができない。 However, a displacement analysis of the entire machine tool 1 using only the rigid body model M1 is an analysis in which all structures are represented as rigid elements. Therefore, if there is a structure that is significantly affected by the bending mode, a displacement analysis of the entire machine tool 1 using only the rigid body model M1 cannot obtain highly accurate analysis results.

一方、弾性体モデルM2のみでの工作機械1全体の変位解析は、全ての構造体に対して曲げモードを含む解析となるため、高精度な解析結果を得ることができる。しかし、弾性体モデルM2のみでの工作機械1全体の変位解析は、多大な解析時間を要する。さらに、弾性体モデルM2は、解析条件等の設定が容易ではないため、工作機械1全体を弾性体モデルM2で表現するのは、解析条件の設定においても容易ではない。 On the other hand, a displacement analysis of the entire machine tool 1 using only the elastic body model M2 is an analysis that includes bending modes for all structures, and therefore it is possible to obtain highly accurate analysis results. However, a displacement analysis of the entire machine tool 1 using only the elastic body model M2 requires a significant amount of analysis time. Furthermore, since it is not easy to set analytical conditions for the elastic body model M2, it is not easy to represent the entire machine tool 1 with the elastic body model M2, even in terms of setting analytical conditions.

これに対して、上述した解析部53による工作機械1全体に関する安定限界解析においては、剛体モデルM1による第一解析の結果と弾性体モデルM2による第二解析の結果とを併用している。従って、解析部53による安定限界解析は、剛体モデルM1のみを用いた場合に比べて、高精度な解析結果を得ることができる。一方、解析部53による安定限界解析は、弾性体モデルM2のみを用いた場合に比べて、解析時間を短くすることができると共に、解析条件の設定も容易となる。 In contrast, in the stability limit analysis of the entire machine tool 1 by the above-mentioned analysis unit 53, the results of the first analysis by the rigid body model M1 and the results of the second analysis by the elastic body model M2 are used in combination. Therefore, the stability limit analysis by the analysis unit 53 can obtain analysis results with higher accuracy than when only the rigid body model M1 is used. On the other hand, the stability limit analysis by the analysis unit 53 can shorten the analysis time and make it easier to set the analysis conditions than when only the elastic body model M2 is used.

(3.剛体モデルM1の例)
剛体モデルM1の一例について図4を参照して説明する。剛体モデルM1は、工作機械1の複数の構造体を剛体要素として表現している。図4における剛体モデルM1は、工作機械1の全ての構造体を剛体要素として表現している。ただし、上述したように、解析部53においては、剛体モデルM1の一部の要素のみを用いた解析となる場合がある。
(3. Example of rigid body model M1)
An example of the rigid body model M1 will be described with reference to Fig. 4. The rigid body model M1 represents a plurality of structural elements of the machine tool 1 as rigid body elements. The rigid body model M1 in Fig. 4 represents all structural elements of the machine tool 1 as rigid body elements. However, as described above, the analysis unit 53 may perform an analysis using only some of the elements of the rigid body model M1.

剛体モデルM1は、工作機械1を表す三次元モデルである。剛体モデルM1は、工作機械1を構成する複数の構造体を表す剛体要素と、剛体要素を支持する支持要素とにより構成される。図4において、各剛体要素は、図1に示す工作機械1の各構造体に対応し、各剛体要素には、対応する構造体の符号が付されている。ここで、各剛体要素の形状は、一例であり、必ずしも対応する構造体の形状に合わせた形状でなくてもよい。また、各剛体要素は、対応する構造体の質量、慣性モーメントおよび重心位置に関する情報を含む。 The rigid body model M1 is a three-dimensional model representing the machine tool 1. The rigid body model M1 is composed of rigid body elements representing multiple structures constituting the machine tool 1, and support elements that support the rigid body elements. In FIG. 4, each rigid body element corresponds to each structure of the machine tool 1 shown in FIG. 1, and each rigid body element is assigned the symbol of the corresponding structure. Here, the shape of each rigid body element is an example, and does not necessarily have to match the shape of the corresponding structure. Furthermore, each rigid body element includes information regarding the mass, moment of inertia, and center of gravity position of the corresponding structure.

支持要素は、剛体要素同士を互いに連結する。支持要素は、バネ要素Sおよびダンパ要素Dを含む。剛体モデルM1において、バネ要素Sおよびダンパ要素Dは、例えば、工作機械1に設けられたリニアガイドや軸受等と対応する位置に配置される。また、バネ要素Sのバネ定数およびダンパ要素Dの減衰係数は、ハンマリング試験等によって得られた振動特性データに基づいて設定される。 The support elements connect the rigid elements to each other. The support elements include spring elements S and damper elements D. In the rigid model M1, the spring elements S and damper elements D are arranged at positions corresponding to, for example, linear guides and bearings provided on the machine tool 1. The spring constant of the spring elements S and the damping coefficient of the damper elements D are set based on vibration characteristic data obtained by a hammering test or the like.

ここで、図1に示す工作機械1において、サドル32と工具主軸ハウジング33aとは固定されている。従って、図4に示す剛体モデルM1において、サドル32と工具主軸ハウジング33aとは、同一の剛体要素として表している。また、図1に示す工作機械1において、B軸回転テーブル22、工作物主軸基台23a、および、工作物主軸ハウジング23bは、固定されている。従って、図4に示す剛体モデルM1において、B軸回転テーブル22、工作物主軸基台23a、および、工作物主軸ハウジング23bは、同一の剛体要素として表している。 Here, in the machine tool 1 shown in FIG. 1, the saddle 32 and the tool spindle housing 33a are fixed. Therefore, in the rigid body model M1 shown in FIG. 4, the saddle 32 and the tool spindle housing 33a are represented as the same rigid body element. Also, in the machine tool 1 shown in FIG. 1, the B-axis rotating table 22, the workpiece spindle base 23a, and the workpiece spindle housing 23b are fixed. Therefore, in the rigid body model M1 shown in FIG. 4, the B-axis rotating table 22, the workpiece spindle base 23a, and the workpiece spindle housing 23b are represented as the same rigid body element.

