JP2012206230A - Processing chatter detector and machine tool - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a processing chatter detector and a machine tool capable of promptly identifying the constituents of chatter in processing.SOLUTION: The CPU 11 of the processing chatter detector 10 carries out a measuring processing at first and presumes a disturbed torque during a cutting processing in the measuring processing, and then executes an analysis processing. The CPU 11, during the analysis processing, analyzes the disturbed torque presumed in the measuring processing by way of a filtering processing using a digital filter, and checks the constituents of the chatter in the processing of cutting, that is, whether the chatter is due to a self-excitation or a forced processing chatter. The CPU 11 draws up a diagrammatic chart information based on the data analyzed in the analysis processing, outputting it on a display device 14. The display device 14 indicates the information of diagrammatic chart received from the CPU 11. An operator checks the diagrammatic chart displayed on the screen and can clearly and easily grasp what sort of vibration is occurring during the cutting process.

Description

本発明は、加工びびり振動検出装置、及び工作機械に関する。   The present invention relates to a machining chatter vibration detection device and a machine tool.

工作機械は回転可能な主軸に工具を装着し工作物に対して工具を送ることで工作物に切削加工を施す。工作機械は切削加工における切り込み量を必要以上に大きくすると、加工中に所謂「加工びびり振動」が発生する。故に加工面の仕上げ精度は悪化する。加工びびり振動は「自励びびり振動」と「強制びびり振動」とに分類できる。自励びびり振動は工具と工作物との間に生じる振動成分である。強制びびり振動は工作機械を振動源とする振動成分である。自励びびり振動又は強制びびり振動の何れの成分が発生しているかを特定することは、加工びびり振動を抑制回避する為には重要である。特許文献1は、FFT処理で加工びびり振動の周波数を求めて1刃の加工周波数のN倍に近いか否かで自励びびり振動か強制びびり振動かを判断する工作機械の振動抑制装置を開示する。   A machine tool cuts a workpiece by mounting the tool on a rotatable spindle and sending the tool to the workpiece. When a machine tool has a cutting depth larger than necessary, a so-called “work chatter vibration” occurs during machining. Therefore, the finished surface finish accuracy deteriorates. Processing chatter vibration can be classified into “self-excited chatter vibration” and “forced chatter vibration”. Self-excited chatter vibration is a vibration component generated between a tool and a workpiece. Forced chatter vibration is a vibration component having a machine tool as a vibration source. It is important to specify which component of self-excited chatter vibration or forced chatter vibration is occurring in order to suppress and avoid machining chatter vibration. Patent Document 1 discloses a vibration suppression device for a machine tool that determines the frequency of machining chatter vibration by FFT processing and determines whether it is self-excited chatter vibration or forced chatter vibration depending on whether it is close to N times the machining frequency of one blade. To do.

特許第4582660号公報Japanese Patent No. 4582660

特許文献1が開示する工作機械の振動抑制装置は、FFT処理で加工びびり振動の周波数を求めている。FFT処理は計算負荷が高い。工作機械の加工びびり振動は刻々と変化するので処理が追いつかないという問題点がある。   The vibration suppression device for a machine tool disclosed in Patent Document 1 obtains the frequency of machining chatter vibration by FFT processing. The FFT processing has a high calculation load. There is a problem that processing chatter vibration of a machine tool changes every moment, so that processing cannot catch up.

本発明の目的は、加工びびり振動の成分を迅速に特定できる加工びびり振動検出装置、及び工作機械を提供することである。   An object of the present invention is to provide a machining chatter vibration detection device and a machine tool that can quickly identify a machining chatter vibration component.

本発明の第1態様に係る加工びびり振動検出装置は、ワークを加工する加工機の加工びびり振動又は加工負荷を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定した加工びびり振動又は加工負荷を解析する解析手段とを備えた加工びびり振動検出装置において、前記解析手段は、前記測定手段が測定した前記加工びびり振動又は加工負荷から強制びびりを抽出する強制びびりデジタルフィルタ部と、自励びびりを抽出する自励びびりデジタルフィルタ部と、高周波びびりを抽出する高周波デジタルフィルタ部のうち少なくとも一つ設け、前記強制びびりデジタルフィルタ、自励びびりデジタルフィルタ、高周波びびりデジタルフィルタが抽出した強制びびり、自励びびり、高周波びびりの内少なくとも一つを出力する出力手段とを備えている。   The processing chatter vibration detecting apparatus according to the first aspect of the present invention analyzes a processing chatter vibration or processing load of a processing machine that processes a workpiece, and analyzes the processing chatter vibration or processing load measured by the measuring means. In the processing chatter vibration detecting apparatus including an analyzing means, the analyzing means extracts a forced chatter digital filter section that extracts forced chatter from the machining chatter vibration or processing load measured by the measuring means, and extracts self-excited chatter. Self-excited chatter digital filter section and at least one of high-frequency chatter digital filter section for extracting high-frequency chatter, forced chatter digital filter, self-excited chatter digital filter, forced chatter extracted by high-frequency chatter digital filter, self-excited chatter, Output means for outputting at least one of the high-frequency chatters

第1態様に係る加工びびり振動検出装置では、解析手段は、強制びびりデジタルフィルタ部、自励びびりデジタルフィルタ部、高周波デジタルフィルタ部のうち少なくとも一つ設けている。出力手段は、強制びびりデジタルフィルタ部、自励びびりデジタルフィルタ部、高周波デジタルフィルタ部が抽出した結果を出力する。故に本態様は、加工機に生じた加工びびり振動、又は加工負荷の成分を容易かつ迅速に特定できる。作業者は出力手段が出力した結果から加工機に生じた加工びびり振動、又は加工負荷の成分を容易かつ迅速に把握できる。   In the processed chatter vibration detecting apparatus according to the first aspect, the analyzing means is provided with at least one of a forced chatter digital filter unit, a self-excited chatter digital filter unit, and a high-frequency digital filter unit. The output means outputs the result extracted by the forced chatter digital filter unit, the self-excited chatter digital filter unit, and the high frequency digital filter unit. Therefore, according to the present aspect, it is possible to easily and quickly identify the component of processing chatter vibration generated in the processing machine or processing load. The operator can easily and quickly grasp the processing chatter vibration generated in the processing machine or the component of the processing load from the result output by the output means.

また第1態様において、前記測定手段は、前記加工機に設けた駆動軸の位置情報を測定し、該位置情報に基づき、前記加工びびり振動又は加工負荷を測定してもよい。故に測定手段は駆動軸の位置情報に基づき、加工機の加工びびり振動又は加工負荷を測定できる。   In the first aspect, the measuring means may measure position information of a drive shaft provided in the processing machine, and measure the processing chatter vibration or processing load based on the position information. Therefore, the measuring means can measure the processing chatter vibration or processing load of the processing machine based on the position information of the drive shaft.

また第1態様において、前記測定手段は、前記加工機に設けた駆動軸の位置情報とトルクとに基づいて外乱を推定する外乱オブザーバで構成してもよい。故に測定手段は加工機の加工びびり振動又は加工負荷を測定できる。本態様は外部センサを必要としないので、コストの増加を抑制できる。   In the first aspect, the measuring means may be a disturbance observer that estimates a disturbance based on position information and torque of a drive shaft provided in the processing machine. Therefore, the measuring means can measure the processing chatter vibration or processing load of the processing machine. Since this embodiment does not require an external sensor, an increase in cost can be suppressed.

また第1態様において、前記自励びびりデジタルフィルタ部と前記強制びびりデジタルフィルタ部は、バンドパスフィルタとノッチフィルタとを備え、前記高周波びびりデジタルフィルタ部はハイパスフィルタを備えてもよい。故に測定手段が測定した加工びびり振動又は加工負荷から強制びびり、自励びびり、高周波びびりを容易かつ迅速に抽出できる。   In the first aspect, the self-excited chatter digital filter unit and the forced chatter digital filter unit may include a band-pass filter and a notch filter, and the high-frequency chatter digital filter unit may include a high-pass filter. Therefore, forced chatter, self-excited chatter, and high-frequency chatter can be extracted easily and quickly from the machining chatter vibration or machining load measured by the measuring means.

また第1態様において、前記ローパスフィルタの遮断周波数は、主軸の自励びびりと強制びびりが発生する周波数よりも低い周波数であり、前記バンドパスフィルタの通過帯域周波数は、主軸の自励びびりと強制びびりが発生する周波数帯域であり、前記ノッチフィルタのノッチ周波数は加工時の工具の刃数と主軸回転数の積の整数倍でかつ前記バンドパスフィルタの通過帯域の周波数の範囲内の複数のノッチ周波数を持ったフィルタであってもよい。故に測定手段が測定した加工びびり振動又は加工負荷から強制びびり、自励びびり、高周波びびりを容易かつ迅速に抽出できる。   In the first aspect, the cutoff frequency of the low-pass filter is lower than the frequency at which the main shaft self-excited chatter and forced chatter occur, and the passband frequency of the band-pass filter is the same as that of the main shaft self-excited chatter. The notch frequency of the notch filter is an integral multiple of the product of the number of cutting edges of the tool and the spindle speed during machining, and a plurality of notches within the frequency range of the pass band of the band pass filter. A filter having a frequency may be used. Therefore, forced chatter, self-excited chatter, and high-frequency chatter can be extracted easily and quickly from the machining chatter vibration or machining load measured by the measuring means.

