JP2023007319A - 工作機械および表示制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の使用に際し、オペレータによるびびり振動への対策を支援する表示を提供する。【解決手段】ある態様の表示制御装置は、工具を取り付け可能な取付部と、加工プログラムにしたがって取付部の移動と前記工具の回転速度とを制御する数値制御部と、工具の振動を検出する振動検出部と、を有する工作機械の状態を表示制御する。この表示制御装置は、振動検出部で検出される振動レベルの変化と、工具の回転速度の変化とを示す時系列データを表示制御する表示制御部を備える。表示制御部は、回転速度の変更指示を受け付けた際に、変更指示を示すマーカを時系列データに重ねて表示するように表示制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、工作機械において発生するびびり振動への対策を支援するための表示制御技術に関する。

工作機械において、びびり振動の発生はワーク加工面の品質低下につながるため、その発生を抑制することは重要である。びびり振動の発生原因は多岐にわたる。振動源が工具の場合もあれば、ワークの場合もある。この原因を把握し排除するために、オペレータは自身の経験に基づいて対処することが多い。例えば、振動の音を聞き、ワークの加工面を観察してびびり振動の発生原因を予想し、主軸の回転速度や送り速度、工具の切込み深さや切込み幅などを調整する。それでもびびり振動が収まらない場合は、ワークの固定方法の変更や工具の変更を試みる。このような対処方法は、オペレータ自身の経験や知見に基づいて選択される。

びびり振動の要因は複数ある。主なものとして、振動により生じた加工面の起伏が工具の切込み厚さを変動させることに起因する再生びびりと、固有振動数に基づく共振による強制びびりがある。このようなびびり振動が発生したときに、これを収束させるようオペレータの操作を支援する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特許第６４５６４３４号公報

ところで、オペレータは、自身が行ったびびり振動への対処が有効であったか否か、また有効であった場合の操作がどのようであったかを事後的に判断できるよう、その操作を詳細に記録しておくことが望ましい。それにより、その後にびびり振動が発生したときにこれを効率よく収束させやすくなる。しかしながら、オペレータが機械の操作と同時にその記録を行うのは容易ではない。特にびびり振動の大きさや周波数などの特徴量は加工中に時々刻々と変化するため、オペレータが手で記録する手法では操作内容と操作タイミングとの間に時間的ずれが生じてしまう可能性がある。

本発明のある態様は、工具を取り付け可能な取付部と、加工プログラムにしたがって取付部の移動と前記工具の回転速度とを制御する数値制御部と、工具の振動を検出する振動検出部と、を有する工作機械の状態を表示制御する表示制御装置である。この表示制御装置は、振動検出部で検出される振動レベルの変化と、工具の回転速度の変化とを示す時系列データを表示制御する表示制御部を備える。表示制御部は、回転速度の変更指示を受け付けた際に、変更指示を示すマーカを時系列データに重ねて表示するように表示制御する。

本発明の別の態様は工作機械である。この工作機械は、オペレータの操作入力を受け付ける入力部と、工具を取り付け可能な取付部と、加工プログラムにしたがって取付部の移動と前記工具の回転速度とを制御する数値制御部と、工具の振動を検出する振動検出部と、振動検出部で検出される振動レベルの変化と、工具の回転速度の変化とを示す時系列データを表示制御する表示制御部と、を備える。表示制御部は、入力部から回転速度の変更指示を受け付けた際に、変更指示の時を示すマーカを時系列データに重ねて表示する。

本発明によれば、工作機械の使用に際し、オペレータによるびびり振動への対策を支援する表示が提供できる。

実施形態に係る工作機械の概略構成を表す斜視図である。 びびり振動の検出に関わる機能部の電気的構成を模式的に示す図である。 制御ユニットの機能ブロック図である。 制御装置による制御状態を管理するための管理画面を表す図である。 チューニング画面およびステータス画面を表す図である。 ステータス画面の切替画面を表す図である。 振動制御処理の過程で表示されうる画面例を表す図である。 振動制御処理の過程で表示されうる画面例を表す図である。 振動制御処理を表すフローチャートである。 図９のＳ２２における主軸回転速度調整処理を表すフローチャートである。 振動制御処理の過程で表示されうるステータス画面の一例を表す図である。 変形例に係るステータス画面を表す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、実施形態に係る工作機械の概略構成を表す斜視図である。なおここでは、工作機械１を正面からみて左右方向，上下方向，前後方向を、それぞれＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向とする。

工作機械１は、横型のマシニングセンタであり、加工装置２および制御ユニット４を備える。加工装置２を覆うように図示しない筐体が設けられ、その筐体の側面に操作盤が設けられている。操作盤は、オペレータが操作可能なタッチパネル（後述）を有する。

加工装置２は、ベッド１０と、ベッド１０に立設されたコラム１２と、コラム１２の前面側に移動自在に設けられた主軸頭１４と、ベッド１０上に移動自在に設けられたテーブル１６を備える。主軸頭１４は、Ｚ軸方向の軸線を有し、主軸１８をその軸線周りに回転可能に支持する。主軸頭１４には、主軸１８を回転駆動するためのスピンドルモータが設けられている。主軸１８は、工具ホルダ２０に保持された工具Ｔを同軸状に取り付け可能な「取付部」として機能する。テーブル１６には、図示略の治具を介してワークＷが固定される。

