JP5807437B2

JP5807437B2 - びびり振動検出装置

Info

Publication number: JP5807437B2
Application number: JP2011174551A
Authority: JP
Inventors: 松永　茂; 茂松永; 俊之沖田; 良太棚瀬; 新野　康生; 康生新野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: JP2013036912A

Description

本発明は、工作機械を用いて工作物を加工するときに発生するびびり振動を検出するびびり振動検出装置に関するものである。

びびり振動検出装置として、所定周波数帯域の振動の大きさが基準値を超え、かつ一定時間内における振動速度の変化の度合いが基準値を超えた場合に所定周波数帯域のびびり振動が発生していると判定している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２３３３６８号公報

従来技術では所定周波数帯域の振動の大きさを基準値と比較することが判定条件となっているため、工具や工作物の組合せに応じてびびり振動の発生する可能性のある所定周波数帯域を設定し、さらに、夫々の周波数帯域に対して適正な基準値を設定する必要がある。同一工具でも工具の磨耗による切味の変化で振動状況は異なるので、全ての工具のいかなる状態においても適正な基準値を設定することは煩雑で困難である。このため適正な基準値を設定できない場合にびびり振動の発生を検出できない恐れがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易なびびり振動の検出を確実にできるびびり振動検出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための請求項１に係る発明の特徴は、工具を用いて工作物を加工するときに発生するびびり振動の発生を検出するびびり振動検出装置であって、
工作機械の第１の振動と前記第１の振動の測定から所定時間後に第２の振動を測定する振動測定手段と、
前記振動の時間領域のフーリエ解析を行い所望の周波数領域の一定周波数帯域における振動の大きさであるパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算手段と、
前記第１の振動のパワースペクトルである第１パワースペクトルと、前記第２の振動のパワースペクトルである第２パワースペクトルを記録する記録手段と、
前記第１パワースペクトルの所定周波数帯域における振動の大きさに対する、前記第２パワースペクトルの前記所定周波数帯域における振動の大きさの増加度合いを演算する増加度合演算手段と、
第１の所定値以上の前記増加度合いを備えた前記所定周波数帯域である増加周波数帯域が存在する場合に、前記増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定するびびり振動判定手段と、
前記びびり振動判定手段によりびびり振動が発生したと判定された場合に、びびり振動が発生したことと、びびり振動の周波数を出力する出力手段を備えることである。

上記の課題を解決するための請求項２に係る発明の特徴は、前記第１の所定値が前記周波数領域の全ての周波数帯域における前記増加度合いの平均値に対して第２の所定値だけ大きい値であることである。

上記の課題を解決するための請求項３に係る発明の特徴は、前記増加周波数帯域が複数存在する場合には、前記びびり振動判定手段が、
前記増加周波数帯域の前記増加度合いの平均値に対して第３の所定値以上の前記増加度合いを備えた、前記増加周波数帯域である超増加周波数帯域が存在する場合に、前記超増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定することである。

上記の課題を解決するための請求項４に係る発明の特徴は、前記増加度合い、前記第１の所定値、前記第２の所定値および前記第３の所定値の少なくとも１つが倍率であることである。

請求項１に係る発明によれば、所望の周波数領域における全ての周波数帯域において、第１パワースペクトルと第２パワースペクトルの振動の大きさを比較することでびびり振動発生の有無を検出できる。このため、所望の周波数領域についてはびびり振動の発生の検出漏れを起こすことがないびびり振動検出装置を実現できる。
このびびり振動検出装置を工作機械に用いた場合には、このびびり振動検出装置のびびり振動有無とびびり振動の周波数の出力を利用して、びびり振動による加工不良の防止や、びびり振動の発生しない加工条件の選定などが可能となる。

請求項２および請求項３に係る発明によれば、びびり振動以外の原因による振動の大きさの増加があっても、びびり振動を分離検出できる。このため、所望の周波数領域についてはびびり振動の発生の検出間違いを起こすことがないびびり振動検出装置を実現できる。
このびびり振動検出装置を工作機械に用いた場合には、より正確なびびり振動の検出が可能で、検出ミスによる不要な加工の中断が少ない工作機械を提供できる。

