JP2021146436A - Method and apparatus for measuring change in vibration characteristic of machine tool - Google Patents

Method and apparatus for measuring change in vibration characteristic of machine tool Download PDF

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Abstract

To provide a technology of measuring a change in a vibration characteristic of a mechanical structure of a machine tool.SOLUTION: A resonance frequency holding unit 10 holds a resonance frequency of a mechanical structure of a machine tool 2. A vibration response acquisition unit 12 acquires a forced vibration response of the mechanical structure when the mechanical structure is vibrated by a plurality of different frequencies in the vicinity of the held resonance frequency, during cutting processing of the machine tool 2. A change amount deriving unit 13 derives at least one of a change amount and a magnitude of attenuation of the resonance frequency from an acquired plurality of forced vibration responses.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する技術に関する。 The present disclosure relates to a technique for measuring changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool.

工作機械の重要な性能の一つはびびり振動安定性の高さであり、安定限界が高いほど、大きな切込み量で高能率な加工が可能となる。加工現場では、再生びびりやモードカップリングびびりなどの対策として安定限界線図が工作機械ごとに作成され、加工の開始前、オペレータは安定限界線図を利用して、高能率な加工条件を設定する。 One of the important performances of a machine tool is its high chatter vibration stability, and the higher the stability limit, the higher the efficiency of machining with a larger depth of cut. At the machining site, a stability limit diagram is created for each machine tool as a countermeasure against regeneration chatter and mode coupling chatter, and before the start of machining, the operator uses the stability limit diagram to set highly efficient machining conditions. do.

図1は、びびり振動を伴う切削加工プロセスのブロック線図を示す。図1に示すブロック線図は、過去の振動変位が現在の振動変位にフィードバックされる状態を表現する。非特許文献1は、工作機械の機械構造のコンプライアンス伝達関数および比切削抵抗を用いて図1に示す閉ループの特性方程式を解くことで、安定限界線図を理論的に求める手法を開示する。 FIG. 1 shows a block diagram of a cutting process with chatter vibration. The block diagram shown in FIG. 1 represents a state in which the past vibration displacement is fed back to the current vibration displacement. Non-Patent Document 1 discloses a method for theoretically obtaining a stability limit diagram by solving the closed loop characteristic equation shown in FIG. 1 using the compliance transfer function and the specific cutting resistance of the machine structure of a machine tool.

加工現場に新しい工作機械が搬入されると、その稼働開始前にオペレータは、工具および被削材を含む機械構造のコンプライアンス伝達関数をハンマリング試験によって測定し、比切削抵抗を動力計を用いて測定する。オペレータはコンピュータ上で安定限界線図を作成するソフトウェアを起動し、測定したコンプライアンス伝達関数および比切削抵抗を含む各種パラメータを入力すると、当該ソフトウェアが、安定限界線図を作成して記憶装置に保存する。加工条件の設定時、オペレータは保存した安定限界線図をディスプレイに表示させて、高能率な加工を実現する主軸回転速度および切込み量を探し出す。 When a new machine tool is brought to the machining site, the operator measures the compliance transfer function of the machine structure including the tool and work material by a hammering test and the specific cutting resistance using a power meter before the start of operation. taking measurement. The operator starts the software that creates the stability limit diagram on the computer, inputs various parameters including the measured compliance transfer function and specific cutting resistance, and the software creates the stability limit diagram and saves it in the storage device. do. When setting the machining conditions, the operator displays the saved stability limit diagram on the display to find out the spindle rotation speed and depth of cut that realize highly efficient machining.

図2は、安定限界線図の一例を示す。安定限界線図の横軸は主軸回転速度[rpm]、縦軸は工具の切込み量[mm]を表し、臨界曲線が、再生びびり振動の安定領域と不安定領域の境界を示す。この安定限界線図において、黒丸は、びびり振動が発生する可能性の高い加工条件を、白丸は、びびり振動が発生しない可能性の高い加工条件を示す。びびり振動安定性が高い回転数領域は「安定ポケット」と呼ばれ、回転数が高くなるほど、安定ポケットは広くなる。たとえばアルミニウム合金などの材料を大量に高速で削り出す航空機の機体部品製造において、安定ポケットの位置を正しく示す安定限界線図は、高能率な加工条件の設定に必要となる。 FIG. 2 shows an example of a stability limit diagram. The horizontal axis of the stability limit diagram represents the spindle rotation speed [rpm], the vertical axis represents the depth of cut [mm] of the tool, and the critical curve indicates the boundary between the stable region and the unstable region of the regenerated chatter vibration. In this stability limit diagram, black circles indicate processing conditions in which chatter vibration is likely to occur, and white circles indicate processing conditions in which chatter vibration is unlikely to occur. The rotation speed region with high chatter vibration stability is called a "stable pocket", and the higher the rotation speed, the wider the stable pocket. For example, in the manufacture of airframe parts for aircraft that cut out a large amount of materials such as aluminum alloys at high speed, a stability limit diagram that correctly shows the position of the stability pocket is necessary for setting highly efficient machining conditions.

"切削加工におけるびびり振動の発生機構と抑制", 社本英二, 電気製鋼, 第82巻2号(2011) pp.143-155"Mechanism and Suppression of Chatter Vibration in Cutting", Eiji Shamoto, Electric Steel, Vol. 82, No. 2 (2011) pp.143-155

非特許文献1に開示されるように、安定ポケットに対応する回転数は、コンプライアンス伝達関数における共振周波数と関係しており、ミリングのような多刃工具での切削加工では、その共振周波数を工具の刃数および1以上の整数で割った値となることが知られている。そのため安定限界線図の安定ポケットが正確な回転数を示すためには、コンプライアンス伝達関数における共振周波数が、主軸回転時の共振周波数と一致していることが必要となる。 As disclosed in Non-Patent Document 1, the rotation speed corresponding to the stable pocket is related to the resonance frequency in the compliance transfer function, and in cutting with a multi-blade tool such as milling, the resonance frequency is used as the tool. It is known that the value is divided by the number of blades and an integer of 1 or more. Therefore, in order for the stable pocket of the stability limit diagram to show the accurate rotation speed, it is necessary that the resonance frequency in the compliance transfer function matches the resonance frequency at the time of spindle rotation.

しかしながら、主軸が静止した状態で測定したコンプライアンス伝達関数は、実際に主軸が回転しているときのコンプライアンス伝達関数に必ずしも一致しない。主軸の回転時(特に高速回転時)、ベアリングの予圧が遠心力や熱変形によって変化するため、主軸の静止時と回転時とで共振周波数がずれ、振動特性は変化する。 However, the compliance transfer function measured with the spindle stationary does not always match the compliance transfer function when the spindle is actually rotating. When the spindle rotates (especially at high speed), the preload of the bearing changes due to centrifugal force and thermal deformation, so the resonance frequency shifts between when the spindle is stationary and when it is rotating, and the vibration characteristics change.

