JP2020080015A - Monitoring apparatus and monitoring method - Google Patents

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Abstract

To provide a monitoring apparatus and so on which can easily estimate vibration characteristics and a cutting force of a mechanical structure, based on a result of vibration measured upon actual cutting, without using a force sensor and but only with a vibration sensor.SOLUTION: A monitoring apparatus 1 according to the present invention has a control device 4 connected to an acceleration sensor 2 for monitoring at least one of vibration characteristics and cutting force of an NC milling machine having a main shaft P with the acceleration sensor 2. The acceleration sensor 2 measures vibration when the main shaft P is rotated at a plurality of rotation speeds for cutting to obtain vibration measurement results for each rotation speed. A cutting force component for a plurality of dimensions is temporarily determined and each frequency component in vibration fluctuation is removed by the cutting force component. Thus, a compliance transmission function for the vibration characteristics is calculated by the frequency component, and an error as an evaluation value for the error is calculated from a calculated estimation value of the function. Thus, the cutting force component is repeatedly temporarily determined until the error becomes a predetermined value or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、工作機械を始めとする機械の振動特性や切削力をモニタリングするモニタリング装置、及びそのモニタリング装置によって実行可能なモニタリング方法に関する。   The present invention relates to a monitoring device that monitors vibration characteristics and cutting force of machines such as machine tools, and a monitoring method that can be executed by the monitoring device.

工作機械による高能率・高精度の切削加工を行うためには、機械構造の振動特性や切削力を考慮して、適切な切削条件を選択する必要がある。振動特性の一つである剛性が不十分であると、びびり振動が発生して仕上げ面性状や工具寿命を悪化させたり、工具あるいは工作物(ワーク)がたわんで寸法精度を悪化させる。一方、切削力は、切削動力に影響を与えるだけでなく、振動特性と同様に振動やたわみの原因となったり、過大な場合には工具欠損の原因となる。
工作機械の振動特性は、例えば特許文献1(特開2014−221510号公報)の[0012]に記載されているように、インパルス応答法等によって実際に測定したものを用いたり、シミュレーションによって求めたり、既存の振動特性から対象の工作機械の振動特性に近いと考えられる振動特性を選択することにより特定されたりする。また、切削力は、動力計により測定される。
In order to perform highly efficient and highly accurate cutting with a machine tool, it is necessary to select appropriate cutting conditions in consideration of the vibration characteristics and cutting force of the machine structure. If the rigidity, which is one of the vibration characteristics, is insufficient, chatter vibration occurs, which deteriorates the finished surface property and the tool life, and the tool or the work (work) bends to deteriorate the dimensional accuracy. On the other hand, the cutting force not only affects the cutting power, but also causes vibration and bending as in the case of the vibration characteristics, or causes tool loss when the cutting force is excessive.
The vibration characteristics of the machine tool can be obtained by using an actually measured value by an impulse response method or a simulation, as described in [0012] of Patent Document 1 (JP-A-2014-221510). , It is specified by selecting a vibration characteristic that is considered to be close to the vibration characteristic of the target machine tool from the existing vibration characteristics. The cutting force is measured by a dynamometer.

特開2014−221510号公報JP, 2014-221510, A

振動特性は、実際に測定するにせよ、あるいはシミュレーションを行うにせよ、若しくは既存の振動特性から類似するものを選択するにせよ、何れにしても専門的な技術や知識を要して手間がかかる。
他方、切削力測定のための動力計は非常に高価であるし、生産設備としての工作機械に取り付けると、その動力計や配線の干渉が生じてしまったり、工作機械の剛性低下が生じてしまったりする。従って、動力計は、生産現場においては殆ど用いられていないのが現状である。
そこで、本開示は、実際の切削時における振動の測定結果を用いることができ、機械構造の振動特性及び切削力について力センサを用いず振動センサのみによって簡便に推定することができるモニタリング装置やモニタリング方法を提供することを目的とする。
Whether the vibration characteristics are actually measured or simulated, or similar ones are selected from existing vibration characteristics, specialized techniques and knowledge are required, which is troublesome. ..
On the other hand, a dynamometer for measuring cutting force is very expensive, and if it is attached to a machine tool as a production facility, interference with the dynamometer and wiring will occur and the rigidity of the machine tool will decrease. To relax. Therefore, the dynamometer is currently rarely used in production sites.
Therefore, the present disclosure can use a measurement result of vibration during actual cutting, and can easily estimate a vibration characteristic and a cutting force of a mechanical structure without using a force sensor only by a vibration sensor or a monitoring device. The purpose is to provide a method.

上記目的を達成するために、本開示は、モニタリング装置において、回転部を有する機械における振動特性及び切削力の少なくとも一方をモニタリングするモニタリング装置であって、前記回転部の回転速度を制御する回転速度制御手段と、前記機械に取り付けたセンサと、前記センサと接続された制御手段と、を備えており、前記回転速度制御手段は、前記回転部の回転速度を所定の範囲において変化させ、前記制御手段は、前記センサにより、前記回転部を複数の前記回転速度で回転させて切削した際の振動を測定して、前記回転速度毎の振動測定結果を取得すると共に、複数の次数に係る切削力成分を仮決めし、前記振動測定結果の各周波数成分を仮決めした前記切削力成分で除することで、前記振動特性に係る伝達関数の各周波数成分を算出し、算出した前記伝達関数の推定値からの誤差についての評価値を演算して、当該評価値が所定値以下となるまで前記切削力成分を仮決めし直して、当該評価値が所定値以下となった場合における、前記切削力成分の比率及び前記伝達関数の各周波数成分の比率の少なくとも一方を、前記機械における前記切削力及び前記振動特性の少なくとも一方の同定に用いることが望ましい。
また、本開示は、モニタリング方法において、回転部を有する機械における振動特性及び切削力の少なくとも一方を、コンピュータによりモニタリングするモニタリング方法であって、前記機械に取り付けたセンサにより、前記回転部を複数の前記回転速度で回転させて切削した際の振動を測定して、前記回転速度毎の振動測定結果を取得する振動測定ステップと、複数の次数に係る切削力成分を仮決めし、前記振動測定結果の各周波数成分を仮決めした前記切削力成分で除することで、前記振動特性に係る伝達関数の各周波数成分を算出する伝達関数周波数成分算出ステップと、算出した前記伝達関数の推定値を算出する伝達関数推定値算出ステップと、算出された前記推定値からの誤差についての評価値を算出する評価値算出ステップと、算出された前記評価値が所定値以下となるまで前記切削力成分を仮決めし直して、当該評価値が所定値以下となった場合における、前記切削力成分の比率及び前記伝達関数の各周波数成分の比率の少なくとも一方を、前記機械における前記切削力及び前記振動特性の少なくとも一方の同定に用いる誤差評価ステップと、を有することが望ましい。
In order to achieve the above object, the present disclosure is a monitoring device for monitoring at least one of a vibration characteristic and a cutting force in a machine having a rotating part, the rotating speed controlling a rotating speed of the rotating part. The control unit includes a control unit, a sensor attached to the machine, and a control unit connected to the sensor. The rotation speed control unit changes the rotation speed of the rotating unit within a predetermined range to perform the control. The means, by the sensor, to measure the vibration at the time of cutting by rotating the rotating portion at a plurality of the rotation speed, to obtain a vibration measurement result for each of the rotation speed, the cutting force according to a plurality of orders. A component is provisionally determined, and each frequency component of the vibration measurement result is divided by the provisionally determined cutting force component to calculate each frequency component of the transfer function related to the vibration characteristic, and the estimated transfer function is calculated. The evaluation value for the error from the value is calculated, the cutting force component is tentatively re-determined until the evaluation value becomes a predetermined value or less, and the cutting force when the evaluation value becomes the predetermined value or less At least one of the ratio of the components and the ratio of each frequency component of the transfer function is preferably used for identifying at least one of the cutting force and the vibration characteristic of the machine.
Further, the present disclosure is a monitoring method for monitoring at least one of a vibration characteristic and a cutting force in a machine having a rotating part by a computer, wherein a plurality of the rotating parts are detected by a sensor attached to the machine. The vibration at the time of cutting by rotating at the rotation speed is measured, and the vibration measurement step of acquiring the vibration measurement result for each of the rotation speeds and the cutting force component relating to a plurality of orders are provisionally determined, and the vibration measurement result. By dividing each frequency component of the above by the tentatively determined cutting force component, a transfer function frequency component calculating step of calculating each frequency component of the transfer function related to the vibration characteristic, and calculating an estimated value of the calculated transfer function. A transfer function estimation value calculation step, an evaluation value calculation step of calculating an evaluation value for an error from the calculated estimation value, and the cutting force component is tentatively calculated until the calculated evaluation value becomes a predetermined value or less. Redetermining, at least one of the ratio of the cutting force component and the ratio of each frequency component of the transfer function when the evaluation value becomes a predetermined value or less, the cutting force and the vibration characteristics of the machine It is desirable to have an error evaluation step used for at least one identification.

本開示によれば、実際の切削時における振動の測定結果を用いることができ、機械構造の振動特性及び切削力について力センサを用いず振動センサのみによって簡便に推定することができるモニタリング装置やモニタリング方法が提供される。   According to the present disclosure, it is possible to use a measurement result of vibration during actual cutting, and it is possible to easily estimate a vibration characteristic and a cutting force of a mechanical structure without using a force sensor only by a vibration sensor or monitoring. A method is provided.