また第1態様において、前記解析手段は、前記強制びびりデジタルフィルタ部、前記自励びびりデジタルフィルタ部、前記高周波デジタルフィルタ部において抽出した強制びびり、自励びびり、高周波びびりの各振幅の平均値を算出する平均値算出手段と、前記平均値算出手段が算出した各平均値の比較に基づき、強制びびり、自励びびり、高周波びびりのうち何れの振動が支配的に発生しているかを時系列で判定する判定手段とを備え、前記出力手段は、前記判定手段の判定結果を出力するようにしてもよい。故に作業者は加工機に生じた加工びびり振動、又は加工負荷の成分を時系列でさらに容易に把握できる。   Further, in the first aspect, the analyzing means calculates an average value of each amplitude of forced chatter, self-excited chatter, and high-frequency chatter extracted in the forced chatter digital filter unit, the self-excited chatter digital filter unit, and the high-frequency digital filter unit. Based on the comparison between the average value calculation means to be calculated and the respective average values calculated by the average value calculation means, it is time-sequentially indicating which vibration is dominantly generated among forced chatter, self-excited chatter, and high-frequency chatter. A determination unit for determining, and the output unit may output a determination result of the determination unit. Therefore, the worker can more easily grasp the chatter vibration generated in the processing machine or the component of the processing load in time series.

本発明の第2態様に係る工作機械は、請求項1から6の何れかに記載の加工びびり振動検出装置を備えたことを特徴とする。   A machine tool according to a second aspect of the present invention includes the machining chatter vibration detection device according to any one of claims 1 to 6.

第2態様に係る工作機械では、請求項1から6の何れかに記載の加工びびり振動検出装置を備えているので、第1態様に記載の効果を得ることができる。   Since the machine tool according to the second aspect includes the processing chatter vibration detection device according to any one of claims 1 to 6, the effect described in the first aspect can be obtained.

工作機械1に接続した振動検出装置10の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration of a vibration detection device 10 connected to a machine tool 1. FIG. 加工びびり振動検出処理のフローチャートである。It is a flowchart of a processing chatter vibration detection process. 測定処理における外乱オブザーバを適用した外乱トルクの推定手順を示す図である。It is a figure which shows the estimation procedure of the disturbance torque which applied the disturbance observer in a measurement process. 側面加工実験の切削条件を示す表である。It is a table | surface which shows the cutting conditions of a side surface experiment. 側面加工実験に用いた被削材9と工具8の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the workpiece 9 and the tool 8 which were used for the side surface experiment. 回転速度6400min−1の条件下で推定した外乱トルクと時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the disturbance torque estimated on the conditions of rotational speed 6400min < -1 >, and time. 回転速度7800min−1の条件下で推定した外乱トルクと時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the disturbance torque estimated on condition of rotational speed 7800min < -1 >, and time. 回転速度6400min−1の条件で切削した被削材9の加工表面の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the processing surface of the work material 9 cut on condition of rotational speed 6400min- 1 . 回転速度7800min−1の条件で切削した被削材9の加工表面の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the processing surface of the work material 9 cut on condition of rotational speed 7800min- 1 . 回転速度6400min−1の条件下で推定した外乱トルクのFFT解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the FFT analysis result of the disturbance torque estimated on condition of rotational speed 6400min- 1 . 回転速度7800min−1の条件下で推定した外乱トルクのFFT解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the FFT analysis result of the disturbance torque estimated on condition of rotational speed 7800min- 1 . 解析処理におけるフィルタリング処理の処理手順を示す図である。It is a figure which shows the process sequence of the filtering process in an analysis process. デジタルフィルタの振幅特性を示す表である。It is a table | surface which shows the amplitude characteristic of a digital filter. 回転速度6400min−1の条件下で推定した外乱トルクのフィルタリング結果を示すグラフである。It is a graph which shows the filtering result of the disturbance torque estimated on the conditions of rotational speed 6400min- 1 . 回転速度7800min−1の条件下で推定した外乱トルクのフィルタリング結果を示すグラフである。It is a graph which shows the filtering result of the disturbance torque estimated on condition of rotational speed 7800min- 1 . 回転速度6400min−1のフィルタリング結果を平均化したグラフである(第1変形例)。It is the graph which averaged the filtering result of rotational speed 6400min < -1 > (1st modification). 回転速度7800min−1のフィルタリング結果を平均化したグラフである(第1変形例)。It is the graph which averaged the filtering result of rotational speed 7800min < -1 > (1st modification). 回転速度6400min−1の振動成分の比率を示したグラフである(第2変形例)。It is the graph which showed the ratio of the vibration component of rotational speed 6400min < -1 > (2nd modification). 回転速度7800min−1の振動成分の比率を示したグラフである(第2変形例)。It is the graph which showed the ratio of the vibration component of rotational speed 7800min -1 (2nd modification). 第3変形例の加工びびり振動検出処理のフローチャートである。It is a flowchart of the processing chatter vibration detection process of a 3rd modification. 加工びびり成分判定処理のフローチャートである。It is a flowchart of a processing chatter component determination process. 回転速度6400min−1の振動成分の変化を示したグラフである(第3変形例)。It is the graph which showed the change of the vibration component of rotational speed 6400min -1 (3rd modification). 回転速度7800min−1の振動成分の変化を示したグラフである(第3変形例)。It is the graph which showed the change of the vibration component of rotational speed 7800min- 1 (3rd modification).

以下、本発明の一実施形態である振動検出装置10について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本開示が採用し得る技術的特徴を説明する為に用いるものであり、記載している装置の構成、及びフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。   Hereinafter, a vibration detection device 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings to be referred to are used for explaining the technical features that can be adopted by the present disclosure, and the configuration and flowcharts of the apparatus described are not intended to be limited only to them, but are merely illustrative examples. is there.

振動検出装置10の構成について説明する。図1に示すように、振動検出装置10は、工作機械1の主軸ヘッド5の内部に回転可能に設けた主軸7に生じる「加工びびり振動」を検出し、該加工びびり振動の成分を特定する装置である。工作機械1は主軸7に装着した工具8でテーブル(図示略)上の被削材9を切削する機械である。   A configuration of the vibration detection apparatus 10 will be described. As shown in FIG. 1, the vibration detection device 10 detects “work chatter vibration” generated in a spindle 7 rotatably provided in the spindle head 5 of the machine tool 1 and specifies a component of the machining chatter vibration. Device. The machine tool 1 is a machine that cuts a work material 9 on a table (not shown) with a tool 8 mounted on a spindle 7.

振動検出装置10は、CPU11と、ROM12と、RAM13と、表示装置14、操作部15とを備えている。CPU11は振動検出装置10の動作を統括制御する。ROM12は振動検出装置10の制御プログラム、加工びびり振動検出プログラム等を記憶する。RAM13は、後述する加工びびり振動検出処理を実行する為の各種データ等を一時的に記憶する。表示装置14はCPU11が出力したグラフ情報を画面(図示略)に表示する。操作部15は振動検出装置10を操作する為の各種入力キー等を備えている。   The vibration detection device 10 includes a CPU 11, a ROM 12, a RAM 13, a display device 14, and an operation unit 15. The CPU 11 comprehensively controls the operation of the vibration detection device 10. The ROM 12 stores a control program for the vibration detection device 10, a machining chatter vibration detection program, and the like. The RAM 13 temporarily stores various data for executing processing chatter vibration detection processing to be described later. The display device 14 displays the graph information output by the CPU 11 on a screen (not shown). The operation unit 15 includes various input keys for operating the vibration detection device 10.

振動検出装置10のCPU11が実行する加工びびり振動検出処理について、図2のフローチャートを参照して説明する。CPU11は工作機械1の加工中信号に基づき工作機械1が加工中であることを認識するとROM12に記憶した加工びびり振動検出プログラムを読み込んで本処理を実行する。   Processing chatter vibration detection processing executed by the CPU 11 of the vibration detection apparatus 10 will be described with reference to the flowchart of FIG. When the CPU 11 recognizes that the machine tool 1 is machining based on the machining signal of the machine tool 1, the CPU 11 reads the machining chatter vibration detection program stored in the ROM 12 and executes this processing.

