JP2021107950A - 数値制御装置と数値制御装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工中における工具の振動を精度良く検出できる数値制御装置と数値制御装置の制御方法を提供する。【解決手段】数値制御装置のＣＰＵは、ワークの加工中に、主軸を支持する主軸ヘッドの振動を検出する（Ｓ９〜Ｓ１３）。ＣＰＵは、検出した検出結果に基づき、ワークの加工中における主軸ヘッドに生じた振動の周波数特性を演算する（Ｓ１７）。ＣＰＵは、振動比率を記憶する記憶装置から振動比率を読み出す（Ｓ１９）。振動比率は、動作の停止時において、工具を加振した時の工具に生じる振動の周波数特性である第二特性と、動作の停止時において、工具を加振した時の主軸ヘッドに生じる振動の周波数特性である第三特性との比率である。振動比率は、周波数に応じて異なる。ＣＰＵは、主軸ヘッドに生じた振動の周波数特性に対して、読み出した振動比率を乗ずることにより、ワークの加工中における工具の振動を演算する（Ｓ２１）。【選択図】図３

Description

本発明は、数値制御装置と数値制御装置の制御方法に関する。

特許文献１の工作機械は、加速度センサを主軸ヘッドに取り付け、主軸ヘッドの振動を検出する。工作機械は、加速度センサが検出した主軸ヘッドの振動の大きさと、閾値を超える振動が起きた回数に基づき、工具と被削材の間で継続的に発生するびびり振動を検出する。

特開２０１０−２３１６２号公報

特許文献１の工作機械では、加速度ピックアップが主軸ヘッドの振動を検出するので、工具の振動を直接検出していない。びびり振動は工具と被削材との間で発生するので、工作機械はびびり振動を正確に検出できない。工作機械は、被削材の加工中の工具は高速で回転するので、工具に加速度センサを取り付けて工具の振動を直接計測するのは困難である。非接触センサを用いて工具と非接触の状態で工具の振動を検出する場合、工作機械は、加工中の工具交換により寸法の異なる工具を主軸に装着すると、非接触センサによる計測位置を変更する必要がある。故に工作機械は、工具交換の度に計測位置を変更する必要があり、工具の振動を直接計測するのは困難である。

本発明の目的は、加工中における工具の振動を精度良く検出できる数値制御装置と数値制御装置の制御方法を提供することである。

請求項１の数値制御装置は、工具を装着する主軸を回転してワークを加工する工作機械の動作を制御する数値制御装置において、前記ワークの加工中に、前記工作機械の振動を検出する検出部と、前記検出部が検出した検出結果に基づき、前記ワークの加工中における前記工作機械に生じた振動の周波数特性である第一特性を演算する演算部と、前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工具又は前記ワークに生じる振動の周波数特性である第二特性と、前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工作機械に生じる振動の周波数特性である第三特性との比率であって、周波数に応じて異なる振動比率を記憶する記憶部から前記振動比率を読み出す読み出し部と、前記演算部が演算した前記第一特性に対して、前記読み出し部が読み出した前記振動比率を乗ずることにより、前記ワークの加工中における前記工具又は前記ワークの振動を演算する振動演算部とを備えたことを特徴とする。

数値制御装置は、演算した第一特性に対して、記憶部から読み出した振動比率を乗ずることにより、ワークの加工中における工具の振動を演算する。故に、数値制御装置は、加工中における工具の振動を精度よく検出できる。

請求項２の数値制御装置は、前記主軸の回転の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工具又は前記ワークの振動を検出する第一検出部からの出力結果に基づき、前記第二特性を演算する第二特性演算部と、前記主軸の回転の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工作機械の振動を検出する第二検出部からの出力結果に基づき、前記第三特性を演算する第三特性演算部と、前記第二特性演算部により演算した前記第二特性と前記第三特性演算部により演算した前記第三特性に基づき、前記振動比率を算出する振動比率算出部と、前記振動比率算出部により算出した前記振動比率を前記記憶部に記憶する記憶制御部とを備えるとよい。数値制御装置は、主軸の回転の停止時における第一検出部からの出力結果に基づき、第二特性を演算する。数値制御装置は、主軸の回転の停止時における第二検出部からの出力結果に基づき第三特性を演算する。数値制御装置は、第二特性と第三特性に基づき振動比率を算出し、算出した振動比率を記憶部に記憶する。故に、数値制御装置は、予め記憶部に記憶した振動比率により、ワークの加工中における工具の振動を演算できる。

請求項３の数値制御装置の前記第二特性演算部及び前記第三特性演算部は、前記工具又は前記ワークを加振した時に前記第一検出部及び前記第二検出部によって同時に検出する前記工具又は前記ワークの振動、及び前記工作機械の振動の夫々の前記出力結果に基づき、前記第二特性及び前記第三特性を夫々演算するとよい。数値制御装置は、同時に計測した出力結果に基づく第二特性と第三特性から振動比率を演算するので、外乱の影響を低減できる。故に、数値制御装置は、外乱による影響を低減しつつ、ワークの加工中における工具の振動を演算できる。

請求項４の数値制御装置では、前記第一検出部は、前記工具又は前記ワークとは非接触の状態で、前記工具又は前記ワークの振動を検出可能な変位センサであるとよい。数値制御装置は、変位センサにより工具とは非接触の状態で、工具の振動を検出できる。

請求項５の数値制御装置では、前記第二検出部は、前記工作機械に設け、且つ前記工作機械の振動を検出可能な加速度センサであるとよい。数値制御装置は、加速度センサにより工作機械の振動を検出できる。

請求項６の数値制御装置では、前記第二検出部は、前記工作機械に設けた工具又は前記ワークを移動する送りモータに設けたエンコーダであるとよい。数値制御装置は、エンコーダの検出結果を、工作機械の振動の情報として利用できる。

