JP2018054611A - Vibration measuring device - Google Patents
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
本発明は、切削加工装置等に用いる回転工具の異常振動をリアルタイムで検出することができる振動測定装置に関するものである。 The present invention relates to a vibration measuring device capable of detecting in real time an abnormal vibration of a rotary tool used in a cutting device or the like.
マシンニング切削加工装置等の加工装置において、被加工物の製品精度や製造効率、加工製品の歩留まりを考慮すると加工時の工具の状態の評価、例えば摩耗や疲労、破損、びびり等の評価することが要求される。従来、ツール評価は、装置メーカや工具メーカがその装置や工具ごとに一般化する評価基準や学術的に標準化された評価基準に基づいて行われていた。これに対して加工時における実際の工具についてのリアルタイム検証はできていなかった。 In machining equipment such as machining cutting equipment, considering the product accuracy and manufacturing efficiency of the workpiece and the yield of the processed product, evaluate the state of the tool at the time of machining, for example, evaluate wear, fatigue, breakage, chatter, etc. Is required. Conventionally, tool evaluation has been performed on the basis of an evaluation standard generalized for each apparatus or tool by an apparatus manufacturer or a tool maker, or an evaluation standard that has been academically standardized. On the other hand, real-time verification of actual tools at the time of machining could not be performed.
これに対して出願人は回転工具の加工中の温度測定、さらにこの測定結果に基づく異常予知技術について種々開発し、社会提供してきた（特許文献１、 特許文献２)。一方、工具の破損等の重要な要因として温度以外に振動があることも知られている。しかしながら、これを加工中にリアルタイム評価する具体的な方法が提供されておらず、各加工現場で熟練工の五感（目視等〉にゆだねられている現状があった。したがって、工具や装置に対して標準化された加工条件や熟練工の経験則に基づく加工条件が十分把握されてはおらず、必ずしも高速、高精度な加工が客観的に実現されているとは言えなかった。 On the other hand, the applicant has developed various kinds of temperature measurement during machining of the rotary tool, and further provided an abnormality prediction technique based on the measurement result (Patent Document 1, Patent Document 2). On the other hand, it is also known that vibration other than temperature is an important factor such as tool breakage. However, there is no specific method for real-time evaluation of this during machining, and there has been a situation where it is left to the five senses (visual observation, etc.) of skilled workers at each machining site. The standardized machining conditions and the machining conditions based on the empirical rules of skilled workers are not fully understood, and it cannot be said that high-speed and high-precision machining is objectively realized.
本発明は、切削装置等の回転加工装置で用いる回転工具の異常振動をリアルタイムで検出することができ、工具破損等の予兆検出や加工精度の向上、加工期間の短期化を実行することができる振動測定装置を提供することを目的とする。 The present invention can detect, in real time, abnormal vibration of a rotary tool used in a rotary processing apparatus such as a cutting apparatus, and can detect signs of tool breakage, improve processing accuracy, and shorten the processing period. An object is to provide a vibration measuring apparatus.
具体的に本発明は、主軸と連結され協働して軸回転するツールホルダに把持された回転工具の振動測定装置であって、回転工具の回転軸に対して水平面上に、回転軸に対称に装着された一対の加速度センサと、該加速度センサからの加速度情報を外部に無線送信する送信手段と、を備える。 Specifically, the present invention relates to a vibration measuring device for a rotary tool that is connected to a main shaft and gripped by a tool holder that rotates in cooperation with the main shaft, and is symmetrical with respect to the rotation axis on a horizontal plane with respect to the rotation axis of the rotation tool. A pair of acceleration sensors mounted on the transmitter, and transmission means for wirelessly transmitting acceleration information from the acceleration sensors to the outside.
また、本振動測定装置は、
前記水平面上で回転軸に対して前記一対の加速度センサに対して９０°回転した位置に回転軸に対称に装着された一対の加速度センサと、をさらに備えることが好ましい。
In addition, this vibration measuring device
It is preferable to further include a pair of acceleration sensors mounted symmetrically with the rotation axis at positions rotated by 90 ° with respect to the rotation axis with respect to the rotation axis on the horizontal plane.
上記本振動測定装置では、加速度センサを回転軸に対する水平な面をツールホルダや回転工具等の軸回転要素上に設け、その水平面上に加速度センサを回転軸に対称に配置することで、水平方向、回転方向の加速度を検出することができる。具体的には、回転方向の加速度については回転軸に対称な一対の加速度センサを配設すると測定することができ、水平方向（X，Y方向）の加速度については、これと９０°回転した位置にさらに一対の加速度センサを配設すると測定できる。この構成を提供している点が大きく有利な点である。 In the vibration measuring apparatus described above, the acceleration sensor is provided with a horizontal surface with respect to the rotation axis on an axis rotation element such as a tool holder or a rotation tool, and the acceleration sensor is arranged symmetrically with respect to the rotation axis on the horizontal plane. The acceleration in the rotation direction can be detected. Specifically, the acceleration in the rotation direction can be measured by arranging a pair of acceleration sensors symmetrical to the rotation axis, and the acceleration in the horizontal direction (X and Y directions) is a position rotated by 90 ° with this. Further, it can be measured by arranging a pair of acceleration sensors. The point of providing this configuration is a great advantage.
