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センサレス切削力推定を応用した実時間主軸速度制御による能動的びびり振動抑制

Research Project

Project/Area Number 19J13204
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

大和 駿太郎  慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2019-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsびびり振動 / 能動抑制 / プロセス制御 / プロセス監視 / 切削力推定 / センサレス / 自己最適化機械加工システム / 切削加工 / 機械加工 / SSV / センサレス切削力推定
Outline of Research at the Start

機械加工中に発生するびびり振動と呼ばれる不安定振動は,高精度・高能率な加工を制約する大きな要因となっているため,工作機械のおける永遠の課題と言われている.加工中に主軸回転数を適切な振幅・周波数で周期変動させること(CSSV)で,びびり振動を効果的に抑制可能であることが知られているが,その最適設計は極めて複雑であり体系化なされていない.本研究では,CSSVと無線工学における位相変調との技術的相似性に着目することで,その最適設計則を理論的に導出し,体系化する.また,工作機械内部情報に基づくセンサレス切削力推定を応用し,びびり振動状態に応じた最適CSSVによる能動的びびり振動抑制システムを実現する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,センサレス切削力推定を応用したびびり振動監視に基づき主軸回転数などのプロセスパラメータを実時間制御することで,付加的センサやアクチュエータ無しに,機械加工における最重要課題の一つであるびびり振動を自律抑制する知能化工作機械システムの開発を目的とした.最終年度である令和2年度では,特に(1):正弦波主軸速度変動(SSSV)による自律型びびり振動抑制システムの開発,(2):パラレルエンドミル加工における主軸回転速度差制御による自律びびり振動抑制に取り組んだ.
(1)に関しては,びびり周波数に基づくSSSVの最適設計理論は前年度に構築済みである.本年度は,推定切削力を利用したびびり振動監視と,それに基づく最適SSSVによるびびり振動抑制の一連の機能を大型工作機械に実装・統合した.その結果,推定切削力から加工中にリアルタイム推定したびびり振動周波数に基づきSSSVをin-situ最適設計し,工作機械がびびり振動を自律的に抑制可能であることを確認した.また,提案したSSSVの理論を応用し,パラレル旋削加工における揺動加工法(上下工具を工作物円周上に揺動運動させることでびびりを抑制する加工法)の最適設計にも展開させた.
(2)におけるパラレルエンドミル加工では,びびり周波数に基づき計算されるびびり振動位相差が上下工具間で逆位相になるように主軸回転数差を与えることで,びびり振動をキャンセレーションすることを試みた.パラレルエンドミル加工におけるプロセスモデル・時間領域シミュレーションを構築し,その有効性を理論的に解析するとともに,加工中の推定切削力からリアルタイム推定したびびり周波数に基づき回転数差を適応制御するシステムをマルチタレット工作機械に実装した.その結果,加工状態の変化(つまり,びびり周波数の変化)に対応しながら,びびり振動をロバストに抑制可能であることを確認した.

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Development of Automatic Chatter Suppression System in Parallel Milling by Real-Time Spindle Speed Control with Observer-Based Chatter Monitoring2021

    • Author(s)
      Shuntaro Yamato, Kenichi Nakanishi, Norikazu Suzuki, Yasuhiro Kakinuma
    • Journal Title

      International Journal of Precision Engineering and Manufacturing

      Volume: 22 Issue: 2 Pages: 227-240

    • DOI

      10.1007/s12541-021-00469-2

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Experimental verification of design methodology for chatter suppression in tool swing?assisted parallel turning2020

    • Author(s)
      Yamato Shuntaro、Nakanishi Kenichi、Suzuki Norikazu、Kakinuma Yasuhiro
    • Journal Title

      The International Journal of Advanced Manufacturing Technology

      Volume: 110 Issue: 7-8 Pages: 1759-1771

    • DOI

      10.1007/s00170-020-05951-1

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Precompensation of machine dynamics for cutting force estimation based on disturbance observer2020

    • Author(s)
      Yamato Shuntaro、Kakinuma Yasuhiro
    • Journal Title

      CIRP Annals

      Volume: 69 Issue: 1 Pages: 333-336

    • DOI

      10.1016/j.cirp.2020.04.068

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Self-acting optimal design of spindle speed variation for regenerative chatter suppression based on novel analysis of internal process energy behavior2020

    • Author(s)
      Yamato Shuntaro、Ito Takamichi、Matsuzaki Hirohiko、Fujita Jun、Kakinuma Yasuhiro
    • Journal Title

      International Journal of Machine Tools and Manufacture

      Volume: 159 Pages: 103639-103639

    • DOI

      10.1016/j.ijmachtools.2020.103639

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Multi-encoder-based cutting force estimation with Kalman filter in machine tools with multiple-inertia dynamics2020

    • Author(s)
      Yamamoto Keisuke, Yamato Shuntaro, Kakinuma Yasuhiro
    • Organizer
      18th International Conference on Precision Engineering (ICPE2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Novel modelling, interpretation and design of spindle speed variation machining for regenerative chatter suppression2020

    • Author(s)
      Yamato Shuntaro, Kakinuma Yasuhiro
    • Organizer
      The 2nd International Symposium on Applied Abstraction and Integrated Design (AAID2020)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation of correlation between process energy balance and phase shift variation of chatter vibration in spindle speed variation2020

    • Author(s)
      Yamato Shuntaro, Ito Takamichi, Matsuzaki Hirohiko, Kakinuma Yasuhiro
    • Organizer
      The JSME 2020 Conference on Leading Edge Manufacturing/Materials and Processing (LEMP2020)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Precise cutting force estimation by hybrid estimation of DC/AC components2020

    • Author(s)
      Sato Taiki, Yamato Shuntaro, Imabeppu Yasuhiro, Irino Naruhiro, Kakinuma Yasuhiro
    • Organizer
      2020 International Symposium on Flexible Automation (ISFA2020)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of automatic chatter suppression system in parallel milling by real-time control strategy of spindle speed with observer-based chatter monitoring2019

    • Author(s)
      Yamato Shuntaro, Nakanishi Kenichi, Suzuki Norikazu, Kakinuma Yasuhiro
    • Organizer
      The 8th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhancement of sensor-less cutting force estimation by tuning of observer parameters from cutting test2019

    • Author(s)
      Yamato Shuntaro, Imabeppu Yasuhiro, Irino Naruhiro, Suzuki Norikazu, Kakinuma Yasuhiro
    • Organizer
      8th Manufacturing Engineering Society International Conference (MESIC2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 主軸速度変動によるびびり振動抑制の自動最適化設計 ー変調指数に基づくびびり振動エネルギ最小化によるパラメータ選択ー2019

    • Author(s)
      大和駿太郎,伊東隆充,松崎敬彦,柿沼康弘
    • Organizer
      日本機械学会第13回生産加工・工作機械部門講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 揺動運動を援用したパラレルターニングによるびびり振動の抑制2019

    • Author(s)
      大和駿太郎,中西賢一,鈴木教和,柿沼康弘
    • Organizer
      精密工学会切削加工専門委員会・知的ナノ計測専門員会令和1年度ワークショップ
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 工作機械,数値制御装置および振動抑制方法2019

    • Inventor(s)
      柿沼康弘,大和駿太郎,伊東隆充,藤田純,松崎敬彦,澤崎誠
    • Industrial Property Rights Holder
      柿沼康弘,大和駿太郎,伊東隆充,藤田純,松崎敬彦,澤崎誠
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-05-29   Modified: 2024-03-26  

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