CPU11は先ず測定処理を実行する(S1)。CPU11は測定処理において工作機械1の切削加工中に発生する加工びびり振動を測定する。CPU11は主軸モータ6の外乱トルクを推定することで加工びびり振動を間接的に測定する。CPU11は主軸モータ6の電流モニタ値、および主軸角速度に「外乱オブザーバ」を適用し、切削加工中の外乱トルクを推定する。CPU11は解析処理を実行する(S2)。CPU11はS1の測定処理で推定した外乱トルクを、デジタルフィルタを用いたフィルタリング処理により、切削加工中の加工びびり振動の成分を解析する。CPU11はS2の解析情報に基づいてグラフ情報を作成し、表示装置14に出力する(S5)。表示装置14は、CPU11から受信したグラフ情報に基づいてグラフを画面(図示略)に表示する。作業者は画面に表示したグラフを確認することにより、切削加工中にどのような振動成分が発生しているかを明確かつリアルタイムで迅速に把握できる。CPU11は工作機械1の切削加工が終了したか否か判断する(S6)。CPU11は工作機械1の切削加工が継続していると判断した場合(S6:NO)、S1に戻って処理を繰り返す。CPU11は工作機械1の切削加工が終了したと判断した場合(S6:YES)、加工びびり振動検出処理を終了する。以下、加工びびり振動検出処理の各処理における原理、手順、効果等について詳細に説明する。   The CPU 11 first executes a measurement process (S1). The CPU 11 measures machining chatter vibration generated during cutting of the machine tool 1 in the measurement process. The CPU 11 indirectly measures the machining chatter vibration by estimating the disturbance torque of the spindle motor 6. The CPU 11 applies a “disturbance observer” to the current monitor value of the spindle motor 6 and the spindle angular velocity to estimate the disturbance torque during the cutting process. The CPU 11 executes analysis processing (S2). The CPU 11 analyzes the component of vibration chatter vibration during cutting by filtering the disturbance torque estimated in the measurement process of S1 using a digital filter. The CPU 11 creates graph information based on the analysis information of S2 and outputs it to the display device 14 (S5). The display device 14 displays a graph on a screen (not shown) based on the graph information received from the CPU 11. By checking the graph displayed on the screen, the operator can clearly and quickly grasp what kind of vibration component is generated during the cutting process. The CPU 11 determines whether or not the cutting of the machine tool 1 has been completed (S6). When the CPU 11 determines that cutting of the machine tool 1 is continuing (S6: NO), the CPU 11 returns to S1 and repeats the process. When the CPU 11 determines that the cutting of the machine tool 1 has been completed (S6: YES), the processing chatter vibration detection process ends. Hereinafter, the principle, procedure, effect, etc. in each processing of the processing chatter vibration detection processing will be described in detail.

測定処理における外乱オブザーバを用いたびびり振動の測定原理について説明する。工作機械1の主軸7における運動方程式は,モータトルクTと負荷トルクT(切削トルク、摩擦トルクの合計)を考慮して以下の式1のように表すことができる。
ω[rad/s]は主軸角速度である。I[A]は電流モニタ値である。J [kg/m]は主軸慣性モーメントである。K[Nm/A]は主軸モータ6のトルク定数である。
The principle of chatter vibration measurement using a disturbance observer in the measurement process will be described. The equation of motion of the spindle 7 of the machine tool 1 can be expressed as the following formula 1 in consideration of the motor torque T m and the load torque T l (total of cutting torque and friction torque).
ω [rad / s] is the spindle angular velocity. I a [A] is a current monitor value. J [kg / m 2 ] is the spindle inertia moment. K t [Nm / A] is a torque constant of the spindle motor 6.

慣性モーメントとトルク定数は、機械的な構成やトルクリップルなどにより、それぞれΔJ、ΔKのばらつきがある。通常、切削負荷と比べて微少であり無視できる。故に外乱トルクTdisは切削トルクTcutおよび摩擦トルクTfricの合計と定義される。よって、以下の式2のように電流モニタ値と主軸角速度とから外乱トルクTdisを推定できる。
Moment of inertia and torque constant, due mechanical structure and torque ripple, respectively .DELTA.J, there are variations in [Delta] K t. Usually, it is negligible compared with the cutting load and can be ignored. Thus the disturbance torque T dis is defined as the sum of the cutting torque T cut and friction torque T Fric. Therefore, the disturbance torque Tdis can be estimated from the current monitor value and the spindle angular velocity as in the following equation (2).

図1、図3に示すように、CPU11は測定処理において電流モニタ値をトルク情報として主軸モータ6から取得する。CPU11は取得した電流モニタ値とトルク定数によりトルク(T)を算出する。さらにCPU11は主軸モータ6に設けたエンコーダ6A(図1参照)より駆動軸の位置情報として主軸角速度(ω)を取得する。 As shown in FIGS. 1 and 3, the CPU 11 acquires a current monitor value from the spindle motor 6 as torque information in the measurement process. The CPU 11 calculates a torque (T m ) based on the acquired current monitor value and a torque constant. Further, the CPU 11 acquires the spindle angular velocity (ω) as the drive shaft position information from the encoder 6A (see FIG. 1) provided in the spindle motor 6.

主軸角速度を微分すると高周波域におけるノイズは大きくなる。図3に示すように、CPU11は測定処理においてローパスフィルタ(LPF)を用いて高周波ノイズを遮断して外乱トルクを推定する。推定可能な外乱トルクの周波数はLPFに依存する。CPU11は外乱トルクを推定する為に、LPFの遮断周波数をびびり振動周波数よりも高く設定する。故にCPU11は切削加工中の外乱トルクを推定できる。   Differentiating the spindle angular velocity increases the noise in the high frequency range. As shown in FIG. 3, the CPU 11 uses a low-pass filter (LPF) in the measurement process to block high-frequency noise and estimate disturbance torque. The frequency of the disturbance torque that can be estimated depends on the LPF. The CPU 11 sets the cutoff frequency of the LPF higher than the chatter vibration frequency in order to estimate the disturbance torque. Therefore, the CPU 11 can estimate the disturbance torque during the cutting process.

加工びびり振動は切り込み量の変化に伴う切削トルクの変動により発生する。上記したように、外乱トルクは切削トルクと摩擦トルクとの合計である。工作機械1において、ある操作間において主軸回転速度は一定であるので摩擦はほぼ一定である。故に振動検出装置10は、測定処理において外乱トルクをモニタリングすることで、加工びびり振動の発生要因である切削トルクの変動を検出できる。本実施形態は外部センサを必要としないのでコスト増加を抑止できる。   Machining chatter vibration is generated by fluctuations in cutting torque accompanying changes in the amount of cut. As described above, the disturbance torque is the sum of the cutting torque and the friction torque. In the machine tool 1, the spindle rotation speed is constant between certain operations, so the friction is substantially constant. Therefore, the vibration detection apparatus 10 can detect fluctuations in the cutting torque, which is a cause of machining chatter vibration, by monitoring disturbance torque in the measurement process. Since this embodiment does not require an external sensor, an increase in cost can be suppressed.

測定処理で推定される外乱トルクについて検証する。本実施例は、測定処理において推定した外乱トルクを検証する為に、主軸7の回転速度を変えた2つの切削条件で、被削材9(図1参照)に対して同一の側面加工実験を行った。図4の表は本実施例の切削条件を示している。側面加工実験は直径10mmのスクエアエンドミル(図5に示す工具8)を用いた。側面加工実験は3軸マシニングセンタである工作機械1を用いた。被削材は、Z軸方向切り込み量を5〜20mmまで変化させるために図5のような被削材9を用いる。振動検出装置10のCPU11は2つの切削条件で側面加工を行った場合の外乱トルクを推定した。推定した外乱トルクの時間変化を図6、図7のグラフに示している。   The disturbance torque estimated by the measurement process is verified. In this example, in order to verify the disturbance torque estimated in the measurement process, the same side surface machining experiment was performed on the work material 9 (see FIG. 1) under two cutting conditions in which the rotation speed of the main shaft 7 was changed. went. The table in FIG. 4 shows the cutting conditions of this example. In the side machining experiment, a square end mill (tool 8 shown in FIG. 5) having a diameter of 10 mm was used. The side machining experiment used a machine tool 1 that is a three-axis machining center. As the work material, a work material 9 as shown in FIG. 5 is used in order to change the cutting amount in the Z-axis direction from 5 to 20 mm. The CPU 11 of the vibration detection apparatus 10 estimated the disturbance torque when side machining was performed under two cutting conditions. The time variation of the estimated disturbance torque is shown in the graphs of FIGS.

図6に示すように、回転速度6400min−1の条件下で切削加工した場合の外乱トルクによれば、測定開始後2.8〜7.8秒の間でびびり振動が発生している。一方、図7に示すように、回転速度7800min−1の条件下で切削加工した場合の外乱トルクによれば、測定開始後1.5〜6.0秒の間でびびり振動が発生している。びびり振動の発生に伴い、外乱トルクも大きくなっている。6400min−1の切削条件と、7800min−1の切削条件とでは、時間に対する外乱トルクの挙動が異なっている。図8、図9に示すように、被削材9の加工表面も異なっている。具体的には、6400min−1の切削条件で加工した被削材9の加工表面を見ると、切削に生じたびびりマークの形状は、少なくとも図8中(a)、(b)へと変化した。一方、7800min−1の切削条件で加工した被削材9の加工表面を見ると、切削に生じたびびりマークの形状は、少なくとも図9中(a)、(b)、(c)、(d)へと変化した。故に切削加工中に異なる成分の加工びびり振動が生じていたと推定できる。 As shown in FIG. 6, chatter vibration is generated between 2.8 and 7.8 seconds after the start of measurement according to the disturbance torque when cutting is performed at a rotational speed of 6400 min −1 . On the other hand, as shown in FIG. 7, chatter vibration is generated between 1.5 and 6.0 seconds after the start of measurement according to the disturbance torque when cutting is performed under the condition of the rotational speed of 7800 min −1 . . As chatter vibration occurs, the disturbance torque increases. The behavior of disturbance torque with respect to time differs between the cutting condition of 6400 min −1 and the cutting condition of 7800 min −1 . As shown in FIGS. 8 and 9, the processed surface of the work material 9 is also different. Specifically, when the machining surface of the work material 9 machined under the cutting condition of 6400 min −1 is seen, the shape of the chatter mark generated in the cutting has changed to at least (a) and (b) in FIG. . On the other hand, when the processing surface of the work material 9 processed under the cutting condition of 7800 min −1 is seen, the shape of the chatter mark generated in the cutting is at least (a), (b), (c), (d ). Therefore, it can be estimated that machining chatter vibrations of different components occurred during cutting.

