JP7310369B2 - 工作機械システムの振動解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械システムの振動解析装置に関する。

特許文献１には、工作機械を構成する各構造体のうち、振動源になると考えられる構造体の固有振動数を記憶し、加工中にびびり振動が検出された場合に、加工中に検出された振動加速度と、記憶された構造体の固有振動数とに基づき、びびり振動の発生要因である振動源を推定する振動源推定装置が開示されている。

特開２０１８－１９６９０９号公報

特許文献１に記載の技術は、固有振動数が記憶されていない構造体が振動源である場合に、振動源を特定できず、びびり振動を解消するための適切な対策を講じることが難しくなる。

本発明は、工作機械本体に状態変化があった場合に、状態変化の発生箇所を的確に推定できる工作機械システムの振動解析装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、複数の構造体により構成される工作機械本体と、前記工作機械本体に保持される工具とを備えた工作機械システムの振動解析装置であって、
前記工具を用いて工作物を加工するときの前記工作機械本体の振動を検出する振動検出装置と、
状態変化前の前記工作機械本体に対応した状態変化前の振動解析モデルを記憶する解析モデル記憶部と、
前記工作機械本体の状態変化後において前記振動検出装置による検出結果から得られる前記工作機械本体の振動特性の実測値に基づいて、当該実測値に対応する振動特性を有する状態変化後の前記振動解析モデルを取得し、状態変化前後の前記振動解析モデルに基づいて、前記工作機械本体における状態変化の発生箇所を特定する本体状態解析部と、
を備える、工作機械システムの振動解析装置にある。

本発明の工作機械システムの振動解析装置によれば、本体状態解析部は、工作機械本体の状態変化後において振動検出装置による検出結果から得られる工作機械本体の振動特性の実測値に基づいて、当該実測値に対応する振動特性を有する状態変化後の振動解析モデルを取得し、状態変化前後の振動解析モデルに基づいて、工作機械本体における状態変化の発生箇所を特定する。よって、当該振動解析装置は、工作機械本体における状態変化の発生箇所を的確に推定できる。

本発明の一実施形態における工作機械システムを構成する工作機械本体の平面図である。 振動解析装置の機能ブロック図である。 振動解析モデルの一例を示した図である。 本体状態解析部の機能ブロック図である。 空転時解析データの一例である。 加工時解析データの一例である。 周波数と基準化スペクトルとの関係を示す波形データの一例である。 状態変化のない良好な工作機械本体を用いて加工したときの基準化波形データを示す図である。 第一の状態変化が発生した工作機械本体を用いた加工したときの基準化波形データを示す図である。 第二の状態変化が発生した工作機械本体を用いた加工したときの基準化波形データを示す図である。 第三の状態変化が発生した工作機械本体を用いた加工したときの基準化波形データを示す図である。 状態変化のない良好な工作機械本体を用いて加工したときの動特性を示すグラフと、状態変化が発生した工作機械本体を用いた加工したときの動特性を示すグラフとを重ね合わせた図である。 振動解析装置により実行される状態変化判定処理を示すフローチャートである。 状態変化判定処理の中で実行される状態変化解析処理を示すフローチャートである。

（１．工作機械システム１の概略構成）
工作機械システム１の概略構成について、図１を参照して説明する。図１に示すように、工作機械システム１は、工具３と工作物Ｗとを相対的に移動させるための複数の構造体により構成される工作機械本体２と、工作機械本体２に保持される工具３とを備える。工作機械本体２は、例えば、マシニングセンタ、旋盤、フライス盤等の切削加工を行う工作機械である。

工作機械本体２は、例えば、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）を駆動軸として有するマシニングセンタである。図１においては、工作機械本体２は、さらに、工具３と工作物Ｗとの相対姿勢を変更するための２つの回転軸（Ｂ軸及びＣ軸）を駆動軸として有する。本例では、工作機械本体２は、Ｂ軸（基準状態においてＹ軸周りの回転軸）及びＣ軸（基準状態においてＺ軸周りの回転軸）を有する構成を例にあげたが、Ａ軸（基準状態においてＸ軸周りの回転軸）及びＢ軸を有する構成としてもよいし、Ａ軸及びＣ軸を有する構成としてもよい。つまり、工作機械本体２は、自由曲面を加工可能な５軸加工機（工具主軸（ＣＴ軸）を考慮すると６軸加工機となる）を適用可能である。また、工作機械本体２は、スカイビング加工を可能な専用加工機として、軸数を５軸加工機とは異なる構成を有する加工機を適用することもできる。

工具３は、工作物Ｗの加工に用いる回転工具である。例えば、工具３は、エンドミル、スカイビングカッタ等である。本例において、工具３は、スカイビング加工により工作物Ｗに歯車を創成する際に用いるスカイビングカッタを例に挙げて説明する。

工作機械本体２は、横形マシニングセンタを例に挙げて説明するが、立形マシニングセンタを適用することもできる。また、工作機械本体２は、工具３と工作物Ｗとを相対的に移動させる構成は、適宜選択可能である。本例では、工作機械本体２は、工具３をＹ軸及びＺ軸に移動可能とし、工作物ＷをＸ軸、Ｂ軸及びＣ軸に移動可能とする。