本振動測定装置によれば、水平方向、回転方向の加速度を検出することができるので、
例えば切削加工時の異常振動をリアルタイムで検出することができ、従来、目視に頼らざるを得なかった工具破損前兆の所謂「びびり」や、タッピング加工時のスティックスリップ現象等の発生を検知することができる。さらに、本振動測定装置で回転速度・送り量・切込量の最適加工条件の探索をすることもでき、背反する事象である加工工程の迅速化、安全化（工具破損防止）を同時に達成・両立させることができる。
According to this vibration measuring apparatus, since the acceleration in the horizontal direction and the rotation direction can be detected,
For example, abnormal vibration during cutting can be detected in real time, and detection of the occurrence of so-called “chatter” that is a sign of tool breakage, which had previously had to rely on visual observation, and stick-slip phenomenon during tapping, etc. Can do. In addition, the vibration measuring device can search for the optimum machining conditions for rotational speed, feed amount, and depth of cut, and at the same time, speeding up the machining process, which is a contradictory event, and ensuring safety (preventing tool breakage) Both can be achieved.
なお、ここで「外部に無線送信する」送信手段の「外部」とは、主軸の軸回転と協働して軸回転する部分以外の部分という意味であって、加工装置内であっても良い。望ましくは主軸近傍に送信手段を備え、「外部」の受信手段で、送信された加速度情報を受信し、この情報を外部の記憶・演算装置（パソコン等）で表示・分析する。
次に、本振動測定装置における回転工具の加工の具体的な配設位置例としては次の通りである。それぞれ工具の振動の発生部位に近い状況で振動を捕捉することと、配設し易い位置での振動増幅との両者の相関を加味して例示している。
Here, “external” of the transmitting means that “wirelessly transmits to the outside” means a portion other than the portion that rotates in cooperation with the rotation of the main shaft, and may be in the processing apparatus. . Desirably, a transmission means is provided in the vicinity of the main axis, and the transmitted acceleration information is received by an “external” reception means, and this information is displayed and analyzed by an external storage / arithmetic apparatus (such as a personal computer).
Next, a specific arrangement position example of the processing of the rotary tool in the vibration measuring apparatus is as follows. Each of them is illustrated taking into account the correlation between capturing vibration in a situation close to the vibration generation site of the tool and vibration amplification at a position where the tool is easily disposed.
第１例は、前記加速度センサを装着する水平面は、ツールホルダの下方又はツールホルダと回転工具との間の部材に設定される。
また、第２例は、前記ツールホルダの下方又はツールホルダと回転工具との間の部材に径を細くして上又は下方向に延びる片持ち梁を形成し、前記加速度センサを装着する水平面は、前記片持ち梁の上端に設定される。
第３例は、前記加速度センサを装着する水平面は、回転工具に設けた中空孔の下方に設定される。
第４例は、前記加速度センサを装着する水平面は、回転工具の上端に設定される。
第５例は、前記回転工具の上端に径を細くして上方に延びる片持ち梁を形成し、前記加速度センサを装着する水平面は、前記片持ち梁の上端に設定される。
In the first example, a horizontal plane on which the acceleration sensor is mounted is set below the tool holder or a member between the tool holder and the rotary tool.
Further, in the second example, a cantilever extending upward or downward is formed by reducing the diameter in a member below the tool holder or between the tool holder and the rotary tool, and a horizontal plane on which the acceleration sensor is mounted is , Set at the upper end of the cantilever.
In the third example, the horizontal plane on which the acceleration sensor is mounted is set below a hollow hole provided in the rotary tool.
In the fourth example, the horizontal plane on which the acceleration sensor is mounted is set at the upper end of the rotary tool.
In the fifth example, a cantilever extending upward with a reduced diameter is formed at the upper end of the rotary tool, and the horizontal plane on which the acceleration sensor is mounted is set at the upper end of the cantilever.
また、本振動測定装置は、
前記送信手段から外部に送信された加速度情報を受信する外部装置を備え、
前記外部装置は、予め加速度の閾値又は加速度変化の閾値を設定し、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲内か否かを検出することもできる。
In addition, this vibration measuring device
An external device for receiving acceleration information transmitted to the outside from the transmission means;
The external device may set an acceleration threshold value or an acceleration change threshold value in advance, and detect whether or not the acceleration information from the transmission means is within a set threshold value range.
この振動測定装置によれば外部に送信された加速度情報を所定の閾値を用いて異常検出することとしている。無線式の外部装置で加速度情報を検出・分析できる点で複数の回転工具を一括管理することも可能である。具体的には、下記のように異常振動信号が検出されたときに装置の停止、警告発信、加工条件の再設定の少なくともいずれかが実行されることが好ましい。 According to this vibration measuring apparatus, acceleration information transmitted to the outside is detected by using a predetermined threshold. It is also possible to collectively manage a plurality of rotary tools in that acceleration information can be detected and analyzed by a wireless external device. Specifically, it is preferable that at least one of stop of the apparatus, transmission of a warning, and resetting of machining conditions is executed when an abnormal vibration signal is detected as described below.
第１の例では、前記外部装置は、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲外であることを検出した場合に、警告する。
第２の例では、前記外部装置は、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲外であることを検出した場合に、前記主軸の軸回転を停止する。
第３の例では，前記外部装置は、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲外であることを検出した場合に、前記主軸の作動条件を変更する。
In the first example, the external device issues a warning when it is detected that the acceleration information from the transmission means is outside a set threshold range.
In a second example, when the external device detects that the acceleration information from the transmission unit is outside a set threshold range, the external device stops the rotation of the main shaft.
In a third example, when the external device detects that the acceleration information from the transmission means is outside a set threshold range, it changes the operating condition of the spindle.