コラム１２の前面にガイドレール２２が設けられ、サドル２４がＸ軸方向に移動可能に支持される。サドル２４の前面にはガイドレール２６が設けられ、主軸頭１４がＹ軸方向に移動可能に支持される。サドル２４および主軸頭１４の移動は、図示略の送り機構とそれを駆動するサーボモータにより実現される。この送り機構は、例えばボールねじを用いたねじ送り機構である。主軸１８は、サドル２４および主軸頭１４が駆動されることによりＸ，Ｙ軸方向に移動自在である。主軸頭１４には、加速度センサ３０が内蔵されている。加速度センサ３０は、工具Ｔのびびり振動を検出するために用いられるが、その詳細については後述する。

一方、ベッド１０の上面にガイドレール３２が設けられ、サドル３４がＺ軸方向に移動可能に支持される。サドル３４上にテーブル１６が固定されている。サドル３４の移動は、図示略の送り機構とそれを駆動するサーボモータにより実現される。この送り機構は、例えばボールねじを用いたねじ送り機構である。ワークＷは、サドル３４が駆動されることによりＺ軸方向に移動自在である。すなわち、以上の構成により、ワークＷと工具Ｔとの相対位置を三次元的に調整することができる。

図２は、びびり振動の検出に関わる機能部の電気的構成を模式的に示す図である。
上述のように、主軸頭１４には加速度センサ３０が内蔵されている。加速度センサ３０は、ワークＷの加工中に工具Ｔに生じる振動を検出し、その振動に応じた信号を出力する。加速度センサ３０にて検出された加速度（より詳細には、加速度を表す電気信号）は、信号処理装置４０に入力される。

信号処理装置４０は、専用の基板にＡ／Ｄ変換器４２および周波数解析装置４４を搭載して構成される。加速度センサ３０から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換器４２によりＡＤ変換され、周波数解析装置４４によりＦＦＴ（高速フーリエ変換）が行われる。それらの情報が制御ユニット４に出力される。

制御ユニット４は、制御装置５０および振動処理装置５２を含む。制御ユニット４には表示装置５４が接続されている。表示装置５４は、操作盤に設けられたタッチパネルであり、工作機械１の制御状態を表す画面やオペレータが操作する操作画面を表示する。

振動処理装置５２は、制御装置５０から制御状態を示す情報を受け取る一方、オペレータの操作入力に応じた制御指令を制御装置５０に対して出力する。振動処理装置５２は、信号処理装置４０や制御装置５０から受信した信号に基づき、びびり振動に関する所定の処理を実行する。

振動処理装置５２は、信号処理装置４０から入力される信号に基づき、主軸１８の振動状態（つまり工具Ｔの振動状態）を示す画面（ステータス画面）を表示させるとともに、びびり振動の発生有無を判定する。振動処理装置５２は、びびり振動が発生したと判定すると、そのびびり振動を収束させるための操作画面（チューニング画面）を表示させる。これらの詳細については後述する。

制御装置５０は、手動又は自動で生成された加工プログラム（ＮＣプログラム）にしたがってモータ等のアクチュエータを制御する。ワークＷにターニング加工を施す際、制御装置５０は、駆動回路５６を介してサーボモータを駆動し、主軸頭１４を送り駆動する。また、駆動回路５６を介してスピンドルモータを駆動し、主軸１８を回転させる。

図３は、制御ユニット４の機能ブロック図である。
制御ユニット４の各構成要素は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および各種コンピュータプロセッサなどの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され、演算器に処理命令を供給するソフトウェアによって実現される。コンピュータプログラムは、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、それらの上位層に位置する各種アプリケーションプログラム、また、これらのプログラムに共通機能を提供するライブラリによって構成されてもよい。以下に説明する各ブロックは、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。

制御ユニット４は、ユーザインタフェース処理部１１０、データ処理部１１２、データ格納部１１４および検出部１１６を含む。ユーザインタフェース処理部１１０は、オペレータからの操作入力を受け付けるほか、画像表示や音声出力など、ユーザインタフェースに関する処理を担当する。データ処理部１１２は、ユーザインタフェース処理部１１０により取得されたデータ、検出部１１６により検出された情報およびデータ格納部１１４に格納されているデータに基づいて各種処理を実行する。データ処理部１１２は、ユーザインタフェース処理部１１０、検出部１１６およびデータ格納部１１４のインタフェースとしても機能する。データ格納部１１４は、各種プログラムと設定データを格納する。

ユーザインタフェース処理部１１０は、入力部１２０および出力部１２２を含む。入力部１２０は、タッチパネルあるいはハンドル等のハードデバイスを介してオペレータからの入力を受け付ける。入力部１２０は変更受付部１２４を含む。変更受付部１２４は、主軸１８の回転速度や送り速度の変更など、オペレータによる変更指示を受け付ける。

出力部１２２は、画像表示あるいは音声出力によりオペレータに各種情報を提供する。出力部１２２は、表示部１２６を含む。表示部１２６は、表示装置５４おける操作画面として、パネル（キーボードおよび機械操作パネル）を画面表示させてもよい。表示部１２６は、主軸１８の状態（制御状態や振動状態）を示すステータス画面を表示し、びびり振動が発生した場合には上述したチューニング画面を表示する（詳細後述）。

