JP5807437B2 - Chatter vibration detector - Google Patents
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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振動を検出するびびり振動検出装置に関するものである。 The present invention relates to a chatter vibration detection apparatus that detects chatter vibration generated when a workpiece is machined using a machine tool.
びびり振動検出装置として、所定周波数帯域の振動の大きさが基準値を超え、かつ一定時間内における振動速度の変化の度合いが基準値を超えた場合に所定周波数帯域のびびり振動が発生していると判定している(例えば、特許文献1参照)。 As a chatter vibration detection device, chatter vibration in a predetermined frequency band occurs when the magnitude of vibration in a predetermined frequency band exceeds a reference value and the degree of change in vibration speed within a certain time exceeds the reference value. (For example, refer to Patent Document 1).
従来技術では所定周波数帯域の振動の大きさを基準値と比較することが判定条件となっているため、工具や工作物の組合せに応じてびびり振動の発生する可能性のある所定周波数帯域を設定し、さらに、夫々の周波数帯域に対して適正な基準値を設定する必要がある。同一工具でも工具の磨耗による切味の変化で振動状況は異なるので、全ての工具のいかなる状態においても適正な基準値を設定することは煩雑で困難である。このため適正な基準値を設定できない場合にびびり振動の発生を検出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、簡易なびびり振動の検出を確実にできるびびり振動検出装置を提供することを目的とする。
In the conventional technology, since the determination condition is to compare the magnitude of vibration in a predetermined frequency band with a reference value, a predetermined frequency band in which chatter vibration may occur is set according to the combination of tools and workpieces. Furthermore, it is necessary to set an appropriate reference value for each frequency band. Even in the same tool, the vibration situation varies depending on the change in sharpness due to wear of the tool, so it is complicated and difficult to set an appropriate reference value in any state of all tools. For this reason, the occurrence of chatter vibration may not be detected when an appropriate reference value cannot be set.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a chatter vibration detection apparatus capable of reliably detecting simple chatter vibration.
上記の課題を解決するための請求項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出するびびり振動検出装置であって、
工作機械の第1の振動と前記第1の振動の測定から所定時間後に第2の振動を測定する振動測定手段と、
前記振動の時間領域のフーリエ解析を行い所望の周波数領域の一定周波数帯域における振動の大きさであるパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算手段と、
前記第1の振動のパワースペクトルである第1パワースペクトルと、前記第2の振動のパワースペクトルである第2パワースペクトルを記録する記録手段と、
前記第1パワースペクトルの所定周波数帯域における振動の大きさに対する、前記第2パワースペクトルの前記所定周波数帯域における振動の大きさの増加度合いを演算する増加度合演算手段と、
第1の所定値以上の前記増加度合いを備えた前記所定周波数帯域である増加周波数帯域が存在する場合に、前記増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定するびびり振動判定手段と、
前記びびり振動判定手段によりびびり振動が発生したと判定された場合に、びびり振動が発生したことと、びびり振動の周波数を出力する出力手段を備えることである。
A feature of the invention according to
Vibration measuring means for measuring the first vibration of the machine tool and the second vibration after a predetermined time from the measurement of the first vibration;
Power spectrum calculation means for performing a Fourier analysis of the time domain of the vibration and calculating a power spectrum that is a magnitude of vibration in a constant frequency band of a desired frequency domain;
Recording means for recording a first power spectrum that is a power spectrum of the first vibration and a second power spectrum that is a power spectrum of the second vibration;
An increase degree calculating means for calculating an increase degree of the magnitude of vibration in the predetermined frequency band of the second power spectrum with respect to the magnitude of vibration in the predetermined frequency band of the first power spectrum;
Chatter vibration determination means for determining that chatter vibration of the frequency of the increased frequency band has occurred when there is an increased frequency band that is the predetermined frequency band having the degree of increase equal to or greater than a first predetermined value;
When the chatter vibration determination means determines that chatter vibration has occurred, the chatter vibration determination means includes an output means for outputting chatter vibration and a frequency of chatter vibration.
上記の課題を解決するための請求項2に係る発明の特徴は、前記第1の所定値が前記周波数領域の全ての周波数帯域における前記増加度合いの平均値に対して第2の所定値だけ大きい値であることである。
The feature of the invention according to
上記の課題を解決するための請求項3に係る発明の特徴は、前記増加周波数帯域が複数存在する場合には、前記びびり振動判定手段が、
前記増加周波数帯域の前記増加度合いの平均値に対して第3の所定値以上の前記増加度合いを備えた、前記増加周波数帯域である超増加周波数帯域が存在する場合に、前記超増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定することである。
The feature of the invention according to
When there is a super increase frequency band that is the increase frequency band having the increase degree equal to or greater than a third predetermined value with respect to the average value of the increase degree of the increase frequency band, the super increase frequency band It is to determine that chatter vibration of frequency has occurred.