また、図1において、工具主軸33bは、工具Tを一体的に保持している。従って、図4に示す剛体モデルM1において、工具主軸33bと工具Tとは、両者の間で変位を許容しないように、固定された剛体要素として表している。また、図1において、工作物主軸23cは、工作物Wを一体的に保持している。従って、図4に示す剛体モデルM1において、工作物主軸23cと工作物Wとは、両者の間で変位を許容しないように、固定された剛体要素として表している。 In addition, in FIG. 1, the tool spindle 33b holds the tool T integrally. Therefore, in the rigid body model M1 shown in FIG. 4, the tool spindle 33b and the tool T are represented as fixed rigid elements so as not to allow any displacement between them. In addition, in FIG. 1, the workpiece spindle 23c holds the workpiece W integrally. Therefore, in the rigid body model M1 shown in FIG. 4, the workpiece spindle 23c and the workpiece W are represented as fixed rigid elements so as not to allow any displacement between them.

ここで、剛体モデルM1は、第一解析において、第一基準に対する第一対象構造体の相対変位を出力するためのモデルである。例えば、弾性体モデルM2を、工具主軸33bを含む工具ユニットとした場合、剛体モデルM1における第一基準は、工作物Wとし、第一対象構造体は、工具主軸ハウジング33aとする。例えば、弾性体モデルM2を、工作物主軸23cを含む工作物ユニットとした場合、剛体モデルM1における第一基準は、工作物主軸ハウジング23bとし、第一対象構造体は、工具Tとする。 Here, the rigid body model M1 is a model for outputting the relative displacement of the first target structure with respect to the first reference in the first analysis. For example, if the elastic body model M2 is a tool unit including the tool spindle 33b, the first reference in the rigid body model M1 is the workpiece W, and the first target structure is the tool spindle housing 33a. For example, if the elastic body model M2 is a workpiece unit including the workpiece spindle 23c, the first reference in the rigid body model M1 is the workpiece spindle housing 23b, and the first target structure is the tool T.

例えば、弾性体モデルM2を、工具主軸33bを含む工具ユニットおよび工作物主軸23cを含む工作物ユニットのそれぞれとした場合、剛体モデルM1における第一基準は、工作物主軸ハウジング23bとし、第一対象構造体は、工具主軸ハウジング33aとする。また、弾性体モデルM2を用いない場合には、剛体モデルM1における第一基準は、工作物Wとし、第一対象構造体は、工具主軸33bおよび工具Tを含む工具ユニットとする。 For example, if the elastic body model M2 is the tool unit including the tool spindle 33b and the workpiece unit including the workpiece spindle 23c, the first reference in the rigid body model M1 is the workpiece spindle housing 23b, and the first target structure is the tool spindle housing 33a. If the elastic body model M2 is not used, the first reference in the rigid body model M1 is the workpiece W, and the first target structure is the tool unit including the tool spindle 33b and the tool T.

(4.弾性体モデルM2の例)
弾性体モデルM2の一例について図5を参照して説明する。弾性体モデルM2は、工作機械1の一部の構造体である第二対象構造体を対象とし、特に曲げモードを有する構造体を対象とする。弾性体モデルM2の対象である第二対象構造体は、例えば、工具主軸33bを含む工具ユニットや、工作物主軸23cを含む工作物ユニット等を対象とする。工具ユニットとは、工具主軸33bと、工具主軸33bに保持される工具Tとを含む。工作物主軸ユニットとは、工作物主軸23cと、工作物主軸23cに保持される工作物Wとを含む。
(4. Example of Elastic Body Model M2)
An example of the elastic body model M2 will be described with reference to Fig. 5. The elastic body model M2 targets a second target structure which is a part of the structure of the machine tool 1, and in particular targets a structure having a bending mode. The second target structure which is the target of the elastic body model M2 targets, for example, a tool unit including a tool spindle 33b and a workpiece unit including a workpiece spindle 23c. The tool unit includes the tool spindle 33b and a tool T held by the tool spindle 33b. The workpiece spindle unit includes the workpiece spindle 23c and a workpiece W held by the workpiece spindle 23c.

ここで、弾性体モデルM2は、第二解析において、第二基準に対する第二対象構造体の所定位置の絶対変位を出力するためのモデルである。例えば、第二対象構造体が工具主軸33bを含む工具ユニットである場合には、第二基準は、工具主軸ハウジング33aとする。また、第二対象構造体が工作物主軸23cを含む工作物ユニットである場合には、第二基準は、工作物主軸ハウジング23bとする。 Here, the elastic body model M2 is a model for outputting the absolute displacement of a predetermined position of the second target structure relative to the second reference in the second analysis. For example, if the second target structure is a tool unit including the tool spindle 33b, the second reference is the tool spindle housing 33a. Also, if the second target structure is a workpiece unit including the workpiece spindle 23c, the second reference is the workpiece spindle housing 23b.

弾性体モデルM2は、曲げモードを有する構造体を対象とすることが効果的であるため、長尺状の構造体を第二対象構造体とするとよい。一般に、工具主軸33bは、外径に対する軸長の比(L/D)が他の構造体に比べて大きい。従って、弾性体モデルM2は、工具主軸33bを含むようにするとよい。 It is effective for the elastic body model M2 to target a structure having a bending mode, so it is advisable to use a long structure as the second target structure. In general, the ratio of axial length to outer diameter (L/D) of the tool spindle 33b is larger than that of other structures. Therefore, it is advisable for the elastic body model M2 to include the tool spindle 33b.

