JP2021066006A - Processing state monitoring method and system for work machine - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a machining state monitoring method and 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.
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。 Generally, various machine tools are used to perform machining processing on a workpiece via a machining tool. For example, in boring, 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.
この種の作業機械では、回転主軸や加工工具やワークに、切削抵抗によるたわみが発生し易い。そして、このたわみに起因して加工工具やワークに振動が惹起され、この振動がびびり(所謂、再生びびりを含む)となって加工に表れる場合がある。特に、金型を相当に長尺なツールで加工する場合や、難削材を効率的に加工する場合には、びびりの抑制又は回避が大きな課題となっている。 In this type of work machine, the rotary spindle, machining tool, and workpiece are prone to deflection due to cutting resistance. Then, vibration is caused in the machining tool or work due to this deflection, and this vibration may become chatter (including so-called regeneration chatter) and appear in machining. In particular, when processing a die with a considerably long tool or efficiently processing a difficult-to-cut material, suppressing or avoiding chatter has become a major issue.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている作業機械のびびり抑制方法及び装置が知られている。このびびり抑制方法では、加工工具又はワークの回転が開始される際に発生する振動を検出する工程と、機械主軸の空転時の振動をしきい値に設定する工程と、前記機械主軸の加工時に検出される加工振動が、前記しきい値を超えたか否かを判断する工程と、前記加工振動が前記しきい値を越えたと判断された際、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、周波数×60÷刃数(又はその逓倍)の演算式から、前記機械主軸の回転数を調整する工程と、を有している。 Therefore, for example, a method and an apparatus for suppressing chattering of a work machine disclosed in Patent Document 1 are known. In this chatter suppression method, a step of detecting vibration generated when the rotation of a machining tool or a workpiece is started, a step of setting a vibration at the time of idling of the machine spindle as a threshold value, and a step of machining the machine spindle The step of determining whether or not the detected machining vibration exceeds the threshold value, and when it is determined that the machining vibration exceeds the threshold value, the machining vibration is analyzed by Fourier series expansion and the frequency is determined. It has a step of adjusting the number of rotations of the machine spindle from the calculation formula of × 60 ÷ number of blades (or multiplication thereof).
このように、回転開始時から振動を検出し、前記振動をフーリエ級数展開により解析している。フーリエ級数展開は、演算がシンプルであり、迅速な処理が可能なため、即時性が良好に向上し、実際にびびりが成長する前に、びびり振動を予兆することができる。従って、回転開始と共に振動がゼロから成長する再生びびりを可及的早期に予兆の段階で認識することが可能になる。これにより、実際にびびりによる影響が生じる前に、機械主軸の回転数を調整することができ、再生びびりの発生を確実に抑制することが可能になる、としている。 In this way, the vibration is detected from the start of rotation, and the vibration is analyzed by Fourier series expansion. Since the Fourier series expansion is simple in operation and can be processed quickly, the immediacy is improved well, and it is possible to predict the chatter vibration before the chatter actually grows. Therefore, it becomes possible to recognize the regeneration chatter in which the vibration grows from zero with the start of rotation at the early stage of the sign. As a result, the rotation speed of the machine spindle can be adjusted before the effect of chatter actually occurs, and the occurrence of regenerated chatter can be reliably suppressed.
本発明は、上記の技術的思想に関連してなされたものであり、簡単な工程及び構成で、種々の加工状態を高精度且つ効率的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。 The present invention has been made in connection with the above technical idea, and provides a machining state monitoring method and system for a work machine capable of detecting various machining states with high accuracy and efficiency with a simple process and configuration. The purpose is to provide.
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。 The present invention relates to a machining state monitoring method and 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.
この加工状態監視方法は、回転工具による加工時の加工振動を検出する工程と、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、加工周波数(加工時に発生する加工振動の周波数)を得る工程と、前記加工周波数を、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)の総和である工具通過周波数(TPF)(Tool−Passing−Frequency)と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数(NON−TPF)と、に分割する工程と、前記工具通過周波数と前記残余周波数とを比較表示することにより、ワークの加工状態を監視する工程と、を有している。 This machining state monitoring method includes a step of detecting machining vibration during machining with a rotary tool, a step of analyzing the machining vibration by Fourier series expansion, and a step of obtaining a machining frequency (frequency of machining vibration generated during machining). The machining frequency includes the tool passing frequency (TPF) (Tool-Passing-Frequency), which is the sum of the fundamental wave calculated from the spindle rotation speed x the number of blades ÷ 60 and its harmonics (an integral multiple of the fundamental wave). The machining state of the work is monitored by comparing and displaying the step of dividing into the residual frequency (NON-TPF) obtained by removing the tool passing frequency from the machining frequency and the tool passing frequency and the residual frequency. It has a process.
