| 研究課題/領域番号 |
18K03878
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| 研究機関 | 鹿児島大学 |
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研究代表者 |
近藤 英二 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (10183352)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | びびり振動抑制 / 小径エンドミル / 動的コンプライアンス / ハイブリッド主軸 / 制御磁気軸受 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、主軸の支持剛性は玉軸受で確保し、磁気軸受によって主軸下端の運動を制御できるハイブリッド主軸を用い、電磁力により主軸・工具系の振動を制御し、小径エンドミル工具先端での動的コンプライアンスを改善することでびびり振動を抑制することを目的としている。本年度は製作したハイブリッド主軸の実験機の制御系を構築し、基本的機能の評価を行った。昨年度製作した実験機は主軸回転速度12000rpmで高速回転できること、またツールホルダ（主軸を含む）とエンドミルからなる振動系のモデルは、２重振り子を用いる必要があることが明らかになった。極配置法を用いて状態フィードバック制御によりエンドミル系のコンプライアンス制御を行う場合、振動系モデルのパラメータの同定の精度が重要になるが、従来の方法では十分な精度で同定ができなかったため、新たに特性モデル同定法を用いて同定の精度を高めた。また高速回転により振動系の自由振動パラメータが変化することが予想されるため、予備実験として主軸を止めた状態で、制御磁気軸受の電磁力を用いてツールホルダをスイープ信号で加振して周波数応答関数を求め、打撃試験で得られた周波数応答関数との比較を行った。その結果、電磁力を用いて得られた周波数応答関数の大きさは、打撃試験で得られた周波数応答関数の大きさとほぼ一致したが、位相が大きく異なった。考察の結果、電磁力を用いて得られた周波数応答関数には、制御磁気軸受の電磁石の回路のインダクタンスが影響していることが分かった。またツールホルダとエンドミルの振動パラメータを用いて極配置法により状態フィードバック係数を求め、アナログ回路で実装して制御実験を行ったところ、ツールホルダが発振した。原因は制御系のパラメータとして、制御磁気軸受の電磁石回路のインピーダンスを無視したことにより、振動系モデルのパラメータが変化したためと考察された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
2019年度の目標は「エンドミルのコンプライアンス制御システムの制御系の設計・試作と評価」であった。研究実績で述べたように、状態フィードバック制御によるエンドミルのコンプライアンス制御では、振動系モデルのパラメータの同定の精度が重要になるが、ツールホルダ単体、エンドミル単体をそれぞれ１自由度系として振動系のパラメータを同定し、２自由度系（２重振り子）モデルのパラメータとして用いた場合、エンドミルをツールホルダに取り付けて得られる動的コンプライアンスの測定値と大きな差が見られた。そこで、エンドミルをツールホルダに取り付けた状態で打撃試験を行い、得られた動的コンプライアンス（周波数応答関数）から振動系モデルのパラメータを同定する方法を用いることにより、測定値との差が小さいパラメータの値を得ることができた。また得られた振動系モデルのパラメータの値を用いて極配置法により、エンドミルの動的コンプライアンスを低減する状態フィードバック係数を求めてアナログ回路により実装した。しかし、制御磁気軸受を取り付けたツールホルダは発振してしまい、エンドミルの動的コンプライアンスを測定することができなかった。一方、制御磁気軸受の電磁力を用いてツールホルダを加振して得られた周波数応答関数は、打撃試験で得られた周波数応答関数と位相が大きく異なった。その原因として電磁石のコイルの影響が考察されたので、状態変数に電磁石回路の電流を加えることが必要であることが分かった。以上のことから、制御磁気軸受を取り付けたツールホルダが発振した原因として、状態フィードバック係数を求める際に、電磁石回路のパラメータを無視したことが原因であると考察するに至った。これらの知見は予想が困難で、実験機の制御系を実装することで得られたものであり、結果として本年度の目標は達成できなかったが、解決は可能であると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
2019年度は、予定としていた「エンドミルの振動変位をエンドミル上端に取付けたアルミリングの位置で測定できるようになったため、主軸を高速回転させた状態で電磁力によるスイープ加振を行い、主軸系の振動特性を測定し、静止状態で測定される主軸系の振動特性との違いについて検討し、主軸振動系のモデルの修正を行う。また切削中でもエンドミルの振動変位の測定できるので、最終年度に実施を予定していた切削実験を行い、エンドミル下端でのコンプライアンスの制御によるびびり振動の抑制の効果について検証する。さらに、2019年度はその準備として、アナログ回路で作成する状態フィードバックの制御回路をソフトウェアでも製作し、アナログ回路で製作した制御系との特性の違いについて検討する。」が行えなかったため、残された内容を2020年度の早い段階で行う。また2020年度は、「オブザーバーを使ってエンドミル下端の振動変位を推定して動的コンプライアンスを制御し、切削実験により有効性を検証する。」としており、予定通りに実施する。2019年度の実施内容が残っており、本年度の主要な目標である制御系のデジタル化を速く進める必要があるため、制御系のソフトウェアの開発を効率的に行えるように、市販のソフトウェアであるMATLAB＆Simulink（大学がライセンスを持っている）及び市販されている実験機の制御機器と制御用パソコンとのインターフェースを導入する。必要な制御用のパソコンとインターフェースは既に導入し、MATLAB＆Simulink等の必要なソフトウェアの制御用パソコンへのインストールもほぼ終了しており、最終年度の目標は達成できる見込みである。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
使用予定を立てる積算時の端数処理の関係で、僅かに残金が出た。残金は次年度の消耗品の購入にあてる。
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