JP5742312B2 - びびり振動検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械を用いて工作物を加工するときに発生するびびりの検出に関するものである。

有害なびびり振動を抑制するためにはびびり振動が発生したことと、その周波数を知ることが重要である。びびり振動検出方法として、周波数に基づきびびり振動の有無を判定する従来技術１（例えば、特許文献１参照）がある。
また、振動の大きさと一定時間内における振動の変化の度合いに基づきびびり振動の有無を判定する従来技術２（例えば、特許文献２参照）がある。

特開２０００−２１０８４０号公報 特開２０００−２３３３６８号公報

従来技術１ではあらかじめ記憶された基準振動とびびり振動の周波数を比較することでびびり振動を検知しているが、各種の工具と工作物の組合せにより発生するびびり振動の周波数は変化するので、予測できない周波数のびびり振動の検出ができない恐れがある。
従来技術２では振動の大きさと一定時間内における振動の変化の度合いに基づきびびり振動を検出しているが、びびり振動が発生していない場合にも、加工条件や、工具の切味の変化により振動の大きさは変化するのでびびり振動の検出ができない恐れがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、びびり振動の検出を確実にできるびびり振動検出方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、工具を用いて工作物を加工するときに発生するびびり振動の発生を検知する方法であって、
第１の位相ばらつき検出工程で演算された第１位相ばらつき値と、第２の位相ばらつき検出工程で演算された第２位相ばらつき値の差が、所定値以上のとき前記第２の位相ばらつき検出工程中にびびり振動が発生したと判定し、
前記第１の位相ばらつき検出工程と前記第２の位相ばらつき検出工程が、
振動を測定し時間領域の振動のフーリエ解析を行い周波数領域の周波数における位相を算出する第1工程と、
前記第１工程から所定時間後に振動を測定し、時間領域の振動のフーリエ解析を行い、周波数領域の周波数における位相を算出する第２工程と、
前記第１工程における所定周波数の振動の位相と、前記第２工程における前記所定周波数の振動の位相との位相差を演算する第３工程と、
前記第２工程、前記第３工程を所定の回数繰り返し演算された複数の前記位相差のばらつきを演算する第４工程と、からなり、
前記第１の位相ばらつき検出工程を前記工作物または前記工具が駆動中でかつ加工をしていないときに実施し、前記第２の位相ばらつき検出工程を加工中に実施することである。

請求項1に係る発明によれば、複数の振動の位相差によりびびり振動か否かを判定して検出するので、振動の大きさで判定する従来手法より信頼性が高い。

位相差を第１工程と第２工程の測定時刻差を用いて正確な位相差を短時間に演算できるので、短時間に正確なびびり振動検出ができる。

工作物または工具が駆動中で加工をしていない時の振動レベルを基準として加工中の振動レベルを判定するので、加工に関係して発生するびびり振動の検出がより正確に判定できる。

工作機械とびびり検出装置を示す全体図である。 継続的な振動と、散発的な振動の概念を示す図である。 位相差演算の概念を示す図である。 位相差のばらつきの概念を示す図である。 びびり振動検出方法の全工程を示すフローチャートである。 位相ばらつき検出工程を示すフローチャートである。

本発明は加工中に発生した継続的な振動をびびり振動として検出するものであり、実施形態を図１〜図６に基づき説明する。
図１に示すように、工作機械１は工具２を回転保持する主軸３と工作物４を相対運動させて所望の加工を行う。主軸２の回転、送りなどの運動制御はＮＣ装置６により制御される。主軸３には振動を検出する振動センサ５を備え、振動センサ５の出力はびびり振動検出装置８に出力される。びびり振動検出装置８の内部には、フーリエ解析を行うＦＦＴ演算装置８１、位相差を演算する位相差演算装置８２、びびり振動の発生の有無を判定するびびり判定装置８３を備えている。

びびり振動の検出方法について説明する。
はじめに、回転工具を用いた加工を例にして、加工中に発生する振動の形態について図２に示す概念図に基づき説明する。
加工中には各種の周波数の振動が同時に発生しているが、同一周波数の振動でもその発生原因により継続して振動する場合と、断続的にランダムに発生する場合がある。図２（ａ）は振動Ｗ_１が継続する振動であり、図２（ｂ）は振動Ｗ_２、Ｗ_３、Ｗ_４が断続的に発生している振動である。継続する振動はその原因が継続しているので継続し、断続する振動はその原因が断続するので断続し、振動振幅もばらつく。継続する振動には、回転工具軸のアンバランスに基づく振動、転がり軸受を用いた主軸の場合は軸受の玉数に基づく振動、工具の刃数と工具回転速度で決まる切れ刃の作用周期に基づく振動、再生型びびり振動などがある。断続する振動としては、工作物の硬度変化、冷却液の供給変動、切屑排出の変動、外部からの外乱振動などがある。
びびり振動は、継続する振動のなかから工作機械１が運動中でかつ、加工をしていない時にも発生している振動を除いた振動である可能性が高い。