また回転工具を交換すると、交換の前後でコンプライアンス伝達関数が変化することがある。たとえば回転工具を工具自動交換装置で交換した場合、交換前と比べて接触状態に変化があれば、交換の前後で接触剛性や接触部での摩擦減衰が異なるようになる。また機械構造の経年変化により可動部の摩耗等が進むことで、機械構造の共振周波数は徐々に変化する。 Also, when the rotary tool is replaced, the compliance transfer function may change before and after the replacement. For example, when a rotary tool is replaced by an automatic tool changing device, if the contact state changes as compared with that before the replacement, the contact rigidity and the friction damping at the contact portion will be different before and after the replacement. In addition, the resonance frequency of the mechanical structure gradually changes as the moving parts wear due to aging of the mechanical structure.

上記したように、安定ポケットに対応する回転数は、コンプライアンス伝達関数における共振周波数により決定される。そのため実際の主軸回転時の共振周波数が、コンプライアンス伝達関数における共振周波数からずれていると、安定限界線図における安定ポケットの位置が正確でないために、オペレータが、びびり振動を生じうる加工条件を選択する可能性が生じる。そこで工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する技術の開発が望まれている。 As mentioned above, the number of revolutions corresponding to the stable pocket is determined by the resonance frequency in the compliance transfer function. Therefore, if the resonance frequency during actual spindle rotation deviates from the resonance frequency in the compliance transfer function, the position of the stability pocket in the stability limit diagram is not accurate, and the operator selects machining conditions that can cause chatter vibration. There is a possibility of doing so. Therefore, it is desired to develop a technique for measuring changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool.

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところは、工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する技術を提供することにある。 The present disclosure has been made in view of these circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a technique for measuring changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool.

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、切削工具または被削材が取り付けられた主軸の回転機構を備えた工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する方法に関する。この方法は、機械構造の共振周波数を保持するステップと、切削加工時、保持している共振周波数付近の周波数で機械構造を加振する回転数で、主軸を回転するステップと、複数の異なる回転数で主軸を回転したときの機械構造の強制振動応答を取得するステップと、取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出するステップとを有する。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention relates to a method of measuring a change in vibration characteristics of a machine tool having a rotating mechanism of a spindle to which a cutting tool or a work material is attached. This method includes a step of maintaining the resonance frequency of the mechanical structure, a step of rotating the spindle at a frequency near the resonance frequency held during cutting, and a step of rotating the spindle, and a plurality of different rotations. It has a step of acquiring a forced vibration response of a mechanical structure when the spindle is rotated by a number, and a step of deriving at least one of a change amount of resonance frequency and a magnitude of attenuation from a plurality of acquired forced vibration responses.

本発明の別の態様は、切削工具または被削材が取り付けられた主軸の回転機構を備えた工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する装置に関する。この計測装置は、機械構造の共振周波数を保持する共振周波数保持部と、工作機械の切削加工中に、保持している共振周波数付近の複数の異なる周波数で機械構造を加振したときの機械構造の強制振動応答を取得する振動応答取得部と、取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出する変化量導出部と、を備える。 Another aspect of the present invention relates to a device for measuring changes in the vibration characteristics of a machine tool having a rotating mechanism of a spindle to which a cutting tool or a work material is attached. This measuring device has a resonance frequency holding unit that holds the resonance frequency of the mechanical structure and a mechanical structure when the mechanical structure is vibrated at a plurality of different frequencies near the holding resonance frequency during cutting of the machine tool. It is provided with a vibration response acquisition unit that acquires the forced vibration response of the above, and a change amount derivation unit that derives at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of the attenuation from the acquired plurality of forced vibration responses.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components and the conversion of the expressions of the present disclosure between methods, devices, systems and the like are also effective as aspects of the present disclosure.

本開示によれば、工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する技術を提供することが可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a technique for measuring changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool.

切削加工プロセスのブロック線図を示す図である。It is a figure which shows the block diagram of the cutting process. 安定限界線図の一例である。This is an example of a stability limit diagram. 加工システムの機能ブロックを示す図である。It is a figure which shows the functional block of a processing system. ハンマリング試験によって測定されたコンプライアンス伝達関数の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the compliance transfer function measured by the hammering test. (a)は、回転工具で加工する際に生じる切削力と回転角の関係を示し、(b)は、切削力の周期波形をフーリエ変換した周波数領域の切削力を示す図である。(A) shows the relationship between the cutting force and the angle of rotation generated when machining with a rotary tool, and (b) is a diagram showing the cutting force in the frequency domain obtained by Fourier transforming the periodic waveform of the cutting force. 各周波数成分に対して導出された変位量を示す図である。It is a figure which shows the displacement amount derived for each frequency component.

図3は、実施形態の加工システム1の機能ブロックを示す。加工システム1は、切削工具または被削材が取り付けられた主軸を回転させる回転機構を備える工作機械2と、工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する計測装置3と、コンプライアンス伝達関数における共振周波数を用いて安定限界線図を作成する安定限界線図作成装置4とを備える。実施形態で、計測装置3および安定限界線図作成装置4は、それぞれ工作機械2から分離した構成として示すが、計測装置3および安定限界線図作成装置4の少なくとも一方が、工作機械2の機能として工作機械2に組み込まれてもよい。 FIG. 3 shows a functional block of the processing system 1 of the embodiment. The machining system 1 includes a machine tool 2 provided with a rotation mechanism for rotating a spindle to which a cutting tool or a work material is attached, a measuring device 3 for measuring changes in vibration characteristics of the machine structure of the machine tool, and a compliance transmission function. It is provided with a stability limit diagram creating device 4 that creates a stability limit diagram using a resonance frequency. In the embodiment, the measuring device 3 and the stable limit diagram creating device 4 are shown as a configuration separated from the machine tool 2, respectively, but at least one of the measuring device 3 and the stable limit diagram creating device 4 has a function of the machine tool 2. It may be incorporated in the machine tool 2.

振動センサ5は、工作機械2の機械構造が加振されたときの強制振動応答を示す振動データを、計測装置3に出力する。振動センサ5は、振動変位を検出するギャップセンサであってよく、振動の加速度を検出する加速度センサであってよく、振動の速度を検出する速度センサ(たとえばレーザドップラ速度計)であってよい。また振動センサ5は、振動を推定するための物理量(力、トルク、モータ電流、ひずみ、音など)を測定するセンサであってもよい。計測装置3は、共振周波数保持部10、回転数出力部11、振動応答取得部12および変化量導出部13を有する。 The vibration sensor 5 outputs vibration data indicating a forced vibration response when the mechanical structure of the machine tool 2 is vibrated to the measuring device 3. The vibration sensor 5 may be a gap sensor that detects vibration displacement, an acceleration sensor that detects the acceleration of vibration, or a speed sensor (for example, a laser Doppler speedometer) that detects the speed of vibration. Further, the vibration sensor 5 may be a sensor that measures physical quantities (force, torque, motor current, strain, sound, etc.) for estimating vibration. The measuring device 3 includes a resonance frequency holding unit 10, a rotation speed output unit 11, a vibration response acquisition unit 12, and a change amount derivation unit 13.

