WO2021079959A1 - 作業機械の加工状態監視方法及びシステム - Google Patents

作業機械の加工状態監視方法及びシステム Download PDF

Info

Publication number
WO2021079959A1
WO2021079959A1 PCT/JP2020/039803 JP2020039803W WO2021079959A1 WO 2021079959 A1 WO2021079959 A1 WO 2021079959A1 JP 2020039803 W JP2020039803 W JP 2020039803W WO 2021079959 A1 WO2021079959 A1 WO 2021079959A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
frequency
machining
vibration
color
processing
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/039803
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
保宏 駒井
Original Assignee
エヌティーエンジニアリング株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by エヌティーエンジニアリング株式会社 filed Critical エヌティーエンジニアリング株式会社
Priority to DE112020005149.8T priority Critical patent/DE112020005149T5/de
Priority to CN202080073704.5A priority patent/CN114555292A/zh
Publication of WO2021079959A1 publication Critical patent/WO2021079959A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
    • B23Q17/0971—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring mechanical vibrations of parts of the machine
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4063—Monitoring general control system
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/31—From computer integrated manufacturing till monitoring
    • G05B2219/31467—Display of operating conditions of machines, workcells, selected programs
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37432—Detected by accelerometer, piezo electric
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37433—Detected by acoustic emission, microphone
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37434—Measuring vibration of machine or workpiece or tool