加工びびり振動の成分を特定する為に、振動検出装置10のCPU11が推定した外乱トルクをFFT解析した。FFT解析の時間推移の結果を図10、図11のグラフに示す。横軸は時間、左側の縦軸は周波数、右側の縦軸はピークの値を示している。ピークの値が高い周波数部分ほど濃く示されている。図10は、回転速度6400min−1のFFT解析結果のグラフである。図11は、回転速度7800min−1のFFT解析結果のグラフである。図10、図11に示すように、何れのFFT解析結果も複数のピークをそれぞれ示している。ピーク周波数は被削材9の加工表面の変化と同様に変化していた。故に異なるびびり振動の成分が生じていたと推定できる。 In order to specify the component of machining chatter vibration, the disturbance torque estimated by the CPU 11 of the vibration detection apparatus 10 was subjected to FFT analysis. The time transition results of the FFT analysis are shown in the graphs of FIGS. The horizontal axis represents time, the left vertical axis represents frequency, and the right vertical axis represents peak value. The higher the peak value, the darker the frequency. FIG. 10 is a graph of an FFT analysis result at a rotational speed of 6400 min −1 . FIG. 11 is a graph of an FFT analysis result at a rotational speed of 7800 min −1 . As shown in FIGS. 10 and 11, each FFT analysis result shows a plurality of peaks. The peak frequency changed in the same manner as the change in the processed surface of the work material 9. Therefore, it can be estimated that different chatter vibration components were generated.

図10に示すように、6400min−1の解析結果によれば、2.8〜7.0秒で1800〜2000Hzにピークが見られた。高周波のびびり振動が発生していることがわかった。過去の研究は、自励びびり振動は主軸7の共振周波数付近で発生することを明らかにしている。事前に行ったインパルス応答法より、主軸7の共振周波数は838Hzと2300Hzであった。加工中は工具と被切削物が接触するので接触を考慮しない場合とで力学モデルが異なる。故にインパルス応答法では、同定することの出来ない接触を考慮した力学モデルでの共振周波数に起因するびびり振動が発生したと考えられる。被削材9の加工表面に形成されたびびりマークは送り方向に対して斜めであった(図8中(a)参照)。このことから自励びびり振動であることがわかった。さらに7.0〜7.7秒で793Hzにピークが見られた。これは主軸7の838Hzの共振周波数に起因するびびり振動である。被削材9の加工表面に形成されたびびりマークは送り方向に対して斜めであった(図8中(b)参照)。このことから自励びびり振動であることがわかった。 As shown in FIG. 10, according to the analysis result of 6400 min −1 , a peak was observed at 1800 to 2000 Hz in 2.8 to 7.0 seconds. It was found that high-frequency chatter vibration occurred. Past research has revealed that self-excited chatter vibration occurs near the resonance frequency of the main shaft 7. From the impulse response method performed in advance, the resonance frequencies of the main shaft 7 were 838 Hz and 2300 Hz. Since the tool and the workpiece are in contact during machining, the dynamic model differs depending on whether the contact is not considered. Therefore, in the impulse response method, it is considered that chatter vibration caused by the resonance frequency in the dynamic model considering the contact that cannot be identified occurred. The chatter marks formed on the processed surface of the work material 9 were oblique to the feed direction (see (a) in FIG. 8). This proved to be self-excited chatter vibration. Further, a peak was observed at 793 Hz in 7.0 to 7.7 seconds. This is chatter vibration caused by the resonance frequency of the main shaft 7 of 838 Hz. The chatter marks formed on the processed surface of the work material 9 were oblique to the feed direction (see (b) in FIG. 8). This proved to be self-excited chatter vibration.

図11に示すように、7800min−1 の解析結果によれば、1.5〜1.9秒で780Hzにピークが見られた。これは工具8の刃が被削材9に接触する周波数の3倍であることがわかる。この根拠は、(びびり周波数/(回転数/60×刃数)=780/(7800/60×2)=3倍であることによる。さらに被削材9の加工表面に形成されたびびりマークは送り方向に垂直であった(図9中(a)参照)。強制びびり振動は、びびり振動と工具8の刃が接触する周波数が同期していることから、送り方向に対して垂直なびびりマークを残すことが知られている。故にこのびびり振動は強制びびり振動である可能性が高い。1.9〜2.6秒、及び3.7〜6.0秒で1800〜2000Hz及び793Hzにピークが見られた。6400min−1と同様に、主軸7の共振周波数に起因する自励びびり振動が生じていることがわかった。2.6〜3.7秒で773Hzと793Hzにピークが見られた。故にこの区間では強制びびり振動から自励びびり振動へ遷移していることがわかった。 As shown in FIG. 11, according to the analysis result at 7800 min −1 , a peak was observed at 780 Hz in 1.5 to 1.9 seconds. It can be seen that this is three times the frequency at which the blade of the tool 8 contacts the work material 9. This is based on the fact that (chatter frequency / (number of rotations / 60 × number of blades) = 780 / (7800/60 × 2) = 3 times Further, chatter marks formed on the processed surface of the work material 9 are (See (a) in Fig. 9.) For the chatter vibration, the chatter vibration and the frequency at which the blade of the tool 8 contacts are synchronized, so the chatter mark is perpendicular to the feed direction. Therefore, this chatter vibration is likely to be forced chatter vibration, peaking at 1800 to 2000 Hz and 793 Hz at 1.9 to 2.6 seconds, and 3.7 to 6.0 seconds. As with 6400 min −1 , it was found that self-excited chatter vibration was caused by the resonance frequency of the main shaft 7. Peaks were observed at 773 Hz and 793 Hz in 2.6 to 3.7 seconds. Therefore, it is strong in this section It was found that the chatter vibration is transitioning to self-excited chatter.

図6、図7に示す外乱トルクの変化と、図8、図9に示す加工表面と、図10、図11のFFT解析結果とは互いにほぼ一致している。故にCPU11が測定処理で推定する外乱トルクは、加工びびり振動の有無のみならず、びびり振動の成分も反映していることがわかる。   The change in disturbance torque shown in FIGS. 6 and 7, the machining surface shown in FIGS. 8 and 9, and the FFT analysis results in FIGS. 10 and 11 substantially coincide with each other. Therefore, it can be seen that the disturbance torque estimated by the CPU 11 in the measurement process reflects not only the presence or absence of machining chatter vibration but also the chatter vibration component.

解析処理におけるフィルタリング処理について説明する。CPU11は、測定処理で推定した外乱トルクについて、複数のデジタルフィルタを用いたフィルタリング処理を行う。CPU11は切削加工中に発生した加工びびり振動が自励びびり振動か、又は強制びびり振動かを迅速に解析できる。デジタルフィルタはFFT解析と比較して遅れが小さく、さらに計算負荷が小さい。故にCPU11は加工びびり振動の成分を迅速に解析できる。   A filtering process in the analysis process will be described. The CPU 11 performs a filtering process using a plurality of digital filters on the disturbance torque estimated by the measurement process. The CPU 11 can quickly analyze whether the chatter vibration generated during cutting is self-excited chatter vibration or forced chatter vibration. The digital filter has a smaller delay and a smaller calculation load than the FFT analysis. Therefore, the CPU 11 can quickly analyze the component of machining chatter vibration.

デジタルフィルタの構成について説明する。図12に示すように、CPU11は、ローパスフィルタ(HLPF)51、ハイパスフィルタ(HHPF)52、バンドパスフィルタ(HBPF)53、及びノッチフィルタ(HNF)54により、解析処理を実行する。図13の表に示すように、ローパスフィルタ51は0〜300Hzの帯域を通過させる。ローパスフィルタ51の遮断周波数は、主軸7の自励びびりと強制びびりとが発生する周波数よりも低い周波数であり、本実施例では300Hzである。ハイパスフィルタ52は1600Hz以上の帯域を通過させる。本実施例のハイパスフィルタ52の遮断周波数は1600Hzである。バンドパスフィルタ53は600〜1000Hzの帯域を通過させる。バンドパスフィルタ53の通過帯域周波数は、主軸7の自励びびりと強制びびりとが発生する周波数帯域である。バンドパスフィルタ53の遮断周波数は600、1000Hzである。ノッチフィルタ54は、加工時の工具の刃数と主軸回転数の積(工具接触周波数)の整数倍でかつバンドパスフィルタ53の通過帯域の周波数の範囲内の複数のノッチ周波数を持ったフィルタである。本実施例では帯域幅を30Hzとし、遮断周波数は6400min−1で加工した場合は640Hzと853Hz、7800min−1で加工した場合は780Hzである。 The configuration of the digital filter will be described. As illustrated in FIG. 12, the CPU 11 performs analysis processing using a low-pass filter (H LPF ) 51, a high-pass filter (H HPF ) 52, a band-pass filter (H BPF ) 53, and a notch filter (H NF ) 54. . As shown in the table of FIG. 13, the low-pass filter 51 passes the band of 0 to 300 Hz. The cutoff frequency of the low-pass filter 51 is a frequency lower than the frequency at which the self-excited chatter and the forced chatter of the main shaft 7 occur, and is 300 Hz in this embodiment. The high pass filter 52 passes a band of 1600 Hz or higher. The cutoff frequency of the high pass filter 52 of this embodiment is 1600 Hz. The band pass filter 53 passes a band of 600 to 1000 Hz. The passband frequency of the bandpass filter 53 is a frequency band in which self-excited chatter and forced chatter of the main shaft 7 occur. The cut-off frequency of the band pass filter 53 is 600 or 1000 Hz. The notch filter 54 is a filter having a plurality of notch frequencies within an integral multiple of the product (tool contact frequency) of the number of cutting blades of the tool and the spindle rotation number during machining (tool contact frequency). is there. The bandwidth 30Hz in this embodiment, the cutoff frequency is when processed at 6400min -1 640Hz and 853Hz, if processed in 7800Min -1 is 780Hz.

