JP5384996B2 - 加工状態評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具又はワークを回転させながら加工を行う工作機械において、加工中に発生するびびり振動を抑制すべく工具又はワークの回転速度を変化させた場合に、当該回転速度における加工状態を評価する加工状態評価装置に関するものである。

従来、加工面の仕上げ精度悪化の原因となるびびり振動を抑制するための方法としては、以下の方法が知られている。まず、工具やワーク等といったびびり振動が生じる系の固有振動数、又はびびり振動が生じる系の加工中のびびり周波数を求める。次に、固有振動数又はびびり周波数を６０倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除して得た値を安定回転速度として算出する。そして、当該安定回転速度にて加工を行うことにより、加工中に発生するびびり振動の抑制を図るというものである。
また、上記従来の方法を実行するために、びびり振動の発生や算出した安定回転速度を作業者に知らせるための表示部を備えてなる装置も考案されている（たとえば、特許文献１）。

特表２００１−５１７５５７号公報

上記方法では、固有振動数やびびり周波数を求めるにあたり、どうしても検出誤差等が生じるため、算出した安定回転速度で必ずしもびびり振動を効果的に抑制できるわけではなく、回転速度を徐々に変化させる等して複数回の試行が必要となる場合がある。この場合、作業者が、各回転速度においてびびり音の大きさを聞き分けたり、加工面の状態を観察したりすることによって、びびり振動がどの回転速度において最も抑制されているかを判断していた。
しかしながら、びびり音の大きさを聞き分ける場合、周囲の加工音が影響して正確な判断を下すことは困難となる。また、加工量の変化に伴い、びびり音の大きさは勿論、加工面の状態も変化するため、各回転速度毎での相対的な判断は困難であった。

また、びびり音に基づくのではなく、加工部近傍にセンサを設置し、びびり振動によって生じる振動加速度や振動振幅をモニターすることによって加工状態を把握し、最適な（すなわち、振動加速度や振動振幅が小さい）安定回転速度を得ることも考えられる。しかしながら、所謂びびり成長過程においては、振動加速度や振動振幅は一定でなく、容易に比較できないという問題がある。また、びびり振動発生から一定時間経過すると振動加速度等は一定となるものの、その時点までに工具が破損してしまうおそれがあるため、早期での比較が望まれる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、各回転速度での加工状態を早期に評価可能で、作業者が最適な安定回転速度を容易に判断することができる加工状態評価装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を検出し、所定の回転速度での加工状態を評価する加工状態評価装置であって、回転中の前記回転軸の時間領域の振動を検出する検出手段と、検出した時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出する第１演算手段と、算出した周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、下記の演算式（１）により予想安定回転速度を算出する第２演算手段と、前記回転軸の回転速度を制御する回転速度制御手段とを備えているとともに、前記回転軸の回転速度を前記予想安定回転速度とした後、前記第１演算手段により周波数領域の振動加速度が最大値となるびびり周波数を特定し次第、前記回転軸の回転速度を段階的に変更するとともに、びびり振動の抑制に係る指標であって、前記予想安定回転速度を含む各段階での回転速度及び前記びびり周波数にもとづいた有効度を求める第３演算手段と、前記有効度を前記回転速度及び前記びびり周波数に関連づけて記憶する記憶手段と、少なくとも前記有効度と前記回転速度とを対応付けて表示する表示手段とを備えてなることを特徴とする。
演算式（１）：予想安定回転速度＝６０×びびり周波数／（工具刃数×ｎ）
尚、請求項１において検出手段が検出する「振動」とは、振動加速度、振動による変位、及び振動による音圧等、振動自体は勿論、振動に起因して回転軸に発生し、間接的に振動を検出することができる物理的変位を含む。また、演算式（１）におけるｎは任意の整数をとる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記有効度が、下記の演算式（２）により求められる有効値を用いて表現されることを特徴とする。
演算式（２）：有効値＝６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度現在値）

