JP5507409B2 - 工作機械のモニタ方法及びモニタ装置、工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、主軸に装着した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、びびり振動の発生状況を監視するためのモニタ方法及びモニタ装置と、そのモニタ装置を備えた工作機械とに関する。

主軸に装着した工具又はワークを回転させながら加工を行うマシニングセンタ等の工作機械においては、切削加工における切込量や主軸回転速度などの加工条件によっては、加工中にいわゆる「びびり振動」が発生して、加工面の仕上げ精度の悪化、急速な工具摩耗、工具欠損などの問題が生じる。
びびり振動は、工具とワークとの間に生じる自励振動である「再生型びびり振動」と、工具を備える工作機械が振動源となる「強制びびり振動」などがあり、びびり振動の種類によって適切な抑制方法が異なる。再生型びびり振動への対応方法としては、特許文献１に記載されているように、びびり振動が生じる系の固有振動数や加工中におけるびびり振動数を求め、固有振動数又はびびり振動数を６０倍して工具刃数及び所定の整数で除した値を回転数とする方法が知られている。一方、強制びびり振動への対応方法としては、回転速度を共振点からずらす、送り速度を下げる、加工物への切込量を小さくするといった方法が有効であることが知られている。

しかし、工具やホルダーが複数の再生型びびりの状態を持っていたり、加工が厳しく強制びびりが起きやすい厳しい加工を行っていたりすると、現在発生しているびびり振動に対して、主軸回転速度を変更する対策を行うと別の種類のびびり振動が発生する場合があり、びびり振動の抑制が容易に行えない場合がある。そこで、特許文献２に開示のように、振動加速度をフーリエ解析して得られた最大加速度を閾値と比較して、閾値を超えた場合にはｋ値と位相情報とを算出して強制びびり振動と再生型びびり振動とを区別し、各々のびびり振動に適切な抑制方法を対処する振動抑制装置が発明されている。

特開２００３−３４０６２７公報 特開２００９−７８３５０公報

ところが、特許文献２のように振動抑制装置により自動的にびびり振動を抑制する場合、閾値の大きさによっては回転速度の変更が安定しないことがある。このような場合、むしろオペレータ自身が加工条件を決定した方がびびり振動の効果的な抑制に繋がる。

そこで本発明は、強制びびり振動と再生型びびり振動とを区別してびびり振動の発生状況をオペレータに通知することにより、効果的にびびり振動を抑制できる加工条件を選択することができる工作機械のモニタ方法及びモニタ装置、そして工作機械を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、モニタ方法であって、主軸の回転速度を検出する回転検出ステップと、びびり振動の発生を検出する振動検出ステップと、振動検出ステップによって検出されたびびり振動の種類を判定する振動判定ステップと、振動判定ステップによって判定されたびびり振動に係る振動情報と回転検出ステップによって検出された回転速度とに基づいて、びびり振動の種類を視覚的に区別して振動情報を表すグラフを作成して表示手段に表示する作図表示ステップと、を実行することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、作図表示ステップでは、びびり振動の種類をマーカーの形態の違いで区別してグラフを作成することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、作図表示ステップでは、グラフを回転速度と時間との関係で作成し、びびり振動の大きさをマーカーの大きさで表示することを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、モニタ装置であって、主軸の回転速度を検出する回転検出手段と、びびり振動の発生を検出する振動検出手段と、振動検出手段によって検出されたびびり振動の種類を判定する振動判定手段と、振動判定手段によって判定されたびびり振動に係る振動情報と回転検出手段によって検出された回転速度とに基づいて、びびり振動の種類を視覚的に区別した振動情報を表すグラフを作成して表示部に表示する作図表示手段と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、作図表示手段は、びびり振動の種類をマーカーの形態の違いで区別してグラフを作成することを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、作図表示手段は、グラフを回転速度と時間との関係で作成し、びびり振動の大きさをマーカーの大きさで表示することを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、主軸に装着した工具又はワークを回転させて加工を行う工作機械であって、請求項４乃至６の何れかに記載のモニタ装置を備えることを特徴とするものである。

請求項１及び４，７に記載の発明によれば、びびり振動に基づいて発生したびびりの種類を特定し、回転速度毎に表示するので、びびり振動を効果的に抑制可能な加工条件をオペレータが迅速に選択することができる。従って、加工面の仕上げ精度の向上、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止が期待できる。
請求項２及び５に記載の発明によれば、上記効果に加えて、マーカーの形態によってびびり振動の種類が一目で簡単に区別できる。
請求項３及び６に記載の発明によれば、上記効果に加えて、びびり振動の大きさもマーカーによって容易に認識可能となる。