本発明に係るモニタリング装置が装着された工作機械(エンドミル加工可能な立形のNCフライス盤)の模式図である。It is a schematic diagram of a machine tool (a vertical NC milling machine capable of end milling) equipped with a monitoring device according to the present invention. 加振力と振動の関係を表すブロック線図である。It is a block diagram showing the relationship between excitation force and vibration. 図1のモニタリング装置の動作例(モニタリング方法)に係るフローチャートである。6 is a flowchart according to an operation example (monitoring method) of the monitoring device in FIG. 1. 主軸の回転速度の範囲における振動変位の、1次から10次までの高調波成分に亘る周波数解析結果に係るグラフである。It is a graph which concerns on the frequency analysis result over the harmonic components from the 1st order to the 10th order of the vibration displacement in the range of the rotation speed of the main shaft. 仮決めした切削力と測定された振動変位から算出したコンプライアンス伝達関数に係るグラフであって、その推定値からの誤差の評価値が所定値以下となっておらずコンプライアンス伝達関数のばらつきが大きいとされる場合のグラフであり、上部が実部、下部が虚部についてのグラフである。It is a graph relating to the compliance transfer function calculated from the tentatively determined cutting force and the measured vibration displacement, and the evaluation value of the error from the estimated value is not less than a predetermined value and the variation of the compliance transfer function is large. Is a graph for the case where the upper part is the real part and the lower part is the imaginary part. 図5(実部)の一部拡大図である。It is a partially expanded view of FIG. 5 (real part). ある周波数(750Hz)における複素平面上でのコンプライアンス伝達関数のグラフである。It is a graph of the compliance transfer function on a complex plane at a certain frequency (750 Hz). コンプライアンス伝達関数のばらつきが小さいと判定された時の次数毎の切削力成分の比率のグラフである。It is a graph of the ratio of the cutting force component for each order when it is determined that the variation of the compliance transfer function is small. コンプライアンス伝達関数のばらつきが小さいと判定された時のコンプライアンス伝達関数成分の比率を縦軸とし、周波数を横軸としたグラフである。6 is a graph in which the vertical axis represents the ratio of compliance transfer function components when it is determined that the variation in the compliance transfer function is small, and the horizontal axis represents frequency. 推定された切削力の例に係るグラフである。It is a graph which concerns on the example of the estimated cutting force. 変更例によって同定したコンプライアンス伝達関数成分の比率であって、実部虚部により表現されたものに係るグラフである。9 is a graph relating to a ratio of a compliance transfer function component identified by a modified example and represented by a real part imaginary part. 変更例によって同定したコンプライアンス伝達関数成分の比率であって、振幅位相により表現されたものに係るグラフである。7 is a graph relating to a ratio of a compliance transfer function component identified by a modification, which is represented by an amplitude phase. 変更例によって同定した次数毎の切削力成分の比率に係るグラフである。It is a graph which concerns on the ratio of the cutting force component for every order identified by the modification. 変更例によって同定した切削力の各次数成分から、逆フーリエ変換を用いて推定した工具回転角度に対する切削力波形に係るグラフである。It is a graph which concerns on the cutting force waveform with respect to the tool rotation angle estimated using the inverse Fourier transform from each order component of the cutting force identified by the modification.

以下、本発明に係る実施の形態や動作例を、適宜図面に基づいて説明する。尚、本発明は、下記の実施の形態や動作例に限定されない。   Hereinafter, embodiments and operation examples according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. The present invention is not limited to the following embodiments and operation examples.

≪全体構成等≫
図1は、本発明に係るモニタリング装置1が装着された機械の一例としての工作機械(エンドミル加工可能な立形のNCフライス盤J)の模式図である。
NCフライス盤Jは、エンドミルVが装着された主軸P(回転部)と、主軸Pを回転可能に支持する主軸頭Hと、主軸頭Hを支持するコラムCと、ワークWを載置可能であるワーク台Q及びテーブルTと、を備える。
エンドミルVは、その中心軸が鉛直方向(Z軸方向)に沿うように装着される。
ワーク台Tは、それぞれZ軸方向に直交し、また互いに直交するX軸方向,Y軸方向におけるワークWの送りを行うワーク送り機構Dを備えている。
尚、ここでは説明を分かり易くするため、ワーク台Qは1方向(Y軸方向)に振動し易いものとする。
また、モニタリング装置1の構成には不要であるが、説明の便宜上、ワーク台QとテーブルTの間に動力計Oが設置されていることとする。
<<Overall structure>>
FIG. 1 is a schematic view of a machine tool (a vertical NC milling machine J capable of end milling) as an example of a machine equipped with a monitoring device 1 according to the present invention.
The NC milling machine J is capable of mounting a spindle P (rotating portion) on which an end mill V is mounted, a spindle head H that rotatably supports the spindle P, a column C that supports the spindle head H, and a work W. A work table Q and a table T are provided.
The end mill V is mounted so that its central axis is along the vertical direction (Z-axis direction).
The work table T includes a work feeding mechanism D that feeds the work W in the X-axis direction and the Y-axis direction that are orthogonal to the Z-axis direction and are orthogonal to each other.
In order to make the description easy to understand, it is assumed that the work table Q easily vibrates in one direction (Y-axis direction).
Further, although not necessary for the configuration of the monitoring device 1, for convenience of explanation, it is assumed that the dynamometer O is installed between the work table Q and the table T.

モニタリング装置1は、ワーク台Q(加工点の隣接部,ワーク側)に取り付けられた加速度センサ2と、加速度センサ2と電気的に接続され、各種の演算や指令が可能である制御装置4(制御手段,コンピュータ)と、を備える。
加速度センサ2は、ワーク台Qの加速度を計測可能であり、ここでは少なくともY軸方向の振動を計測できるものとする。尚、加速度センサ2に代えて、あるいはこれと共に、音圧を測定するマイクロフォン、変位センサ、速度センサ、あるいは主軸Pを回転するモータ(図示略)や各送り機構を駆動するモータ(図示略)の電流値(トルク)及び回転位置(速度でも良く、指令値との偏差でも良い)等のうちの少なくとも何れかが用いられても良い。
制御装置4は、主軸Pの回転速度を制御する回転速度制御手段を兼ねている。また、制御装置4は、ワーク送り機構DにおけるワークWの送り量等を制御する送り制御手段を兼ねている。尚、回転速度制御手段や送り制御手段と制御装置4のうちの少なくとも何れか1つは、互いに電気的に接続された状態で別個に構成されても良い。
The monitoring device 1 is electrically connected to the acceleration sensor 2 attached to the work table Q (adjacent to the processing point, the work side) and the acceleration sensor 2 and is capable of performing various calculations and commands. Control means, computer).
The acceleration sensor 2 is capable of measuring the acceleration of the work table Q, and here, it is assumed that at least the vibration in the Y-axis direction can be measured. In place of or together with the acceleration sensor 2, a microphone for measuring sound pressure, a displacement sensor, a speed sensor, a motor (not shown) for rotating the main shaft P, or a motor (not shown) for driving each feed mechanism. At least one of a current value (torque), a rotational position (a speed may be used, or a deviation from a command value may be used) or the like may be used.
The control device 4 also serves as rotation speed control means for controlling the rotation speed of the spindle P. The control device 4 also serves as a feed control unit that controls the feed amount of the work W in the work feed mechanism D. At least one of the rotation speed control means, the feed control means, and the control device 4 may be separately configured in a state of being electrically connected to each other.

≪振動特性や切削力のモニタリング等≫
図2は、加振力と振動の関係を表すブロック線図である。
一般的なエンドミル加工プロセスでは、断続切削による切削力変動が加振力Fとなり、機械構造の振動特性Gとの積が切削加工中に発生する振動X(変位,速度,加速度等)となる。尚、加振力F,振動特性G,振動Xは、複素数として振幅と位相を表しても良く、実数として振幅のみを表しても良い。加えて、「切削力」には切削トルクが含まれても良いし、「振動」には電流値の変動や回転位置の変動等が含まれても良い。
<<Monitoring of vibration characteristics and cutting force>>
FIG. 2 is a block diagram showing the relationship between the excitation force and the vibration.
In a general end milling process, the fluctuation of the cutting force due to intermittent cutting becomes the exciting force F, and the product with the vibration characteristic G of the mechanical structure becomes the vibration X (displacement, speed, acceleration, etc.) generated during the cutting process. The exciting force F, the vibration characteristic G, and the vibration X may represent the amplitude and phase as a complex number, or may represent only the amplitude as a real number. In addition, the "cutting force" may include the cutting torque, and the "vibration" may include the fluctuation of the current value and the fluctuation of the rotational position.