また、この振動監視システムでは、回転工具による加工時の加工振動を検出する振動検出機構と、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、加工周波数(加工時に発生する加工振動の周波数)を得る演算機構と、前記加工周波数を、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)である工具通過周波数(TPF)(Tool−Passing−Frequency)と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数(NON−TPF)と、に分割する周波数分割機構と、前記工具通過周波数と前記残余周波数とを比較表示することにより、前記ワークの加工状態を監視する周波数比較表示機構と、を備えている。 In addition, this vibration monitoring system has a vibration detection mechanism that detects machining vibration during machining with a rotating tool, and a calculation that analyzes the machining vibration by Fourier series expansion to obtain the machining frequency (frequency of machining vibration generated during machining). The mechanism and the machining frequency are the fundamental wave calculated from the spindle rotation speed × the number of blades ÷ 60 and the tool passing frequency (TPF) (Tool-Passing-Frequency) which is its harmonic (an integral multiple of the fundamental wave). By comparing and displaying the residual frequency (NON-TPF) obtained by removing the tool passing frequency from all the machining frequencies, the frequency dividing mechanism for dividing the tool passing frequency, and the tool passing frequency and the residual frequency, the work can be used. It is equipped with a frequency comparison display mechanism that monitors the processing status.
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、回転工具を介してワークに加工処理を施す際、加工周波数(加工振動の周波数)を工具通過周波数(TPF)とそれ以外の残余周波数(NON−TPF)とに二分割し、前記工具通過周波数と前記残余周波数とを比較表示するだけで、前記ワークの種々の加工状態を監視することができる。 In the machining state monitoring method and system of the work machine according to the present invention, when machining a work is performed via a rotary tool, the machining frequency (frequency of machining vibration) is set to the tool passing frequency (TPF) and other residual frequencies (TPF). It is possible to monitor various machining states of the work only by dividing it into two parts (NON-TPF) and comparing and displaying the tool passing frequency and the residual frequency.
しかも、主軸回転数と刃数の二つをパラメータとしたTPF振動とNON−TPF振動を用いるだけで、包括的な加工の良否を判別することができ、加工状態の良否判断が高精度且つ効率的に遂行可能になる。 Moreover, comprehensive machining quality can be determined simply by using TPF vibration and NON-TPF vibration with two parameters, the spindle speed and the number of blades, and the quality of the machining state can be judged with high accuracy and efficiency. Become feasible.
図1に示すように、本発明の第1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を機能的にまとめたシステムの作業機械に適用される。 As shown in FIG. 1, the machining
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。 The
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。 The machining
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。 As shown in FIG. 2, the
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。 An
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。 A processing
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。 A
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、TPF振動表示窓53、NON−TPF振動表示窓54及び変化表示窓55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56、57が設けられる。演算ユニット38は、後述するように、周波数スペクトルを工具通過周波数と余剰周波数とに分割する周波数分割機構として機能する。 As shown in FIG. 3, the
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、加工と共に変化する振動のトータルパワー(G2又は(m/s2)2)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。Although not shown, 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
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。 In 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
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。The frequency spectrum display window 52 displays the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the processing vibration. In the frequency spectrum display window 52, 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.