立形マシニングセンタの概略構成図である。 主軸ハウジングの側面図である。 主軸ハウジングの正面図（軸方向から見た図）である。 モニタの表示画面を示す説明図である。 グラフの変更例を示す説明図である。 モニタ方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例である立形マシニングセンタの概略構成図で、立形マシニングセンタ１は、上方に設けた主軸頭２にＣ軸回りで回転自在な主軸３を設け、その主軸３に取り付けた工具４によって、下方の加工テーブル５上にセットされたワーク６を加工する周知の構成で、後述するモニタ装置１０に設けられた数値制御装置１２が、ＮＣプログラムに従って主軸３の回転を制御すると共に、図示しない自動工具交換装置によって工具４を自動交換可能となっている。

モニタ装置１０には、ＦＦＴ演算装置１１と数値制御装置１２とが設けられている。ＦＦＴ演算装置１１には、主軸頭２に設けられて振動を計測する振動検出手段としての振動センサ７ａ〜７ｃが接続されている。この振動センサ７ａ〜７ｃは、主軸３の回転に伴って生じる時間領域の加速度（時間軸上の振動）を検出するもので、図２，３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情報を検出可能な状態で主軸頭２に取り付けられている。ＦＦＴ演算装置１１は、振動センサ７ａ〜７ｃにより検出された振動を基にフーリエ解析を行って周波数領域の最大加速度を算出するものである。

また、数値制御装置１２には、オペレータが予め入力した閾値を基にびびり振動が発生しているか否かを判断する振動判定部１３と、主軸頭２に設けた回転検出器８からの出力で主軸３の回転速度を検出する回転検出部１４と、最大加速度や回転速度に係る情報を記憶する記憶部１５と、記憶部１５に記憶された情報を元にモニタ１７への表示画面を作成する作図表示部１６とが備えられている。振動判定部１３が振動検出手段及び振動判定手段、回転検出器８及び回転検出部１４が回転検出手段、作図表示部１６が作図表示手段、モニタ１７が表示部及び表示手段となる。
振動判定部１３では、ＦＦＴ演算装置１１で算出された最大加速度と予め設定した閾値とを比較し、最大加速度が閾値よりも大きい場合、びびり振動が生じているとして、びびり振動数、オペレータに予め入力された工具刃数、主軸３の回転速度から以下の式（１）〜（３）により、ｋ値及び位相情報を算出する。

ｋ´値＝びびり振動数／（工具刃数×回転速度） ・・・（１）
ｋ値＝ｋ´値の整数部 ・・・（２）
位相情報＝ｋ´値−ｋ値 ・・・（３）
式（１）における「回転速度」は主軸３の現在の回転速度である。また、式（１）における「ｋ´値」とは、無次元数であり、びびり振動数と回転速度の単位次元が異なる場合は、同次元に揃える必要がある。

また、振動判定部１３では、算出した位相情報を元にびびり振動の種類を判定する。これは、位相情報を記憶部１５に予め設定されているびびり振動判別範囲（例：０．９５〜１．００）と比較することにより行われ、位相情報が当該範囲内にある場合は強制びびり振動と判定し、当該範囲外にある場合は再生型びびり振動と判定する。

さらに、振動判定部１３は、判定したびびり振動とその周波数とを記憶部１５に送ると共に、回転検出部１４で検出した主軸３の回転速度を記憶部１５へ送るように指示する。記憶部１５に送られたびびり振動及び周波数、回転速度といった振動情報は、オペレータが入力した工具の刃数、工具番号と関連付けて記録される。
そして、作図表示部１６は、記憶部１５に記録された振動情報を用いてびびり振動の情報を表示するグラフを作成して、数値制御装置１２に標準的に装備されている、ＮＣプログラムや機械の現在位置等を表示するためのモニタ１７にグラフを表示するようになっている。

図４にモニタ１７の表示画面を示す。ここでは、各主軸回転速度で計算されたびびり振動の情報が表示されるグラフ１８が表示されると共に、併せて現在の主軸回転速度、びびり振動数、工具番号、工具刃数がそれぞれ表示されている。各軸のスケールを調整することも可能となっている。
このグラフ１８は、横軸が主軸回転速度、縦軸が加速度となって、発生したびびり振動の加速度を主軸回転速度に応じてマーカー１９，１９・・で表示すると共に、現在の回転速度を横軸に直交する点線Ｌで示している。