換言すれば、切削加工中に発生する振動の各周波数成分は、入力される切削力の当該周波数成分と、振動特性の1つである伝達関数(コンプライアンス,モビリティ,イナータンス等)の当該周波数成分の積となる。尚、伝達関数は、切削力に代えて切削トルクを入力としても良いし、変位,速度,加速度に代えてモータの電流値や回転位置等の変動を出力としても良い。
このことに基づき、モニタリング装置1は、以下のようにして、加速度センサ2で測定した切削時の振動の測定結果から、振動特性(コンプライアンス)や切削力を推定する。
始めに、モニタリング装置1は、制御装置4を介して主軸Pを複数の回転速度条件で駆動し、ワークの加工(例えばエンドミル加工)を行う。回転速度条件は、加工が開始して終了する毎に変化させても良いし、1回の加工開始から終了までの間あるいはその一部期間に変化させても良い。ここで、刃毎の送り量及び切取り厚さが変わらないようにするために、例えば回転数を2倍にした場合には、送り速度も2倍にする。また、かような加工における、主軸Pの各回転速度に係る基本波の振動振幅を、加速度センサ2で測定した振動の時間変化の周波数分析(例えばフーリエ変換)により抽出してプロットする。尚、当該プロットは、NCフライス盤Jの振動の特徴を把握するために行われており、実際のモニタリング時においては不要である。
ここで、切削力の大きさは切取り厚さに依存するも、工具の回転速度の影響が小さいと考えられることから、回転速度に対する振動振幅のプロット結果は、同じ大きさの入力に対する周波数毎の出力に概ね等しく、周波数に対するコンプライアンスのプロット形状と概ね同じ形状になる。更に、基本波の振動振幅に加え、高次高調波の振動振幅も用いることで、より少ない主軸Pの回転速度条件で周波数に対するコンプライアンス特性を密に推定・プロットすることができる。
In other words, each frequency component of the vibration generated during cutting is the frequency component of the input cutting force and the frequency component of the transfer function (compliance, mobility, inertance, etc.) that is one of the vibration characteristics. Product. The transfer function may be input with the cutting torque instead of the cutting force, or may be output with changes in the motor current value, rotational position, etc., instead of the displacement, speed, and acceleration.
Based on this, the monitoring device 1 estimates the vibration characteristic (compliance) and the cutting force from the measurement result of the vibration during cutting measured by the acceleration sensor 2 as follows.
First, the monitoring device 1 drives the spindle P under a plurality of rotation speed conditions via the control device 4 to perform machining (for example, end mill machining) of a work. The rotation speed condition may be changed every time the machining is started and finished, or may be changed from one machining start to one end or a part thereof. Here, in order to prevent the feed amount and cutting thickness of each blade from changing, for example, when the number of rotations is doubled, the feed speed is also doubled. In such processing, the vibration amplitude of the fundamental wave at each rotation speed of the spindle P is extracted and plotted by frequency analysis (for example, Fourier transform) of the time change of vibration measured by the acceleration sensor 2. The plot is made to understand the characteristics of vibration of the NC milling machine J, and is unnecessary in actual monitoring.
Here, although the magnitude of the cutting force depends on the cutting thickness, it is considered that the influence of the rotation speed of the tool is small.Therefore, the plot result of the vibration amplitude with respect to the rotation speed is It is approximately equal to the output and has a shape similar to the plot shape of compliance against frequency. Further, by using the vibration amplitude of the higher harmonic in addition to the vibration amplitude of the fundamental wave, it is possible to densely estimate and plot the compliance characteristic with respect to the frequency under the condition that the rotation speed of the spindle P is smaller.

しかし、高調波の振動振幅を用いる場合、その次数毎に入力される切削力の大きさが異なるため、そのままでは直接コンプライアンス特性をプロットすることができない。
そこで、モニタリング装置1は、振動測定結果から切削力の高調波に係る次数毎の比率を別途分離して推定する。
即ち、モニタリング装置1は、ある周波数に対して、次数の異なる高調波が当該周波数となるように2種類あるいはそれ以上の種類の主軸Pの回転速度条件を選択する。これら同一の周波数で得られる振動の大きさの比率は、入力された切削力の高調波に係る次数毎の比率そのものである。このことは、次数が異なっても、周波数が等しいため、入力を増幅するコンプライアンスの大きさが等しいことに基づく。尚、上記振動の大きさは、当該周波数で得られたものに代えて、近い周波数で得られたものから内挿等によって推定されたものであっても良い。
例えば、2枚刃のエンドミルVを装置し、制御装置4を介して主軸Pを3750min−1(回転/分)と5000min−1の2条件で回転させ加工した際の振動を加速度センサ2から取得すると、3750min−1の4次高調波と5000min−1の3次高調波の周波数が等しく500Hz(ヘルツ)となる。
尚、切削力に対する切削速度の影響は小さいことが知られており、主軸Pの回転速度が変わっても、送り速度が同じ比率で変化していれば、回転位置に対する切削力変化は同じであるとみなして良い。即ち、近似的に、回転周波数の整数倍の切削力成分は不変であるとみなして良い。
However, when the vibration amplitude of the harmonic is used, since the magnitude of the cutting force input differs for each order, the compliance characteristic cannot be directly plotted as it is.
Therefore, the monitoring device 1 separately estimates the ratio for each order related to the harmonic of the cutting force from the vibration measurement result.
That is, the monitoring device 1 selects two or more kinds of rotational speed conditions of the spindle P so that harmonics having different orders have the same frequency with respect to a certain frequency. The ratio of the magnitudes of vibrations obtained at these same frequencies is the ratio itself for each order related to the harmonics of the input cutting force. This is based on the fact that even if the orders are different, the frequencies are the same, and therefore the magnitudes of the compliances for amplifying the inputs are the same. The magnitude of the vibration may be estimated by interpolation or the like from the one obtained at a close frequency, instead of the one obtained at the frequency.
For example, by using a two-blade end mill V, the spindle P is rotated through the control device 4 under two conditions of 3750 min −1 (revolutions/minute) and 5000 min −1 , and vibration is obtained from the acceleration sensor 2 during machining. Then, the third harmonic of the frequency of the fourth harmonic and 5000 min -1 of 3750Min -1 is equal 500 Hz (hertz).
It is known that the effect of the cutting speed on the cutting force is small, and even if the rotation speed of the spindle P changes, if the feed speed changes at the same ratio, the cutting force change with respect to the rotation position is the same. You can consider that. That is, it may be approximately considered that the cutting force component that is an integral multiple of the rotation frequency is unchanged.

従って、モニタリング装置1は、2種類の回転速度条件における振動振幅を比較することで、上述の例において切削力の3次高調波と4次高調波の比率を求めることができ、他の場合でも同様に切削力の比率を求めることができる。また、制御装置4は、複数の主軸Pの回転速度条件で同様のステップを行えば、切削力の高調波に係る次数毎の比率を求めることができ、高次高調波の振動振幅を用いて、より少ない主軸Pの回転速度条件の変化で、周波数に対するコンプライアンス特性を密に推定・プロットし、振動特性をモニタリングすることができる。
更に、図2に示されるように、入力される切削力、振動特性、出力される振動の間には一定の関係があるため、モニタリング装置1は、振動特性が同定された後は、異なる加工条件、異なる被削材(ワーク)、びびり振動が発生した条件等において、回転速度を変化させることなく切削力を推定してモニタリングすることも可能である。尚、振動特性が同定されるまでは、同じ加工条件で回転速度のみが変化され、即ち回転速度と共に送り速度が変化され、軸方向と半径方向の切り込み,刃毎の送り量及び切り取り厚さが一定に保たれる。また、加速度センサ2がワーク側に設けられているため、ワークの大きさあるいは材質等が変更されると振動特性が変化することから、所定以上の大きさに係るワークの変化があった場合には、振動特性は同定し直されることが望ましい。
即ち、複数種類の回転速度条件における複数の次数の振動測定結果を用いることで、切削力の各次数の成分の比率、及びコンプライアンス伝達関数の各周波数成分の比率を同定し、振動特性や切削力をモニタリングすることができる。
尚、一般に、工作機械において、ワークより工具の方が小さく且つ切削点に近く、またワークの切削による形状変化が比較的に大きいため、加速度センサ2は、工具側の非回転部(主軸頭HあるいはコラムC)に取り付けられることが望ましい。この場合、工具の変化があった場合には、振動特性は同定し直されることが望ましい。
Therefore, the monitoring device 1 can obtain the ratio of the third harmonic wave to the fourth harmonic wave of the cutting force in the above-mentioned example by comparing the vibration amplitudes under the two kinds of rotation speed conditions, and in other cases as well. Similarly, the ratio of cutting force can be obtained. Further, the control device 4 can obtain the ratio of each order related to the harmonics of the cutting force by performing the same steps under the rotational speed conditions of the plurality of spindles P, and using the vibration amplitude of the higher harmonics. With a smaller change in the rotational speed condition of the spindle P, it is possible to closely estimate and plot the compliance characteristic with respect to frequency, and monitor the vibration characteristic.
Furthermore, as shown in FIG. 2, since there is a fixed relationship between the input cutting force, the vibration characteristic, and the output vibration, the monitoring device 1 is different in processing after the vibration characteristic is identified. It is also possible to estimate and monitor the cutting force without changing the rotation speed under different conditions, different work materials (workpieces), conditions in which chatter vibration occurs, and the like. Until the vibration characteristics are identified, only the rotation speed is changed under the same machining conditions, that is, the feed speed is changed along with the rotation speed, and the axial and radial cuts, the feed amount for each blade, and the cut thickness are Is kept constant. Further, since the acceleration sensor 2 is provided on the work side, the vibration characteristics change when the size or material of the work is changed. It is desirable that the vibration characteristics be re-identified.
That is, by using the vibration measurement results of a plurality of orders under a plurality of types of rotational speed conditions, the ratio of the components of each order of the cutting force and the ratio of each frequency component of the compliance transfer function are identified, and the vibration characteristics and the cutting force are identified. Can be monitored.
In general, in a machine tool, a tool is smaller than a work, closer to a cutting point, and a shape change due to cutting of the work is relatively large. Therefore, the acceleration sensor 2 includes a non-rotating portion (spindle head H Alternatively, it is desirable to be attached to the column C). In this case, it is desirable that the vibration characteristics be re-identified when the tool changes.