また、上記振動測定装置は、切削装置の主軸と連結され協働して軸回転するツールホルダに把持された切削工具の振動測定装置であり、前記外部装置は、前記切削工具の被加工物への切込量を固定値に設定した状態で順次、回転数を上昇させながら前記加速度センサで加速度情報を検出し、回転数を上昇させる過程で、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲外であることを検出し，その後にさらに高い回転数で前記閾値の範囲内であることを検出した場合に、その時点での前記切削工具の回転数と切込量とを設定する第一工程と、前記切削工具の回転数を前記第一工程で設定された回転数を固定値に設定した状態で順次、前記切削工具の被加工物への切込量を増加させながら前記加速度センサで加速度情報を検出し、切込量を増加させる過程で、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲外であることを検出した場合に、その前の時点での前記切削工具の回転数と切込量とを設定する第二工程と、により前記切削工具の最適な作動条件を設定する、こともできる。 The vibration measuring device is a vibration measuring device of a cutting tool that is connected to a main shaft of the cutting device and is gripped by a tool holder that rotates in cooperation with the spindle, and the external device is connected to a workpiece of the cutting tool. In a process in which acceleration information is detected by the acceleration sensor while increasing the rotation speed in a state where the cutting amount is set to a fixed value, the acceleration information from the transmission means is set in the process of increasing the rotation speed. When it is detected that it is outside the range, and after that it is detected that it is within the range of the threshold at a higher rotational speed, the rotational speed and cutting depth of the cutting tool at that time are set. The acceleration sensor while sequentially increasing the cutting amount of the cutting tool into the work piece in a state where the number of rotations of the cutting tool is set to a fixed value for the number of rotations of the cutting tool. Acceleration information is detected with In the process of increasing, when it is detected that the acceleration information from the transmission means is outside the set threshold range, the number of rotations and cutting depth of the cutting tool at the previous time point are set. The optimum operating conditions of the cutting tool can be set in two steps.
従来は異常振動が発生するとその加工速度を緩やかにする方法が採用されており、加工時間と工具破損の安全とは背反する概念と考えられていたが、例えば切削工程において学究的には単に加工速度・切込量が大きくなるほど異常振動が発生するものではなく、両者の相関で決定されることがわかっている。本振動測定装置によれば、リアルタイムで加速度を検出できるため切削装置や被加工物ごとに最適条件を探索していくことを可能としている。 Conventionally, a method of slowing down the processing speed when abnormal vibration occurs has been adopted as a concept that contradicts the processing time and safety of tool breakage. It is known that abnormal vibration does not occur as the speed / cutting amount increases, and is determined by the correlation between the two. According to this vibration measuring apparatus, since acceleration can be detected in real time, it is possible to search for an optimum condition for each cutting apparatus or workpiece.
以上，本発明の振動測定装置によれば、回転加工装置で用いる回転工具の異常振動をリアルタイムで検出することができ、工具破損等の予兆検出や加工精度の向上、加工期間の短期化を実行することができる。 As described above, according to the vibration measuring apparatus of the present invention, it is possible to detect in real time the abnormal vibration of the rotary tool used in the rotary machining apparatus, detect signs of tool breakage, improve machining accuracy, and shorten the machining period. can do.
《装置構成例》
図１(a)は、マシニングセンタの回転主軸2に本振動測定装置を備えたツールホルダユニット１が把持された状態の写真図を示している。このツールホルダユニット1は、通常のツールホルダと同様にその上部を回転主軸２に把持され、下部で工具を把持するものであり、通常のツールホルダと異なり、加工中の工具近傍の状態をリアルタイムに検出できる機能を有するユニットとして形成されている。
《Example of device configuration》
FIG. 1A shows a photographic view of a state in which a tool holder unit 1 equipped with the present vibration measuring device is held on a rotating spindle 2 of a machining center. The tool holder unit 1 is gripped by the rotary spindle 2 at the upper part and grips the tool at the lower part in the same way as a normal tool holder. Unlike a normal tool holder, the tool holder unit 1 shows the state near the tool being processed in real time. It is formed as a unit having a detectable function.
具体的には、加工中の工具の振動等を測定し、そのデータをデジタル化して外部に送信し、外部端末で受信し、分析する。
図１(ｂ)は、図１(ａ)のツールホルダユニット１からのデータを受信し、分析する外部端末の例示写真である。レシーバ３１はツールホルダユニット１からのデジタルデータを受信し、パソコン３２に送信する。レシーバ３１から送信されたデータを受信したパソコン３２は内部の専用ソフトウェアで処理（又は演算）してディスプレイ上に表示している。
Specifically, the vibration of the tool being processed is measured, the data is digitized, transmitted to the outside, received by the external terminal, and analyzed.
FIG.1 (b) is an example photograph of the external terminal which receives and analyzes the data from the tool holder unit 1 of Fig.1 (a). The receiver 31 receives digital data from the tool holder unit 1 and transmits it to the personal computer 32. The personal computer 32 that has received the data transmitted from the receiver 31 is processed (or calculated) by internal dedicated software and displayed on the display.
《ツールホルダユニットの構成及び加速度センサの搭載位置》
図２はツールホルダユニット１の縦断面図を示している。図２では紙面上方を回転主軸２側とし、下方が切削工具側とする。ツールホルダユニット１は、ツバ部３aより上方で回転主軸１に入れ子状に挿入・把持されて回転主軸１と協働回転する。また、内部は中空であり下部で工具を把持するチャック５が固定されている。チャック５の上方には部品配置用の空隙３cが設けられ、この空隙３cに電池４が配設されている。この電池４は充電式でもよい。各種センサからのデータは空隙３cに配設された制御基板９でＡ／Ｄ変換されて、貫通孔を介して接続しているツールホルダ本体３の外周部側の無線送信デバイス７から送信される。
なお、各種センサからのデータはツールホルダ本体３の外周部の制御基板でＡ／Ｄ変換されても良い。
<Configuration of tool holder unit and mounting position of acceleration sensor>
FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of the tool holder unit 1. In FIG. 2, the upper side of the paper is the rotating spindle 2 side, and the lower side is the cutting tool side. The tool holder unit 1 is inserted and grasped in a nested manner in the rotary spindle 1 above the brim portion 3a, and rotates in cooperation with the rotary spindle 1. Moreover, the inside is hollow and the chuck | zipper 5 which holds a tool in the lower part is being fixed. A gap 3c for component placement is provided above the chuck 5, and a battery 4 is disposed in the gap 3c. The battery 4 may be rechargeable. Data from various sensors is A / D converted by the control board 9 disposed in the gap 3c and transmitted from the wireless transmission device 7 on the outer peripheral side of the tool holder body 3 connected through the through hole. .