また、弾性体モデルM2は、三次元モデルとしてもよいし、二次元モデルとしてもよい。本例では、弾性体モデルM2は、第二対象構造体として回転体要素を対象とすることにより、回転体要素の回転軸線を通る断面を表現した二次元モデルとすることができる。図5に示すように、X-Z平面における二次元モデルと、Y-Z平面における二次元モデルとを定義する。そして、第二対象構造体が回転体要素である場合には、X-Z平面における二次元モデルと、Y-Z平面における二次元モデルとは、同一のモデルを利用することができる。 The elastic body model M2 may be a three-dimensional model or a two-dimensional model. In this example, the elastic body model M2 can be a two-dimensional model that represents a cross section passing through the rotation axis of the rotating body element by targeting a rotating body element as the second target structure. As shown in FIG. 5, a two-dimensional model in the X-Z plane and a two-dimensional model in the Y-Z plane are defined. Then, when the second target structure is a rotating body element, the same model can be used for the two-dimensional model in the X-Z plane and the two-dimensional model in the Y-Z plane.

つまり、弾性体モデルM2は、工具主軸33bを含む工具ユニットであっても、工作物主軸23cを含む工作物ユニットであっても、二次元モデルとすることができる。弾性体モデルを二次元モデルとすることにより、第二解析の解析条件の設定が容易となると共に、第二解析に要する時間も短くできる。 In other words, the elastic body model M2 can be a two-dimensional model whether it is a tool unit including the tool spindle 33b or a workpiece unit including the workpiece spindle 23c. By making the elastic body model a two-dimensional model, it becomes easier to set the analysis conditions for the second analysis, and the time required for the second analysis can be shortened.

(5.解析部53の処理)
(5-1.解析部53による安定限界解析)
解析部53による安定限界解析について、図6を参照して説明する。解析部53は、工具主軸33bを回転させた状態で、平均切取厚さ(切込量)を入力した場合に、工作物Wに対する工具Tの振動振幅を出力することにより、工作機械1全体に関する安定限界解析を行う。つまり、解析部53は、工具主軸33bの回転数および平均切取厚さ(切込量)を変更したときの振動振幅に基づいて、図3に示すような安定限界線図を生成する。
(5. Processing of Analysis Unit 53)
(5-1. Stability limit analysis by analysis unit 53)
The stability limit analysis by the analysis unit 53 will be described with reference to Fig. 6. When an average cutting thickness (cut-in amount) is input with the tool spindle 33b rotating, the analysis unit 53 outputs the vibration amplitude of the tool T relative to the workpiece W, thereby performing a stability limit analysis for the entire machine tool 1. That is, the analysis unit 53 generates a stability limit diagram as shown in Fig. 3 based on the vibration amplitude when the rotation speed of the tool spindle 33b and the average cutting thickness (cut-in amount) are changed.

図6に示すように、安定限界解析を行う解析部53は、加算器61、減算器62、加工力演算部63、第一解析を行う第一解析部64、第二解析を行う第二解析部65、合成処理部66を備える。加算器61は、平均切取厚さ(指令切取厚さ、指令切込量に相当する)を入力として、工作物Wの1回転前における振動振幅を加算する。減算器62は、平均切取厚さと1回転前の振動振幅との合計値から、現在の工作物Wの振動振幅を減算し、現在の切取厚さを算出する。 As shown in FIG. 6, the analysis unit 53 that performs the stability limit analysis includes an adder 61, a subtractor 62, a processing force calculation unit 63, a first analysis unit 64 that performs the first analysis, a second analysis unit 65 that performs the second analysis, and a synthesis processing unit 66. The adder 61 receives the average cutting thickness (corresponding to the command cutting thickness and command cutting depth) as input and adds the vibration amplitude of the workpiece W one rotation ago. The subtractor 62 subtracts the current vibration amplitude of the workpiece W from the sum of the average cutting thickness and the vibration amplitude one rotation ago to calculate the current cutting thickness.

加工力演算部63は、現在の切取厚さに基づいて、加工力演算を実行することにより、加工により工具Tおよび工作物Wに相互に作用する加工力を算出する。加工力演算部63は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれの加工力を算出する。 The machining force calculation unit 63 performs machining force calculation based on the current cutting thickness to calculate the machining forces acting on the tool T and the workpiece W during machining. The machining force calculation unit 63 calculates the machining forces in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.

第一解析部64および第二解析部65は、当該加工力を用いて、基準に対する対象構造体の相対変位を出力する。第一解析部64は、剛体モデルM1を用いた第一解析を行い、第二解析部65は、弾性体モデルM2を用いた第二解析を行う。 The first analysis unit 64 and the second analysis unit 65 use the processing force to output the relative displacement of the target structure with respect to a reference. The first analysis unit 64 performs a first analysis using a rigid body model M1, and the second analysis unit 65 performs a second analysis using an elastic body model M2.

ここで、X軸方向およびY軸方向は、工具主軸33bおよび工具Tの回転軸線に直交する方向である。従って、X軸方向およびY軸方向は、工具主軸33bおよび工具Tの曲げモードの影響を大きく受ける方向である。そこで、X軸方向およびY軸方向においては、工具主軸33bおよび工具Tの曲げモードを考慮するために、第一解析と第二解析とを併用する。 Here, the X-axis direction and the Y-axis direction are perpendicular to the rotation axis of the tool spindle 33b and the tool T. Therefore, the X-axis direction and the Y-axis direction are directions that are greatly affected by the bending mode of the tool spindle 33b and the tool T. Therefore, in the X-axis direction and the Y-axis direction, the first analysis and the second analysis are used together to take into account the bending mode of the tool spindle 33b and the tool T.

一方、Z軸方向は、工具主軸33bおよび工具Tの回転軸線方向である。そのため、Z軸方向は、工具主軸33bおよび工具Tの曲げモードの影響が、X軸方向およびY軸方向に比べて小さい。そこで、Z軸方向においては、工具主軸33bおよび工具Tの曲げモードを考慮しない解析、すなわち第一解析のみを用いる。 On the other hand, the Z-axis direction is the direction of the rotation axis of the tool spindle 33b and the tool T. Therefore, the influence of the bending mode of the tool spindle 33b and the tool T is smaller in the Z-axis direction than in the X-axis and Y-axis directions. Therefore, in the Z-axis direction, only an analysis that does not consider the bending mode of the tool spindle 33b and the tool T, i.e., the first analysis, is used.