また、ここでは、発生したびびり振動の種類によりマーカー１９の形態が区別されて表示されている。すなわち、再生型びびりを三角形、強制びびりを四角形としたもので、各マーカー１９にはびびり振動の種類に応じた色分けもなされている。
さらに、ここでは特許文献２に開示のように、ｋ値に新しい位相情報を加味したｋ１値を算出して、びびり振動数を工具刃数とｋ１値との積で除して最適回転速度を算出し、当該回転速度も円形のマーカー２０により表示している。この現状のびびり振動から判断された最適な主軸回転速度のマーカー２０の加速度は、計算時には閾値と同じ値として表示され、主軸回転速度が変更されたら、実際に発生した加速度に上書きされる。

一方、表示画面の左下には、グラフ選択ボタン２１が表示されている。このグラフ選択ボタン２１は、表示されるグラフの種類を、図４に示した「主軸回転速度−加速度」のグラフと、「時間−主軸回転速度」のグラフとの何れかに切り替えるもので、「時間−主軸回転速度」を選択すると、モニタ１７の表示画面にはグラフ１８に代えて図５に示すグラフ２２が表示される。このグラフ２２は横軸に時間、縦軸に主軸回転速度をとっており、図４のグラフ１８と同様にマーカー１９の形態によってびびり振動の種類を区別しているが、ここでは加速度の大きさをマーカー１９，１９・・の大きさにより表している（マーカーが大きいほど加速度も大きい）。なお、マーカーの大きさの基準は、振動の大きさを示す速度、変位であってもよい。このグラフ２２の形態では、短期的には、複雑な形状のワークを加工しているときの一時的にコーナーなどでびびりが生じる場合などにおいて、どの部分がびびっているかの調査や、長期的には、工具の状態の監視等に用いることができる。

これらのグラフ１８，２２によれば、マーカー１９の形状、色等によって主軸回転速度毎にびびり振動の種類と大きさとが一目でわかるので、オペレータは一番加速度が低い主軸回転速度を容易に探索することができる。

以上の如く構成された立形マシニングセンタ１のモニタ装置１０において、びびり振動の発生状況を監視するモニタ方法を、図６のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１で加工が開始されると、Ｓ２で、ＦＦＴ演算装置１１が回転中に常時検出される振動センサ７ａ〜７ｃにおける時間領域の振動加速度のフーリエ変換を行い、最大加速度とその周波数（びびり周波数）とを算出して振動情報を取得すると共に、回転検出器８から回転検出部１４が主軸３の回転速度を検出する（回転検出ステップ）。

そして、Ｓ３の判別で、振動判定部１３は、算出された最大加速度と予め設定した閾値とを比較する（振動検出ステップ）。この判別で最大加速度が閾値以下の場合は、Ｓ２に戻って振動情報の取得を続けるが、最大加速度が閾値よりも大きい場合、びびり振動が生じているとして、Ｓ４では、前述したように位相情報を算出してびびり振動の種類を判定し（振動判定ステップ）、Ｓ５で、判定したびびり振動に係る情報と回転速度、工具の刃数、工具番号及び日時を含めて記憶部１５に記録する。
そして、Ｓ６でオペレータからグラフの表示指令が入力されると、作図表示部１６は、Ｓ７で先述したグラフを含む表示画面を作成してモニタ１７に表示する（作図表示ステップ）。Ｓ８の判別で加工が終了していない場合は、Ｓ２以降の処理を継続する。

このように、上記形態の立形マシニングセンタ１のモニタ装置１０によれば、回転検出器８及び回転検出部１４と、びびり振動の発生を検出して検出されたびびり振動の種類を判定する振動判定部１３と、判定されたびびり振動に係る振動情報と検出された回転速度とに基づいて、びびり振動の種類を視覚的に区別した振動情報を表すグラフを作成してモニタ１７に表示する作図表示部１６と、を備えて上記モニタ方法を実行することで、びびり振動に基づいて発生したびびりの種類を特定し、回転速度毎に表示するので、びびり振動を効果的に抑制可能な加工条件をオペレータが迅速に選択することができる。従って、加工面の仕上げ精度の向上、工具摩耗の抑制、工具欠損の防止が期待できる。

特にここでは、作図表示部１６は、びびり振動の種類をマーカー１９の形態の違いで区別してグラフ１８，２２を作成しているので、びびり振動の種類が一目で簡単に区別できる。
また、作図表示部１６は、グラフ２２を回転速度と時間との関係で作成し、びびり振動の大きさをマーカー１９の大きさで表示しているので、びびり振動の大きさもマーカー１９によって容易に認識可能となる。

