JP5536611B2 - 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、振動に係る加工状態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、主軸の回転速度や送り速度などの加工条件によってびびり振動が発生し、加工面が悪化したり、工具がダメージを受けて工具寿命の悪化にも繋がったりすることが知られている。
しかし、初めて加工する際の回転速度等の加工条件は、経験に基づいて試行錯誤で探す外はなかった。オペレータはこの試行錯誤の課程における加工条件を記録し、あらためて条件を整理することで最適な加工条件を決定していた。よって、びびり振動に対しても発生した回転速度を変更する試行錯誤を行うことでびびり振動の解消や軽減を図っていた。
そこで、工作機械のびびり振動に係る加工状態を監視して、びびり振動を解消できる加工条件を示唆させるモニタ装置の発明が知られている。例えば特許文献１には、ワークの固有振動の加工前と加工後の領域と工具の刃の通過によって生じる振動成分をキャンベル線図（縦軸に周波数、横軸に回転速度、斜軸に回転次数を表したもの）上に描き、このキャンベル線図を用いて、ワークの固有振動の加工前と加工後との領域内に工具の振動成分が無い回転速度を容易に確認可能とする発明が開示されている。
一方、非特許文献１では、加工中に計測されるびびり振動の周波数と安定限界切り込み量から伝達関数を逆同定し、安定限界線図を求める手法が開示されている。インパルス応答法により機械構造の伝達関数を測定して安定限界線図を求める手法もあるが、実際の加工において機械構造は刻々と伝達特性が変化するため、結果が一致しないという課題があった。この手法を用いることで、回転中に伝達特性の変化する機械構造においても高精度に安定限界線図を求めることができ、この安定限界線図に基づいてびびり振動を回避できる回転速度が選択可能となっている。

特開２００９−２７４１７９号公報

２００８年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集「エンドミル加工における実験結果を利用した伝達関数の逆同定」

しかし、特許文献１の発明は、工具の回転周波数×刃数×正の整数で入力される周波数に起因する強制びびりを回避するものであって、再生びびりには対処できないという課題がある。
また、キャンベル線図は通常、振動の振幅の大きさを円の大きさで表し、任意の回転速度におけるびびり周波数と振動の大きさを表すものであるが、特許文献１ではそのような実際の振動情報を利用していない。例えば、工具が摩耗している場合においては、ワークに工具からインパルス的な力が作用し、全ての回転速度においてワークの固有振動数でびびりが生じてしまう場合もある。このため、加工の実測値もキャンベル線図上に表示し、びびりの状態を判断する必要があり、回転速度の確認を行う場合には回転速度と振動の大きさ等との相関関係が理解しにくくなる。
一方、非特許文献１の手法は、再生びびりに対して有効であるが、完全に等モードのエンドミル工具のびびりであることを仮定しており、必ずしもあらゆる加工条件の再生びびりの安定限界を精度良く計算できるわけではない。しかし、実際にどういった加工条件において安定限界線図が一致しにくいのか、びびりの知識に乏しいオペレータにとっては安定限界線図を見ただけでは判断することができない。

そこで、本発明は、振動に係る加工状態を迅速且つ容易に把握でき、最適な加工条件を効率よく導き出す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、工作機械のモニタ方法であって、加工に伴う振動を検出する振動検出ステップと、主軸の回転速度を検出する回転検出ステップと、振動検出ステップによって検出された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、回転速度と加工の安定限界との関係を表す安定限界線図を作成して表示手段に表示する作図表示ステップと、現在の回転速度を安定限界線図上において回転速度の軸に直交する直線で表示する現在速度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、安定限界線図に加えて回転速度と振動との関係を表す振動分布図も作成すると共に、安定限界線図と振動分布図とを回転速度の軸を同じ範囲及び長さとして作成し、現在速度表示ステップでは、直線を安定限界線図と振動分布図とに跨って表示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１又は２の構成において、作成した図を使用した工具の情報と共に記録する記録ステップをさらに実行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、工作機械のモニタ装置であって、加工に伴う振動を検出する振動検出手段と、主軸の回転速度を検出する回転検出手段と、振動検出手段によって検出された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、回転速度と加工の安定限界との関係を表す安定限界線図を作成して表示部に表示する作図表示手段と、現在の回転速度を安定限界線図上において回転速度の軸に直交する直線で表示する現在速度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、安定限界線図に加えて回転速度と振動との関係を表す振動分布図も作成すると共に、安定限界線図と振動分布図とを回転速度の軸を同じ範囲及び長さとして作成し、現在速度表示手段は、直線を安定限界線図と振動分布図とに跨って表示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４又は５の構成において、作成した図を使用した工具の情報と共に記録する記録手段を備えた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、現在の加工状態を簡単且つ確実に視認でき、最適な回転速度への示唆も容易となる。
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、実加工から求めた安定限界線図と速度毎の振動分布図とを現在の回転速度と同時に表示することで、振動に係る現在の加工状態を迅速且つ容易に把握でき、最適な加工条件を効率よく導き出すことができる。
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、作成した図と共に使用した工具の情報も記録するため、次回、同一の工具を用いて異なるワークの加工を行う際に、工具の情報で検索し参照することができる。