第一解析部64が、X軸,Y軸,Z軸方向の合成した加工力を用いて、剛体モデルM1による第一解析を行う。剛体モデルM1は、三次元モデルである。従って、第一解析部64は、三次元座標系における解析である。第一解析においては、剛体モデルM1においてX軸、Y軸およびZ軸方向の合成した加工力が工具Tおよび工作物Wに作用した場合に、第一基準としての工作物Wに対する、第一対象構造体の相対変位を出力する。 The first analysis unit 64 performs a first analysis using the rigid body model M1 using the combined machining forces in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. The rigid body model M1 is a three-dimensional model. Therefore, the first analysis unit 64 performs an analysis in a three-dimensional coordinate system. In the first analysis, when the combined machining forces in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions act on the tool T and workpiece W in the rigid body model M1, the first analysis outputs the relative displacement of the first target structure with respect to the workpiece W as the first reference.

ここで、X軸方向およびY軸方向においては、第一解析部64における第一対象構造体を、工具主軸ハウジング33aとする。つまり、第一解析部64は、剛体モデルM1において、X軸、Y軸およびZ軸方向の合成した加工力が工具Tおよび工作物Wに作用した場合に、第一基準としての工作物Wに対する、第一対象構造体としての工具主軸ハウジング33aの相対変位を出力する。つまり、X軸方向およびY軸方向においては、第一解析の結果として、工作物Wに対する工具主軸ハウジング33aの位置および姿勢の変化が出力される。 Here, in the X-axis and Y-axis directions, the first target structure in the first analysis unit 64 is the tool spindle housing 33a. That is, when a combined machining force in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions acts on the tool T and workpiece W in the rigid body model M1, the first analysis unit 64 outputs the relative displacement of the tool spindle housing 33a as the first target structure with respect to the workpiece W as the first reference. That is, in the X-axis and Y-axis directions, the change in position and attitude of the tool spindle housing 33a with respect to the workpiece W is output as a result of the first analysis.

そして、弾性体モデルM2は、工具主軸33bおよび工具Tを含む工具主軸ユニットである。つまり、X軸方向およびY軸方向においては、第一解析部64は、剛体モデルM1のうち、弾性体モデルM2としての工具主軸ユニット(33b,T)を除く構造体の相対変位を出力する。X軸方向およびY軸方向において、剛体モデルM1は、第一基準としての工作物Wに対する、第一対象構造体としての工具主軸ハウジング33aの相対変位を出力するためのモデルとして利用される。 The elastic body model M2 is a tool spindle unit including the tool spindle 33b and the tool T. That is, in the X-axis direction and the Y-axis direction, the first analysis unit 64 outputs the relative displacement of the structures of the rigid body model M1 excluding the tool spindle unit (33b, T) as the elastic body model M2. In the X-axis direction and the Y-axis direction, the rigid body model M1 is used as a model for outputting the relative displacement of the tool spindle housing 33a as the first target structure with respect to the workpiece W as the first reference.

Z軸方向においては、第一解析部64における第一対象構造体を、工具主軸33bとする。つまり、第一解析部64は、剛体モデルM1において、X軸、Y軸およびZ軸方向の合成した加工力が工具Tおよび工作物Wに作用した場合に、第一基準としての工作物Wに対する、第一対象構造体としての工具主軸33bの相対変位を出力する。ここで、剛体モデルM1において、工具主軸33bの変位は、工具Tの変位に相当する。 In the Z-axis direction, the first target structure in the first analysis unit 64 is the tool spindle 33b. In other words, when a combined machining force in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions acts on the tool T and workpiece W in the rigid body model M1, the first analysis unit 64 outputs the relative displacement of the tool spindle 33b as the first target structure with respect to the workpiece W as the first reference. Here, in the rigid body model M1, the displacement of the tool spindle 33b corresponds to the displacement of the tool T.

Z軸方向においては、第一解析の結果として、工作物Wに対する工具主軸33bの位置および姿勢の変化(工具Tの変化に等しい)が出力される。つまり、Z軸方向においては、剛体モデルM1は、第一基準としての工作物Wに対する、第一対象構造体としての工具主軸ユニット(33b,T)の相対変位を出力するためのモデルとして利用される。 In the Z-axis direction, the change in position and attitude of the tool spindle 33b relative to the workpiece W (equal to the change in the tool T) is output as a result of the first analysis. In other words, in the Z-axis direction, the rigid body model M1 is used as a model for outputting the relative displacement of the tool spindle unit (33b, T) as the first target structure relative to the workpiece W as the first reference.

第二解析部65は、第一解析部64による第一解析と並列に、弾性体モデルM2による第二解析(FEM解析)を行う。弾性体モデルM2は、二次元モデルである。従って、第二解析部65は、二次元座標系における解析である。本例では、弾性体モデルM2は、工具主軸33bおよび工具Tを含む工具主軸ユニットを対象とする。つまり、弾性体モデルM2は、第二基準を工具主軸ハウジング33aとし、第二対象構造体を工具主軸33bおよび工具Tを含む工具主軸ユニット(33b,T)とする。そして、弾性体モデルM2は、工具主軸ハウジング33aに対する工具主軸ユニットにおける所定位置としての工具Tの先端位置(加工位置)の絶対変位を出力するためのモデルとして利用される。 The second analysis unit 65 performs a second analysis (FEM analysis) using the elastic body model M2 in parallel with the first analysis performed by the first analysis unit 64. The elastic body model M2 is a two-dimensional model. Therefore, the second analysis unit 65 performs an analysis in a two-dimensional coordinate system. In this example, the elastic body model M2 targets the tool spindle unit including the tool spindle 33b and the tool T. That is, the elastic body model M2 sets the second reference to the tool spindle housing 33a, and sets the tool spindle unit (33b, T) including the tool spindle 33b and the tool T as the second target structure. The elastic body model M2 is used as a model for outputting the absolute displacement of the tip position (machining position) of the tool T as a predetermined position in the tool spindle unit relative to the tool spindle housing 33a.