検出部１１６は、振動検出部１３０および回転速度検出部１３２を含む。振動検出部１３０は、加速度センサ３０からのセンサ出力に基づき主軸１８の振動（つまり工具Ｔの振動）を検出し、また、信号処理装置４０から出力される情報を取得する。回転速度検出部１３２は、主軸１８に付設したロータリエンコーダ（図示せず）のセンサ出力に基づき、主軸１８の回転速度（つまり工具Ｔの回転速度）を検出する。

データ格納部１１４は、ＮＣプログラム格納部１４０、工具データ格納部１４２および表示データ格納部１４４を含む。ＮＣプログラム格納部１４０は、加工プログラム（ＮＣプログラム）を格納する。工具データ格納部１４２は、工作機械１にて使用される工具Ｔの情報（工具情報）を工具ＩＤに対応づけて格納する。工具情報には、例えば工具の種類、工具径、刃数などの情報が含まれる。また、振動処理装置５２による主軸回転速度の調整可能な範囲（以下「調整範囲」という）についても工具情報と対応づけられている。表示データ格納部１４４は、表示部１２６に表示させる画面データ、画面内に表示させるソフトキー、ダイアログボックス等の種々の画像データを格納する。

データ処理部１１２は、数値制御部１５０、工具情報管理部１５２、振動処理部１５４、推奨回転速度計算部１５６および表示制御部１５８を含む。数値制御部１５０は、制御装置５０の機能を含む。数値制御部１５０は、入力部１２０から入力される指令に基づき、データ格納部１１４に格納されている加工プログラムにしたがって加工装置２を制御する。

数値制御部１５０は、また、制御装置５０による現在の制御状態を示す情報（制御情報）を振動処理部１５４へ逐次送信する。数値制御部１５０は、例えば主軸回転速度の制御指令値（以下「制御指令主軸回転速度」ともいう）を送信する。

工具情報管理部１５２は、工具データ格納部１４２に格納される工具Ｔの情報（工具情報）を工具ＩＤに対応づけて管理する。

振動処理部１５４は、振動処理装置５２の機能としてびびり検出部１６０を含む。上述した周波数解析装置４４が、加速度センサ３０から連続的に出力される信号を受信し、その信号を所定のサンプリング間隔でフーリエ解析（周波数解析）することで、工具Ｔに生じている振動の周波数（「振動周波数」という）とその大きさ（「振動レベル」ともいう）を算出する。びびり検出部１６０は、これら振動レベルおよび振動周波数の情報を取得し、その振動レベルが所定の閾値を超えたときにびびり振動が発生したと判定する。

なお、本実施形態では、周波数解析装置４４を信号処理装置４０に設け（図２参照）、制御ユニット４と分離する構成を例示したが、変形例においては、周波数解析装置４４の機能を「周波数解析部」として振動処理部１５４に含めてもよい。また、信号処理装置４０を制御ユニット４の一部として組み込んでもよい。

推奨回転速度計算部１５６は、びびり振動が発生したときに、これを収束させるために好適な主軸回転速度の変更先（「推奨回転速度」ともいう）を計算する。なお、推奨回転速度は、例えば特開２０１８－１７６２９６号公報に記載の方法で算出できる。

具体的には、検出されたびびり振動が再生びびりである場合、そのときの振動周波数ω０（びびり周波数）および工具Ｔの刃数ｎに基づいて、下記式（１）により推奨回転速度ＳＳ（推奨値）を算出できる。
ＳＳ＝（６０×ω０）／（ｎ×ｋ）・・・（１）
但し、ｋは１以上の任意の整数である。

この推奨回転速度ＳＳは、安定限界線図におけるｋ次の安定ポケットに対応した回転速度である。主軸回転速度を推奨回転速度ＳＳに調整することで、びびり振動を解消できる可能性がある。びびり振動が発生したときの主軸回転速度Ｓ０に対し、例えばｋを２としたときに上記式（１）によって得られる推奨回転速度ＳＳが安定領域内となるような場合には、主軸回転速度をＳ０からＳＳに変更することによってびびり振動を解消できる。

なお、工具Ｔの刃数ｎは、現在使用中の工具Ｔの工具ＩＤに基づいて取得できる。工具情報管理部１５２は、その工具ＩＤに基づいて工具データ格納部１４２を参照し、刃数ｎを取得する。推奨回転速度計算部１５６は、オペレータに提示する推奨回転速度として、現在の制御指令主軸回転速度よりも高い第１推奨値と、現在の制御指令主軸回転速度よりも低い第２推奨値を算出する。

表示制御部１５８は、表示部１２６による表示を制御する。表示制御部１５８は、制御装置５０による制御状態を示す画面（ステータス画面等）や、びびり振動の発生を監視するための画面（チューニング画面等）を表示部１２６に表示させる。

振動処理部１５４、推奨回転速度計算部１５６、表示制御部１５８、変更受付部１２４および表示部１２６は、工作機械１の稼働状態を表示制御する「表示制御装置」として機能する。

次に、びびり振動の発生検知および抑制に関する処理について具体的に説明する。
図４は、制御装置５０による制御状態を管理するための管理画面を表す図である。
この管理画面では、画面右側領域に実行中のＮＣプログラムが表示されている。画面左上領域にステータス画面が表示され、画面左下領域にチューニング画面が表示されている。これらの表示には、表示データ格納部１４４に格納されたデータが用いられる。