Data from various sensors may be A / D converted by the control board on the outer periphery of the tool holder body 3.
各種センサについて、工具内配設の熱電対による温度計測例がすでに開発されてきたが、本発明の主題とする切削工具等の振動検出には加速度センサを用いる。この加速度センサの配設例について説明する。図２の例では切削点の振動をより的確に捉えるために空隙３cの最下端の位置に設けた例を示している。なお、ここで大容積の電池については加速度センサ６よりも回転主軸２（図２の紙面上側）側に収容する構成を一例として挙げておく。以下、加速度センサ６の配置位置例について説明する。 Regarding various sensors, temperature measurement examples using thermocouples arranged in the tool have already been developed, but an acceleration sensor is used for vibration detection of a cutting tool or the like that is the subject of the present invention. An arrangement example of the acceleration sensor will be described. In the example of FIG. 2, an example is shown in which the vibration is provided at the lowermost position of the gap 3 c in order to capture the vibration at the cutting point more accurately. Here, a configuration in which a large-capacity battery is accommodated on the rotating spindle 2 (upper side in FIG. 2) side than the acceleration sensor 6 is described as an example. Hereinafter, an exemplary arrangement position of the acceleration sensor 6 will be described.
図３は加速度センサ６の６種類の配置位置例を示す模式図である。上述した図２の工具１１の後端近傍に加速度センサ６を配置する例は図３(b)に示している。その他、工具振動を測る手法に近い例として図３(a)では工具１１の中空内部の先端（下端）に加速度センサ６を装着しており、図３(c)では工具１１の後端（上端）に加速度センサ６を装着している。また、図３(d)は工具１１の後端（上端）に、振動振幅を増幅せるための片持ち梁１１aを形成し、その先端（上端）に加速度センサ６を装着している。また、図３(e)では、工具のチャック５の先端（上端）に装着している。図３(f)では、ツールホルダ本体３内の空隙３cに振動振幅を増幅するための片持ち梁３e又はこれに類似する部品を形成し、その先端に加速度センサ６を装着する例が示されている。 FIG. 3 is a schematic diagram showing examples of six types of arrangement positions of the acceleration sensor 6. An example in which the acceleration sensor 6 is arranged in the vicinity of the rear end of the tool 11 shown in FIG. 2 is shown in FIG. In addition, as an example close to the method of measuring the tool vibration, the acceleration sensor 6 is attached to the tip (lower end) of the hollow inside of the tool 11 in FIG. 3 (a), and the rear end (upper end) of the tool 11 in FIG. 3 (c). ) Is equipped with an acceleration sensor 6. In FIG. 3D, a cantilever 11a for amplifying the vibration amplitude is formed at the rear end (upper end) of the tool 11, and the acceleration sensor 6 is mounted at the front end (upper end). Moreover, in FIG.3 (e), it has mounted | worn with the front-end | tip (upper end) of the chuck 5 of a tool. FIG. 3 (f) shows an example in which the cantilever 3e for amplifying the vibration amplitude or a similar part is formed in the gap 3c in the tool holder body 3 and the acceleration sensor 6 is attached to the tip of the cantilever 3e. ing.
《加速度検出の方向》
図４は（a)にツールホルダユニット１の斜視図が示されており、（b)に（a)の加速度センサ６の配設位置における軸垂直に沿った断面図上（参照番号６の位置）での加速度センサ６の配置関係を示している。図４においてX方向とはそれぞれ矢印ｘｘに示すようにツールホルダユニット本体３に対して軸方向に垂直な任意の横方向の一つであり、Y方向とはそれぞれ矢印ｙｙに示すように矢印ｘｘから軸周りに９０°回転した方向である。ここに示す加速度センサ６は圧電式加速度センサであり、回転軸Оを中心に対向する位置に２個で一対となって、それぞれX方向用、Y方向用に直交に二対配設される。
《Direction of acceleration detection》
4A is a perspective view of the tool holder unit 1 in FIG. 4A, and FIG. 4B is a cross-sectional view along the axis perpendicular to the position where the acceleration sensor 6 is disposed in FIG. ) Shows the arrangement relationship of the acceleration sensor 6. In FIG. 4, the X direction is one of arbitrary lateral directions perpendicular to the axial direction with respect to the tool holder unit main body 3 as indicated by an arrow xx, and the Y direction is an arrow xx as indicated by an arrow yy. This is a direction rotated 90 ° around the axis. The acceleration sensor 6 shown here is a piezoelectric acceleration sensor, and two pairs are arranged at positions opposed to each other about the rotation axis O, and two pairs are arranged orthogonally for the X direction and Y direction, respectively.