≪モニタリングの具体例ないし検証等≫
NCフライス盤Jにおける、Y軸方向の振動や切削力のモニタリングの具体例やその検証について、図3等に基づき説明する。尚、以下の説明では、処理のステップを適宜Sと略記する。
≪Specific examples or verification of monitoring≫
A specific example of monitoring of vibration and cutting force in the Y-axis direction in the NC milling machine J and its verification will be described with reference to FIG. In the following description, the processing step is abbreviated as S as appropriate.

ここでは、真鍮製のワークWを、コバルト高速度鋼製で直径20mm(ミリメートル),ねじれ角30°(deg)、溝数2のエンドミルVで切削する場合を例に説明する。
尚、切削条件は、次の通りとする。主軸Pの回転速度(回転数)は500min−1以上7500min−1以下、切削速度は31m/min(メートル毎分)以上471m/min以下、ワーク送り機構Dの送り量は刃毎に0.1mm、アキシャル(Z軸)方向の切込みは1mm、半径(Y軸)方向の切込みは5mm、切削方式はダウンカット、切削油は不使用である。
また、切削力がなるべく高次高調波まで入力されるように、半径方向の切込みは、エンドミルVの直径に対して比較的小さめに設定する。更に、びびり振動の発生をなるべく避けるため、アキシャル方向の切込みも、比較的に小さく設定する。
Here, a case where a brass work W is made of cobalt high speed steel and is cut by an end mill V having a diameter of 20 mm (millimeter), a helix angle of 30° (deg), and a groove number of 2 will be described as an example.
The cutting conditions are as follows. The rotation speed (rotation speed) of the spindle P is 500 min −1 or more and 7500 min −1 or less, the cutting speed is 31 m/min (meter/minute) or more and 471 m/min or less, and the feed amount of the work feeding mechanism D is 0.1 mm for each blade. , The axial (Z-axis) direction incision is 1 mm, the radius (Y-axis) direction incision is 5 mm, the cutting method is down-cut, and no cutting oil is used.
Further, the cutting depth in the radial direction is set to be relatively small with respect to the diameter of the end mill V so that the cutting force is input to the higher harmonics as much as possible. Further, in order to avoid chatter vibration as much as possible, the cut in the axial direction is set to be relatively small.

始めに、モニタリング装置1は、制御装置4を介して、主軸Pを複数の回転速度条件で回転させ、ワークWを切削し、加速度センサ2により、複数の次数の振動を測定する(S1,振動測定ステップ)。ここでは、1次から10次までの次数の変位(振動)を測定する。参考のため、図4に、上述の主軸Pの回転速度の範囲における変位(Displacement,μm,マイクロメートル)の、1次から10次までの高調波成分に亘る周波数解析結果を示す。図4において、互いに同じ次数のプロットには、「●」と「●」あるいは「○」と「○」等といったように、同じ形状と塗り潰しの組合せを与えて表記している。即ち、図4中で「●」と「○」は周波数が同じであっても異なる次数で測定がなされた結果である。図4において、ワーク台Qの変位は、高調波の次数毎に段階的に変化していることを確認できる。尚、測定対象とする次数の上限は10次に限らず、9次以下あるいは11次以上とする等、適宜変更可能である。下限についても、同様に1次には限られない。   First, the monitoring device 1 rotates the spindle P under a plurality of rotation speed conditions through the control device 4, cuts the work W, and measures the vibrations of a plurality of orders by the acceleration sensor 2 (S1, vibration). Measurement step). Here, displacements (vibrations) of orders from the 1st to the 10th are measured. For reference, FIG. 4 shows a frequency analysis result of the displacement (Displacement, μm, micrometer) in the range of the rotational speed of the above-described main axis P over the first to tenth harmonic components. In FIG. 4, plots of the same order are given with the same combination of shape and filling, such as "●" and "●" or "○" and "○". That is, in FIG. 4, “●” and “◯” are the results of measurement with different orders even if the frequencies are the same. In FIG. 4, it can be confirmed that the displacement of the work table Q changes stepwise for each harmonic order. Note that the upper limit of the order to be measured is not limited to the tenth order, and may be appropriately changed to the ninth order or less or the eleventh order or more. Similarly, the lower limit is not limited to the first order.

次に、モニタリング装置1は、複数の回転速度条件に対する複数の次数の振動測定結果に基づき、切削力の次数毎の比率を仮決めし、各周波数に対する切削力成分を求める。更に、各周波数成分について変位(振動)成分をそれらの切削力成分で除することで、コンプライアンス伝達関数の各周波数成分を算出する(S2,伝達関数周波数成分算出ステップ)。
具体的には、仮決めした切削力の次数毎の比率から算出される各次数に対する切削力成分をF,各次数に対する変位(振動)成分をXj,k、これらから算出されるコンプライアンス伝達関数の各次数成分をGj,k(μm/N,マイクロメートル毎ニュートン)とすると、これらは次の[数1]の関係を有する。尚、これらの値は全て複素数である。
また、jは複数の回転速度条件に対して小さい順に付番した番号であり、kは次数を表す。
Next, the monitoring device 1 tentatively determines the ratio of the cutting force for each order based on the vibration measurement results of the plurality of orders for the plurality of rotation speed conditions, and obtains the cutting force component for each frequency. Further, the displacement (vibration) component of each frequency component is divided by those cutting force components to calculate each frequency component of the compliance transfer function (S2, transfer function frequency component calculation step).
Specifically, the cutting force component for each order calculated from the provisionally determined ratio of the cutting force for each order is F k , the displacement (vibration) component for each order is X j,k , and the compliance transmission calculated from these When each order component of the function is G j,k (μm/N, micrometer per Newton), these have the following relationship of [Equation 1]. Note that all these values are complex numbers.
In addition, j is a number added in ascending order to a plurality of rotation speed conditions, and k represents an order.

Figure 2020080015
Figure 2020080015

ここで、モニタリング装置1は、図5(上部が実部(Real part),下部が虚部(Imag. part))で示されるような、Gj,kにおける周波数に応じた分布を把握し、適宜内挿点を追加することで、内挿点を含めたコンプライアンス伝達関数Gl,kを求める。尚、lは、周波数に対して小さい順に付番した番号であり、Gl,kはコンプライアンス伝達関数の各周波数成分を表すこととなる。
図6は、図5におけるGl,kの実部の一部を拡大した図である。図6において黒塗り潰しのプロットがGj,kを表し、プロット形状(六芒星,左向き三角形,菱形,右向き三角形,五芒星)の違いが次数kの相違を表す。これら黒塗りのプロットに対し、モニタリング装置1は、同一形状(同一次数)間を例えば直線(図6では破線で表示)で結び、その線上に他の次数の黒塗りプロットが存在する周波数の箇所に、内挿点を追加する。内挿点は、図6では、次数に対応した形状の白抜きのプロットで示している。このように、モニタリング装置1は、算出された内挿点を含めたコンプライアンス伝達関数Gl,kを把握する。尚、内挿点の追加の一部または全部は、省略しても良い。また、内挿点は、隣接するプロット同士間を直線補間する以外の方法によって決定しても良い。
Here, the monitoring device 1 grasps the distribution according to the frequency in G j,k as shown in FIG. 5 (the upper part is a real part and the lower part is an imaginary part (Imag. part)). By appropriately adding interpolation points, the compliance transfer function G l,k including the interpolation points is obtained . It should be noted that l is a number assigned to the frequency in ascending order, and G l,k represents each frequency component of the compliance transfer function.
FIG. 6 is an enlarged view of a part of the real part of G 1,k in FIG. In FIG. 6, a black-filled plot represents G j,k, and a difference in plot shape (hexagram, left-pointing triangle, rhombus, right-pointing triangle, pentagram) represents a difference in order k. For these black-painted plots, the monitoring device 1 connects the same shapes (same orders) with, for example, a straight line (indicated by a broken line in FIG. 6), and positions of frequencies at which other-order black-painted plots exist on the line. , Add interpolation points. In FIG. 6, the interpolation points are shown by outline plots having a shape corresponding to the order. In this way, the monitoring device 1 grasps the compliance transfer function G l,k including the calculated interpolation point. Incidentally, some or all of the addition of the interpolation points may be omitted. In addition, the interpolation point may be determined by a method other than linear interpolation between adjacent plots.

続いて、モニタリング装置1は、算出されたコンプライアンス伝達関数Gl,kはばらつきが所定閾値より小さい関数であるか否かについて、次のように評価することで、NCフライス盤Jの切削力や振動特性に関する値を同定する。
まず、コンプライアンス伝達関数の各周波数における推定値Gl,estを算出する(S3,伝達関数推定値算出ステップ)。ここでは、推定値Gl,estとして、次の[数2]に示されるような、コンプライアンス伝達関数の各周波数における平均値を算出する。
Subsequently, the monitoring device 1 evaluates whether or not the calculated compliance transfer function G l,k is a function whose variation is smaller than a predetermined threshold value, in the following manner, and thereby the cutting force and the vibration of the NC milling machine J are evaluated. Identify the value for the property.
First, the estimated value G l,est of each frequency of the compliance transfer function is calculated (S3, transfer function estimated value calculation step). Here, as the estimated value G l,est , an average value at each frequency of the compliance transfer function as shown in the following [Equation 2] is calculated.