請求項７の数値制御装置では、前記工作機械は前記主軸を支持する主軸ヘッドを設け、前記工作機械の振動は該主軸ヘッドの振動であるとよい。数値制御装置は、主軸ヘッドと工具の配置位置が近いので、ワークの加工時の工具の振動をより正確に演算できる。

請求項８の数値制御装置の制御方法は、工具を装着する主軸を回転してワークを加工する工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、前記ワークの加工中に、前記工作機械の振動を検出する検出ステップと、前記検出ステップが検出した検出結果に基づき、前記ワークの加工中における前記工作機械に生じた振動の周波数特性である第一特性を演算する演算ステップと、前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工具又は前記ワークに生じる振動の周波数特性である第二特性と、前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工作機械に生じる振動の周波数特性である第三特性との比率であって、周波数に応じて異なる振動比率を記憶する記憶部から前記振動比率を読み出す読み出しステップと、前記演算ステップが演算した前記第一特性に対して、前記読み出しステップが読み出した前記振動比率を乗ずることにより、前記ワークの加工中における前記工具又は前記ワークの振動を演算する振動演算ステップとを備えたことを特徴とする。数値制御装置は上記ステップを実行することにより、請求項１に記載の数値制御装置と同じ効果を得ることができる。

工作機械１の概略側面図。 数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を示すブロック図。 主処理の流れ図。 振動比率取得処理の流れ図。 （ａ）は主軸ヘッド７の振動の周波数特性Ｆｈ、（ｂ）は工具６の振動の周波数特性Ｆｔ、（ｃ）は周波数特性Ｆｈと周波数特性Ｆｔに基づく振動比率Ｒｘを示す図であり、何れもＸ軸方向の振動に関する情報を示す。 （ａ）は加工時の主軸ヘッド７の振動の周波数特性Ｆｈｍを示し、（ｂ）は加工時の工具６の振動Ｖｘを示す図であり、何れもＸ軸方向の振動に関する情報を示す。 変形例の主処理の流れ図。 変形例の振動比率算出処理の流れ図。 （ａ）はエンコーダ情報の振動の周波数特性Ｆｈ、（ｂ）は工具６の振動の周波数特性Ｆｔを示し、（ｃ）は周波数特性Ｆｈと周波数特性Ｆｔに基づく振動比率Ｒｚを示す図であり、何れもＺ軸方向の振動に関する情報振動情報を示す。 （ａ）は加工時のエンコーダ情報の振動の周波数特性Ｆｈｍを示し、（ｂ）は加工時の工具６の振動Ｖｚを示す図であり、何れもＺ軸方向に関する振動に関する情報を示す。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１に示す工作機械１は、主軸８に装着した工具６が、工作台５０上の冶具（図示略）で固定したワークＷに切削加工等を行う。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は、夫々Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。

図１、図２を参照し、工作機械１の構成を説明する。図１に示す如く、工作機械１は、基台２、立柱５、主軸ヘッド７、主軸８、工作台５０、加速度ピックアップ１８、工具交換装置９、操作パネル１５（図２参照）等を備える。基台２は、工作機械１の下部に設ける。基台２は上面後部に台座部３、運搬体４を備える。台座部３はＸ軸移動機構（図示略）を上面に備える。Ｘ軸移動機構は、Ｘ軸モータ５３（図２参照）を駆動源とし、運搬体４をＸ軸方向に移動可能に支持する。運搬体４はＹ軸移動機構（図示略）を内部に備える。Ｙ軸移動機構は、Ｙ軸モータ５４（図２参照）を駆動源とし、立柱５をＹ軸方向に移動可能に支持する。故に立柱５はＸ軸、Ｙ軸の二軸方向に移動可能である。

主軸ヘッド７は、立柱５前面に沿ってＺ軸方向に移動可能である。立柱５は前面にＺ軸移動機構（図示略）を備える。Ｚ軸移動機構は、Ｚ軸モータ５１（図２参照）を駆動源とし、主軸ヘッド７をＺ軸方向に移動可能に支持する。主軸８は主軸ヘッド７内部をＺ軸方向に延びる。工具装着穴（図示略）は、主軸８下部に設ける。

工具ホルダ（図示略）は工具６を保持する。工具ホルダ（図示略）は工具６を保持した状態で、工具装着穴に装着する。加速度ピックアップ１８は、主軸ヘッド７の右面で且つ工具６の近傍位置に取り付ける。加速度ピックアップ１８は、主軸ヘッド７の加速度を検知して電気信号に変換する。工作台５０は、基台２上面で且つ主軸ヘッド７下方に設け、上面に固定した冶具でワークＷを固定する。

工具交換装置９は、工具マガジン９１、マガジンモータ５５（図２参照）を備える。工具マガジン９１は主軸ヘッド７前方に配置し、左右一対の支持部材９２（図１では右側の支持部材９２のみ図示）で立柱５に支持する。工具マガジン９１は複数の工具（図示略）を保持し、ＮＣプログラムが指示する工具を工具交換位置に位置決めする。マガジンモータ５５は工具マガジン９１を駆動する。工作機械１は主軸ヘッド７の昇降により工具交換位置にある現工具と主軸８に装着する次工具を交換する。

操作パネル１５（図２参照）は、工作機械１を覆うカバー（図示略）の外壁に設ける。操作パネル１５は入力部１６と表示部１７を備える。入力部１６は各種情報、操作指示等の入力を受け付け、後述する数値制御装置３０に出力する。表示部１７は後述する数値制御装置３０からの指令に基づき、各種画面を表示する。