継続して振動する振動か否かの判定方法について図２、図３に基づき説明する。
図２において、継続する振動Ｗ_１の場合は、振動測定開始時の振動の位相が分かれば、時間ｔ_１後の位相は振動周期を用いて推定可能である。この推定した位相と、時間ｔ_１後に実測した位相は同じになる。しかし、断続する振動では振動Ｗ_２とＷ_４は互いに独立し関連はないため、振動Ｗ_２の位相から推定した時間ｔ_１後の位相は、時間ｔ_１後に実測した位相Ｗ_４の位相とは異なる可能性が高い。この特性を利用して継続する振動か否かの判定を行う。

図３に基づき具体的な判定方法を説明する。測定開始時の振動Ｗ_１の位相をΦ_０とし、時間ｔ_１後に測定した振動の位相をΦ_１とし、振動周期をＴ_１する。ここで、位相差を２π以内で表すとすると、継続する振動の場合は、ｔ_１後の位相はΦ_０＋ΩとなりΩは２πと（ｔ_１／Ｔ_１）の小数部分を乗じた値となる。ｔ_１後に測定された振動の位相Φ_１がΦ_０＋Ωと同じであればその振動は継続振動と見なし、所定の差Φｓを持つ場合は断続振動であると見なす。

1回の測定による判定では、偶然にΦ_０＋ΩとΦ_１の差が小さいことも起き得る、この場合に誤判定をする恐れがある。そのため、図４に示すように、複数の時刻ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３に振動Ｗ_２、Ｗ_３、Ｗ_４の測定を行い、それを初期の測定の位相から予測できる波形Ｗ_０ｈの位相と比較して各時刻の位相差Φｓを比較することで、偶然の一致による誤差を避け信頼性を高める。この場合の判定は、複数の位相差Φｓ_１〜Φｓ_３のばらつき度合いを演算し、ばらつきの値が基準値以下の場合に継続振動と見なし、基準値以上の場合は断続振動であると見なす。ばらつきの値については標準偏差σ等を用いる。
ここで、図４では、簡略化するため振動周期Ｔ_１の整数倍の時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３を設定した場合について表している。

実際の測定では各種の周波数が合成された振動として測定されるので、フーリエ解析により振動の周波数別に位相を演算することで、所望の範囲の周波数の振動について上記の振動の位相判定が可能となる。

さらに、びびり振動は加工に伴い起きるので、実加工は行わず加工時と同じように工作機械１を駆動し、そのときの各周波数における振動の位相ばらつきを記録しておき、実加工時の振動の位相ばらつきと比較することで、確実にびびり振動の判定が可能となる。非加工時のばらつきに対して加工時のばらつきが所定値以上に小さい振動があれば、その周波数のびびり振動が発生したと判定する。

以下、図５、図６のフローチャートに基づき、びびり振動を検出する工程を説明する。
図５は、周波数が１〜ｎまでのｎ個の振動について、非加工時と加工時の位相のばらつきを比較しびびり振動か否かの判定を行う、びびり振動検出方法の全工程を示すフローチャートである。
始めに加工時と同じ動作をし、工具が工作物に作用しない、空加工運転を開始する（Ｓ１）。位相ばらつき検出工程（後ほど図６に基づき詳細を説明する）を実施する（Ｓ２）。Ｓ２で演算された位相ばらつきの標準偏差を基準位相ばらつき（σｋ１〜σｋｎ）として記録する（Ｓ３）。加工運転を開始する（Ｓ４）。位相ばらつき検出工程を実施する（Ｓ５）。Ｓ５で演算された位相ばらつきを加工時位相ばらつき値（σ１〜σｎ）として記録する（Ｓ６）。カウンタＣ２の値を０とする（Ｓ７）。カウンタＣ２に１を加算する（Ｓ８）。周波数Ｃ２について、位相ばらつきの差が許容値ＴＫより大きいか否か（σｋＣ２−σＣ２≧ＴＫ？）を判定する。σｋＣ２−σＣ２≧ＴＫであればＳ１０へ移動、そうでなければＳ１１へ移動（Ｓ９）。周波数Ｃ２のびびり振動が発生していると出力する（Ｓ１０）。ｎ個の周波数の判定が終わったか判定する。Ｃ２＝ｎなら終了、そうでないならＳ８へ移動（Ｓ１１）。