図3において、さまざまな処理を行う機能ブロックとして記載される各要素は、ハードウェア的には、回路ブロック、メモリ、その他のLSIで構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。 In FIG. 3, each element described as a functional block that performs various processes can be composed of a circuit block, a memory, and other LSIs in terms of hardware, and is loaded into the memory in terms of software. It is realized by a program or the like. Therefore, it is understood by those skilled in the art that these functional blocks can be realized in various forms by hardware only, software only, or a combination thereof, and is not limited to any of them.

図4は、ハンマリング試験によって測定されたコンプライアンス伝達関数の例を示す。このコンプライアンス伝達関数は、工作機械の稼働開始前に、主軸が静止した状態でオペレータがハンマで機械構造を加振することで取得される。図4に示すコンプライアンス伝達関数において、共振周波数は1000Hzである。共振周波数保持部10は、コンプライアンス伝達関数における共振周波数の値を保持する。共振周波数保持部10は、コンプライアンス伝達関数そのものを保持してもよく、いずれにしても共振周波数が1000Hzであることを特定できる情報を保持していればよい。 FIG. 4 shows an example of the compliance transfer function measured by the hammering test. This compliance transfer function is acquired by the operator shaking the machine structure with a hammer while the spindle is stationary before the machine tool starts operation. In the compliance transfer function shown in FIG. 4, the resonance frequency is 1000 Hz. The resonance frequency holding unit 10 holds the value of the resonance frequency in the compliance transfer function. The resonance frequency holding unit 10 may hold the compliance transfer function itself, and in any case, it suffices to hold information that can identify that the resonance frequency is 1000 Hz.

実施形態では、工作機械2が実際の加工条件またはそれに近い条件で被削材を切削するときに発生する切削力を、機械構造を強制加振する加振力として取り扱うことで、計測装置3が、機械構造の振動特性の変化を同定する。振動センサ5は、工作機械2が実際に切削加工を行っているときの機械構造の振動データを計測装置3に出力し、計測装置3は、振動データにもとづいて振動特性の変化、具体的には共振周波数の変化量を計測する。以下、エンドミル工具のような多刃の回転工具を使用したときの振動特性の変化の計測手法について説明する。 In the embodiment, the measuring device 3 treats the cutting force generated when the machine tool 2 cuts the work material under the actual machining conditions or conditions close to the actual machining conditions as the exciting force for forcibly exciting the machine structure. , Identify changes in the vibrational properties of mechanical structures. The vibration sensor 5 outputs vibration data of the mechanical structure when the machine tool 2 is actually cutting to the measuring device 3, and the measuring device 3 changes the vibration characteristics based on the vibration data, specifically. Measures the amount of change in the resonance frequency. Hereinafter, a method for measuring changes in vibration characteristics when a multi-blade rotary tool such as an end mill tool is used will be described.

図5(a)は、回転工具で加工する際に生じる切削力と回転角の関係の例を示す。実施形態の工作機械2は、主軸を数万rpmの回転数で回転する能力をもち、たとえばアルミニウム合金などの材料を大量に高速で削り出す航空機の機体部品製造に利用される。この例ではエンドミル工具の刃数を2枚、主軸回転数を30000rpmとして、主軸回転周波数を500Hz、刃の通過周波数を1000Hzとする高速加工を実施する。 FIG. 5A shows an example of the relationship between the cutting force and the angle of rotation generated when machining with a rotary tool. The machine tool 2 of the embodiment has an ability to rotate a spindle at a rotation speed of tens of thousands of rpm, and is used for manufacturing aircraft body parts for cutting a large amount of a material such as an aluminum alloy at high speed. In this example, high-speed machining is performed in which the number of blades of the end mill tool is two, the spindle rotation speed is 30,000 rpm, the spindle rotation frequency is 500 Hz, and the blade passing frequency is 1000 Hz.

図5(b)は、図5(a)に示す切削力の周期波形をフーリエ変換した周波数領域の切削力を示す。刃の通過周波数が1000Hzであるため、切削力には、1000Hzの整数倍の周波数成分が存在する。なお基本的には1000Hzの整数倍以外の周波数成分の切削力は0となる。このことは、主軸回転数を30000rpmとすることで、切削加工中に工作機械2の機械構造が、1000Hzの基本周波数成分とその高調波成分で加振されることを意味する。 FIG. 5B shows the cutting force in the frequency domain obtained by Fourier transforming the periodic waveform of the cutting force shown in FIG. 5A. Since the passing frequency of the blade is 1000 Hz, the cutting force has a frequency component that is an integral multiple of 1000 Hz. Basically, the cutting force of frequency components other than an integral multiple of 1000 Hz is 0. This means that by setting the spindle rotation speed to 30000 rpm, the mechanical structure of the machine tool 2 is vibrated by the fundamental frequency component of 1000 Hz and its harmonic component during cutting.

振動センサ5は、1000Hzの基本周波数成分とその高調波成分を含む加振力が機械構造を強制振動させたときの振動データを検出して、計測装置3に出力する。振動センサ5により検出された振動データは、切削加工中にメモリ(図示せず)に記録されて、切削加工の終了後に、計測装置3に供給されてよい。 The vibration sensor 5 detects vibration data when a vibrating force including a fundamental frequency component of 1000 Hz and a harmonic component thereof forcibly vibrates the mechanical structure, and outputs the vibration data to the measuring device 3. The vibration data detected by the vibration sensor 5 may be recorded in a memory (not shown) during the cutting process and supplied to the measuring device 3 after the cutting process is completed.

実施形態で、主軸回転数が30000rpmであるときの切削力の基本周波数は、図4に示すコンプライアンス伝達関数における共振周波数に一致している。そのためコンプライアンス伝達関数の共振周波数が、主軸回転時の共振周波数に近ければ、機械構造の振動は、切削力の基本周波数で支配的となり、測定は容易である。正確には周波数分析(一般にはフーリエ変換)を行い、着目する共振周波数に近い成分の振動の大きさを評価してよい。 In the embodiment, the fundamental frequency of the cutting force when the spindle rotation speed is 30000 rpm corresponds to the resonance frequency in the compliance transfer function shown in FIG. Therefore, if the resonance frequency of the compliance transfer function is close to the resonance frequency at the time of spindle rotation, the vibration of the mechanical structure is dominated by the fundamental frequency of the cutting force, and the measurement is easy. To be precise, frequency analysis (generally Fourier transform) may be performed to evaluate the magnitude of vibration of a component close to the resonance frequency of interest.