図２を参照し、数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を説明する。数値制御装置３０と工作機械１は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、記憶装置３４、入出力部３５、駆動回路５１Ａ〜５５Ａ等を備える。ＣＰＵ３１は数値制御装置３０を統括制御する。ＲＯＭ３２は、メインプログラムを含む各種プログラム等を記憶する。メインプログラムは後述する主処理を実行する。ＲＡＭ３３は各種情報を一時的に記憶する。記憶装置３４は不揮発性であり、ＮＣプログラム、後述する振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ等を含む各種情報を記憶する。ＣＰＵ３１は作業者が操作パネル１５の入力部１６で入力したＮＣプログラムに加え、外部入力で読み込んだＮＣプログラム等を記憶装置３４に記憶できる。

駆動回路５１ＡはＺ軸モータ５１とエンコーダ５１Ｂに接続する。駆動回路５２Ａは主軸モータ５２とエンコーダ５２Ｂに接続する。駆動回路５３ＡはＸ軸モータ５３とエンコーダ５３Ｂに接続する。駆動回路５４ＡはＹ軸モータ５４とエンコーダ５４Ｂに接続する。駆動回路５５Ａはマガジンモータ５５とエンコーダ５５Ｂに接続する。Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５は何れもサーボモータである。駆動回路５１Ａ〜５５ＡはＣＰＵ３１から指令を受け、対応する各モータ５１〜５５に駆動電流を夫々出力する。駆動回路５１Ａ〜５５Ａはエンコーダ５１Ｂ〜５５Ｂからエンコーダ情報を受け、位置と速度の制御を行う。

操作パネル１５、加速度ピックアップ１８、インパルスハンマ１１、変位センサ２９は、入出力部３５に接続する。加速度ピックアップ１８は計測した加速度の出力結果を入出力部３５を介してＣＰＵ３１に出力する。インパルスハンマ１１は、後述の振動比率取得処理において、工具６の加振時に使用する。インパルスハンマ１１は、付与した力を検知する力センサを内蔵しており、工具６に付与した力を電気信号に変換しＣＰＵ３１に出力する。力センサの出力値は、後述する図５（ａ）（ｂ）の周波数特性Ｆｈ、Ｆｔの演算で使用する。変位センサ２９は、後述の振動比率取得処理において工作台５０上に配置する。変位センサ２９は、周知のレーザ変位計であり、工具６とは非接触の状態で、工具６の振動Ｖｘを検出可能である。変位センサ２９は、工具６の振動に関する情報を、入出力部３５を介してＣＰＵ３１に出力する。

図３〜図６を参照し、主処理を説明する。工作機械１の電源を投入すると、ＣＰＵ３１はＲＯＭ３２に記憶したメインプログラムを読み出し、主処理を実行する（図３参照）。ＣＰＵ３１はＮＣプログラムを受け付けたか判断する（Ｓ１）。ＮＣプログラムを受け付けていない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１に戻り待機する。

作業者は、操作パネル１５を操作してワークＷの加工を実行するＮＣプログラムのプログラム番号を入力する。ＣＰＵ３１は、入力されたプログラム番号に対応するＮＣプログラムを記憶装置３４から読み出し、表示部１７に表示する。作業者の入力部１６の操作によりＮＣプログラムを実行する。該時、ＣＰＵ３１は、ＮＣプログラムを受け付けたと判断し（Ｓ１：ＹＥＳ）、後述する振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを記憶装置３４に記憶しているか判断する（Ｓ３）。振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを記憶装置３４に記憶していない時（Ｓ３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は振動比率取得処理を実行する（Ｓ５）。

図４を参照し、振動比率取得処理を説明する。ＣＰＵ３１は主軸８の回転を停止する（Ｓ１０１）。作業者に対して工具６の加振を促すための案内画面を表示する（Ｓ１０３）。例えば、ＣＰＵ３１は、「インパルスハンマで工具をＸ軸方向に叩いて下さい」等のメッセージを記載した案内画面を表示部１７に表示する。作業者は案内画面に従い、インパルスハンマ１１（図示略）で工具６をＸ軸方向に叩く。

ＣＰＵ３１は、工具６に加振があったか判断する（Ｓ１０５）。ＣＰＵ３１は、インパルスハンマ１１が出力した力の電気信号を検知し、電気信号の大きさが所定の閾値を超えた時に工具６への加振があったと判断する。工具６に加振が無い時（Ｓ１０５：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１０３に戻り、案内画面を表示した状態で待機する。工具６に加振があった時（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はインパルスハンマ１１から工具６に付与した力の入力波形（図示略）を取得する（Ｓ１０７）。ＣＰＵ３１は、取得した入力波形を記憶装置３４に記憶する。

ＣＰＵ３１は、加速度ピックアップ１８から、インパルスハンマ１１で工具６を叩いた時の出力結果（図示略）を取得する（Ｓ１０９）。ＣＰＵ３１は、加速度ピックアップ１８からの出力結果を、主軸ヘッド７の振動に関する情報として記憶装置３４に記憶する。ＣＰＵ３１は、変位センサ２９から、インパルスハンマ１１で工具６を叩いた時の出力結果（図示略）を取得する（Ｓ１１１）。ＣＰＵ３１は、変位センサ２９からの出力結果を、工具６の振動に関する情報として記憶装置３４に記憶する。

ＣＰＵ３１は、主軸ヘッド７の振動に関する周波数特性Ｆｈを演算する（Ｓ１１３）。周波数特性Ｆｈは、主軸８の回転の停止時において、工具６を加振した時の主軸ヘッド７に生じた振動の周波数特性であり、周波数毎の振動の大きさを示す応答関数である。周波数特性Ｆｈは、Ｓ１０７の処理で取得したインパルスハンマ１１が工具６に対して付与した振動の入力波形と、Ｓ１０９の処理で取得した主軸ヘッド７の振動に関する出力結果に基づき演算する。図５（ａ）は、工具６を加振した時の主軸ヘッド７の振動の周波数特性Ｆｈを示す。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は主軸ヘッドコンプライアンス（μｍ／Ｎ）を示す。主軸ヘッドコンプライアンスは、１Ｎの力を付与した時の主軸ヘッド７の振動の大きさを示す。加振した工具６は、φ６３の五枚刃のフェイスミルである。主軸ヘッド７に生じた振動の周波数特性Ｆｈは、例えば、０〜２００Ｈｚ、４８０Ｈｚ、１０００Ｈｚ付近で振動ピークが発生している。

