JP2017077618A - 作業機械の加工状態監視方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程及び構成で、びびりの発生前に良好な対応を行うことができ、前記びびりの発生を可及的に阻止するとともに、高精度な加工作業を可能にする。【解決手段】加工状態監視方法は、工具通過周波数でのピーク加速度であるＴＰＦピークが、ＴＰＦ閾値と比較され、前記ＴＰＦ閾値を越えた回数をＴＰＦ表示欄５６ａに表示させる工程と、固有振動数でのピーク加速度であるｆ０ピークが、ｆ０閾値と比較され、前記ｆ０閾値を越えた回数を固有振動数表示欄５６ｂに表示させる工程と、ＴＰＦ閾値越え回数とｆ０閾値越え回数とを比較して変化表示部５８に表示させる工程と、を有する。【選択図】図３

Description

作業機械の加工状態監視方法及びシステム

本発明は、加工工具又はワークが回転することにより、前記加工工具を介して前記ワークに加工処理を施す際、前記加工工具による加工状態を監視するための作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関する。

一般的に、加工工具を介してワークに加工処理を施すために、各種の工作機械が使用されている。例えば、ボーリング加工は、中ぐり用バイト（刃先）が設けられたボーリングツールを工作機械の回転主軸（スピンドル）に取り付け、前記ボーリングツールを高速で回転させながら下穴に沿って順次繰り出すことにより、その刃先加工径で所定の位置に高精度な孔部を加工するものである。

この種の作業機械では、主軸や加工工具やワークに、切削抵抗による撓みが発生し易い。そして、この撓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。

そこで、例えば、特許文献１には、びびり振動の種類を精度良く判別することができる振動判別方法及び振動判別装置が提案されている。この振動判別方法では、回転中の回転軸の時間領域での振動及び前記回転軸の回転速度を検出する第１工程と、前記時間領域の振動を基に周波数領域の振動を算出するとともに、算出した前記周波数領域の振動におけるピーク値及び該ピーク値を取るピーク周波数を複数取得する第２工程と、前記ピーク値毎に、びびり振動の種類を判別するための回転同期型振動判別範囲を自身のピーク周波数を用いて夫々求める第３工程と、前記ピーク値毎における前記自身のピーク周波数と前記自身のピーク周波数を用いて求めた前記回転同期振動判別範囲との関係に基づき、前記びびり振動の種類を判別する第４工程とを実行することを特徴としている。

特開２０１３−８３７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、実際にびびりが発生した後、びびり振動の種類を判別している。従って、発生したびびり振動に対する処理が行われるため、被削部材には、該びびり振動の影響が発生してしまい、高精度な加工処理が遂行されないおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程及び構成で、びびりの発生前に良好な対応を行うことができ、前記びびりの発生を可及的に阻止するとともに、高精度な加工作業が効率的に遂行可能な作業機械の加工状態監視方法及びシステムを提供することを目的とする。

本発明は、加工工具又はワークが回転することにより、前記加工工具を介して前記ワークに加工処理を施す際、前記加工工具による加工状態を監視するための作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関するものである。

この加工状態監視方法は、加工工具の回転数、刃数及び固有振動数を入力する工程と、加工時の前記加工工具又はワークの振動をフーリエ級数展開により解析した周波数と加速度とからなる周波数スペクトルを得る工程と、前記回転数及び前記刃数から算出された工具通過周波数でのピーク加速度であるＴＰＦピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記工具通過周波数のピーク閾値であるＴＰＦ閾値と比較され、前記ＴＰＦピークが前記ＴＰＦ閾値を越えた回数を、ＴＰＦ閾値越え積算表示部に表示させる工程と、前記固有振動数でのピーク加速度であるｆ０ピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記固有振動数のピーク閾値であるｆ０閾値と比較され、前記第ｆ０ピークが前記ｆ０閾値を越えた回数を、ｆ０閾値越え積算表示部に表示させる工程と、ＴＰＦ閾値越え回数とｆ０閾値越え回数とを比較して変化表示部に表示させる工程と、を有している。

