JP6944102B2 - 作業機械の加工状態監視方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関する。

一般的に、加工工具を介してワークに加工処理を施すために、各種の工作機械が使用されている。例えば、ボーリング加工は、中ぐり用カッタ（刃先）が設けられたボーリングツールを工作機械の回転主軸（スピンドル）に取り付け、前記ボーリングツールを高速で回転させながら下穴に沿って順次繰り出すことにより、その刃先加工径で所定の位置に高精度な孔部を加工するものである。

この種の作業機械では、回転主軸や加工工具やワークに、切削抵抗によるたわみが発生し易い。そして、このたわみに起因して加工工具やワークに振動が惹起され、この振動がびびり（所謂、再生びびりを含む）となって加工に表れる場合がある。特に、金型を相当に長尺なツールで加工する場合や、難削材を効率的に加工する場合には、びびりの抑制又は回避が大きな課題となっている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている作業機械のびびり抑制方法及び装置が知られている。このびびり抑制方法では、加工工具又はワークの回転が開始される際に発生する振動を検出する工程と、機械主軸の空転時の振動をしきい値に設定する工程と、前記機械主軸の加工時に検出される加工振動が、前記しきい値を超えたか否かを判断する工程と、前記加工振動が前記しきい値を越えたと判断された際、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、周波数×６０÷刃数（又はその逓倍）の演算式から、前記機械主軸の回転数を調整する工程と、を有している。

このように、回転開始時から振動を検出し、前記振動をフーリエ級数展開により解析している。フーリエ級数展開は、演算がシンプルであり、迅速な処理が可能なため、即時性が良好に向上し、実際にびびりが成長する前に、びびり振動を予兆することができる。従って、回転開始と共に振動がゼロから成長する再生びびりを可及的早期に予兆の段階で認識することが可能になる。これにより、実際にびびりによる影響が生じる前に、機械主軸の回転数を調整することができ、再生びびりの発生を確実に抑制することが可能になる、としている。

特許第５１０５１０２号公報

本発明は、上記の技術的思想に関連してなされたものであり、簡単な工程及び構成で、種々の加工状態を高精度且つ効率的に検知可能な作業機械の加工状態監視方法及びシステムを提供することを目的とする。

本発明は、回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関するものである。

この加工状態監視方法は、回転工具による加工時の加工振動を検出する工程と、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、加工周波数（加工時に発生する加工振動の周波数）を得る工程と、前記加工周波数を、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波及びその高調波（該基本波の整数倍）の総和である工具通過周波数（ＴＰＦ）（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数（ＮＯＮ−ＴＰＦ）と、に分割する工程と、前記工具通過周波数の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化する変化表示窓に表示させ、ワークの加工状態を監視する工程と、を有している。

また、この振動監視システムでは、回転工具による加工時の加工振動を検出する振動検出機構と、前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、加工周波数（加工時に発生する加工振動の周波数）を得る演算機構と、前記加工周波数を、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波及びその高調波（該基本波の整数倍）である工具通過周波数（ＴＰＦ）（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数（ＮＯＮ−ＴＰＦ）と、に分割する周波数分割機構と、前記工具通過周波数の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化して表示させる変化表示窓を有し、前記ワークの加工状態を監視する周波数比較表示機構と、を備えている。

本発明に係る作業機械の加工状態監視方法及びシステムでは、回転工具を介してワークに加工処理を施す際、加工周波数（加工振動の周波数）を工具通過周波数（ＴＰＦ）とそれ以外の残余周波数（ＮＯＮ−ＴＰＦ）とに二分割し、前記工具通過周波数の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化して変化表示窓に表示させるだけで、前記ワークの種々の加工状態を監視することができる。