CPU11は、図12に示すフィルタリング手順を用いて、測定処理で推定した外乱トルクのフィルタリング処理を行う。バンドパスフィルタ53は主軸共振周波数(838Hz)付近の外乱トルクを抽出する。さらにノッチフィルタ54は工具接触周波数及びその整数倍の周波数を遮断する。故にCPU11は強制びびり振動の成分を遮断し、自励びびり振動成分(Tself)を取り出すことができる。反対にそれを図12に示す手順のように反転させることで、CPU11は強制びびり振動(Tforced)のみの成分を取り出すことができる。 CPU11 performs the filtering process of the disturbance torque estimated by the measurement process using the filtering procedure shown in FIG. The bandpass filter 53 extracts a disturbance torque near the main shaft resonance frequency (838 Hz). Furthermore, the notch filter 54 cuts off the tool contact frequency and an integral multiple thereof. Therefore, the CPU 11 can block the forced chatter vibration component and take out the self -excited chatter vibration component (T self ). Conversely, by inverting it as in the procedure shown in FIG. 12, the CPU 11 can extract only the component of forced chatter vibration ( Tforced ).

ハイパスフィルタ52は高周波のびびり振動(THPF)を抽出する。ローパスフィルタ51は摩擦トルクや通常切削時の切削トルクとして低周波の外乱トルク(TLPF)を抽出する。CPU11はフィルタリング結果の解析情報をグラフ情報に変換し、表示装置14に出力する。表示装置14はCPU11から受信したグラフ情報に基づき、解析した各グラフを画面(図示略)に表示する。 The high pass filter 52 extracts high-frequency chatter vibration (T HPF ). The low-pass filter 51 extracts low-frequency disturbance torque (T LPF ) as friction torque and cutting torque during normal cutting. The CPU 11 converts the analysis information of the filtering result into graph information and outputs it to the display device 14. The display device 14 displays each analyzed graph on a screen (not shown) based on the graph information received from the CPU 11.

図14、図15は、表示装置14の画面に表示した各グラフを示している。図14は、回転速度6400min−1の条件下で推定した外乱トルクのフィルタリング結果を示すグラフである。図15は、回転速度7800min−1の条件下で推定した外乱トルクのフィルタリング結果を示すグラフである。図14、図15は何れも、上から順に高周波びびり振動成分(THPF)、自励びびり振動成分(Tself)、強制びびり振動(Tforced)を順に示している。 14 and 15 show each graph displayed on the screen of the display device 14. FIG. 14 is a graph showing a disturbance torque filtering result estimated under the condition of the rotational speed of 6400 min −1 . FIG. 15 is a graph showing a filtering result of disturbance torque estimated under the condition of the rotational speed of 7800 min −1 . 14 and 15 show the high-frequency chatter vibration component (T HPF ), the self-excited chatter vibration component (T self ), and the forced chatter vibration (T forced ) in order from the top.

図14、図15の何れにグラフにおいても、加工びびり振動の成分によってフィルタリング処理された外乱トルクの各成分が変化している。図14に示すように、6400min−1のフィルタリング結果によれば、1800〜2000Hzにピークが見られた2.8〜7.0秒において、ハイパスフィルタ52によってフィルタリングした高周波の外乱トルクの振幅が大きくなっている。さらに793Hzにピークが見られた7.0〜7.7秒において、自励びびり振動成分の振幅が大きくなっている。 In both the graphs of FIGS. 14 and 15, each component of the disturbance torque subjected to the filtering process is changed by the component of the machining chatter vibration. As shown in FIG. 14, according to the filtering result of 6400 min −1 , the amplitude of the high-frequency disturbance torque filtered by the high-pass filter 52 is large in 2.8 to 7.0 seconds in which a peak is observed at 1800 to 2000 Hz. It has become. Furthermore, the amplitude of the self-excited chatter vibration component increases at 7.0 to 7.7 seconds when a peak is observed at 793 Hz.

一方、図15に示すように、7800min−1のフィルタリング結果によれば、工具接触周波数の3倍のピークが見られた1.5〜1.9秒では、強制びびり振動成分の振幅が大きくなっている。1800〜2000Hzにピークが見られた2.0〜2.7秒では、ハイパスフィルタ52によってフィルタリングした高周波の外乱トルクの振幅が大きくなっている。793Hzにピークが見られた3.6〜6.0秒では、自励びびり振動成分の振幅が大きくなっている。強制びびり振動から自励びびり振動への遷移状態である2.7〜4.0秒では、強制びびり振動成分、及び自励びびり振動成分ともに振幅が大きくなっている。 On the other hand, as shown in FIG. 15, according to the filtering result of 7800 min −1 , the amplitude of the forced chatter vibration component increases in 1.5 to 1.9 seconds when a peak three times the tool contact frequency is seen. ing. In 2.0 to 2.7 seconds in which a peak is observed at 1800 to 2000 Hz, the amplitude of the high-frequency disturbance torque filtered by the high-pass filter 52 is large. In 3.6 to 6.0 seconds where a peak was observed at 793 Hz, the amplitude of the self-excited chatter vibration component increased. In 2.7 to 4.0 seconds, which is a transition state from forced chatter vibration to self-excited chatter vibration, both the forced chatter vibration component and the self-excited chatter vibration component have large amplitudes.

従って、CPU11は測定処理で推定した外乱トルクをデジタルフィルタを用いてフィルタリング処理を行うことで、加工びびり振動の成分を明確に特定できる。作業者は表示装置14の画面に表示した図14、又は図15のグラフを確認する。作業者は工作機械1の切削加工中に発生した加工びびり振動がどのような成分で発生しているかを明確かつ迅速に確認できる。さらに工作機械1は加工びびり振動を抑制回避する為の重要情報として利用できる。   Therefore, the CPU 11 can clearly identify the component of the processed chatter vibration by performing the filtering process using the digital filter on the disturbance torque estimated by the measurement process. The operator checks the graph of FIG. 14 or 15 displayed on the screen of the display device 14. The operator can clearly and quickly confirm what component causes the chatter vibration generated during the cutting of the machine tool 1. Further, the machine tool 1 can be used as important information for suppressing and avoiding machining chatter vibration.

以上説明したように、本実施形態の加工びびり振動検出装置10では、CPU11は先ず測定処理を実行する。CPU11は測定処理において切削加工中の外乱トルクを推定する。CPU11は解析処理を実行する。CPU11は解析処理において測定処理で推定した外乱トルクを、デジタルフィルタを用いたフィルタリング処理により、切削加工中のびびり振動の成分、即ち、自励びびり振動か、強制びびり振動かを解析する。CPU11はS2で解析したデータに基づいてグラフ情報を作成し、表示装置14に出力する。表示装置14は、CPU11から受信したグラフ情報を画面(図示略)に表示する。作業者は画面に表示したグラフ情報を確認することにより、切削加工中にどのような振動を生じているかを明確かつ容易に把握できる。   As described above, in the machining chatter vibration detection device 10 of the present embodiment, the CPU 11 first executes a measurement process. The CPU 11 estimates the disturbance torque during the cutting process in the measurement process. The CPU 11 executes analysis processing. The CPU 11 analyzes the disturbance torque estimated by the measurement process in the analysis process by a filtering process using a digital filter, which is a component of chatter vibration during cutting, that is, self-excited chatter vibration or forced chatter vibration. The CPU 11 creates graph information based on the data analyzed in S <b> 2 and outputs it to the display device 14. The display device 14 displays the graph information received from the CPU 11 on a screen (not shown). By checking the graph information displayed on the screen, the operator can clearly and easily grasp what kind of vibration is occurring during the cutting process.

また本実施形態では特に、CPU11は測定処理を実行する場合に、工作機械1の主軸モータ6に設けたエンコーダ6Aにより、主軸モータ6の駆動軸の位置情報を取得する。故に本実施形態は取得した駆動軸の位置情報に基づき、切削加工中の加工びびり振動を測定できる。   Further, particularly in the present embodiment, the CPU 11 acquires position information of the drive shaft of the spindle motor 6 by the encoder 6A provided in the spindle motor 6 of the machine tool 1 when executing the measurement process. Therefore, this embodiment can measure the chatter vibration during the cutting process based on the acquired position information of the drive shaft.

また本実施形態では特に、工作機械1の主軸モータ6の駆動軸の位置情報と、主軸モータ6の電流モニタ値とに外乱オブザーバを適用することで切削加工中の外乱トルクを容易かつ迅速に推定できる。   In this embodiment, in particular, the disturbance torque during cutting is easily and quickly estimated by applying a disturbance observer to the position information of the drive shaft of the spindle motor 6 of the machine tool 1 and the current monitor value of the spindle motor 6. it can.