Definitions

  • the present invention relates to a machining state monitoring method and a system of a work machine that monitors the machining state of the work when the machining process is performed on the work via a rotary tool.
  • various machine tools are used to process a work piece via a processing tool.
  • a boring tool provided with a boring cutter (cutting edge) is attached to a rotating spindle of a machine tool, and the boring tool is sequentially rotated along a pilot hole while rotating at a high speed.
  • a highly accurate hole is machined at a predetermined position with the cutting edge machining diameter.
  • the quality of the machining state is judged by the machining sound, that is, whether or not the machining sound is good.
  • the automation of work has progressed, and in many cases, the factory is unmanned. Therefore, by paying attention to the vibration of the same source as the processing sound and detecting the characteristics of the processing vibration, the quality of the processing state is judged in the automated factory.
  • the TPF peak which is the peak acceleration at the tool passing frequency calculated from the number of rotations and the number of blades of the machining tool
  • the TPF which is the peak threshold of the tool passing frequency preset in the frequency spectrum.
  • the harmonic TPF peak which is the acceleration, is compared with the harmonic TPF threshold, which is the peak threshold of the harmonic frequency preset in the frequency spectrum, and the harmonic TPF peak is the harmonic TPF threshold.
  • the fundamental wave is a tool passing frequency (Tool-Passing-Frequency) (TPF) obtained from the spindle rotation speed rpm ⁇ the number of blades ⁇ 60.
  • TPF tool passing frequency
  • harmonics having a frequency that is an integral multiple of the fundamental wave are generated. This harmonic is generated as a frequency Hz of a harmonic (TPF2) twice the fundamental wave, a harmonic three times the fundamental wave (TPF3), and a harmonic n times the fundamental wave (TPFn).
  • FIG. 7 shows the frequency spectrum of machining with an end mill tool.
  • a spectrum is displayed with the acceleration (G or m / s 2 ) on the vertical axis and the frequency (Hz) calculated by the Fourier transform on the horizontal axis.
  • TPF1 the fundamental wave (TPF1) of 133 Hz, TPF3 (400 Hz) three times that of TPF1, TPF4 (533 Hz) four times, TPF6 (800 Hz) six times, and TPFn n times appear. These are called TPF vibrations.
  • frequencies other than TPF vibration that is, Non-TPF (Non-Tool-Passing-Frequency) vibration is generated.
  • TPF1 to TPFn are larger than those of other frequencies (Non-TPF vibration), and it is recognized that the processing is difficult to cut. Be done.
  • Non-TPF vibration which is not TPF vibration
  • the chatter frequency is the natural frequency of the tooling of the spindle system.
  • the fundamental wave (TPF1) of 133 Hz is greatly emitted, indicating that the processing is performed freely.
  • each processing vibration frequency has a specific generation factor, and by displaying it as a frequency spectrum, the processing state can be detected from the frequency and its peak height.
  • the harmonic when the harmonic is large with respect to TPF1, it shows difficulty in cutting, and when the natural frequency of Non-TPF is extremely high, chatter occurs, TPF1 is relatively large, and other When the frequency is low, it shows free-cutting property.
  • the display of total power is known as a device for continuously monitoring changes in the strength of machining vibration over time.
  • the vertical axis represents the total power ((m / s 2 ) 2 or G 2 )
  • the horizontal axis represents the elapsed time (seconds). From FIG. 10, the strength of the processing vibration that changes with time can be clearly seen.
  • FIG. 11 shows the vibration for 1 second from 547 seconds to 548 seconds, which is the last vibration portion in FIG. 10, in the frequency spectrum.
  • the vertical axis represents the vibration intensity (m / s 2 ) and the horizontal axis represents the frequency (Hz).
  • 1240 Hz is the maximum peak, and 827 Hz of the multiplied wave is continuously emitted.
  • the present invention solves this kind of problem, and an object of the present invention is to provide a machining state monitoring method and system for a work machine that can easily and surely detect various machining states.
  • the present invention relates to a machining state monitoring method and a system of a work machine that monitors the machining state of the work when the machining process is performed on the work via a rotary tool.
  • This machining state monitoring method includes a step of detecting machining vibration during rotation by a rotary tool over time, a step of sequentially analyzing the detected machining vibration by Fourier series expansion to obtain a machining frequency, and the machining.
  • the frequency is the idling frequency calculated from the spindle rotation speed ⁇ 60, the fundamental wave calculated from the spindle rotation speed ⁇ the number of blades ⁇ 60, the high frequency which is an integral multiple of the fundamental wave, the idling frequency from the processing frequency, and the basic.
  • the step of allocating the wave and the residual frequency from which the high frequency is removed or the chatter frequency at which the reproduction chatter occurs, and the idling frequency, the fundamental wave, the high frequency, the surplus frequency, and the chatter frequency are set to different color displays.
  • the process and the strength of the processing vibration detected over time are color-coded by the color display corresponding to each processing frequency obtained from each processing vibration and displayed on the color-coded integrated display window, and the processing state of the work is displayed. Has
  • a vibration detection mechanism that detects machining vibration during rotation by a rotating tool over time and a calculation mechanism that sequentially analyzes the detected machining vibration by Fourier series expansion to obtain a machining frequency.
  • the machining frequency is the idling frequency calculated from the spindle rotation speed ⁇ 60, the fundamental wave calculated from the spindle rotation speed ⁇ the number of blades ⁇ 60, the high frequency which is an integral multiple of the fundamental wave, and the slipping from the machining frequency.
  • the frequency distribution mechanism that distributes the frequency, the fundamental wave and the residual frequency from which the high frequency is removed, or the chatter frequency at which the reproduction chatter occurs, and the idling frequency, the fundamental wave, the high frequency, the surplus frequency, and the chatter frequency, respectively.
  • the color display setting mechanism that sets different color displays and the strength of the processing vibration detected over time are color-coded by the color display corresponding to each processing frequency obtained from each processing vibration, and the color-coded integrated display window. It is equipped with a color-coded display mechanism for displaying on the frequency.
  • the vibration frequency of machining that changes every moment is divided into idling frequency, fundamental wave, high frequency, surplus frequency or chatter frequency, and each is displayed in a different color. It is color-coded and displayed on the color-coded integrated display window according to the strength of processing vibration. Therefore, various machining states of the work can be easily and accurately monitored only by checking the color display.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory view of a machine tool to which the machining state monitoring system of the work machine according to the embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a controller constituting the machining state monitoring system.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a display unit constituting the machining state monitoring system.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a color-coded integrated display window constituting the display unit.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram when changing the display state by the color-coded integration display window.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of another display state by the color-coded integration display window.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a frequency spectrum of machining using an end mill tool.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory view of a machine tool to which the machining state monitoring system of the work machine according to the embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a controller constituting the machining state monitoring
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the frequency spectrum in which the reproduction chatter occurs.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of a frequency spectrum in which free-cutting is performed.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of total power.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of a wave number spectrum of the total power in a specific 1 second.
  • the machining condition monitoring system 10 is applied to the machine tool 12.
  • the machine tool 12 is applied to a work machine of a system in which an acceleration sensor 26, a microphone 28, and a controller 30, which will be described later, are functionally integrated.
  • the machine tool 12 includes a spindle (spindle) 18 rotatably provided in the housing 14 via a bearing 16 and a tool holder (rotary tool) 20 detachable from the spindle 18.
  • a cutter 22 is attached to the tip of the tool holder 20.
  • the work W is placed on the work table 24.
  • the machining condition monitoring system 10 is an acceleration sensor (vibration detection mechanism) mounted on the side of the housing 14 in order to detect vibration when the spindle 18 is idling and vibration generated when machining by the cutter 22 is started. ) 26 or at least one of a microphone (vibration detection mechanism) 28 that acquires vibration sound by sound waves.