本発明によれば、表示手段に有効度が表示され、各回転速度毎に加工状態が評価されるため、作業者は、どの回転速度が最もびびり振動を抑制することができるのか、すなわち最適な回転速度を容易に把握することができる。したがって、その最適な回転速度を設定することで、加工面の品位が高い製品を製造することができるし、工具摩耗も抑制することができる。
また、周波数領域の振動加速度の最大値は時間と共に変動しやすいものの、振動加速度が最大となるびびり周波数は一定であるという特性を利用し、「有効度」をびびり周波数にもとづいて求める。したがって、周波数領域の振動加速度にもとづいて評価する装置と比較して、定常状態となる前の早期段階（びびり振動の成長過程）で加工状態を正確に評価することができ、工具が破損したりしない。

加工状態評価装置のブロック構成を示した説明図である。 回転軸ハウジングを側方から示した説明図である。 回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。 時間領域の振動加速度のフーリエ解析結果の一例を示した説明図である。 加工状態の評価に係る制御を示したフローチャート図である。 加工状態の評価に係る制御を示したフローチャート図である。

以下、本発明の一実施形態となる加工状態評価装置について、図面にもとづき詳細に説明する。

加工状態評価装置１０は、本加工前の試験加工において、回転軸ハウジング１にＣ軸周りで回転可能に備えられた回転軸３に発生する「びびり振動」を効果的に抑制可能な回転速度を調べるためのものであって、回転中の回転軸３に生じる時間領域の振動加速度（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出する振動センサ２ａ〜２ｃと、振動センサ２ａ〜２ｃによる検出値をもとにして回転軸３の回転速度を制御する制御装置５とからなる。

振動センサ２ａ〜２ｃは、図２や図３に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動加速度を検出可能な状態で回転軸ハウジング１に取り付けられている。
また、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃにより検出された各軸方向での時間領域の振動加速度をもとにフーリエ解析を行うＦＦＴ演算装置１１と、ＦＦＴ演算装置１１で算出された値にもとづいて安定回転速度を算出したり、各加工状態を評価したりする演算装置１２と、回転軸ハウジング１での加工を制御するＮＣ装置（回転速度制御手段）１３と、演算装置１２で算出された各種数値等を記憶する記憶装置１４と、加工状態の評価結果を表示する表示装置１５とを備えている。

ここで、上記加工状態評価装置１０における加工状態の評価について、図５及び６のフローチャートをもとに説明する。
まず、回転軸３を回転させて加工（試験加工）が開始されると、ＦＦＴ演算装置１１では、振動センサ２ａ〜２ｃによって回転軸３の回転中に常時検出される時間領域の振動加速度についてフーリエ解析を行う（Ｓ１）。そして、図４に示すような最大加速度（周波数領域の振動加速度）及びその周波数（びびり周波数）４を常時計算する（Ｓ２）。なお、時間領域の振動加速度についてフーリエ解析を行うと、周波数と周波数領域の振動加速度との関係を示す図４のような波形が複数パターン取得されるが、本実施形態では、周波数領域の振動加速度が最大となる波形を用いる。

次に、演算装置１２では、ＦＦＴ演算装置１１において算出された周波数領域の振動加速度と予め設定されている所定の閾値とを比較し（Ｓ３）、周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合（例えば、図４における周波数４での周波数領域の振動加速度が検出された場合）には、回転軸３に「びびり振動」が発生しているとして、回転軸３の現在の回転速度、びびり周波数、及び工具刃数を記憶装置１４に記憶する（Ｓ４）。また、下記演算式（１）により予想安定回転速度を算出し、ＮＣ装置１３へ出力して回転軸３の回転速度を予想安定回転速度に変更する（Ｓ５）。
予想安定回転速度＝６０×びびり周波数／（工具刃数×ｎ） ・・・（１）
尚、「工具刃数」は、回転軸３に装着されている工具の刃数であって、予め演算装置１２に入力され設定されているものとする。また、ｎは任意の整数である。