また本実施形態では特に、CPU11は解析処理において、ローパスフィルタ51、ハイパスフィルタ52、バンドパスフィルタ53、及びノッチフィルタ54を用いて外乱トルクのフィルタリング処理を行う。故に本実施形態は、推定した外乱トルクから加工びびり振動の成分(自励びびり振動、強制びびり振動)を明確かつ迅速に特定できる。   In the present embodiment, in particular, the CPU 11 performs a disturbance torque filtering process using the low-pass filter 51, the high-pass filter 52, the band-pass filter 53, and the notch filter 54 in the analysis process. Therefore, the present embodiment can clearly and quickly identify the component of machining chatter vibration (self-excited chatter vibration, forced chatter vibration) from the estimated disturbance torque.

また本実施形態では特に、CPU11の解析処理において、ローパスフィルタ51の遮断周波数は、主軸7の自励びびりと強制びびりが発生する周波数よりも低い周波数とする。バンドパスフィルタ53の通過帯域周波数は、主軸7の自励びびりと強制びびりが発生する周波数帯域である。ノッチフィルタ54のノッチ周波数は加工時の工具8の刃数と主軸回転数の積の整数倍でかつバンドパスフィルタ53の通過帯域の周波数の範囲内の複数のノッチ周波数を持ったフィルタである。故に本実施形態は、推定した外乱トルクから加工びびり振動の成分(自励びびり振動、強制びびり振動)を明確かつ迅速に特定できる。   In the present embodiment, in particular, in the analysis processing of the CPU 11, the cutoff frequency of the low-pass filter 51 is set to a frequency lower than the frequency at which the main shaft 7 generates self-excited chatter and forced chatter. The passband frequency of the bandpass filter 53 is a frequency band in which self-excited chatter and forced chatter of the main shaft 7 occur. The notch frequency of the notch filter 54 is a filter having a plurality of notch frequencies within the range of the frequency of the pass band of the band pass filter 53, which is an integral multiple of the product of the number of cutting edges of the tool 8 and the spindle rotational speed. Therefore, the present embodiment can clearly and quickly identify the component of machining chatter vibration (self-excited chatter vibration, forced chatter vibration) from the estimated disturbance torque.

上記説明において、工作機械1は本発明の「加工機」の一例である。図2のS1の処理を実行するCPU11は本発明の「測定手段」の一例である。S2の処理を実行するCPU11は本発明の「解析手段」の一例である。S5の処理を実行するCPU11は本発明の「出力手段」の一例である。   In the above description, the machine tool 1 is an example of the “processing machine” in the present invention. The CPU 11 that executes the process of S1 in FIG. 2 is an example of the “measuring unit” in the present invention. The CPU 11 that executes the process of S2 is an example of the “analyzing means” in the present invention. The CPU 11 that executes the process of S5 is an example of the “output unit” in the present invention.

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、CPU11は解析処理において、デジタルフィルタでフィルタリング処理した解析情報をグラフ情報に変換し、表示装置14に出力している。例えば、CPU11は解析処理で解析したフィルタリング結果についてさらに別の処理を行うことで、切削加工中に発生するびびり振動の成分の変化をさらに分かり易くしたグラフを、表示装置14の画面に表示することもできる。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, in the above embodiment, the CPU 11 converts the analysis information filtered by the digital filter into graph information and outputs it to the display device 14 in the analysis processing. For example, the CPU 11 performs another process on the filtering result analyzed in the analysis process, thereby displaying a graph on the screen of the display device 14 that makes the change in chatter vibration components generated during cutting easier to understand. You can also.

解析処理で得た解析情報をさらに処理してびびり振動の成分の特定をより明確に表示できる第1〜第3変形例について説明する。以下の第1〜第3変形例は上記実施形態と同様の構成、同様の処理を備えているので、異なる点を中心に説明する。   A description will be given of first to third modified examples in which the analysis information obtained by the analysis process is further processed to more clearly display the chatter vibration component. Since the following first to third modified examples have the same configuration and the same processing as those of the above-described embodiment, different points will be mainly described.

第1変形例について説明する。第1変形例のCPU11は、上記の加工びびり振動検出処理の解析処理で解析された加工びびり振動の各成分のデータの絶対値を算出し、例えば400個のデータの移動平均を算出する。CPU11は算出した加工びびり振動の各成分の平均値をグラフ情報に変換し、表示装置14に出力する。表示装置14はCPU11から受信したグラフ情報に基づき、解析した各グラフを画面(図示略)に表示する。   A first modification will be described. The CPU 11 of the first modified example calculates the absolute value of each component data of the machining chatter vibration analyzed by the above-described machining chatter vibration detection process, and calculates, for example, a moving average of 400 pieces of data. The CPU 11 converts the calculated average value of each component of the processed chatter vibration into graph information and outputs it to the display device 14. The display device 14 displays each analyzed graph on a screen (not shown) based on the graph information received from the CPU 11.

図16、図17は、表示装置14の画面に表示した各グラフを示している。低周波成分の振幅平均値をTave_LPF、高周波成分の振幅平均値をTave_HPF、自励びびり振動成分の振幅平均値をTave_self、強制びびり振動成分の振幅平均値をTave_forcedとして示している。図16、図17に示すように、時間の経過と共に、加工びびり振動の各成分の振幅値が変動していることが確認できる。 16 and 17 show the respective graphs displayed on the screen of the display device 14. Low-frequency component of the amplitude average value T Ave_LPF, shows the amplitude average value T Ave_HPF of the high-frequency component, self-excited chatter vibration component of the average amplitude value T Ave_self, the average amplitude value of the forced chatter vibration component as T ave_forced. As shown in FIGS. 16 and 17, it can be confirmed that the amplitude value of each component of the machining chatter vibration varies with time.

具体的にいえば、図16に示すように、回転速度6400min−1において、2.8〜7.0秒において高周波の外乱トルクの振幅が大きくなっている。さらに7.0〜7.7秒において自励びびり振動成分の振幅が大きくなっている。これは上記実施形態の結果と同じである。一方、図17に示すように、回転速度7800min−1において、1.5〜1.9秒では強制びびり振動成分の振幅が大きくなっている。2.0〜2.7秒では高周波の外乱トルクの振幅が大きくなっている。3.6〜6.0秒では自励びびり振動成分の振幅が大きくなっている。強制びびり振動から自励びびり振動への遷移状態である2.7〜4.0秒では強制びびり振動成分、及び自励びびり振動成分ともに振幅が大きくなっている。これらの結果は上記実施形態の結果と同じである。従って、第1変形例は、上記実施形態に比較して、1つのグラフで時間の経過と共に加工びびり振動のどの成分がどの程度発生しているかを明確に表示できる。 Specifically, as shown in FIG. 16, at a rotational speed of 6400 min −1 , the amplitude of the high-frequency disturbance torque increases from 2.8 to 7.0 seconds. Furthermore, the amplitude of the self-excited chatter vibration component increases in 7.0 to 7.7 seconds. This is the same as the result of the above embodiment. On the other hand, as shown in FIG. 17, at the rotational speed of 7800 min −1 , the amplitude of the forced chatter vibration component increases from 1.5 to 1.9 seconds. From 2.0 to 2.7 seconds, the amplitude of the high-frequency disturbance torque increases. In 3.6 to 6.0 seconds, the amplitude of the self-excited chatter vibration component increases. In the transition state from forced chatter vibration to self-excited chatter vibration of 2.7 to 4.0 seconds, both the forced chatter vibration component and the self-excited chatter vibration component have large amplitudes. These results are the same as the results of the above embodiment. Therefore, compared with the said embodiment, the 1st modification can display clearly which component of processing chatter vibration has generate | occur | produced with progress of time by one graph.

第2変形例について説明する。第2変形例のCPU11は、第1変形例で算出した加工びびり振動の各成分の平均値を用いて、各成分の合計を1としたときの各成分の割合を算出する。CPU11は算出した加工びびり振動の各成分の割合からグラフ情報を作成し、表示装置14に出力する。表示装置14はCPU11から受信したグラフ情報に基づき、解析した各グラフを画面(図示略)に表示する。一例として自励びびり振動の成分の割合を以下の式3に示す。なお、強制びびり振動成分、低周波成分、高周波成分についても同様に算出すればよい。
A second modification will be described. The CPU 11 of the second modification example uses the average value of each component of the machining chatter vibration calculated in the first modification example to calculate the ratio of each component when the sum of the components is 1. The CPU 11 creates graph information from the calculated ratio of each component of the processed chatter vibration and outputs it to the display device 14. The display device 14 displays each analyzed graph on a screen (not shown) based on the graph information received from the CPU 11. As an example, the ratio of the self-excited chatter vibration component is shown in the following Expression 3. The forced chatter vibration component, the low frequency component, and the high frequency component may be calculated similarly.