しかも、主軸回転数と刃数の二つをパラメータとしたＴＰＦ振動とＮＯＮ−ＴＰＦ振動を用いるだけで、包括的な加工の良否を判別することができ、加工状態の良否判断が高精度且つ効率的に遂行可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る作業機械の加工状態監視システムが適用される工作機械の概略説明図である。 前記加工状態監視システムを構成するコントローラの説明図である。 前記加工状態監視システムを構成する表示ユニットの説明図である。 切削負荷の電流値で切削状態の良否を示す場合と、本発明の第２の実施形態で切削状態の良否を示す場合との比較説明図である。 本発明の第３の実施形態加工振動で、周波数スペクトラムを示す説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る加工状態監視システム１０は、工作機械１２に適用される。工作機械１２は、後述する加速度センサ２６やマイクロフォン２８並びにコントローラ３０を機能的にまとめたシステムの作業機械に適用される。

工作機械１２は、ハウジング１４内にベアリング１６を介して回転可能に設けられるスピンドル（主軸）１８と、前記スピンドル１８に着脱自在なツールホルダ（回転工具）２０とを備える。ツールホルダ２０の先端には、カッタ２２が装着されている。作業テーブル２４上には、ワークＷが載置されている。

加工状態監視システム１０は、スピンドル１８の空転時の振動、及びカッタ２２による加工が開始される際に発生する振動を検出するために、ハウジング１４の側部に装着される加速度センサ（振動検出機構）２６又は音波により振動音を取得するマイクロフォン（振動検出機構）２８の少なくとも一方を備える。加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８は、コントローラ３０に接続されるとともに、前記コントローラ３０は、工作機械制御盤３２に接続される。工作機械制御盤３２は、工作機械１２を制御するものであり、制御操作盤３４に接続される。

図２に示すように、コントローラ３０は、加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により検出された機械的振動（加工振動）をアンプ及びフィルタ回路３６により増幅して取り込む演算ユニット（演算機構）３８を備える。

演算ユニット３８には、スピンドル１８の回転数、カッタ２２の刃数及び固有振動数等を入力する入力設定ユニット４０が接続される。入力設定ユニット４０では、監視や識別判定のためのしきい値や、しきい値越えの振動が発生した際の信号の処理手順等が設定可能である。入力設定ユニット４０には、必要に応じてリピートカウンタ（回路）４２が設けられる。

演算ユニット３８には、加工状態判断ユニット４４と、後述する演算判断処理した信号を出力するための入出力ユニット４６とが接続される。主軸回転数ＲＰＭ及び使用中の工具番号の情報は、工作機械制御盤３２から入出力ユニット４６を通じて演算ユニット３８に取り入れられ、随時ＮＣプログラムからの読み取りが可能である。マクロ的な監視を行う場合には、しきい値として別途に工具刃数とリピートカウンタ４２の数値を入れるだけでもよい。

演算ユニット３８には、演算結果や検出結果等を画面表示する表示ユニット４８が接続される。演算ユニット３８から加工状態判断ユニット４４には、更新されたデータが、通常、毎秒送られる。

図３に示すように、表示ユニット４８は、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２、ＴＰＦ振動表示窓５３、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４及び変化表示窓５５を備える。表示ユニット４８の左端には、表示画面としきい値入力画面との切り替え等に使用される画面選択ボタン５６、５７が設けられる。演算ユニット３８は、後述するように、周波数スペクトルを工具通過周波数と残余周波数とに分割する周波数分割機構として機能する。

トータルパワー表示窓５１は、図示しないが、コントローラ３０の測定開始ボタンや機器からの信号でＯＮ（オン）する振動量の監視ユニットである。トータルパワー表示窓５１は、加工と共に変化する振動のトータルパワー（Ｇ^２又は（ｍ／ｓ^２）^２）を表示するものであり、各時間帯における振動量の大きさを、リアルタイム性を有しトータルパワーとして表示する。

トータルパワー表示窓５１では、加速度を二乗した値の和が縦軸に表わされ、経過時間（秒）が横軸に表わされる。トータルパワー表示窓５１には、必要に応じて、トータルパワーが警告域に入る予兆を表示する予兆しきい値６１と、前記トータルパワーが異常に上昇したことを表示するアラームしきい値６２とが設定される。