上記の課題を解決するための請求項4に係る発明の特徴は、前記増加度合い、前記第1の所定値、前記第2の所定値および前記第3の所定値の少なくとも1つが倍率であることである。
A feature of the invention according to
請求項1に係る発明によれば、所望の周波数領域における全ての周波数帯域において、第1パワースペクトルと第2パワースペクトルの振動の大きさを比較することでびびり振動発生の有無を検出できる。このため、所望の周波数領域についてはびびり振動の発生の検出漏れを起こすことがないびびり振動検出装置を実現できる。
このびびり振動検出装置を工作機械に用いた場合には、このびびり振動検出装置のびびり振動有無とびびり振動の周波数の出力を利用して、びびり振動による加工不良の防止や、びびり振動の発生しない加工条件の選定などが可能となる。
According to the first aspect of the present invention, the presence or absence of chatter vibration can be detected by comparing the magnitudes of vibrations of the first power spectrum and the second power spectrum in all frequency bands in a desired frequency region. For this reason, it is possible to realize a chatter vibration detection apparatus that does not cause a detection failure of occurrence of chatter vibration in a desired frequency region.
When this chatter vibration detector is used in a machine tool, the presence of chatter vibration and the output of the chatter vibration frequency of this chatter vibration detector are used to prevent machining defects due to chatter vibration and to prevent chatter vibration. Processing conditions can be selected.
請求項2および請求項3に係る発明によれば、びびり振動以外の原因による振動の大きさの増加があっても、びびり振動を分離検出できる。このため、所望の周波数領域についてはびびり振動の発生の検出間違いを起こすことがないびびり振動検出装置を実現できる。
このびびり振動検出装置を工作機械に用いた場合には、より正確なびびり振動の検出が可能で、検出ミスによる不要な加工の中断が少ない工作機械を提供できる。
According to the second and third aspects of the invention, chatter vibration can be separated and detected even when the magnitude of vibration is increased due to causes other than chatter vibration. For this reason, it is possible to realize a chatter vibration detection apparatus that does not cause a detection error of occurrence of chatter vibration in a desired frequency region.
When this chatter vibration detection device is used in a machine tool, it is possible to provide a machine tool that can detect chatter vibration more accurately and can reduce unnecessary machining interruption due to a detection error.
請求項4に係る発明によれば、前記増加度合いを倍率で判定するので、振動の大きさが小さくても判定できる。このため、振動の大きさが小さいびびり振動発生初期にもびびり振動発生を検出可能な、びびり振動検出装置を実現できる。
このびびり振動検出装置を工作機械に用いた場合には、不良品を発生する前に加工を停止できる工作機械を提供できる。
According to the invention which concerns on
When this chatter vibration detection device is used in a machine tool, it is possible to provide a machine tool that can stop machining before a defective product is generated.
工作機械1に本発明のびびり振動検出装置8を接続した実施形態に基づき説明する。
図1に示すように、工作機械1はベッド5により可動に保持された、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3の回転、主軸3の送りなどの運動制御はNC装置6により制御される。びびり振動検出装置8は、主軸3に設置される振動センサ801を備えた振動測定手段80、振動測定手段80の検出データや演算結果などのデータを記録する記録手段81、フーリエ解析によりパワースペクトルの演算を行うパワースペクトル演算手段82、振動の大きさの増加度合いを演算する増加度合い演算手段83、びびり振動の発生の有無を判定するびびり振動判定手段84、びびり振動の発生とびびり振動の周波数を出力する出力手段85を備えている。
A description will be given based on an embodiment in which the chatter
As shown in FIG. 1, the
びびり振動は、特定の周波数においてその振動の大きさが時間経過とともに急激に大きくなる特性を備えている。本発明はこの特性を利用して、工作物の加工中に、びびり振動の大きさが検出可能になるまで大きくなる時間である所定の時間の差を設けて振動を測定し、周波数帯域毎の振動の大きさを比較して、時間の経過につれて振動の大きさが増加する周波数帯域が存在すれば、その周波数帯域の周波数を備えたびびり振動が発生したと判定してびびり振動を検出するものである。 Chatter vibration has a characteristic that the magnitude of the vibration suddenly increases with time at a specific frequency. The present invention makes use of this characteristic to measure a vibration by providing a predetermined time difference, which is a time until the magnitude of chatter vibration becomes detectable during machining of a workpiece, for each frequency band. Comparing the magnitude of vibration, if there is a frequency band where the magnitude of vibration increases as time passes, it is judged that chatter vibration has occurred with the frequency of that frequency band and detects chatter vibration It is.