Figure 2020080015
Figure 2020080015

ここで、s及びeはl番目の周波数においてコンプライアンス伝達関数Gl,kが存在する次数の下限及び上限を表す。 Here, s l and e l represent the lower and upper limits of the order in which the compliance transfer function G l,k exists at the l-th frequency.

次に、モニタリング装置1は、[数3]の評価関数El,kを用いて[数4]で示すようにコンプライアンス伝達関数Gl,kの推定値からの誤差の評価値Eを算出する(S4,評価値算出ステップ)。
ここで、bはコンプライアンス伝達関数の周波数成分の数(lの上限)を示している。
尚、Gl,kないしGl,estは何れも複素数であり、図7に示すように、ある周波数(図6の750Hz)の値について複素平面上で考えると、[数3]の評価関数El,kは、コンプライアンス伝達関数の各周波数成分Gl,kと推定値Gl,estとの間の距離を意味する。
Next, the monitoring device 1 calculates the evaluation value E of the error from the estimated value of the compliance transfer function G l,k as shown in [Equation 4] using the evaluation function E l,k of [Equation 3]. (S4, evaluation value calculation step).
Here, b indicates the number of frequency components of the compliance transfer function (upper limit of 1).
It should be noted that G 1,k to G 1,est are all complex numbers, and when the value of a certain frequency (750 Hz in FIG. 6) is considered on the complex plane as shown in FIG. 7, the evaluation function of [Equation 3] is obtained. E l, k denotes the distance between the respective frequency components G l compliance transfer function, k the estimated value G l, and est.

Figure 2020080015
Figure 2020080015
Figure 2020080015
Figure 2020080015

モニタリング装置1は、推定値からの誤差の評価値Eが所定値以下となったか否かを判定し(S5,誤差評価ステップ)、推定値からの誤差の評価値Eが所定範囲外となった(推定値からの誤差の評価値Eが所定値を超えた)場合(図4,5)、コンプライアンス伝達関数Gl,kのばらつきが大きいと判断する(S5でNO)。この場合、推定値からの誤差の評価値Eの大きさ等に基づいて、切削力の次数毎の比率を仮決めし直し、コンプライアンス伝達関数Gl,kのばらつきが所定閾値より小さいと判定されるまでS2,S3,S4のステップを繰り返す。 The monitoring device 1 determines whether the evaluation value E of the error from the estimated value is equal to or less than a predetermined value (S5, error evaluation step), and the evaluation value E of the error from the estimated value is outside the predetermined range. When the evaluation value E of the error from the estimated value exceeds the predetermined value (FIGS. 4 and 5), it is determined that the variation of the compliance transfer function G l,k is large (NO in S5). In this case, the ratio of the cutting force for each order is tentatively determined again based on the magnitude of the evaluation value E of the error from the estimated value, and it is determined that the variation in the compliance transfer function G l,k is smaller than the predetermined threshold value. The steps of S2, S3, and S4 are repeated until it is reached.

かように推定値からの誤差の評価値Eが小さくなるように、各次数の切削力成分を修正すれば、モニタリング装置1は、正しい切削力成分の比率とコンプライアンス伝達関数成分の比率を同定することができる。
推定値からの誤差の評価値Eが所定値以下となり、コンプライアンス伝達関数Gl,kのばらつきが小さいと判定された時(S5でYES)、次数毎の切削力成分の比率の絶対値(Ratio of cutting force harmonics,|F/F|)は図8のように同定され、各周波数に対するコンプライアンス伝達関数の比率の絶対値(Magnification,|G/G|)として図9が得られる。ここでGはl=1,k=1の時のGl,kとして表示している。また、これらの図においてプロットされた各点の形状は、図4と同様である。
If the cutting force component of each order is corrected so that the evaluation value E of the error from the estimated value becomes small, the monitoring device 1 identifies the correct ratio of the cutting force component and the ratio of the compliance transfer function component. be able to.
When the evaluation value E of the error from the estimated value becomes equal to or less than the predetermined value and it is determined that the variation of the compliance transfer function G l,k is small (YES in S5), the absolute value (Ratio) of the ratio of the cutting force component for each order of cutting force harmonics, |F n /F 1 |) are identified as shown in FIG. 8, and FIG. 9 is obtained as the absolute value (Magnification, |G/G 1 |) of the ratio of the compliance transfer function for each frequency. Here, G 1 is displayed as G l,k when l=1 and k=1. The shapes of the points plotted in these figures are the same as in FIG.

更に、モニタリング装置1は、主軸Pを回転するモータや各送り機構を駆動するモータの例えば電流値情報を利用して、切削力成分やコンプライアンス伝達関数成分の定量的な同定を行う(S6,定量同定ステップ)。尚、S6は省略しても良い。
測定する振動と同じY軸方向の切削力成分を定量化するため、例えばY軸方向の送り機構を駆動するモータ電流からその推力を比較的容易に推定可能であり、推定された推力の加工開始前後の差分として切削力が推定可能である。但し、モータ電流による推力推定は、一般に周波数特性が良好でないことが多く、低周波の成分においてより正確に推定可能な傾向がある。
そこで、モニタリング装置1は、低次の成分のみを利用して、切削力の定量化を行うことが好ましい。
図4,8,9の例では、加速度センサ2による測定結果を変位に換算した値を使用しており、直流成分(積分定数)に関わる情報が欠落している。加速度センサ2の代わりに変位センサを利用する場合、直流成分の情報を利用できるため、モニタリング装置1は、推力の平均値(直流成分)を利用して、Y方向の切削力の次数成分を定量化し、その結果からコンプライアンス伝達関数も単位切削力に対する振動の値(図では変位[μm])として求めることができる。
また、モニタリング装置1は、同定された切削力の各次数成分から、逆フーリエ変換によって、図10に示すように、主軸Pの回転角度(Rotation angle,deg)に対する切削力(Cutting force,N)を推定することもできる。加えて、モニタリング装置1は、図10の横軸にあたる回転角度(Rotation angle,deg)を回転角速度で除することで、時間に対する切削力として表現することもできる。
Further, the monitoring device 1 uses the current value information of the motor that rotates the spindle P and the motor that drives each feed mechanism, for example, to quantitatively identify the cutting force component and the compliance transfer function component (S6, quantification). Identification step). Incidentally, S6 may be omitted.
Since the cutting force component in the Y-axis direction, which is the same as the vibration to be measured, is quantified, it is possible to estimate the thrust force relatively easily, for example, from the motor current that drives the Y-axis feed mechanism, and start the processing of the estimated thrust force. The cutting force can be estimated as the difference between the front and back. However, the estimation of the thrust force by the motor current generally has poor frequency characteristics, and tends to allow more accurate estimation of low-frequency components.
Therefore, the monitoring device 1 preferably uses only low-order components to quantify the cutting force.
In the examples of FIGS. 4, 8 and 9, a value obtained by converting the measurement result of the acceleration sensor 2 into a displacement is used, and information related to the DC component (integral constant) is missing. When the displacement sensor is used instead of the acceleration sensor 2, the information of the DC component can be used, so the monitoring device 1 uses the average value of the thrust (DC component) to quantify the order component of the cutting force in the Y direction. Then, the compliance transfer function can also be obtained from the result as a vibration value (displacement [μm] in the figure) with respect to the unit cutting force.
In addition, the monitoring device 1 uses the inverse Fourier transform to calculate the cutting force (Cutting force, N) with respect to the rotation angle (Rotation angle, deg) of the main axis P from each order component of the identified cutting force, as shown in FIG. 10. Can also be estimated. In addition, the monitoring device 1 can also express the cutting force with respect to time by dividing the rotation angle (Rotation angle, deg) corresponding to the horizontal axis of FIG. 10 by the rotation angular velocity.

加えて、モニタリング装置1は、エンドミルVの形状や、半径方向の切込み、軸方向の切込みといった詳細な加工条件について、作業者による入力やCAMからの情報を取得し、切削力シミュレーションと組み合わせることで、より正確に上述の同定を行うことができる。
例えば、振動測定で直流成分の情報が欠落していても、これを補うことができる。あるいは、主軸Pの回転トルクを例えばモータ電流から推定し、更にトルクの平均値(直流成分)から切削点でのX,Y方向の力を推定することで、X,Y方向の切削力の各次数成分と、コンプライアンス伝達関数の各周波数成分とを定量的に求めることが可能である。
図10において、「Estimated」は、上述のように詳細な加工条件と切削力シミュレーションを組み合わせ、振動測定で欠落している直流成分の情報を補い、モータ電流から推定した主軸Pの回転トルクの平均値(直流成分)からY方向の切削力成分を定量化することで、推定された切削力を示す。推定された切削力は、「Measured」で示される動力計Oにより測定された切削力と良く一致している。
In addition, the monitoring device 1 acquires the information from the operator or the CAM about the detailed machining conditions such as the shape of the end mill V, the cutting in the radial direction, and the cutting in the axial direction, and combines it with the cutting force simulation. The above identification can be performed more accurately.
For example, even if the information on the DC component is missing in the vibration measurement, this can be supplemented. Alternatively, the rotational torque of the spindle P is estimated from, for example, the motor current, and the force in the X and Y directions at the cutting point is estimated from the average value of the torque (DC component) to obtain each of the X and Y direction cutting forces. It is possible to quantitatively obtain the order component and each frequency component of the compliance transfer function.
In FIG. 10, “Estimated” is the average of the rotational torque of the spindle P estimated from the motor current by combining the detailed machining conditions and the cutting force simulation as described above, supplementing the information of the DC component missing in the vibration measurement. The estimated cutting force is shown by quantifying the Y-direction cutting force component from the value (DC component). The estimated cutting force is in good agreement with the cutting force measured by the dynamometer O indicated by "Measured".