また、この加工状態監視方法では、機械主軸の空転時の振動を閾値に設定する工程と、記機械主軸の加工時に検出される加工振動が、前記閾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閾値を越えたと判断された際、加工工具又はワークの振動をフーリエ級数展開により解析する工程と、を有することが好ましい。

さらに、この加工状態監視システムは、加工工具の回転数、刃数及び固有振動数を入力する入力設定部と、加工時の前記加工工具又はワークの振動をフーリエ級数展開により解析した周波数と加速度とからなる周波数スペクトルを表示する周波数スペクトル表示部と、前記回転数及び前記刃数から算出された工具通過周波数でのピーク加速度であるＴＰＦピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された工具通過周波数のピーク閾値であるＴＰＦ閾値と比較され、前記ＴＰＦピークが前記ＴＰＦ閾値を越えた回数を表示させるＴＰＦ閾値越え積算表示部と、前記固有振動数でのピーク加速度であるｆ０ピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記固有振動数のピーク閾値であるｆ０閾値と比較され、前記ｆ０ピークが前記ｆ０閾値を越えた回数を表示させるｆ０閾値越え積算表示部と、ＴＰＦ閾値越え回数とｆ０閾値越え回数とを比較して表示させる変化表示部と、を備えている。

本発明に係る加工状態監視方法及びシステムでは、加工工具を介してワークに加工処理を施す際、工具通過周波数（ＴＰＦ）でのピーク発生回数と固有振動数でのピーク発生回数との相関関係を見ることができる。そして、両者の関係の変化比から、例えば、ワークの加工が正常状態からびびり振動（異常状態）に移行する予兆期であることを、迅速且つ正確に判断することが可能になる。このため、びびり振動が発生する前に、迅速且つ有効に対応することができる。

本発明の実施形態に係る作業機械の加工状態監視システムが適用される作業機械の概略説明図である。 前記加工状態監視システムを構成するコントローラの説明図である。 前記加工状態監視システムを構成する表示ユニットの構成説明図である。 ワークの加工状態の変化を時間と振動との関係で示す説明図である。 前記ワークの加工開始直後のスペクトルの説明図である。 前記ワークの加工初期のスペクトルの説明図である。 びびり予兆期のスペクトルの説明図である。 前記びびり予兆期が進行した状態のスペクトルの説明図である。 びびり時のスペクトルの説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る作業機械の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、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に着脱自在なボーリングバー（加工工具）２０とを備える。ボーリングバー２０の先端には、中ぐり用バイト２２が装着されている。作業テーブル２４上には、ワークＷが載置されている。

加工状態監視システム１０は、ボーリングバー２０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２６又は音波により振動音を取得するマイクロフォン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、機械制御盤３２に接続される。機械制御盤３２は、工作機械１２を制御するものであり、制御操作盤３４に接続される。

図２に示すように、コントローラ３０は、加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により検出された機械的振動（加工振動）をアンプ及びフィルタ回路３６により増幅して取り込む演算ユニット（演算機構）３８を備える。

演算ユニット３８には、スピンドル１８の回転数、バイト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（入力設定部）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予兆閾値や警告閾値等の値が設定可能である。

演算ユニット３８には、加工状態判断ユニット４４と、後述する演算処理により調整される主軸回転数や閾値越えのカウントアップ信号を出力するための出力ユニット４６とが接続される。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。

図３に示すように、表示ユニット４８は、第１トータルパワー表示部５０ａ、第２トータルパワー表示部５０ｂ、周波数スペクトル表示部５２、周波数流れ表示部５４、閾値越え積算表示部５６及び変化表示部５８を備える。これらは、単一の表示画面に表示されており、それぞれの詳細な説明は後述する。