  • the acceleration sensor 26 and / or the microphone 28 are connected to the controller 30, and the controller 30 is connected to the machine tool control panel 32.
  • the machine tool control panel 32 controls the machine tool 12 and is connected to the control operation panel 34.
  • the controller 30 includes an arithmetic unit (arithmetic mechanism) 38 that amplifies and captures mechanical vibration (machining vibration) detected by the acceleration sensor 26 and / or the microphone 28 by an amplifier and a filter circuit 36. Be prepared.
  • An input setting unit 40 for inputting the rotation speed of the spindle 18, the number of blades of the cutter 22, the natural frequency, and the like is connected to the calculation unit 38.
  • a threshold value for monitoring and identification determination, a signal processing procedure when vibration exceeding the threshold value occurs, and the like can be set.
  • the input setting unit 40 is provided with a repeat counter (circuit) 42 as needed.
  • the arithmetic unit 38 includes a frequency distribution mechanism that distributes the processing frequency into an idling frequency, a fundamental wave, a harmonic, a residual frequency, or a chatter frequency, and the idling frequency, the fundamental wave, the high frequency, the surplus frequency, and the chatter frequency. It functions as a color display setting mechanism that sets the chatter frequency to different color displays.
  • the calculation unit 38 further displays the strength of the machining vibration detected over time on the color-coded integration display window 54 (described later) by color-coding the strength of the machining vibrations in the color display corresponding to each machining frequency obtained from each machining vibration. Functions as a color-coded display mechanism.
  • the processing state determination unit 44 and the input / output unit 46 for outputting the operation determination processing signal, which will be described later, are connected to the calculation unit 38.
  • Information on the spindle speed RPM and the tool number in use is taken into the calculation unit 38 from the machine tool control panel 32 through the input / output unit 46, and can be read from the NC program at any time.
  • a display unit 48 for displaying the calculation result, the detection result, etc. on the screen is connected to the calculation unit 38. Updated data is normally sent from the arithmetic unit 38 to the machining state determination unit 44 every second.
  • the display unit 48 includes a total power display window 51, a frequency spectrum display window 52, a change display window 53, and a color-coded integrated display window 54.
  • a screen selection button 57 used for switching between the display screen and the threshold value input screen is provided.
  • the total power display window 51 is a vibration amount monitoring unit that is turned on by a signal from the measurement start button of the controller 30 or the device.
  • the total power display window 51 displays the total power (G 2 ) of the processing vibration that changes with time, and displays the magnitude of the vibration amount in each time zone as the total power having real-time characteristics.
  • the total power display window 51 the sum of the squared values of acceleration is represented on the vertical axis, and the elapsed time (seconds) is represented on the horizontal axis.
  • the total power display window 51 has, if necessary, a sign threshold value 61 that displays a sign that the total power enters the warning area, and an alarm threshold value 62 that displays that the total power has risen abnormally. Set.
  • the frequency spectrum display window 52 displays the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the processing vibration.
  • a spectrum is displayed with the acceleration (G or m / s 2 ) on the vertical axis and the frequency (Hz) calculated by the Fourier transform on the horizontal axis.
  • the display range on the horizontal axis of the spectrum is selected and set in advance from 10 Hz to 10,000 Hz, and generally, 10 Hz to 2,000 Hz, 10 Hz to 2,500 Hz, or 10 Hz to 4,000 Hz, which satisfactorily represent the processing state. Etc. are selected.
  • the vertical axis is displayed by the automatic gain method.
  • the frequency spectrum display window 52 has, if necessary, a sign threshold value 63 for displaying a sign that the machining vibration enters the warning zone, and an alarm threshold value 64 for displaying that the machining vibration has risen abnormally.
  • the change display window 53 removes the total amount of tool passing frequencies (Tool-Passing-Frequency) (hereinafter referred to as TPF) in the frequency spectrum displayed in the frequency spectrum display window 52 and the TPF in the frequency spectrum.
  • TPF tool passing frequencies
  • the relative ratio of the surplus frequency (hereinafter referred to as Non-TPF) to the total amount is displayed as it changes with time.
  • the amount of change in the relative ratio (total amount of Non-TPF / total amount of TPF) between the total amount of TPF and the total amount of Non-TPF is displayed as a dot graph over time (per second). )Is displayed.
  • TPF is the sum of the fundamental wave and its harmonics (integer multiples of the fundamental wave) calculated from the spindle speed ⁇ the number of blades ⁇ 60.
  • the change display window 53 has, if necessary, a predictive threshold value 65 for determining that the process has entered the predictive stage of determining the quality of processing, and at least an upper limit for determining whether or not a processing abnormality has occurred.
  • the alarm threshold value 66a or the lower limit alarm threshold value 66b is set.
  • a separate input screen (not shown) is used for inputting the threshold value, and this input screen is displayed by operating the screen selection button 57.
  • the color-coded integrated display window 54 has a processing vibration intensity ((m / s 2 ) 2 or G 2 ) detected over time in a frequency range selected in advance from 10 Hz to 10,000 Hz. , It is color-coded by the color display corresponding to each processing frequency obtained from each processing vibration.
  • the sum of the squared values of acceleration is represented on the vertical axis, and the elapsed time (seconds) is represented on the horizontal axis.
  • the processing frequency is an idling frequency calculated from the spindle rotation speed ⁇ 60 (hereinafter, also referred to as SRF vibration), a fundamental wave calculated from the spindle rotation speed ⁇ the number of blades ⁇ 60 (hereinafter, also referred to as TPF1 vibration), and the fundamental wave.
  • High frequency (hereinafter, also referred to as TPFn vibration) which is an integral multiple of the above, the idling frequency, the residual frequency obtained by removing the fundamental wave and the high frequency from the processing frequency (hereinafter, also referred to as Non-TPF vibration), or reproduction chatter occurs. It is distributed to the chatter frequency (hereinafter also referred to as chatter vibration).
  • chatter vibration The sum of TPF1 vibration and TPFn vibration is called TPF vibration.
  • the SRF vibration is set to the "green" color display.
  • the SRF vibration is obtained by acquiring the vibration of the spindle 18 when idling by the acceleration sensor 26 and / or the microphone 28, and if the frequency vibration of the SRF vibration is generated during the spindle rotation, the measurement system functions normally. Indicates that In the determination of machining vibration, the vibration at the time of idling is set as an allowable value.
  • TPF1 vibration is set to "blue” (dark blue) color display
  • TPFn vibration vibration obtained by removing TPF1 vibration from TPF vibration
  • the TPF1 vibration and the TPFn vibration are included in the TPF vibration, and the same color system is adopted, and the TPF1 vibration is set to a darker color than the TPFn vibration.
  • the input and calculation of the TPF vibration is based on the information from the accelerometer 26 and / or the microphone 28, the spindle speed (RPM) information read from the NC device, and the number of blades of the tool (cutter 22) used. , Can be input from a separate setting screen and calculated from these three parameters. At that time, even if the tool is replaced by ATC, the spindle rotation information at that time is read from the NC device and combined with the separately set blade number information to instantly change the frequencies of TPF1 and TPFn in each machining. Can be calculated.
  • Non-TPF vibration is set to "yellow" color display.
  • a workpiece W made of a material having poor machinability is machined, a large amount of Non-TPF vibration is generated.
  • the Non-TPF vibration greatly increases or decreases due to a defect in the blade tool or the like.
  • Chatter vibration is set to "red" color display. For example, when the peak of a specific Non-TPF vibration becomes more than twice the sum of the vibration amounts from the TPF1 vibration to the TPFn vibration (the threshold value of the discrimination magnification can be set separately), the reproduction chatter Is determined to have occurred. The signal exceeding the threshold value is output to the outside from the repeat counter 42.
  • the machining status monitoring method by the machining status monitoring system 10 configured in this way will be described below.
  • the spindle 18 to which the tool holder 20 having the cutter 22 attached to the tip thereof is attached is rotationally driven and is fed out along the work W. Then, the tool holder 20 moves along the side surface of the work W. Therefore, the cutter 22 rotates integrally with the tool holder 20, and the work W is processed via the cutter 22.