詳細には、第二解析部65は、X軸方向の第二解析において、弾性体モデルM2においてX軸方向の加工力が工具Tおよび工作物Wに作用した場合に、第二基準としての工具主軸ハウジング33aに対する、第二対象構造体としての工具主軸33bおよび工具Tを含む工具ユニット(33b,T)の変形状態を出力する。 In detail, in the second analysis in the X-axis direction, when a machining force in the X-axis direction acts on the tool T and the workpiece W in the elastic body model M2, the second analysis unit 65 outputs the deformation state of the tool unit (33b, T) including the tool spindle 33b and the tool T as the second target structure relative to the tool spindle housing 33a as the second reference.

さらに、第二解析部65は、Y軸方向の第二解析において、弾性体モデルM2においてY軸方向の加工力が工具Tおよび工作物Wに作用した場合に、第二基準としての工具主軸ハウジング33aに対する、第二対象構造体としての工具主軸33bおよび工具Tを含む工具ユニット(33b,T)の変形状態を出力する。 Furthermore, in the second analysis in the Y-axis direction, the second analysis unit 65 outputs the deformation state of the tool unit (33b, T) including the tool spindle 33b and the tool T as the second target structure relative to the tool spindle housing 33a as the second reference when a machining force in the Y-axis direction acts on the tool T and the workpiece W in the elastic body model M2.

特に、第二解析部65は、第二解析の結果として、X軸方向およびY軸方向のそれぞれについて、工具主軸ハウジング33aに対して工具主軸33bおよび工具Tが変形した状態において、第二対象構造体の所定位置としての工具Tの先端位置(加工位置)の絶対変位を出力する。なお、第二解析は、Z軸方向については行われない。 In particular, as a result of the second analysis, the second analysis unit 65 outputs the absolute displacement of the tip position (machining position) of the tool T as a predetermined position of the second target structure in a state in which the tool spindle 33b and the tool T are deformed relative to the tool spindle housing 33a in each of the X-axis direction and the Y-axis direction. Note that the second analysis is not performed in the Z-axis direction.

合成処理部66は、X軸方向およびY軸方向のそれぞれについて、第一解析の結果と第二解析の結果とを合成する。つまり、合成処理部66は、第一解析の結果としての工作物Wに対する工具主軸ハウジング33aの相対変位と、第二解析の結果としての工具主軸ハウジング33aに対する工具Tの絶対変位とを合成する。つまり、X軸方向およびY軸方向において、得られた合成変位は、工作物Wに対する工具Tの相対変位である振動振幅となる。 The synthesis processing unit 66 synthesizes the results of the first analysis and the second analysis for each of the X-axis and Y-axis directions. That is, the synthesis processing unit 66 synthesizes the relative displacement of the tool spindle housing 33a with respect to the workpiece W as the result of the first analysis and the absolute displacement of the tool T with respect to the tool spindle housing 33a as the result of the second analysis. That is, in the X-axis and Y-axis directions, the obtained synthetic displacement becomes a vibration amplitude that is the relative displacement of the tool T with respect to the workpiece W.

一方、合成処理部66は、Z軸方向については、第一解析の結果のみをそのまま出力する。つまり、Z軸方向において、第一解析の結果が、工作物Wに対する工具Tの相対変位である振動振幅となる。 On the other hand, the synthesis processing unit 66 outputs only the results of the first analysis in the Z-axis direction as is. In other words, in the Z-axis direction, the result of the first analysis becomes the vibration amplitude, which is the relative displacement of the tool T with respect to the workpiece W.

そして、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれの合成変位(工作物Wに対する工具Tの相対変位)を、現在の振動振幅とすると共に、時間遅れ処理部67が時間遅れ処理を実行することにより工作物Wの1回転前の振動振幅を算出し、フィードバックする。 Then, the composite displacements in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions (the relative displacement of the tool T with respect to the workpiece W) are set as the current vibration amplitude, and the time delay processing unit 67 performs time delay processing to calculate the vibration amplitude of the workpiece W one rotation ago and feeds it back.

上記を繰り返すことにより、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれに関する、工作物Wに対する工具Tの相対変位の時間変化、すなわち、工作物Wに対する工具Tの相対的な振動振幅を出力することができる。 By repeating the above, it is possible to output the change over time in the relative displacement of the tool T with respect to the workpiece W in each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, i.e., the relative vibration amplitude of the tool T with respect to the workpiece W.

さらに、解析部53は、合成処理部66により出力された、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の振動振幅を用いて、工作機械1全体に関する安定限界線図を生成する。つまり、解析部53は、X軸方向およびY軸方向において剛体モデルM1および弾性体モデルM2を併用して得られた振動振幅と、Z軸方向において剛体モデルM1のみを用いて得られた振動振幅とに基づいて、工作機械1全体に関する安定限界線図を生成する。従って、高精度な安定限界解析結果を用いることにより、びびり現象の発生を抑制するための効果的な対策を検討可能となる。 Furthermore, the analysis unit 53 generates a stability limit diagram for the entire machine tool 1 using the vibration amplitudes in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions output by the synthesis processing unit 66. That is, the analysis unit 53 generates a stability limit diagram for the entire machine tool 1 based on the vibration amplitudes obtained in the X-axis and Y-axis directions by using both the rigid body model M1 and the elastic body model M2, and the vibration amplitude in the Z-axis direction by using only the rigid body model M1. Therefore, by using the highly accurate stability limit analysis results, it becomes possible to consider effective measures to suppress the occurrence of chatter.

さらに、振動解析モデルには、弾性体モデルM2が含まれている。仮に、工作機械1全体を弾性体モデルで表現するのは、解析条件の設定において容易ではない。しかし、第二解析における弾性体モデルM2は、工作機械1における一部の構造体のみを対象としているため、弾性体モデルM2を用いるとしても、解析条件の設定を容易とすることができ、解析時間を短時間にすることができる。 Furthermore, the vibration analysis model includes an elastic body model M2. If the entire machine tool 1 were to be represented by an elastic body model, it would not be easy to set the analysis conditions. However, since the elastic body model M2 in the second analysis targets only some of the structures in the machine tool 1, even if the elastic body model M2 is used, it is possible to easily set the analysis conditions and shorten the analysis time.

