JP2020042347A - Machine tool and tool abnormality determination method - Google Patents

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Abstract

To provide a machine tool and a tool abnormality determination method capable of easily and accurately detecting an abnormality of a tool even when a tool or cutting conditions change.SOLUTION: A machine tool according to a present embodiment includes: a drive mechanism for driving a control object that moves a workpiece or a tool and rotating a tool having a plurality of blades for cutting the workpiece; a motor for operating the drive mechanism; a first position sensor; a second position sensor; a current control unit for controlling a supply current to the motor; a servo control unit that outputs a torque command that determines the supply current to the current control unit; and a numerical control unit that calculates a processing force for the workpiece, which is the control object, on the basis of the position information of the motor, the position information of the control object, and the torque command. The numerical control unit calculates an amplitude of the processing force for each frequency, and determines that an abnormality occurs in the tool on the basis of the ratio of the amplitude at the first frequency, which is the rotation frequency of the tool multiplied by the number of blades, to the amplitude at the second frequency, which is an integral multiple of the rotation frequency of the tool.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明による実施形態は、工作機械および工具異常判定方法に関する。   Embodiments according to the present invention relate to a machine tool and a tool abnormality determination method.

工作機械は、例えば、主軸に装着された工具を用いてワークを加工する。工作機械の数値制御装置(以下、NC(Numerical Controller)装置ともいう)は、主軸に指令を出力し、該主軸の動作を制御するとともに、主軸のトルク、即ち、モータの負荷電流を監視する。NC装置は、主軸のトルクを監視することによって、ワークの加工に用いられる工具の異常を検知している。   A machine tool processes a workpiece using a tool mounted on a spindle, for example. A numerical controller (hereinafter, also referred to as an NC (Numerical Controller) device) of a machine tool outputs a command to a spindle, controls operation of the spindle, and monitors torque of the spindle, that is, a load current of the motor. The NC device detects an abnormality of a tool used for machining a workpiece by monitoring a torque of a spindle.

例えば、工作機械が或る工具で最初にワークを加工する時、NC装置は、主軸の回転開始から切削前の無負荷状態を経て定常切削になるまでの主軸のトルクを監視する。NC装置は、最初の加工における定常切削時の主軸のトルクを基準トルクとして記憶する。次回以降の加工において、定常切削時の主軸のトルクが記憶した基準トルクに比べて或る程度以上の大きさになると、NC装置は、工具に異常が生じたと判定する。   For example, when a machine tool first processes a workpiece with a certain tool, the NC device monitors the torque of the spindle from the start of rotation of the spindle to a steady cutting through a no-load state before cutting. The NC device stores the torque of the main shaft during steady cutting in the first machining as a reference torque. In the subsequent machining, when the torque of the main spindle during steady cutting becomes larger than the stored reference torque by a certain degree or more, the NC device determines that an abnormality has occurred in the tool.

特開2015−143969号公報JP 2015-143969 A

しかし、工具の種類によって、基準トルクの値が変わってしまう。従って、工具ごとに基準トルクを記憶する必要があった。また、主軸回転数、送り速度、切り込み量等の切削条件が変わると、基準トルクの値も変わってしまう。従って、基準トルクを記憶する場合、1回の加工ごとに切削条件が変わると、正しく工具の異常を検知することが困難になるという問題があった。   However, the value of the reference torque changes depending on the type of tool. Therefore, it is necessary to store the reference torque for each tool. Further, when the cutting conditions such as the spindle speed, the feed speed, and the cutting depth change, the value of the reference torque also changes. Therefore, when the reference torque is stored, there is a problem that it is difficult to correctly detect the abnormality of the tool if the cutting condition changes for each processing.

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、工具や切削条件が変わっても工具の異常を容易かつ正確に検知することができる工作機械および工具異常判定方法を提供することである。   Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and provides a machine tool and a tool abnormality determination method capable of easily and accurately detecting an abnormality of a tool even when a tool or cutting conditions are changed. It is.

本実施形態による工作機械は、ワークまたは工具を移動させる制御対象を駆動し、ワークを切削する複数の刃を有する工具を回転させながらワークを切削する駆動機構と、駆動機構を動作させるモータと、制御対象の位置を検出する第1位置センサと、モータの位置を検出する第2位置センサと、モータへの供給電流を制御する電流制御部と、供給電流を決定するトルク指令を電流制御部へ出力するサーボ制御部と、第1位置センサから得たモータの位置情報と第2位置センサから得た制御対象の位置情報とトルク指令とに基づいて、制御対象のワークに対する加工力を算出する数値制御部と、を備え、数値制御部は、周波数ごとに加工力の振幅を算出し、工具の回転周波数に複数の刃の数を掛けた第1周波数における振幅と工具の回転周波数の整数倍の第2周波数における振幅との比率に基づいて、工具に異常が生じたと判断する。   The machine tool according to the present embodiment drives a control object that moves a work or a tool, and a drive mechanism that cuts the work while rotating a tool having a plurality of blades that cuts the work, and a motor that operates the drive mechanism, A first position sensor for detecting the position of the control target, a second position sensor for detecting the position of the motor, a current control unit for controlling the supply current to the motor, and a torque command for determining the supply current to the current control unit A numerical value for calculating a machining force for a work to be controlled based on a servo control unit to be output, and position information of a motor obtained from a first position sensor, position information of a control target obtained from a second position sensor, and a torque command. The numerical control unit calculates the amplitude of the machining force for each frequency, the amplitude at a first frequency obtained by multiplying the rotation frequency of the tool by the number of blades, and the rotation frequency of the tool Based on the ratio of the amplitude and the second frequency of an integral multiple, it is determined that an abnormality has occurred in the tool.

第1実施形態に従った工作機械のモータおよび駆動機構の構成の一例を示す図。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a motor and a drive mechanism of the machine tool according to the first embodiment. 第1実施形態によるサーボ部、駆動機構および数値制御装置(NC装置)の構成の一例を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a servo unit, a driving mechanism, and a numerical control device (NC device) according to the first embodiment. 第1実施形態による切削力を示すグラフ。4 is a graph showing a cutting force according to the first embodiment. 周波数に対する切削力の振幅を示すグラフ。5 is a graph showing the amplitude of a cutting force with respect to a frequency. 第1実施形態による工具異常判定動作の一例を示すフロー図。FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a tool abnormality determination operation according to the first embodiment.

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.

図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。   The drawings are schematic or conceptual, and the proportions and the like of each part are not always the same as actual ones. In the specification and drawings, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with respect to the already-explained drawings, and the detailed description will be appropriately omitted.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に従った工作機械のモータ14および駆動機構2の構成の一例を示す図である。モータ14は、カップリング3を介して駆動機構2と連結されている。駆動機構2は、ベッド20と、支持ブラケット22と、ナット23と、ボールねじ25と、ベアリング26と、リニアガイド27と、テーブル28とを備えている。
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of the motor 14 and the drive mechanism 2 of the machine tool according to the first embodiment. The motor 14 is connected to the drive mechanism 2 via the coupling 3. The drive mechanism 2 includes a bed 20, a support bracket 22, a nut 23, a ball screw 25, a bearing 26, a linear guide 27, and a table 28.

ベッド20は、工作機械の本体に固定され、駆動機構2の他の構成要素を搭載する。支持ブラケット22は、ベッド20上に固定配置されており、ベアリング26を介してボールねじ25の両端を支持するように構成されている。ボールねじ25は、カップリング3によってモータ14と連結されており、モータ14の軸の回転に従って回転するように構成されている。ナット23は、ボールねじ25のねじ部と螺合するようにねじ孔が形成されており、ボールねじ25の回転に従ってボールねじ25の軸方向に移動することができる。制御対象としてのテーブル28は、ナット23に固定されており、かつ、リニアガイド27によって支持されている。テーブル28は、ナット23の移動に伴って、ボールねじ25およびリニアガイド27の軸方向(矢印Aの方向)に移動する。このように、工作機械は、モータ14の回転運動をテーブル28の直線運動に変換することができる。   The bed 20 is fixed to the main body of the machine tool, and mounts other components of the drive mechanism 2. The support bracket 22 is fixedly arranged on the bed 20, and is configured to support both ends of the ball screw 25 via bearings 26. The ball screw 25 is connected to the motor 14 by the coupling 3 and is configured to rotate according to the rotation of the shaft of the motor 14. The nut 23 is formed with a screw hole so as to be screwed with a screw portion of the ball screw 25, and can move in the axial direction of the ball screw 25 as the ball screw 25 rotates. A table 28 to be controlled is fixed to a nut 23 and supported by a linear guide 27. The table 28 moves in the axial direction (the direction of arrow A) of the ball screw 25 and the linear guide 27 as the nut 23 moves. Thus, the machine tool can convert the rotational movement of the motor 14 into the linear movement of the table 28.