請求項４に係る発明によれば、前記増加度合いを倍率で判定するので、振動の大きさが小さくても判定できる。このため、振動の大きさが小さいびびり振動発生初期にもびびり振動発生を検出可能な、びびり振動検出装置を実現できる。
このびびり振動検出装置を工作機械に用いた場合には、不良品を発生する前に加工を停止できる工作機械を提供できる。

本実施形態の工作機械とびびり検出手段を示す全体図である。本実施形態のびびり振動検出のフローチャートである。本実施形態の第１パワースペクトルを示す図である。本実施形態の第２パワースペクトル（増加周波数帯域が複数存在する場合）を示す図である。本実施形態の第２パワースペクトル（増加周波数帯域が１つ存在する場合）を示す図である。

工作機械１に本発明のびびり振動検出装置８を接続した実施形態に基づき説明する。
図１に示すように、工作機械１はベッド５により可動に保持された、工具２を回転保持する主軸３と工作物４を相対運動させて所望の加工を行う。主軸３の回転、主軸３の送りなどの運動制御はＮＣ装置６により制御される。びびり振動検出装置８は、主軸３に設置される振動センサ８０１を備えた振動測定手段８０、振動測定手段８０の検出データや演算結果などのデータを記録する記録手段８１、フーリエ解析によりパワースペクトルの演算を行うパワースペクトル演算手段８２、振動の大きさの増加度合いを演算する増加度合い演算手段８３、びびり振動の発生の有無を判定するびびり振動判定手段８４、びびり振動の発生とびびり振動の周波数を出力する出力手段８５を備えている。

びびり振動は、特定の周波数においてその振動の大きさが時間経過とともに急激に大きくなる特性を備えている。本発明はこの特性を利用して、工作物の加工中に、びびり振動の大きさが検出可能になるまで大きくなる時間である所定の時間の差を設けて振動を測定し、周波数帯域毎の振動の大きさを比較して、時間の経過につれて振動の大きさが増加する周波数帯域が存在すれば、その周波数帯域の周波数を備えたびびり振動が発生したと判定してびびり振動を検出するものである。

図３〜図５のパワースペクトルは、測定された振動をフーリエ解析して、横軸に示す周波数帯域毎にその周波数帯域における振動の大きさを示したものである。振動の大きさとしては、振動の振幅、振動の速度、振動の加速度等のいずれを用いてもよい。