周波数スペクトル表示窓５２は、加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを表示させる。周波数スペクトル表示窓５２では、加速度（Ｇ又はｍ／ｓ^２）を縦軸に、フーリエ変換により演算された周波数（Ｈｚ）を横軸にしたスペクトラムが表示される。スペクトラム横軸の表示範囲は、１０Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚの間から予め選択設定され、一般的には、加工状態を良好に表す１０Ｈｚ〜２，０００Ｈｚ、１０Ｈｚ〜２，５００Ｈｚ、若しくは１０Ｈｚ〜４，０００Ｈｚ等が選択される。縦軸の表示は、自動ゲイン方式である。

周波数スペクトル表示窓５２には、必要に応じて、アラームしきい値６３と限定帯域のしきい値ライン６９とが設定される。しきい値ライン６９は、特定の周波数帯で設定することができ、この周波数帯のしきい値の設定では、その周波数帯域と高さの設定を、別途の入力設定画面（図示せず）で行うことができる。

ＴＰＦ振動表示窓５３は、周波数スペクトル表示窓５２に表示された周波数スペクトルの内、工具通過周波数（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（以下、ＴＰＦという）を表示させる。ＴＰＦは、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波及びその高調波（該基本波の整数倍）の総和である。ＴＰＦ振動表示窓５３では、加速度（Ｇ又はｍ／ｓ^２）が縦軸に表され、周波数（Ｈｚ）が横軸に表される。ＴＰＦ振動表示窓５３には、必要に応じて、アラームしきい値６４が設定される。

ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４は、周波数スペクトル表示窓５２に表示された周波数スペクトルの内、ＴＰＦを除去した残余周波数（以下、ＮＯＮ−ＴＰＦという）を表示させる。ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４では、加速度（Ｇ又はｍ／ｓ^２）が縦軸に表され、周波数（Ｈｚ）が横軸に表される。ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４には、必要に応じて、アラームしきい値６５と限定帯域のしきい値ライン６８とが設定される。しきい値ライン６８は、しきい値ライン６９と同様に、特定の周波数帯で設定することができ、この周波数帯のしきい値の設定では、その周波数帯域と高さの設定を、別途の入力設定画面（図示せず）で行うことができる。

変化表示窓５５は、ＴＰＦとＮＯＮ−ＴＰＦとを比較表示することにより、ワークＷの加工状態を監視する周波数比較表示機構として機能する。変化表示窓５５には、ＴＰＦ振動表示窓５３に表示されるＴＰＦの総和量と、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４に表示されるＮＯＮ−ＴＰＦの総和量との相対比（ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量）の変化量が、ドットグラフとして経時（毎秒）表示される。このドットグラフでは、数値の低い方が良好な切削を表す一方、数値の高い方が切削性の悪化やびびりの発生を表している。

変化表示窓５５には、必要に応じて、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断させるための予兆しきい値６６と、加工異常が発生しているか否かを判別させるための少なくとも上限しきい値６７ａ又は下限しきい値６７ｂと、が設定される。しきい値の入力には、別途の入力画面（図示せず）が使用され、この入力画面は、画面選択ボタン５７の操作により表示される。

このように構成される加工状態監視システム１０による加工状態監視方法について、以下に説明する。

図１に示すように、工作機械１２では、先端にカッタ２２が装着されたツールホルダ２０を取り付けたスピンドル１８が回転駆動されるとともに、ワークＷの下穴に沿って繰り出される。そして、ツールホルダ２０がワークＷの下穴側に相対的に移動する。このため、ツールホルダ２０と一体にカッタ２２が回転し、前記カッタ２２を介してワークＷの内壁面に加工が施される。

コントローラ３０では、機械加工を開始する前に、スピンドル１８の空転時の振動を加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により取得し、この値を許容値（しきい値）として設定している。そして、スピンドル１８の振動が、アンプ及びフィルタ回路３６を介して演算ユニット３８に取り込まれる。演算ユニット３８は、取り込まれた振動が許容値を上回ると、機械加工が開始されたと判断する。すなわち、演算ユニット３８は、ワークＷの加工が開始されたことを検出する加工開始検出機構として機能する。なお、加工開始検出機構としては、例えば、スピンドル１８の回転開始から所定の時間だけ経時したことを検出する機構や、前記スピンドル１８の繰り出し距離が所定の距離に至ったことを検出する機構であってもよい。