テーブル28は、ワークを搭載し、ワークを工具で切削するために、ワークをベッド20に対して相対的に移動させる。この場合、制御対象は、テーブル28およびワーク等の移動物である。あるいは、テーブル28の代わりに、工具を回転させる工具用モータ(図示せず)、工具用モータに工具を装着するチャック、および、該工具を搭載した主軸頭でもよい。この場合、制御対象は、テーブル28、工具用モータ、チャック、工具等の移動物となる。工具は、ワークを加工する部材であり、例えば、ドリル、エンドミル等である。ドリル、エンドミル等は、ワークを切削する少なくとも1枚の刃を有し、回転しながらその刃でワークを切削することができる。   The table 28 carries the work and moves the work relative to the bed 20 in order to cut the work with a tool. In this case, the control target is a moving object such as the table 28 and a work. Alternatively, instead of the table 28, a tool motor (not shown) for rotating the tool, a chuck for mounting the tool on the tool motor, and a spindle head on which the tool is mounted may be used. In this case, the control target is a moving object such as the table 28, a tool motor, a chuck, and a tool. The tool is a member that processes a work, and is, for example, a drill, an end mill, or the like. Drills, end mills, and the like have at least one blade for cutting a work, and can cut the work with the blade while rotating.

図2は、本実施形態によるサーボ部1、駆動機構2および数値制御装置(NC装置)4の構成の一例を示すブロック図である。NC装置4は、HMI(Human-Machine Interface)40と、プログラム供給部41と、プログラム解析部42と、軌道生成部44と、切削力推定部45と、メモリ46と、エラー検出部47と、周波数分析部48とを備えている。   FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of the servo unit 1, the drive mechanism 2, and the numerical control device (NC device) 4 according to the present embodiment. The NC device 4 includes an HMI (Human-Machine Interface) 40, a program supply unit 41, a program analysis unit 42, a trajectory generation unit 44, a cutting force estimation unit 45, a memory 46, an error detection unit 47, A frequency analysis unit 48.

HMI40は、操作者と数値制御装置4との間のインタフェースであり、例えば、タッチパネル式ディスプレイ等である。操作者は、HMI40において加工プログラムを入力または選択する。また、HMI40は、操作者に対して、工作機械の動作状態を示し、あるいは、エラー検出部47からのエラー信号を受けてエラーの発生を表示する。   The HMI 40 is an interface between the operator and the numerical controller 4, and is, for example, a touch panel display. The operator inputs or selects a machining program in the HMI 40. Further, the HMI 40 indicates the operating state of the machine tool to the operator, or displays the occurrence of an error in response to an error signal from the error detection unit 47.

プログラム供給部41は、メモリ46に格納されている加工プログラムを得て、この加工プログラムをプログラム解析部42へ供給する。メモリ46は、例えば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disc Drive)またはSSD(Solid State Drive)である。メモリ46は、工作機械全体を制御するシステムプログラム、加工プログラム、工作機械のパラメータ、各種データを格納する。メモリ46のRAM領域は、システムプログラム等を実行する際に、ロード領域あるいは作業領域としても用いられる。   The program supply unit 41 obtains the machining program stored in the memory 46 and supplies the machining program to the program analysis unit 42. The memory 46 is, for example, a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), a hard disc drive (HDD), or a solid state drive (SSD). The memory 46 stores a system program for controlling the entire machine tool, a machining program, machine tool parameters, and various data. The RAM area of the memory 46 is also used as a load area or a work area when executing a system program or the like.

プログラム解析部42は、メモリ46から得た加工プログラムを解析し、軌道生成用データを作成する。加工プログラムの解析は、加工プログラムの各ブロックについて、駆動機構2の移動部(例えば、テーブル、主軸頭等)を移動させる目標位置の座標、および、移動部の目標移動速度等を得る。ブロックとは、加工プログラムの基本単位であり、例えば、1行分の指令を示す。1ブロックは、例えば、直線移動、円弧移動、主軸の回転開始/停止等の基本的な動作の指令を示す。軌道生成用データは、ブロックごとに作成され、軌道生成部44へ転送される。   The program analysis unit 42 analyzes the machining program obtained from the memory 46 and creates trajectory generation data. In the analysis of the machining program, for each block of the machining program, the coordinates of the target position at which the moving unit (for example, the table, the spindle head, etc.) of the drive mechanism 2 is moved, and the target moving speed of the moving unit are obtained. The block is a basic unit of the machining program, and indicates a command for one line, for example. One block indicates a command for a basic operation such as a linear movement, an arc movement, and a start / stop of rotation of a spindle. The trajectory generation data is created for each block and transferred to the trajectory generation unit 44.

軌道生成部44は、軌道生成用データに基づいてサンプリング周期(サーボ部1の制御周期)ごとの位置指令を生成する。軌道生成部44は、位置指令をサーボ部1のサーボ制御部12へ出力する。尚、NC装置4の内部のメモリ46、プログラム解析部42、軌道生成部44、切削力推定部45、エラー検出部47、および周波数分析部48は、1つのCPU(Central Processing Unit)で実現されてもよく、それぞれ個別のメモリまたはCPUで実現されていてもよい。   The trajectory generation unit 44 generates a position command for each sampling cycle (control cycle of the servo unit 1) based on the trajectory generation data. The trajectory generating unit 44 outputs a position command to the servo control unit 12 of the servo unit 1. The memory 46, the program analysis unit 42, the trajectory generation unit 44, the cutting force estimation unit 45, the error detection unit 47, and the frequency analysis unit 48 inside the NC device 4 are realized by one CPU (Central Processing Unit). And may be realized by individual memories or CPUs.

サーボ制御部12は、位置指令に従って制御周期ごとにトルク指令を電流制御部13へ出力する。制御周期は、例えば、約1msecである。トルク指令は、モータ14への供給電流を決定する指令である。電流制御部13は、トルク指令に従った電流をモータ14へ供給する。モータ14には、ロータリエンコーダ60が設けられている。第2位置センサとしてのロータリエンコーダ60は、モータ14の軸の回転を検出し、モータ14の軸の回転位置の変移を測定する。ロータリエンコーダ60は、モータ14の軸の回転位置の変移をサーボ制御部12へフィードバックする。以下、モータ14の軸の回転位置の情報を“モータ位置”と呼び、そのフィードバックを“モータ位置フィードバック”とも呼ぶ。   The servo controller 12 outputs a torque command to the current controller 13 in each control cycle according to the position command. The control cycle is, for example, about 1 msec. The torque command is a command for determining a supply current to the motor 14. The current control unit 13 supplies a current according to the torque command to the motor 14. The motor 14 is provided with a rotary encoder 60. The rotary encoder 60 as a second position sensor detects rotation of the shaft of the motor 14 and measures displacement of the rotation position of the shaft of the motor 14. The rotary encoder 60 feeds back a change in the rotational position of the shaft of the motor 14 to the servo control unit 12. Hereinafter, information on the rotational position of the shaft of the motor 14 is referred to as “motor position”, and the feedback thereof is also referred to as “motor position feedback”.

モータ14は、図1を参照して説明したように、駆動機構2を駆動する。これにより、テーブル28がリニアガイド27に沿って移動する。   The motor 14 drives the drive mechanism 2 as described with reference to FIG. Thereby, the table 28 moves along the linear guide 27.

駆動機構2には、テーブル28に接続されたリニアエンコーダ50が設けられている。第1位置センサとしてのリニアエンコーダ50は、テーブル28の線形位置の変移を測定する。リニアエンコーダ50は、テーブル28の線形位置の変移をサーボ制御部12へフィードバックする。以下、テーブル28の線形位置の情報を“スケール位置”と呼び、そのフィードバックを“スケール位置フィードバック”とも呼ぶ。   The drive mechanism 2 is provided with a linear encoder 50 connected to the table 28. The linear encoder 50 as a first position sensor measures a change in the linear position of the table 28. The linear encoder 50 feeds back the change of the linear position of the table 28 to the servo control unit 12. Hereinafter, the information on the linear position in the table 28 is referred to as “scale position”, and the feedback thereof is also referred to as “scale position feedback”.