  • the vibration of the spindle 18 when idling is acquired by the acceleration sensor 26 and / or the microphone 28, and this value is set as an allowable value (threshold value). Then, the vibration of the spindle 18 is taken into the arithmetic unit 38 via the amplifier and the filter circuit 36.
  • arithmetic analysis by Fourier transform is performed on the processed vibration captured via the amplifier and the filter circuit 36. Specifically, the time vibration f (t) is
  • f (t) ⁇ (a j cos 2 ⁇ Jt + b j sin2 ⁇ Jt).
  • a j is the cosine harmonic component Fourier coefficient of the frequency J
  • b j is the sinusoidal harmonic component Fourier coefficient of the frequency J.
  • the integration interval is 0 to T, and this integration interval T is an integral multiple of the period 1 / J.
  • the vibration frequency actually processed for example, 10 Hz to 10,000 Hz is acquired.
  • the display unit 48 is provided with a total power display window 51, a frequency spectrum display window 52, a change display window 53, and a color-coded integrated display window 54.
  • the magnitude of the amount of vibration that changes with processing in each time zone is displayed as total power (G 2) having real-time performance.
  • the total power (G 2 ) (strength of machining vibration) obtained by squared the acceleration is displayed on the vertical axis, and the increase / decrease ratio of the machining vibration amount is represented as a large change amount. That is, small vibrations are displayed smaller and large vibrations are displayed larger.
  • the value displayed in the total power display window 51 is a value obtained by squaring the waveform of the acceleration amplitude and integrating it in time axis units (usually 1 second or 0.1 second), and includes all acquired frequencies. I'm out. Therefore, the total power energy, which is difficult to discriminate from the frequency spectrum, can be discriminated, and the increase / decrease in cutting resistance, the increase / decrease in high-frequency vibration, and the like can be displayed sensitively.
  • the frequency spectrum display window 52 displays the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the processing vibration.
  • the arithmetic unit 38 of the controller 30 performs a process of dividing the frequency of machining vibration (machining frequency) into two, TPF vibration and Non-TPF vibration.
  • the change display window 53 the amount of change in the relative ratio (total amount of Non-TPF / total amount of TPF) between the total amount of TPF vibrations divided by the calculation unit 38 and the total amount of Non-TPF vibrations is displayed.
  • the change display window 53 the lower the numerical value of the dot graph, the better the cutting, while the higher the numerical value, the worse the machinability and the occurrence of chatter.
  • the color-coded integrated display window 54 displays the strength of the processing vibration detected over time in a color-coded manner corresponding to each processing frequency obtained from each processing vibration. ..
  • the processing frequency obtained by the calculation is SRF vibration (idle frequency), TPF1 vibration (fundamental wave), TPFn vibration (harmonic), Non-TPF vibration (residual frequency), or chatter vibration (chatter frequency).
  • SRF vibration, TPF1 vibration, TPFn vibration, Non-TPF vibration, and chatter vibration are set to different color displays. Specifically, SRF vibration is displayed in “green” color display, TPF1 vibration is displayed in “blue” color display, TPFn vibration is displayed in “light blue” color display, and Non-TPF vibration is displayed in “yellow” color.
  • the chatter vibration is set to the "red” color display.
  • the color-coded integrated display window 54 identifies the processing frequency of the processing vibration that changes from time to time from each generation characteristic and displays it by color of the frequency characteristic. Therefore, the machine operator can quickly and easily grasp various processing states only by observing the color change in the color-coded integration display window 54.
  • the blue color (TPF1 vibration and TPFn vibration) occupies most of the color, and a lot of yellow (Non-TPF vibration) indicating a difficult-to-cut system appears. At that time, it is necessary to pay attention to cutting. Further, when a red color indicating regenerated chatter appears, it indicates that the processing is abnormal. Therefore, for example, the machine operator can imagine the display of a traffic signal and can instantly recognize that blue is normal, while red is abnormal.
  • the vertical axis is displayed (displayed in the display designated frequency range with automatic gain according to the peak value from the measurement start signal ON to the current display time) and the horizontal axis is displayed (measurement).
  • the display of the time axis from the start signal ON) has been updated. Therefore, in the machining shown in FIG. 4, since the gain and color of the vertical axis are displayed only at the first input frequency at the initial stage of machining, SRF vibration (green) and TPF1 vibration (green) and TPF1 vibration (about 8 seconds after the start of measurement). Blue) will occupy the majority, and green and blue will be displayed in full window frame (not shown) in this display in the middle of time. Further, in the time course of processing shown in FIG.
  • the strength and color display of the processing vibration displayed on the color-coded integrated display window 54 are based on the results calculated by the calculation unit 38. Therefore, the determination of the machining state based on these can be output to the outside through the input / output unit 46, and can be used as a feedback signal in automatic machining or unmanned machining. Moreover, since the display on the color-coded integrated display window 54 is updated every second, the state of processing vibration that changes with time can be instantly captured. On the other hand, apart from this display, the detection of anomalies such as chattering calculated from the vibration frequency of machining can be performed in units of 0.1 seconds, and abnormality monitoring can be performed in real time.
  • the SRF vibration (idle frequency), TPF1 vibration (fundamental wave), TPFn vibration (harmonic), Non-TPF vibration (residual frequency), or chatter vibration (chatter frequency) is color-coded.
  • the stacking order of each other in the integration display window 54 is selected. As shown in FIG. 4, the SRF vibration having a relatively small amount of vibration is arranged in the foreground, and the chatter vibration having a relatively large amount of vibration is arranged in the foremost surface.
  • each color-coded display can be integrated and displayed. Therefore, in FIG. 5, the vibration amounts of SRF, TPF1 and TPFn, which are small vibration amounts, are displayed according to the respective volumes, and the TPFn exists with a certain magnitude over the entire area. It is confirmed. Then, it can be seen that Non-TPF vibration is generated from the middle of processing, and the vibration amount is further increased to grow into chatter vibration.
  • the scale gain is automatically changed according to the vibration of the maximum peak.
  • Individual fixed settings are also possible.
  • the strength of the chatter vibration is remarkably larger than that of other vibrations, and the scale gain on the vertical axis is changed according to the chatter vibration, so that the SRF or TPF1 signal becomes difficult to read. There is.
  • the scale gain on the vertical axis of the color-coded integrated display window 54 is enlarged.
  • the SRF vibration and the TPF1 vibration are displayed in a large size on the color-coded integrated display window 54, and these signals can be easily and surely read.
  • the predictive thresholds 61, 63, and 65 are set in the total power display window 51, the frequency spectrum display window 52, and the change display window 53. Therefore, when the vibration peak exceeds any of the predictive threshold values 61, 63, or 65, the repeat counter 42 set separately notifies that the machining vibration has exceeded the predictive line, and the machine operator is warned, for example. It can encourage arousal.
  • alarm threshold values 62, 64 and 66a are set in the total power display window 51, the frequency spectrum display window 52 and the change display window 53. Therefore, when the machining vibration rises abnormally and exceeds the alarm thresholds 62, 64, and 66a, an alarm signal is sent to the repeat counter 42 set separately.
  • the repeat counter 42 detects a signal input equal to or greater than the set integrated number, the alarm signal is displayed on the display unit 48 of the controller 30 and is output to the outside through the input / output unit 46.
  • the signal exceeding the threshold value of the sign and the alarm is sent to the repeat counter 42. This makes it possible to prevent malfunction due to momentary noise or the like. If the repeat count value is set to 1, the abnormality determination is output when the threshold value is exceeded once.
  • the vibration frequency of machining that changes every moment is divided into idling frequency, fundamental wave, high frequency, surplus frequency or chatter frequency, and each is displayed in a different color. It is color-coded and displayed on the color-coded integrated display window according to the strength of processing vibration. Therefore, various machining states of the work can be easily and accurately monitored only by checking the color display.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Numerical Control (AREA)
  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
  • Automatic Control Of Machine Tools (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する工程と、検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る工程と、前記加工周波数を、空転周波数、基本波、高周波、残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける工程と、前記それぞれの周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する工程と、経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させ、前記ワークの加工状態を監視する工程と、を有している。