(5-2.解析部53による周波数応答解析)
解析部53は、上述した安定限界解析に加えて、周波数応答解析を行うこともできる。周波数応答解析は、安定限界解析とは独立して行われる解析であって、工作物Wに対する工具Tの振動の周波数と機械的コンプライアンスとの関係を出力する解析である。そして、周波数応答解析による対象モデルは、上述した安定限界解析において適用した第一解析と第二解析とを併用した場合における振動解析モデルである。
(5-2. Frequency response analysis by analysis unit 53)
The analysis unit 53 can also perform a frequency response analysis in addition to the above-mentioned stability limit analysis. The frequency response analysis is an analysis performed independently of the stability limit analysis, and outputs the relationship between the frequency of vibration of the tool T with respect to the workpiece W and the mechanical compliance. The target model in the frequency response analysis is a vibration analysis model in which the first analysis and the second analysis applied in the above-mentioned stability limit analysis are used in combination.

解析部53による周波数応答解析について、図7-図8を参照して説明する。図7に示すように、周波数応答解析において、例えばスイープ信号等の時間領域の加振力を、振動解析モデル(図7の破線で囲む範囲)に対する入力信号とする。入力信号としての加振力は、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向のそれぞれを有する。そして、振動解析モデルは、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向のそれぞれの振動振幅を出力信号として出力する。 The frequency response analysis by the analysis unit 53 will be described with reference to Figs. 7 and 8. As shown in Fig. 7, in the frequency response analysis, a time domain excitation force such as a sweep signal is used as an input signal to the vibration analysis model (the area surrounded by the dashed line in Fig. 7). The excitation forces as input signals have X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. The vibration analysis model then outputs the vibration amplitudes in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions as output signals.

周波数応答解析を行う解析部53は、第一解析を行う第一解析部71、第二解析を行う第二解析部72、合成処理部73、入力フーリエ変換部74、出力フーリエ変換部75、周波数応答特性演算部76を備える。ここで、第一解析部71、第二解析部72、合成処理部73は、上述した安定限界解析を行う解析部53における第一解析部64、第二解析部65、合成処理部66と実質的に同様の処理を行う。 The analysis unit 53 that performs the frequency response analysis includes a first analysis unit 71 that performs the first analysis, a second analysis unit 72 that performs the second analysis, a synthesis processing unit 73, an input Fourier transform unit 74, an output Fourier transform unit 75, and a frequency response characteristic calculation unit 76. Here, the first analysis unit 71, the second analysis unit 72, and the synthesis processing unit 73 perform substantially the same processing as the first analysis unit 64, the second analysis unit 65, and the synthesis processing unit 66 in the analysis unit 53 that performs the above-mentioned stability limit analysis.

つまり、出力される振動振幅は、工作物Wに対する工具Tの振動振幅となる。そして、出力される振動振幅は、X軸方向およびY軸方向については剛体モデルM1および弾性体モデルM2を併用して得られた振動振幅であって、Z軸方向については剛体モデルM1のみを用いて得られた振動振幅である。 In other words, the vibration amplitude that is output is the vibration amplitude of the tool T relative to the workpiece W. The vibration amplitude that is output is the vibration amplitude obtained by using both the rigid body model M1 and the elastic body model M2 in the X-axis and Y-axis directions, and is the vibration amplitude obtained by using only the rigid body model M1 in the Z-axis direction.

入力信号および出力信号は、時間領域における信号であるため、入力フーリエ変換部74および出力フーリエ変換部75が、入力信号および出力信号に対して、周波数領域に変換する処理を行う。周波数応答特性演算部76は、変換された入力信号および出力信号に基づいて、振動解析モデル(71,72,73)の周波数応答特性を演算する。つまり、周波数応答特性は、周波数領域において、振動振幅を加振力で除した機械的コンプライアンスである。つまり、周波数応答特性は、振動の周波数(Hz)と機械的コンプライアンス(m/N)との関係である。上述した振動解析モデルによる周波数応答特性は、図8に示すようになる。 Since the input signal and the output signal are signals in the time domain, the input Fourier transform unit 74 and the output Fourier transform unit 75 perform a process of converting the input signal and the output signal into the frequency domain. The frequency response characteristic calculation unit 76 calculates the frequency response characteristic of the vibration analysis model (71, 72, 73) based on the converted input signal and output signal. In other words, the frequency response characteristic is the mechanical compliance obtained by dividing the vibration amplitude by the excitation force in the frequency domain. In other words, the frequency response characteristic is the relationship between the vibration frequency (Hz) and the mechanical compliance (m/N). The frequency response characteristic according to the vibration analysis model described above is as shown in Figure 8.

比較のため、対象の振動解析モデルを剛体モデルM1とした場合における周波数応答特性を図9に示す。図9に示すように、低周波域における機械的コンプライアンスが高い値を示すのに対して、高周波域における機械的コンプライアンスが低い値を示す。また、対象の振動解析モデルを弾性体モデルM2とした場合における周波数応答特性を図10に示す。図10に示すように、低周波域における機械的コンプライアンスは周波数に対する変動が小さいのに対して、高周波域における機械的コンプライアンスは周波数に対する変動が大きい。 For comparison, Figure 9 shows the frequency response characteristics when the target vibration analysis model is a rigid body model M1. As shown in Figure 9, the mechanical compliance in the low frequency range is high, whereas the mechanical compliance in the high frequency range is low. Figure 10 shows the frequency response characteristics when the target vibration analysis model is an elastic body model M2. As shown in Figure 10, the mechanical compliance in the low frequency range varies little with frequency, whereas the mechanical compliance in the high frequency range varies greatly with frequency.

つまり、図8に示す振動解析モデルの周波数応答特性は、概ね、図9に示す剛体モデルM1のみの周波数応答特性と図10に示す弾性体モデルM2のみの周波数応答特性とを合成した関係となる。 In other words, the frequency response characteristics of the vibration analysis model shown in FIG. 8 are roughly a combination of the frequency response characteristics of only the rigid body model M1 shown in FIG. 9 and the frequency response characteristics of only the elastic body model M2 shown in FIG. 10.