サーボ制御部12は、リニアエンコーダ50およびロータリエンコーダ60からのフィードバックを受けて、スケール位置およびモータ位置を制御するために指令位置に対する誤差を小さくするようにトルク指令を生成する。   The servo control unit 12 receives feedback from the linear encoder 50 and the rotary encoder 60 and generates a torque command so as to reduce an error with respect to a command position for controlling the scale position and the motor position.

さらに、トルク指令、スケール位置およびモータ位置は、切削力推定部45へもフィードバックされる。切削力推定部45は、トルク指令、スケール位置およびモータ位置に基づいて、制御対象のワークに対する切削力を算出する。加工力としての切削力は、例えば、ドリルまたはエンドミルがワークを切削するときにドリルまたはエンドミルをワークに押し付ける力または回転しているドリルまたはエンドミルがワークに加える力でよい。切削力推定部45は、特許文献1の式(3)または式(4)を演算することによって切削力Fcutを算出すればよい。

Figure 2020042347
ここで、refが右上添え字として付されたIa(以下、Ia_refという)は、トルク指令から得られる電流指令値である。xtはスケール位置であり、その上のドットは2回の時間微分を示す。θmはモータ位置(回転角)であり、その上のドットは2回の時間微分を示す。Tfricは、摩擦トルクである。Ffricは、テーブル28のA方向への直動に対する摩擦力である。Jrはモータからボールねじまでの慣性モーメントである。Ktはモータ14のトルク定数である。Rは回転系と直動系との変換係数である。Mtは、ワークおよびテーブル28等の移動物の質量である。 Further, the torque command, the scale position, and the motor position are also fed back to the cutting force estimation unit 45. The cutting force estimating unit 45 calculates a cutting force for the workpiece to be controlled based on the torque command, the scale position, and the motor position. The cutting force as the processing force may be, for example, a force for pressing the drill or the end mill against the work when the drill or the end mill cuts the work or a force applied to the work by the rotating drill or the end mill. The cutting force estimating unit 45 may calculate the cutting force Fcut by calculating Expression (3) or Expression (4) in Patent Document 1.
Figure 2020042347
Here, Ia (hereinafter referred to as Ia_ref) with ref appended as an upper right suffix is a current command value obtained from a torque command. xt is the scale position, and the dot above it indicates two time derivatives. θm is the motor position (rotation angle), and the dot on it indicates two time differentiations. Tfric is a friction torque. Ffric is a frictional force with respect to the linear movement of the table 28 in the A direction. Jr is the moment of inertia from the motor to the ball screw. Kt is a torque constant of the motor 14. R is a conversion coefficient between the rotation system and the linear motion system. Mt is the mass of a work and a moving object such as the table 28.

さらに、予め推定された摩擦トルクTfricおよび摩擦力Ffricを用い、かつ、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタを用いることで、切削力Fcutの推定値は、式(4)となる。

Figure 2020042347
ここで、推定値を示すパラメータには、「ハット」が付されている。gcutは、エラー検出部47内のフィルタの遮断周波数である。各パラメータの右下添え字nは、ノミナル値を示す。 Further, by using the friction torque Tfric and the frictional force Ffric estimated in advance and using a low-pass filter for suppressing high-frequency noise, the estimated value of the cutting force Fcut is represented by Expression (4).
Figure 2020042347
Here, the parameter indicating the estimated value is indicated by “hat”. gcut is a cutoff frequency of a filter in the error detection unit 47. The subscript n at the lower right of each parameter indicates a nominal value.

式3、式4に含まれるパラメータのうち、トルク指令から得られる電流指令値Ia_ref、スケール位置xt、モータ位置θm以外のパラメータは、メモリ46に格納されている。尚、メモリ46は、NC装置4内に内蔵されていてもよく、あるいは、その外部に設けられていてもよい。パラメータは、工作機械の外部から受け取ってもよい。   Of the parameters included in Expressions 3 and 4, parameters other than the current command value Ia_ref obtained from the torque command, the scale position xt, and the motor position θm are stored in the memory 46. The memory 46 may be built in the NC device 4 or may be provided outside thereof. The parameters may be received from outside the machine tool.

切削力推定部45は、トルク指令、スケール位置およびモータ位置を、式3または式4に適用して、ワークに対する切削力を算出する。切削力推定部45は、サーボ制御部12のサンプリング周期(制御周期)ごとに、トルク指令、スケール位置フィードバックおよびモータ位置フィードバックを受けて、この切削力を算出する。このように、切削力推定部45は、力センサ等の付加的なセンサを用いることなく、制御周期ごとに切削力を推定することができる。   The cutting force estimating unit 45 calculates the cutting force on the workpiece by applying the torque command, the scale position, and the motor position to Expression 3 or Expression 4. The cutting force estimating unit 45 receives the torque command, the scale position feedback, and the motor position feedback for each sampling cycle (control cycle) of the servo control unit 12, and calculates this cutting force. As described above, the cutting force estimation unit 45 can estimate the cutting force for each control cycle without using an additional sensor such as a force sensor.

周波数分析部48は、切削力推定部45が推定した切削力を周波数分析して、周波数ごとに切削力の振幅(周波数成分)を算出する。周波数分析部48は、サーボ制御部12の制御周期ごとに切削力推定部45から切削力を受け取り、周波数分析に必要な切削力のデータ点を取得してから切削力を周波数分析する。周波数分析部48は、切削力のサンプリング周期ごとに切削力を周波数分析する。切削力のサンプリング周期とは、1回の周波数分析に必要な切削力のデータ点を取得する期間である。制御周期は、例えば、約1ミリ秒であり、切削力のサンプリング周期は、例えば、約1秒である。この場合、周波数分析部48は、約1000点の切削力のデータ点を用いて周波数分析することになる。   The frequency analysis unit 48 analyzes the frequency of the cutting force estimated by the cutting force estimation unit 45 and calculates the amplitude (frequency component) of the cutting force for each frequency. The frequency analysis unit 48 receives the cutting force from the cutting force estimation unit 45 for each control cycle of the servo control unit 12, obtains the data points of the cutting force necessary for the frequency analysis, and then performs the frequency analysis of the cutting force. The frequency analysis unit 48 analyzes the frequency of the cutting force at each sampling cycle of the cutting force. The cutting force sampling period is a period during which data points of the cutting force necessary for one frequency analysis are acquired. The control cycle is, for example, about 1 millisecond, and the sampling cycle of the cutting force is, for example, about 1 second. In this case, the frequency analysis unit 48 performs the frequency analysis using the data points of about 1000 cutting forces.

例えば、エンドミルのように少なくとも1枚の刃を有する工具は、1回転するごとに、ワークのほぼ同じ箇所を刃の数だけ切削する。工具の各刃がワークを切削するごとに、切削力のピークが現れる。例えば、工具の刃数(工具が1回転するごとにワークの同じ箇所を切削する刃の数)をMとし、工具を回転させる主軸の回転速度をN(回転/分)とする。この場合、切削力のピークは、単位時間である1秒間に、P=M×N/60回だけ観測される。即ち、各刃の切削力は、加工中において、ほぼ周波数P(Hz)で現れる。以下、この周波数Pを基本周波数P(第1周波数)と呼ぶ。周波数分析部48が切削力を周波数分析すると、基本周波数Pにおいて大きな切削力の振幅が現れる(図4参照)。   For example, a tool having at least one blade, such as an end mill, cuts substantially the same portion of the work by the number of blades every one rotation. As each blade of the tool cuts the work, a peak of the cutting force appears. For example, the number of blades of the tool (the number of blades that cut the same portion of the work every time the tool makes one rotation) is M, and the rotation speed of the main shaft that rotates the tool is N (rotation / minute). In this case, the peak of the cutting force is observed P = M × N / 60 times per unit time of one second. That is, the cutting force of each blade appears substantially at a frequency P (Hz) during processing. Hereinafter, this frequency P is referred to as a fundamental frequency P (first frequency). When the frequency analysis unit 48 analyzes the frequency of the cutting force, a large amplitude of the cutting force appears at the fundamental frequency P (see FIG. 4).

もし、工具の複数の刃のいずれかが欠損または摩耗した場合、切削力の波形が変化し、周波数ごとの切削力の振幅も変化する。本実施形態では、この切削力の振幅の変化から、工具の異常を判断する。   If any of the blades of the tool is missing or worn, the waveform of the cutting force changes, and the amplitude of the cutting force for each frequency also changes. In the present embodiment, the abnormality of the tool is determined from the change in the amplitude of the cutting force.