Description

作業機械の加工状態監視方法及びシステム
　本発明は、回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関する。
　一般的に、加工工具を介してワークに加工処理を施すために、各種の工作機械が使用されている。例えば、ボーリング加工は、中ぐり用カッタ（刃先）が設けられたボーリングツールを工作機械の回転主軸（スピンドル）に取り付け、前記ボーリングツールを高速で回転させながら下穴に沿って順次繰り出すことにより、その刃先加工径で所定の位置に高精度な孔部を加工するものである。
　この種の作業機械では、高精度な加工を行うために、加工状態の良否を判断する必要がある。従来より、加工状態の良否は、加工音、すなわち、良好な切削加工音であるか否かにより判断することが行われている。しかし、近年、作業の自動化が進んでおり、工場内の無人化が図られる場合が多い。そこで、加工音と同源の振動に着目し、加工振動の特性を検出することにより、自動化された工場で、加工状態の良否を判断することが行われている。
　例えば、特許文献１に開示されている作業機械の振動監視方法及びシステムが知られている。この振動監視方法は、加工工具の回転数及び刃数から算出された工具通過周波数でのピーク加速度であるＴＰＦピークが、周波数スペクトルに予め設定された前記工具通過周波数のピークしきい値であるＴＰＦしきい値と比較され、前記ＴＰＦピークが前記ＴＰＦしきい値を越えた回数を、ＴＰＦしきい値越え積算表示部に表示させる工程と、前記工具通過周波数の整数倍の高調波周波数でのピーク加速度である高調波ＴＰＦピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記高調波周波数のピークしきい値である高調波ＴＰＦしきい値と比較され、前記高調波ＴＰＦピークが前記高調波ＴＰＦしきい値を越えた回数を、高調波ＴＰＦしきい値越え積算表示部に表示させる工程と、ＴＰＦしきい値越え回数と高調波ＴＰＦしきい値越え回数とを比較して変化表示部に表示させる工程と、を有している。
　例えば、多刃のエンドミル等の工具を使用して加工を行う場合、前記工具の刃先がワークに当たることにより、該工具の回転通過の振動が基本波として発生している。具体的には、基本波（ＴＰＦ１）は、主軸回転数ｒｐｍ×刃数÷６０から得られる工具通過周波数（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ＴＰＦ）である。さらに、基本波の他、該基本波の整数倍の周波数である高調波が発生する。この高調波は、基本波の２倍の高調波（ＴＰＦ２）、前記基本波の３倍の高調波（ＴＰＦ３）から該基本波のｎ倍の高調波（ＴＰＦｎ）の周波数Ｈｚとして発生する。
　図７には、エンドミル工具を用いた加工の周波数スペクトラムが示されている。この周波数スペクトラムでは、加速度（Ｇ又はｍ／ｓ２）を縦軸に、フーリエ変換により演算された周波数（Ｈｚ）を横軸にしたスペクトラムが表示される。加工条件は、回転速度Ｎ＝２０００ｍｉｍ−１、刃数＝４である。
　図７の周波数スペクトラムでは、１３３Ｈｚの基本波（ＴＰＦ１）、ＴＰＦ１の３倍のＴＰＦ３（４００Ｈｚ）、４倍のＴＰＦ４（５３３Ｈｚ）、６倍のＴＰＦ６（８００Ｈｚ）及びｎ倍のＴＰＦｎが表れており、これらをＴＰＦ振動という。一方、周波数スペクトラムの中には、ＴＰＦ振動以外の周波数、すなわち、Ｎｏｎ−ＴＰＦ（Ｎｏｎ−Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）振動が発生している。図７に示す周波数スペクトラムでは、基本波（ＴＰＦ１）の他、その高調波ＴＰＦ１~ＴＰＦｎが、他の周波数（Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動）よりも大きく出ており、難削性の加工であることが認められる。
　また、図８に示す加工の周波数スペクトラムでは、ＴＰＦ振動ではない１１５０Ｈｚ（Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動）が顕著に出ている。これは、再生びびりが発生していることを示しており、そのびびり振動数は、スピンドル系のツーリングの固有振動数である。さらに、図９に示す加工の周波数スペクトラムでは、１３３Ｈｚの基本波（ＴＰＦ１）が大きく出ており、快削な加工が行われていることを示す。
　上記のように、加工振動の周波数は、それぞれ特定の発生要因を有しており、周波数スペクトラムとして表示させることにより、周波数とそのピーク高さから加工状態を検出することができる。例えば、ＴＰＦ１に対してその高調波が大きい場合には、難削性を示し、Ｎｏｎ−ＴＰＦの固有振動数が著しく高く出る場合には、びびりが発生し、ＴＰＦ１が相対的に大きく、他の振動数が小さい場合には、快削性を示す。
　ところで、周波数スペクトラムの表示は、刻々と変化するため、その経時変化に合わせて表示させる必要がある。このため、加工振動の強弱の経時変化を連続的に監視するものとして、トータルパワーの表示が知られている。図１０に示すトータルパワー表示では、縦軸にトータルパワー（（ｍ／ｓ２）２又はＧ２）を、横軸に経過時間（秒）が表わされる。図１０から、時間毎に変化していく加工振動の強弱が明瞭に分かる。
　さらに、図１１は、図１０中、最後の振動部分である５４７秒から５４８秒までの１秒間の振動を周波数スペクトラムで表している。この周波数スペクトラムでは、縦軸に振動の強さ（ｍ／ｓ２）を、横軸に周波数（Ｈｚ）を表わしている。この１秒間では、１２４０Ｈｚが最大ピークであり、その逓倍波の８２７Ｈｚが続いて出ている。
特開２０１８−０５４５８７号公報
　しかしながら、図１０に示すトータルパワー表示や、図１１に示す周波数スペクトラムにおいて、周波数の強さの経時変化や、各時間区間での周波数スペクトラムを監視するだけでは、刻々と変化する加工振動の周波数の状態を確認することが困難である。従って、これらが示す周波数の意味（加工状態）を容易に検知することができないという問題がある。
　本発明は、この種の問題を解決するものであり、種々の加工状態を容易且つ確実に検知可能な作業機械の加工状態監視方法及びシステムを提供することを目的とする。
　本発明は、回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関するものである。
　この加工状態監視方法は、回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する工程と、検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る工程と、前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高周波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高周波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける工程と、前記空転周波数、前記基本波、前記高周波、前記余剰周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する工程と、経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させ、前記ワークの加工状態を監視する工程と、を有している。
　また、この振動監視システムでは、回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する振動検出機構と、検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る演算機構と、前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高周波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高周波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける周波数振り分け機構と、前記空転周波数、前記基本波、前記高周波、前記余剰周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する色表示設定機構と、経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させる色別表示機構と、を備えている。
　本発明に係る作業機械の加工状態監視方法及びシステムでは、刻刻と変化する加工の振動周波数が、空転周波数、基本波、高周波、余剰周波数又はびびり周波数に振り分けられるとともに、それぞれ異なる色表示にて色分けされ、加工振動の強さに対応して色別積算表示窓に表示されている。このため、色表示を確認するだけで、ワークの種々の加工状態を容易且つ正確に監視することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る作業機械の加工状態監視システムが適用される工作機械の概略説明図である。 図２は、前記加工状態監視システムを構成するコントローラの説明図である。 図３は、前記加工状態監視システムを構成する表示ユニットの説明図である。 図４は、前記表示ユニットを構成する色別積算表示窓の説明図である。 図５は、前記色別積算表示窓による表示状態を変更する際の説明図である。 図６は、前記色別積算表示窓による他の表示状態の説明図である。 図７は、エンドミル工具を用いた加工の周波数スペクトラムの説明図である。 図８は、再生びびりが発生した周波数スペクトラムの説明図である。 図９は、快削加工が行われる周波数スペクトラムの説明図である。 図１０は、トータルパワーの説明図である。 図１１は、前記トータルパワーの特定の１秒間における波数スペクトラムの説明図である。
　図１に示すように、本発明の実施形態に係る加工状態監視システム１０は、工作機械１２に適用される。工作機械１２は、後述する加速度センサ２６やマイクロフォン２８並びにコントローラ３０を機能的に纏めたシステムの作業機械に適用される。
　工作機械１２は、ハウジング１４内にベアリング１６を介して回転可能に設けられるスピンドル（主軸）１８と、前記スピンドル１８に着脱自在なツールホルダ（回転工具）２０とを備える。ツールホルダ２０の先端には、カッタ２２が装着されている。作業テーブル２４上には、ワークＷが載置されている。