以下、図２のフローチャートに基づき、図３〜図５のパワースペクトルを参照して、周波数領域が１〜ｎＨｚで周波数帯域が１Ｈｚの場合の例でびびり振動を検出する工程を説明する。
始めに工具が工作物に接触した加工開始直後に、振動測定手段８０に接続された振動センサ８０１を用いて主軸の振動を測定し、振動データＷ_１を記録手段８１へ記録する（Ｓ１）。振動データＷ_１をフーリエ解析し、図３に示すように１〜ｎＨｚまでの周波数帯域毎の振動の大きさＶ_１１〜Ｖ_１ｎを表す第１パワースペクトルとして記録手段８１へ記録する（Ｓ２）。所定の時間ｔ待機する。所定時間ｔは０．１秒〜１秒が好適である（Ｓ３）。振動測定手段８０に接続された振動センサ８０１を用いて主軸の振動を測定し、振動データＷ_２を記録手段８１へ記録する（Ｓ４）。振動データＷ_２をフーリエ解析し、図４に示すような１〜ｎＨｚまでの周波数帯域毎の振動の大きさＶ_２１〜Ｖ_２ｎを表す第２パワースペクトルとして記録手段８１へ記録する（Ｓ５）。カウンタＣ_１の値を０にする（Ｓ６）。カウンタＣ_１に１を加算する（Ｓ７）。周波数帯域Ｃ_１における、第１パワースペクトルに対する第２パワースペクトルの振動の大きさの増加度合いを演算する。具体的には、増加の倍率ｓＶ_ｃ１を式ｓＶ_ｃ１＝Ｖ_２ｃ１／Ｖ_１ｃ１を用いて、増加度合い演算手段８３で演算し、記録手段８１へ記録する（Ｓ８）。倍率ｓＶ_ｃ１が所定値Ｋ_１以上か否か（ｓＶ_Ｃ１≧Ｋ_１？）を判定する。ｓＶ_Ｃ１≧Ｋ_１であればステップＳ１０へ移動、そうでなければステップＳ１１へ移動する（Ｓ９）。周波数Ｃ_１の増加周波数が発生しているとして、周波数Ｃ_１と倍率ｓＶ_Ｃ１を記録手段８１へ記録する（Ｓ１０）。ｎ個の周波数の判定が終わったか判定する。Ｃ_１＝ｎならステップＳ１２へ、そうでないならステップＳ７へ移動する（Ｓ１１）。
ここで所定値Ｋ_１の値を１．３として、ステップＳ８からＳ１１までを繰り返した結果、図２と図３における周波数ａＨｚにおいてｓＶ_ａ＝Ｖ_２ａ／Ｖ_１ａ＝１．３３となるため、周波数ａＨｚは増加周波数となる。以下同様にしてｓＶ_ｂ＝１．３５、ｓＶ_ｃ＝１．３２、ｓＶ_ｄ＝２．１７、ｓＶ_ｅ＝１．３８となり、ａＨｚ〜ｅＨｚまでの周波数の５つの増加周波数が発生しているとする。

増加周波数の数Ｎが２以上か否か判定する。Ｎ＞２ならステップＳ１５へ移動、そうでなければステップＳ１３へ移動する（Ｓ１２）。増加周波数の数Ｎが１か否か判定する。Ｎ＝１ならステップＳ１４へ移動、そうでなければ終了する（Ｓ１３）。びびり振動周波数Ｃ_１を出力し終了する（Ｓ１４）。Ｎ個の増加周波数の増加倍率の平均値ｓＶＨを演算する。具体的には、ｓＶＨ＝ΣｓＶｃ１／Ｎを用いて、増加度合い演算手段８３で演算する。この例では５個の増加周波数の増加倍率の平均値ｓＶＨを演算するとｓＶＨ＝１．５１となる（Ｓ１５）。カウンタＣ_２の値を０とする（Ｓ１６）。カウンタＣ_２に１を加算する（Ｓ１７）。増加倍率の平均値ｓＶＨに対する増加倍率ｓＶ_ｃ１の比率が所定値Ｋ_２以上か判定する。ｓＶ_ｃ１／ｓＶＨ≧Ｋ_２ならばステップＳ１９へ移動し、そうでないならステップＳ２０へ移送する（Ｓ１８）。びびり振動周波数Ｃ_１を出力し終了する（Ｓ１９）。Ｎ個の周波数の判定が終わったか判定する。Ｃ_２＝Ｎなら終了、そうでないならステップＳ１７へ移動する（Ｓ２０）。
ここで所定値Ｋ_２の値を１．２として、ステップＳ１７からステップＳ２０までを繰り返した結果、ｓＶ_ａ／ｓＶＨ＝１．３３／１．５１＝０．８８＜１．２となり、以下同様にしてｓＶ_ｂ／ｓＶＨ＜１．２、ｓＶ_ｃ／ｓＶＨ＜１．２、ｓＶ_ｄ／ｓＶＨ＞１．２、ｓＶ_ｅ／ｓＶＨ＜１．２となる。これより、周波数ｄＨｚのびびり振動が発生していると出力される。

図５に示すように第２パワースペクトルにおいてｓＶ_ｄ＝Ｖ_２ｄ／Ｖ_１ｄ＝１．８２のみが増加周波数となる場合は、ステップＳ１３、ステップＳ１４を経由して周波数ｄＨｚのびびり振動が発生していると出力される。