図５は、チューニング画面およびステータス画面を表す図である。図５（Ａ）はチューニング画面の一例を示し、図５（Ｂ）はステータス画の一例を示す。

図５（Ａ）に示すように、チューニング画面の中央領域には、主軸回転速度を表すためのオーバーライドバー１８０が表示される。オーバーライドバー１８０は、画面の左右に延びるスケールオブジェクト（スケール機能を有するオブジェクト）であり、その中央がプログラム指令主軸回転速度の１００％の位置を示す。ここで、「プログラム指令主軸回転速度」は、加工プログラムにより指定される主軸回転速度である。プログラム指令主軸回転速度は、プログラム上で新たな値が指令されない限り変化しない。オーバーライドバー１８０の上側に現在の制御指令主軸回転速度が表記される（図示の例では２５００ｍｉｎ^－１）。制御指令主軸回転速度は、ＰＬＣにより指令される主軸回転速度である。

チューニング画面の起動時は、プログラム指令主軸回転速度と制御指令主軸回転速度は等しくなるため、オーバーライドバー１８０の中央上側に制御指令主軸回転速度が表示される。なお、振動処理装置５２により主軸回転速度が変更された場合には、変更された割合に応じて制御指令主軸回転速度の表示位置が変更される。なお、正常な制御が行われている限り、上述したロータリエンコーダにより検出される実際の主軸回転速度（「実主軸回転速度」ともいう）は、制御指令主軸回転速度とほぼ一致することとなる。

オーバーライドバー１８０において、右端はプログラム指令主軸回転速度の１５０％（つまり＋５０％）の位置を示し、左端はプログラム指令主軸回転速度の５０％（つまり－５０％）の位置を示す。すなわち、オーバーライドバー１８０は、現在のプログラム指令主軸回転速度に対する制御指令主軸回転速度の変更の割合を示す「割合表示部」に対応する。

チューニング画面の上領域には、現時点で検出されている振動レベルとピーク周波数が表記される。「ピーク周波数」は、現時点で振動レベルが最大となっている振動周波数を意味する。図示の例では、振動レベル：６８（ｄＢ）、ピーク周波数：１１５２（Ｈｚ）が示されている。さらに、この振動レベルによりびびり振動の発生が判定されたため、その旨を報知する「びびり発生中」との文字列が表示されている。

びびり振動が検出されると、上述のように、推奨回転速度計算部１５６が、これを収束させるための２つの推奨回転速度（第１推奨値および第２推奨値）を算出する。表示制御部１５８は、算出された２つの推奨値をチューニング画面に表示させる。図示の例では、スケールに沿った下側に第１推奨値として「２８７８ｍｉｎ^－１」が表示され、第２推奨値として「２４６６ｍｉｎ^－１」が表示されている。

オーバーライドバー１８０においてプログラム指令主軸回転速度に対する割合に対応する箇所に、制御指令主軸回転速度の位置を示す▼とその数値（２５００ｍｉｎ^－１）が表示される。そして、第１推奨値の位置を示す▲とその数値（２８７８ｍｉｎ^－１）が、オーバーライドバー１８０においてプログラム指令主軸回転速度に対する割合に対応する箇所に表示される。同様に、第２推奨値の位置を示す▲とその数値（２４６６ｍｉｎ^－１）が、オーバーライドバー１８０においてプログラム指令主軸回転速度に対する割合に対応する箇所に表示される。

なお、主軸回転速度の下の数値（ｍ／ｍｉｎ）は、工具の周速（ｍ／ｍｉｎ）を示し、下記式（２）により算出される。
周速[m/min]＝主軸回転速度[min^-1]×π×（工具直径[mm]／１０００）・・・（２）
この「周速」は、工具負荷の指標となる。

ただし、後述のように、オペレータの事前設定により第１推奨値および第２推奨値の一方が選択可能とされるため、選択対象でない推奨値はグレーアウトされる。この推奨値の事前設定は、後述の選択ボタン１８２ａ，１８２ｂを切り替えることで行うことができる。その詳細な説明については省略する。

チューニング画面はタッチパネル機能を有する操作画面であり、オペレータにより選択可能な複数種のボタンが表示される。オーバーライドバー１８０の左右端のやや下方には、推奨値の設定方法を選択するための選択ボタン１８２ａ，１８２ｂが表示される。チューニング画面の下領域には、リセットボタン１８４と調整ボタン１８６が表示される。調整ボタン１８６は、主軸回転速度について速度変更指令を受け付ける「指示入力部」として機能する。リセットボタン１８４は、制御指令主軸回転速度をプログラム指令主軸回転速度にリセットする指令を受け付ける「リセット指令入力部」として機能する。

ただし、リセットボタン１８４および調整ボタン１８６については、振動処理部１５４による処理過程で選択可否が判定され、選択可能であるときは通常の表示（「アクティブ表示」ともいう）がなされ、選択不可のときはグレーアウトされる。調整ボタン１８６は、選択されている推奨値が事前設定した調整範囲内であればアクティブ表示される。

図示の例では、事前設定として第１推奨値が選択されており、選択ボタン１８２ａがアクティブ表示されている。その状態でびびり振動が発生したため、第２推奨値はグレーアウトされている。そして、選択されている第１推奨値が調整範囲内であったため、調整ボタン１８６がアクティブ表示されている。オペレータは、この状態で調整ボタン１８６をタップ（選択）することにより、制御指令主軸回転速度（２５００ｍｉｎ^－１）を推奨回転速度（第１推奨値：２８７８ｍｉｎ^－１）に変更するよう指示できる。

