JP6538430B2

JP6538430B2 - 工作機械の振動情報表示装置

Info

Publication number: JP6538430B2
Application number: JP2015110351A
Authority: JP
Inventors: 知治安藤
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: DE102016209080A1; JP2016224695A; US20160346891A1; CN106181581B; CN106181581A; US10228677B2

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、加工面及び工具寿命を悪化させる一因であるびびり振動に係る情報を表示するための振動情報表示装置に関するものである。

機械加工において、主軸回転速度や送り速度などの加工条件によっては、びびり振動が生じ加工面が悪化することがある。また、びびり振動によって工具がダメージを受け、工具寿命の悪化にもつながる。初品の加工条件は、過去の実績に基づいて仮設定され、オペレータは、仮設定した加工状況を確認しながら最終的な加工条件を決定する。しかし、生産準備に必要とするコストを削減するために、金型のような加工時間が長くなるものではオペレータが付き添って加工確認を行わないケースもある。このように無人で機械を稼働させる場合、特許文献１のような技術を利用し、主軸速度を自動的に変えることで生じたびびりを抑制することができる。
ところで、加工中に生じた振動や、上記のような主軸速度を自動的に変える動作の有無などの稼働状況を記録・分析し通知する技術として、例えば特許文献２〜４が知られている。特許文献２では、回転機械の回転駆動により振動が発生する複数箇所に設置する複数の振動検出センサと、前記振動検出センサと接続した監視診断装置と、前記監視診断装置と接続し、該監視診断装置で異常診断がなされた時に警報を出力する警報通知手段とを備えている。警報値振動レベルを、管理者に電子メールまたは前記警報通知手段を構成する操作端末画面にメッセージ表示している。
特許文献３には、工作機械の近傍に、または、工作機械と一体的に設けられたＮＣ装置において、工作機械の稼働情報と時刻情報とを合わせて１つのログデータとし、１日分の前記ログデータを記憶装置内に１日毎のログファイルとして記録し、ログファイル内のログデータを集計し、集計結果を記憶装置内に実績情報ファイルとして記録し、ログファイルおよび実績情報ファイルのデータを表示手段に表示する技術が示されている。また、ログデータは、日付、時間のデータ、工具番号、コメント、主軸の回転速度、送り速度、使用時間（例えば、工具交換指令から次工具交換指令までの時間：秒）、切削時間（例えば、Ｇ０１，Ｇ０２，Ｇ０３等の送り指令が実行されている時間：秒）、早送り時間（例えば、Ｇ００等の早送り指令が実行されている時間：秒）等のデータを有することが示されている。
特許文献４には、回転軸の回転速度及び周波数領域の振動加速度を稼働履歴として記憶するとともに、当該稼働履歴を、回転軸の回転速度が変化した場合のみならず、周波数領域の振動加速度の最大値が所定の閾値を超えた場合にも記憶する稼働履歴管理装置が示されている。回転軸の回転速度の変化とびびり振動の発生状況とを関連づけて記憶することができるため、作業者は回転軸の回転速度とびびり振動の発生状況とを関連づけて把握し、びびり振動を効果的に抑制する手助けとしている。
なお、記憶されている稼働履歴を利用して、たとえば非特許文献１「２００８年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』」等に記載されているような公知の方法を採用し、安定限界線図を表示することも知られている。