以上のようにして算出した予想安定回転速度により回転軸３を回転させると、一応の抑制は期待できる。しかしながら、予想安定回転速度はあくまで理論値であるため、実際には回転軸３を予想安定回転速度で回転させているにも拘わらず、周波数領域における振動加速度が再び閾値を超える、すなわち「びびり振動」が断続的に発生する事態が起こり得る。そこで、制御装置５は、回転軸３を予想安定回転速度で回転させた後には、図６に示すフローチャートにしたがって回転速度を変更させながら回転軸３の回転動作を制御するとともに、各回転速度における加工状態を評価する。

ＦＦＴ演算装置１１では、Ｓ１同様、予想安定回転速度による回転中も振動センサ２ａ〜２ｃによって検出される時間領域の振動加速度についてフーリエ解析、及び最大加速度とその周波数４（びびり周波数）との計算を継続する（Ｓ１１）。そして、取得された最大加速度におけるびびり周波数４を用いて、下記演算式（２）から「有効度」を求めるとともに、回転速度（ここでは、予想安定回転速度）、びびり周波数、及び「有効度」を関連づけて記憶装置１４に記憶する（Ｓ１２）。
有効度＝［｛６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度現在値）｝の小数部］×１０
・・・（２）

また、予想安定回転速度における「有効度」の算出・記憶後、回転速度を段階的に増大又は減少させるとともに、各段階における「有効度」を上記演算式（２）で求めるとともに、各段階における回転速度、びびり周波数、及び「有効度」を関連づけて記憶装置１４に記憶する（Ｓ１３）。尚、回転速度を変更するタイミングは、その回転速度においてのフーリエ解析により取得される複数パターンの波形から周波数領域の振動加速度が最大値となるびびり周波数を特定し次第とする。
そして、以上のような回転速度の変更及び「有効度」の算出・記憶を予め定めた回数だけ繰り返すと、試験加工を終了し（Ｓ１４）、表示装置１５に各回転速度での加工状態の評価を表示する（Ｓ１５）。以下に、表示装置１５に表示される評価の一例を示す。

なお、表１は、φ６、６枚刃の超硬エンドミルを用いてアルミニウム材を加工した場合についての評価となっている。また、「びびり周波数における加速度（Ｇ）」とは、加工を継続して定常状態になった場合における周波数領域の振動加速度であり、ここでは参考値として示す（つまり、通常は、各回転速度において定常状態となるまで加工を継続しないため、この加速度が表示されることはない）。

ここで「有効度」について説明する。
上記演算式（２）において、［］内の値は０から１の間の数値となる。そして、この値が「１」に近ければ近いほど、びびり振動が抑制できていない（びびり振動が発生している）ことを意味する。したがって、０から１０の間の値となる「有効度」が最も小さい回転数が最もびびり振動を抑制可能な回転速度ということになる。これは、表１の「有効度」と「びびり周波数における加速度」との関係からも明らかで、「有効度」が最も小さい回転速度では、「びびり周波数における加速度」も最も小さくなっている。したがって、本加工を行う際には、「有効度」が最も小さい回転速度を設定することにより、びびり振動が効果的に抑制された加工を行うことができる。

上述したような加工状態評価装置１０によれば、試験加工の終了後、表示装置１５に「有効度」が表示され、各回転速度毎に加工状態が評価されるため、作業者は、どの回転速度が最もびびり振動を抑制することができるのか、すなわち最適な回転速度を容易に把握することができる。したがって、本加工において、その最適な回転速度を設定することにより、加工面の品位が高い製品を製造することができるし、工具摩耗も抑制することができることになる。
また、周波数領域の振動加速度の最大値は時間と共に変動しやすいものの、振動加速度が最大となるびびり周波数は一定であるという特性を利用し、「有効度」をびびり周波数にもとづいて求める。したがって、周波数領域の振動加速度にもとづいて加工状態を評価する装置と比較して、定常状態となる前の早期段階（びびり振動の成長過程）で加工状態を正確に評価することができ、工具が破損したりしない。