エラー検出部47は、切削力の振幅の変化に基づいて工具の異常を判断する。エラー検出部47は、周波数分析部48の切削力のサンプリング周期ごとに、切削力に基づいて工具の異常をリアルタイムで判断する。工具の異常の判断については、図3(A)〜図4(B)を参照して後で説明する。   The error detector 47 determines a tool abnormality based on a change in the amplitude of the cutting force. The error detection unit 47 determines a tool abnormality in real time based on the cutting force for each sampling cycle of the cutting force of the frequency analysis unit 48. The determination of the abnormality of the tool will be described later with reference to FIGS.

工具のエラーが検出されると、エラー検出部47は、軌道生成部44に停止信号を出力するとともに、HMI40にエラー信号を出力する。軌道生成部44は、停止信号を受けると、位置指令の更新を停止する。従って、モータ14および駆動機構2の動作が停止する。それとともに、HMI40は、エラー信号を受けると、工具の異常をディスプレイに表示する。これにより、ユーザは、工具の異常を知ることができる。   When a tool error is detected, the error detection unit 47 outputs a stop signal to the trajectory generation unit 44 and outputs an error signal to the HMI 40. Upon receiving the stop signal, the trajectory generation unit 44 stops updating the position command. Accordingly, the operations of the motor 14 and the drive mechanism 2 stop. At the same time, when receiving the error signal, the HMI 40 displays a tool abnormality on the display. Thereby, the user can know the abnormality of the tool.

次に、図3(A)〜図4(B)を参照して、異常判定方法について説明する。   Next, an abnormality determination method will be described with reference to FIGS.

本実施形態では、工具は、例えば、8枚の刃を有し(工具の刃数M=8)、主軸の回転速度Nは300(回転/分)である。この場合、各刃の切削力が現れる基本周波数Pは、P=M×N/60=8×300/60=40(Hz)である。また、主軸の回転周波数Qは、Q=N/60=300/60=5(Hz)である。尚、基本周波数Pは、工具の刃数Mを主軸の回転周波数Qに掛けた周波数(P=M×Q)でもある。   In the present embodiment, the tool has, for example, eight blades (the number of blades of the tool M = 8), and the rotation speed N of the main shaft is 300 (rotation / minute). In this case, the fundamental frequency P at which the cutting force of each blade appears is P = M × N / 60 = 8 × 300/60 = 40 (Hz). The rotation frequency Q of the main shaft is Q = N / 60 = 300/60 = 5 (Hz). The basic frequency P is also a frequency (P = M × Q) obtained by multiplying the number of teeth M of the tool by the rotation frequency Q of the main shaft.

図3(A)および図3(B)は、本実施形態による切削力を示すグラフである。図3(A)は、工具の刃にほとんど欠損がない場合の切削力を示す。図3(B)は、8枚の刃の1枚が欠損している場合の切削力を示す。また、縦軸は切削力(N(Newton))を示し、横軸は時間を示す。図3(A)および図3(B)のグラフは、切削力のサンプリング周期である約1秒間の切削力を示す。図3(A)の切削力の周期的なピークは、工具の各刃がワークを切削するごとに現れている。隣接するピーク間の期間APは、基本周波数P(40Hz)に対応し、約0.025秒(1/P)である。期間AQは、8つの期間APを含み、主軸の回転周波数(主軸1回転の周期)Q(5Hz)に対応し、約0.2秒(1/Q)である。尚、図3(A)と図3(B)との間において、縦軸のスケールは同じである。   FIGS. 3A and 3B are graphs showing the cutting force according to the present embodiment. FIG. 3A shows the cutting force when the blade of the tool has almost no chipping. FIG. 3B shows the cutting force when one of the eight blades is missing. The vertical axis indicates cutting force (N (Newton)), and the horizontal axis indicates time. The graphs of FIGS. 3A and 3B show the cutting force for about one second, which is the sampling period of the cutting force. The periodic peak of the cutting force in FIG. 3A appears every time each blade of the tool cuts the workpiece. The period AP between adjacent peaks corresponds to the fundamental frequency P (40 Hz) and is about 0.025 seconds (1 / P). The period AQ includes eight periods AP and corresponds to the rotation frequency of the main shaft (cycle of one main shaft rotation) Q (5 Hz), and is about 0.2 second (1 / Q). Note that the scale of the vertical axis is the same between FIGS. 3A and 3B.

図3(A)に示すように、工具の刃にほとんど欠損がない場合、工具の各刃がワークを切削するごとに、切削力のピークが観測される。切削力のピークは、ほぼ期間APごとに、1/Pの周期で現れる。また、主軸1回転の周期(1/Q)を示す期間AQの間に、工具の刃数Mに対応する8個のピークが現れる。   As shown in FIG. 3A, when there is almost no defect in the blade of the tool, a peak of the cutting force is observed each time each blade of the tool cuts the work. The peak of the cutting force appears at a period of 1 / P almost every period AP. Also, eight peaks corresponding to the number M of blades of the tool appear during the period AQ indicating the cycle (1 / Q) of one revolution of the main spindle.

尚、図3(A)において、各刃においてわずかに切削力が異なる。これは、初期状態(新品)の刃のようにほとんど摩耗や欠損がない場合でも、工具の刃が全て同じ状態ではないためである。例えば、工具の回転中心から各刃の先端までの距離が刃によって若干異なると、各刃の切削量も若干異なる。   In FIG. 3A, the cutting force is slightly different for each blade. This is because all the blades of the tool are not in the same state even when there is almost no wear or breakage like the blade in the initial state (new). For example, if the distance from the center of rotation of the tool to the tip of each blade is slightly different for each blade, the cutting amount of each blade is also slightly different.

図3(B)に示すように、8枚の刃の1枚が欠損している場合、図3(A)とは異なる切削力の波形が現れる。例えば、図3(A)と比べて、切削力の波形の振幅が大きくなり、切削力の各ピークの高さもそれぞれ大きく異なっている。これは、折損による切削力の変化が他の刃の切削力にも影響し、残りの7枚の刃のそれぞれにかかる負荷が異なるためである。尚、主軸1回転を示す期間AQの周期(1/Q)で、切削力の波形が連続して現れる点では図3(A)のグラフと同様である。   As shown in FIG. 3B, when one of the eight blades is missing, a waveform of a cutting force different from that in FIG. 3A appears. For example, as compared with FIG. 3A, the amplitude of the waveform of the cutting force is larger, and the height of each peak of the cutting force is also greatly different. This is because the change in the cutting force due to breakage also affects the cutting force of the other blades, and the load applied to each of the remaining seven blades is different. It is similar to the graph of FIG. 3A in that the waveform of the cutting force appears continuously in the cycle (1 / Q) of the period AQ indicating one revolution of the spindle.

図4(A)および図4(B)は、周波数に対する切削力の振幅を示すグラフである。図4(A)は、工具の刃にほとんど欠損がない場合の切削力の振幅を示し、図3(A)に対応する。図4(B)は、8枚の刃の1枚が欠損している場合の切削力の振幅を示し、図3(B)に対応する。また、縦軸は、切削力の振幅を示す。縦軸は、例えば、切削力Fcutのデシベル値である20log10(Fcut)(dB)を示す。横軸は、周波数を示す。尚、図4(A)と図4(B)との間において、縦軸のスケールは同じである。また、縦軸は、切削力Fcutのデシベル値に代えて、切削力Fcut(N)を示しても良い。 FIGS. 4A and 4B are graphs showing the amplitude of the cutting force with respect to the frequency. FIG. 4A shows the amplitude of the cutting force when the blade of the tool has almost no defect, and corresponds to FIG. 3A. FIG. 4B shows the amplitude of the cutting force when one of the eight blades is missing, and corresponds to FIG. 3B. The vertical axis indicates the amplitude of the cutting force. The vertical axis indicates, for example, 20 log 10 (Fcut) (dB) which is a decibel value of the cutting force Fcut. The horizontal axis indicates frequency. Note that the scale of the vertical axis is the same between FIG. 4A and FIG. 4B. The vertical axis may indicate the cutting force Fcut (N) instead of the decibel value of the cutting force Fcut.