尚、モニタリング装置1は、S4において、全てのコンプライアンス伝達関数Gl,kを平等に用いた[数3]に代えて、次の[数5]を用いても良い。
[数3]では、機械系の共振周波数付近でのコンプライアンス伝達関数Gl,kが比較的大きな誤差を持ち易いことを鑑み、[数5]では、共振周波数付近でのコンプライアンス伝達関数Gl,kについてその影響が小さくなるように重み付けが施されている。即ち、評価関数El,kを、共振周波数付近で大きくなるコンプライアンス伝達関数の推定値の絶対値で除することで、共振周波数付近での誤差の影響を小さくする。
その他、コンプライアンス伝達関数の絶対値や位相の変化の傾向から共振周波数を予想し、その予想共振周波数を用いて重み付けを行うことも可能である。
The monitoring apparatus 1 may use the following [Equation 5] instead of [Equation 3] in which all the compliance transfer functions G l,k are equally used in S4.
In [Equation 3], since the compliance transfer function G l,k near the resonance frequency of the mechanical system is likely to have a relatively large error, in [Equation 5] the compliance transfer function G l,k near the resonance frequency . Weighting is applied to k so that its influence is small. That is, by dividing the evaluation function E l,k by the absolute value of the estimated value of the compliance transfer function that increases near the resonance frequency, the influence of the error near the resonance frequency is reduced.
In addition, it is also possible to predict the resonance frequency from the tendency of the absolute value of the compliance transfer function or the phase and to weight using the predicted resonance frequency.

Figure 2020080015
Figure 2020080015

また、モニタリング装置1は、S3において、コンプライアンス伝達関数の各周波数における推定値Gl,estを算出する[数2]に代えて、次の[数6]を用いても良い。
[数6]では、一つ以上の振動モードを仮定し、それらのモーダルパラメータを仮定することで、モーダルパラメータによってコンプライアンス伝達関数の推定値Gl,estを定めている。
[数6]において、mは振動モードに付番した番号、cは仮定した振動モードの数、Mは等価質量、Cが等価減衰係数、Kは等価バネ定数である。尚、[数6]において、レジデュー(残余)が考慮されても良い。
かように振動モードが仮定される場合、モニタリング装置1は、各次数の切削力成分と共にモーダルパラメータについても修正を行うことで、コンプライアンス伝達関数の推定値からの誤差の評価値を小さくしていっても良い。
The monitoring apparatus 1 may use the following [Equation 6] instead of [ Equation 2] for calculating the estimated value G l,est at each frequency of the compliance transfer function in S3.
In [Equation 6], one or more vibration modes are assumed, and those modal parameters are assumed, whereby the estimated value G l,est of the compliance transfer function is determined by the modal parameters.
In [Equation 6], m is a number assigned to the vibration mode, c is the number of assumed vibration modes, M m is an equivalent mass, C m is an equivalent damping coefficient, and K m is an equivalent spring constant. In addition, in [Equation 6], the residue (residual) may be considered.
When the vibration mode is assumed as described above, the monitoring device 1 reduces the evaluation value of the error from the estimated value of the compliance transfer function by correcting the modal parameter as well as the cutting force component of each order. May be.

Figure 2020080015
Figure 2020080015

図11は、モニタリング装置1が[数2],[数5],[数4]を用いて同定した各周波数におけるコンプライアンス伝達関数の比率を、実部・虚部に分けて表現した図であり、図12は、振幅(Amplitude)・位相(Phase)に分けて表現した図である。また、図13は、モニタリング装置1が同定した、次数(Harmonic order)毎の切削力成分の比率を示した図である。更に、図14は、モニタリング装置1が、同定した切削力の各次数成分から、逆フーリエ変換を用いて推定した工具回転角度に対する切削力波形を示した図である。
尚、ここで同定した結果は、l=1,k=1時のGl,kに対する比率であり、各図における縦軸の値は相対的なものである。無論、更にS6を実行し、切削力成分やコンプライアンス伝達関数成分の定量的な同定を行っても良い。
FIG. 11 is a diagram in which the ratio of the compliance transfer function at each frequency identified by the monitoring device 1 using [Equation 2], [Equation 5], and [Equation 4] is divided into a real part and an imaginary part and expressed. , FIG. 12 is a diagram expressed separately for the amplitude (Amplitude) and the phase (Phase). Further, FIG. 13 is a diagram showing the ratio of the cutting force component for each order (Harmonic order) identified by the monitoring device 1. Furthermore, FIG. 14 is a diagram showing the cutting force waveform with respect to the tool rotation angle estimated by the monitoring device 1 from the respective order components of the identified cutting force using the inverse Fourier transform.
The result identified here is the ratio to G 1,k when 1=1, k=1, and the value on the vertical axis in each figure is relative. Of course, S6 may be further executed to quantitatively identify the cutting force component and the compliance transfer function component.

≪効果等≫
かように、モニタリング装置1は、主軸Pを有するNCフライス盤Jにおける振動特性及び切削力の少なくとも一方をモニタリングするものであり、主軸Pの回転速度を制御する回転速度制御手段(制御装置4)と、NCフライス盤Jに取り付けた加速度センサ2と、加速度センサ2と接続された制御装置4と、を備えており、回転速度制御手段は、主軸Pの回転速度を所定の範囲において変化させ、モニタリング装置1は、加速度センサ2により、主軸Pを複数の回転速度条件で回転させて切削した際の振動を測定して、回転速度毎の振動測定結果を取得すると共に、複数の次数に係る切削力成分を仮決めし、振動測定結果である振動変位の各周波数成分を仮決めした切削力成分で除することで、振動特性に係るコンプライアンス伝達関数Gl,kの各周波数成分を算出し、算出されたコンプライアンス伝達関数Gl,kの推定値からの誤差についての評価値である誤差Eを演算して、誤差Eが所定値以下となるまで切削力成分を仮決めし直して、誤差Eが所定値以下となった場合における、切削力成分の比率F/F及びコンプライアンス伝達関数Gl,kの各周波数成分の比率G/Gの少なくとも一方を、NCフライス盤Jにおける切削力及び振動特性の少なくとも一方の同定に用いることを特徴とする。
よって、モニタリング装置1では、NCフライス盤Jの振動特性や切削力を簡便に推定することが可能である。また、推定された振動特性を用いれば、びびり等の振動についてより適切に軽減ないし回避して、より高能率な加工が可能となる。
例えば、更にモニタ等の表示手段が設けられるようにして、モニタリング装置1は、びびり振動が生じた場合に、その周波数と共振周波数との大小を比較し、それによってびびり振動の原因やその対策を推定して、当該表示手段に表示させることができる。また、モニタリング装置1は、その表示に変えて、あるいはその表示と共に、制御装置4を介して主軸Pの回転速度条件の変更等の振動抑制対策を自動的に行うことができる。
また、モニタリング装置1は、NCフライス盤Jに加速度センサ2を導入するだけで切削力を監視することができ、工具の摩耗状態や偏心、欠損等を間接的に監視することができる。
更に、モニタリング装置1は、表示手段が用いられる場合には、作業者に対してワークWや工具(エンドミルV)、治具等の機械構造の振動抑制を見える化することができ、加工中のデータを記憶手段に蓄積すれば、加工診断や各種改善へと活かすこともできる。
<<Effects>>
As described above, the monitoring device 1 monitors at least one of the vibration characteristics and the cutting force in the NC milling machine J having the spindle P, and the rotation speed control means (control device 4) for controlling the rotation speed of the spindle P. , An NC milling machine J, and an acceleration sensor 2 attached to the NC milling machine J, and a control device 4 connected to the acceleration sensor 2. The rotation speed control means changes the rotation speed of the spindle P within a predetermined range to monitor the rotation speed. The acceleration sensor 2 measures the vibration when the spindle P is rotated under a plurality of rotational speed conditions for cutting to obtain a vibration measurement result for each rotational speed and a cutting force component related to a plurality of orders. Is calculated and each frequency component of the vibration displacement, which is the vibration measurement result, is divided by the temporarily determined cutting force component to calculate each frequency component of the compliance transfer function G l,k related to the vibration characteristic. The error E, which is an evaluation value for the error from the estimated value of the compliance transfer function G l,k , is calculated, and the cutting force component is tentatively re-determined until the error E becomes equal to or less than a predetermined value, and the error E is predetermined. At least one of the ratio F n /F 1 of the cutting force component and the ratio G/G 1 of each frequency component of the compliance transfer function G l,k when the value is less than or equal to the value, the cutting force and vibration characteristics in the NC milling machine J Is used for identifying at least one of the above.
Therefore, the monitoring device 1 can easily estimate the vibration characteristics and the cutting force of the NC milling machine J. Further, if the estimated vibration characteristic is used, vibration such as chatter can be more appropriately reduced or avoided, and more efficient machining can be performed.
For example, when a chatter vibration is generated, the monitoring device 1 is further provided with a display means such as a monitor, and the frequency of the chatter vibration is compared with the resonance frequency to determine the cause of the chatter vibration and its countermeasure. It can be estimated and displayed on the display means. Further, the monitoring device 1 can automatically take vibration suppression measures such as changing the rotation speed condition of the spindle P via the control device 4 instead of or together with the display.
Further, the monitoring device 1 can monitor the cutting force only by introducing the acceleration sensor 2 into the NC milling machine J, and can indirectly monitor the wear state of the tool, eccentricity, chipping, and the like.
Furthermore, the monitoring device 1 can visualize the vibration suppression of the mechanical structure of the work W, the tool (end mill V), the jig, etc. to the operator when the display means is used, and If the data is stored in the storage means, it can be utilized for processing diagnosis and various improvements.