特開２０１２−１８３５９６号公報特開２００９−１１５４８１号公報特開平１０−３２８９７６号公報特開２０１２−８１５６２号公報

２００８年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」名古屋大学倉田祐輔、鈴木教和、社本英二

特許文献２の発明は、異常診断がなされた時に警報を警報通知手段に出力し、その際の振動レベルを、管理者に電子メールまたは前記警報通知手段を構成する操作端末画面に表示する。しかしながら、工具とワークを相対的に移動させて加工する工作機械においては、ワークのどの位置で異常だったのかを明らかにしてプログラムを修正する必要がある。したがって回転機械設備と異なり、異常が生じた位置情報も必要となるため、情報不足となる。
特許文献３の発明は、１日分の稼働情報をログファイルとして記録しており、ファイル内のデータを表示することができるが、さまざまな稼働情報の中から加工異常に関する情報を抽出する必要があり、稼働情報分析に時間がかかるという課題がある。また、オペレータが加工に立ち会っていない場合は、稼働情報を見るまでびびり振動が生じたのかは明らかにならない。
特許文献４の発明は、記録した稼働情報を用いて安定限界線図などのびびり振動の対策を提示できるが、特許文献２と同様にオペレータが加工に立ち会っていない場合は、稼働情報を見るまでびびり振動が生じたのかは明らかにならないという課題がある。

そこで、本発明は、びびり振動の情報を瞬時にモニタに表示することで、機械を離れていたオペレータにいち早く提示して加工異常を稼働情報と共に知らせることができる工作機械の振動情報表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うと共に、当該加工の際に生じるびびり振動を検出する振動検出機能を備えた工作機械に設けられて、前記びびり振動に係る情報を表示するモニタを備えた振動情報表示装置であって、
前記びびり振動が検出された際の振動情報を取得する振動情報取得手段と、前記びびり振動が検出された際の前記工作機械の稼働情報を取得する稼働情報取得手段と、取得された前記振動情報及び稼働情報を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記振動情報及び前記稼働情報を前記モニタに表示する、又は、前記記憶手段に記憶された前記振動情報を前記稼働情報に含まれる工具刃先の軌跡情報と併せて前記モニタに表示する表示制御手段と、を備える一方、検出した前記びびり振動を抑制可能な振動抑制機能を備え、前記表示制御手段は、前記振動情報に前記振動抑制機能の発揮状況を併せて前記モニタに表示することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記モニタへの入力手段を備え、前記表示制御手段は、前記入力手段が操作されると、前記びびり振動の抑制対策に係る画面に切替表示することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、前記振動情報を前記工具刃先の軌跡情報と併せて前記モニタに表示する場合、前記表示制御手段は、前記工具刃先の軌跡上に前記びびり振動の発生位置を表示し、当該発生位置を前記入力手段で選択すると、選択した前記発生位置での前記びびり振動の抑制対策に係る画面を前記モニタに切替表示すると共に、前記画面作成に必要な情報を前記入力手段で変更可能とすることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、前記工具刃先の軌跡上の前記びびり振動の発生位置を前記入力手段で複数選択可能として、複数の前記発生位置を前記入力手段で選択すると、選択した全ての前記発生位置でのびびり振動の抑制対策に係る画面を前記モニタに切替表示することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、工作機械のびびり振動の情報を稼働情報と共に瞬時にモニタに表示することで、無人運転時に生じた加工異常について、機械に戻ったオペレータにいち早く知らせることができる。また、その場合に、びびり振動が生じたプログラム、工具刃先位置等を把握することができる。
さらに、機械が自動的にびびり振動を抑制する動作を行ったのかどうかも把握することができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、入力操作によってびびり振動の抑制対策に係る画面に切替表示することで、振動対策情報を容易に把握でき、その場で対応可能となる。よって、加工の最適化も素早く行うことができる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、画面作成に必要な情報もその場で設定することができ、事前の準備が無くても対策をすぐに参照することができる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項３の効果に加えて、機械の特性や加工状況の変化によって異なる原因で生じたびびり振動において、すべての原因を考慮した対策を知ることができる。

振動情報表示装置のブロック構成図である。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（下面図）である。稼働情報及び振動情報等の取得制御のフローチャートである。取得した稼働情報及び振動情報の説明図である。モニタの表示画面の説明図である。刃先軌跡にびびり情報を併せたモニタの表示画面の説明図である。安定限界線図を表示したモニタ表示画面の説明図である。刃先軌跡にびびり情報を併せたモニタの表示画面の変更例の説明図である。安定限界線図を表示したモニタ表示画面の変更例の説明図である。