つまり、図8に示す周波数応答特性は、剛体モデルM1による第一解析により工作機械1全体としての特性が考慮され、且つ、弾性体モデルM2による第二解析により曲げモードの影響の大きな構造体についての特性が考慮された結果となる。従って、第一解析と第二解析とを併用することにより、高精度な周波数応答特性を有することが分かる。 In other words, the frequency response characteristics shown in Figure 8 are the result of taking into account the characteristics of the machine tool 1 as a whole through a first analysis using the rigid body model M1, and taking into account the characteristics of the structure that is greatly influenced by the bending mode through a second analysis using the elastic body model M2. Therefore, it can be seen that by using the first analysis and the second analysis together, highly accurate frequency response characteristics can be obtained.

また、図8に示す周波数応答特性は、ハンマリング試験による周波数応答特性(図示せず)と比較しても、近似した結果となることが分かった。この点からも、剛体モデルM1と弾性体モデルM2を併用した振動解析モデルは、高精度な周波数応答特性を有することが分かった。そして、周波数応答解析の結果より、上述した安定限界解析の結果が、高精度であると言える。 The frequency response characteristics shown in Figure 8 were also found to be close to the frequency response characteristics obtained by a hammering test (not shown). This also shows that the vibration analysis model using both the rigid body model M1 and the elastic body model M2 has highly accurate frequency response characteristics. The results of the frequency response analysis also show that the results of the above-mentioned stability limit analysis are highly accurate.

1:工作機械、 10:ベッド、 20:工作物保持装置、 21:X軸移動テーブル、 22:B軸回転テーブル、 23:工作物主軸装置、 23a:工作物主軸基台、 23b:工作物主軸ハウジング、 23c:工作物主軸、 30:工具保持装置、 31:コラム、 32:サドル、 33:工具主軸装置、 33a:工具主軸ハウジング、 33b:工具主軸、 50:安定限界解析装置、 51:剛体モデル記憶部、 52:弾性体モデル記憶部、 53:解析部、 64,71:第一解析部、 65,72:第二解析部、 66,73:合成処理部、 M1:剛体モデル、 M2:弾性体モデル、 T:工具、 W:工作物 1: Machine tool, 10: Bed, 20: Workpiece holding device, 21: X-axis moving table, 22: B-axis rotating table, 23: Workpiece spindle device, 23a: Workpiece spindle base, 23b: Workpiece spindle housing, 23c: Workpiece spindle, 30: Tool holding device, 31: Column, 32: Saddle, 33: Tool spindle device, 33a: Tool spindle housing, 33b: Tool spindle, 50: Stability limit analysis device, 51: Rigid body model storage unit, 52: Elastic body model storage unit, 53: Analysis unit, 64, 71: First analysis unit, 65, 72: Second analysis unit, 66, 73: Synthesis processing unit, M1: Rigid body model, M2: Elastic body model, T: Tool, W: Workpiece

Claims (13)