他方、モニタリング方法は、主軸Pを有するNCフライス盤Jにおける振動特性及び切削力の少なくとも一方を、コンピュータによりモニタリングする方法であって、NCフライス盤Jに取り付けた加速度センサ2により、主軸Pを複数の回転速度条件で回転させて切削した際の振動を測定して、回転速度毎の振動測定結果を取得する振動測定ステップS1と、複数の次数に係る切削力成分を仮決めし、振動測定結果としての振動変位の各周波数成分を仮決めした切削力成分で除することで、振動特性に係るコンプライアンス伝達関数Gl,kの各周波数成分を算出する伝達関数周波数成分算出ステップS2と、算出したコンプライアンス伝達関数Gl,kの推定値を算出する伝達関数推定値算出ステップS3と、算出された推定値からの誤差についての評価値である誤差Eを算出する評価値算出ステップS4と、算出された誤差Eが所定値以下となるまで切削力成分を仮決めし直して、誤差Eが所定値以下となった場合における、切削力成分の比率F/F及びコンプライアンス伝達関数Gl,kの各周波数成分の比率G/Gの少なくとも一方を、NCフライス盤Jにおける切削力及び振動特性の少なくとも一方の同定に用いる誤差評価ステップS5と、を有している。
よって、モニタリング方法では、モニタリング装置1と同様に、NCフライス盤Jの振動特性や切削力を簡便に推定することが可能である。また、推定された振動特性を用いれば、びびり等の振動についてより適切に軽減ないし回避して、より高能率な加工が可能となる。
尚、本発明に係るモニタリング装置1及びモニタリング方法において、「機械」及び「工作機械」には、工具、ツールホルダ、工作物(ワーク)、及び治具の少なくとも何れかが適宜含まれるものとする。
On the other hand, the monitoring method is a method of monitoring at least one of the vibration characteristic and the cutting force in the NC milling machine J having the spindle P by a computer. A vibration measurement step S1 of measuring the vibration when rotating and cutting under a speed condition and acquiring a vibration measurement result for each rotation speed, and a cutting force component relating to a plurality of orders are provisionally determined, and the vibration measurement result is obtained. A transfer function frequency component calculation step S2 for calculating each frequency component of the compliance transfer function G 1,k related to the vibration characteristic by dividing each frequency component of the vibration displacement by the temporarily determined cutting force component, and the calculated compliance transfer Transfer function estimated value calculation step S3 for calculating an estimated value of the function G 1,k , evaluation value calculation step S4 for calculating an error E which is an evaluation value of an error from the calculated estimated value, and calculated error The cutting force components are tentatively re-determined until E becomes equal to or less than a predetermined value, and when the error E becomes equal to or less than the predetermined value, the cutting force component ratios F n /F 1 and the compliance transfer functions G l,k An error evaluation step S5 in which at least one of the frequency component ratios G/G 1 is used for identifying at least one of the cutting force and the vibration characteristics in the NC milling machine J is included.
Therefore, in the monitoring method, similarly to the monitoring device 1, it is possible to easily estimate the vibration characteristics and the cutting force of the NC milling machine J. Further, if the estimated vibration characteristic is used, vibration such as chatter can be more appropriately reduced or avoided, and more efficient machining can be performed.
In the monitoring device 1 and the monitoring method according to the present invention, “machine” and “machine tool” include at least one of a tool, a tool holder, a workpiece (work), and a jig as appropriate. .

また、モニタリング装置1は、主軸Pを回転するモータや各送り軸を駆動するモータの電流値の平均値と、切削力成分の比率F/F及びコンプライアンス伝達関数の各周波数成分の比率G/Gの少なくとも一方と、を用いて、NCフライス盤Jにおける切削力及び振動特性の少なくとも一方を定量的に同定して、定量同定ステップS6を実行する。よって、モニタリング装置1ないしモニタリング方法によって、切削力及び振動特性が定量化される。
更に、モニタリング装置1は、推定値として、各周波数においてコンプライアンス伝達関数の各周波数成分を複数の次数に対して算出し、それらの平均値を採用する。あるいは、モニタリング装置1は、推定値として、一つ以上の振動モードを仮定し、それらのモーダルパラメータを仮定することで、モーダルパラメータによって定められる各周波数におけるコンプライアンス伝達関数の各周波数成分を採用する。よって、モニタリング装置1ないしモニタリング方法では、コンプライアンス伝達関数Gl,kの推定値からの誤差が、正確且つ簡易に判断される。
In addition, the monitoring device 1 includes the average value of the current values of the motor that rotates the main shaft P and the motor that drives each feed shaft, the ratio F n /F 1 of the cutting force component, and the ratio G of each frequency component of the compliance transfer function. At least one of the cutting force and the vibration characteristic in the NC milling machine J is quantitatively identified by using at least one of /G 1 and the quantitative identification step S6 is executed. Therefore, the cutting force and the vibration characteristic are quantified by the monitoring device 1 or the monitoring method.
Further, the monitoring device 1 calculates each frequency component of the compliance transfer function at each frequency for a plurality of orders as an estimated value, and adopts the average value thereof. Alternatively, the monitoring device 1 adopts each frequency component of the compliance transfer function at each frequency determined by the modal parameters by assuming one or more vibration modes as the estimated value and assuming those modal parameters. Therefore, in the monitoring device 1 or the monitoring method, the error from the estimated value of the compliance transfer function G 1,k is accurately and easily determined.

≪変更例等≫
尚、モニタリング装置1やモニタリング方法は、上述の変更例の他、以下で説明する変更例を適宜有する。
工作機械は、回転に同期して切削力(切取り厚さまたは切削幅)が変化するのであれば、NCフライス盤のみならず、フライス盤や、旋盤ないしNC旋盤等であっても良い。旋盤系の場合、回転部は工具ではなくワークを回転するものとなり、加工条件としてはワーク形状が適宜考慮される。工作機械による加工の種類は、エンドミルによる切削に限られず、他の切削工具を用いた切削であっても良い。あるいは、旋盤において、ワークにキー溝があっても良い。
各種の情報を表示可能な表示手段や、その表示手段を有しあるいは有さない操作盤が追加されたり、制御手段が工作機械と別体とされたり、制御手段が主軸やセンサ等において個別に分散して設けられたりする等、各種の工程や部材ないし部分の構成要素,順序,形状,配置,個数,有無,材質,形式等は、適宜変更されても良い。
また、同定する振動特性は、コンプライアンス伝達関数に限らず、測定される振動も、変位に限定されるものではない。速度や加速度等にも適宜変更可能であり、併せて振動特性を示す伝達関数も変更可能である。更に、[数3]〜[数5]を用いて評価される推定値からの誤差の評価値Eは、値が小さくなるほどばらつきが小さいと判定される演算式であるが、例えば逆数をとる、あるいは符号を反転させる等して、値が大きくなるほどばらつきが小さいと判定される演算式に適宜改めることも可能である。
加えて、振動特性は、回転座標系に従っていても良い。例えば、主軸によって回転する部分に取り付けられたエンコーダ等のセンサより測定された振動の情報が用いられ、前記回転する部分の振動特性が同定される。更に具体的な例として、振動としてモータの電流(トルク)を用い、切削力として切削トルクを同定する場合、振動特性としては工具刃先に加わる切削トルクを入力とし、主軸モータに生じる電流を出力とする伝達関数(主軸回転部のねじり振動特性)が同時に同定される。
<<Examples of changes>>
The monitoring device 1 and the monitoring method have modifications as described below, in addition to the modifications described above.
The machine tool may be not only an NC milling machine, but also a milling machine, a lathe or an NC lathe as long as the cutting force (cutting thickness or cutting width) changes in synchronization with rotation. In the case of a lathe system, the rotating part rotates the work, not the tool, and the work shape is appropriately considered as the processing condition. The type of processing by the machine tool is not limited to the cutting by the end mill, and may be the cutting by using another cutting tool. Alternatively, in the lathe, the work may have a key groove.
Display means capable of displaying various information, operation panel with or without the display means is added, control means is separate from machine tool, control means is individually provided for spindle, sensor, etc. The components, order, shape, arrangement, number, presence/absence, material, form, etc. of various processes or members or portions may be appropriately changed, such as being provided in a distributed manner.
Further, the vibration characteristic to be identified is not limited to the compliance transfer function, and the measured vibration is not limited to the displacement. The speed, the acceleration, etc. can be changed as appropriate, and the transfer function indicating the vibration characteristic can also be changed. Further, the evaluation value E of the error from the estimated value evaluated by using [Equation 3] to [Equation 5] is an arithmetic expression in which the smaller the value is, the smaller the variation is. Alternatively, by inverting the sign, it is possible to appropriately change the arithmetic expression so that the larger the value, the smaller the variation.
In addition, the vibration characteristic may follow a rotating coordinate system. For example, information on vibration measured by a sensor such as an encoder attached to a portion rotated by the main shaft is used to identify the vibration characteristic of the rotating portion. As a more specific example, when the motor current (torque) is used as the vibration and the cutting torque is identified as the cutting force, the cutting torque applied to the tool edge is input as the vibration characteristic, and the current generated in the spindle motor is output. The transfer function (torsional vibration characteristic of the main shaft rotating part) is simultaneously identified.