図4(A)および図4(B)に示すように、基本周波数P(40Hz)における切削力の振幅をFPと呼ぶ。また、mを1以上の整数として、主軸の回転周波数Q(5Hz)の整数倍の第2周波数(Q×m)における切削力の振幅をFmと呼ぶ。主軸の回転周波数Qの刃数倍(M倍)の周波数Pが切削周波数となるので、mは、刃数M未満の正整数となる。例えば、刃数Mが8である場合、mは、1〜7の整数となる。換言すると、整数mの範囲は、主軸の回転周波数Qの整数倍の周波数(Q×m)が基本周波数P未満となる範囲としている。例えば、図4(A)および図4(B)において、主軸の回転周波数Q(5Hz)の整数倍であり、基本周波数P(40Hz)未満の周波数は、5Hz(5×1)〜35Hz(5×7)である。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the amplitude of the cutting force at the fundamental frequency P (40 Hz) is called FP. Further, assuming that m is an integer of 1 or more, the amplitude of the cutting force at a second frequency (Q × m) that is an integral multiple of the rotation frequency Q (5 Hz) of the main shaft is referred to as Fm. Since the frequency P, which is the number of teeth (M times) of the rotation frequency Q of the main shaft, is the cutting frequency, m is a positive integer less than the number of teeth M. For example, when the number of blades M is 8, m is an integer of 1 to 7. In other words, the range of the integer m is a range in which a frequency (Q × m) that is an integral multiple of the rotation frequency Q of the main shaft is lower than the fundamental frequency P. For example, in FIGS. 4A and 4B, frequencies that are integer multiples of the rotation frequency Q (5 Hz) of the main shaft and less than the fundamental frequency P (40 Hz) are 5 Hz (5 × 1) to 35 Hz (5 Hz). × 7).

基本周波数Pより大きな周波数は、刃による切削と直接関係の無い周波数である。また、基本周波数P未満の周波数において、Q×m以外の周波数も、刃による切削と直接関係の無い周波数である。従って、ここでは、周波数Q×mおよび基本周波数Pにおける切削力の振幅F1〜F7およびFPに着目する。換言すると、工具の異常判定において、主軸の回転周波数Qの整数m倍の周波数の範囲は、基本周波数P未満とする。   A frequency higher than the fundamental frequency P is a frequency that is not directly related to cutting by the blade. Further, among the frequencies lower than the fundamental frequency P, frequencies other than Q × m are also frequencies that are not directly related to cutting by the blade. Therefore, here, attention is paid to the amplitudes F1 to F7 and FP of the cutting force at the frequency Q × m and the basic frequency P. In other words, in the tool abnormality determination, the frequency range that is an integer m times the rotation frequency Q of the main shaft is set to be less than the basic frequency P.

ここで、工具の刃にほとんど欠損がない場合、図4(A)に示すように、基本周波数P(例えば、40Hz)において、切削力の振幅に大きなピークFPが現れる。一方、各刃の切削周波数Q×m(例えば、5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz)にも、切削力の振幅にピークF1〜F7が現れている。しかし、ピークF1〜F7は、比較的小さい(ピークFPよりも小さい)。即ち、主軸の回転周波数Q(5Hz)の整数倍の周波数Q×mにおいても切削力の振幅の小さなピークが現れる。これは、欠損がほとんどない場合でも、工具の刃が全て同じ状態ではないためである。図3(A)で説明したように、欠損がない場合でも各刃の切削量が若干異なり、切削力の波形に1/Qの周期の周期性が表れる。従って、切削力の振幅は、主軸の回転周波数Qの整数倍(5Hz〜35Hz)でもわずかにピークが現れる。   Here, when there is almost no defect in the blade of the tool, a large peak FP appears in the amplitude of the cutting force at the basic frequency P (for example, 40 Hz) as shown in FIG. On the other hand, peaks F1 to F7 appear in the amplitude of the cutting force also at the cutting frequency Q × m of each blade (for example, 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, 25 Hz, 30 Hz, and 35 Hz). However, the peaks F1 to F7 are relatively small (smaller than the peak FP). That is, a small peak of the amplitude of the cutting force appears even at a frequency Q × m that is an integral multiple of the rotation frequency Q (5 Hz) of the main shaft. This is because the blades of the tool are not all in the same state even when there is almost no loss. As described with reference to FIG. 3A, even when there is no chipping, the cutting amount of each blade is slightly different, and the waveform of the cutting force has a periodicity of 1 / Q. Accordingly, a slight peak appears in the amplitude of the cutting force even at an integral multiple (5 Hz to 35 Hz) of the rotation frequency Q of the main shaft.

8枚の刃の1枚が欠損している場合、図4(B)に示すように、各刃の切削周波数Q×m(例えば、5Hz,10Hz,15Hz,20Hz,25Hz,30Hz,35Hz)において切削力の振幅に大きなピークF1〜F7が現れる。このピークF1〜F7は、図4(A)の工具の刃に欠損がない場合のそれらに比べて大きい。   When one of the eight blades is missing, as shown in FIG. 4B, at a cutting frequency Q × m of each blade (for example, 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, 25 Hz, 30 Hz, and 35 Hz). Large peaks F1 to F7 appear in the amplitude of the cutting force. These peaks F1 to F7 are larger than those in the case where the blade of the tool in FIG.

また、基本周波数P(40Hz)においては、図4(A)と同様に、切削力の振幅に大きなピークが現れる。図4(B)に示す基本周波数Pにおける切削力の振幅は、図4(A)に示す基本周波数Pにおける切削力の振幅とほぼ同じ大きさである。   Further, at the fundamental frequency P (40 Hz), a large peak appears in the amplitude of the cutting force as in FIG. The amplitude of the cutting force at the basic frequency P shown in FIG. 4B is substantially the same as the amplitude of the cutting force at the basic frequency P shown in FIG.

このように、1枚の刃に欠損がある場合、主軸の回転周波数Qの整数倍の第2周波数Q×m(m=1〜7)における切削力の振幅F1〜F7が大きくなる。一方、基本周波数P(P=Q×M)における切削力の振幅FPは、刃の欠損の有無によらず、ほぼ同じ大きさになる。従って、本実施形態では、第2周波数Q×mにおける切削力の振幅F1〜F7と基本周波数Pにおける切削力の振幅FPとの比率を用いて、工具の異常を判定する。   As described above, when one blade has a defect, the amplitudes F1 to F7 of the cutting force at the second frequency Q × m (m = 1 to 7), which is an integral multiple of the rotation frequency Q of the main shaft, increase. On the other hand, the amplitude FP of the cutting force at the fundamental frequency P (P = Q × M) is substantially the same regardless of the presence or absence of a blade defect. Therefore, in this embodiment, the abnormality of the tool is determined using the ratio between the cutting force amplitudes F1 to F7 at the second frequency Q × m and the cutting force amplitude FP at the basic frequency P.

図1を再度参照する。周波数分析部48は、DFT(Discrete Fourier Transform)を用いて、主軸の回転周波数Q(例えば、5Hz)の整数倍の各周波数Q×m(例えば、5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz)および基本周波数P(40Hz)における切削力の振幅F1〜F7,FPを算出する。   FIG. 1 is referred to again. The frequency analysis unit 48 uses a DFT (Discrete Fourier Transform) to perform each frequency Q × m (for example, 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, 25 Hz, 30 Hz, or an integer multiple of the rotation frequency Q (for example, 5 Hz) of the spindle). The amplitudes F1 to F7 and FP of the cutting force at 35 Hz) and the basic frequency P (40 Hz) are calculated.

基本周波数Pおよび主軸の回転周波数Qを算出するために必要な工具の刃数Mおよび主軸の回転速度Nは、それぞれ、メモリ46に格納され、加工プログラムに記載されている。例えば、ユーザがHMI40によってワークの加工に使用する工具を設定する際に、工具の刃数Mがメモリ46から周波数分析部48に読み出される。また、例えば、プログラム解析部42は、加工プログラムを解析し、得られた主軸の回転速度Nを周波数分析部48に送る。これにより、周波数分析部48は、基本周波数Pおよび主軸の回転周波数Qを算出し、DFTにより切削力の振幅F1〜F7,FPを算出することができる。尚、mの最大値は、M−1を演算すればよい。   The number of blades M of the tool and the rotation speed N of the spindle required for calculating the basic frequency P and the rotation frequency Q of the spindle are respectively stored in the memory 46 and described in the machining program. For example, when the user sets a tool to be used for processing a workpiece by the HMI 40, the number of blades M of the tool is read from the memory 46 to the frequency analysis unit 48. In addition, for example, the program analysis unit 42 analyzes the machining program and sends the obtained rotation speed N of the spindle to the frequency analysis unit 48. Thereby, the frequency analysis unit 48 can calculate the fundamental frequency P and the rotation frequency Q of the main shaft, and can calculate the amplitudes F1 to F7 and FP of the cutting force by DFT. The maximum value of m may be calculated by M-1.