ＣＰＵ３１は、工具６の振動に関する周波数特性Ｆｔを演算する（Ｓ１１５）。周波数特性Ｆｔは、主軸８の回転の停止時において、工具６を加振した時の工具６に生じた振動の周波数特性であり、周波数毎の振動の大きさを示す応答関数である。周波数特性Ｆｔは、Ｓ１０７の処理で取得したインパルスハンマ１１が工具６に対して付与した振動の入力波形と、Ｓ１１１の処理で取得した工具６の振動に関する出力結果に基づき演算する。図５（ｂ）は、工具６を加振した時の工具６の振動の周波数特性Ｆｈを示す。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は工具コンプライアンス（μｍ／Ｎ）を示す。工具コンプライアンスは、１Ｎの力を付与した時の工具６の振動の大きさを示す。図５（ｂ）に示す如く、例えば、４８０Ｈｚ、１０００Ｈｚ、１２００Ｈｚ、１５００Ｈｚ付近で振動ピークが発生していることが分かる。

ＣＰＵ３１は、周波数に応じて異なる振動比率Ｒｘを算出する（Ｓ１１７）。振動比率Ｒｘは、Ｘ軸方向における周波数特性Ｆｔに対する周波数特性Ｆｈの周波数毎の比率である。図５（ｃ）は、振動比率Ｒｘの周波数特性を示す。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は振動比率を示す。図５（ｃ）に示す如く、振動比率Ｒｘは、５０Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ、７５０Ｈｚ、９００Ｈｚ、１１００Ｈｚ、１６００Ｈｚ〜２０００Ｈｚ付近で、高くなっている。振動比率Ｒｘは周波数毎に変化する。

ＣＰＵ３１は、Ｓ１１７で算出した振動比率Ｒｘを記憶装置３４に記憶する（Ｓ１１９）。ＣＰＵ３１は、振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを全て記憶装置３４に記憶しているかを判断する（Ｓ１２１）。振動比率Ｒｙは、Ｙ軸方向における周波数特性Ｆｔに対する周波数特性Ｆｈの周波数毎の比率である。振動比率Ｒｚは、Ｚ軸方向における周波数特性Ｆｔに対する周波数特性Ｆｈの周波数毎の比率である。記憶装置３４は振動比率Ｒｙ、Ｒｚを記憶していないので（Ｓ１２１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１０３に戻り、Ｙ軸方向への加振を促す案内画面を表示部１７に表示する。作業者は、インパルスハンマ１１により工具６をＹ軸方向に加振する。ＣＰＵ３１は、上記のＳ１０５〜Ｓ１１９の処理を実行し、振動比率Ｒｙを算出し、記憶装置３４に記憶する。

振動比率Ｒｚを記憶装置３４に記憶していないので（Ｓ１２１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１０３に戻り、Ｚ軸方向への加振を促す案内画面を表示部１７に表示する。作業者は、インパルスハンマ１１により工具６をＺ軸方向に加振する。ＣＰＵ３１は、上記のＳ１０５〜Ｓ１１９の処理を実行し、振動比率Ｒｚを算出し、記憶装置３４に記憶する。記憶装置３４が全ての振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを記憶している時（Ｓ１２１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は処理を主処理のＳ７に戻す。

ＣＰＵ３１はＮＣプログラムに基づきワークＷの加工を開始する（Ｓ７）。本実施形態は、例えば以下の条件で加工を実行する。
・ワークＷの材質：ＪＩＳ Ｓ５０Ｃ
・主軸回転速度：８００ｍｉｎ−１
・送り速度：４００ｍｍ／ｍｉｎ

ＣＰＵ３１は、ワークＷの加工中に、加速度ピックアップ１８による主軸ヘッド７の振動計測を開始する（Ｓ９）。加速度ピックアップ１８による振動計測の開始時期は、作業者によって予め指定している。ＣＰＵ３１は、主軸ヘッド７の振動計測を開始してから所定時間経過したか判断する（Ｓ１１）。所定時間経過していない時（Ｓ１１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は、Ｓ１１に戻り、加速度ピックアップ１８からの出力結果を取得し続ける。

所定時間経過した時（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、主軸ヘッド７の振動計測を停止する（Ｓ１３）。ＣＰＵ３１は、ワークＷの加工を終了する（Ｓ１５）。ＣＰＵ３１は、Ｓ９〜１３の処理で加速度ピックアップ１８が検出した出力結果に基づき、ワークＷの加工中における主軸ヘッド７に生じた振動の周波数特性Ｆｈｍを演算する（Ｓ１７）。周波数特性Ｆｈｍは、加速度ピックアップ１８からの出力結果をフーリエ変換したものである。

図６（ａ）は、ワークＷの加工中における主軸ヘッド７に生じた振動の周波数特性Ｆｈｍを示す。横軸は周波数、縦軸は主軸ヘッド７の変位（μｍ）を示す。主軸ヘッド７の変位は、主軸ヘッド７の振動の大きさを示す。周波数特性Ｆｈｍは、９０Ｈｚ、１８０Ｈｚ付近で振動ピークが発生し、５００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの領域では、主軸ヘッド７が振動していないように見える。