1・・モニタリング装置、2・・加速度センサ(センサ)、4・・制御装置(制御手段,回転速度制御手段)、C・・コラム、D・・ワーク送り機構、H・・主軸頭、J・・NCフライス盤(工作機械)、O・・動力計、P・・主軸(回転部)、Q・・ワーク台、S1・・振動測定ステップ、S2・・伝達関数周波数成分算出ステップ、S3・・伝達関数推定値算出ステップ、S4・・評価値算出ステップ、S5・・誤差評価ステップ、S6・・定量同定ステップ、T・・テーブル、V・・エンドミル、W・・ワーク。   1... Monitoring device, 2... Acceleration sensor (sensor), 4... Control device (control means, rotation speed control means), C... Column, D... Work feed mechanism, H... Spindle head, J...・NC milling machine (machine tool), O・・dynamometer, P・・spindle (rotating part), Q・・work table, S1・・vibration measurement step, S2・・transfer function frequency component calculation step, S3・・transmission Function estimation value calculation step, S4... Evaluation value calculation step, S5... Error evaluation step, S6... Quantitative identification step, T... table, V... end mill, W... work.

Claims (8)

回転部を有する機械における振動特性及び切削力の少なくとも一方をモニタリングするモニタリング装置であって、
前記回転部の回転速度を制御する回転速度制御手段と、
前記機械に取り付けたセンサと、
前記センサと接続された制御手段と、
を備えており、
前記回転速度制御手段は、前記回転部の回転速度を所定の範囲において変化させ、
前記制御手段は、
前記センサにより、前記回転部を複数の前記回転速度で回転させて切削した際の振動を測定して、前記回転速度毎の振動測定結果を取得すると共に、
複数の次数に係る切削力成分を仮決めし、前記振動測定結果の各周波数成分を仮決めした前記切削力成分で除することで、前記振動特性に係る伝達関数の各周波数成分を算出し、
算出した前記伝達関数の推定値からの誤差についての評価値を演算して、当該評価値が所定値以下となるまで前記切削力成分を仮決めし直して、
当該評価値が所定値以下となった場合における、前記切削力成分の比率及び前記伝達関数の各周波数成分の比率の少なくとも一方を、前記機械における前記切削力及び前記振動特性の少なくとも一方の同定に用いる
ことを特徴とするモニタリング装置。
A monitoring device for monitoring at least one of vibration characteristics and cutting force in a machine having a rotating part,
Rotation speed control means for controlling the rotation speed of the rotating portion,
A sensor attached to the machine,
Control means connected to the sensor,
Is equipped with
The rotation speed control means changes the rotation speed of the rotating portion within a predetermined range,
The control means is
By the sensor, by measuring the vibration at the time of cutting by rotating the rotating portion at a plurality of the rotation speed, while obtaining the vibration measurement result for each rotation speed,
Tentatively determining a cutting force component related to a plurality of orders, by dividing each frequency component of the vibration measurement result by the tentatively determined cutting force component, to calculate each frequency component of the transfer function related to the vibration characteristics,
By calculating an evaluation value for an error from the estimated value of the calculated transfer function, re-determining the cutting force component until the evaluation value becomes a predetermined value or less,
When the evaluation value is equal to or less than a predetermined value, at least one of the ratio of the cutting force component and the ratio of each frequency component of the transfer function is used to identify at least one of the cutting force and the vibration characteristic of the machine. A monitoring device characterized by being used.
更に、前記制御手段は、前記回転部におけるトルクの低周波成分及び送り軸の推力の低周波成分の少なくとも何れかと、前記切削力成分の比率及び前記伝達関数の各周波数成分の比率の少なくとも一方と、を用いて、前記機械における前記切削力及び前記振動特性の少なくとも一方を定量的に同定する
ことを特徴とする請求項1に記載のモニタリング装置。
Further, the control means, at least one of the low frequency component of the torque in the rotating portion and the low frequency component of the thrust of the feed shaft, and at least one of the ratio of the cutting force component and the ratio of each frequency component of the transfer function. 2. The monitoring device according to claim 1, wherein at least one of the cutting force and the vibration characteristic in the machine is quantitatively identified by using.
前記推定値として、各周波数において前記伝達関数の各周波数成分を複数の次数に対して算出し、それらの平均値を採用する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモニタリング装置。
The monitoring device according to claim 1, wherein, as the estimated value, each frequency component of the transfer function at each frequency is calculated for a plurality of orders, and an average value thereof is adopted.
前記推定値として、一つ以上の振動モードを仮定し、それらのモーダルパラメータを仮定することで、前記モーダルパラメータによって定められる各周波数における前記伝達関数の各周波数成分を採用する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモニタリング装置。
As the estimated value, assuming one or more vibration modes and assuming those modal parameters, each frequency component of the transfer function at each frequency determined by the modal parameters is adopted. The monitoring device according to claim 1 or 2.
回転部を有する機械における振動特性及び切削力の少なくとも一方を、コンピュータによりモニタリングするモニタリング方法であって、
前記機械に取り付けたセンサにより、前記回転部を複数の前記回転速度で回転させて切削した際の振動を測定して、前記回転速度毎の振動測定結果を取得する振動測定ステップと、
複数の次数に係る切削力成分を仮決めし、前記振動測定結果の各周波数成分を仮決めした前記切削力成分で除することで、前記振動特性に係る伝達関数の各周波数成分を算出する伝達関数周波数成分算出ステップと、
算出した前記伝達関数の推定値を算出する伝達関数推定値算出ステップと、
算出された前記推定値からの誤差についての評価値を算出する評価値算出ステップと、
算出された前記評価値が所定値以下となるまで前記切削力成分を仮決めし直して、当該評価値が所定値以下となった場合における、前記切削力成分の比率及び前記伝達関数の各周波数成分の比率の少なくとも一方を、前記機械における前記切削力及び前記振動特性の少なくとも一方の同定に用いる誤差評価ステップと、
を有することを特徴とするモニタリング方法。
A monitoring method for monitoring at least one of vibration characteristics and cutting force in a machine having a rotating part by a computer,
With a sensor attached to the machine, a vibration measurement step of measuring the vibration when the rotary unit is rotated at a plurality of the rotation speeds and cutting and acquiring a vibration measurement result for each of the rotation speeds,
Transfer for calculating each frequency component of the transfer function related to the vibration characteristic by temporarily determining the cutting force components related to a plurality of orders and dividing each frequency component of the vibration measurement result by the provisionally determined cutting force component A function frequency component calculation step,
A transfer function estimated value calculating step of calculating an estimated value of the calculated transfer function;
An evaluation value calculation step of calculating an evaluation value for an error from the calculated estimated value,
Temporarily redetermining the cutting force component until the calculated evaluation value becomes equal to or less than a predetermined value, and when the evaluation value becomes equal to or less than a predetermined value, the ratio of the cutting force component and each frequency of the transfer function. At least one of the component ratios, an error evaluation step used to identify at least one of the cutting force and the vibration characteristics in the machine,
A monitoring method comprising:
更に、前記回転部におけるトルクの低周波成分及び送り軸の推力の低周波成分の少なくとも何れかと、前記切削力成分の比率及び前記伝達関数の各周波数成分の比率の少なくとも一方と、を用いて、前記機械における前記切削力及び前記振動特性の少なくとも一方を定量的に同定する定量同定ステップ
を有することを特徴とする請求項5に記載のモニタリング方法。
Furthermore, using at least one of the low frequency component of the torque of the rotating portion and the low frequency component of the thrust of the feed shaft, and at least one of the ratio of the cutting force component and the ratio of each frequency component of the transfer function, The monitoring method according to claim 5, further comprising a quantitative identification step of quantitatively identifying at least one of the cutting force and the vibration characteristic in the machine.
前記推定値として、各周波数において前記伝達関数の各周波数成分を複数の次数に対して算出し、それらの平均値を採用する
ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載のモニタリング方法。
7. The monitoring method according to claim 5, wherein, as the estimated value, each frequency component of the transfer function at each frequency is calculated for a plurality of orders, and an average value thereof is adopted.
前記推定値として、一つ以上の振動モードを仮定し、それらのモーダルパラメータを仮定することで、前記モーダルパラメータによって定められる各周波数における前記伝達関数の各周波数成分を採用する
ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載のモニタリング方法。
As the estimated value, assuming one or more vibration modes and assuming those modal parameters, each frequency component of the transfer function at each frequency determined by the modal parameters is adopted. The monitoring method according to claim 5 or claim 6.
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