エラー検出部47は、切削力の振幅FPと複数の切削力の振幅F1〜F7の平均値(波高値の平均)との比率R7を算出する。比率R7は、式1で表される。
R7={(F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7)/7}/FP (式1)
整数mを用いて、式1を一般化すると、切削力の振幅FPと複数の切削力の振幅F1〜Fmの平均値との比率Rmは、式2で表される。
Rm={(F1+F2+・・・+Fm)/m}/FP (式2)
The error detector 47 calculates a ratio R7 between the amplitude FP of the cutting force and the average value (average of the peak values) of the amplitudes F1 to F7 of the plurality of cutting forces. The ratio R7 is represented by Expression 1.
R7 = {(F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + F6 + F7) / 7} / FP (Formula 1)
When Expression 1 is generalized using the integer m, the ratio Rm between the amplitude FP of the cutting force and the average value of the amplitudes F1 to Fm of the plurality of cutting forces is expressed by Expression 2.
Rm = {(F1 + F2 +... + Fm) / m} / FP (Equation 2)

比率R7は、複数の刃の切削力のばらつきを示す。もし、ばらつきがない場合、すなわち、全ての刃が理想的に同じ状態(同じ切削力)である場合、主軸の回転周波数Qの整数倍の周波数において、切削力の振幅のピークは現れない。この場合、複数の切削力の振幅F1〜F7の平均値は小さい値になり、比率R7も小さい値になる。一方、ばらつきがある場合、すなわち、一部の刃に欠損が生じた場合、切削力の波形に1/Qの周期の周期性が現れる。この場合、主軸の回転周波数Qの整数倍の周波数Q×mにおいて、切削力の振幅のピークが現れる。従って、複数の切削力の振幅F1〜F7の平均値は大きい値になり、比率R7も大きい値になる。   The ratio R7 indicates a variation in the cutting force of the plurality of blades. If there is no variation, that is, if all the blades are ideally in the same state (the same cutting force), no peak in the amplitude of the cutting force appears at a frequency that is an integral multiple of the rotation frequency Q of the spindle. In this case, the average value of the amplitudes F1 to F7 of the plurality of cutting forces is a small value, and the ratio R7 is also a small value. On the other hand, if there is a variation, that is, if some of the blades are defective, the waveform of the cutting force has a periodicity of 1 / Q. In this case, a peak of the amplitude of the cutting force appears at a frequency Q × m that is an integral multiple of the rotation frequency Q of the main shaft. Therefore, the average value of the amplitudes F1 to F7 of the plurality of cutting forces becomes a large value, and the ratio R7 also becomes a large value.

そこで、エラー検出部47は、比率R7と或る閾値とを比較する。比率R7が或る閾値未満である場合、エラー検出部47は、工具が正常と判断する。一方、比率R7が或る閾値以上である場合、エラー検出部47は、工具に異常が生じたと判断する。或る閾値は、例えば、0.9である。   Therefore, the error detection unit 47 compares the ratio R7 with a certain threshold. If the ratio R7 is less than a certain threshold, the error detection unit 47 determines that the tool is normal. On the other hand, if the ratio R7 is equal to or greater than a certain threshold, the error detection unit 47 determines that an abnormality has occurred in the tool. A certain threshold is, for example, 0.9.

例えば、工具の複数の刃が全体としてほぼ一律に摩耗する場合、比率R7は、あまり変化しない。従って、切削により刃の摩耗が進んでも、比率R7が或る閾値未満で留まり、エラー検出部47は工具が正常であると判断する。   For example, if the blades of the tool wear almost uniformly as a whole, the ratio R7 does not change much. Therefore, even if the blade wears due to cutting, the ratio R7 remains below a certain threshold, and the error detection unit 47 determines that the tool is normal.

一方、特定の刃が欠損したり、他の刃と比べて極端に摩耗が激しい場合、上述のように、主軸の回転周波数Qの整数倍の周波数において切削力の振幅のピークが現れる。比率R7が大きくなり或る閾値以上になると、エラー検出部47は、工具が異常であると判断する。   On the other hand, when a specific blade is missing or extremely abraded compared to other blades, as described above, the peak of the amplitude of the cutting force appears at a frequency that is an integral multiple of the rotation frequency Q of the main shaft. When the ratio R7 increases and exceeds a certain threshold, the error detection unit 47 determines that the tool is abnormal.

尚、エラー検出部47は、比率R7の算出に、切削力の振幅F1〜F7の平均値を用いている。図3(B)および図4(B)は、8枚の刃の1枚が欠損した場合を示すが、欠損する刃の枚数や欠損位置等、欠損の仕方によって、切削力の波形の周期が変化する。従って、複数の切削力の振幅F1〜F7の内のいずれの切削力の振幅が大きくなるかは、欠損の仕方に依存する。そこで、複数の切削力の振幅F1〜F7の平均値を用いることにより、1枚の刃の欠損だけでなく、他の欠損パターンであっても工具の異常を精度よく検出することができる。   Note that the error detection unit 47 uses the average value of the amplitudes F1 to F7 of the cutting force in calculating the ratio R7. FIGS. 3 (B) and 4 (B) show a case where one of the eight blades is broken, but the period of the waveform of the cutting force depends on the number of blades to be broken, the position of the broken, and the like. Change. Therefore, which of the plurality of cutting force amplitudes F1 to F7 has the larger cutting force amplitude depends on the manner of the defect. Therefore, by using the average value of the amplitudes F1 to F7 of the plurality of cutting forces, it is possible to accurately detect the abnormality of the tool not only for one blade but also for other defect patterns.

また、エラー検出部47は、タイマー機能を備え、比率R7が或る閾値以上である期間を計時して異常判定に用いてもよい。この場合、エラー検出部47は、比率R7が或る閾値以上になってから連続して或る期間以上経過した場合に、工具に異常が生じたと判断する。これにより、切削力のノイズ等によって比率R7が一時的に或る閾値以上になり、エラー検出部47が工具に異常があると誤検知してしまうことを抑制することができる。   Further, the error detection unit 47 may be provided with a timer function, measure a period in which the ratio R7 is equal to or greater than a certain threshold, and use the period for abnormality determination. In this case, the error detection unit 47 determines that an error has occurred in the tool when a certain period or more has elapsed continuously after the ratio R7 has exceeded a certain threshold. Accordingly, it is possible to prevent the error R from erroneously detecting that the tool has an abnormality because the ratio R7 temporarily exceeds a certain threshold value due to noise of the cutting force or the like.

或る閾値および或る期間は、例えば、パラメータとして設定される。この場合、或る閾値および或る期間の情報は、メモリ46に格納され、エラー検出部47に読み出される。尚、或る閾値および或る期間は、加工プログラムにおいて設定されてもよい。この場合、或る閾値および或る期間の情報は、プログラム解析部42により解析されてエラー検出のためにエラー検出部47に送られればよい。   A certain threshold and a certain period are set, for example, as parameters. In this case, information on a certain threshold and a certain period is stored in the memory 46 and read out by the error detection unit 47. Note that a certain threshold and a certain period may be set in the machining program. In this case, information on a certain threshold value and a certain period may be analyzed by the program analysis unit 42 and sent to the error detection unit 47 for error detection.

図5は、本実施形態による工具異常判定動作の一例を示すフロー図を示す。   FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the tool abnormality determination operation according to the present embodiment.

まず、ワークの加工中に、切削力推定部45が切削力を推定する(S10)。次に、周波数分析部48が、DFTを用いて、主軸の回転周波数Qの整数倍の周波数および基本周波数Pにおいて、切削力を周波数分析する(S20)。周波数分析部48は、切削力の振幅F1〜F7,FPを算出する。   First, during machining of a workpiece, the cutting force estimating unit 45 estimates a cutting force (S10). Next, the frequency analysis unit 48 performs a frequency analysis of the cutting force at a frequency that is an integral multiple of the rotation frequency Q of the main shaft and at the basic frequency P using the DFT (S20). The frequency analysis unit 48 calculates the amplitudes F1 to F7, FP of the cutting force.