具体的には、図４(b)に示すように、加速度センサ６は、回転軸に水平（垂直）な同一平面上に少なくとも二対で４つ配設されている。一対の加速度センサ６aは軸線中心ＯにX方向（矢印ｘｘ方向）で対向して同距離の位置にそれぞれY方向に対して逆向きの感度を有するように配設されている。また、他の一対の加速度センサ6 b 2、6 b 2も同様に中心ＯからY方向（矢印ｙｙ方向〉で対向して同距離の位置にそれぞれX方向に対して逆向きの感度を有するように配設されている。 Specifically, as shown in FIG. 4B, at least four pairs of acceleration sensors 6 are arranged on the same plane horizontal (vertical) to the rotation axis. The pair of acceleration sensors 6a are arranged to face the axis center O in the X direction (arrow xx direction) and have sensitivity opposite to the Y direction at the same distance. Similarly, the other pair of acceleration sensors 6 b 2 and 6 b 2 are opposed to each other in the Y direction (arrow yy direction) from the center O and have the opposite sensitivity to the X direction at the same distance. It is arranged.
ここで二対の加速度センサ６ a、６ bの個々のセンサはそれぞれY1、Y2、X1、X2と図４ (b)では標記している。それぞれのセンサ６a (Y1)、６a(Y2)、６b(X1)、６b(X2)におけるY方向、X方向の加速度Ay1、Ay 2、Ax1、Ax 2 (矢印参照）から、加速度センサ６の配置位置でのチャック５のX方向の加速度Ax、Y方向の加速度Ay、接線方向の加速度Am'、接線方向の角加速度Amは、以下のように算出できる。 Here, the individual sensors of the two pairs of acceleration sensors 6a and 6b are denoted by Y1, Y2, X1 and X2, respectively, in FIG. 4B. Arrangement of the acceleration sensor 6 from the accelerations Ay1, Ay2, Ax1, Ax2 (see arrows) in the Y direction and X direction in each sensor 6a (Y1), 6a (Y2), 6b (X1), 6b (X2) The X-axis acceleration Ax, the Y-direction acceleration Ay, the tangential acceleration Am ′, and the tangential angular acceleration Am of the chuck 5 at the position can be calculated as follows.
Ax = (Ax1-Ax2) /2
Ay = (Ay1-Ay2) / 2
Am' = (Ax1+Ax2) / 2
Am [rev./s2] = Am' [m/s2] / (直径[mm] × 1 0 -3×π) [m]
Am [rad/s2] =Am' [m/s2]/ (直径[mm] × 1 0-3/2) [m]
従って、加速度センサ６を回転軸Оに対称に配置すると、水平方向（x、y)と回転方向の両方の加速度を検出できることがわかる。
Ax = (Ax1-Ax2) / 2
Ay = (Ay1-Ay2) / 2
Am '= (Ax1 + Ax2) / 2
Am [rev./s 2 ] = Am '[m / s 2 ] / (Diameter [mm] × 1 0 -3 × π) [m]
Am [rad / s 2 ] = Am '[m / s 2 ] / (Diameter [mm] × 1 0 -3 / 2) [m]
Therefore, it can be seen that if the acceleration sensor 6 is arranged symmetrically with respect to the rotation axis О, acceleration in both the horizontal direction (x, y) and the rotation direction can be detected.
《加工と加速度の関係》
また、図５には（a)に被加工物（ワーク）１２を切削していく際に発生する負荷と加速度との関係を示しており、（b)はカッター（工具）１１から見た加速度を示す図を示している。図５ (a)に示すようにカッター１１の回転方向Wに回転させながら紙面左方に進行させることでチップ１３が被加工物１２を切削研削している。このときチップ１３aと被加工物１２との接触点（切削点）では、図５ (a)に示すようにカッター１１の後方（つまり接線の前方）に荷重が作用し、その接線方向の分力がFm、法線方向の分力がFrで示されている。さらに、分力Frに応じて動摩擦力が分力Fmと反対方向にMFmとして作用している。
<Relationship between machining and acceleration>
FIG. 5 shows the relationship between the load and acceleration generated when the workpiece (workpiece) 12 is cut in FIG. 5A, and FIG. 5B shows the acceleration seen from the cutter 11. The figure which shows is shown. As shown in FIG. 5 (a), the tip 13 cuts and grinds the workpiece 12 by advancing to the left side of the sheet while rotating in the rotation direction W of the cutter 11. At this time, at the contact point (cutting point) between the tip 13a and the workpiece 12, as shown in FIG. 5A, a load acts on the rear side of the cutter 11 (that is, in front of the tangent line), and the component force in the tangential direction. Is Fm, and normal component is Fr. Furthermore, the dynamic friction force acts as MFm in the direction opposite to the component force Fm according to the component force Fr.
このような力がチップ１３に作用すると、カッター１１、ひいてはツールホルダユニッ卜１(チャック５)に加速度が作用する。したがって、図４ (b)で上述したような加速度センサ６a、６bを設け、そのX、Y方向の加速度を測定すると、X方向、Y方向、回転方向にどれだけの加速度が作用しているかがわかる。その結果、振動測定も可能となる。 When such a force acts on the tip 13, acceleration acts on the cutter 11, and consequently the tool holder unit 1 (chuck 5). Therefore, when the acceleration sensors 6a and 6b as described above with reference to FIG. 4B are provided and the accelerations in the X and Y directions are measured, how much acceleration is acting in the X, Y, and rotation directions. Recognize. As a result, vibration measurement is also possible.