周波数スペクトル表示窓52には、必要に応じて、アラームしきい値63と限定帯域のしきい値ライン69とが設定される。しきい値ライン69は、特定の周波数帯で設定することができ、この周波数帯のしきい値の設定では、その周波数帯域と高さの設定を、別途の入力設定画面(図示せず)で行うことができる。 The frequency spectrum display window 52 is set with an alarm threshold value 63 and a
TPF振動表示窓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)を表示させる。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。TPF振動表示窓53では、加速度(G又はm/s2)が縦軸に表され、周波数(Hz)が横軸に表される。TPF振動表示窓53には、必要に応じて、アラームしきい値64が設定される。The TPF vibration display window 53 displays the tool passing frequency (Tool-Passing-Frequency) (hereinafter referred to as TPF) in the frequency spectrum displayed on the frequency spectrum display window 52. 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. In the TPF vibration display window 53, the acceleration (G or m / s 2 ) is represented by the vertical axis, and the frequency (Hz) is represented by the horizontal axis. An
NON−TPF振動表示窓54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、TPFを除去した余剰周波数(以下、NON−TPFという)を表示させる。NON−TPF振動表示窓54では、加速度(G又はm/s2)が縦軸に表され、周波数(Hz)が横軸に表される。NON−TPF振動表示窓54には、必要に応じて、アラームしきい値65と限定帯域のしきい値ライン68とが設定される。しきい値ライン68は、しきい値ライン69と同様に、特定の周波数帯で設定することができ、この周波数帯のしきい値の設定では、その周波数帯域と高さの設定を、別途の入力設定画面(図示せず)で行うことができる。The NON-TPF vibration display window 54 displays a surplus frequency (hereinafter referred to as NON-TPF) from which the TPF has been removed from the frequency spectrum displayed on the frequency spectrum display window 52. In the NON-TPF vibration display window 54, the acceleration (G or m / s 2 ) is represented by the vertical axis, and the frequency (Hz) is represented by the horizontal axis. An
変化表示窓55は、TPFとNON−TPFとを比較表示することにより、ワークWの加工状態を監視する周波数比較表示機構として機能する。変化表示窓55には、TPF振動表示窓53に表示されるTPFの総和量と、NON−TPF振動表示窓54に表示される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。 The change display window 55 functions as a frequency comparison display mechanism for monitoring the machining state of the work W by comparatively displaying the TPF and the NON-TPF. In the change display window 55, the relative ratio of the total amount of TPF displayed on the TPF vibration display window 53 to the total amount of NON-TPF displayed on the NON-TPF vibration display window 54 (total amount of NON-TPF). The amount of change in / TPF total amount) is displayed as a dot graph over time (per second). In this dot graph, the lower the value, the better the cutting, while the higher the value, the worse the machinability and the occurrence of chatter.
変化表示窓55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66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しきい値67a又は下限しきい値67b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。 The change display window 55 has, if necessary, a predictive threshold value 66 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. A
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。 The machining state monitoring method by the machining
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の下穴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の下穴側に相対的に移動する。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の内壁面に加工が施される。 As shown in FIG. 1, in the
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。演算ユニット38は、取り込まれた振動が許容値を上回ると、機械加工が開始されたと判断する。すなわち、演算ユニット38は、ワークWの加工が開始されたことを検出する加工開始検出機構として機能する。なお、加工開始検出機構としては、例えば、スピンドル18の回転開始から所定の時間だけ経時したことを検出する機構や、前記スピンドル18の繰り出し距離が所定の距離に至ったことを検出する機構であってもよい。 In the
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、 Next, in the
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。It is represented by f (t) = Σ (a j cos 2πJt + b j sin2πJt). In addition, a j is the cosine harmonic component Fourier coefficient of the frequency J, and b j is the sinusoidal harmonic component Fourier coefficient of the frequency J.
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。Then, the Fourier coefficient for the frequency J is a Fourier series expansion based on a j = 1 / 2T∫f (t) cos (2πJt) dt and b j = 1 / 2T∫f (t) sin (2πJt) dt. I do. The integration interval is 0 to T, and the integration interval T is an integral multiple of the period 1 / J. Here, the vibration frequency actually processed, for example, 10 Hz to 10,000 Hz is acquired.
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、TPF振動表示窓53、NON−TPF振動表示窓54及び変化表示窓55が設けられており、フーリエ解析により演算された周波数スペクトラムが、目的に応じて、これらに表示される。 As shown in FIG. 3, the
具体的には、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又は(m/s2)2)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又は(m/s2)2)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。Specifically, on the total power display window 51, the magnitude of the amount of vibration that changes with processing in each time zone is displayed as total power (G 2 or (m / s 2 ) 2 ) having real-time performance. .. At that time, the total power (G 2 or (m / s 2 ) 2 ) squared by the acceleration is displayed on the vertical axis, and the increase / decrease ratio of the processing vibration amount is expressed as a large change amount. That is, small vibrations are displayed smaller and large vibrations are displayed larger.
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)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。 Further, the value displayed on 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), and includes all the acquired frequencies. 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.