次いで、演算ユニット３８では、アンプ及びフィルタ回路３６を介して取り込まれた加工振動に、フーリエ変換（フーリエ級数展開）による演算解析が行われる。具体的には、時間振動ｆ（ｔ）は、

ｆ（ｔ）＝Σ（ａ_ｊｃｏｓ２πＪｔ＋ｂ_ｊｓｉｎ２πＪｔ）で表される。なお、ａ_ｊは、周波数Ｊの余弦調和成分フーリエ係数であり、ｂ_ｊは、周波数Ｊの正弦調和成分フーリエ係数である。

そして、周波数Ｊに対するフーリエ係数は、ａ_ｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｃｏｓ（２πＪｔ）ｄｔ、及びｂ_ｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｓｉｎ（２πＪｔ）ｄｔに基づいて、フーリエ級数展開を行う。なお、積分区間は、０〜Ｔであり、この積分区間Ｔは、周期１／Ｊの整数倍とする。ここで、実際に加工による振動周波数、例えば、１０Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚが取得される。

図３に示すように、表示ユニット４８には、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２、ＴＰＦ振動表示窓５３、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４及び変化表示窓５５が設けられており、フーリエ解析により演算された周波数スペクトラムが、目的に応じて、これらに表示される。

具体的には、トータルパワー表示窓５１には、各時間帯における加工と共に変化する振動量の大きさが、リアルタイム性を有するトータルパワー（Ｇ^２又は（ｍ／ｓ^２）^２）として表示される。その際、縦軸には、加速度を二乗したトータルパワー（Ｇ^２又は（ｍ／ｓ^２）^２）が表示され、加工振動量の増減比が大きな変化量として表わされる。すなわち、小さな振動はより小さく、大きな振動はより大きく表示される。

さらに、トータルパワー表示窓５１に表示される値は、加速度振幅の波形を二乗して時間軸単位（通常、１秒間）で積分した値であり、取得した全ての周波数を含んでいる。このため、周波数スペクトルでは判別し難いトータルのパワーエネルギーを判別することができ、切削抵抗の増減や高周波振動の増減等を鋭敏に表示することが可能になる。

周波数スペクトル表示窓５２には、加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルが表示される。そして、ＴＰＦ振動表示窓５３には、周波数スペクトル表示窓５２に表示された周波数スペクトルの内、ＴＰＦのみが表示される一方、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４には、前記周波数スペクトルの内、ＴＰＦを除去したＮＯＮ−ＴＰＦが表示される。

次いで、変化表示窓５５には、ＴＰＦ振動表示窓５３に表示されるＴＰＦの総和量と、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４に表示されるＮＯＮ−ＴＰＦの総和量との相対比（ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量）の変化量が、ドットグラフとして経時（毎秒）表示される。変化表示窓５５では、ドットグラフの数値の低い方が良好な切削を表す一方、数値の高い方が切削性の悪化やびびりの発生を表している。

この場合、第１の実施形態では、変化表示窓５５の変化量の上下を観察することで、切削加工状態の良否をマクロ的に一覧で検知することができるという効果が得られる。すなわち、主軸回転数と刃数との２つをパラメータとしたＴＰＦ振動とＮＯＮ−ＴＰＦ振動を用いるだけで、包括的な加工の良否を判別することができ、簡単な制御で、加工状態の良否判断が高精度且つ効率的に遂行可能になる。

一般的に、製品工場内で部品を量産加工する場合、良品を多量に効率よく生成するために自動化が図られている。その際、第１の実施形態では、不良品が量産されることを抑制することができる。加工振動の周波数によるＴＰＦ振動とＮＯＮ−ＴＰＦ振動の二値の比のみで、マクロ的な判断をするため、しきい値の設定等の多くの検出条件を不要にし、簡単に多くの異常を検知することができるからである。