《振動計測信号の流れ》
図６に、本振動測定装置において振動測定する様子を表すブロック図が示されている。
まずツールホルダ本体３では上述した加速度センサ６a(y1)、６a (y2)、６b (x1)、６a(x2)からアナログ信号の振動情報が送信され、オペアンプ等の増幅回路１５により、インピーダンスを整合し、電圧増幅し、後段の回路に応じたゲイン調整が行われる。また、増幅回路１５からの出力信号は加速度センサ６の共振周波数の影響を避けるためにローパスフィルタ（ハイカットフィルタ）１６により高周波数（ここでは１０ｋＨｚで検証）をカットして信号出力することもできる。ローパスフィルタ１６からの送信信号はオペアンプ等で構成される、減算回路（差動増幅回路）１７、減算回路１８、加算回路１９で受信される。減算回路１７では、加速度センサ６b(x1),６b(x2)からの電圧差の所定倍数の電圧を出力、すなわちX方向の並行振動信号を出力する。減算回路１８では、加速度センサ６a(y1)、６a(y2)からの電圧差の所定倍数の電圧を出力、すなわちY方向の並行振動信号を出力する。また、加算回路１９では、加速度センサ６b(x2)、６b(x2)からの電圧それぞれの所定倍数の和の電圧を出力、すなわち回転方向の振動信号を出力する。
<Flow of vibration measurement signal>
FIG. 6 is a block diagram showing how vibration is measured in the vibration measuring apparatus.
First, in the tool holder body 3, analog signal vibration information is transmitted from the acceleration sensors 6a (y1), 6a (y2), 6b (x1), and 6a (x2) described above, and impedance matching is performed by an amplifier circuit 15 such as an operational amplifier. Then, voltage amplification is performed, and gain adjustment is performed in accordance with the subsequent circuit. Further, the output signal from the amplifier circuit 15 can be output by cutting a high frequency (verified at 10 kHz here) by a low-pass filter (high cut filter) 16 in order to avoid the influence of the resonance frequency of the acceleration sensor 6. A transmission signal from the low-pass filter 16 is received by a subtracting circuit (differential amplifier circuit) 17, a subtracting circuit 18, and an adding circuit 19, which are constituted by an operational amplifier or the like. The subtraction circuit 17 outputs a voltage that is a predetermined multiple of the voltage difference from the acceleration sensors 6b (x1) and 6b (x2), that is, outputs a parallel vibration signal in the X direction. The subtraction circuit 18 outputs a voltage that is a predetermined multiple of the voltage difference from the acceleration sensors 6a (y1) and 6a (y2), that is, outputs a parallel vibration signal in the Y direction. Further, the adder circuit 19 outputs a voltage that is a sum of predetermined multiples of the voltages from the acceleration sensors 6b (x2) and 6b (x2), that is, outputs a vibration signal in the rotational direction.
減算回路１７、減算回路１８、加算回路１９からの出力信号は、平均化処理回路２０で受信される。平均化処理回路２０では、振動の大きさを定最的に捉えるための処理が行われ、例えば、ＲＭＳ (二乗平均平方根）による平均化処理をし、加速度の実効値を出力する。その後、Ａ／Ｄ変換器２１によりアナログ信号をデジタル信号に変換し、マイコンで送信データを処理して無線送受信機２２で外部送信される。無線送信された振動情報（振動データ）は、無線受信機３１で受信されて、シリアルUSB変換器等を介して専用ソフトウェアをインストールしたパーソナルコンピュータ３２で処理されてディスプレイ上に表示される。 Output signals from the subtraction circuit 17, the subtraction circuit 18, and the addition circuit 19 are received by the averaging processing circuit 20. In the averaging processing circuit 20, processing for maximally capturing the magnitude of vibration is performed. For example, averaging processing using RMS (root mean square) is performed, and an effective value of acceleration is output. Thereafter, the analog signal is converted into a digital signal by the A / D converter 21, the transmission data is processed by the microcomputer, and is transmitted to the outside by the wireless transceiver 22. The vibration information (vibration data) transmitted wirelessly is received by the wireless receiver 31, processed by the personal computer 32 in which the dedicated software is installed via a serial USB converter or the like, and displayed on the display.
《実施例１(最適加工条件の検索)》
本振動測定装置により加工中の工具１１の異常振動を検出することができ、工具破断の深刻な予兆である切削加工時の不安定切削（所謂「びびり」)の発生についても検出することができる。従来は、この「びびり」の発生を目視や異音、装置の異常信号等で認識したときに、被加工物１２への切込量や回転速度を小さくすることで対応していた。これに対して本振動測定装置を活用すれば、単に切込量や回転速度を小さくするのではなく、切込量や回転数が大きくなっても「びびり」が生じない領域を検知することも可能である。
<< Example 1 (Search for optimum machining conditions) >>
This vibration measuring device can detect abnormal vibration of the tool 11 being processed, and can also detect occurrence of unstable cutting (so-called “chatter”) during cutting, which is a serious sign of tool breakage. . Conventionally, when the occurrence of “chatter” is recognized by visual observation, abnormal sound, an abnormal signal of the apparatus, or the like, it has been dealt with by reducing the depth of cut and the rotational speed of the workpiece 12. On the other hand, if this vibration measuring device is used, it is possible not only to reduce the cutting depth and rotation speed, but also to detect areas where chatter does not occur even if the cutting depth and rotation speed increase. Is possible.