本実施形態では図示のように、主軸回転速度の調整範囲が、プログラム指令主軸回転速度に対して５０～１５０％（つまり±５０％）の範囲に設定されている。それにより、オペレータの想定外に主軸１８の回転数（制御状態）が急変しないようにされている。

振動処理部１５４は、オペレータの入力に応じて数値制御部１５０に対し、主軸回転速度の変更指示を出力する。数値制御部１５０は、この変更指示を受けて主軸回転速度の制御指令値（つまり制御指令主軸回転速度）を変更する。

図５（Ｂ）に示すステータス画面は、図５（Ａ）のチューニング画面による推奨回転速度の提示に応じて制御指令主軸回転速度を変更した結果を例示する。このステータス画面は、初期設定のステータス画面（第１ステータス画面）である。ステータス画面の中央には、横軸を経過時間、縦軸を振動レベルおよび主軸回転速度とするサンプリング画面１７０が表示される。サンプリング画面１７０は、振動レベルおよび主軸回転速度の変化をリアルタイムで表示するリアルタイムチャートである。実線が振動レベル（ｄＢ）の変化を示し、点線が制御指令主軸回転速度（ｍｉｎ^－１）の変化を示している。グラフ中の▼は、オペレータの操作入力（変更指示）に応じた制御指令主軸回転速度の切り替えタイミングを表すマーカである。

このステータス画面はタッチパネル機能を有する操作画面でもあり、サンプリング画面１７０における横軸のスケールとして、最大１０ｍｉｎとするパターンと、最大１ｍｉｎ（６０ｓ）とするパターンのいずれかを選択できる。図示の例では、後者が選択されている。画面右端の「０ｍｉｎ」が現在の時点であり、その左側にそれ以前のサンプリング履歴が連続的に表示されている。サンプリング画面１７０は、画面左上のデータ収集ボタン１７２をオンにすることでリアルタイム表示される。

表示制御部１５８は、振動検出部１３０で検出される振動レベルの変化と、主軸回転速度（つまり工具Ｔの回転速度）の変化とを示す時系列データを、このステータス画面として表示制御する。表示制御部１５８は、オペレータの操作入力による主軸回転速度の変更指示を受け付けた際に、その変更指示タイミングを示すマーカ▼をその時系列データに重ねて表示させる。

図示の例では、工作機械のアイドリング状態から約４８秒前に、制御指令主軸回転速度を２５００ｍｉｎ^－１として所定ブロックの加工が開始されている。その直後にびびり振動が発生したため、振動レベルが６０ｄＢ程度まで急増している。このため、約４５秒前にチューニング画面の提示にしたがったオペレータの操作により、制御指令主軸回転速度が２５００ｍｉｎ^－１から約２８７８ｍｉｎ^－１に変更されている。その結果、約４０秒前にびびり振動が収束し、振動レベルが４０ｄＢ程度に低下した状態で加工が継続されている。約２６秒前に当該ブロックの加工が終了している。

図６は、ステータス画面の切替画面を表す図である。図６（Ａ）は第２ステータス画面を示し、図６（Ｂ）は第３ステータス画面を示す。
図６（Ａ）において、点線は加工プログラムのブロック番号を示している。オペレータは、図示略の設定画面により図５（Ｂ）の画面を本図の第２ステータス画面に切り替えることができる。表示制御部１５８は、オペレータの操作入力による選択指示に応じて、指令主軸回転数とは別のパラメータであるブロック番号を時系列データとして表示させる。

第２ステータス画面によれば、びびり振動が発生し、オペレータにより制御指令主軸回転速度が切り替えられたブロックを把握できる。図示の例では、加工プログラムにおける５０番目のブロックにおいてびびり振動が発生し、オペレータの操作入力が行われたことが分かる。

この第２ステータス画面では、第１ステータス画面にあった制御指令主軸回転速度そのものは表示されないが、その変更指示タイミング（マーカ▼）の表示が残されている。このため、第２ステータス画面を確認すれば、オペレータによりどのブロックで制御指令主軸回転速度が切り替えられたかは一目瞭然である。

図６（Ｂ）において、点線はピーク周波数を時系列に示している。「ピーク周波数」は、各時点において振動レベルを最も大きくしている振動周波数を意味する。このため、びびり振動発生時のピーク周波数は、びびり振動そのものの周波数（「びびり周波数」ともいう）を示す。

オペレータは、図示略の設定画面（プルダウンメニューなど）により図５（Ｂ）又は図６（Ａ）の画面を本図の第３ステータス画面に切り替えることができる。表示制御部１５８は、オペレータの操作入力による選択指示に応じて、さらに別のパラメータであるピーク周波数を時系列データとして表示させる。

第３ステータス画面によれば、びびり振動が発生し、オペレータにより制御指令主軸回転速度が切り替えられる直前のピーク周波数、つまりびびり振動の要因となっている周波数を把握できる。図示の例では、びびり周波数が約１２００Ｈｚであることを確認できる。