切削加工では、切削速度が少し変化しても、切削力は大きく変化しないことが知られている。そのため主軸回転数を少し変化させても、その他の加工条件、すなわち一刃あたりの送り量、軸方向の切込み量および半径方向の切込み量等を変えなければ、図5(a)の切削力の周期波形はほとんど変化しない。そのため主軸回転数を30000rpm付近で変化させたとき、図5(b)に示す刃の通過周波数の整数倍成分の切削力は、振幅は変化せずに、周波数のみが変化する。 In cutting, it is known that even if the cutting speed changes a little, the cutting force does not change significantly. Therefore, even if the spindle speed is slightly changed, the cutting force shown in FIG. 5A is obtained unless other machining conditions, that is, the feed amount per blade, the axial depth of cut, and the radial depth of cut are changed. The periodic waveform hardly changes. Therefore, when the spindle speed is changed in the vicinity of 30,000 rpm, the cutting force of an integral multiple component of the passing frequency of the blade shown in FIG. 5B does not change in amplitude but only in frequency.

たとえば主軸回転数が28500rpmのとき、刃の通過周波数の1倍成分の振幅は約106Nのまま、周波数が950Hzとなる。刃の通過周波数の2倍成分についても同様であり、主軸回転数が28500rpmのとき、刃の通過周波数の2倍成分の振幅は約68Nのまま、周波数が1900Hzとなる。つまり刃の通過周波数のN倍成分の切削力は、振幅は変化せず、周波数が(950×N)Hzとなる。そのため工作機械2が主軸を28500rpmで回転させると、30000rpmで回転させたときと同じ振幅の切削力で被削材を切削しつつ、950Hzの基本周波数成分とその高調波成分を含む加振力で、機械構造を強制振動させることができる。 For example, when the spindle speed is 28500 rpm, the amplitude of the component once the passing frequency of the blade remains at about 106 N, and the frequency becomes 950 Hz. The same applies to the double component of the passing frequency of the blade. When the spindle speed is 28500 rpm, the amplitude of the double component of the passing frequency of the blade remains about 68 N, and the frequency becomes 1900 Hz. That is, the amplitude of the cutting force of the N times component of the passing frequency of the blade does not change, and the frequency becomes (950 × N) Hz. Therefore, when the machine tool 2 rotates the spindle at 28500 rpm, it cuts the work material with the same amplitude cutting force as when it is rotated at 30000 rpm, and with the exciting force including the fundamental frequency component of 950 Hz and its harmonic component. , The mechanical structure can be forced to vibrate.

主軸回転数を上げた場合も同様であり、主軸回転数が31500rpmのとき、刃の通過周波数の1倍成分の振幅は約106Nのまま、周波数が1050Hzとなり、刃の通過周波数の2倍成分の振幅は約68Nのまま、周波数が2100Hzとなる。つまり刃の通過周波数のN倍成分の切削力は、振幅は変化せず、周波数が(1050×N)Hzとなる。そのため工作機械2が主軸を31500rpmで回転させると、30000rpmで回転させたときと同じ振幅の切削力で被削材を切削しつつ、1050Hzの基本周波数成分とその高調波成分を含む加振力で、機械構造を強制振動させることができる。 The same applies when the spindle rotation speed is increased. When the spindle rotation speed is 31500 rpm, the amplitude of the 1x component of the blade passing frequency remains at about 106N, and the frequency becomes 1050Hz, which is twice the blade passing frequency. The frequency remains 2100Hz while the amplitude remains about 68N. That is, the amplitude of the cutting force of the N times component of the passing frequency of the blade does not change, and the frequency becomes (1050 × N) Hz. Therefore, when the machine tool 2 rotates the spindle at 31500 rpm, it cuts the work material with the same amplitude cutting force as when it is rotated at 30000 rpm, and with the exciting force including the fundamental frequency component of 1050 Hz and its harmonic component. , The mechanical structure can be forced to vibrate.

実施形態では、工作機械2が主軸を高速回転することが可能であることを利用して、コンプライアンス伝達関数の共振周波数の近傍で、複数の異なる刃の通過周波数を設定し、工作機械2の機械構造を共振周波数近傍の周波数で加振する。計測装置3は、振動センサ5から振動データを取得して、稼働時の機械構造における共振周波数を測定する。 In the embodiment, utilizing the fact that the machine tool 2 can rotate the spindle at high speed, the passing frequencies of a plurality of different blades are set in the vicinity of the resonance frequency of the compliance transfer function, and the machine of the machine tool 2 The structure is vibrated at a frequency near the resonance frequency. The measuring device 3 acquires vibration data from the vibration sensor 5 and measures the resonance frequency in the mechanical structure during operation.

図4に示す共振周波数と、稼働時の機械構造における共振周波数とが一致しない理由としては、主軸の静止時と回転時におけるベアリングの予圧の変化や、機械構造における経年変化、また回転工具の交換による接触状態の変化等があげられる。また、同じ型番の工作機械、ホルダー、工具を使用しても、それらのいずれかあるいはすべてが変わると、個体差(特に接触状態の違い)によって共振周波数は変化する。 The reasons why the resonance frequency shown in FIG. 4 and the resonance frequency in the mechanical structure during operation do not match are the change in the preload of the bearing when the spindle is stationary and when it is rotated, the secular change in the mechanical structure, and the replacement of the rotating tool. The change of the contact state due to the above can be mentioned. Even if machine tools, holders, and tools of the same model number are used, if any or all of them change, the resonance frequency will change due to individual differences (particularly differences in contact states).

一方、静止時の機械構造における共振周波数と稼働時の機械構造における共振周波数が一致しないと言っても、その差は小さく、振動モードの形状はほとんど変化しないものと考えられる。なお、切削プロセスの剛性(切込みが増すほど、工具を押し戻す方向の切削力が増すため、切削プロセスが付加的な剛性として働く現象)も共振周波数の変化(通常は増大)に寄与するが、その影響については後述する。 On the other hand, even if it is said that the resonance frequency in the mechanical structure at rest and the resonance frequency in the mechanical structure at operation do not match, it is considered that the difference is small and the shape of the vibration mode hardly changes. The rigidity of the cutting process (a phenomenon in which the cutting process acts as additional rigidity because the cutting force in the direction of pushing back the tool increases as the depth of cut increases) also contributes to the change in resonance frequency (usually increased). The impact will be described later.

このことを利用して加工システム1では、工作機械2が、コンプライアンス伝達関数における共振周波数付近の周波数で機械構造を加振する複数の異なる回転数で主軸を回転し、計測装置3が、複数の異なる周波数の加振力で機械構造が加振されているときの強制振動応答を取得し、取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量を導出する。計測装置3は、共振周波数付近のコンプライアンスの変化から、着目する振動モードの減衰の大きさ(例えば減衰比)を導出してもよい。 Utilizing this fact, in the machining system 1, the machine tool 2 rotates the spindle at a plurality of different rotation speeds that vibrate the machine structure at a frequency near the resonance frequency in the compliance transmission function, and the measuring device 3 has a plurality of measurement devices 3. The forced vibration response when the mechanical structure is vibrated by the excitation force of different frequencies is acquired, and the amount of change in the resonance frequency is derived from the acquired plurality of forced vibration responses. The measuring device 3 may derive the magnitude of attenuation (for example, attenuation ratio) of the vibration mode of interest from the change in compliance near the resonance frequency.