次に、エラー検出部47は、切削力の振幅F1〜F7,FPから比率R7を算出する(S30)。次に、エラー検出部47は、比率R7が或る閾値以上か否かを判定する(S40)。比率R7が或る閾値未満である場合(S40のNO)、エラー検出部47は工具が正常と判断し、NC装置4は切削作業および切削力の監視を継続する。   Next, the error detection unit 47 calculates the ratio R7 from the amplitudes F1 to F7 and FP of the cutting force (S30). Next, the error detection unit 47 determines whether the ratio R7 is equal to or greater than a certain threshold (S40). If the ratio R7 is less than a certain threshold (NO in S40), the error detection unit 47 determines that the tool is normal, and the NC device 4 continues monitoring the cutting operation and the cutting force.

比率R7が或る閾値以上である場合(S40のYES)、エラー検出部47は、工具に異常が生じたと判断する(S50)。この場合、エラー検出部47は、停止信号およびエラー信号をそれぞれ軌道生成部44およびHMI40へ送信する。これにより、軌道生成部44は、位置指令の更新を停止し、HMI40は、エラーをディスプレイに表示する(S60)。   If the ratio R7 is equal to or greater than a certain threshold (YES in S40), the error detection unit 47 determines that an error has occurred in the tool (S50). In this case, the error detection unit 47 transmits a stop signal and an error signal to the trajectory generation unit 44 and the HMI 40, respectively. Thereby, the trajectory generation unit 44 stops updating the position command, and the HMI 40 displays an error on the display (S60).

このように、本実施形態によるNC装置4は、基本周波数Pにおける切削力の振幅FPと、主軸の回転周波数Qの整数倍の周波数における切削力の振幅F1〜F7との比率R7を算出する。また、NC装置4は、比率R7が或る閾値以上になった場合に、工具に異常が生じたと判断する。このように、工具の刃のいずれかに折損が生じると、切削力の振幅F1〜F7は大きく変化する。これにより、本実施形態によるNC装置4は、工具の各刃の欠損や摩耗を精度よく自動で検出することができる。   Thus, the NC device 4 according to the present embodiment calculates the ratio R7 between the amplitude FP of the cutting force at the fundamental frequency P and the amplitudes F1 to F7 of the cutting force at a frequency that is an integral multiple of the rotation frequency Q of the main shaft. In addition, when the ratio R7 is equal to or greater than a certain threshold, the NC device 4 determines that an abnormality has occurred in the tool. As described above, when any of the blades of the tool is broken, the amplitudes F1 to F7 of the cutting force greatly change. As a result, the NC device 4 according to the present embodiment can automatically and accurately detect the loss or wear of each blade of the tool.

また、切削力やトルク指令の大きさは、工具の種類や主軸回転数、送り速度、切り込み量等の切削条件によっても変わってしまう。もし、エラー検出部47が初回の加工時における切削力やトルク指令の大きさに基づいて、工具の異常を判定する場合、工具や切削条件が当初の加工時のそれらから変わると正しく工具の異常を検知することが困難になる。   In addition, the magnitude of the cutting force or the torque command also changes depending on the cutting conditions such as the type of tool, the number of revolutions of the spindle, the feed speed, and the depth of cut. If the error detection unit 47 determines the abnormality of the tool based on the magnitude of the cutting force and the torque command at the time of the first machining, if the tool and the cutting conditions change from those at the time of the original machining, the abnormality of the tool is correctly performed. Is difficult to detect.

これに対し、本実施形態による工作機械は、切削力の振幅FPと切削力の振幅F1〜F7との比率R7を算出し、比率R7に基づいて工具の異常を判定する。工具の種類や切削条件が変化すると、切削力の振幅F1〜F7の大きさだけでなく、切削力の振幅FPの大きさも同様に変化する。従って、工具の種類や切削条件が変化しても、比率R7はほとんど変化しない。これにより、工具や切削条件の変化をさほど考慮する必要が無い。また、初回の加工時等の工具が正常な時に、基準となる切削力の振幅を記憶して、基準となる切削力の振幅に基づいて或る閾値を設定する必要も無い。   On the other hand, the machine tool according to the present embodiment calculates the ratio R7 between the amplitude FP of the cutting force and the amplitudes F1 to F7 of the cutting force, and determines the abnormality of the tool based on the ratio R7. When the type of the tool or the cutting condition changes, not only the magnitude of the cutting force amplitudes F1 to F7, but also the magnitude of the cutting force amplitude FP similarly changes. Therefore, even if the type of the tool or the cutting conditions change, the ratio R7 hardly changes. Thus, it is not necessary to consider changes in tools and cutting conditions. Further, when the tool is normal at the time of the first machining or the like, there is no need to store the amplitude of the reference cutting force and set a certain threshold based on the amplitude of the reference cutting force.

また、図3(B)および図4(B)は、1枚の刃が折損した場合であるが、エラー検出部47は、複数の刃が折損する場合も同様に異常を検出することができる。   FIGS. 3B and 4B show a case where one blade is broken. However, the error detection unit 47 can similarly detect an abnormality when a plurality of blades are broken. .

また、本実施形態によれば、追加の部品(追加のセンサ等)を必要としない。従って、本実施形態による工作機械は、小型化に優れ、コストを低く抑えることができる。   Further, according to the present embodiment, no additional components (such as additional sensors) are required. Therefore, the machine tool according to the present embodiment is excellent in miniaturization and can keep costs low.

尚、周波数分析部48は、DFTではなく、FFT(Fast Fourier Transform)を用いて周波数分析してもよい。この場合、周波数分析部48は、図4(A)および図4(B)に示すように、広い周波数帯域において切削力の振幅の波形を算出する。エラー検出部47は、切削力の振幅の波形から、主軸の回転周波数Qの整数倍の周波数および基本周波数Pにおける切削力の振幅を取得して、比率R7を演算する。しかし、本実施形態による周波数分析部48は、工具の刃数Mおよび主軸の回転速度Nにより、周波数分析する周波数を算出することができる。従って、DFTを用いた場合の計算時間の方が、FFTを用いた場合の計算時間よりも短いので、DFTを用いることが好ましいと言える。   The frequency analysis unit 48 may perform frequency analysis using FFT (Fast Fourier Transform) instead of DFT. In this case, as shown in FIGS. 4A and 4B, the frequency analysis unit 48 calculates the waveform of the amplitude of the cutting force in a wide frequency band. The error detection unit 47 obtains the amplitude of the cutting force at the fundamental frequency P and a frequency that is an integral multiple of the rotation frequency Q of the spindle from the waveform of the amplitude of the cutting force, and calculates the ratio R7. However, the frequency analysis unit 48 according to the present embodiment can calculate the frequency for frequency analysis based on the number of blades M of the tool and the rotation speed N of the main shaft. Accordingly, the calculation time when using DFT is shorter than the calculation time when using FFT, so it can be said that it is preferable to use DFT.

また、第1実施形態によるエラー検出部47は、例えば、基本周波数Pの数倍以上の周波数を用いない。従って、周波数分析部48は、ローパスフィルタ機能またはローパスフィルタ回路(例えば、移動平均フィルタ)を有し、切削力のうち、基本周波数Pの数倍以上の切削力の周波数成分をカットしてもよい。例えば、基本周波数Pが40Hzである場合、200Hz以上の周波数成分をカットしてもよい。   Further, the error detection unit 47 according to the first embodiment does not use, for example, a frequency several times the basic frequency P or more. Therefore, the frequency analysis unit 48 may have a low-pass filter function or a low-pass filter circuit (for example, a moving average filter), and may cut a frequency component of the cutting force that is several times or more the fundamental frequency P among the cutting forces. . For example, when the basic frequency P is 40 Hz, the frequency components above 200 Hz may be cut.

また、切削力に代えて、切削力の計算に用いるパラメータが工具の異常判定に用いられてもよい。例えば、式(3)および式(4)において、xtを2回時間微分した加速度の項が切削力に大きく寄与する場合、切削力に代えて、加速度が工具の異常判定に用いられる。この場合、切削力推定部45は、リニアエンコーダ50のスケール位置から加速度を算出する。周波数分析部48は、加速度を周波数分析して、周波数ごとに加速度の振幅を算出してもよい。この場合、エラー検出部47は、切削力の場合と同様に、加速度の振幅を用いて工具に異常が生じたと判断すればよい。また、この場合、モータ位置やトルク指令を必要としないため、より簡易に工具の異常を判定することができる。   Instead of the cutting force, a parameter used for calculating the cutting force may be used for determining a tool abnormality. For example, in Equations (3) and (4), when the term of the acceleration obtained by time-differentiating xt twice greatly contributes to the cutting force, the acceleration is used to determine the abnormality of the tool instead of the cutting force. In this case, the cutting force estimation unit 45 calculates the acceleration from the scale position of the linear encoder 50. The frequency analysis unit 48 may analyze the frequency of the acceleration and calculate the amplitude of the acceleration for each frequency. In this case, the error detection unit 47 may determine that an abnormality has occurred in the tool using the amplitude of the acceleration as in the case of the cutting force. In this case, since the motor position and the torque command are not required, the abnormality of the tool can be determined more easily.