また、変化表示窓５５には、予兆しきい値６６が設定されている。これにより、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比が上がって、予兆しきい値６６を上回ると、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断されるため、例えば、機械オペレータ等に喚起を行うことができる。

さらに、変化表示窓５５には、少なくとも上限しきい値６７ａが設けられている。このため、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比が異常に上がって、上限しきい値６７ａを上回ると、別途設定のリピートカウンタ４２にアラーム信号が送られる。リピートカウンタ４２では、設定済みの積算数以上の信号入力が検知されると、マクロ・アラーム信号がコントローラ３０の表示ユニット４８に表示されるとともに、入出力ユニット４６を通じて外部に出力される。

ここで、アラームしきい値越えの信号に対しては、リピートカウンタ４２を設けて単位時間当たりの積算値によりカウントするため、一瞬のノイズ等に対して異常なアラームの判定をすることがない。なお、リピートカウント値を１に設定しておけば、一回のアラームしきい値越えが発生した際に、異常判定の出力がなされる。

さらにまた、変化表示窓５５には、少なくとも下限しきい値６７ｂが設けられている。従って、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比が異常に下がって、下限しきい値６７ｂを下回ると、別途設定のリピートカウンタ４２にアラーム信号が送られる。

第１の実施形態では、上記のように、変化表示窓５５に表されたＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比で、マクロ的な加工状態の監視を行うことができる。しかも、変化表示窓５５の変化と、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２、ＴＰＦ振動表示窓５３又はＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４に表される変化とを組み合わせることで、より正確且つ詳細な加工状態（切削状態や異常状態等）を把握することが可能である。

例えば、変化表示窓５５において、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比が上昇するとともに、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４において、高周波振動帯域に設定された限定帯域のしきい値ライン６８を上回る数が多くなる場合がある。これは、カッタ２２の摩耗による高周波成分の増加を示しており、工具交換のアラーム信号に利用することができる。

さらに、変化表示窓５５において、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比の量が異常に大きくなった場合は、加工異常が想定され、併せてＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓５４において、顕著なピーク振動（アラームしきい値６５を上回る振動）が発生する場合は、再生びびりが生じていることが検出される。

さらにまた、変化表示窓５５において、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比の量が異常に小さくなった場合で、併せてＴＰＦ振動表示窓５３において、ピークが大きく立つ（アラームしきい値６４を上回る振動）ような場合は、強制びびりが発生している可能性が高い。一方、変化表示窓５５において、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化比の量が異常に大きくなった場合で、併せて周波数スペクトル表示窓５２において、低周波帯域に設定された限定帯域のしきい値ライン６９のしきい値越え信号が出ない場合は、カッタ２２の折損の可能性が高い。

図４は、切削負荷の電流値で切削状態の良否を示す場合と、本発明の第２の実施形態において切削状態の良否を示す場合との比較説明図である。

これは、マシニングセンタ（工作機械１２）において、４刃の１６φエンドミル（カッタ２２）でアルミニウム材（ワークＷ）を切削したものである。加工条件は、回転速度Ｎ＝６２００ｍｉｍ^−１、送り速度ｆ＝０．１ｍｍ／刃、側面加工Ａｒ＝０．５ｍｍである。図４には、びびりのない前半の加工から再生びびりが発生した後半の加工までの振動と電流負荷の経時変化が表わされている。

具体的には、表示窓７１は、加工中のトータルパワーを示す。表示窓７２は、加工中の主軸の電流負荷量を示し、縦軸が電流負荷の大きさを示す一方、横軸が経時時間を示す。第２の実施形態である表示窓７３は、振動の周波数スペクトラムを、ＴＰＦ振動７３ａとＮＯＮ−ＴＰＦ振動７３ｂとに分けて、積算表示形式で表している。前半部の濃い色の部分は、ＴＰＦ振動７３ａを表し、後半部の薄い色の部分は、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動７３ｂを表す。なお、ＴＰＦ振動７３ａとＮＯＮ−ＴＰＦ振動７３ｂとは、互いに異なる色又は異なる濃さに設定されていればよい。表示窓７４は、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化の状態を示す。