切削加工中、振動センサ5は、機械構造の強制振動応答を示す振動データを取得する。機械構造における振動モードが既知であることを前提に、振動センサ5は、その振動モードの節でない位置であって、実加工の妨げにならない位置に固定されることが好ましい。振動応答取得部12は、振動センサ5から振動データを取得すると、既知の振動モードに基づいて、振動モードの各位置(工具先端の加工点を含む)の振幅を推定してもよい。 During the cutting process, the vibration sensor 5 acquires vibration data indicating a forced vibration response of the mechanical structure. On the premise that the vibration mode in the mechanical structure is known, it is preferable that the vibration sensor 5 is fixed at a position that is not a node of the vibration mode and does not interfere with actual machining. When the vibration response acquisition unit 12 acquires the vibration data from the vibration sensor 5, the vibration response acquisition unit 12 may estimate the amplitude of each position (including the machining point of the tool tip) of the vibration mode based on the known vibration mode.

振動特性の変化を測定する際、回転数出力部11は、工作機械2に設定する主軸回転数を出力する。回転数出力部11は、ディスプレイに、設定するべき主軸回転数を表示し、オペレータが、この表示を見て、工作機械2に主軸回転数を設定してよい。回転数出力部11は、共振周波数保持部10が保持している共振周波数の付近で加振力を機械構造に提供するように、主軸回転数を導出する。以下、導出する複数の異なる主軸回転数と、その主軸回転数による切削力の基本周波数との関係の例を示す。
・ 27000rpm − 900Hz
・ 27750rpm − 925Hz
・ 28500rpm − 950Hz
・ 29250rpm − 975Hz
・ 30000rpm − 1000Hz
・ 30750rpm − 1025Hz
・ 31500rpm − 1050Hz
・ 32250rpm − 1075Hz
・ 33000rpm − 1100Hz
When measuring the change in vibration characteristics, the rotation speed output unit 11 outputs the spindle rotation speed set in the machine tool 2. The rotation speed output unit 11 displays the spindle rotation speed to be set on the display, and the operator may set the spindle rotation speed in the machine tool 2 by looking at this display. The rotation speed output unit 11 derives the spindle rotation speed so as to provide an exciting force to the mechanical structure in the vicinity of the resonance frequency held by the resonance frequency holding unit 10. Hereinafter, an example of the relationship between a plurality of different spindle rotation speeds to be derived and the fundamental frequency of the cutting force according to the spindle rotation speed will be shown.
・ 27000rpm-900Hz
・ 27750rpm − 925Hz
・ 28500rpm − 950Hz
・ 29250rpm − 975Hz
・ 30000rpm-1000Hz
・ 30750rpm-1025Hz
・ 31500rpm − 1050Hz
・ 32250rpm-1075Hz
・ 33000rpm-1100Hz

回転数出力部11は、共振周波数の付近の加振力として、共振周波数の0.9倍以上、且つ1.1倍以下の範囲に含まれる周波数の加振力を機械構造に提供するように、主軸回転数を導出することが好ましい。この例で回転数出力部11は、9つの主軸回転数を導出しているが、共振周波数前後の所定の範囲内で、10以上の主軸回転数を導出してもよい。 The rotation speed output unit 11 provides the mechanical structure with an excitation force having a frequency within a range of 0.9 times or more and 1.1 times or less of the resonance frequency as an excitation force in the vicinity of the resonance frequency. It is preferable to derive. In this example, the rotation speed output unit 11 derives nine spindle rotation speeds, but a spindle rotation speed of 10 or more may be derived within a predetermined range before and after the resonance frequency.

オペレータは、回転数出力部11がディスプレイに表示した主軸回転数を工作機械2に設定し、工作機械2は、設定された回転数で主軸を回転する。上記の例でオペレータは、9回の切削工程で、9つの主軸回転数を工作機械2に設定する。なお1回の切削工程中で主軸回転速度を変動してよい場合には、オペレータは、1回の切削工程中に、27000rpm、27750rpm、28500rpm、29250rpm、30000rpm、30750rpm、31500rpm、32250rpm、33000rpmの順に主軸回転速度を変化させることを、工作機械2に設定してもよい。 The operator sets the spindle rotation speed displayed on the display by the rotation speed output unit 11 in the machine tool 2, and the machine tool 2 rotates the spindle at the set rotation speed. In the above example, the operator sets nine spindle speeds in the machine tool 2 in nine cutting steps. If the spindle rotation speed may be changed during one cutting process, the operator can change the spindle rotation speed in the order of 27000 rpm, 27750 rpm, 28500 rpm, 29250 rpm, 30000 rpm, 30750 rpm, 31500 rpm, 32250 rpm, 33000 rpm during one cutting process. The machine tool 2 may be set to change the spindle rotation speed.

振動応答取得部12は、工作機械2の切削加工中に、共振周波数の付近の複数の異なる周波数で機械構造を加振したときの機械構造の強制振動応答を、振動センサ5から取得する。計測装置3による計測機能が工作機械2に組み込まれている場合には、工作機械2が、回転数出力部11から出力される回転数を、主軸回転数として自律的に設定し、振動応答取得部12が、複数の異なる回転数で主軸を回転したときの機械構造の強制振動応答を、振動センサ5から取得してよい。変化量導出部13は、取得した複数の回転数における強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出する機能を備える。 The vibration response acquisition unit 12 acquires the forced vibration response of the mechanical structure from the vibration sensor 5 when the mechanical structure is vibrated at a plurality of different frequencies near the resonance frequency during the cutting process of the machine tool 2. When the measurement function by the measuring device 3 is incorporated in the machine tool 2, the machine tool 2 autonomously sets the rotation speed output from the rotation speed output unit 11 as the spindle rotation speed and acquires the vibration response. The forced vibration response of the mechanical structure when the unit 12 rotates the spindle at a plurality of different rotation speeds may be acquired from the vibration sensor 5. The change amount deriving unit 13 has a function of deriving at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of attenuation from the acquired forced vibration response at a plurality of rotation speeds.

同じ加工を繰り返して行う工程で経年変化を監視する場合には、その加工中に複数の異なる主軸回転数で加工する箇所を加工プログラム内に設定し、それらの箇所を加工するタイミングに合わせて計測装置3が機械構造の共振振動応答を自動的に計測するようにしてもよい。その場合、計測対象とする箇所の加工においては、主軸回転数以外の加工条件は同じであることが望ましい。 When monitoring aging in the process of repeating the same machining, set the parts to be machined at multiple different spindle speeds in the machining program during the machining, and measure them according to the machining timing. The device 3 may automatically measure the resonant vibration response of the mechanical structure. In that case, it is desirable that the machining conditions other than the spindle speed are the same in the machining of the portion to be measured.