なお、グラフにおけるびびり振動のマーカーの形態は、上記例に限らず、形状や色等は適宜変更可能である。勿論マーカー以外にも、棒グラフや折れ線グラフ等で色や模様、線種等をびびり振動の種類ごとに変えることで視覚的に区別できるようにしてもよい。
また、上記形態では、オペレータからの指令によってモニタにグラフが作成表示されるようになっているが、加工中は常にグラフを作成してリアルタイムでびびり振動の発生状況を監視できるようにしても差し支えない。

さらに、工作機械において、びびり振動の発生に伴って最適回転速度の演算を行って自動的に最適回転速度に変更する振動抑制機能が具備されたものであっても、オペレータが任意に回転速度を変更可能であれば、本発明の適用は妨げない。この場合でも、振動抑制機能により再生型びびり振動を避けた回転速度に変更しても加速度が大きい場合には、どの種類のびびりが発生しているかを確認でき、再生型びびり振動の場合は再び回転速度を変更する、強制びびり振動の場合は切込量を下げるなど、次の対処を取ることができるからである。

一方、工作機械からの振動の検出には、振動センサの他、マイク、位置・回転検出器、主軸・送り軸モータの電流を用いることもできる。
そして、上記形態では、工作機械の数値制御装置を利用してモニタ装置を構成しているが、振動情報を数値制御装置に接続されたネットワークを介して、工作機械外部に設けられて入力手段やモニタを備えたコンピュータに送信し、外部コンピュータでグラフを作成してモニタに表示させるようにしてもよい。このようにすれば複数の工作機械を一箇所で集中管理することもできる。
その他、工作機械としては立形マシニングセンタに限らず、主軸に装着したワークを回転させて加工を行うＮＣ旋盤等の他の工作機械であっても本発明は適用可能である。

１・・立形マシニングセンタ、２・・主軸頭、３・・主軸、４・・工具、７ａ〜７ｂ・・振動センサ、１０・・モニタ装置、１１・・ＦＦＴ演算装置、１２・・数値制御装置、１３・・振動判定部、１４・・回転検出部、１５・・記憶部、１６・・作図表示部、１７・・モニタ、１８，２２・・グラフ、１９，２０・・マーカー。

Claims (7)

1. 主軸に装着した工具又はワークを回転させて加工を行う工作機械において、びびり振動の発生状況を監視するモニタ方法であって、
   前記主軸の回転速度を検出する回転検出ステップと、
   びびり振動の発生を検出する振動検出ステップと、
   振動検出ステップによって検出されたびびり振動の種類を判定する振動判定ステップと、
   振動判定ステップによって判定されたびびり振動に係る振動情報と回転検出ステップによって検出された前記回転速度とに基づいて、びびり振動の種類を視覚的に区別して前記振動情報を表すグラフを作成して表示手段に表示する作図表示ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械のモニタ方法。
2. 前記作図表示ステップでは、びびり振動の種類をマーカーの形態の違いで区別して前記グラフを作成することを特徴とする請求項１に記載の工作機械のモニタ方法。
3. 前記作図表示ステップでは、前記グラフを前記回転速度と時間との関係で作成し、びびり振動の大きさを前記マーカーの大きさで表示することを特徴とする請求項２に記載の工作機械のモニタ方法。
4. 主軸に装着した工具又はワークを回転させて加工を行う工作機械において、表示部を備えてびびり振動の発生状況を監視するモニタ装置であって、
   前記主軸の回転速度を検出する回転検出手段と、
   びびり振動の発生を検出する振動検出手段と、
   前記振動検出手段によって検出されたびびり振動の種類を判定する振動判定手段と、
   前記振動判定手段によって判定されたびびり振動に係る振動情報と回転検出手段によって検出された前記回転速度とに基づいて、びびり振動の種類を視覚的に区別した前記振動情報を表すグラフを作成して前記表示部に表示する作図表示手段と、
   を備えたことを特徴とする工作機械のモニタ装置。
5. 前記作図表示手段は、びびり振動の種類をマーカーの形態の違いで区別して前記グラフを作成することを特徴とする請求項４に記載の工作機械のモニタ装置。
6. 前記作図表示手段は、前記グラフを前記回転速度と時間との関係で作成し、びびり振動の大きさを前記マーカーの大きさで表示することを特徴とする請求項５に記載の工作機械のモニタ装置。
7. 主軸に装着した工具又はワークを回転させて加工を行う工作機械であって、
   請求項４乃至６の何れかに記載のモニタ装置を備えることを特徴とする工作機械。

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