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。 モニタ方法のフローチャートである。 振動情報の例を示す説明図である。 モニタでの安定限界線図と振動分布図との表示状態を示す説明図である。

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振動（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うものである。

また、数値制御装置１２には、オペレータが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とが備えられている。回転検出器８及び回転検出部１４が回転検出手段となる。
振動判定部１３では、ＦＦＴ演算装置１１で周波数領域に変換された振動と閾値とを比較し、振動が閾値を上回った場合、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に送られた振動及び周波数、回転速度の振動情報は、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。

１６は、作図表示手段としての安定限界及び振動分布計算部で、ここでは記憶部１５に記録された振動情報を用いて安定限界を計算し、各速度における振動分布を整理する。そして、安定限界線図と振動分布図を作成して、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表示部としてのモニタ１７に両図を表示すると共に、得られた安定限界線図と振動分布図とを記憶手段としての工具情報記憶部１８に工具番号毎に記録するものである。

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、振動に係る加工状態を監視するモニタ方法を、図４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、数値制御装置１２が振動センサ７ａ〜７ｃからＦＦＴ演算装置１１を介して現在の振動情報を取得すると共に（振動検出ステップ）、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で、振動判定部１３がオペレータが予め設定した閾値と時間領域の振動とを比較する。この判別で、検出した振動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、検出した振動が閾値よりも大きい場合、Ｓ４で当該振動情報と回転速度、刃数、工具番号及び日時を含めて記憶部１５に記録する。Ｓ５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。
この結果、図５に示すようなデータ１、データ２・・・が得られる。各データ１、２・・・は、日付、時間、工具番号、回転速度、振動周波数、振動で構成される。

続いて、オペレータから安定限界線図及び振動分布図の表示指令が入力されると、安定限界及び振動分布計算部１６は、図５のように記録されたデータ１、データ２・・・を用いて安定限界を計算し、図６に示すように安定限界線図Ｆ１を上に、振動分布図Ｆ２を下にし、横軸となる主軸回転速度の範囲及び長さを一致させて両図を作成してモニタ１７に表示する（作図表示ステップ）。さらにここでは、現在速度表示手段ともなる安定限界及び振動分布計算部１６は、現在の主軸回転速度を回転速度の軸に直交して安定限界線図Ｆ１と振動分布図Ｆ２とに跨る直線Ｌで表示する（現在速度表示ステップ）。この現在回転速度の直線Ｌは、主軸３の速度の変化に伴って左右に移動する。モニタ１７の左上には、加工に使用した工具番号が表示される。この安定限界線図Ｆ１及び振動分布図Ｆ２は、オペレータの入力指令により、工具情報記憶部１８に記録することができる。

従って、オペレータは、安定限界線図の信頼度合いを容易に確認することができる。すなわち、安定限界線図が信頼できると判断した場合には安定限界線図を利用し、信頼性が低いと判断した場合は振動分布図を利用してそれぞれの場合で最適な回転速度を選ぶことができ、効率よく最適な加工条件を見つけることができる。よって、安定限界線図が利用できない強制びびりの場合でも、振動分布図を利用して振動の小さい回転速度を加工条件として設定することができる。
特に、現在の回転速度が安定限界線図と振動分布図とに同時表示されているので、安定域の回転速度の数値を読み取らなくても、例えばプログラムは変更せずに主軸速度のオーバーライドを変更させながら、図で示されている安定領域と現在速度の直線を一致させることで回転速度を安定域へ容易に変更することが可能となる。よって、素早く手軽に最適回転速度へ変更することができる。

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、加工に伴う振動を検出する振動センサ７ａ〜７ｃと、主軸３の回転を検出する回転検出器８及び回転検出部１４と、振動センサ７ａ〜７ｃによって検出された振動情報と回転検出器８及び回転検出部１４によって検出された主軸３の回転速度とに基づいて、回転速度と加工の安定限界との関係を表す安定限界線図を作成してモニタ１７に表示する作図表示手段（安定限界及び振動分布計算部１６）と、現在の回転速度を安定限界線図上において回転速度の軸と直交する直線Ｌで表示する現在速度表示手段（安定限界及び振動分布計算部１６）とを備えて各ステップによるモニタ方法を実行することで、現在の加工状態を簡単且つ確実に視認でき、最適な回転速度への示唆も容易となる。