なお、本発明の加工状態評価装置は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、振動検出手段や評価方法、評価の表示態様等についての構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更可能である。

上記実施形態では検出手段として振動センサを採用しているが、振動センサに限定されることはなく、回転軸の変位や音圧を検出可能な検出手段を採用することも可能である。たとえば、マイクを用いてびびり音を測定し、上記形態同様にＦＦＴ解析からびびり周波数を求める等の方法が考えられる。さらに、振動センサを用いる場合であっても、上記実施形態の如く回転する側の振動を検出するのではなく、回転軸を支持する側の振動を検出するように構成しても何ら問題はない。

また、「有効度」の表示についても、上記実施形態のような数値ではなく、色や図形等で有効度の大小を示してもよい。たとえば、「有効度」が最も小さくなる回転速度（すなわち最適な回転速度）を赤色等で強調してもよい。さらにまた、「有効度」の表現についても適宜変更可能であって、演算式（２）の｛｝内で求められる値（本願請求項２で言うところの有効値）を用いるにあたり、上記実施形態とは逆に値が大きくなればなるほどびびり振動を抑制することができるような表現としてもよい（たとえば、演算式（２）の［］内の値を１から引いた後に１０倍する等）。

さらに、回転速度を変更するに際して、上記表１では１００ｍｉｎ^−１ずつ減少させるようにしているが、その変更態様は、回転速度の大小や工具刃数、加工対象の独特性等に応じて適宜変更可能である。つまり、回転速度が低速度の場合は、１０ｍｉｎ−１程度の変更量でも状況がかなり変わってくる一方、回転速度が高速になればなるほど、安定／不安定域が広範囲になるため、回転速度の２０〜３０％程度変更しなければ状況はあまり変わらないため、加工条件に応じて変更した方がよい。
加えて、本発明にかかる加工状態評価装置は、工具を回転させて加工するマシニングセンタに限らず、ワークを回転させる旋盤等の工作機械についても適用可能である。

１・・回転軸ハウジング、２ａ、２ｂ、２ｃ・・振動センサ（検出手段）、３・・回転軸、５・・制御装置、１０・・加工状態評価装置、１１・・ＦＦＴ演算装置（第１演算手段）、１２・・演算装置（第２演算手段、第３演算手段）、１３・・ＮＣ装置（回転速度制御手段）、１４・・記憶装置（記憶手段）、１５・・表示装置（表示手段）。

Claims (2)

1. 工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を検出し、所定の回転速度での加工状態を評価する加工状態評価装置であって、
   回転中の前記回転軸の時間領域の振動を検出する検出手段と、
   検出した時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出する第１演算手段と、
   算出した周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、下記の演算式（１）により予想安定回転速度を算出する第２演算手段と、
   前記回転軸の回転速度を制御する回転速度制御手段と
   を備えているとともに、
   前記回転軸の回転速度を前記予想安定回転速度とした後、前記第１演算手段により周波数領域の振動加速度が最大値となるびびり周波数を特定し次第、前記回転軸の回転速度を段階的に変更するとともに、びびり振動の抑制に係る指標であって、前記予想安定回転速度を含む各段階での回転速度及び前記びびり周波数にもとづいた有効度を求める第３演算手段と、
   前記有効度を前記回転速度及び前記びびり周波数に関連づけて記憶する記憶手段と、
   少なくとも前記有効度と前記回転速度とを対応付けて表示する表示手段と
   を備えてなる加工状態評価装置。
   演算式（１）：予想安定回転速度＝６０×びびり周波数／（工具刃数×ｎ）
   尚、ｎは任意の整数である。
2. 前記有効度が、下記の演算式（２）により求められる有効値を用いて表現されることを特徴とする請求項１に記載の加工状態評価装置。
   演算式（２）：有効値＝６０×びびり周波数／（工具刃数×回転速度現在値）

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