この第３ステータス画面においても、第１ステータス画面にあった制御指令主軸回転速度そのものは表示されないが、その変更指示タイミング（マーカ▼）の表示が残されている。このため、第３ステータス画面を確認すれば、オペレータにより制御指令主軸回転速度が切り替えられる直前、つまりびびり振動が発生している状態でのピーク周波数を把握できる。

なお、以上に述べた第１～第３ステータス画面に表示される振動レベル、制御指令主軸回転速度、変更指示タイミング（マーカ）、ブロック番号およびピーク周波数を含む時系列データは、制御履歴データとしてデータ格納部１１４に格納される。このため、オペレータは、各ステータス画面を事後的に確認することができる。

図７および図８は、振動制御処理の過程で表示されうる画面例を表す図である。
この例では、図７に示すように、オペレータによる制御指令主軸回転速度の調整が２回行われた後、ステータス画面において、時系列データに変更タイミングを示すマーカ▼が２つ重畳表示されている。この２回の調整でもびびり振動が収束しなかったため、チューニング画面において、３回目の推奨回転速度の提示がなされている。

この３回目の提示にしたがってオペレータが制御指令主軸回転速度の変更を行ったため、図８に示すように、ステータス画面において、時系列データに変更タイミングを示すマーカ▼が３つ重畳表示されている。この３回の調整でもびびり振動が収束しなかったため、チューニング画面において、４回目の推奨回転速度の提示がなされている。

このように、制御指令主軸回転速度の切り替えが複数回にわたる場合、チューニング画面に提示される推奨回転速度がその都度変化する。そして、オペレータによる入力操作に伴う振動レベルの変化や制御指令主軸回転速度の変更履歴が、ステータス画面において時々刻々更新される。

次に、びびり振動を抑制するための具体的処理について説明する。
図９は、振動制御処理を表すフローチャートである。図１０は、図９のＳ２２における主軸回転速度調整処理を表すフローチャートである。図１１は、振動制御処理の過程で表示されうるステータス画面の一例を表す図である。

図９に示すように、振動制御処理において、振動処理部１５４は、検出部１１６を介して主軸１８の振動データを取得する（Ｓ１０）。表示制御部１５８は、その振動データに基づいてステータス画面およびチューニング画面を更新する（Ｓ１２）。

びびり振動が発生しない間もステータス画面およびチューニング画面は表示される。振動レベルが閾値を超え、びびり検出部１６０がびびり振動を検出すると（Ｓ１４のＹ）、推奨回転速度計算部１５６が推奨回転速度を計算する（Ｓ１６）。そして、推奨値提示処理が実行される（Ｓ１８）。

この推奨値提示処理においては、表示制御部１５８は、算出された第１推奨値および第２推奨値の双方が調整範囲内（本実施形態ではプログラム指令主軸回転速度の±５０％以内）にあれば、両推奨値を表示させる（図５（Ａ）参照）。この場合、オペレータが調整ボタン１８６をタップ（選択）することにより、制御指令主軸回転速度が第１推奨値へ変更されることとなる。

一方、選択した側の推奨値（選択推奨値）のみが調整範囲にあれば、表示制御部１５８は、その選択推奨値のみを表示させ、調整ボタン１８６を有効にする。この場合も、オペレータが調整ボタン１８６をタップすることにより、制御指令主軸回転速度が第１推奨値へ変更されることとなる。

選択していない側の推奨値（非選択推奨値）のみが調整範囲にあれば、表示制御部１５８は、その非選択推奨値のみ表示させるが、調整ボタン１８６は無効にする。すなわち、この状態ではオペレータは主軸回転速度を変更できない。選択ボタン１８２ａ，１８２ｂを切り替えて選択推奨値を変更すれば、主軸回転速度を変更できるようになる。

第１推奨値および第２推奨値のいずれも調整範囲内にない場合、表示制御部１５８は、両推奨値を非表示とし、調整ボタン１８６を無効とする。この状態ではオペレータは主軸回転速度を変更できない。

オペレータの操作入力により調整ボタン１８６がタップされると（Ｓ２０のＹ）、主軸回転速度調整処理が実行される（Ｓ２２）。

図１０に示すように、主軸回転速度調整処理では、振動処理部１５４が、選択された推奨回転速度への変更指示を出力する（Ｓ６２）。数値制御部１５０は、制御指令主軸回転速度をその推奨回転速度に変更して主軸１８を制御する。表示制御部１５８は、ステータス画面およびチューニング画面を更新する（Ｓ６３）。このとき、ステータス画面において制御指令主軸回転速度の切り替えタイミングを示す▼が追加され、チューニング画面において制御指令主軸回転速度の表示位置が更新される。また、リセットボタン１８４が有効とされており、オペレータは、いつでも制御をリセットすることができる。リセットボタン１８４は、プログラム指令主軸回転速度と制御指令主軸回転速度とが異なるときに有効化される。

振動処理部１５４は、検出部１１６を介して主軸１８の振動データを取得する（Ｓ６４）。このとき、所定の終了条件が成立していなければ（Ｓ６６のＮ）、推奨回転速度計算部１５６が推奨回転速度を再計算する（Ｓ６８）本実施形態では、この「終了条件」として、びびり振動が収束したこと、びびり振動が調整前よりも大きくなったこと、びびり振動の種類が変化したこと、びびり振動の周波数が変化したことなどが設定されている。なお、変形例においては、これらの全てではなくいずれかを終了条件として設定してもよい。表示制御部１５８は、この再計算中において停止ボタン１８７を表示させたままとする。