ＣＰＵ３１は、記憶装置３４から振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを読み出す（Ｓ１９）。ＣＰＵ３１は、ワークＷの加工中における工具６の振動Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを夫々演算する（Ｓ２１）。振動ＶｘはＸ軸方向における振動、振動ＶｙはＹ軸方向における振動、振動ＶｚはＺ軸方向における振動である。ＣＰＵ３１は、周波数特性Ｆｈｍに対して振動比率Ｒｘを乗ずることにより、工具６の振動Ｖｘを演算する。ＣＰＵ３１は、工具６の振動Ｖｙ、振動Ｖｚも、工具６の振動Ｖｘと同様に演算する。

ＣＰＵ３１は例えば演算した工具６の振動Ｖｘを表示部１７に表示する（Ｓ２３）。尚、ＣＰＵ３１は、振動Ｖｙ、Ｖｚの表示部１７への表示に関しては、作業者の操作パネル１５の操作により表示部１７の表示画面を切り替えて表示可能である。

図６（ｂ）は、ワークＷの加工中における工具６に生じた振動Ｖｘの周波数特性を示す。横軸は周波数、縦軸は工具６の変位（μｍ）を示す。工具６の変位は、工具６の振動の大きさを示す。図６（ｂ）に示す如く、工具６の振動Ｖｘは、主軸ヘッド７の振動の周波数特性Ｆｈｍと同様に９０Ｈｚ、１８０Ｈｚにおいて振動ピークが発生していることが分かる。又、工具６の振動Ｖｘは、２５０Ｈｚ、３２０Ｈｚ〜４５０Ｈｚの領域で振動ピークが発生していることが分かる。従って、図６（ａ）において４００Ｈｚ付近では、観測できなかった振動ピークが工具６に発生していることが分かる。更に、振動Ｖｘは、７８０Ｈｚ、９５０Ｈｚ付近で振動ピークを観測できていることが分かる。つまり、図６（ａ）において５００〜１０００Ｈｚの周波数範囲では観測できなかった振動が工具６に発生していることが分かる。故に、ＣＰＵ３１は、主軸ヘッド７の振動のみでは観測できなかった工具６の振動を、より正確に検出できる。故に作業者は、発生した振動を認識することができ、強度の高い振動ピークが発生している時には、主軸８の回転周波数を変更する等の対策を行うことができる。尚、ＣＰＵ３１は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の振動Ｖｘ等を演算することで、例えば再生びびり振動等の振動モードを特定可能である。ＣＰＵ３１は本処理を終了する。

以上説明の如く、数値制御装置３０のＣＰＵ３１は、ワークＷの加工中に、主軸８を支持する主軸ヘッド７の振動を検出する。ＣＰＵ３１は、Ｓ９〜Ｓ１３の処理で検出した出力結果に基づき、ワークＷの加工中における主軸ヘッド７に生じた振動の周波数特性Ｆｈｍを演算する。ＣＰＵ３１は、例えば振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを記憶する記憶装置３４から振動比率Ｒｘを読み出す。ＣＰＵ３１は、Ｓ１７の処理で演算した周波数特性Ｆｈｍに対して、Ｓ１９の処理で読み出した振動比率Ｒｘを乗ずることにより、ワークＷの加工中における工具６の振動Ｖｘを演算する。故に、ＣＰＵ３１は、加工中における工具６の振動Ｖｘを精度よく検出でき、主軸ヘッド７の振動のみでは観測できなかった工具６の振動を、より正確に検出できる。

ＣＰＵ３１は、例えば、主軸８の回転の停止時において、工具６を加振した時の主軸ヘッド７の振動を検出する加速度ピックアップ１８からの出力結果に基づき周波数特性Ｆｈを演算する。ＣＰＵ３１は、主軸８の回転の停止時において、工具６を加振した時の工具６の振動を検出する変位センサ２９からの出力結果に基づき周波数特性Ｆｔを演算する。ＣＰＵ３１は、Ｓ１１３の処理により演算した周波数特性ＦｈとＳ１１５の処理により演算した周波数特性Ｆｔに基づき、振動比率Ｒｘを算出する。ＣＰＵ３１は、Ｓ１１７の処理により算出した振動比率Ｒｘを記憶装置３４に記憶する。故に、ＣＰＵ３１は、予め記憶装置３４に記憶した振動比率Ｒｘにより、ワークＷの加工中における工具６の振動Ｖｘを演算できる。

ＣＰＵ３１は、工具６を加振した時に変位センサ２９及び加速度ピックアップ１８によって同時に検出する工具６の振動、及び主軸ヘッド７の振動の夫々の出力結果に基づき、周波数特性Ｆｈ及び周波数特性Ｆｔを夫々演算する。ＣＰＵ３１は、同時に計測した出力結果に基づく周波数特性Ｆｈと周波数特性Ｆｔから振動比率Ｒｘを演算するので、外乱の影響を低減できる。故に、ＣＰＵ３１は、外乱による影響を低減しつつ、例えばワークＷの加工中における工具６の振動Ｖｘを演算できる。

変位センサ２９は、工具６とは非接触の状態で、工具６の振動を検出可能なセンサである。ＣＰＵ３１は、変位センサ２９により工具６とは非接触の状態で、工具６の振動を検出できる。

加速度ピックアップ１８は、主軸ヘッド７に設け、且つ主軸ヘッド７の振動を検出可能である。ＣＰＵ３１は、加速度ピックアップ１８により主軸ヘッド７の振動を直接検出できる。

主軸ヘッド７は、主軸８を回転可能に支持する。ＣＰＵ３１は、主軸ヘッド７と主軸８が保持する工具６の配置位置が近いので、ワークＷの加工時の工具６の振動Ｖｘをより正確に演算できる。