また、本実施形態によるエラー検出部47は、比率R7の算出に切削力の振幅FPと複数の切削力の振幅F1〜F7の平均値との比率を用いているが、他の方法を用いても良い。例えば、比率R7は、振幅FPと、振幅F1〜F7の内のいずれか任意の切削力の振幅との比率でもよい。この場合、エラー検出部47は、比率R7の算出のために、切削力の振幅FPと振幅F1〜F7のうち最大振幅、最小振幅あるいは中間振幅との比率を用いてもよい。また、比率R7は、振幅FPと、振幅F1〜F7の内の任意の複数の切削力の振幅の平均値との比率でもよい。この場合、例えば、比率R7は、R7={(F1+F3)/2}/FPでもよい。   Further, the error detection unit 47 according to the present embodiment uses the ratio between the cutting force amplitude FP and the average value of the plurality of cutting force amplitudes F1 to F7 in calculating the ratio R7, but using another method. Is also good. For example, the ratio R7 may be a ratio between the amplitude FP and the amplitude of any one of the amplitudes F1 to F7. In this case, the error detection unit 47 may use the ratio between the amplitude FP of the cutting force and the maximum amplitude, the minimum amplitude, or the intermediate amplitude among the amplitudes F1 to F7 to calculate the ratio R7. Further, the ratio R7 may be a ratio between the amplitude FP and the average value of the amplitudes of a plurality of arbitrary cutting forces among the amplitudes F1 to F7. In this case, for example, the ratio R7 may be R7 = {(F1 + F3) / 2} / FP.

本実施形態による工作機械における工具異常判定方法の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、工具異常判定方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやCD−ROM等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、工具欠損判定方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線(無線通信も含む)を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。   At least a part of the tool abnormality determination method in the machine tool according to the present embodiment may be configured by hardware or software. When configured with software, a program that implements at least a part of the function of the tool abnormality determination method may be stored in a recording medium such as a flexible disk or a CD-ROM, and read and executed by a computer. The recording medium is not limited to a removable medium such as a magnetic disk or an optical disk, but may be a fixed recording medium such as a hard disk device or a memory. Further, a program that implements at least a part of the function of the tool loss determination method may be distributed via a communication line (including wireless communication) such as the Internet. Furthermore, the program may be distributed in an encrypted, modulated, or compressed state via a wired or wireless line such as the Internet, or stored in a recording medium.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and equivalents thereof.

14 モータ、2 駆動機構、4 NC装置、40 入力表示部、40 HMI、41 プログラム供給部、42 プログラム解析部、44 軌道生成部、45 切削力推定部、46 メモリ、47 エラー検出部、48 周波数分析部 14 motor, 2 drive mechanism, 4 NC device, 40 input display section, 40 HMI, 41 program supply section, 42 program analysis section, 44 trajectory generation section, 45 cutting force estimation section, 46 memory, 47 error detection section, 48 frequency Analysis department

Claims (6)

ワークまたは工具を移動させる制御対象を駆動し、前記ワークを切削する複数の刃を有する前記工具を回転させながら前記ワークを切削する駆動機構と、
前記駆動機構を動作させるモータと、
前記制御対象の位置を検出する第1位置センサと、
前記モータの位置を検出する第2位置センサと、
前記モータへの供給電流を制御する電流制御部と、
前記供給電流を決定するトルク指令を前記電流制御部へ出力するサーボ制御部と、
前記第1位置センサから得た前記モータの位置情報と前記第2位置センサから得た前記制御対象の位置情報と前記トルク指令とに基づいて、前記制御対象の前記ワークに対する加工力を算出する数値制御部と、を備え、
前記数値制御部は、周波数ごとに前記加工力の振幅を算出し、前記工具の回転周波数に前記複数の刃の数を掛けた第1周波数における前記振幅と前記工具の回転周波数の整数倍の第2周波数における前記振幅との比率に基づいて、前記工具に異常が生じたと判断する、工作機械。
A drive mechanism that drives a control object that moves a work or a tool, and that cuts the work while rotating the tool having a plurality of blades that cut the work,
A motor for operating the driving mechanism;
A first position sensor for detecting a position of the control target;
A second position sensor for detecting a position of the motor;
A current control unit that controls a supply current to the motor,
A servo control unit that outputs a torque command for determining the supply current to the current control unit,
Numerical value for calculating a machining force of the control target on the workpiece based on the position information of the motor obtained from the first position sensor, the position information of the control target obtained from the second position sensor, and the torque command. And a control unit,
The numerical control unit calculates the amplitude of the machining force for each frequency, the second at the first frequency obtained by multiplying the rotation frequency of the tool by the number of the plurality of blades and an integer multiple of the rotation frequency of the tool. A machine tool that determines that an abnormality has occurred in the tool based on a ratio between the amplitude and the amplitude at two frequencies.
前記第2周波数は、前記第1周波数未満の周波数である、請求項1に記載の工作機械。   The machine tool according to claim 1, wherein the second frequency is lower than the first frequency. 前記第2周波数は、mを1以上の整数として、前記工具の回転周波数をm倍した周波数であり、
前記比率は、前記第1周波数における前記振幅と、各整数mに対応する複数の前記第2周波数における前記振幅の平均値との比率である、請求項1または請求項2に記載の工作機械。
The second frequency is a frequency obtained by multiplying the rotation frequency of the tool by m, where m is an integer of 1 or more,
The machine tool according to claim 1, wherein the ratio is a ratio between the amplitude at the first frequency and an average value of the amplitudes at a plurality of second frequencies corresponding to each integer m.
前記数値制御部は、前記比率が閾値以上になった場合に、前記工具に異常が生じたと判断する、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の工作機械。   The machine tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the numerical control unit determines that an abnormality has occurred in the tool when the ratio is equal to or greater than a threshold. 前記数値制御部は、前記比率が前記閾値以上である期間が、所定期間以上である場合に、前記工具に異常が生じたと判断する、請求項4に記載の工作機械。   The machine tool according to claim 4, wherein the numerical control unit determines that an abnormality has occurred in the tool when a period in which the ratio is equal to or greater than the threshold is equal to or greater than a predetermined period. ワークまたは工具を移動させる制御対象を駆動し、前記ワークを切削する複数の刃を有する前記工具を回転させながら前記ワークを切削する駆動機構と、前記駆動機構を動作させるモータと、前記モータへの供給電流を制御する電流制御部と、前記供給電流を決定するトルク指令を前記電流制御部へ出力するサーボ制御部と、前記サーボ制御部を制御する数値制御部とを備えた工作機械の工具異常判定方法であって、
前記数値制御部は、前記モータの位置情報と前記制御対象の位置情報と前記トルク指令とに基づいて、前記工具の前記ワークに対する加工力を算出し、
前記数値制御部は、周波数ごとに前記加工力の振幅を算出し、
前記数値制御部は、前記工具の回転周波数に前記複数の刃の数を掛けた第1周波数における前記振幅と前記工具の回転周波数の整数倍の第2周波数における前記振幅との比率に基づいて、前記工具に異常が生じたと判断する、ことを具備する工具異常判定方法。
A drive mechanism that drives a control object that moves a work or a tool and that cuts the work while rotating the tool having a plurality of blades that cut the work, a motor that operates the drive mechanism, and a motor that drives the motor. A tool abnormality of a machine tool including a current control unit for controlling a supply current, a servo control unit for outputting a torque command for determining the supply current to the current control unit, and a numerical control unit for controlling the servo control unit A determination method,
The numerical control unit, based on the position information of the motor and the position information of the control target and the torque command, to calculate the machining force of the tool on the workpiece,
The numerical control unit calculates the amplitude of the processing force for each frequency,
The numerical controller is based on a ratio of the amplitude at a first frequency obtained by multiplying the rotation frequency of the tool by the number of the plurality of blades and the amplitude at a second frequency that is an integral multiple of the rotation frequency of the tool. A tool abnormality determination method, comprising: determining that an abnormality has occurred in the tool.
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