算出された推奨値が調整範囲内であれば（Ｓ７０のＹ）、Ｓ６２へ戻る。こうして終了条件が成立すれば（Ｓ６６のＹ）、Ｓ６８およびＳ７０の処理をスキップする。表示制御部１５８は、推奨値を非表示とし（Ｓ７２）、調整ボタン１８６をグレーアウトさせて無効にする（Ｓ７４）。一方、算出された推奨値が調整範囲内でない場合も（Ｓ７０のＮ）、表示制御部１５８は、推奨値を非表示とし（Ｓ７２）、調整ボタン１８６をグレーアウトさせて無効にする（Ｓ７４）。

図９に戻り、調整ボタン１８６がタップされなければ（Ｓ２０のＮ）、Ｓ２２の処理をスキップする。びびり振動が検出されなければ（Ｓ１４のＮ）、Ｓ１６～Ｓ２２の処理をスキップする。そして、工作機械１の稼働が停止されるなど、システム終了となれば（Ｓ２４のＹ）、一連の処理を終了する。システム終了でなければ（Ｓ２４のＮ）、Ｓ１０へ戻る。

以上の処理過程において、仮に図１１に示す時系列データが得られた場合、前半と後半で振動レベルが類似した挙動を示すものの、マーカ▼が後半にしか表示されていないため、オペレータの関与は後半のみに認められることが分かる。すなわち、前者は加工プログラムの指令に基づいた結果であり、後者はオペレータの操作入力による指令に基づいた結果であることが分かる。

以上、実施形態に基づいて工作機械１について説明した。
本実施形態によれば、びびり振動対処のための情報、つまり主軸回転速度の変更とその変更タイミング、その変更タイミングにあたるプログラムの個所などを、工作機械１側で自動的に記録し、重畳的に表示する。それにより、工作機械１の稼働中のオペレータの手間を削減できる。工作機械１が時系列データを常に記録することで、制御指令主軸回転速度の変更タイミング、変更内容、変更時の制御状態などのデータを完全に同期させたものとしてオペレータに提示できる。

振動レベルの時系列データに対して加工条件(主軸回転速度)を重畳的に表示することで、自らが変更した加工条件を容易に確認できる。また、主軸回転速度を複数回変更した場合において、びびり振動の抑制に最も効果的な加工条件を容易に確認できるようになる。

また、振動レベルの時系列データに対し、加工条件(主軸回転速度)の変更ポイント（マーカ）とピーク周波数を重畳的に表示することで、びびり周波数を容易に特定できる。特許文献１に記載の技術を併せて利用すれば、びびり振動の発生個所を特定することもできる。このため、万が一制御指令主軸回転速度の変更だけでびびり振動を収束できなかった場合でも、工具、工具ホルダ、ワークの固定方法のいずれを変更すればよいか容易に判断できるようになる。

さらに、振動レベルの時系列データに対し、加工条件(主軸回転速度)の変更ポイント（マーカ）とプログラムのブロック番号を重畳的に表示することで、プログラム個所を容易に特定できる。さらに１ブロックの中でも特にびびり振動が大きくなる個所も容易に特定できる。主軸回転速度の表示をオフにしても、マーカを表示することで、変更ポイントは容易に把握できる。

また、びびり振動が発生した際には、これを収束するための制御指令主軸回転速度の変更推奨値（推奨回転速度）が工作機械において内部的に計算され、オペレータはそれを承認するかどうかを判断するだけでよいため、迅速な対応をとりやすい。経験が少なく勘が働きにくいオペレータであっても対応しやすい。本実施形態によれば、工作機械１におけるびびり振動を抑制する操作を促すにあたり、オペレータに使い勝手のよい表示画面を提供できる。

［変形例］

図１２は、変形例に係るステータス画面を表す図である。
本変形例では、ステータス画面として、サンプリング画面１７０とともに、加工条件の変更内容が数値として示される変更適用画面１９０が含まれる。表示制御部１５８は、オペレータの操作に基づいてこの変更適用画面１９０を表示させる。図示の例では、オペレータによる制御指令主軸回転速度の調整が４回行われており、時系列データに変更タイミングを示すマーカ▼が４つ重畳表示されている。

変更適用画面１９０には、合計調整回数、調整番号、主軸回転速度の変更内容、送り速度の変更内容、プログラム名およびプログラム行（ブロック番号）が表示されている。ここで、「合計調整回数」はびびり振動収束に向けて制御指令値を変更した回数を示す。

「調整番号」は、オペレータが確認しようとする調整の番号であり、主軸回転速度が複数回変更された場合に任意選択できる。図示の例では４つのマーカ▼が示す１～４番目のいずれかの番号を入力できる。すなわち、表示制御部１５８は、マーカをオペレータの選択入力を受け付ける入力オブジェクトとして表示し、いずれかのマーカが選択された場合に、変更適用画面１９０として、選択されたマーカに対応する変更内容を表示する。オペレータは、＋ボタン又は－ボタンにより調整番号を増減することで特定できる。この例では、１番目の調整番号が選択されたため、該当するマーカがアクティブ表示され、他のマーカがグレーアウトされている。