切削加工は、７．４秒後から始まり、１１．３秒後からのびびりの予兆期を経て、１１．７秒後から１３．４秒まで再生びびりが生じている。表示窓７１では、トータルパワーの表示によって、切削振動の大きさの経時変化が顕著に表示されている。加工の前半部（加工開始から１１．３秒までの間）では、びびりのない加工が行われているが、加工の後半部（１１．７秒から１３．４秒までの間）では、びびりが発生している。その際、前半部の振動量と後半部の振動量との差が、大きく表れている。

加工中の主軸の電流負荷量を示す表示窓７２では、加工の最初から最後に至るまで、切削負荷が殆ど変動していない。このため、加工の良否等の種々の加工状態を良好に検知することができない。

これに対して、表示窓７３では、加工の前半部に、濃い色の部分であるＴＰＦ振動７３ａが表示される一方、加工の後半部に、薄い色の部分であるＮＯＮ−ＴＰＦ振動７３ｂが表示されている。従って、この表示から、前半部のびびりがない切削加工域（ＴＰＦ振動７３ａ）と、後半部のびびりが生じている状態（ＮＯＮ−ＴＰＦ振動７３ｂ）とを、明確に判別することが可能になる。

さらに、表示窓７４では、ＮＯＮ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量の変化の状態が示されている。この表示から、加工の前半部で、数値が低く良好な加工状態であることが示される一方、加工の後半部で、数値が高くなって不良状態からびびりへと移行していることが示され、加工状態の経時変化が容易に判別される。

図５は、本発明の第３の実施形態において、加工振動の周波数スペクトラムを表している。表示窓８１では、縦軸に振動の大きさ（加速度）（Ｇ又はｍ／ｓ^２）を、横軸に周波数（Ｈｚ）を表している。切削条件としては、スピンドル１８の回転数６２００ｒｐｍ及びカッタ２２の刃数４枚であり、表示窓８１には、３つの顕著な振動ピークが発生する。具体的には、基本波である４１３Ｈｚ（ＴＰＦ１）、該基本波の整数倍の高調波である８２６Ｈｚ（ＴＰＦ２）及び１２４０Ｈｚ（ＴＰＦ３）のピーク周波数である。

表示窓８２は、表示窓８１に表された周波数スペクトラムの振動の中、基本波及び高調波（ＴＰＦ１、ＴＰＦ２及びＴＰＦ３）（ＴＰＦ振動）だけを抽出して表示する。表示窓８３は、表示窓８１の振動の中、基本波及び高調波（ＴＰＦ１、ＴＰＦ２及びＴＰＦ３）を除去したＮＯＮ−ＴＰＦ振動だけを抽出して表示する。

表示窓８２と表示窓８３とを比較すると、前記表示窓８２に示されているＴＰＦ振動が、前記表示窓８３に示されているＮＯＮ−ＴＰＦ振動よりも大きいことが明瞭である。従って、この加工は、正常であることが判別される。

図５中、表示窓８４は、その後に発生したびびり加工時の周波数スペクトラムを表しており、７５１Ｈｚと１１６５Ｈｚのピーク周波数が顕著である。これは、ＮＯＮ−ＴＰＦ振動である。表示窓８５は、表示窓８４に表された周波数スペクトラムの振動の中、ＴＰＦ振動だけを抽出して表示する。表示窓８６は、表示窓８４の振動の中、ＴＰＦ振動を除去したＮＯＮ−ＴＰＦ振動だけを抽出して表示する。

表示窓８５と表示窓８６とを比較すると、前記表示窓８６に示されているＮＯＮ−ＴＰＦ振動が、前記表示窓８５に示されているＴＰＦ振動よりも大きいことが明瞭である。これにより、この加工は、再生びびりが発生し、異常であることが判別される。

従って、加工振動を、ＴＰＦ振動とＮＯＮ−ＴＰＦ振動との二つに分割し、それらの差を確認するだけで、切削状態を正確に判別することができる。なお、図４の表示窓７３と同様に、ＴＰＦ振動とＮＯＮ−ＴＰＦ振動との二つの区分を積算した色違い又は濃度違いで表すことができる。また、図４の表示窓７４と同様に、ＴＰＦ振動とＮＯＮ−ＴＰＦ振動の二つの相対変化比で表すことも可能である。

