JP5631792B2 - 工作機械のモニタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に装着した工具又はワークを回転させながら加工を行う工作機械において、振動に係る加工状態を監視するためのモニタ装置に関する。

回転軸に装着した工具又はワークを回転させながら加工を行うマシニングセンタ等の工作機械においては、回転軸の回転速度や送り速度などの加工条件によってびびり振動が発生することがある。このびびり振動は、加工面に一般にびびりマークと呼ばれる周期的な模様を発生させ、仕上げ面性状や加工精度の劣化を引き起こす。また、周期的に切削力が変動するため、騒音が発生したり、工具の摩耗や欠損を引き起こしたりするおそれもある。
このびびり振動の回避手段として、例えば特許文献１に開示の如く、加工中の振動を検知して測定したびびり振動周波数と工具刃数から最も安定となる回転軸回転速度を演算して回転速度を変更する振動抑制装置の発明が知られている。

特開２００８−２９０１８８号公報

しかしながら、上記特許文献１の振動抑制装置では、回転速度とびびり振動の安定性との関係を表す安定限界線図を表示しないため、特定の安定回転速度を知ることができても安定な回転速度領域が分かりにくいという問題がある。特に複数の固有振動数に起因してびびり振動が発生する場合には、回転速度と安定限界との関係は複雑となる。よって、オペレータが安定な回転速度領域を簡単に判断可能とするために、回転速度と安定限界との関係を示す安定限界線図を表示するのが望ましい。
ところが、安定限界線図の作成には、加工に使用する工具を回転軸に装着して測定した伝達関数をモーダル解析したり、加工結果から同定したりしてまずモーダルパラメータを得た上で、そのモーダルパラメータやびびり振動周波数に基づいて安定限界と対応する回転速度を算出する手順を繰り返す必要があり、作成に時間が掛かってしまう。

そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、簡易的な手段により安定限界線図を即座に表示でき、安定な回転速度領域を迅速に知らせることができる工作機械のモニタ装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転軸に装着した工具又はワークを所定の回転速度で回転させて加工を行う工作機械において、表示部を備えて振動に係る加工状態を監視するモニタ装置であって、
加工に伴う振動を検出する振動検出手段と、検出した振動からびびり振動の発生を検出してびびり振動の周波数を算出するびびり振動周波数取得手段と、前記びびり振動周波数と前記回転速度とに基づいて、以下の式（１）〜（６）を用いて最適回転速度を算出する最適回転速度算出手段と、以下の式（１）（２）（４）及び、回転速度が不安定となる予め設定した位相情報に基づいて不安定回転速度を算出する不安定回転速度算出手段と、前記最適回転速度と前記不安定回転速度との間の安定限界線図を、近似曲線を用いて作成して前記表示部に表示する作図表示手段と、を備えたことを特徴とするものである。
ｋ’値＝６０×びびり振動周波数／（工具刃数×回転速度） ・・（１）
ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・（２）
安定回転速度＝６０×びびり振動周波数／（任意の整数×工具刃数） ・・（３）
位相情報＝ｋ’値−ｋ値 ・・（４）
係数＝ａ−ｂ×ｋ値＋ｃ×位相情報 （ａ、ｂ、ｃは定数） ・・（５）
最適回転速度＝係数×安定回転速度 ・・（６）

請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記最適回転速度算出手段及び不安定回転速度算出手段は、複数の固有振動数に起因して発生したそれぞれの前記びびり振動周波数ごとに前記最適回転速度及び不安定回転速度を算出し、前記作図表示手段は、前記びびり振動周波数ごとに算出された前記最適回転速度と前記不安定回転速度とに基づいて個別の安定限界線図を作成し、前記個別の安定限界線図を和して、全ての前記固有振動数に起因する前記びびり振動に対する前記安定限界線図を作成することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、前記作図表示手段は、前記びびり振動周波数の大きさに応じて前記個別の安定限界線図に重み付けをした上で、前記個別の安定限界線図の和を求めることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２の構成において、前記作図表示手段は、予め複数の回転速度でびびり振動周波数を測定して前記びびり振動周波数の検出数の多さに応じて設定された前記びびり振動周波数の重み付けを、前記個別の安定限界線図に反映させて、前記個別の安定限界線図の和を求めることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、簡易的な手段で安定限界を演算することができる。よって、びびり振動が発生した場合に即座に安定限界線図を表示し、安定な回転速度領域を迅速にオペレータに知らせることができる。オペレータによる適正な回転速度の変更が可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、複数の固有振動数に起因してびびり振動が発生して回転速度と安定限界との関係が複雑である場合も、それぞれの固有振動数ごとに演算した個別の安定限界線図を足し合わせることで、総合的に安定な回転速度をオペレータが容易に知ることができる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、振動が大きい固有振動数に起因するびびり振動ほど、最終的に得られる安定限界線図に強く反映させることができ、より正確な安定限界線図が得られる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、びびり振動の発生する回転速度の数が多いほど、最終的に得られる安定限界線図に強く反映させることができ、より正確な安定限界線図が得られる。