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。そして、TPF振動表示窓53には、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、TPFのみが表示される一方、NON−TPF振動表示窓54には、前記周波数スペクトルの内、TPFを除去したNON−TPFが表示される。 The frequency spectrum obtained by Fourier transforming the processing vibration is displayed in the frequency spectrum display window 52. Then, the TPF vibration display window 53 displays only the TPF among the frequency spectra displayed on the frequency spectrum display window 52, while the NON-TPF vibration display window 54 displays the TPF among the frequency spectra. The removed NON-TPF is displayed.
次いで、変化表示窓55には、TPF振動表示窓53に表示されるTPFの総和量と、NON−TPF振動表示窓54に表示される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。変化表示窓55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。 Next, in the change display window 55, a relative ratio (of NON-TPF) of the total amount of TPF displayed on the TPF vibration display window 53 and the total amount of NON-TPF displayed on the NON-TPF vibration display window 54. The amount of change in the total amount / total amount of TPF) is displayed as a dot graph over time (per second). In the change display window 55, 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.
この場合、第1の実施形態では、変化表示窓55の変化量の上下を観察することで、切削加工状態の良否をマクロ的に一覧で検知することができるという効果が得られる。すなわち、主軸回転数と刃数との2つをパラメータとしたTPF振動とNON−TPF振動を用いるだけで、包括的な加工の良否を判別することができ、簡単な制御で、加工状態の良否判断が高精度且つ効率的に遂行可能になる。 In this case, in the first embodiment, by observing the change amount of the change display window 55 up and down, it is possible to obtain the effect that the quality of the cutting state can be detected in a macro list. That is, it is possible to determine the quality of comprehensive machining simply by using TPF vibration and NON-TPF vibration with the two parameters of spindle speed and number of blades as parameters, and the quality of the machining state can be determined with simple control. Judgment can be performed with high accuracy and efficiency.
一般的に、製品工場内で部品を量産加工する場合、良品を多量に効率よく生成するために自動化が図られている。その際、第1の実施形態では、不良品が量産されることを抑制することができる。加工振動の周波数によるTPF振動とNON−TPF振動の二値の比のみで、マクロ的な判断をするため、しきい値の設定等の多くの検出条件を不要にし、簡単に多くの異常を検知することができるからである。 Generally, when mass-producing parts in a product factory, automation is attempted to efficiently produce a large amount of non-defective products. At that time, in the first embodiment, mass production of defective products can be suppressed. Since macro judgment is made only by the ratio of the binary values of TPF vibration and NON-TPF vibration depending on the frequency of processing vibration, many detection conditions such as threshold setting are not required, and many abnormalities can be easily detected. Because it can be done.
また、変化表示窓55には、予兆しきい値66が設定されている。これにより、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比が上がって、予兆しきい値66を上回ると、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断されるため、例えば、機械オペレータ等に喚起を行うことができる。 Further, a sign threshold value 66 is set in the change display window 55. As a result, when the change ratio of the total amount of NON-TPF / the total amount of TPF increases and exceeds the predictive threshold value 66, it is determined that the process has entered the predictive stage of determining the quality of processing. Therefore, for example, a machine operator or the like. Can be aroused.
さらに、変化表示窓55には、少なくとも上限しきい値67aが設けられている。このため、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比が異常に上がって、上限しきい値67a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、マクロ・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。 Further, the change display window 55 is provided with at least an upper
ここで、アラームしきい値越えの信号に対しては、リピートカウンタ42を設けて単位時間当たりの積算値によりカウントするため、一瞬のノイズ等に対して異常なアラームの判定をすることがない。なお、リピートカウント値を1に設定しておけば、一回のアラーム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。 Here, since the
さらにまた、変化表示窓55には、少なくとも下限しきい値67bが設けられている。従って、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比が異常に下がって、下限しきい値67bを下回ると、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。 Furthermore, the change display window 55 is provided with at least a lower
第1の実施形態では、上記のように、変化表示窓55に表されたNON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比で、マクロ的な加工状態の監視を行うことができる。しかも、変化表示窓55の変化と、トータルパワー表示窓51、周波数スペクトル表示窓52、TPF振動表示窓53又はNON−TPF振動表示窓54に表される変化とを組み合わせることで、より正確且つ詳細な加工状態(切削状態や異常状態等)を把握することが可能である。 In the first embodiment, as described above, the macroscopic processing state can be monitored by the change ratio of the total amount of NON-TPF / the total amount of TPF displayed on the change display window 55. Moreover, by combining the change of the change display window 55 with the change represented by the total power display window 51, the frequency spectrum display window 52, the TPF vibration display window 53 or the NON-TPF vibration display window 54, more accurate and detailed information can be obtained. It is possible to grasp various machining states (cutting state, abnormal state, etc.).