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、工作機械の振動情報表示装置の一例を示すブロック構成図、図２は、工作機械の主軸ハウジングの側面図、図３は、主軸ハウジングの正面図（軸方向下側から示した図）である。
１は、工作機械において主軸３を有する主軸ハウジングで、主軸３に保持させた工具を回転させて下方のテーブル上に載置したワークを加工する。この主軸ハウジング１には、Ｃ軸回りで回転可能に備えられた主軸３に生じる時間領域の振動（時間軸上の振動）を検出する手段として、加速度センサである振動センサ２ａ〜２ｃが備えられている。振動センサ２ａ〜２ｃは、互いに直角となる方向における振動情報を検出すべく、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、主軸ハウジング１に取り付けられている。

振動情報表示装置１０は、振動センサ２ａ〜２ｃにより検出された振動加速度を基にフーリエ解析を行うＦＦＴ演算装置１１と、ＮＣ装置１２とにより構成される。
ＮＣ装置１２は、ＦＦＴ演算装置１１によってフーリエ解析された振動値（最大加速度）と、オペレータが設定したしきい値とを比較してびびり振動が発生したか否かを判断する振動情報取得手段としての振動判定部１３を備えている。この振動判定部１３において振動値がしきい値を上回り、且つ振動変化率が設定値を越えたと判断されると、その振動周波数が最適回転速度演算部１４に送られる。最適回転速度演算部１４は、特許文献１のような公知技術を利用してびびり振動を抑制する最適な主軸回転速度を算出して自動的に変更する。この最適回転速度の計算には、工具の刃数Ｚが必要であり、オペレータにより予め入力される。

また、振動値がしきい値を上回り、且つ振動変化率が設定値を超えた場合、振動判定部１３は、振動値を記憶手段としての記憶部１５に記憶させると共に、稼働情報取得手段としての機械動作判定部１６へ機械の稼働情報を記憶部１５へ送るように指示を出す。ここで、機械の稼働情報とは、時刻、プログラム名、プログラムの実行コード、刃先位置、工具番号、主軸回転速度、送り速度、ワーク原点、工具長、機械座標、などである。機械動作判定部１６は、オペレータによりプログラムが入力されるプログラム解釈部１７からプログラム名や実行コードを取得し、工作機械に設けられた検出器等をモニタして主軸回転速度や送り速度、工具刃先の軌跡情報等を取得する。
こうして記憶部１５に稼働情報が振動値と共に記憶されると、ＮＣ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１９に、表示制御手段としての表示制御部１８によって振動情報として表示される。この振動情報は外部記憶装置２０にも記録される。また、表示制御部１８は、モニタ１９に、工具刃先の軌跡と併せて振動情報を表示することもでき、オペレータから要求がある場合、振動情報を用いて最適回転速度演算部１４で算出した最適速度の結果を表示することもできる。

以上の如く構成された振動情報表示装置１０において、モニタ１９に振動情報を表示するまでの手順を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
まず、機械動作判定部１６により現在の主軸回転速度を、ＦＦＴ演算装置１１により現在の振動値をそれぞれ取得する（Ｓ１１）。次に、振動判定部１３において、オペレータが予め設定したしきい値とＦＦＴ演算装置１１により得られる振動とを比較（Ｓ１２）し、検出した振動がしきい値よりも小さい場合はＳ１１に戻る。Ｓ１２でしきい値よりも検出した振動の方が大きい場合、予め設定した単位時間当たりの振動の変化率を監視する。すなわち、振動変化率が予め設定した値を越えたかどうかを判断し、越えてない場合は越えるまで待つ（Ｓ１３）。そして、振動変化率が設定値を越えた場合、機械の稼働情報に、その時点の振動値と、振動抑制機能の発揮状況（最適回転速度演算部１４による最適回転速度への変更の有無及び変更した場合の結果）とを加えて記憶部１５に記録する（Ｓ１４）。