まず工作機械2は主軸を27000rpmで回転し、工作機械2の機械構造を900Hzの基本周波数成分とその高調波成分で加振する。振動センサ5は、加振された機械構造の強制振動応答を示す振動データを検出し、振動応答取得部12が、振動データを取得する。変化量導出部13は振動データから、900Hzの基本周波数成分とその高調波成分に対する変位量を導出する。この変位量は、共振周波数に近い900Hzの基本周波数成分に実質的に依存する値となる。なお正確には、フーリエ変換を行って900Hzの周波数成分による変位量を抽出することが望ましい。 First, the machine tool 2 rotates the spindle at 27,000 rpm, and vibrates the mechanical structure of the machine tool 2 with a fundamental frequency component of 900 Hz and a harmonic component thereof. The vibration sensor 5 detects vibration data indicating a forced vibration response of the vibrated mechanical structure, and the vibration response acquisition unit 12 acquires the vibration data. The change amount deriving unit 13 derives the displacement amount with respect to the fundamental frequency component of 900 Hz and its harmonic component from the vibration data. This displacement amount is a value that substantially depends on the fundamental frequency component of 900 Hz, which is close to the resonance frequency. To be precise, it is desirable to perform Fourier transform to extract the amount of displacement due to the frequency component of 900 Hz.

次に工作機械2は主軸を27750rpmで回転し、工作機械2の機械構造を925Hzの基本周波数成分とその高調波成分で加振する。振動センサ5は、加振された機械構造の強制振動応答を示す振動データを検出し、振動応答取得部12が、振動データを取得する。変化量導出部13は振動データから、925Hzの基本周波数成分とその高調波成分に対する変位量を導出する。この変位量は、共振周波数に近い925Hzの基本周波数成分に実質的に依存する値となる。なお正確には、フーリエ変換を行って925Hzの周波数成分による変位量を抽出することが望ましい。 Next, the machine tool 2 rotates the spindle at 27750 rpm, and vibrates the mechanical structure of the machine tool 2 with a fundamental frequency component of 925 Hz and a harmonic component thereof. The vibration sensor 5 detects vibration data indicating a forced vibration response of the vibrated mechanical structure, and the vibration response acquisition unit 12 acquires the vibration data. The change amount deriving unit 13 derives the displacement amount with respect to the fundamental frequency component of 925 Hz and its harmonic component from the vibration data. This displacement amount is a value that substantially depends on the fundamental frequency component of 925 Hz, which is close to the resonance frequency. To be precise, it is desirable to perform Fourier transform to extract the amount of displacement due to the frequency component of 925 Hz.

その後、工作機械2は、主軸を28500rpm、29250rpm、30000rpm、30750rpm、31500rpm、32250rpm、33000rpmで回転し、変化量導出部13は、それぞれの回転数で検出された振動データから変位量を導出する。 After that, the machine tool 2 rotates the spindle at 28500 rpm, 29250 rpm, 30000 rpm, 30750 rpm, 31500 rpm, 32250 rpm, and 33000 rpm, and the change amount deriving unit 13 derives the displacement amount from the vibration data detected at each rotation speed.

図6は、各周波数成分に対して導出された変位量を示す。変化量導出部13は、複数の強制振動応答から導出される変位量にもとづいて、振動変位がピークとなる周波数を特定する。この例では975Hzの振動変位をピークとしているが、回転数出力部11は、さらに29250rpm近傍の主軸回転数を出力して、オペレータが工作機械2に設定し、変化量導出部13が、振動応答取得部12で取得された強制振動応答から、より正確なピーク周波数を導出するようにしてもよい。このピーク周波数は、主軸回転時の機械構造の共振周波数であり、変化量導出部13は、共振周波数保持部10に保持された共振周波数(1000Hz)の変化量を算出する。変化量は変化の倍率、つまり(特定したピーク周波数/保持している共振周波数)として算出されてよく、この例では、共振周波数が975/1000倍になったことが導出される。 FIG. 6 shows the displacement amount derived for each frequency component. The change amount deriving unit 13 specifies the frequency at which the vibration displacement peaks based on the displacement amount derived from the plurality of forced vibration responses. In this example, the vibration displacement of 975 Hz is the peak, but the rotation speed output unit 11 further outputs the spindle rotation speed near 29250 rpm, the operator sets it in the machine tool 2, and the change amount derivation unit 13 vibrates. A more accurate peak frequency may be derived from the forced vibration response acquired by the acquisition unit 12. This peak frequency is the resonance frequency of the mechanical structure when the spindle rotates, and the change amount derivation unit 13 calculates the change amount of the resonance frequency (1000 Hz) held by the resonance frequency holding unit 10. The amount of change may be calculated as the magnification of change, that is, (specified peak frequency / retained resonance frequency), and in this example, it is derived that the resonance frequency has become 975/1000 times.

変化量導出部13は、振動モードの減衰の大きさを導出してもよい。変化量導出部13は、減衰の大きさとして、たとえば半値幅法により減衰比を同定してもよい。半値幅法では、振動(この場合は変位量)の大きさがピーク値の√2分の1倍になる周波数の幅Δfとピークとなる周波数fpから、減衰比ζが次式によって近似的に算出できることが知られている。

Figure 2021146436
変化量導出部13は、変位量がピーク周波数fp(975Hz)の変位量の√2分の1倍になる2つの周波数を特定して、その幅Δfを導出することで、上記式から減衰比ζを算出してよい。 The change amount deriving unit 13 may derive the magnitude of the damping of the vibration mode. The change amount deriving unit 13 may identify the attenuation ratio as the magnitude of attenuation by, for example, the half-value width method. In the full width at half maximum method, the attenuation ratio ζ is approximately calculated by the following equation from the frequency width Δf at which the magnitude of vibration (displacement amount in this case) is √ 1/2 times the peak value and the peak frequency fp. It is known that it can be calculated.
Figure 2021146436
The change amount deriving unit 13 identifies two frequencies whose displacement amount is √ 1/2 times the displacement amount of the peak frequency fp (975 Hz), and derives the width Δf from the above equation to obtain an attenuation ratio. ζ may be calculated.

変化量導出部13は、共振周波数保持部10に保持されている共振周波数を、特定したピーク周波数で更新するとともに、導出した変化量を、安定限界線図作成装置4に供給してよい。安定限界線図作成装置4は、作成済みの安定限界線図に対して、横軸方向に変化倍率(975/1000)を乗算することで、安定ポケットの位置を正確にした安定限界線図を再作成してよい。変化量導出部13が減衰比ζも安定限界線図作成装置4に供給する場合、安定限界線図作成装置4は、減衰の変化も反映した安定限界線図を再作成してよい。 The change amount deriving unit 13 may update the resonance frequency held by the resonance frequency holding unit 10 with a specified peak frequency, and supply the derived change amount to the stability limit diagram creating device 4. The stability limit diagram creation device 4 multiplies the created stability limit diagram by the change magnification (975/1000) in the horizontal axis direction to obtain a stability limit diagram in which the position of the stability pocket is accurate. You may recreate it. When the change amount deriving unit 13 also supplies the attenuation ratio ζ to the stable limit diagram creating device 4, the stable limit diagram creating device 4 may recreate the stable limit diagram that also reflects the change in attenuation.