例えば、変化表示窓55において、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比が上昇するとともに、NON−TPF振動表示窓54において、高周波振動帯域に設定された限定帯域のしきい値ライン68を上回る数が多くなる場合がある。これは、カッタ22の摩耗による高周波成分の増加を示しており、工具交換のアラーム信号に利用することができる。 For example, in the change display window 55, the change ratio of the total amount of NON-TPF / the total amount of TPF increases, and in the NON-TPF vibration display window 54, the threshold line of the limited band set in the high frequency vibration band. The number may exceed 68. This indicates an increase in the high frequency component due to wear of the
さらに、変化表示窓55において、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比の量が異常に大きくなった場合は、加工異常が想定され、併せてNON−TPF振動表示窓54において、顕著なピーク振動(アラームしきい値65を上回る振動)が発生する場合は、再生びびりが生じていることが検出される。 Further, when the change ratio of the total amount of NON-TPF / the total amount of TPF becomes abnormally large in the change display window 55, a processing abnormality is assumed, and at the same time, in the NON-TPF vibration display window 54, When a remarkable peak vibration (vibration exceeding the alarm threshold value 65) occurs, it is detected that the regeneration chatter has occurred.
さらにまた、変化表示窓55において、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比の量が異常に小さくなった場合で、併せてTPF振動表示窓53において、ピークが大きく立つ(アラームしきい値64を上回る振動)ような場合は、強制びびりが発生している可能性が高い。一方、変化表示窓55において、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化比の量が異常に大きくなった場合で、併せて周波数スペクトル表示窓52において、低周波帯域に設定された限定帯域のしきい値ライン69のしきい値越え信号が出ない場合は、カッタ22の折損の可能性が高い。 Furthermore, when the amount of change ratio of the total amount of NON-TPF / the total amount of TPF becomes abnormally small in the change display window 55, a large peak rises in the TPF vibration display window 53 (alarm). In the case of vibration exceeding the threshold value 64), there is a high possibility that forced chatter has occurred. On the other hand, when the amount of change ratio of the total amount of NON-TPF / the total amount of TPF becomes abnormally large in the change display window 55, the frequency spectrum display window 52 is limited to the low frequency band. If the threshold crossing signal of the
図4は、切削負荷の電流値で切削状態の良否を示す場合と、本発明の第2の実施形態において切削状態の良否を示す場合との比較説明図である。 FIG. 4 is a comparative explanatory view of a case where the quality of the cutting state is indicated by the current value of the cutting load and a case where the quality of the cutting state is indicated in the second embodiment of the present invention.
これは、マシニングセンタ(工作機械12)において、4刃の16φエンドミル(カッタ22)でアルミニウム材(ワークW)を切削したものである。加工条件は、回転速度N=6200mim−1、送り速度f=0.1mm/刃、側面加工Ar=0.5mmである。図4には、びびりのない前半の加工から再生びびりが発生した後半の加工までの振動と電流負荷の経時変化が表わされている。This is an aluminum material (work W) cut with a 4-blade 16φ end mill (cutter 22) in a machining center (machine tool 12). The processing conditions are a rotation speed N = 6200 mim -1 , a feed rate f = 0.1 mm / blade, and a side surface processing Ar = 0.5 mm. FIG. 4 shows the time course of vibration and current load from the first half of the machining without chattering to the second half of machining with regenerated chatter.