図7は、本振動測定装置により工具１１の振動の測定結果の活用例１を示すグラフ図である。図７では、縦軸は被加工物１２への切込量（mm)、横軸を工具１１の回転速度（rpm)として、不安定切削領域（白色領域Ａ)と安定切削領域（グレー領域Ｂ)とが示されている。この不安定切削領域（白色領域Ａ)と安定切削領域（グレー領域Ｂ)とは、工具１１や被加工物１２等の条件ごとに変化するものであり、学究的な例は存在するが実際の振動測定対象の個々の工具１１において具体的に示されるようなものではなかった。 FIG. 7 is a graph showing a utilization example 1 of the measurement result of the vibration of the tool 11 by the vibration measuring apparatus. In FIG. 7, the vertical axis represents the depth of cut (mm) into the workpiece 12, and the horizontal axis represents the rotational speed (rpm) of the tool 11, and the unstable cutting area (white area A) and the stable cutting area (gray area B). ). The unstable cutting region (white region A) and the stable cutting region (gray region B) change depending on conditions such as the tool 11 and the workpiece 12, and although there are academic examples, It was not as specifically shown in each tool 11 to be measured for vibration.
しかしながら、例えば、図7の黒丸印に示すように「びびり」が実際に検出されたときの回転速度が２５００rpm、切込量が１mmであった場合は、安定切削領域Ｂでの工具１１回転であることがわかる（実際に「びびり」が検出されているので）。この状態から矢印（１）に示すように、回転数をあげながら本振動測定装置で「びびり」発生の有無を検証すると、より高回転な加工条件でも「びびり」が発生しない条件を探索することができる。図７の例では、２７００rpm前後で一度、「びびり」が消失し、再度「びびり」が発生した後、また５０００rpm近傍で「びびり」が消失することが探索により検証されることが理解できるであろう。 However, for example, as shown by the black circles in FIG. 7, when the chatter is actually detected and the rotational speed is 2500 rpm and the cutting depth is 1 mm, the tool 11 rotates in the stable cutting region B. It can be seen (because “chatter” is actually detected). From this state, as shown by the arrow (1), if the presence or absence of “chatter” is verified with this vibration measuring device while increasing the number of rotations, a search is made for a condition in which “chatter” does not occur even under higher rotation machining conditions. Can do. In the example of FIG. 7, it can be understood that “chatter” disappears once at around 2700 rpm, “chatter” occurs again, and then it is verified by the search that “chatter” disappears at around 5000 rpm. Let's go.
また、その時点から、矢印（２）に示すように切込量を大きくしていき、本振動測定装置で「びびり」発生の有無を検証すると、より高い切り込みとなる加工条件でも「びびり」が発生しない限界点を探索することができる。図7の例では、切込量が3mm程度（上方の白丸印）が「びびり」が発生しない限界点であることが探索により検証されるであろう。このように本振動測定装置で加工中の複数点の振動異常を探索的に測定することで、従来、検証できなかったシビアな条件での安定切削領域Ａを検出することができ、工具１１の破断を回避しながら迅速な加工を容易に達成し得る。 From that point on, the amount of cut increases as shown by the arrow (2), and the presence or absence of “chatter” is verified by this vibration measuring device. It is possible to search for a limit point that does not occur. In the example of FIG. 7, it will be verified by searching that the cut amount is about 3 mm (upper white circle) is a limit point at which “chatter” does not occur. As described above, the vibration measurement apparatus is used to exploratively measure vibration abnormalities at a plurality of points during machining, whereby the stable cutting region A under severe conditions that could not be verified conventionally can be detected. Rapid processing can be easily achieved while avoiding breakage.
《実施例２》
図８には本振動測定装置を活用し、一般的な加工における異常振動の検出による加工停止等フロー示されている。まず、加工が開始され、加速度センサ6による加速度測定が開始される（STEP1)。次に、工具11の位置決めを行い（STEP2)、研削加工等を行う（STEP3)。なお、加速度測定はSTEP2のとき、あるいはSTEP3のときから開始しても良い。加工中に異常振動の信号が検出されると（STEP4)、（１）機械（装置）の停止による加工中止、（２）回転速度や進行速度を減速する等の加工条件を変更、（３）警告音の発信や警告表示等、アラーム表示、のいずれかの措置を行う（STEP6)。STEP4の異常信号の検出・判定は、予め設定された加速度や加速度変化量の限界値を閾値として検出・判定することが例示される。異常振動の信号検出がされない限り、次の加工（STEP5)へ進み、次加工の有無の判定により、STEP2へ継続、あるいは、加工が終了（STEP7)する。
Example 2
FIG. 8 shows a flow of processing stoppage, etc., by detecting abnormal vibration in general processing using this vibration measuring device. First, machining is started and acceleration measurement by the acceleration sensor 6 is started (STEP 1). Next, the tool 11 is positioned (STEP 2), and grinding is performed (STEP 3). The acceleration measurement may be started at STEP2 or STEP3. When abnormal vibration signal is detected during machining (STEP 4), (1) Stop machining by stopping the machine (device), (2) Change machining conditions such as decelerating the rotation speed and traveling speed, (3) Take any action of alarm display, such as sending out warning sound or warning display (STEP 6). The detection / determination of the abnormal signal in STEP 4 is exemplified by detection / determination using a preset acceleration or limit value of the acceleration change amount as a threshold value. Unless abnormal vibration signal is detected, the process proceeds to the next machining (STEP 5), and continues to STEP 2 or the machining is completed (STEP 7) depending on the determination of the presence or absence of the next machining.