以上のように、本発明のびびり振動検出装置によれば所望周波数領域の全ての周波数帯域の振動について、１Ｈｚ間隔でびびり振動の発生を検出できる。増加倍率で増加度合いを判定するので、びびり振動発生直後のびびり振動が小さなときにも比率で比較することによりびびり振動を正確に検出できる。
さらに、加工能率が増加することにより複数の周波数の振動の大きさが増加するような場合にも、複数の周波数の増加倍率の平均値より所定値以上に大きな増加倍率を備えた周波数の振動をびびり振動として検出することで、びびり振動を正確に検出できる。

上記の実施形態では、増加度合いを第１パワースペクトルに対する第２パワースペクトルの振動の大きさの増加倍率により比較したが、第１パワースペクトルに対する第２パワースペクトルの振動の大きさの差で比較してもよい。
また、加工開始直後における振動測定とパワースペクトル演算を所定時間間隔をあけて１回のみの比較にびびり振動の有無を判定した例ついて説明したが、この測定とパワースペクトル演算を所定時間の間隔をあけて連続して繰り返し、その前後における振動の大きさの変化を比較することでびびり振動を長持間に渡り判定してもよい。
振動の測定を工具２を回転させる主軸３に設置した振動センサ８０１により測定したが、工作物側に振動センサ８０１を設置してもよい。また、振動センサ８０１に代えてマイクロホンなどの音センサを用いて振動に起因する音波を測定しても良い、この場合は測定場所の制約が少なくなり、容易にびびり振動を測定できる。
判定周波数の最小値を１Ｈｚとし、１Ｈｚ間隔とした事例で説明したが、所望の周波数範囲と所望の間隔で判定すればよく、２０〜２０００Ｈｚ程度の範囲で、５Ｈｚ程度の間隔で判定してもよい。

１：工作機械２：工具３：主軸４：工作物５：ベッド６：ＮＣ装置８：びびり振動検出装置８０：振動測定手段８１：記録手段８２：パワースペクトル演算手段８３：増加度合い演算手段８４：びびり振動判定手段８５：出力手段８０１：振動センサ

Claims

工具を用いて工作物を加工するときに発生するびびり振動の発生を検出するびびり振動検出装置であって、
工作機械の加工中の第１の振動と前記第１の振動の測定から所定時間後に第２の振動を測定する振動測定手段と、
前記第１の振動と前記第２の振動のフーリエ解析を行い所望の周波数領域の一定周波数帯域における振動の大きさであるパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算手段と、
前記第１の振動のパワースペクトルである第１パワースペクトルと、前記第２の振動のパワースペクトルである第２パワースペクトルを記録する記録手段と、
前記第１パワースペクトルの所定周波数帯域における振動の大きさに対する、前記第２パワースペクトルの前記所定周波数帯域における振動の大きさの増加度合いを演算する増加度合演算手段と、
第１の所定値以上の前記増加度合いを備えた前記所定周波数帯域である増加周波数帯域が存在する場合に、前記増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定するびびり振動判定手段と、
前記びびり振動判定手段によりびびり振動が発生したと判定された場合に、びびり振動が発生したことと、びびり振動の周波数を出力する出力手段を備えるびびり振動検出装置。
前記第１の所定値が前記周波数領域の全ての周波数帯域における前記増加度合いの平均値に対して第２の所定値だけ大きい値である、請求項１に記載のびびり振動検出装置。
前記増加周波数帯域が複数存在する場合には、前記びびり振動判定手段が、
前記増加周波数帯域の前記増加度合いの平均値に対して第３の所定値以上の前記増加度合いを備えた、前記増加周波数帯域である超増加周波数帯域が存在する場合に、前記超増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定する、請求項１または請求項２に記載のびびり振動検出装置。
前記増加度合い、前記第１の所定値、前記第２の所定値および前記第３の所定値の少なくとも１つが倍率である、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のびびり振動検出装置。