　加工状態監視システム１０は、スピンドル１８の空転時の振動、及びカッタ２２による加工が開始される際に発生する振動を検出するために、ハウジング１４の側部に装着される加速度センサ（振動検出機構）２６又は音波により振動音を取得するマイクロフォン（振動検出機構）２８の少なくとも一方を備える。加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８は、コントローラ３０に接続されるとともに、前記コントローラ３０は、工作機械制御盤３２に接続される。工作機械制御盤３２は、工作機械１２を制御するものであり、制御操作盤３４に接続される。
　図２に示すように、コントローラ３０は、加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により検出された機械的振動（加工振動）をアンプ及びフィルタ回路３６により増幅して取り込む演算ユニット（演算機構）３８を備える。
　演算ユニット３８には、スピンドル１８の回転数、カッタ２２の刃数及び固有振動数等を入力する入力設定ユニット４０が接続される。入力設定ユニット４０では、監視や識別判定のためのしきい値や、しきい値越えの振動が発生した際の信号の処理手順等が設定可能である。入力設定ユニット４０には、必要に応じてリピートカウンタ（回路）４２が設けられる。
　演算ユニット３８は、後述するように、加工周波数から空転周波数、基本波、高調波、残余周波数、又はびびり周波数に振り分ける周波数振り分け機構と、前記空転周波数、前記基本波、前記高周波、前記余剰周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する色表示設定機構と、して機能する。演算ユニット３８は、さらに経時的に検出される加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する色表示で色分けして色別積算表示窓５４（後述する）に表示させる色別表示機構として機能する。
　演算ユニット３８には、加工状態判断ユニット４４と、後述する演算判断処理した信号を出力するための入出力ユニット４６とが接続される。主軸回転数ＲＰＭ及び使用中の工具番号の情報は、工作機械制御盤３２から入出力ユニット４６を通じて演算ユニット３８に取り入れられ、随時ＮＣプログラムからの読み取りが可能である。マクロ的な監視を行う場合には、しきい値として別途に工具刃数とリピートカウンタ４２の数値を入れるだけでもよい。
　演算ユニット３８には、演算結果や検出結果等を画面表示する表示ユニット４８が接続される。演算ユニット３８から加工状態判断ユニット４４には、更新されたデータが、通常、毎秒送られる。
　図３に示すように、表示ユニット４８は、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２、変化表示窓５３及び色別積算表示窓５４を備える。表示ユニット４８の左端には、表示画面としきい値入力画面との切り替え等に使用される画面選択ボタン５７が設けられる。
　トータルパワー表示窓５１は、図示しないが、コントローラ３０の測定開始ボタンや機器からの信号でＯＮ（オン）する振動量の監視ユニットである。トータルパワー表示窓５１は、経時変化する加工振動のトータルパワー（Ｇ２）を表示するものであり、各時間帯における振動量の大きさを、リアルタイム性を有しトータルパワーとして表示する。
　トータルパワー表示窓５１では、加速度を二乗した値の和が縦軸に表わされ、経過時間（秒）が横軸に表わされる。トータルパワー表示窓５１には、必要に応じて、トータルパワーが警告域に入る予兆を表示する予兆しきい値６１と、前記トータルパワーが異常に上昇したことを表示するアラームしきい値６２とが設定される。
　周波数スペクトル表示窓５２は、加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを表示させる。周波数スペクトル表示窓５２では、加速度（Ｇ又はｍ／ｓ２）を縦軸に、フーリエ変換により演算された周波数（Ｈｚ）を横軸にしたスペクトラムが表示される。スペクトラム横軸の表示範囲は、１０Ｈｚ~１０，０００Ｈｚの間から予め選択設定され、一般的には、加工状態を良好に表す１０Ｈｚ~２，０００Ｈｚ、１０Ｈｚ~２，５００Ｈｚ、若しくは１０Ｈｚ~４，０００Ｈｚ等が選択される。縦軸の表示は、自動ゲイン方式である。
　周波数スペクトル表示窓５２には、必要に応じて、加工振動が警告域に入る予兆を表示する予兆しきい値６３と、前記加工振動が異常に上昇したことを表示するアラームしきい値６４とが設定される。
　変化表示窓５３は、周波数スペクトル表示窓５２に表示された周波数スペクトルの内、工具通過周波数（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（以下、ＴＰＦという）の総和量と、前記周波数スペクトルの内、ＴＰＦを除去した余剰周波数（以下、Ｎｏｎ−ＴＰＦという）の総和量との相対比を、経時変化して表示させる。具体的には、変化表示窓５３は、ＴＰＦの総和量とＮｏｎ−ＴＰＦの総和量との相対比（Ｎｏｎ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量）の変化量が、ドットグラフとして経時（毎秒）表示される。このドットグラフでは、数値の低い方が良好な切削を表す一方、数値の高い方が切削性の悪化やびびりの発生を表している。ＴＰＦは、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波及びその高調波（該基本波の整数倍）の総和である。
　変化表示窓５３には、必要に応じて、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断させるための予兆しきい値６５と、加工異常が発生しているか否かを判別させるための少なくとも上限のアラームしきい値６６ａ又は下限のアラームしきい値６６ｂと、が設定される。しきい値の入力には、別途の入力画面（図示せず）が使用され、この入力画面は、画面選択ボタン５７の操作により表示される。
　色別積算表示窓５４には、１０Ｈｚ~１０，０００Ｈｚの間から予め選択された周波数の範囲で、経時的に検出される加工振動の強さ（（ｍ／ｓ２）２又はＧ２）をもって、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する色表示で色分けして表示される。色別積算表示窓５４では、加速度を二乗した値の和（加工振動の強さ）が縦軸に表わされ、経過時間（秒）が横軸に表わされる。加工周波数は、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数（以下、ＳＲＦ振動ともいう）、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波（以下、ＴＰＦ１振動ともいう）、該基本波の整数倍である高周波（以下、ＴＰＦｎ振動ともいう）、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高周波を除去した残余周波数（以下、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動ともいう）、又は再生びびりが発生するびびり周波数（以下、びびり振動ともいう）に振り分けられる。ＴＰＦ１振動とＴＰＦｎ振動とを総和したものをＴＰＦ振動という。
　図４に示すように、ＳＲＦ振動は、「緑色」の色表示に設定される。ＳＲＦ振動は、スピンドル１８の空転時の振動を加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により取得したものであり、主軸回転時に、ＳＲＦ振動の周波数振動が出ていれば、測定システムが正常に機能していることを示す。加工振動の判定では、空転時の振動を許容値として設定している。
　ＴＰＦ１振動は、「青色」（濃い青色）の色表示に設定される一方、ＴＰＦｎ振動（ＴＰＦ振動からＴＰＦ１振動を除いた振動）は、「水色」（薄い青色）の色表示に設定される。ＴＰＦ１振動及びＴＰＦｎ振動は、ＴＰＦ振動に含まれるものであり、同色系を採用するとともに、前記ＴＰＦ１振動が前記ＴＰＦｎ振動よりも濃い色に設定される。ＴＰＦ振動の入力と演算は、加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８からの情報と、ＮＣ装置から読み取られる主軸回転数（ＲＰＭ）の情報と、使用される工具（カッタ２２）の刃数とを、別途の設定画面から入力し、この三つのパラメータから演算することができる。その際、ＡＴＣで工具の交換が行われても、その時点での主軸回転情報をＮＣ装置から読み取り、別途設定された刃数情報と組み合わせることにより、それぞれの加工におけるＴＰＦ１及びＴＰＦｎの周波数を瞬時に算出することができる。
　Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動は、「黄色」の色表示に設定される。切削性の悪い材質のワークＷを加工すると、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動が多く発生する。このＮｏｎ−ＴＰＦ振動の発生が多いほど、加工が困難であることを示し、さらに刃先が摩耗するほど、前記Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動が増加する。また、刃工具の欠損等では、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動が大きく増減する。
　びびり振動は、「赤色」の色表示に設定される。例えば、ＴＰＦ１振動からＴＰＦｎ振動までの振動量の総和に対し、特定のＮｏｎ−ＴＰＦ振動のピークが２倍以上になったとき（判別倍率のしきい値は、別途設定可能である）、再生びびりが発生していると判定する。このしきい値越えの信号は、リピートカウンタ４２から外部に出力される。
　このように構成される加工状態監視システム１０による加工状態監視方法について、以下に説明する。
　図１に示すように、工作機械１２では、先端にカッタ２２が装着されたツールホルダ２０を取り付けたスピンドル１８が回転駆動されるとともに、ワークＷに沿って繰り出される。そして、ツールホルダ２０がワークＷの側面に沿って移動する。このため、ツールホルダ２０と一体にカッタ２２が回転し、前記カッタ２２を介してワークＷに加工が施される。
　コントローラ３０では、機械加工を開始する前に、スピンドル１８の空転時の振動を加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により取得し、この値を許容値（しきい値）として設定している。そして、スピンドル１８の振動が、アンプ及びフィルタ回路３６を介して演算ユニット３８に取り込まれる。
　次いで、演算ユニット３８では、アンプ及びフィルタ回路３６を介して取り込まれた加工振動に、フーリエ変換（フーリエ級数展開）による演算解析が行われる。具体的には、時間振動ｆ（ｔ）は、