図18、図19は、表示装置14の画面に表示した各グラフを示している。図18は、回転速度6400min−1の振動成分の比率を示したグラフである。図19は、回転速度7800min−1の振動成分の比率を示したグラフである。低周波成分の振幅平均値をTave_LPF、高周波成分の振幅平均値をTave_HPF、自励びびり振動成分の振幅平均値をTave_self、強制びびり振動成分の振幅平均値をTave_forcedとして示している。 18 and 19 show each graph displayed on the screen of the display device 14. FIG. 18 is a graph showing the ratio of vibration components at a rotational speed of 6400 min −1 . FIG. 19 is a graph showing the ratio of vibration components at a rotational speed of 7800 min −1 . Low-frequency component of the amplitude average value T Ave_LPF, shows the amplitude average value T Ave_HPF of the high-frequency component, self-excited chatter vibration component of the average amplitude value T Ave_self, the average amplitude value of the forced chatter vibration component as T ave_forced.

図18、図19の各グラフは、図16、図17の各グラフに比較して、どのびびり振動の成分が最も発生しているかをより明確に表示できる。これらの結果は上記実施形態の結果と同じである。従って、第2変形例も、上記実施形態に比較して、1つのグラフで時間の経過と共に加工びびり振動のどの成分が発生しているかを明確に表示できる。   Each graph of FIGS. 18 and 19 can more clearly display which chatter vibration component is most generated as compared with the graphs of FIGS. 16 and 17. These results are the same as the results of the above embodiment. Therefore, the second modification can clearly display which component of the machining chatter vibration is generated with time in one graph as compared with the above embodiment.

第3変形例について説明する。第3変形例のCPU11は、第1変形例で算出した加工びびり振動の各成分の平均値を用いて、どの加工びびり振動の成分が最も支配的に発生しているかを時間の経過に沿って判定する。CPU11は判定した加工びびり振動の各成分の変化に基づいてグラフ情報を作成し、表示装置14に出力する。   A third modification will be described. The CPU 11 of the third modification uses the average value of each component of machining chatter vibration calculated in the first modification to determine which machining chatter vibration component is most dominant over time. judge. The CPU 11 creates graph information based on the determined change in each component of the processed chatter vibration and outputs the graph information to the display device 14.

第3変形例のCPU11が実行する加工びびり振動検出処理について、図20、図21のフローチャートを参照して説明する。CPU11は工作機械1の加工中信号に基づき工作機械1が加工中であることを認識すると、ROM12に記憶した加工びびり振動検出プログラム(変形例)を読み込んで本処理を実行する。CPU11は先ず上記の測定処理を実行する(S1)。CPU11は上記の解析処理を実行する(S2)。   Processing chatter vibration detection processing executed by the CPU 11 of the third modification will be described with reference to the flowcharts of FIGS. When the CPU 11 recognizes that the machine tool 1 is machining based on the machining signal of the machine tool 1, the CPU 11 reads the machining chatter vibration detection program (modified example) stored in the ROM 12 and executes this processing. The CPU 11 first executes the above measurement process (S1). The CPU 11 executes the above analysis process (S2).

CPU11はさらに平均値算出処理を実行する(S3)。CPU11は解析処理でフィルタリングした外乱トルクをリアルタイムで比較する為、それぞれの絶対値を算出し、びびり振動の各成分の平均値を算出する。CPU11は加工びびり成分判定処理を実行する(S4)。   The CPU 11 further executes an average value calculation process (S3). The CPU 11 calculates the absolute value of each of the disturbance torques filtered in the analysis process in real time, and calculates the average value of each component of chatter vibration. The CPU 11 executes processing chatter component determination processing (S4).

加工びびり成分判定処理について、図21のフローチャートを参照して説明する。CPU11は、高周波成分の振幅平均値(Tave_HPF)が3よりも、自励びびり振動成分の振幅平均値(Tave_self)よりも、強制びびり振動成分の振幅平均値(Tave_forced)よりも大きいか否か判断する(S11)。CPU11は、高周波成分の振幅平均値が3よりも、自励びびり振動成分の振幅平均値よりも、強制びびり振動成分の振幅平均値よりも大きいと判断した場合(S11:YES)、それは高周波振動成分として判定する。故に、CPU11は高周波振動成分としてRAM13(図1参照)に記憶する(S14)。 The processing chatter component determination processing will be described with reference to the flowchart of FIG. Or CPU11, rather than the amplitude average value of the high frequency component (T ave_HPF) is 3, than the self-excited chatter average amplitude value of the vibration component (T ave_self), greater than the average amplitude of the forced chatter vibration component (T ave_forced) It is determined whether or not (S11). If the CPU 11 determines that the average amplitude value of the high-frequency component is greater than 3 than the average amplitude value of the self-excited chatter vibration component (S11: YES), that is the high-frequency vibration. Judge as a component. Therefore, CPU11 memorize | stores in RAM13 (refer FIG. 1) as a high frequency vibration component (S14).

CPU11は、高周波成分の振幅平均値が3よりも、自励びびり振動成分の振幅平均値よりも、強制びびり振動成分の振幅平均値よりも小さい又は以下と判断した場合(S11:NO)、自励びびり振動成分の振幅平均値(Tave_self)が4よりも、高周波成分の振幅平均値(Tave_HPF)よりも、強制びびり振動成分の振幅平均値(Tave_forced)よりも大きいか否か判断する(S12)。CPU11は、自励びびり振動成分の振幅平均値が4よりも、高周波成分の振幅平均値よりも、強制びびり振動成分の振幅平均値よりも大きいと判断した場合(S12:YES)、それは自励びびり振動成分として判定する。故に、CPU11は自励びびり振動成分としてRAM13(図1参照)に記憶する(S14)。 When the CPU 11 determines that the average amplitude value of the high-frequency component is smaller than 3 or less than the average amplitude value of the forced chatter vibration component than the average amplitude value of the self-excited chatter vibration component (S11: NO), It is determined whether or not the amplitude average value (T ave — self ) of the chatter vibration component is larger than 4 and the amplitude average value (T ave — HPF ) of the high frequency component is larger than the amplitude average value (T ave — forced) of the forced chatter vibration component. (S12). When the CPU 11 determines that the amplitude average value of the self-excited chatter vibration component is larger than 4, the amplitude average value of the high-frequency component is larger than the amplitude average value of the forced chatter vibration component (S12: YES), it is self-excited. Judged as chatter vibration component. Therefore, CPU11 memorize | stores in RAM13 (refer FIG. 1) as a self-excited chatter vibration component (S14).

CPU11は、自励びびり振動成分の振幅平均値が4よりも、高周波成分の振幅平均値よりも、強制びびり振動成分の振幅平均値よりも小さい又は以下と判断した場合(S12:NO)、強制びびり振動成分の振幅平均値(Tave_forced)が15よりも、自励びびり振動成分の振幅平均値(Tave_self)よりも、高周波成分の振幅平均値(Tave_HPF)よりも大きいか否か判断する(S13)。CPU11は、強制びびり振動成分の振幅平均値が15よりも、自励びびり振動成分の振幅平均値よりも、高周波成分の振幅平均値よりも大きいと判断した場合(S13:YES)、それは強制びびり振動成分として判定する。故に、CPU11は強制びびり振動成分としてRAM13(図1参照)に記憶する(S14)。CPU11は加工びびり振動判定処理を終了し、図20のメインフローのS5に戻る。高周波成分の振幅平均値(Tave_HPF)と比較するS11、S12、S13の「3」「4」「15」の値は工具の種類によって変わる為、工具毎にパラメータとして設定することが望ましい。 When the CPU 11 determines that the amplitude average value of the self-excited chatter vibration component is less than 4 or less than the amplitude average value of the forced chatter vibration component than the amplitude average value of the high frequency component (S12: NO), the forced average amplitude of chatter vibration component (T ave_forced) than 15, than the self-excited chatter average amplitude value of the vibration component (T ave_self), determines whether greater than the amplitude average value of the high frequency component (T ave_HPF) (S13). When the CPU 11 determines that the average amplitude value of the forced chatter vibration component is larger than 15 than the average amplitude value of the self-excited chatter vibration component (S13: YES), it is forced chatter. Determined as vibration component. Therefore, CPU11 memorize | stores in RAM13 (refer FIG. 1) as a forced chatter vibration component (S14). CPU11 complete | finishes a processing chatter vibration determination process, and returns to S5 of the main flow of FIG. Since the values of “3”, “4”, and “15” in S11, S12, and S13 to be compared with the average amplitude value (T ave — HPF ) of the high frequency component vary depending on the type of tool, it is desirable to set as a parameter for each tool.

CPU11は、RAM13に記憶した判定結果をグラフ情報に変換し、表示装置14に出力する(S5)。表示装置14はCPU11から受信したグラフ情報に基づき、画面にグラフを表示する。図22、図23は、表示装置14の画面に表示した各グラフを示している。図22は、回転速度6400min−1における振動の支配成分の変化を示すグラフである。図23は、回転速度7800min−1における振動の支配成分の変化を示すグラフである。図22、図23に示すように、どの振動成分が最も支配的であるかを明確に表示できる。これらの結果は上記実施形態の結果と同じである。従って、第3変形例も、上記実施形態に比較して、1つのグラフで、時間の経過と共に加工びびり振動のどの成分が支配的であるかを明示できる。 The CPU 11 converts the determination result stored in the RAM 13 into graph information and outputs it to the display device 14 (S5). The display device 14 displays a graph on the screen based on the graph information received from the CPU 11. 22 and 23 show each graph displayed on the screen of the display device 14. FIG. 22 is a graph showing changes in the dominant component of vibration at a rotational speed of 6400 min −1 . FIG. 23 is a graph showing changes in the dominant component of vibration at a rotational speed of 7800 min −1 . As shown in FIGS. 22 and 23, it is possible to clearly display which vibration component is the most dominant. These results are the same as the results of the above embodiment. Therefore, also in the third modified example, it is possible to clearly indicate which component of the machining chatter vibration is dominant with the passage of time in one graph as compared with the above embodiment.