図3〜図5のパワースペクトルは、測定された振動をフーリエ解析して、横軸に示す周波数帯域毎にその周波数帯域における振動の大きさを示したものである。振動の大きさとしては、振動の振幅、振動の速度、振動の加速度等のいずれを用いてもよい。 The power spectrum in FIGS. 3 to 5 shows the magnitude of vibration in the frequency band for each frequency band shown on the horizontal axis by Fourier analysis of the measured vibration. Any of vibration amplitude, vibration speed, vibration acceleration, and the like may be used as the magnitude of vibration.
以下、図2のフローチャートに基づき、図3〜図5のパワースペクトルを参照して、周波数領域が1〜nHzで周波数帯域が1Hzの場合の例でびびり振動を検出する工程を説明する。
始めに工具が工作物に接触した加工開始直後に、振動測定手段80に接続された振動センサ801を用いて主軸の振動を測定し、振動データW1を記録手段81へ記録する(S1)。振動データW1をフーリエ解析し、図3に示すように1〜nHzまでの周波数帯域毎の振動の大きさV11〜V1nを表す第1パワースペクトルとして記録手段81へ記録する(S2)。所定の時間t待機する。所定時間tは0.1秒〜1秒が好適である(S3)。振動測定手段80に接続された振動センサ801を用いて主軸の振動を測定し、振動データW2を記録手段81へ記録する(S4)。振動データW2をフーリエ解析し、図4に示すような1〜nHzまでの周波数帯域毎の振動の大きさV21〜V2nを表す第2パワースペクトルとして記録手段81へ記録する(S5)。カウンタC1の値を0にする(S6)。カウンタC1に1を加算する(S7)。周波数帯域C1における、第1パワースペクトルに対する第2パワースペクトルの振動の大きさの増加度合いを演算する。具体的には、増加の倍率sVc1を式sVc1=V2c1/V1c1を用いて、増加度合い演算手段83で演算し、記録手段81へ記録する(S8)。倍率sVc1が所定値K1以上か否か(sVC1≧K1?)を判定する。sVC1≧K1であればステップS10へ移動、そうでなければステップS11へ移動する(S9)。周波数C1の増加周波数が発生しているとして、周波数C1と倍率sVC1を記録手段81へ記録する(S10)。n個の周波数の判定が終わったか判定する。C1=nならステップS12へ、そうでないならステップS7へ移動する(S11)。
ここで所定値K1の値を1.3として、ステップS8からS11までを繰り返した結果、図2と図3における周波数aHzにおいてsVa=V2a/V1a=1.33となるため、周波数aHzは増加周波数となる。以下同様にしてsVb=1.35、sVc=1.32、sVd=2.17、sVe=1.38となり、aHz〜eHzまでの周波数の5つの増加周波数が発生しているとする。
Hereinafter, a process of detecting chatter vibration will be described with reference to the power spectrum of FIGS. 3 to 5 based on the flowchart of FIG. 2 in an example in which the frequency domain is 1 to n Hz and the frequency band is 1 Hz.
Immediately after the start machining tool contacts the workpiece at the beginning, by measuring the vibration of the spindle using a
Here, assuming that the value of the predetermined value K 1 is 1.3 and steps S8 to S11 are repeated, sV a = V 2a / V 1a = 1.33 at the frequency aHz in FIG. 2 and FIG. aHz is an increased frequency. Similarly, sV b = 1.35, sV c = 1.32, sV d = 2.17, and sV e = 1.38, and five increasing frequencies from aHz to eHz are generated. To do.