　ｆ（ｔ）＝Σ（ａｊｃｏｓ２πＪｔ＋ｂｊｓｉｎ２πＪｔ）で表される。なお、ａｊは、周波数Ｊの余弦調和成分フーリエ係数であり、ｂｊは、周波数Ｊの正弦調和成分フーリエ係数である。
　そして、周波数Ｊに対するフーリエ係数は、ａｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｃｏｓ（２πＪｔ）ｄｔ、及びｂｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｓｉｎ（２πＪｔ）ｄｔに基づいて、フーリエ級数展開を行う。なお、積分区間は、０~Ｔであり、この積分区間Ｔは、周期１／Ｊの整数倍とする。ここで、実際に加工による振動周波数、例えば、１０Ｈｚ~１０，０００Ｈｚが取得される。
　図３に示すように、表示ユニット４８には、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２、変化表示窓５３及び色別積算表示窓５４が設けられている。
　トータルパワー表示窓５１には、各時間帯における加工と共に変化する振動量の大きさが、リアルタイム性を有するトータルパワー（Ｇ２）として表示される。その際、縦軸には、加速度を二乗したトータルパワー（Ｇ２）（加工振動の強さ）が表示され、加工振動量の増減比が大きな変化量として表わされる。すなわち、小さな振動はより小さく、大きな振動はより大きく表示される。
　さらに、トータルパワー表示窓５１に表示される値は、加速度振幅の波形を二乗して時間軸単位（通常、１秒間又は０．１秒間）で積分した値であり、取得した全ての周波数を含んでいる。このため、周波数スペクトルでは判別し難いトータルのパワーエネルギーを判別することができ、切削抵抗の増減や高周波振動の増減等を鋭敏に表示することが可能になる。
　周波数スペクトル表示窓５２には、加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルが表示される。コントローラ３０の演算ユニット３８では、加工振動の周波数（加工周波数）を、ＴＰＦ振動とＮｏｎ−ＴＰＦ振動との二つに分ける処理が行われる。そして、変化表示窓５３には、演算ユニット３８で分割されたＴＰＦ振動の総和量とＮｏｎ−ＴＰＦ振動の総和量との相対比（Ｎｏｎ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量）の変化量が、ドットグラフとして経時（毎秒）表示される。変化表示窓５３では、ドットグラフの数値の低い方が良好な切削を表す一方、数値の高い方が切削性の悪化やびびりの発生を表している。
　図４に示すように、色別積算表示窓５４には、経時的に検出される加工振動の強さが、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する色表示で色分けして表示される。演算ユニット３８では、演算により得られた加工周波数が、ＳＲＦ振動（空転周波数）、ＴＰＦ１振動（基本波）、ＴＰＦｎ振動（高調波）、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動（残余周波数）、又はびびり振動（びびり周波数）に振り分けられる。
　さらに、ＳＲＦ振動、ＴＰＦ１振動、ＴＰＦｎ振動、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動、及びびびり振動は、それぞれ異なる色表示に設定される。具体的には、ＳＲＦ振動は、「緑色」の色表示に、ＴＰＦ１振動は、「青色」の色表示に、ＴＰＦｎ振動は、「水色」の色表示に、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動は、「黄色」の色表示に、びびり振動は、「赤色」の色表示に設定される。
　この場合、色別積算表示窓５４では、刻刻と変化する加工振動の加工周波数を、それぞれの生成特性から識別し周波数特性の色別に表示している。このため、機械オペレータは、色別積算表示窓５４内の色の変化を見ているだけで、種々の加工状態を迅速且つ容易に把握することができる。
　しかも、正常に加工が行われている場合には、青色系統の色（ＴＰＦ１振動及びＴＰＦｎ振動）が多くを占めることになり、難削系を示す黄色（Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動）が多く出てくる際には、切削に注意が必要となる。さらに、再生びびりを示す赤色が出ると、加工異常であることが示される。従って、機械オペレータは、例えば、交通信号の表示をイメージし、青色であれば正常である一方、赤色であれば異常であると、瞬時に認識することができる。
　色別積算表示窓５４では、経時と共に縦軸の表示（表示指定周波数範囲の、測定開始信号ＯＮから現在表示時間までのピーク値に合わせた自動ゲインでの表示）と、横軸の表示（測定開始信号ＯＮからの時間軸の表示）とが更新されている。このため、図４に示す加工において、加工初期には、最初の入力周波数のみで縦軸のゲインと色表示がされるため、測定開始から８秒前後では、ＳＲＦ振動（緑色）とＴＰＦ１振動（青色）が多くを占めることになり、この経時途中の表示では、緑色と青色が窓枠一杯に表示される（図示せず）。また、図４に示す加工の経時変化において、５秒から８秒までの空転時における振動では、ＳＲＦ振動（緑色）のみが小さく出ており、システムが正常に稼働していることが認識される。ここで、図４に示す縦軸のゲインは、表示時間の５秒後から２０秒までのピーク高さに合わせて決まるため、振動が大きなびびり加工部のピークまでを表す表示となる。これにより、比較的振動が小さな正常加工部は、縮小表示され、色分け区分も縮小表示されることになる。次いで、加工が開始される８秒から１２秒の間では、ＴＰＦｎ振動（水色）が多く占めており、加工が正常に行われていることが確認される。さらに、その途中からＮｏｎ−ＴＰＦ振動（黄色）が急増しており、１２．５秒後には、びびり振動（赤色）に移行し、振動が急速に大きく成長したことが示されている。
　上記のように、色別積算表示窓５４に表示される加工振動の強弱や色表示は、演算ユニット３８により演算された結果に基づいている。従って、これらに基づく加工状態の判断は、入出力ユニット４６を通じて外部に出力することができ、自動加工や無人化された加工でのフィードバック信号として利用することが可能である。しかも、色別積算表示窓５４での表示は、毎秒更新されるため、経時変化する加工振動の状態は、瞬時に捉えることができる。一方、この表示とは別に、加工の振動周波数から演算されたびびり等の異常の検知は、０．１秒単位で行うことができ、リアルタイムで異常監視を行うことが可能になる。
　色別積算表示窓５４では、ＳＲＦ振動（空転周波数）、ＴＰＦ１振動（基本波）、ＴＰＦｎ振動（高調波）、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動（残余周波数）、又はびびり振動（びびり周波数）は、前記色別積算表示窓５４内での互いの重ね合わせ順序が選択されている。図４に示すように、相対的に振動量の小さなＳＲＦ振動を最前面に配置させ、相対的に振動量の大きなびびり振動を最背面に配置させている。
　その際、重なり合う部分が見え難い場合があり、図５に示すように、それぞれの色別表示を積算して表示することができる。このため、図５では、小さな振動量であるＳＲＦ、ＴＰＦ１及びＴＰＦｎの振動量は、それぞれのボリュームに合わせて表示され、前記ＴＰＦｎは、全域に亘ってある程度の大きさで存在していることが確認される。そして、加工の途中からＮｏｎ−ＴＰＦ振動が発生しており、さらにその振動量が大きくなってびびり振動に成長していることが分かる。
　ところで、色別積算表示窓５４の縦軸では、目盛りゲインが最大ピークの振動に応じて自動的に変更されている。なお、個別の固定設定も可能である。図５では、びびり振動の強さが他の振動に比べて顕著に大きくなっており、このびびり振動の合わせて縦軸の目盛りゲインが変更されるため、ＳＲＦやＴＰＦ１の信号が読み取り難くなる場合がある。
　そこで、図６では、色別積算表示窓５４の縦軸の目盛りゲインが拡大されている。これにより、色別積算表示窓５４では、ＳＲＦ振動及びＴＰＦ１振動が大きく表示され、これらの信号を容易且つ確実に読み取ることが可能になる。
　また、図３に示すように、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２及び変化表示窓５３には、予兆しきい値６１、６３及び６５が設定されている。このため、振動ピークが、予兆しきい値６１、６３又は６５のいずれかを上回った場合、別途設定したリピートカウンタ４２を通じて、加工振動が予兆ラインを超えたことを知らせ、例えば、機械オペレータに注意喚起を促すことができる。
　さらに、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２及び変化表示窓５３には、アラームしきい値６２、６４及び６６ａが設定されている。従って、加工振動が異常に上昇して、アラームしきい値６２、６４及び６６ａを上回ると、別途設定のリピートカウンタ４２にアラーム信号が送られる。リピートカウンタ４２では、設定済みの積算数以上の信号入力が検知されると、アラーム信号がコントローラ３０の表示ユニット４８に表示されるとともに、入出力ユニット４６を通じて外部に出力される。
　このように、予兆及びアラームのしきい値越えの信号は、リピートカウンタ４２に送られている。これにより、一瞬のノイズ等による誤動作を防ぐことができる。なお、リピートカウント値を１に設定しておけば、一回のしきい値越えが発生した際に、異常判定の出力がなされる。
　本発明に係る作業機械の加工状態監視方法及びシステムでは、刻刻と変化する加工の振動周波数が、空転周波数、基本波、高周波、余剰周波数又はびびり周波数に振り分けられるとともに、それぞれ異なる色表示にて色分けされ、加工振動の強さに対応して色別積算表示窓に表示されている。このため、色表示を確認するだけで、ワークの種々の加工状態を容易且つ正確に監視することができる。
１０…加工状態監視システム　　　　１２…工作機械
１４…ハウジング　　　　　　　　　１８…スピンドル
２０…ツールホルダ　　　　　　　　２２…カッタ
２６…加速度センサ　　　　　　　　２８…マイクロフォン
３０…コントローラ　　　　　　　　３２…工作機械制御盤
３４…制御操作盤　　　　　　　　　３８…演算ユニット
４０…入力設定ユニット　　　　　　４４…加工状態判断ユニット
４６…入出力ユニット　　　　　　　４８…表示ユニット
５１…トータルパワー表示窓　　　　５２…周波数スペクトル表示部
５３…変化表示窓　　　　　　　　　５４…色別積算表示窓