具体的には、表示窓71は、加工中のトータルパワーを示す。表示窓72は、加工中の主軸の電流負荷量を示し、縦軸が電流負荷の大きさを示す一方、横軸が経時時間を示す。第2の実施形態である表示窓73は、振動の周波数スペクトラムを、TPF振動73aとNON−TPF振動73bとに分けて、積算表示形式で表している。前半部の濃い色の部分は、TPF振動73aを表し、後半部の薄い色の部分は、NON−TPF振動73bを表す。なお、TPF振動73aとNON−TPF振動73bとは、互いに異なる色又は異なる濃さに設定されていればよい。表示窓74は、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化の状態を示す。 Specifically, the
切削加工は、7.4秒後から始まり、11.3秒後からのびびりの予兆期を経て、11.7秒後から13.4秒まで再生びびりが生じている。表示窓71では、トータルパワーの表示によって、切削振動の大きさの経時変化が顕著に表示されている。加工の前半部(加工開始から11.3秒までの間)では、びびりのない加工が行われているが、加工の後半部(11.7秒から13.4秒までの間)では、びびりが発生している。その際、前半部の振動量と後半部の振動量との差が、大きく表れている。 The cutting process starts after 7.4 seconds, passes through a sign period of chattering after 11.3 seconds, and regenerated chatter occurs from 11.7 seconds to 13.4 seconds. In the
加工中の主軸の電流負荷量を示す表示窓72では、加工の最初から最後に至るまで、切削負荷が殆ど変動していない。このため、加工の良否等の種々の加工状態を良好に検知することができない。 In the
これに対して、表示窓73では、加工の前半部に、濃い色の部分であるTPF振動73aが表示される一方、加工の後半部に、薄い色の部分であるNON−TPF振動73bが表示されている。従って、この表示から、前半部のびびりがない切削加工域(TPF振動73a)と、後半部のびびりが生じている状態(NON−TPF振動73b)とを、明確に判別することが可能になる。 On the other hand, in the
さらに、表示窓74では、NON−TPFの総和量/TPFの総和量の変化の状態が示されている。この表示から、加工の前半部で、数値が低く良好な加工状態であることが示される一方、加工の後半部で、数値が高くなって不良状態からびびりへと移行していることが示され、加工状態の経時変化が容易に判別される。 Further, the
図5は、本発明の第3の実施形態において、加工振動の周波数スペクトラムを表している。表示窓81では、縦軸に振動の大きさ(加速度)(G又はm/s2)を、横軸に周波数(Hz)を表している。切削条件としては、スピンドル18の回転数6200rpm及びカッタ22の刃数4枚であり、表示窓81には、3つの顕著な振動ピークが発生する。具体的には、基本波である413Hz(TPF1)、該基本波の整数倍の高調波である826Hz(TPF2)及び1240Hz(TPF3)のピーク周波数である。FIG. 5 represents the frequency spectrum of machining vibrations in the third embodiment of the present invention. In the
表示窓82は、表示窓81に表された周波数スペクトラムの振動の中、基本波及び高調波(TPF1、TPF2及びTPF3)(TPF振動)だけを抽出して表示する。表示窓83は、表示窓81の振動の中、基本波及び高調波(TPF1、TPF2及びTPF3)を除去したNON−TPF振動だけを抽出して表示する。 The
表示窓82と表示窓83とを比較すると、前記表示窓82に示されているTPF振動が、前記表示窓83に示されているNON−TPF振動よりも大きいことが明瞭である。従って、この加工は、正常であることが判別される。 Comparing the
図5中、表示窓84は、その後に発生したびびり加工時の周波数スペクトラムを表しており、751Hzと1165Hzのピーク周波数が顕著である。これは、NON−TPF振動である。表示窓85は、表示窓84に表された周波数スペクトラムの振動の中、TPF振動だけを抽出して表示する。表示窓86は、表示窓84の振動の中、TPF振動を除去したNON−TPF振動だけを抽出して表示する。 In FIG. 5, the
表示窓85と表示窓86とを比較すると、前記表示窓86に示されているNON−TPF振動が、前記表示窓85に示されているTPF振動よりも大きいことが明瞭である。これにより、この加工は、再生びびりが発生し、異常であることが判別される。 Comparing the
従って、加工振動を、TPF振動とNON−TPF振動との二つに分割し、それらの差を確認するだけで、切削状態を正確に判別することができる。なお、図4の表示窓73と同様に、TPF振動とNON−TPF振動との二つの区分を積算した色違い又は濃度違いで表すことができる。また、図4の表示窓74と同様に、TPF振動とNON−TPF振動の二つの相対変化比で表すことも可能である。 Therefore, the cutting state can be accurately determined only by dividing the machining vibration into two, TPF vibration and NON-TPF vibration, and checking the difference between them. Similar to the
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…TPF振動表示窓 54…NON−TPF振動表示窓
55…変化表示窓 71〜74、81〜86…表示窓10 ... Machining
Claims (14)
前記回転工具による加工時の加工振動を検出する工程と、
前記加工振動を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×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)である工具通過周波数と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数と、に分割する工程と、
前記工具通過周波数と前記残余周波数とを比較表示することにより、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。This is a method for monitoring the machining state of a work machine that monitors the machining state of the work when the work is machined via a rotary tool.