《実施例３》
図９には本振動測定装置を活用し、複数穴連統タッピング加工におけるスティックスリップ検出による加工停止等フローが示されている。まず、タップ加工が開始され、加速度センサ６による加速度測定が開始される（STEP11)。次に、タップ（工具）１１の位置決めを行い（STEP12)、タップ加工を行う（STEP13)。なお、図８ (実施例２)と同様に加速度測定は、このSTEP12のとき、あるいはSTEP13のときから開始しても良い。加工中にスティックスリップ現象の信号が検出されると（STEP14)、（１）機械（装置）の停止による加工中止、（２）回転速度や進行速度を減速する等の加工条件を変更、（３）警告音の発信や警告表示等、アラーム表示、のいずれかの措置を行う（STEP16)。STEP14のスティックスリップ現象の信号（異常信号)の検出・判定は、予めスティックスリップ現象を生じるとして設定された加速度や加速度変化量の限界値を閾値として検出・判定することが例示される。スティックスリップ現象の信号検出がされない限り、次の加工（STEP15)へ進み、次加工の有無の判定により、STEP12へ継続、あるいは、加工が終了（STEP17)する。
Example 3
FIG. 9 shows a flow of machining stop and the like due to stick-slip detection in multi-hole continuous tapping using this vibration measuring device. First, tapping is started, and acceleration measurement by the acceleration sensor 6 is started (STEP 11). Next, the tap (tool) 11 is positioned (STEP 12) and tapped (STEP 13). Note that, as in FIG. 8 (Example 2), acceleration measurement may be started at STEP 12 or at STEP 13. When a signal of stick-slip phenomenon is detected during machining (STEP 14), (1) Stop machining by stopping the machine (device), (2) Change machining conditions such as reducing the rotational speed and traveling speed, (3 ) Take any action of alarm display such as transmission of warning sound or warning display (STEP 16). The detection / determination of the signal (abnormal signal) of the stick-slip phenomenon in STEP 14 is exemplified by detection / determination using the threshold value of the acceleration or acceleration change amount set in advance as causing the stick-slip phenomenon as a threshold value. Unless the signal of the stick-slip phenomenon is detected, the process proceeds to the next machining (STEP 15), and continues to STEP 12 or the machining is completed (STEP 17) depending on the determination of the presence or absence of the next machining.
1 ツールホルダユニット
2 回転主軸
3 ツールホルダ本体
3 a ツバ部
3 c 空隙
4 電池
5 チャック
6 加速度センサ
7 無線送信デバイス（アンテナ）
9 制御基板
11 工具（カッター）
11a 片持ち梁
12 被加工物（ワーク）
13 チップ（切れ刃）
15 増幅回路
16 ローパスフィルタ
17 減算回路
18 減算回路
19 加算回路
20 平均化処理回路
21 A/D変換器
22 無線送受信機
31 レシーバ
32 パソコン
1 Tool holder unit
2 Rotating spindle
3 Tool holder body
3 a collar
3 c gap
4 batteries
5 Chuck
6 Accelerometer
7 Wireless transmission device (antenna)
9 Control board
11 Tool (cutter)
11a cantilever
12 Workpiece
13 inserts
15 Amplifier circuit
16 Low pass filter
17 Subtraction circuit
18 Subtraction circuit
19 Adder circuit
20 Averaging circuit
21 A / D converter
22 Wireless transceiver
31 receiver
32 PC
Claims (12)
回転工具の回転軸に対する水平面上に回転軸に対称に装着された一対の加速度センサと該加速度センサからの加速度情報を外部に無線送信する送信手段と、を備える、振動測定装置。 A vibration measuring device for a rotating tool held by a tool holder connected to a main shaft and rotating in cooperation with the main shaft,
A vibration measurement apparatus comprising: a pair of acceleration sensors mounted symmetrically with respect to a rotation axis on a horizontal plane with respect to the rotation axis of the rotary tool; and transmission means for wirelessly transmitting acceleration information from the acceleration sensor to the outside.
前記外部装置は、予め加速度の閾値又は加速度変化の閾値を設定し、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲内か否かを検出する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動測定装置。 An external device for receiving acceleration information transmitted to the outside from the transmission means;
The external device sets an acceleration threshold value or an acceleration change threshold value in advance, and detects whether the acceleration information from the transmission unit is within a set threshold value range. The vibration measuring device described in 1.
前記外部装置は、
前記切削工具の被加工物への切込量を固定値に設定した状態で順次、回転数を上昇させながら前記加速度センサで加速度情報を検出し、回転数を上昇させる過程で、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲外であることを検出し、その後にさらに高い回転数で前記閾値の範囲内であることを検出した場合に、その時点での前記切削工具の回転数と切込量とを設定する第一工程と、
前記切削工具の回転数を前記第一工程で設定された回転数を固定値に設定した状態で順次、前記切削工具の被加工物への切込量を増加させながら前記加速度センサで加速度情報を検出し、切込量を増加させる過程で、前記送信手段からの加速度情報が設定された閾値の範囲外であることを検出した場合に、その前の時点での前記切削工具の回転数と切込量とを設定する第二工程と、により前記切削工具の最適な作動条件を設定する、振動測定装置。 The vibration measuring device according to claim 8 is a vibration measuring device for a cutting tool that is connected to a main shaft of a cutting device and is gripped by a tool holder that rotates in cooperation with the main shaft.
The external device is
In the process of detecting acceleration information with the acceleration sensor while increasing the rotation speed in a state where the cutting amount of the cutting tool into the workpiece is set to a fixed value, If the acceleration information is detected to be outside the set threshold range, and then detected to be within the threshold range at a higher rotational speed, the rotational speed of the cutting tool at that time A first step of setting a cutting depth;
While the rotation speed of the cutting tool is set to a fixed value in the first step, acceleration information is obtained from the acceleration sensor while increasing the amount of cutting of the cutting tool into the workpiece. In the process of detecting and increasing the cutting amount, when it is detected that the acceleration information from the transmission means is outside the set threshold range, the rotation speed of the cutting tool and the cutting speed at the previous time are detected. A vibration measuring device that sets an optimum operating condition of the cutting tool by a second step of setting a loading amount.
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