立形マシニングセンタの概略構成図である。 安定限界の近似方法の説明図である。 安定限界線図の表示例である。 複数の固有振動数に起因するびびり振動を考慮した安定限界線図の表示例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例である立形マシニングセンタの概略構成図で、立形マシニングセンタ１は、上方に設けた主軸頭２に回転自在な主軸３を設け、その主軸３に取り付けた工具４によって、下方の加工テーブル５上にセットされたワーク６を加工する周知の構成で、後述するモニタ装置１０に設けられたＮＣ装置１３が、ＮＣプログラムに従って主軸３の回転を制御すると共に、図示しない自動工具交換装置によって工具４を自動交換可能となっている。

モニタ装置１０には、ＦＦＴ演算部１１と、安定限界線図演算部１２と、ＮＣ装置１３と、工具刃数等の入力部１４と、入力された工具刃数等の記憶部１５と、安定限界線図の表示部１６とが設けられている。
ＦＦＴ演算部１１には、主軸頭２に設けられて振動を計測する振動検出手段としての振動センサ７ａ〜７ｃが接続されている。この振動センサ７ａ〜７ｃは、主軸３の回転に伴って生じる時間領域の振動（時間軸上の振動）を検出するもので、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動情報を検出可能な状態で主軸頭２に取り付けられている。ＦＦＴ演算部１１は、振動センサ７ａ〜７ｃにより検出された振動を基にフーリエ解析を行い、算出された周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合、びびり振動の発生と判断する。

安定限界線図演算部１２は、ＦＦＴ演算部１１によってびびり振動の発生と判断されると、ＦＦＴ演算部１１から得られるびびり振動周波数と、入力部１４から入力された工具刃数とから、後述の手段で安定限界を演算し、得られた安定限界線図をＮＣ装置１３に出力する。
ＮＣ装置１３は、入力された安定限界線図を表示部１６に表示させると共に、入力部１４からオペレータによって回転速度の変更が指示されると、当該回転速度となるように主軸３の回転速度の変更も行う。

次に、安定限界線図演算部１２における安定限界線図の作成手順を具体的に説明する。
まず、安定限界線図演算部１２では、振動センサ７ａ〜７ｃから得られたびびり振動周波数と、入力部１４から得られた工具刃数とから、以下の式（１）〜（６）に基づいて最適回転速度を演算する。同時に、式（１）（２）（４）で得られるｋ値及び位相情報に基づいて不安定な回転速度を演算する。ここで用いる位相情報は、回転速度が不安定となる位相情報として予め記憶部１５に記憶されているもので、例えば０．７５が記憶されている。この位相情報と上記式から不安定回転速度が演算される。

ｋ’値＝６０×びびり振動周波数／（工具刃数×回転速度） ・・（１）
ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・（２）
安定回転速度＝６０×びびり振動周波数／（任意の整数×工具刃数） ・・（３）
位相情報＝ｋ’値−ｋ値 ・・（４）
係数＝ａ−ｂ×ｋ値＋ｃ×位相情報 ・・（５）
最適回転速度＝係数×安定回転速度 ・・（６）

上記式（４）のａ、ｂ、ｃは予め決定された定数で、例えばａ＝０．９７１、ｂ＝０．００３、ｃ＝０．０４５に決定される。
なお、この定数は、先に提示した特許文献１（特開２００８−２９０１８８号公報）に開示されているように、主軸３の回転速度とびびり振動周波数との関係等といった条件に基づいて作成される安定限界線図から決定される。すなわち、種々の回転速度でテスト加工を実施し、加工中に検出される振動加速度をフーリエ解析して、各回転速度における位相情報、ｋ値、安定回転速度を上記式（１）〜（４）から求め、位相情報及びｋ値と、周波数領域の振動加速度が最小値となる回転速度を安定回転速度で除した値（係数）との関係を求めて、当該関係から定数を決定するものである。

こうして最適回転速度及び不安定回転速度を演算したら、回転速度を第一軸、安定限界を第二軸とした平面上に、最適回転速度と不安定回転速度との間の安定限界線図を、近似曲線を用いて描く。図２は、最適回転速度と不安定な回転速度との間の安定限界の近似方法の一例を示した説明図である。
まず、ｋ値＝ｎ及びｋ値＝ｎ＋１の２つのローブが交わる最適回転速度Ｓ_２と、それぞれのローブの不安定な回転速度Ｓ_１及びＳ_３とを式（６）、（４）を用いて算出する。次に、ｋ値＝ｎ＋１のローブの不安定な回転速度Ｓ_１と最適回転速度Ｓ_２との間の安定限界を、たとえば三角関数cosθ（π≦θ≦１．６π）を用いて以下の式（７）のような曲線で近似する。Ｓは現在の回転速度である。