実施形態において、機械構造の特性の変化を測定するための加工は、コンプライアンス伝達関数の変化を測定する目的で行うものであってもよいし、実際の生産として行われる加工であってもよい。後者の場合には、興味ある周波数(変化を監視したい振動モードの共振周波数)付近で、複数の異なる刃の通過周波数で加工を行い、必要な周波数分解能で強制振動応答のピーク値が検出されるまで刃の通過周波数を変化させることが好ましい。その際に加工条件(軸方向および半径方向の切込み量、一刃あたりの送り量)が同一であることが望ましい。もし加工条件が異なる際には、切削力解析を利用し、それらの異なる条件で、利用するn倍成分の加振力振幅値がどの程度異なるかを予測し、補正してもよい。 In the embodiment, the processing for measuring the change in the characteristics of the mechanical structure may be performed for the purpose of measuring the change in the compliance transfer function, or may be the processing performed in actual production. In the latter case, processing is performed at the passing frequencies of multiple different blades near the frequency of interest (resonance frequency of the vibration mode for which you want to monitor changes), and the peak value of the forced vibration response is detected with the required frequency resolution. It is preferable to change the passing frequency of the blade. At that time, it is desirable that the machining conditions (cutting amount in the axial direction and the radial direction, the feed amount per blade) are the same. If the machining conditions are different, the cutting force analysis may be used to predict and correct how much the excitation force amplitude value of the n-fold component to be used differs under those different conditions.

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。実施形態では、複数刃の回転工具を使用したときの振動特性の変化の計測手法を示したが、1枚刃の回転工具を使用したときの振動特性の変化も同様に計測できる。 The present invention has been described above based on the embodiments. This embodiment is an example, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible for each of these components and combinations of each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present disclosure. .. In the embodiment, a method for measuring the change in vibration characteristics when a multi-blade rotary tool is used is shown, but the change in vibration characteristics when a single-flute rotary tool is used can also be measured in the same manner.

振動センサ5は、主軸内の加工点に近いベアリングの固定側付近に配置された加速度センサであってもよい。加速度センサによる検出方向は、主軸の2つの半径方向であってよく、また、その内の一方向であってもよく、さらに軸方向を追加した三方向であってもよい。また振動センサ5は、工作機械2の送り軸/主軸を駆動するモータの電流値、各軸のエンコーダ信号から計算される位置、その位置から目標位置を引いた位置偏差、前後の位置の差から求められる速度など、間接的に振動を推定するための物理量を測定するセンサであってもよい。 The vibration sensor 5 may be an acceleration sensor arranged near the fixed side of the bearing near the machining point in the spindle. The detection direction by the accelerometer may be two radial directions of the main axis, one of them, or three directions in which an axial direction is added. Further, the vibration sensor 5 is based on the current value of the motor that drives the feed shaft / spindle of the machine tool 2, the position calculated from the encoder signal of each shaft, the position deviation obtained by subtracting the target position from that position, and the difference between the front and rear positions. It may be a sensor that measures a physical quantity for indirectly estimating vibration, such as a required speed.

実施形態では、対象とする機械構造の共振周波数(1000Hz)が、刃の通過周波数の1倍成分付近にある場合について説明したが、周波数分析によって検出可能なレベルで機械構造を強制振動させることができれば、任意のN倍成分付近にある場合であってもよい。 In the embodiment, the case where the resonance frequency (1000 Hz) of the target mechanical structure is in the vicinity of one component of the passing frequency of the blade has been described, but the mechanical structure can be forcibly vibrated at a level that can be detected by frequency analysis. If possible, it may be in the vicinity of any N-fold component.

実施形態で説明したように、切削中には、切削プロセスが付加的な剛性(切取り厚さ方向の比切削抵抗と切削幅を掛け合わせた値)として働くことで、わずかに機械構造の共振周波数が変化(通常は増大)することが知られている。しかしながら一般に、その切削プロセス剛性は機械構造の剛性に比べて非常に小さい。もしそれらが同等であると、切取り厚さの減少量(切削力を機械構造の剛性で除すことで算出される)と実切取り厚さ(切削力を切削プロセス剛性で除すことで算出される)が同等になり、設定した切取り厚さに対してその半分程度しか切り取ることができない。切削は、設定した切取り厚さとほぼ等しい実切取り厚さで材料を除去することによって、工作機械の運動を加工面に転写して正確な形状を創製するプロセスであるため、通常は切取り厚さの減少量が無視できる程度に小さい条件(具体的には高剛性機械構造を利用して、切削幅が大き過ぎない条件)で実施される。つまり、通常切削プロセス剛性は機械構造の剛性に比べて大幅に小さく、その付加によって機械構造の共振周波数が変化する量は無視できる。ただしより正確な同定を行う場合には、切削プロセスの剛性を測定または推定することにより、その影響を考慮して共振周波数を推定してもよい。 As described in the embodiment, during cutting, the cutting process acts as additional rigidity (the value obtained by multiplying the specific cutting resistance in the cutting thickness direction by the cutting width), so that the resonance frequency of the mechanical structure is slightly increased. Is known to change (usually increase). However, in general, the rigidity of the cutting process is very small compared to the rigidity of the mechanical structure. If they are equivalent, the reduction in cutting thickness (calculated by dividing the cutting force by the stiffness of the machine structure) and the actual cutting thickness (calculated by dividing the cutting force by the stiffness of the cutting process). ) Is equivalent, and only about half of the set cutting thickness can be cut. Cutting is usually the cut thickness because it is the process of transferring the movement of the machine tool to the machined surface to create an accurate shape by removing the material with an actual cut thickness that is approximately equal to the set cut thickness. It is carried out under conditions where the amount of reduction is negligible (specifically, a condition in which a high-rigidity mechanical structure is used and the cutting width is not too large). That is, the rigidity of the cutting process is usually much smaller than the rigidity of the mechanical structure, and the amount of change in the resonance frequency of the mechanical structure due to the addition thereof can be ignored. However, for more accurate identification, the resonance frequency may be estimated in consideration of the influence by measuring or estimating the rigidity of the cutting process.

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、切削工具または被削材が取り付けられた主軸の回転機構を備えた工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する方法に関する。この振動特性変化の計測方法は、機械構造の共振周波数を保持するステップと、切削加工時、保持している共振周波数付近の周波数で機械構造を加振する回転数で、前記主軸を回転するステップと、複数の異なる回転数で前記主軸を回転したときの機械構造の強制振動応答を取得するステップと、取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出するステップと、を有する。 The outline of the aspects of the present disclosure is as follows. One aspect of the present disclosure relates to a method of measuring changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool provided with a rotating mechanism of a spindle to which a cutting tool or a work material is attached. The method of measuring the change in vibration characteristics is a step of maintaining the resonance frequency of the mechanical structure and a step of rotating the spindle at a rotation speed for vibrating the mechanical structure at a frequency near the retained resonance frequency during cutting. And, from the step of acquiring the forced vibration response of the mechanical structure when the spindle is rotated at a plurality of different rotation speeds, and from the acquired plurality of forced vibration responses, at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of the attenuation is obtained. It has steps to derive.