CPU11は工作機械1の切削加工が終了したか否か判断する(S6)。CPU11は工作機械1の切削加工が継続していると判断した場合(S6:NO)、S1に戻って処理を繰り返す。CPU11は工作機械1の切削加工が終了したと判断した場合(S6:YES)、加工びびり振動検出処理を終了する。   The CPU 11 determines whether or not the cutting of the machine tool 1 has been completed (S6). When the CPU 11 determines that cutting of the machine tool 1 is continuing (S6: NO), the CPU 11 returns to S1 and repeats the process. When the CPU 11 determines that the cutting of the machine tool 1 has been completed (S6: YES), the processing chatter vibration detection process ends.

なお、上記変形例1〜3の他にも、上記実施形態は種々の変更は可能である。上記実施形態では、工作機械1の切削加工中に発生する加工びびり振動を、主軸モータ6のトルク情報、エンコーダ6Aからの位置情報とに基づき、外乱オブザーバを適用して外乱トルクを推定することによって間接的に測定している。例えば、振動センサ(振動ピックアップ)等を用いて、主軸7の振動加速度を検出して、切削加工中に発生する加工びびり振動を測定してもよい。この場合、振動センサで得られたデータを、デジタルフィルタを用いたフィルタリング処理をすればよい。   In addition to the first to third modifications, the embodiment can be variously modified. In the above embodiment, machining chatter vibration generated during cutting of the machine tool 1 is estimated by applying a disturbance observer based on torque information of the spindle motor 6 and position information from the encoder 6A. Measure indirectly. For example, the vibration acceleration of the main shaft 7 may be detected by using a vibration sensor (vibration pickup) or the like, and machining chatter vibration generated during cutting may be measured. In this case, the data obtained by the vibration sensor may be subjected to a filtering process using a digital filter.

またびびり周波数は数百Hz以上と高く、サーボのフィードバック制御の応答域よりも高い。トルク情報は実際にはびびり周波数では変化していないので、トルク情報は使わず位置情報のみで外乱推定してもびびりモード判定としては同じ結果が得られる。   The chatter frequency is as high as several hundred Hz or higher, which is higher than the response range of servo feedback control. Since the torque information does not actually change at the chatter frequency, the same result can be obtained as the chatter mode determination even if the disturbance is estimated using only the position information without using the torque information.

また上記実施形態では、本発明の加工びびり振動検出装置の一実施例として振動検出装置10を説明したが、工作機械1を数値制御する数値制御装置であってもよい。この場合、例えば、加工びびり振動検出処理で得られた解析結果をフィードバックして、切削条件等を変更するようにしてもよい。   In the above embodiment, the vibration detection device 10 has been described as an example of the processing chatter vibration detection device of the present invention. However, a numerical control device that numerically controls the machine tool 1 may be used. In this case, for example, the cutting condition or the like may be changed by feeding back the analysis result obtained by the processing chatter vibration detection process.

また上記実施形態では、主軸モータの位置情報とトルク情報を用いて説明したが、X、Y、Z軸モータの情報を用いてもよいし、主軸、X、Y、Z軸の内から複数の情報を元に総合的に判断してもよい。   In the above embodiment, the description has been made using the position information and torque information of the main shaft motor. However, information on the X, Y, and Z axis motors may be used, or a plurality of main shafts, X, Y, and Z axes may be used. You may judge comprehensively based on information.

1 工作機械
5 主軸ヘッド
6 主軸モータ
6A エンコーダ
7 主軸
8 工具
9 被切削物
10 振動検出装置
11 CPU
14 表示装置
51 ローパスフィルタ
52 ハイパスフィルタ
53 バンドパスフィルタ
54 ノッチフィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Machine tool 5 Spindle head 6 Spindle motor 6A Encoder 7 Spindle 8 Tool 9 Workpiece 10 Vibration detection apparatus 11 CPU
14 Display Device 51 Low Pass Filter 52 High Pass Filter 53 Band Pass Filter 54 Notch Filter

Claims (7)

ワークを加工する加工機の加工びびり振動又は加工負荷を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定した加工びびり振動又は加工負荷を解析する解析手段とを備えた加工びびり振動検出装置において、
前記解析手段は、前記測定手段が測定した前記加工びびり振動又は加工負荷から強制びびりを抽出する強制びびりデジタルフィルタ部と、自励びびりを抽出する自励びびりデジタルフィルタ部と、高周波びびりを抽出する高周波デジタルフィルタ部とのうち少なくとも一つ設け、
前記強制びびりデジタルフィルタ部、自励びびりデジタルフィルタ部、高周波びびりデジタルフィルタ部が抽出した強制びびり、自励びびり、高周波びびりのうち少なくとも一つを出力する出力手段と
を備えたことを特徴とする加工びびり振動検出装置。
In a processing chatter vibration detecting apparatus comprising a measuring means for measuring a processing chatter vibration or processing load of a processing machine for processing a workpiece, and an analysis means for analyzing the processing chatter vibration or processing load measured by the measuring means.
The analysis unit extracts a forced chatter digital filter unit that extracts forced chatter from the machining chatter vibration or processing load measured by the measuring unit, a self-excited chatter digital filter unit that extracts self-excited chatter, and a high-frequency chatter. Provide at least one of the high-frequency digital filter section,
And output means for outputting at least one of forced chatter, self-excited chatter, and high-frequency chatter extracted by the forced chatter digital filter unit, self-excited chatter digital filter unit, and high-frequency chatter digital filter unit. Processing chatter vibration detector.
前記測定手段は、前記加工機に設けた駆動軸の位置情報を測定し、該位置情報に基づき、前記加工びびり振動又は加工負荷を測定することを特徴とする請求項1に記載の加工びびり振動検出装置。   2. The processing chatter vibration according to claim 1, wherein the measuring unit measures position information of a drive shaft provided in the processing machine, and measures the processing chatter vibration or a processing load based on the position information. Detection device. 前記測定手段は、前記加工機に設けた駆動軸の位置情報とトルクとに基づいて外乱を推定する外乱オブザーバで構成したことを特徴とする請求項2に記載の加工びびり振動検出装置。   The processing chatter vibration detection device according to claim 2, wherein the measuring means is configured by a disturbance observer that estimates a disturbance based on position information and torque of a drive shaft provided in the processing machine. 前記自励びびりデジタルフィルタ部と前記強制びびりデジタルフィルタ部は、バンドパスフィルタとノッチフィルタとを備え、
前記高周波びびりデジタルフィルタ部はハイパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項1に記載の加工びびり振動検出装置。
The self-excited chatter digital filter unit and the forced chatter digital filter unit include a bandpass filter and a notch filter,
The processing chatter vibration detection device according to claim 1, wherein the high-frequency chatter digital filter unit includes a high-pass filter.
前記ローパスフィルタの遮断周波数は、主軸の自励びびりと強制びびりが発生する周波数よりも低い周波数であり、
前記バンドパスフィルタの通過帯域周波数は、主軸の自励びびりと強制びびりが発生する周波数帯域であり、
前記ノッチフィルタのノッチ周波数は加工時の工具の刃数と主軸回転数の積の整数倍でかつ前記バンドパスフィルタの通過帯域の周波数の範囲内の複数のノッチ周波数を持ったフィルタであることを特徴とする請求項4に記載の加工びびり振動検出装置。
The cut-off frequency of the low-pass filter is a frequency lower than the frequency at which the main shaft self-excited chatter and forced chatter occur,
The passband frequency of the bandpass filter is a frequency band where the self-excited chatter and forced chatter of the main shaft occur,
The notch frequency of the notch filter is a filter having a plurality of notch frequencies within the range of the frequency of the pass band of the band pass filter, which is an integral multiple of the product of the number of cutting edges of the tool and the spindle speed at the time of machining. The processing chatter vibration detection device according to claim 4, wherein
前記解析手段は、
前記強制びびりデジタルフィルタ部、前記自励びびりデジタルフィルタ部、前記高周波デジタルフィルタ部において抽出した強制びびり、自励びびり、高周波びびりの各振幅の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記平均値算出手段が算出した各平均値の比較に基づき、強制びびり、自励びびり、高周波びびりのうち何れの振動が支配的に発生しているかを時系列で判定する判定手段と
を備え、
前記出力手段は、前記判定手段の判定結果を出力することを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の加工びびり振動検出装置。
The analysis means includes
An average value calculating means for calculating an average value of each amplitude of forced chatter, self-excited chatter, and high-frequency chatter extracted in the forced chatter digital filter unit, the self-excited chatter digital filter unit, and the high-frequency digital filter unit;
Based on a comparison of each average value calculated by the average value calculation means, comprising a determination means for determining, in a time series, which vibration is dominantly occurring among forced chatter, self-excited chatter, and high-frequency chatter,
The processing chatter vibration detection apparatus according to claim 1, wherein the output unit outputs a determination result of the determination unit.
請求項1から6の何れかに記載の加工びびり振動検出装置を備えたことを特徴とする工作機械。   A machine tool comprising the machining chatter vibration detection device according to any one of claims 1 to 6.
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