このように構成される加工状態監視システム１０による加工状態監視方法について、以下に説明する。

図１に示すように、工作機械１２では、ボーリングバー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Ｗａに沿って繰り出される。そして、ボーリングバー２０がワークＷの下穴Ｗａ側に相対的に移動する。このため、ボーリングバー２０が回転し、このボーリングバー２０に装着されたバイト２２を介して下穴Ｗａを構成する内壁面にボーリング加工が施される。

コントローラ３０では、機械加工を開始する前に、スピンドル１８の空転時の振動を加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により取得し、この値を許容値（閾値）として設定している。そして、スピンドル１８により加工が開始され、アンプ及びフィルタ回路３６を介して取り込まれる加工振動が許容値を超えた時点で、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、

は、周波数Ｊの余弦調和成分フーリエ係数であり、ｂ_ｊは、周波数Ｊの正弦調和成分フーリエ係数である。

そして、周波数Ｊに対するフーリエ係数は、ａ_ｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｃｏｓ（
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、実際にびびりが生じる振動数、例えば、１０Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚに限定する。

次いで、表示ユニット４８では、加工振動の加速度（Ｇ）を２乗した値（Ｇ^２）の和で示すトータルパワーが第１トータルパワー表示部５０ａ及び第２トータルパワー表示部５０ｂに表示される。第１トータルパワー表示部５０ａでは、縦軸に加速度を２乗した値の和が表示され、横軸に秒単位の経過時間が表示される（短時間表示）。第２トータルパワー表示部５０ｂでは、縦軸に加速度を２乗した値の和が表示され、横軸に分単位の経過時間が表示される（長時間表示）。

ここで、トータルパワーの振動に対しては、別途設定される予兆閾値と警告閾値の２段式の設定が可能である。また、加工中に閾値越えの加工振動が発生した際には、その信号は、選択的に出力ユニット４６を通じて外部出力される。

表示ユニット４８には、周波数スペクトル表示部５２が設けられている。周波数スペクトル表示部５２では、フーリエ解析により演算された周波数Ｈｚを横軸に、加速度Ｇを縦軸にした周波数スペクトルが表示される。この周波数スペクトル表示部５２においても、加工振動のピーク周波数に対応した変化データを取得するための予兆閾値と、異常発生の周波数ピークが出た際のアラームとしての警告閾値との２つの閾値が設定される。

取得した加工振動が、周波数スペクトル表示部５２に設定された予兆閾値の値を超えた場合には、そのカウントアップ信号は、閾値越え積算表示部５６に送られて、積層グラフに表示される。ここで、カウントアップされた信号が、工具通過周波数（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（以下、ＴＰＦともいう）、固有振動数（以下、ｆ０ともいう）又はそれ以外の信号であるかが判別され、それぞれ所定のＴＰＦ表示欄（ＴＰＦ閾値越え積算表示部）５６ａ、固有振動数表示欄（ｆ０閾値越え積算表示部）５６ｂ及びその他表示欄５６ｃに積層グラフとして表示される。また時間経過とともに最も強い周波数がどのように表れるかを示している周波数流れ表示部５４がある。

以下に、ＴＰＦ、固有振動数及びそれ以外の周波数のピークについて説明する。図４には、多刃でボーリング加工を行った時の加工振動が示されている。縦軸は、振動量の大きさである加速度Ｇであり、横軸は、時間である。

図４中、左側が加工開始点であり、加工の途中までは、びびりのない加工状態を表している。そして、加工の途中で、加速度Ｇが±１Ｇを越えた時点で、びびり状態になったものと認められる。

ここで、びびり振動を判定するパラメータとして、加工刃先がワークＷに当接する工具通過周波数＝（主軸の回転数／６０）×刃数と、固有振動数とがある。この２つのパラメータであるＴＰＦとｆ０の出力とびびり振動との関係を、以下の図５〜図９に沿って説明する。なお、図５〜図９は、振動をフーリエ変換した周波数スペクトルの説明図のである。また、縦軸は、振動加速度Ｇであり、横軸は、周波数Ｈｚである。