複数の構造体により構成される工作機械において工具により工作物を加工する際の安定限界解析装置であって、
前記複数の構造体のそれぞれを剛体とする剛体要素と前記剛体要素を支持する支持要素とにより構成される剛体モデルを記憶する剛体モデル記憶部と、
前記複数の構造体の一部を対象とし且つ曲げモードを表現可能な弾性体モデルを記憶する弾性体モデル記憶部と、
前記剛体モデルを用いた第一基準に対する第一対象構造体の位置および姿勢の変化に関する第一解析の結果と前記弾性体モデルを用いた第二対象構造体の変形に関する第二解析の結果とに基づいて、前記工作機械に関する安定限界解析を行う解析部と、
を備える、工作機械に関する安定限界解析装置。
A stability limit analysis device for machining a workpiece with a tool in a machine tool composed of a plurality of structures, comprising:
a rigid body model storage unit that stores a rigid body model including rigid elements each of the plurality of structures as a rigid body and support elements that support the rigid body elements;
an elastic body model storage unit that stores an elastic body model that targets a portion of the plurality of structures and is capable of expressing a bending mode;
an analysis unit that performs a stability limit analysis on the machine tool based on a result of a first analysis on a change in position and orientation of a first target structure relative to a first reference using the rigid body model and a result of a second analysis on a deformation of a second target structure using the elastic body model;
The present invention relates to a machine tool stability limit analysis device.
前記弾性体モデルは、有限要素法による変形解析を実行するためのモデルであり、
前記弾性体モデルを用いた前記第二解析は、前記有限要素法による変形解析である、請求項1に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。
the elastic body model is a model for performing deformation analysis using a finite element method,
2. The stability limit analysis device for a machine tool according to claim 1, wherein the second analysis using the elastic body model is a deformation analysis by the finite element method.
前記弾性体モデルは、前記第二対象構造体として回転体要素を対象とし、前記回転体要素の回転軸線を通る断面を表現した二次元モデルであり、
前記弾性体モデルを用いた前記第二解析は、二次元座標系における解析である、請求項2に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。
the elastic body model is a two-dimensional model that targets a rotor element as the second target structure and expresses a cross section passing through a rotation axis of the rotor element,
3. The stability limit analysis device for a machine tool according to claim 2, wherein the second analysis using the elastic body model is an analysis in a two-dimensional coordinate system.
前記剛体モデルは、三次元モデルであり、
前記剛体モデルを用いた前記第一解析は、三次元座標系における解析である、請求項3に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。
the rigid body model is a three-dimensional model,
4. The stability limit analysis device for a machine tool according to claim 3, wherein the first analysis using the rigid body model is an analysis in a three-dimensional coordinate system.
前記剛体モデルを構成する前記支持要素は、バネ要素およびダンパ要素を含む、請求項1-4の何れか1項に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。 The stability limit analysis device for a machine tool according to any one of claims 1 to 4, wherein the support elements constituting the rigid body model include spring elements and damper elements. 前記弾性体モデルは、前記複数の構造体のうち、前記工具および前記工具を保持する構造体により構成される工具ユニット、および、前記工作物および前記工作物を保持する構造体により構成される工作物ユニット、のうち少なくとも一方のみを対象とする、請求項1-5の何れか1項に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。 The stability limit analysis device for a machine tool according to any one of claims 1 to 5, wherein the elastic body model targets at least one of the multiple structures: a tool unit consisting of the tool and a structure that holds the tool, and a workpiece unit consisting of the workpiece and a structure that holds the workpiece. 前記弾性体モデルは、前記工具と前記工具を保持すると共に前記工具と一体的に回転する工具主軸とを含んで構成される前記工具ユニットを対象とする、請求項6に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。 The stability limit analysis device for a machine tool according to claim 6, wherein the elastic body model is directed to the tool unit including the tool and a tool spindle that holds the tool and rotates integrally with the tool. 前記弾性体モデルは、前記工作物と前記工作物を保持すると共に前記工作物と一体的に回転する工作物主軸とを含んで構成される前記工作物ユニットを対象とする、請求項6または7に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。 The stability limit analysis device for a machine tool according to claim 6 or 7, wherein the elastic body model is directed to the workpiece unit including the workpiece and a workpiece spindle that holds the workpiece and rotates integrally with the workpiece. 前記解析部は、
前記第一解析および前記第二解析に、加工により前記工具および前記工作物に相互に作用する加工力を入力し、
前記第一解析の結果として、前記剛体モデルにおいて前記加工力が前記工具および前記工作物に作用した場合に、前記第一基準に対する前記第一対象構造体の相対変位を出力し、
前記第二解析の結果として、前記弾性体モデルにおいて前記加工力が前記工具に作用した場合に、第二基準に対する前記第二対象構造体の所定位置の絶対変位を出力し、
前記第一対象構造体の相対変位と前記第二対象構造体の前記所定位置の絶対変位とを合成した合成変位を算出することにより、前記工作機械に関する安定限界解析を行う、請求項1-8の何れか1項に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。
The analysis unit is
A machining force acting on the tool and the workpiece due to machining is input to the first analysis and the second analysis;
outputting, as a result of the first analysis, a relative displacement of the first target structure with respect to the first reference when the machining force acts on the tool and the workpiece in the rigid body model;
outputting, as a result of the second analysis, an absolute displacement of a predetermined position of the second target structure relative to a second reference when the machining force acts on the tool in the elastic body model;
A stability limit analysis device for a machine tool described in any one of claims 1 to 8, which performs a stability limit analysis for the machine tool by calculating a resultant displacement that is a combination of the relative displacement of the first target structure and the absolute displacement of the specified position of the second target structure.
前記工作機械は、
前記工具と、
前記工具を支持すると共に前記工具と一体的に回転する工具主軸と、
前記工具主軸を回転可能に支持する主軸ハウジングと、
を少なくとも備え、
前記弾性体モデルは、前記複数の構造体のうち、前記工具および前記工具主軸により構成される工具ユニットを対象とし、
前記解析部は、
前記第一解析の結果として、前記第一基準としての前記工作物に対する前記第一対象構造体としての前記主軸ハウジングの相対変位を出力し、
前記第二解析の結果として、前記第二基準としての前記主軸ハウジングに対する前記第二対象構造体の前記所定位置としての前記工具の絶対変位を出力し、
前記合成変位として、前記第一基準としての前記工作物に対する前記工具の相対変位を算出することにより、前記工作機械に関する安定限界解析を行う、請求項9に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。
The machine tool comprises:
The tool;
a tool spindle that supports the tool and rotates integrally with the tool;
a spindle housing that rotatably supports the tool spindle;
At least
the elastic body model targets a tool unit, among the plurality of structures, that is configured by the tool and the tool spindle,
The analysis unit is
outputting, as a result of the first analysis, a relative displacement of the spindle housing as the first target structure with respect to the workpiece as the first reference;
outputting, as a result of the second analysis, an absolute displacement of the tool as the predetermined position of the second target structure relative to the spindle housing as the second reference;
10. The stability limit analysis device for a machine tool according to claim 9, wherein a stability limit analysis for the machine tool is performed by calculating, as the resultant displacement, a relative displacement of the tool with respect to the workpiece serving as the first reference.
前記工具主軸の回転軸線の方向をZ軸方向と定義し、前記Z軸方向に直交する直交2軸をX軸方向およびY軸方向と定義し、
前記解析部は、
前記X軸方向および前記Y軸方向に関し、前記合成変位を算出することにより、前記工作機械に関する安定限界解析を行う、請求項10に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。
A direction of a rotation axis of the tool spindle is defined as a Z-axis direction, and two orthogonal axes perpendicular to the Z-axis direction are defined as an X-axis direction and a Y-axis direction,
The analysis unit is
11. The apparatus for analyzing a stability limit for a machine tool according to claim 10, further comprising: a stability limit analysis for the machine tool being performed by calculating the resultant displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction.
前記解析部は、
前記Z軸方向に関し、
前記第一解析の結果として、前記第一基準としての前記工作物に対する前記第一対象構造体としての前記工具主軸の相対変位を出力し、
前記工具主軸の相対変位を用いて、前記工作機械に関する安定限界解析を行う、請求項11に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。
The analysis unit is
With respect to the Z-axis direction,
outputting, as a result of the first analysis, a relative displacement of the tool spindle as the first target structure with respect to the workpiece as the first reference;
The apparatus for analyzing a stability limit for a machine tool according to claim 11, further comprising: a relative displacement of the tool spindle for performing a stability limit analysis for the machine tool.
前記解析部は、前記工具の回転速度と限界切込量とに関する安定限界線図を出力する、請求項1-12の何れか1項に記載の工作機械に関する安定限界解析装置。 The stability limit analysis device for a machine tool according to any one of claims 1 to 12, wherein the analysis unit outputs a stability limit diagram relating to the rotational speed and cutting depth limit of the tool.
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