The process of detecting machining vibration during machining with the rotary tool and
The process of analyzing the processing vibration by Fourier series expansion and obtaining the processing frequency, and
The machining frequency is the fundamental wave calculated from the spindle rotation speed x the number of blades ÷ 60, the tool passing frequency which is a harmonic (an integral multiple of the fundamental wave), and the tool passing frequency is removed from all the machining frequencies. The residual frequency, the process of dividing into, and
A process of monitoring the machining state of the work by comparing and displaying the tool passing frequency and the residual frequency, and
A method for monitoring the machining condition of a work machine, which comprises the above.
前記相対比が、前記予兆しきい値を超える際に、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断され、
前記相対比が、少なくとも前記上限しきい値を上回る際に、又は前記下限しきい値を下回る際に、加工異常が発生していると判別されることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。In the processing state monitoring method according to claim 3, a sign threshold value, an upper limit threshold value, and a lower limit threshold value are set in the change display window.
When the relative ratio exceeds the sign threshold value, it is determined that the process has entered the sign stage of determining the quality of processing.
A method for monitoring a machining state of a work machine, wherein it is determined that a machining abnormality has occurred when the relative ratio exceeds at least the upper limit threshold value or falls below the lower limit threshold value. ..
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、
前記周波数スペクトルの内、前記工具通過周波数をTPF振動表示窓に表示させ、
前記周波数スペクトルの内、前記余剰周波数をNON−TPF振動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。In the machining state monitoring method according to claim 3, the total power of vibration that changes with machining is displayed on the total power display window.
The frequency spectrum obtained by Fourier transforming the processing vibration is displayed on the frequency spectrum display window.
In the frequency spectrum, the tool passing frequency is displayed on the TPF vibration display window.
A method for monitoring a machining state of a work machine, which comprises displaying the surplus frequency in the frequency spectrum on a NON-TPF vibration display window.
前記回転工具による加工時の加工振動を検出する振動検出機構と、
前記加工振動を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×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)である工具通過周波数と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数と、に分割する周波数分割機構と、
前記工具通過周波数と前記残余周波数とを比較表示することにより、前記ワークの加工状態を監視する周波数比較表示機構と、
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。It is a machining state monitoring system of a work machine that monitors the machining state of the work when the work is machined via a rotary tool.
A vibration detection mechanism that detects machining vibration during machining with the rotary tool,
An arithmetic mechanism that analyzes the processing vibration by Fourier series expansion to obtain the processing frequency,
The machining frequency is the fundamental wave calculated from the spindle rotation speed x the number of blades ÷ 60, the tool passing frequency which is a harmonic (an integral multiple of the fundamental wave), and the tool passing frequency is removed from all the machining frequencies. Residual frequency, frequency division mechanism that divides into
A frequency comparison display mechanism that monitors the machining state of the workpiece by comparing and displaying the tool passing frequency and the residual frequency.
A machining condition monitoring system for work machines, which is characterized by being equipped with.
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しきい値又は下限しきい値と、
が設定され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。In the processing state monitoring system according to claim 11, the change display window has a predictive threshold value for determining that the processing has entered the predictive stage of quality determination.
At least the upper limit threshold value or the lower limit threshold value for determining whether or not a machining abnormality has occurred,
A machining condition monitoring system for work machines, which is characterized by being set to.
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、
前記周波数スペクトルの内、前記工具通過周波数を表示させるTPF振動表示窓と、
前記周波数スペクトルの内、前記余剰周波数を表示させるNON−TPF振動表示窓と、
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。In the machining condition monitoring system according to claim 11, a total power display window for displaying the total power of vibration that changes with machining, and a total power display window.
A frequency spectrum display window for displaying the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the processing vibration, and
A TPF vibration display window for displaying the tool passing frequency in the frequency spectrum, and
A NON-TPF vibration display window for displaying the surplus frequency in the frequency spectrum, and
A machining condition monitoring system for work machines, which is characterized by being equipped with.
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