この結果、図５に示すような記録データができあがる。１つの記録データは、時刻、プログラム名、プログラムの実行コード、工具刃先位置、工具番号、主軸回転速度、振動値等で構成される。このデータが作成されると図６のように表示制御部１８によって新しいウインドウがモニタ１９の画面の最前面に作成され、データの内容が表示される。このウインドウは、タッチパネル（入力手段）であるモニタ１９上で「ＯＫ」ボタンを押すまで（機械の電源を切った後に再投入しても）表示され続ける。
ここで、「対策」ボタンを押すと、表示制御部１８は、びびり振動の抑制対策に係る画面として、図８に示す安定限界線図を、例えば非特許文献１（モーダルパラメータを、びびり振動周波数から逆同定を行って同定する方法が示されている）にあるような技術を利用して作成して切替表示する。この時刃数などの安定限界線図の作成に必要な情報の設定項目は、ここの画面で設定することを可能としてあり、予め各項目を設定しておかなくても安定限界線図を表示させることを可能とする。よって、オペレータは、現在の回転速度で安定余裕が大きいか否かを認識でき、びびり振動の抑制に効果的な対策（安定余裕が大きい高回転側又は低回転側の何れに変更すればよいか）を容易に知ることができる。

一方、モニタ１９には、図６の表示に代えて、図７に示すように、工具刃先の軌跡を表示すると共に、当該軌跡上に記録データを関連付けて表示するようにしてもよい。ここでは、びびり発生有無とびびり抑制動作の有無を記号で識別して軌跡上に配置している。よって、オペレータがそれぞれの記号を選択して入力手段である「対策」ボタンを押すことで、選択した加工部位についての安定限界線図が図８のように切替表示されるため、同様にびびり振動の抑制に効果的な対策を知ることができる。

但し、加工部位が離れた位置で２ヶ所にある場合、工具刃先の軌跡の表示例は、図９のようになる。ここで部位１と部位２とでそれぞれびびり振動が生じているが、加工位置が異なるため機械特性が変化し、安定限界線図も部位１と部位２とで異なる場合がある。しかし、同一の工具で加工するなどの理由から、加工条件は両者そろえたいケースがある。よって、ここでは、選択されたすべての点で包括的に対策を表示させることで、部位１と２のそれぞれのびびり振動の対策を加味した図８より複雑な図１０の安定限界線図を表示させるようにしている。

このように、上記形態の振動情報表示装置１０によれば、びびり振動が検出された際の振動情報を取得する振動判定部１３と、びびり振動が検出された際の工作機械の稼働情報を取得する機械動作判定部１６と、取得された振動情報及び稼働情報を記憶する記憶部１５と、記憶部１５に記憶された振動情報及び稼働情報を振動抑制機能の発揮状況と併せて、又は、記憶部１５に記憶された振動情報を振動抑制機能の発揮状況及び稼働情報に含まれる工具刃先の軌跡情報と併せてモニタ１９に表示する表示制御部１８と、を備えることで、工作機械のびびり振動の情報を稼働情報と共に瞬時にモニタ１９に表示可能となる。よって、無人運転時に生じた加工異常について、機械に戻ったオペレータにいち早く知らせることができる。また、その場合に機械が自動的にびびり振動を抑制する動作を行ったのかどうかや、びびり振動が生じたプログラム、工具刃先位置等を把握することができる。
特にここでは、表示制御部１８は、モニタ１９の「対策」ボタンがタッチ操作されると、びびり振動の抑制対策に係る安定限界線図に切替表示するので、振動対策情報を容易に把握でき、その場で対応可能となる。よって、加工の最適化も素早く行うことができる