Claims (6)

  1. 　回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法であって、
    　前記回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する工程と、
    　検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る工程と、
    　前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高周波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高周波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける工程と、
    　前記空転周波数、前記基本波、前記高周波、前記余剰周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する工程と、
    　経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させ、前記ワークの加工状態を監視する工程と、
    　を有することを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
  2. 　請求項１記載の加工状態監視方法において、前記空転周波数、前記基本波、前記高周波、前記余剰周波数及び前記びびり周波数は、前記色別積算表示窓内での互いの重ね合わせ順序が選択されることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
  3. 　請求項１又は２記載の加工状態監視方法において、前記色別積算表示窓には、前記加工振動の強さが縦軸に表示されるとともに、
    　前記縦軸の目盛りが拡大されることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
  4. 　請求項１又は２記載の加工状態監視方法において、経時変化する前記加工振動のトータルパワーをトータルパワー表示窓に表示させ、
    　前記加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを周波数スペクトル表示窓に表示させ、
    　前記基本波及び前記高周波の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化する変化表示窓に表示させることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
  5. 　回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視システムであって、
    　前記回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する振動検出機構と、
    　検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る演算機構と、
    　前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高周波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高周波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける周波数振り分け機構と、
    　前記空転周波数、前記基本波、前記高周波、前記余剰周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する色表示設定機構と、
    　経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させる色別表示機構と、
    　を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。
  6. 　請求項５記載の加工状態監視システムにおいて、経時変化する前記加工振動のトータルパワーを表示させるトータルパワー表示窓と、
    　前記加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを表示させる周波数スペクトル表示窓と、
    　前記基本波及び前記高周波の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化して表示させる変化表示窓と、
    　を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。
PCT/JP2020/039803 2019-10-22 2020-10-15 作業機械の加工状態監視方法及びシステム WO2021079959A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112020005149.8T DE112020005149T5 (de) 2019-10-22 2020-10-15 Verfahren und System zur Überwachung des Bearbeitungszustands einer Arbeitsmaschine
CN202080073704.5A CN114555292A (zh) 2019-10-22 2020-10-15 作业机械的加工状态监视方法以及***

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019203547A JP6944103B2 (ja) 2019-10-22 2019-10-22 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
JP2019-203547 2019-10-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021079959A1 true WO2021079959A1 (ja) 2021-04-29

Family

ID=75620132

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/039803 WO2021079959A1 (ja) 2019-10-22 2020-10-15 作業機械の加工状態監視方法及びシステム

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP6944103B2 (ja)
CN (1) CN114555292A (ja)
DE (1) DE112020005149T5 (ja)
WO (1) WO2021079959A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE2351161A1 (en) * 2022-10-09 2024-04-10 Spm Instr Ab A System for Tool Edge Monitoring

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012088967A (ja) * 2010-10-20 2012-05-10 Okuma Corp 工作機械のモニタ方法及びモニタ装置、工作機械
JP2016083759A (ja) * 2014-10-28 2016-05-19 エヌティーエンジニアリング株式会社 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
JP2016215333A (ja) * 2015-05-22 2016-12-22 Dmg森精機株式会社 工具摩耗評価装置
JP2017077618A (ja) * 2015-10-20 2017-04-27 エヌティーエンジニアリング株式会社 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
WO2018020963A1 (ja) * 2016-07-25 2018-02-01 大同特殊鋼株式会社 振動抑制装置
JP2018054587A (ja) * 2016-09-28 2018-04-05 エヌティーエンジニアリング株式会社 作業機械の振動監視方法及びシステム
US20180209839A1 (en) * 2015-07-17 2018-07-26 Siemens Aktiengesellschaft Method and detection system for detecting self-excited vibrations
JP2018196909A (ja) * 2017-05-23 2018-12-13 Dmg森精機株式会社 振動源推定装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202093358U (zh) * 2011-05-19 2011-12-28 大连光洋科技工程有限公司 一种数控机床加工信息的表达***
JP2017013199A (ja) * 2015-07-03 2017-01-19 株式会社ディスコ 切削装置
KR101857738B1 (ko) * 2015-08-07 2018-05-14 부산대학교 산학협력단 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법
GB2543521A (en) * 2015-10-20 2017-04-26 Skf Ab Method and data processing device for severity assessment of bearing defects using vibration energy
JP6540531B2 (ja) * 2016-02-09 2019-07-10 オムロン株式会社 監視装置及び監視装置の制御方法
JP6870433B2 (ja) * 2017-03-31 2021-05-12 セイコーエプソン株式会社 制御装置、およびロボットシステム
JP2019095951A (ja) * 2017-11-21 2019-06-20 三菱重工工作機械株式会社 加工状態表示装置、加工システム、加工状態表示方法、プログラム
CN110010155A (zh) * 2019-04-11 2019-07-12 中国一拖集团有限公司 基于卷积神经网络和mfcc的颤振识别方法和***

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012088967A (ja) * 2010-10-20 2012-05-10 Okuma Corp 工作機械のモニタ方法及びモニタ装置、工作機械
JP2016083759A (ja) * 2014-10-28 2016-05-19 エヌティーエンジニアリング株式会社 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
JP2016215333A (ja) * 2015-05-22 2016-12-22 Dmg森精機株式会社 工具摩耗評価装置
US20180209839A1 (en) * 2015-07-17 2018-07-26 Siemens Aktiengesellschaft Method and detection system for detecting self-excited vibrations
JP2017077618A (ja) * 2015-10-20 2017-04-27 エヌティーエンジニアリング株式会社 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
WO2018020963A1 (ja) * 2016-07-25 2018-02-01 大同特殊鋼株式会社 振動抑制装置
JP2018054587A (ja) * 2016-09-28 2018-04-05 エヌティーエンジニアリング株式会社 作業機械の振動監視方法及びシステム
JP2018196909A (ja) * 2017-05-23 2018-12-13 Dmg森精機株式会社 振動源推定装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021068401A (ja) 2021-04-30
JP6944103B2 (ja) 2021-10-06
DE112020005149T5 (de) 2022-07-28
CN114555292A (zh) 2022-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4744242A (en) Method for monitoring cutting tool wear during a machining operation
WO2018062445A1 (ja) 作業機械の振動監視方法及びシステム
CN106181581B (zh) 机床的振动信息显示装置
JP2016083759A (ja) 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
JP4569494B2 (ja) 工具異常検出装置及び工具異常検出システム
JPS58500605A (ja) 周期的機械加工をする工作機械の工具の状況を監視する方法および装置
WO2008142386A1 (en) Machining process monitor
KR102120753B1 (ko) 진동 특성 분석을 이용한 공구 수명 예측 방법
US7444265B2 (en) Machine and/or monitoring
JP5507409B2 (ja) 工作機械のモニタ方法及びモニタ装置、工作機械
KR101462312B1 (ko) 공작 기계의 공구상태 감시시스템 및 그 방법
JP6575814B2 (ja) 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
WO2021079959A1 (ja) 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
KR20230005064A (ko) 진동 가속도 신호를 활용한 공구 파손감지 영역 자동설정 방법 및 진동 가속도 신호를 활용한 공구 파손감지장치
JP6637689B2 (ja) 工作機械の工具状態判定装置
CA2428168A1 (en) Control embedded machine condition monitor
WO2021075584A1 (ja) 作業機械の加工状態監視方法及びシステム
US5319357A (en) Metal cutting tool failure event sensor
JPH08174379A (ja) びびり振動抑制方法
JP6526583B2 (ja) 切削機械監視装置
Ogedengbe et al. Feasibility of tool condition monitoring on micro-milling using current signals
JP2575323B2 (ja) データ抽出平均法による切削負荷監視方法
WO2023063435A1 (ja) 作業機械のベアリング良否判定方法及びシステム
JP2022072435A (ja) 診断装置、診断方法、プログラム、および加工システム
KR101499180B1 (ko) 선삭가공에서 피드오버라이드 제어방법에 의한 칩 형태 제어 시스템 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20880107

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20880107

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1