同様に、最適回転速度Ｓ_２と、ｋ値＝ｎのローブの不安定な回転速度Ｓ_３との間の安定限界を、以下の式（８）のような曲線で近似する。

以上のようにして描いた、あるｋ値におけるローブを、拡大、または縮小することにより、他のｋ値におけるローブを描くことができる。図３は以上の手段によって求めた安定限界線図の一例を示している。なお、本実施例では近似曲線として三角関数を使用したが、二次式など他の近似曲線を使用してもよい。
従って、オペレータは、表示部１６に表示された安定限界線図から、安定な回転速度領域を容易に把握することができ、そこから安定な回転速度領域内での回転速度の変更も可能となる。

このように、上記形態のモニタ装置１０によれば、加工に伴う振動を検出する振動検出手段（振動センサ７ａ〜７ｃ）と、検出した振動からびびり振動の発生を検出してびびり振動の周波数を算出するびびり振動周波数取得手段（ＦＦＴ演算部１１）と、びびり振動周波数と回転速度とに基づいて式（１）〜（６）を用いて最適回転速度を算出する最適回転速度算出手段（安定限界線図演算部１２）と、式（１）（２）（４）及び、回転速度が不安定となる予め設定した位相情報に基づいて不安定回転速度を算出する不安定回転速度算出手段（安定限界線図演算部１２）と、最適回転速度と不安定回転速度との間の安定限界線図を、近似曲線を用いて作成して表示部１６に表示する作図表示手段（安定限界線図演算部１２及びＮＣ装置１４）と、を備えたことで、簡易的な手段で安定限界を演算することができる。よって、びびり振動が発生した場合に即座に安定限界線図を表示し、安定な回転速度領域を迅速にオペレータに知らせることができる。オペレータによる適正な回転速度の変更も可能となる。

なお、上記形態では、一の固有振動数に起因してびびり振動が発生した場合の安定限界線図の作成例となっているが、複数の固有振動数に起因してびびり振動が発生する場合には、それぞれの固有振動数に起因するびびり振動ごとに上述のように簡易的に安定限界を演算し、全ての安定限界線図を足し合わせ、その結果を全ての固有振動数に起因するびびり振動の安定限界として表示するようにしてもよい。
これにより、複数の固有振動数に起因してびびり振動が発生しても、総合的に安定な回転速度をオペレータが容易に知ることができる。

また、このように安定限界線図を足し合わせる場合、振動センサで測定した振動の大きさに応じて係数を決定し、該係数を安定限界にかけることによって重み付けをしてもよい。例えば、最も振動変位が大きい周波数のびびり振動については係数を１とし、それより振動変位が小さいびびりについては、係数を該周波数の振動変位と最も大きな振動変位との比として１より小さい正の数とする。
これにより、振動が大きい固有振動数に起因するびびり振動ほど、最終的に得られる安定限界線図に強く反映させることができ、より正確な安定限界線図が得られる。

図４は、以上の手段により求めた複数の固有振動数に起因するびびり振動に対する総合的な安定限界線図の一例を示している。ここでは、ある固有振動数に起因するびびり振動の安定限界線図（点線Ａで示す）と、これより振動の小さい他の固有振動数に起因するびびり振動の安定限界線図（一点鎖線Ｂで示す）を足し合わせることにより、２つの固有振動数に起因するびびり振動の総合的な安定限界線図（実線Ｃで示す）を得ている。

さらに、安定限界線図の精度を向上させるために、種々の回転速度でテスト加工を実施する場合、びびり振動の発生する回転速度の数に応じて係数をかけることにより重み付けをしてもよい。
例えば、全ての回転速度に亘って最もびびり振動の検出数が多いびびり振動については係数を１とし、これよりびびり振動の検出数が少ないびびり振動については、最も多い場合との検出数の比をとり、１より小さい正の数とする。
これにより、びびり振動の発生する回転速度の数が多いほど、最終的に得られる安定限界線図に強く反映させることができ、より正確な安定限界線図が得られる。

但し、このような簡易的な安定限界線図の演算と同時に、モーダルパラメータを同定し、びびり振動周波数を仮定して、一つ前の切れ刃通過時の切削力から現在の切れ刃通過時の切削力への一巡伝達関数が単位行列となる安定限界の臨界の条件式から、安定限界と対応する回転速度とを解き、以上の計算をびびり振動周波数とｋ値とについて繰返し行うといった公知の手段によって、より正確な安定限界線図の演算を行い、この演算が終了し次第、簡易的な安定限界線図に代えて、より正確な安定限界線図を表示することは可能である。