増加周波数の数Nが2以上か否か判定する。N>2ならステップS15へ移動、そうでなければステップS13へ移動する(S12)。増加周波数の数Nが1か否か判定する。N=1ならステップS14へ移動、そうでなければ終了する(S13)。びびり振動周波数C1を出力し終了する(S14)。N個の増加周波数の増加倍率の平均値sVHを演算する。具体的には、sVH=ΣsVc1/Nを用いて、増加度合い演算手段83で演算する。この例では5個の増加周波数の増加倍率の平均値sVHを演算するとsVH=1.51となる(S15)。カウンタC2の値を0とする(S16)。カウンタC2に1を加算する(S17)。増加倍率の平均値sVHに対する増加倍率sVc1の比率が所定値K2以上か判定する。sVc1/sVH≧K2ならばステップS19へ移動し、そうでないならステップS20へ移送する(S18)。びびり振動周波数C1を出力し終了する(S19)。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、そうでないならステップS17へ移動する(S20)。
ここで所定値K2の値を1.2として、ステップS17からステップS20までを繰り返した結果、sVa/sVH=1.33/1.51=0.88<1.2となり、以下同様にしてsVb/sVH<1.2、sVc/sVH<1.2、sVd/sVH>1.2、sVe/sVH<1.2となる。これより、周波数dHzのびびり振動が発生していると出力される。
It is determined whether the number N of increased frequencies is 2 or more. If N> 2, the process moves to step S15; otherwise, the process moves to step S13 (S12). It is determined whether or not the number N of increased frequencies is 1. If N = 1, the process moves to step S14, otherwise ends (S13). Outputs chatter vibration frequency C 1 ends (S14). An average value sVH of the increase magnifications of the N increase frequencies is calculated. Specifically, the increase degree calculation means 83 calculates using sVH = ΣsVc1 / N. In this example, when the average value sVH of the increasing magnifications of the five increasing frequencies is calculated, sVH = 1.51 is obtained (S15). The value of the counter C 2 to 0 (S16). 1 is added to the counter C 2 (S17). Ratio of increase in magnification sV c1 to the average value sVH the fold increase is determined whether a predetermined value K 2 or more. If sV c1 / sVH ≧ K 2 , the process moves to step S19, and if not, the process moves to step S20 (S18). Outputs chatter vibration frequency C 1 ends (S19). It is determined whether the determination of N frequencies has been completed. If C 2 = N, the process ends. If not, the process proceeds to step S17 (S20).
As 1.2 the value of the predetermined value K 2 where, as a result of repeated from step S17 to step S20, sV a /sVH=1.33/1.51=0.88<1.2 next, the same manner SV b /sVH<1.2, sV c /sVH<1.2, sV d /sVH>1.2, and sV e /sVH<1.2. Thus, it is output when chatter vibration of frequency dHz is generated.
図5に示すように第2パワースペクトルにおいてsVd=V2d/V1d=1.82のみが増加周波数となる場合は、ステップS13、ステップS14を経由して周波数dHzのびびり振動が発生していると出力される。 As shown in FIG. 5, in the second power spectrum, when only sV d = V 2d / V 1d = 1.82 has an increased frequency, chatter vibration having a frequency of dHz is generated via steps S13 and S14. Is output.
以上のように、本発明のびびり振動検出装置によれば所望周波数領域の全ての周波数帯域の振動について、1Hz間隔でびびり振動の発生を検出できる。増加倍率で増加度合いを判定するので、びびり振動発生直後のびびり振動が小さなときにも比率で比較することによりびびり振動を正確に検出できる。
さらに、加工能率が増加することにより複数の周波数の振動の大きさが増加するような場合にも、複数の周波数の増加倍率の平均値より所定値以上に大きな増加倍率を備えた周波数の振動をびびり振動として検出することで、びびり振動を正確に検出できる。
As described above, according to the chatter vibration detection apparatus of the present invention, occurrence of chatter vibration can be detected at 1 Hz intervals for vibrations in all frequency bands in a desired frequency region. Since the degree of increase is determined by the increase magnification, chatter vibration can be accurately detected by comparing the ratio even when chatter vibration immediately after the occurrence of chatter vibration is small.
Furthermore, even when the magnitude of vibration at a plurality of frequencies increases due to an increase in machining efficiency, vibrations at a frequency having an increase magnification greater than a predetermined value than the average value of the increase magnifications at a plurality of frequencies. By detecting as chatter vibration, chatter vibration can be accurately detected.
上記の実施形態では、増加度合いを第1パワースペクトルに対する第2パワースペクトルの振動の大きさの増加倍率により比較したが、第1パワースペクトルに対する第2パワースペクトルの振動の大きさの差で比較してもよい。
また、加工開始直後における振動測定とパワースペクトル演算を所定時間間隔をあけて1回のみの比較にびびり振動の有無を判定した例ついて説明したが、この測定とパワースペクトル演算を所定時間の間隔をあけて連続して繰り返し、その前後における振動の大きさの変化を比較することでびびり振動を長持間に渡り判定してもよい。
振動の測定を工具2を回転させる主軸3に設置した振動センサ801により測定したが、工作物側に振動センサ801を設置してもよい。また、振動センサ801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、容易にびびり振動を測定できる。
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。
In the above embodiment, the degree of increase is compared by the increase magnification of the vibration magnitude of the second power spectrum with respect to the first power spectrum, but the degree of increase is compared by the difference in the vibration magnitude of the second power spectrum with respect to the first power spectrum. May be.