図５は、図４に示すボーリング加工において、加工開始後のしばらくの間の周波数スペクトルを表している。これは、びびりの無い状態であり、スペクトルは、ＴＰＦの周波数である６７Ｈｚにピーク加速度が発生している。この振動の加速度は、０．０１５Ｇと小さく、びびりの無い正常な切削が行われている。

さらに、加工時間が経過すると、図６に示すように、ＴＰＦ以外の他の多くのピーク周波数が発生し始める。他の周波数でピーク加速度が表れているため、ＴＰＦ信号が不明確になっている。なお、ＴＰＦのピーク加速度は、図５と略同様の０．０１３Ｇを示している。

図７に示すように、加工の進行に伴って、びびりの予兆期に入ると、ＴＰＦ以外の振動量（ピーク加速度）がさらに増加し、ＴＰＦのピーク加速度の明確性が低下する。この状態は、ＴＰＦの振動ピーク以外に多数の振動ピークが出ており、固有振動数のピーク振動の有無も不明確である。

そして、図８に示すように、予兆期の加工が進むと、固有振動数である３２３Ｈｚのピーク加速度が顕著になっている。このピーク加速度は、０．０４Ｇ程度と低く、びびりの予兆期であって、完全なびびり状態となっているとは見なされない。ＴＰＦでは、図７の状態と同様に、ピーク加速度が０．０１３Ｇ程度を維持されているが、固有振動数の振動ピークが０．０４Ｇ超と急進しているため、判別が困難である。

加工時間がさらに進んで、完全なびびり期（再生びびり）に入ると、図９に示すように、固有振動数（３２３Ｈｚ）のピーク加速度が、図８の状態から、７倍以上に大きな値となる。その際、ＴＰＦの振動も発生しているが、びびり振動が大きく生じているため、判別不能となっている。

上記のように、びびりが無い状態では、切削振動としてＴＰＦの振動が大きく表れる一方、びびりが発生した状態では、固有振動数の振動が、ＴＰＦの振動より大きく表れている。このため、びびりに関連するパラメータは、ＴＰＦと固有振動数の２つであり、ＴＰＦと固有振動数のピーク加速度の推移を監視することにより、びびりの予兆期を判定することができる。

そこで、本実施形態では、事前の準備として、監視のパラメータの１つである固有振動数を入力設定ユニット４０に入力しておく。固有振動数は、ＦＦＴアナライザを使用したインパクト加振法により検出することができる。また、既に取得したびびりの振動数から算出することもできる。監視のパラメータの他の１つであるＴＰＦは、スピンドル１８の回転数及びバイト２２の刃数から算出されるため、前記回転数及び前記刃数を入力設定ユニット４０に入力しておく。

次いで、上記のように、スピンドル１８が回転してワークＷの加工が行われ、加工振動をフーリエ級数展開により解析した周波数と加速度とからなる周波数スペクトルが得られる。そして、工具通過周波数でのピーク加速度（ＴＰＦピーク）が、周波数スペクトルに予め設定された前記工具通過周波数のピーク閾値（ＴＰＦ閾値）と比較される。ＴＰＦピークがＴＰＦ閾値を越えた回数は、閾値越え積算表示部５６のＴＰＦ表示欄５６ａに表示される。

一方、固有振動数でのピーク加速度（ｆ０ピーク）が、周波数スペクトルに予め設定された前記固有振動数のピーク閾値（ｆ０閾値）と比較される。ｆ０ピークがｆ０閾値を越えた回数は、閾値越え積算表示部５６の固有振動数表示欄５６ｂに表示される。

さらに、変化表示部５８には、ＴＰＦ閾値越え回数とｆ０閾値越え回数とを比較して表示させる。具体的には、ｆ０閾値越え回数／ＴＰＦ閾値越え回数の変化比を経時順に瞬時に判断し、チャートにより表示させる。このチャートで比較するパラメータは、それぞれの閾値超え回数の積算値に重み付けをできるゲイン選択を含めて、別画面により設定することができる。変化表示部５８に表示された変化比が、所定の値を超えた際、びびり状態にあると判断することができる。また、変化比が一定値を越えた際、直ちに回転数を変更したり、送り速度を変更したりして、びびりを回避するためのフィードバックをかけることも可能である。