その結果、その１番目の調整において、制御指令主軸回転速度が２４５８ｍｉｎ^－１から２５５８ｍｉｎ^－１に変更されたこと、送り速度が８８０ｍｍ／ｍｉｎから１０１３ｍｍ／ｍｉｎに変更されたこと、その変更がブロック番号：１０番においてなされたことなどが表示されている。本図の例では、１番目の調整ではびびり振動が収束しておらず、４番目の調整で収束している。このため、調整番号として４番目を指定すれば、びびり振動を収束させるに到った指令主軸回転数を確認できる。

本変形例によれば、加工後に変更適用画面１９０を表示させることで、びびり振動の発生時に適用した加工条件と振動の変化を事後的に数値として明確に確認できる。

上記実施形態では、制御指令値として制御指令主軸回転速度を例示したが、これとともに又はこれに代えて主軸の送り速度の指令値（指令送り速度）を時系列データに含めてもよい。それにより、主軸回転速度および主軸送り速度のいずれがびびり振動の主要因となっているかを把握できるようになる。

上記実施形態では、第２，第３ステータス画面として、時系列データにブロック番号やピーク周波数などの他のパラメータを表示する一方で指令主軸回転数の表示をオフにする例を示した。変形例においては、制御指令主軸回転速度の表示を維持しつつ他のパラメータを重畳表示させてもよい。

上記実施形態では、図８に示したように、主軸回転速度の調整範囲が、制御指令主軸回転速度に対して５０～１５０％（つまり±５０％）の範囲に設定される例を示した。変形例においては、オペレータの判断により調整範囲を設定変更することができる。

例えば、調整範囲を５０～１５０％（つまり±５０％）とすることもできれば、調整範囲を８０～１２０％（つまり±２０％）とできるようにしてもよい。また、制御指令主軸回転速度に対してプラス側とマイナス側で調整可能な割合（％）を異ならせることができるようにしてもよい。例えば、比較的安全側であるマイナス側の調整範囲を大きくするなど、適宜設定できる。これらの設定は、チューニング画面を設定画面に切り替えることで行うことができる。このような設定により、オペレータの判断により調整範囲の上限と下限を設定でき、個々のオペレータの感覚に合わせた運用が可能となる。

上記実施形態では、チューニング画面を表示し、びびり振動が発生した際に、主軸回転速度の変更推奨値が工作機械において内部的に計算される例を示した。変形例においては、オペレータが自身の感覚に基づいて変更してもよい。その場合、チューニング画面を省略してもよい。具体的には、工作機械の操作盤に設けられたオーバーライドスイッチをオペレータが手動操作して制御指令値の変更を行った場合などが該当する。その際、びびり振動対処の情報を工作機械側で自動的に記録して重畳的に表示することで、オペレータがその後のびびり振動対策に反映させることができる。

上記実施形態では、オーバーライドバー１８０の上側に現在の制御指令主軸回転速度を表示させる例を示した。変形例においては、これに代えて実主軸回転速度を表示させてもよい。現在の制御指令主軸回転速度が実主軸回転速度にほぼ等しくなるためである。その場合、「実主軸回転速度」が「第２回転速度」に該当する。推奨回転速度計算部１５６は、オペレータに提示する推奨回転速度として、実主軸回転速度よりも高い第１推奨値と、実主軸回転速度よりも低い第２推奨値を算出する。

上記実施形態では、工作機械１として横型のマシニングセンタを例示した。変形例においては、縦型のマシニングセンタであってもよい。あるいは、ターニングセンサであってもよいし、マシニングセンタとターニングセンタの双方の機能を備えた複合加工機であってもよい。それらの工作機械に対し、上述したびびり振動を抑制するための表示制御を適用してもよい。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 工作機械、２ 加工装置、４ 制御ユニット、１２ コラム、１４ 主軸頭、１６ テーブル、１８ 主軸、２０ 工具ホルダ、３０ 加速度センサ、４０ 信号処理装置、４４ ＦＦＴ、５０ 制御装置、５２ 振動処理装置、５４ 表示装置、１１０ ユーザインタフェース処理部、１１２ データ処理部、１１４ データ格納部、１１６ 検出部、１２０ 入力部、１２２ 出力部、１２４ 変更受付部、１２６ 表示部、１３０ 振動検出部、１３２ 回転速度検出部、１５０ 数値制御部、１５２ 工具情報管理部、１５４ 振動処理部、１５６ 推奨回転速度計算部、１５８ 表示制御部、１６０ びびり検出部、１７０ サンプリング画面、１７２ データ収集ボタン、１８０ オーバーライドバー、１８６ 調整ボタン、１９０ 変更適用画面、Ｔ 工具、Ｗ ワーク。

Claims (1)

1. (i)工具を取り付け可能な取付部と(ii)加工プログラムにしたがって前記取付部の移動と前記工具の回転速度とを制御する数値制御部と(iii)前記工具の振動を検出する振動検出部とを有する工作機械、の状態を表示制御する表示制御装置であって、
   前記振動検出部で検出した振動レベルが所定値を超えた際の回転速度から回転速度を変更するための変更指示を受け付ける変更受付部と、
   (i)前記振動検出部で検出される振動レベルの変化と工具の回転速度の変化とを示す時系列データと(ii)前記工具の回転速度を変更するための回転速度情報と、を表示制御する表示制御部と、を備え、
   前記変更受付部が受けつけた変更指示に基づいて、前記時系列データと前記回転速度情報とを変更する、表示制御装置。

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