１０…加工状態監視システム １２…工作機械
１４…ハウジング １８…スピンドル
２０…ツールホルダ ２２…カッタ
２６…加速度センサ ２８…マイクロフォン
３０…コントローラ ３２…工作機械制御盤
３４…制御操作盤 ３８…演算ユニット
４０…入力設定ユニット ４４…加工状態判断ユニット
４６…入出力ユニット ４８…表示ユニット
５１…トータルパワー表示窓 ５２…周波数スペクトル表示部
５３…ＴＰＦ振動表示窓 ５４…ＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓
５５…変化表示窓 ７１〜７４、８１〜８６…表示窓

Claims (10)

1. 回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法であって、
   前記回転工具による加工時の加工振動を検出する工程と、
   前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る工程と、
   前記加工周波数を、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波及びその高調波（該基本波の整数倍）である工具通過周波数と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数と、に分割する工程と、
   前記工具通過周波数の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化する変化表示窓に表示させ、前記ワークの加工状態を監視する工程と、
   を有することを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
2. 請求項１記載の加工状態監視方法において、前記回転工具により前記ワークの加工が開始されたことを検出する工程を有することを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
3. 請求項１記載の加工状態監視方法において、前記変化表示窓には、予兆しきい値と上限しきい値及び下限しきい値とが設定されており、
   前記相対比が、前記予兆しきい値を超える際に、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断され、
   前記相対比が、少なくとも前記上限しきい値を上回る際に、又は前記下限しきい値を下回る際に、加工異常が発生していると判別されることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
4. 請求項１記載の加工状態監視方法において、加工と共に変化する振動のトータルパワーをトータルパワー表示窓に表示させ、
   前記加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを周波数スペクトル表示窓に表示させ、
   前記周波数スペクトルの内、前記工具通過周波数をＴＰＦ振動表示窓に表示させ、
   前記周波数スペクトルの内、前記残余周波数をＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓に表示させることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
5. 請求項１又は２記載の加工状態監視方法において、前記工具通過周波数の総和量を示す第１区分と、前記残余周波数の総和量を示す第２区分とを、互いに異なる色又は異なる濃さで経時変化する多色変化表示窓に表示させることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。
6. 回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視システムであって、
   前記回転工具による加工時の加工振動を検出する振動検出機構と、
   前記加工振動をフーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る演算機構と、
   前記加工周波数を、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波及びその高調波（該基本波の整数倍）である工具通過周波数と、全ての前記加工周波数から前記工具通過周波数を除去した残余周波数と、に分割する周波数分割機構と、
   前記工具通過周波数の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化して表示させる変化表示窓を有し、前記ワークの加工状態を監視する周波数比較表示機構と、
   を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。
7. 請求項６記載の加工状態監視システムにおいて、前記回転工具により前記ワークの加工が開始されたことを検出する加工開始検出機構を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。
8. 請求項６記載の加工状態監視システムにおいて、前記変化表示窓には、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断させるための予兆しきい値と、
   加工異常が発生しているか否かを判別させるための少なくとも上限しきい値又は下限しきい値と、
   が設定されていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。
9. 請求項６記載の加工状態監視システムにおいて、加工と共に変化する振動のトータルパワーを表示させるトータルパワー表示窓と、
   前記加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを表示させる周波数スペクトル表示窓と、
   前記周波数スペクトルの内、前記工具通過周波数を表示させるＴＰＦ振動表示窓と、
   前記周波数スペクトルの内、前記残余周波数を表示させるＮＯＮ−ＴＰＦ振動表示窓と、
   を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。
10. 請求項６又は７記載の加工状態監視システムにおいて、前記工具通過周波数の総和量を示す第１区分と、前記残余周波数の総和量を示す第２区分とを、互いに異なる色又は異なる濃さで経時変化して表示させる多色変化表示窓を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。

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