また、振動情報を振動抑制機能の発揮状況及び工具刃先の軌跡情報と併せてモニタ１９に表示する場合、表示制御部１８は、工具刃先の軌跡上にびびり振動の発生位置を表示し、当該発生位置を選択操作すると、選択した発生位置でのびびり振動の抑制対策に係る安定限界線図をモニタ１９に切替表示すると共に、安定限界線図の作成に必要な刃数等の情報をモニタ１９上で変更可能としている。よって、安定限界線図の作成に必要な情報もその場で設定することができ、事前の準備が無くても対策をすぐに参照することができる。
さらに、工具刃先の軌跡上のびびり振動の発生位置をモニタ１９上で複数選択可能として、複数の発生位置を選択操作すると、選択した全ての発生位置でのびびり振動の抑制対策に係る安定限界線図をモニタ１９に切替表示するので、機械の特性や加工状況の変化によって異なる原因で生じたびびり振動において、すべての原因を考慮した対策を知ることができる。

なお、上記形態では、振動検出をする手段として振動センサを採用したが、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。びびり振動の発生も、上記形態では振動のしきい値と振動変化率の設定値との双方と比較して判断しているが、しきい値のみと比較するようにしてもよい。また、振動抑制機能を有しない工作機械であっても、振動情報及稼働情報、工具刃先の軌跡情報を表示することで加工異常を迅速に知らせることは可能である。
さらに、稼働情報取得手段としては、ＮＣ装置内の機械動作判定部以外に、例えば稼働情報を、外部記憶装置やＮＣ装置に接続されたネットワークを介して外部の演算装置に出力し、そこで加工状態の分析を行って分析結果を当該ネットワークを介してＮＣ装置に送信することで構成してもよい。

１・・工具ハウジング、２ａ〜２ｃ・・振動センサ、３・・主軸、１０・・振動情報表示装置、１１・・ＦＦＴ演算装置、１２・・ＮＣ装置、１３・・振動判定部、１４・・最適回転速度演算部、１５・・記憶部、１６・・機械動作判定部、１７・・プログラム解釈部、１８・・表示制御部、１９・・モニタ。

Claims

工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行うと共に、当該加工の際に生じるびびり振動を検出する振動検出機能を備えた工作機械に設けられて、前記びびり振動に係る情報を表示するモニタを備えた振動情報表示装置であって、
前記びびり振動が検出された際の振動情報を取得する振動情報取得手段と、
前記びびり振動が検出された際の前記工作機械の稼働情報を取得する稼働情報取得手段と、
取得された前記振動情報及び稼働情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記振動情報及び前記稼働情報を前記モニタに表示する、又は、前記記憶手段に記憶された前記振動情報を前記稼働情報に含まれる工具刃先の軌跡情報と併せて前記モニタに表示する表示制御手段と、を備える一方、
検出した前記びびり振動を抑制可能な振動抑制機能を備え、前記表示制御手段は、前記振動情報に前記振動抑制機能の発揮状況を併せて前記モニタに表示することを特徴とする工作機械の振動情報表示装置。
前記モニタへの入力手段を備え、前記表示制御手段は、前記入力手段が操作されると、前記びびり振動の抑制対策に係る画面に切替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振動情報表示装置。
前記振動情報を前記工具刃先の軌跡情報と併せて前記モニタに表示する場合、前記表示制御手段は、前記工具刃先の軌跡上に前記びびり振動の発生位置を表示し、当該発生位置を前記入力手段で選択すると、選択した前記発生位置での前記びびり振動の抑制対策に係る画面を前記モニタに切替表示すると共に、前記画面作成に必要な情報を前記入力手段で変更可能とすることを特徴とする請求項２に記載の工作機械の振動情報表示装置。
前記工具刃先の軌跡上の前記びびり振動の発生位置を前記入力手段で複数選択可能として、複数の前記発生位置を前記入力手段で選択すると、選択した全ての前記発生位置でのびびり振動の抑制対策に係る画面を前記モニタに切替表示することを特徴とする請求項３に記載の工作機械の振動情報表示装置。