特にここでは、安定限界及び振動分布計算部１６は、安定限界線図に加えて回転速度と振動との関係を表す振動分布図も作成すると共に、安定限界線図と振動分布図とを回転速度の軸を同じ範囲及び長さとして作成し、直線Ｌを安定限界線図と振動分布図とに跨って表示するようにしているので、振動に係る現在の加工状態を迅速且つ容易に把握でき、最適な加工条件を効率よく導き出すことができる。
また、作成した図を使用した工具の情報と共に記録する記録手段（工具情報記憶部１８）を備えたことで、次回、同一の工具を用いて異なるワークの加工を行う際に、工具の情報で検索し参照することができる。

なお、上記形態では、モニタに表示させる現在の回転速度を回転速度軸に直交して安定限界線図と振動分布図との両者に跨る直線で表示しているが、各図ごとに分かれた直線で表示してもよいし、直線に数値表示を加えたりしてもよい。また、両図の上下を逆にしたり、回転速度軸を縦軸に、限界切込量と振動とを横軸にして両図を左右に並べたり等、具体的なレイアウトは適宜変更して差し支えない。
また、安定限界線図及び振動分布図の表示に基づいてオペレータが回転速度を選択して変更する例で説明しているが、主軸の回転速度が自動変更可能な数値制御装置を搭載した工作機械で実施し、安定限界の計算値に基づいて自動的に安定な回転速度に変更するようにしてもよい。

さらに、上記形態では、記録された振動情報を用いて安定限界を計算して任意のタイミングで安定限界線図及び振動分布図を表示させるようにしているが、振動情報を採取するたびに計算を行ってモニタに安定限界線図及び振動分布図を常時リアルタイムで表示させてもよい。
加えて、作図表示手段と現在速度表示手段とを兼ねる安定限界及び振動分布計算部を設けているが、作図表示手段と現在速度表示手段とをそれぞれ別々に設けるようにしてもよい。
そして、上記形態では、安定限界線図と振動分布図との両図を作成してモニタに並べて表示させているが、回転速度軸に直交する直線と共に安定限界線図のみを作成して表示させることも可能である。この場合でも現在の加工状態を簡単且つ確実に視認でき、最適な回転速度への示唆も容易となる。

一方、振動検出手段としては、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て振動を検出することもできる。
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安定限界線図及び振動分布図を作成して現在の回転速度と併せて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・・安定限界及び振動分布計算部、１７・・モニタ、１８・・工具情報記憶部。

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、振動に係る加工状態を監視するモニタ方法であって、
   加工に伴う振動を検出する振動検出ステップと、
   前記主軸の回転速度を検出する回転検出ステップと、
   前記振動検出ステップによって検出された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、前記回転速度と加工の安定限界との関係を表す安定限界線図を作成して表示手段に表示する作図表示ステップと、
   現在の前記回転速度を前記安定限界線図上において回転速度の軸に直交する直線で表示する現在速度表示ステップと
   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、前記安定限界線図に加えて前記回転速度と振動との関係を表す振動分布図も作成すると共に、前記安定限界線図と振動分布図とを前記回転速度の軸を同じ範囲及び長さとして作成し、前記現在速度表示ステップでは、前記直線を前記安定限界線図と振動分布図とに跨って表示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. 作成した図を使用した工具の情報と共に記録する記録ステップをさらに実行することを特徴とする請求項１又は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、表示部を備えて振動に係る加工状態を監視するモニタ装置であって、
   加工に伴う振動を検出する振動検出手段と、
   前記主軸の回転速度を検出する回転検出手段と、
   前記振動検出手段によって検出された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、前記回転速度と加工の安定限界との関係を表す安定限界線図を作成して前記表示部に表示する作図表示手段と、
   現在の前記回転速度を前記安定限界線図上において回転速度の軸に直交する直線で表示する現在速度表示手段と
   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、前記安定限界線図に加えて前記回転速度と振動との関係を表す振動分布図も作成すると共に、前記安定限界線図と振動分布図とを前記回転速度の軸を同じ範囲及び長さとして作成し、前記現在速度表示手段は、前記直線を前記安定限界線図と振動分布図とに跨って表示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. 作成した図を使用した工具の情報と共に記録する記録手段を備えたことを特徴とする請求項４又は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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