加えて、安定限界線図自体の表示も上記形態に限らず、回転速度軸を縦軸に、安定限界を横軸にしたり、現在の回転速度をマーカーや数字で併記したり等、具体的なレイアウトは適宜変更して差し支えない。
また、上記形態では、安定限界線図の表示に基づいてオペレータが回転速度を選択して変更するようにしているが、びびり振動の発生に伴い安定限界線図の作成表示と共に自動的に最適回転速度へ変更するようにしてもよい。この場合、安定限界線図を表示することによって、計算された安定な回転速度領域で加工が行われていることを確認することができ、オペレータの不安軽減に繋がる。

一方、振動検出手段としては、振動センサの他、マイク、位置・回転検出器、主軸・送り軸モータの電流を用いて振動を検出することもできる。
また、上記モニタ装置では安定限界線図をＮＣ装置を介して表示部に表示させているが、安定限界線図演算部から直接表示部に表示させてもよい。

そして、上記形態では、工作機械の既存の機能を利用してモニタ装置を一体に構成しているが、振動情報をＮＣ装置に接続されたネットワークを介して、工作機械外部に設けられて入力手段やモニタを備えたコンピュータに送信し、外部コンピュータで安定限界線図を作成して表示させるようにしてもよい。このようにすれば複数の工作機械を一箇所で集中管理することもできる。
その他、工作機械としては立形マシニングセンタに限らず、主軸に装着したワークを回転させて加工を行うＮＣ旋盤等の他の工作機械であっても本発明は適用可能である。

１・・立形マシニングセンタ、２・・主軸頭、３・・主軸、４・・工具、７ａ〜７ｃ・・振動センサ、１０・・モニタ装置、１１・・ＦＦＴ演算部、１２・・安定限界線図演算部、１３・・ＮＣ装置、１４・・入力部、１５・・記憶部、１６・・表示部。

Claims (4)

1. 回転軸に装着した工具又はワークを所定の回転速度で回転させて加工を行う工作機械において、表示部を備えて振動に係る加工状態を監視するモニタ装置であって、
   加工に伴う振動を検出する振動検出手段と、
   検出した振動からびびり振動の発生を検出してびびり振動の周波数を算出するびびり振動周波数取得手段と、
   前記びびり振動周波数と前記回転速度とに基づいて、以下の式（１）〜（６）を用いて最適回転速度を算出する最適回転速度算出手段と、
   以下の式（１）（２）（４）及び、回転速度が不安定となる予め設定した位相情報に基づいて不安定回転速度を算出する不安定回転速度算出手段と、
   前記最適回転速度と前記不安定回転速度との間の安定限界線図を、近似曲線を用いて作成して前記表示部に表示する作図表示手段と、
   を備えたことを特徴とする工作機械のモニタ装置。
   ｋ’値＝６０×びびり振動周波数／（工具刃数×回転速度） ・・（１）
   ｋ値＝ｋ’値の整数部 ・・（２）
   安定回転速度＝６０×びびり振動周波数／（任意の整数×工具刃数） ・・（３）
   位相情報＝ｋ’値−ｋ値 ・・（４）
   係数＝ａ−ｂ×ｋ値＋ｃ×位相情報 （ａ、ｂ、ｃは定数） ・・（５）
   最適回転速度＝係数×安定回転速度 ・・（６）
2. 前記最適回転速度算出手段及び不安定回転速度算出手段は、複数の固有振動数に起因して発生したそれぞれの前記びびり振動周波数ごとに前記最適回転速度及び不安定回転速度を算出し、
   前記作図表示手段は、前記びびり振動周波数ごとに算出された前記最適回転速度と前記不安定回転速度とに基づいて個別の安定限界線図をそれぞれ作成し、前記個別の安定限界線図を和して、全ての前記固有振動数に起因する前記びびり振動に対する前記安定限界線図を作成することを特徴とする請求項１に記載の工作機械のモニタ装置。
3. 前記作図表示手段は、前記びびり振動周波数の大きさに応じて前記個別の安定限界線図に重み付けをした上で、前記個別の安定限界線図の和を求めることを特徴とする請求項２に記載の工作機械のモニタ装置。
4. 前記作図表示手段は、予め複数の回転速度でびびり振動周波数を測定して前記びびり振動周波数の検出数の多さに応じて設定された前記びびり振動周波数の重み付けを、前記個別の安定限界線図に反映させて、前記個別の安定限界線図の和を求めることを特徴とする請求項２に記載の工作機械のモニタ装置。

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