本発明は上記実施形態に限らず各種変形が可能である。上記実施形態の工作機械１は、加速度ピックアップ１８により主軸ヘッド７の振動を検出したが、変形例における工作機械１は、エンコーダ５１Ｂ、５３Ｂ、５４Ｂのエンコーダ情報を使用して主軸ヘッド７の振動を検出する。故に変形例の工作機械１は加速度ピックアップ１８を設けなくてよい。以下、図７〜図１０を参照し、変形例におけるエンコーダ５１Ｂ、５３Ｂ、５４Ｂを用いた工作機械１の工具６の振動Ｖｘの演算について説明する。上記実施形態と同様の構成については説明を省略し、違う構成について詳細に説明する。変形例の主処理（図７参照）では、ＣＰＵ３１は、Ｓ９、Ｓ１３、Ｓ１７の処理に代えてＳ１０、Ｓ１４、Ｓ１８の処理を実行する点が異なる。又、変形例の振動比率取得処理（図８参照）では、ＣＰＵ３１はＳ１０９、Ｓ１１３の処理の代わりに、Ｓ１１０、Ｓ１１４の処理を実行する点が異なる。

図７〜図１０を参照し、変形例の主処理について説明する。ＣＰＵ３１は、工作機械１の電源を投入すると、図７に示す主処理を実行する（図７参照）。ＣＰＵ３１は、ＮＣプログラムを受け付け（Ｓ１：ＹＥＳ）、振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚが記憶装置３４に記憶していないと判断した時（Ｓ３：ＮＯ）、変形例の振動比率取得処理を実行する（Ｓ５）。

変形例の振動比率取得処理では、作業者は案内画面の表示に従い、インパルスハンマ１１によりＸ軸方向から工具６を叩く。ＣＰＵ３１は、インパルスハンマ１１により工具６をＸ軸方向に加振した時、加振により振動する主軸８の位置が加振前の位置に戻るようにＸ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１を駆動する。従って、インパルスハンマ１１で工具６をＸ軸方向に叩く時、エンコーダ５１Ｂ、５３Ｂ、５４Ｂが出力するエンコーダ情報は変化する。該時、ＣＰＵ３１は、エンコーダ５１Ｂ、５３Ｂ、５４Ｂのエンコーダ情報を取得する（Ｓ１１０）。該時、ＣＰＵ３１は、取得したエンコーダ情報を主軸ヘッド７の振動情報として記憶装置３４に記憶する。

ＣＰＵ３１は、上記実施形態と同様にＳ１０７で取得した入力波形とＳ１１０で取得したエンコーダ情報に基づき周波数特性Ｆｈを演算する（Ｓ１１４）。ＣＰＵ３１は、エンコーダ情報に基づき演算した周波数特性Ｆｈと、上記実施形態と同様に演算した周波数特性Ｆｔとの振動比率Ｒｘを取得する（Ｓ１１７）。ＣＰＵ３１は、演算した振動比率Ｒｘを記憶装置３４に記憶する（Ｓ１１９）。振動比率Ｒｙが記憶装置３４に記憶してない時（Ｓ１２１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１０３の処理に戻り、案内画面を表示し、作業者に対してＹ軸方向への工具６の加振を促す。ＣＰＵ３１は、Ｓ１０３〜Ｓ１１９の処理を繰り返して、振動比率Ｒｙ（図示略）を算出し、記憶装置３４に記憶する。振動比率Ｒｚが記憶装置３４に記憶してない時（Ｓ１２１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１０３の処理に戻り、案内画面を表示し、作業者に対してＺ軸方向への工具６の加振を促す。ＣＰＵ３１は、Ｓ１０３〜Ｓ１１９の処理を繰り返して、周波数特性Ｆｈ（図９（ａ）参照）、周波数特性Ｆｔ（図９（ｂ）参照）、振動比率Ｒｚ（図９（ｃ）参照）を算出し、記憶装置３４に記憶する。

図９（ａ）に示す如く、周波数特性Ｆｈは、主軸８の回転の停止時において、Ｚ軸方向に工具６を加振した時のエンコーダ５１Ｂのエンコーダ情報の振動の周波数特性であり、周波数毎の振動の大きさを示す応答関数である。図９（ａ）は、工具６をＺ軸方向に加振した時の周波数特性Ｆｈを示す。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸はモータコンプライアンス（μｍ／Ｎ）を示す。モータコンプライアンスは、１Ｎの力を付与した時のエンコーダ情報の振動の大きさを示す。主軸ヘッド７に生じた振動の周波数特性Ｆｈは、例えば、０〜１５０Ｈｚの領域で振動している。図９（ｂ）に示す周波数特性Ｆｔ、図９（ｃ）の振動比率Ｒｚは、上記実施形態と同様に演算した結果である。

振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを全て記憶しているので（Ｓ１２１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、処理を主処理（図７参照）に戻してＳ７の処理を実行する。

ＣＰＵ３１は、ワークＷの加工中にエンコーダ５１Ｂ、５３Ｂ、５４Ｂのエンコーダ情報を取得する（Ｓ１０）。該時、ＣＰＵ３１は、エンコーダ情報を主軸ヘッド７の振動に関する情報として記憶装置３４に記憶する。ＣＰＵ３１は、例えばエンコーダ５１Ｂのエンコーダ情報を、フーリエ変換することで周波数特性Ｆｈｍを取得する（Ｓ１８）。尚、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の振動Ｖｘ、Ｖｙの周波数特性Ｆｈｍについても、エンコーダ５３Ｂ、５４Ｂのエンコーダ情報に基づき夫々演算する。