図６は位相ばらつき検出工程のフローチャートで、第１工程の後、第２、第３工程をｍ回繰り返し測定したデータを用いて所望周波数範囲の振動の位相ばらつきの値である標準偏差σを演算する。
始めに振動測定センサにより振動を測定する（Ｓ１）。フーリエ解析により所望のｎ個の周波数と周波数毎の位相を演算する（Ｓ２）。ｎ個の周波数に対応する位相をΦ_１０〜Φ_ｎ０として記録する（Ｓ３）。カウンタＣの値を０とする（Ｓ４）。所定の待機時間ｔ_１だけ待機する（Ｓ５）。カウンタＣに１を加算する（Ｓ６）。振動測定センサにより振動を測定する（Ｓ７）。フーリエ解析によりｎ個の周波数と周波数毎の位相を演算する（Ｓ８）。ｎ個の周波数に対応する位相をＣ番目のデータとして記録する（Ｓ９）。ｎ個の周波数に対応する位相差Φ_１ＳＣ〜Φ_ｎＳＣを演算記録する。具体的には、第１工程で記録した位相Φ_０を持つ１波長の波形を時間軸方向へＣ・ｔ_１／Ｔ_１個分延伸した波形の位相と、第２工程で実測・演算した位相Φ_Ｃの差を各周波数毎にｎ個演算する。（Ｓ１０）。所定回数の測定が終了したか否か判定する、Ｃ＝ｍならば計測終了しＳ１２へ移動し、Ｃ＜ｍならばＳ５へ移動する（Ｓ１１）。ｎ個の周波数毎のｍ個の位相差データから位相差のばらつきの標準偏差σ_１〜σ_ｎを演算する（Ｓ１２）。

以上のように、本発明のびびり振動検出方法によれば所望周波数の振動について、空加工時に検出する位相ばらつきの標準偏差σｋ１〜σｋｎと、加工時に検出する位相ばらつきの標準偏差σ１〜σｎの差を演算し、所定の許容値ＴＫよりばらつき値の差が大きいときに、その周波数のびびり振動が発生したと判定する。このため、加工時にだけ継続して振動する振動をびびり振動と判定できる。さらに、従来の振動の大きさによる判定に比較し、複数の位相差を用いた判定なので振動が小さな段階のびびり振動の検出も可能で、びびり振動検出精度が向上する。

上記の実施形態では、図６における第１工程で測定した位相を２π・ｔ_１／Ｔ_１だけ時間軸方向へ延伸した位相と第２工程で測定した位相の位相差によりびびり振動の有無を判定したが、特定周波数のびびり振動を判定するときは、特定周波数の振動周期をＴ_Ｋとするとｔ_１＝ｎ・Ｔ_Ｋ（ｎは整数）として測定し、第１工程で測定した位相と第２工程で測定した位相の位相差によりびびり振動を判定してもよい。
振動の測定を工具を回転させる主軸に設置した振動センサにより測定したが、工作物側に振動センサを設置してもよい。また、振動センサに代えてマイクロホンなどの音センサを用いて振動に起因する音波を測定しても良い、この場合は測定場所の制約が少なくなり、容易にびびり振動検出方法を実施できる。
加工していないときの位相ばらつきと、加工中の位相ばらつきを比較してびびり振動の判定をしたが、加工中の位相のばらつきの変化度合いを監視し所定の変化が生じた時にびびり振動が発生したと判定してもよい。
判定周波数の最小値を１Ｈｚとし、１Ｈｚ間隔とした事例で説明したが、所望の周波数範囲と所望の間隔で判定すればよく、２０〜２０００Ｈｚ程度の範囲で、５Ｈｚ程度の間隔で判定してもよい。

１：工作機械 ２：工具 ３：主軸 ４：工作物 ５：振動センサ ６：ＮＣ装置 ８：びびり振動検出装置 ８１：ＦＦＴ演算装置 ８２：位相差演算装置 ８３：びびり判定装置

Claims (1)

1. 工具を用いて工作物を加工するときに発生するびびり振動の発生を検知する方法であって、
   第１の位相ばらつき検出工程で演算された第１位相ばらつき値と、第２の位相ばらつき検出工程で演算された第２位相ばらつき値の差が、所定値以上のとき前記第２の位相ばらつき検出工程中にびびり振動が発生したと判定し、
   前記第１の位相ばらつき検出工程と前記第２の位相ばらつき検出工程が、
   振動を測定し時間領域の振動のフーリエ解析を行い周波数領域の周波数における位相を算出する第1工程と、
   前記第１工程から所定時間後に振動を測定し、時間領域の振動のフーリエ解析を行い、周波数領域の周波数における位相を算出する第２工程と、
   前記第１工程における所定周波数の振動の位相と、前記第２工程における前記所定周波数の振動の位相との位相差を演算する第３工程と、
   前記第２工程、前記第３工程を所定の回数繰り返し演算された複数の前記位相差のばらつきを演算する第４工程と、からなり、
   前記第１の位相ばらつき検出工程を前記工作物または前記工具が駆動中でかつ加工をしていないときに実施し、前記第２の位相ばらつき検出工程を加工中に実施するびびり振動検出方法。

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