この場合、本実施形態では、ボーリングバー２０を介してワークＷに加工処理を施す際、工具通過周波数（ＴＰＦ）でのピーク発生回数と固有振動数でのピーク発生回数との相関関係を見ることができる。そして、両者の関係の変化比から、例えば、ワークの加工が正常状態からびびり振動（異常状態）に移行する予兆期であることを、迅速且つ正確に判断することが可能になる。このため、びびり振動が発生する前に、迅速且つ有効に対応することができる。

しかも、変化表示部５８には、ＴＰＦ閾値越え回数とｆ０閾値越え回数とを比較して表示させている。従って、加工状態がリアルタイムで視認可能となり、判断基準の正確性の判断やエラー判断等の基準となり、作業性の向上が容易に図られる。

１０…加工状態監視システム １２…工作機械
１４…ハウジング １８…スピンドル
２０…ボーリングバー ２２…バイト
２６…加速度センサ ２８…マイクロフォン
３０…コントローラ ３２…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…出力ユニット ４８…表示ユニット
５０ａ、５０ｂ…トータルパワー表示部
５２…周波数スペクトル表示部 ５４…周波数流れ表示部
５６…閾値越え積算表示部 ５８…変化表示部

Claims (3)

1. 加工工具又はワークが回転することにより、前記加工工具を介して前記ワークに加工処理を施す際、前記加工工具による加工状態を監視するための作業機械の加工状態監視方法であって、
   前記加工工具の回転数、刃数及び固有振動数を入力する工程と、
   加工時の前記加工工具又は前記ワークの振動をフーリエ級数展開により解析した周波数と加速度とからなる周波数スペクトルを得る工程と、
   前記回転数及び前記刃数から算出された工具通過周波数でのピーク加速度であるＴＰＦピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記工具通過周波数のピーク閾値であるＴＰＦ閾値と比較され、前記ＴＰＦピークが前記ＴＰＦ閾値を越えた回数を、ＴＰＦ閾値越え積算表示部に表示させる工程と、
   前記固有振動数でのピーク加速度であるｆ０ピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記固有振動数のピーク閾値であるｆ０閾値と比較され、前記第ｆ０ピークが前記ｆ０閾値を越えた回数を、ｆ０閾値越え積算表示部に表示させる工程と、
   ＴＰＦ閾値越え回数とｆ０閾値越え回数とを比較して変化表示部に表示させる工程と、
   を有することを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
2. 請求項１記載の加工状態監視方法であって、機械主軸の空転時の振動を閾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、前記閾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閾値を越えたと判断された際、前記加工工具又は前記ワークの振動を前記フーリエ級数展開により解析する工程と、
   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。
3. 加工工具又はワークが回転することにより、前記加工工具を介して前記ワークに加工処理を施す際、前記加工工具による加工状態を監視するための作業機械の加工状態監視システムであって、
   前記加工工具の回転数、刃数及び固有振動数を入力する入力設定部と、
   加工時の前記加工工具又は前記ワークの振動をフーリエ級数展開により解析した周波数と加速度とからなる周波数スペクトルを表示する周波数スペクトル表示部と、
   前記回転数及び前記刃数から算出された工具通過周波数でのピーク加速度であるＴＰＦピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された工具通過周波数のピーク閾値であるＴＰＦ閾値と比較され、前記ＴＰＦピークが前記ＴＰＦ閾値を越えた回数を表示させるＴＰＦ閾値越え積算表示部と、
   前記固有振動数でのピーク加速度であるｆ０ピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記固有振動数のピーク閾値であるｆ０閾値と比較され、前記ｆ０ピークが前記ｆ０閾値を越えた回数を表示させるｆ０閾値越え積算表示部と、
   ＴＰＦ閾値越え回数とｆ０閾値越え回数とを比較して表示させる変化表示部と、
   を備えることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。