図１０（ａ）は、ワークＷの加工中におけるＺ軸モータ５１のエンコーダ情報の振動の周波数特性Ｆｈｍを示す。横軸は周波数、縦軸はＺ軸モータ５１のエンコーダ情報の変位（μｍ）を示す。Ｚ軸モータ５１の変位は、エンコーダ５１ｂのエンコーダ情報の振動の大きさを示す。周波数特性Ｆｈｍは、１５Ｈｚ、６５Ｈｚ、１３５Ｈｚ、１７５Ｈｚ、２００Ｈｚ、２４０Ｈｚ付近で振動ピークが発生している。

ＣＰＵ３１は、演算した周波数特性Ｆｈｍに対して、読み出した振動比率Ｒｘを周波数毎に乗ずることで、工具６の振動Ｖｘを演算し（Ｓ２１）、表示部１７に表示する（Ｓ２３）。該時、ＣＰＵ３１は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の工具６の振動Ｖｙ、Ｖｚについても、同様に演算し（Ｓ２１）、表示部１７に表示する（Ｓ２３）。

図１０（ｂ）は、ワークＷの加工中における工具６に生じたＺ軸方向の振動Ｖｚの周波数特性Ｆｈｍを示す。横軸は周波数、縦軸は工具６の変位（μｍ）を示す。工具６の変位は、工具６の振動の大きさを示す。図１０（ｂ）に示す如く、Ｚ軸方向の工具６の振動Ｖｚは、１５Ｈｚ、６５Ｈｚ、１３５、１７５Ｈｚ、２００Ｈｚ付近の振動ピークに加えて、３０Ｈｚ、５５Ｈｚ、１１０、１２０Ｈｚ、１４５Ｈｚ、１７５Ｈｚ、２３０付近についても振動が発生していることが分かる。ＣＰＵ３１は変形例の主処理を終了する。

上記工作機械１は、更に以下の如く変更可能である。工作機械１は主軸８がＺ軸方向に対して平行な縦型の工作機械であるが、主軸が水平方向に延びる横型の工作機械であってもよい。工作機械１は、工具６を装着する主軸８がＺ軸方向に移動可能であり、立柱５がＸ軸とＹ軸方向に移動可能であるが（以下、コラムトラバース型の工作機械という）、例えば主軸８はＺ軸方向に駆動するもので、工作台５０は、Ｘ軸、Ｙ軸に移動可能なものでもよい（以下、テーブルトラバース型の工作機械という）。又、上記工作機械１では、工具６を加振したが、ワークＷを加振してワークＷの振動Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを演算してもよい。工具６の振動の演算とワークＷの振動の演算は必要に応じて一方のみを演算してもよいし両方演算してもよい。以下、テーブルトラバース型の工作機械における工具６又はワークＷの振動の演算について詳細に説明する。

テーブルトラバース型の工作機械において、加速度ピックアップ１８を工作台５０に取付けて、ワークＷの振動を演算する時を想定する。該時、振動比率取得処理において、主軸ヘッド７に変位センサ２９を配置し、ワークＷの振動を計測する。つまり、変位センサ２９は、振動を演算したい部位と異なる場所に配置する。故に、工作機械１は、加速度ピックアップ１８、変位センサ２９の検出結果の精度が向上する。

上記変形例の工作機械１はコラムトラバース型であり、且つＸ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１のエンコーダ情報から工具６の振動を演算する時、コラムトラバース型の工作機械１は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の振動Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚの演算が可能であった。一方、工作機械１がテーブルトラバース型であり、且つＸ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１のエンコーダ情報から工具６の振動を演算する時、Ｚ軸方向の振動Ｖｚを精度よく演算できる。尚、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向についての振動Ｖｘ、Ｖｙの演算はやや精度が落ちるものの演算可能である。

上記工作機械１は、主軸ヘッド７の振動を加速度ピックアップ１８で検出したが、これに限らず他のセンサを使用してもよい。例えば、工作機械１は、加速度ピックアップ１８の代わりに変位センサを用いてもよい。工作機械１は、工具６への加振時に、変位センサ２９により工具６の振動を検出したが、他のセンサを使用してもよい。例えば、工作機械１は、変位センサ２９の代わりに加速度ピックアップを使用してもよい。変位センサ２９はレーザ変位計であったが、これに限らず、静電容量式変位センサ、渦電流式変位センサ等を用いてよい。加速度ピックアップ１８は主軸ヘッド７に設けたが、これに限らず工具６の加振時に振動する工作機械１の何れかの部分に設ければよい。このような場合でも、数値制御装置３０は工具６の振動Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを精度よく演算できる。

上記工作機械１のＣＰＵ３１は、振動比率取得処理において、変位センサ２９と加速度ピックアップ１８からの出力結果を同時に検出したが、同時に検出しなくてもよい。例えば、インパルスハンマ１１で工具６を加振した時に、先に変位センサ２９の出力結果のみ取得し、その後、インパルスハンマ１１で再度加振した時に、加速度ピックアップ１８の出力結果を取得してもよい。このような場合でも、周波数特性Ｆｈはインパルスハンマ１１による入力波形と、加速度ピックアップ１８の振動の出力結果との入出力の関係を示す応答関数であり、周波数特性Ｆｔは、インパルスハンマ１１による入力波形と、変位センサ２９の振動の出力結果との入出力の関係を示す応答関数である。故に、ＣＰＵ３１は、同時に出力結果を取得した場合の周波数特性Ｆｈ、Ｆｔと同様の周波数特性を夫々取得できる。ＣＰＵ３１は、インパルスハンマ１１と加速度ピックアップ１８の検出結果に基づく応答関数と、インパルスハンマ１１と変位センサ２９の検出結果に基づく応答関数の演算を行ったが外部装置により各応答関数の演算をしてもよい。

Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３の処理及びＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１４の処理において、ＣＰＵ３１は所定時間の振動の出力結果を取得したがこれに限らず、例えば切削開始から切削終了までの振動の出力結果を取得してもよい。該時、ＣＰＵ３１は、作業者が指定する振動の出力結果の区間を特定してもよい。故に、ＣＰＵ３１は、作業者が特定した区間の振動の出力結果に基づき、振動Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚの演算を実行してもよい。ＣＰＵ３１は、ワークＷの加工の終了を待って、工具６の振動Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを演算して表示したが、例えば、ワークＷの加工中に工具６の振動Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを演算して表示してもよい。

上記工作機械は工具６を用いて振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの演算を実行したがこれに限らず、他の異なる工具毎に振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを取得してもよい。これにより、ＣＰＵ３１は、工具交換する工具に併せてより正確にワークＷの加工中の工具の振動を演算できる。ＣＰＵ３１は、全てのデータを取得したが、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の振動比率Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの少なくとも何れか一つを取得していればよい。該時、ＣＰＵ３１は、取得している方向についてのみ工具６の振動を演算してもよい。

図３、図７のＳ９〜Ｓ１３、Ｓ１０〜Ｓ１４の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の検出部の一例である。Ｓ１７、Ｓ１８の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の演算部の一例である。Ｓ１９の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の読み出し部の一例である。Ｓ２１の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の振動演算部の一例である。図４、図８のＳ１１３、Ｓ１１４の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の第三特性演算部の一例である。Ｓ１１５の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の第二特性演算部の一例である。Ｓ１１７の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の振動比率算出部の一例である。Ｓ１１９の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の記憶制御部の一例である。

周波数特性Ｆｈｍは本発明の第一特性の一例である。周波数特性Ｆｈは本発明の第二特性の一例である。周波数特性Ｆｔは本発明の第三特性の一例である。加速度ピックアップ１８は本発明の加速度センサの一例である。記憶装置３４は本発明の記憶部の一例である。変位センサ２９は、本発明の第一検出部の一例である。加速度ピックアップ１８、エンコーダ５１Ｂ、５３Ｂ、５４Ｂは、本発明の第二検出部の一例である。Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１は、本発明の送りモータの一例である。

１ 工作機械
６ 工具
７ 主軸ヘッド
８ 主軸
１８ 加速度ピックアップ
２９ 変位センサ
３０ 数値制御装置
３１ ＣＰＵ
３４ 記憶装置
５１ Ｚ軸モータ
５３ Ｘ軸モータ
５４ Ｙ軸モータ
Ｗ ワーク
５１Ｂ、５３Ｂ、５４Ｂ エンコーダ
Ｆｈ、Ｆｔ、Ｆｈｍ 周波数特性
Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ 振動比率
Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ 振動

Claims (8)

1. 工具を装着する主軸を回転してワークを加工する工作機械の動作を制御する数値制御装置において、
   前記ワークの加工中に、前記工作機械の振動を検出する検出部と、
   前記検出部が検出した検出結果に基づき、前記ワークの加工中における前記工作機械に生じた振動の周波数特性である第一特性を演算する演算部と、
   前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工具又は前記ワークに生じる振動の周波数特性である第二特性と、前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工作機械に生じる振動の周波数特性である第三特性との比率であって、周波数に応じて異なる振動比率を記憶する記憶部から前記振動比率を読み出す読み出し部と、
   前記演算部が演算した前記第一特性に対して、前記読み出し部が読み出した前記振動比率を乗ずることにより、前記ワークの加工中における前記工具又は前記ワークの振動を演算する振動演算部と
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記主軸の回転の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工具又は前記ワークの振動を検出する第一検出部からの出力結果に基づき、前記第二特性を演算する第二特性演算部と、
   前記主軸の回転の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工作機械の振動を検出する第二検出部からの出力結果に基づき、前記第三特性を演算する第三特性演算部と、
   前記第二特性演算部により演算した前記第二特性と前記第三特性演算部により演算した前記第三特性に基づき、前記振動比率を算出する振動比率算出部と、
   前記振動比率算出部により算出した前記振動比率を前記記憶部に記憶する記憶制御部と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記第二特性演算部及び前記第三特性演算部は、前記工具又は前記ワークを加振した時に前記第一検出部及び前記第二検出部によって同時に検出する前記工具又は前記ワークの振動、及び前記工作機械の振動の夫々の前記出力結果に基づき、前記第二特性及び前記第三特性を夫々演算することを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置。
4. 前記第一検出部は、前記工具又は前記ワークとは非接触の状態で、前記工具又は前記ワークの振動を検出可能な変位センサであることを特徴とする請求項２又は３に記載の数値制御装置。
5. 前記第二検出部は、前記工作機械に設け、且つ前記工作機械の振動を検出可能な加速度センサであることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の数値制御装置。
6. 前記第二検出部は、前記工作機械に設けた前記工具又は前記ワークを移動する送りモータに設けたエンコーダであることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の数値制御装置。
7. 前記工作機械は前記主軸を支持する主軸ヘッドを設け、前記工作機械の振動は該主軸ヘッドの振動であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の数値制御装置。
8. 工具を装着する主軸を回転してワークを加工する工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、
   前記ワークの加工中に、前記工作機械の振動を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップが検出した検出結果に基づき、前記ワークの加工中における前記工作機械に生じた振動の周波数特性である第一特性を演算する演算ステップと、
   前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工具又は前記ワークに生じる振動の周波数特性である第二特性と、前記動作の停止時において、前記工具又は前記ワークを加振した時の前記工作機械に生じる振動の周波数特性である第三特性との比率であって、周波数に応じて異なる振動比率を記憶する記憶部から前記振動比率を読み出す読み出しステップと、
   前記演算ステップが演算した前記第一特性に対して、前記読み出しステップが読み出した前記振動比率を乗ずることにより、前記ワークの加工中における前記工具又は前記ワークの振動を演算する振動演算ステップと
   を備えたことを特徴とする数値制御装置の制御方法。

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