この態様によると、保持している共振周波数付近の周波数で機械構造を強制加振することで、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を比較的簡易に計測できる。導出された共振周波数の変化量および/または減衰の大きさは、安定限界線図の導出に利用されてよい。これにより、振動特性の変化に合わせた安定限界線図を導出することが可能となる。 According to this aspect, by forcibly vibrating the mechanical structure at a frequency near the retained resonance frequency, at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of attenuation can be measured relatively easily. The derived amount of change in resonance frequency and / or the magnitude of attenuation may be used to derive the stability limit diagram. This makes it possible to derive a stability limit diagram that matches changes in vibration characteristics.

共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出するステップは、複数の強制振動応答から、振動変位がピークとなる周波数および減衰比の少なくとも一方を特定するステップを含んでよい。変化量は、(特定した周波数/保持している共振周波数)として算出されてよい。 The step of deriving at least one of the amount of change in the resonance frequency and the magnitude of the attenuation may include a step of identifying at least one of the frequency at which the vibration displacement peaks and the attenuation ratio from the plurality of forced vibration responses. The amount of change may be calculated as (specified frequency / retained resonance frequency).

本開示の別の態様は、切削工具または被削材が取り付けられた主軸の回転機構を備えた工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する装置に関する。この計測装置は、機械構造の共振周波数を保持する共振周波数保持部と、前記工作機械の切削加工中に、保持している共振周波数付近の複数の異なる周波数で機械構造を加振したときの機械構造の強制振動応答を取得する振動応答取得部と、取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出する変化量導出部と、を備える。 Another aspect of the present disclosure relates to an apparatus for measuring changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool provided with a rotating mechanism of a spindle to which a cutting tool or a work material is attached. This measuring device includes a resonance frequency holding unit that holds the resonance frequency of the mechanical structure, and a machine that vibrates the mechanical structure at a plurality of different frequencies near the holding resonance frequency during cutting of the machine tool. It includes a vibration response acquisition unit that acquires the forced vibration response of the structure, and a change amount derivation unit that derives at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of attenuation from the acquired plurality of forced vibration responses.

この態様によると、保持している共振周波数付近の周波数で機械構造を強制加振することで、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を比較的簡易に計測できる。 According to this aspect, by forcibly vibrating the mechanical structure at a frequency near the retained resonance frequency, at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of attenuation can be measured relatively easily.

1・・・加工システム、2・・・工作機械、3・・・計測装置、4・・・安定限界線図作成装置、5・・・振動センサ、10・・・共振周波数保持部、11・・・回転数出力部、12・・・振動応答取得部、13・・・変化量導出部。 1 ... Machining system, 2 ... Machine tool, 3 ... Measuring device, 4 ... Stability limit diagram creation device, 5 ... Vibration sensor, 10 ... Resonance frequency holding unit, 11. .. Rotation speed output unit, 12 ... Vibration response acquisition unit, 13 ... Change amount derivation unit.

Claims (6)

切削工具または被削材が取り付けられた主軸の回転機構を備えた工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する方法であって、
機械構造の共振周波数を保持するステップと、
切削加工時、保持している共振周波数付近の周波数で機械構造を加振する回転数で、前記主軸を回転するステップと、
複数の異なる回転数で前記主軸を回転したときの機械構造の強制振動応答を取得するステップと、
取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出するステップと、
を有することを特徴とする振動特性変化の計測方法。
A method of measuring changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool equipped with a spindle rotation mechanism to which a cutting tool or work material is attached.
Steps to maintain the resonance frequency of the mechanical structure,
At the time of cutting, the step of rotating the spindle at the number of rotations that vibrates the mechanical structure at a frequency near the retained resonance frequency, and
The step of acquiring the forced vibration response of the mechanical structure when the spindle is rotated at a plurality of different rotation speeds, and
A step of deriving at least one of the amount of change in the resonance frequency and the magnitude of attenuation from the acquired multiple forced vibration responses,
A method for measuring a change in vibration characteristics.
前記共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出するステップは、複数の強制振動応答から、振動変位がピークとなる周波数および減衰比の少なくとも一方を特定するステップを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の振動特性変化の計測方法。
The step of deriving at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of the attenuation includes a step of identifying at least one of the frequency at which the vibration displacement peaks and the attenuation ratio from the plurality of forced vibration responses.
The method for measuring a change in vibration characteristics according to claim 1.
前記共振周波数の変化量は、(特定した周波数/保持している共振周波数)として算出される、
ことを特徴とする請求項2に記載の振動特性変化の計測方法。
The amount of change in the resonance frequency is calculated as (specified frequency / retained resonance frequency).
The method for measuring a change in vibration characteristics according to claim 2.
導出された共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方は、安定限界線図の導出に利用される、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の振動特性変化の計測方法。
At least one of the derived resonance frequency change amount and attenuation magnitude is used to derive the stability limit diagram.
The method for measuring a change in vibration characteristics according to any one of claims 1 to 3.
切削工具または被削材が取り付けられた主軸の回転機構を備えた工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測する装置であって、
機械構造の共振周波数を保持する共振周波数保持部と、
前記工作機械の切削加工中に、保持している共振周波数付近の複数の異なる周波数で機械構造を加振したときの機械構造の強制振動応答を取得する振動応答取得部と、
取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出する変化量導出部と、
を備えることを特徴とする計測装置。
A device that measures changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of a machine tool equipped with a spindle rotation mechanism to which a cutting tool or work material is attached.
Resonance frequency holding part that holds the resonance frequency of the mechanical structure,
A vibration response acquisition unit that acquires a forced vibration response of the machine structure when the machine structure is vibrated at a plurality of different frequencies near the resonance frequency held during cutting of the machine tool.
A change amount derivation unit that derives at least one of the change amount of the resonance frequency and the magnitude of attenuation from the acquired multiple forced vibration responses,
A measuring device characterized by being provided with.
切削工具または被削材が取り付けられた主軸の回転機構を備えた工作機械の機械構造の振動特性の変化を計測するコンピュータに、
前記工作機械の切削加工中に、コンプライアンス伝達関数における共振周波数付近の複数の異なる周波数で機械構造を加振したときの機械構造の強制振動応答を取得する機能と、
取得した複数の強制振動応答から、共振周波数の変化量および減衰の大きさの少なくとも一方を導出する機能と、
を実現させるためのプログラム。
For computers that measure changes in the vibration characteristics of the mechanical structure of machine tools equipped with a spindle rotation mechanism to which a cutting tool or work material is attached.
A function to acquire the forced vibration response of the machine structure when the machine structure is vibrated at a plurality of different frequencies near the resonance frequency in the compliance transfer function during cutting of the machine tool.
A function to derive at least one of the amount of change in resonance frequency and the magnitude of attenuation from the acquired multiple forced vibration responses,
A program to realize.
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