In addition, an example in which the vibration measurement and power spectrum calculation immediately after the start of machining is compared with a single time interval with a predetermined time interval and the presence / absence of chatter vibration has been described has been described. The chatter vibration may be determined over a long period of time by repeating it continuously and repeatedly, and comparing the change in the magnitude of the vibration before and after that.
Although the vibration is measured by the
The example in which the minimum value of the determination frequency is 1 Hz and the interval is 1 Hz has been described. However, the determination may be made with a desired frequency range and a desired interval, and it may be determined with an interval of about 5 Hz in a range of about 20 to 2000 Hz. Good.
1:工作機械 2:工具 3:主軸 4:工作物 5:ベッド 6:NC装置 8:びびり振動検出装置 80:振動測定手段 81:記録手段 82:パワースペクトル演算手段 83:増加度合い演算手段 84:びびり振動判定手段 85:出力手段 801:振動センサ 1: Machine tool 2: Tool 3: Spindle 4: Work piece 5: Bed 6: NC device 8: Chatter vibration detection device 80: Vibration measurement means 81: Recording means 82: Power spectrum calculation means 83: Increase degree calculation means 84: Chatter vibration determination means 85: output means 801: vibration sensor
Claims (4)
工作機械の加工中の第1の振動と前記第1の振動の測定から所定時間後に第2の振動を測定する振動測定手段と、
前記第1の振動と前記第2の振動のフーリエ解析を行い所望の周波数領域の一定周波数帯域における振動の大きさであるパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算手段と、
前記第1の振動のパワースペクトルである第1パワースペクトルと、前記第2の振動のパワースペクトルである第2パワースペクトルを記録する記録手段と、
前記第1パワースペクトルの所定周波数帯域における振動の大きさに対する、前記第2パワースペクトルの前記所定周波数帯域における振動の大きさの増加度合いを演算する増加度合演算手段と、
第1の所定値以上の前記増加度合いを備えた前記所定周波数帯域である増加周波数帯域が存在する場合に、前記増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定するびびり振動判定手段と、
前記びびり振動判定手段によりびびり振動が発生したと判定された場合に、びびり振動が発生したことと、びびり振動の周波数を出力する出力手段を備えるびびり振動検出装置。 A chatter vibration detector that detects the occurrence of chatter vibration that occurs when machining a workpiece using a tool,
Vibration measuring means for measuring the first vibration during machining of the machine tool and the second vibration after a predetermined time from the measurement of the first vibration;
Power spectrum calculation means for performing Fourier analysis of the first vibration and the second vibration and calculating a power spectrum that is a magnitude of vibration in a constant frequency band of a desired frequency region;
Recording means for recording a first power spectrum that is a power spectrum of the first vibration and a second power spectrum that is a power spectrum of the second vibration;
An increase degree calculating means for calculating an increase degree of the magnitude of vibration in the predetermined frequency band of the second power spectrum with respect to the magnitude of vibration in the predetermined frequency band of the first power spectrum;
Chatter vibration determination means for determining that chatter vibration of the frequency of the increased frequency band has occurred when there is an increased frequency band that is the predetermined frequency band having the degree of increase equal to or greater than a first predetermined value;
A chatter vibration detection device comprising output means for outputting chatter vibration and a frequency of chatter vibration when chatter vibration is determined to have occurred by the chatter vibration determination means.
前記増加周波数帯域の前記増加度合いの平均値に対して第3の所定値以上の前記増加度合いを備えた、前記増加周波数帯域である超増加周波数帯域が存在する場合に、前記超増加周波数帯域の周波数のびびり振動が発生したと判定する、請求項1または請求項2に記載のびびり振動検出装置。 When there are a plurality of the increased frequency bands, the chatter vibration determination means,
When there is a super increase frequency band that is the increase frequency band having the increase degree equal to or greater than a third predetermined value with respect to the average value of the increase degree of the increase frequency band, the super increase frequency band The chatter vibration detection apparatus according to claim 1, wherein the chatter vibration detection apparatus determines that chatter vibration at a frequency has occurred.
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