工作機械本体２は、ベッド１０と、工作物保持装置２０と、工具保持装置３０と、制御装置４０とを備える。ベッド１０は、略矩形状に形成される。工作物保持装置２０は、移動テーブル２１と、旋回テーブル２２と、工作物主軸台２３とを主に備える。移動テーブル２１は、ベッド１０に対してＸ軸方向に相対移動可能に設けられる。具体的に、ベッド１０には、Ｘ軸方向（図１上下方向）へ延びる一対のＸ軸ガイドレール１１が設けられ、移動テーブル２１は、図示しないリニアモータ又はボールねじ機構によって駆動されることにより、一対のＸ軸ガイドレール１１に案内されながらＸ軸方向へ往復移動する。

旋回テーブル２２は、移動テーブル２１の上面に設置され、移動テーブル２１と一体的にＸ軸方向へ往復移動する。また、旋回テーブル２２は、移動テーブル２１に対し、Ｙ軸方向に平行なＢ軸周りに旋回可能に設けられる。旋回テーブル２２には、図示しない旋回モータが収納され、旋回テーブル２２は、旋回モータに駆動されることでＢ軸周りに旋回する。

工作物主軸台２３は、旋回テーブル２２に設置され、旋回テーブル２２と一体的にＢ軸周りに旋回する。工作物主軸台２３には、Ｂ軸に直交するＣ軸周りに回転可能に保持された工作物主軸２４が設けられる。そして、工作物主軸２４には、工作物Ｗが着脱可能に装着される。工作物主軸台２３の内部には、工作物主軸２４を回転させる工作物回転モータ（図示せず）と、工作物主軸２４の回転角度を検出するエンコーダ等の検出器（図示せず）が設けられる。このように、工作物保持装置２０は、工作物Ｗを、ベッド１０に対して、Ｘ軸方向へ移動可能とし、且つ、Ｂ軸及びＣ軸の回転可能に保持する。

工具保持装置３０は、コラム３１と、サドル３２と、工具主軸台３３とを主に備える。コラム３１は、ベッド１０に対してＺ軸方向に移動可能に設けられる。具体的に、ベッド１０には、Ｚ軸方向（図１左右方向）へ延びる一対のＺ軸ガイドレール１２が設けられ、コラム３１は、図示しないリニアモータに駆動されることにより、一対のＺ軸ガイドレール１２に案内されながらＺ軸方向へ往復移動する。

サドル３２は、コラム３１における工作物Ｗ側の側面であって、Ｚ軸方向に直交する平面に平行な一側面に配置される。このコラム３１の側面には、Ｙ軸方向（図１紙面垂直方向）へ延びる一対のＹ軸ガイドレール３４が設けられ、サドル３２は、図示しないリニアモータに駆動されることで、Ｙ軸方向へ往復移動する。

工具主軸台３３は、サドル３２に設置されると共に、サドル３２と一体的にＹ軸方向へ移動する。工具主軸台３３には、Ｚ軸に平行な軸線周りに回転可能に設けられた工具主軸３５が設けられる。工具主軸３５には、工具３が着脱可能に装着される。工具主軸台３３の内部には、工具主軸３５を回転させる工具回転モータ（図示せず）と、工具主軸３５の回転角度を検出するエンコーダ等の検出器（図示せず）とが設けられる。このように、工具保持装置３０は、工具３を、工作物保持装置２０に対して、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に相対移動可能とし、且つ、回転可能に保持する。

制御装置４０は、工作機械本体２に関する全般的な制御を行う。例えば、制御装置４０は、工作機械本体２に設けられた各種モータの駆動制御を通して、移動テーブル２１、コラム３１及びサドル３２の位置制御や旋回テーブル２２の旋回制御、工作物主軸２４及び工具主軸３５の回転制御等を行う。

（２．振動検出装置５０及び振動解析装置１００の概要）
図２に示すように、工作機械システム１は、さらに、複数の振動検出装置５０と、振動解析装置１００とを備える。振動検出装置５０は、工作機械本体２を構成する構造体の振動を検出可能な３軸の加速度センサである。振動検出装置５０は、検出したい振動によっては、１軸や２軸等の加速度センサとしてもよい。振動検出装置５０が装着される構造体としては、移動テーブル２１や工作物主軸台２３、コラム３１、工具主軸３５等が例示される。なお、振動検出装置５０は、工作機械本体２に１つだけ設けることも可能である。

振動解析装置１００は、振動検出装置５０による検出結果に基づき、工作機械本体２又は工具３に状態変化が発生したか否かを判定すると共に、当該状態変化の発生箇所や発生要因等の特定するための解析を行う。状態変化には、工具３又は工作機械本体２を構成する部品において突発的に発生する異常による変化に加え、使用に伴う工作機械本体２の経年変化が含まれる。例えば、状態変化には、軸受や摺動部分などの構成部品の摩耗、工具３の摩耗、工具３の折損等が含まれる。また、経年変化には、異常と認められる程度の変化のみならず、異常に至る前の変化を含む。

つまり、振動解析装置１００は、工作機械本体２を構成する部品の一部に摩耗等（即ち、状態変化）が発生していることを、工作機械本体２に発生する振動の変化を解析することにより把握する。この場合、工作機械システム１は、工作機械本体２における部品の摩耗等を把握することができるので、加工した工作物Ｗが不良品となることを未然に防止できたり、工作機械本体２の重大な異常に至ることを防止できたりする。

（３．振動解析装置１００の構成）
振動解析装置１００の構成について、図２を参照して説明する。振動解析装置１００は、検出結果取得部１１０と、状態変化判定部１２０と、判定用データ記憶部１３０と、工具状態判定部１４０と、本体状態解析部１５０と、状態変化データベース１６０と、解析モデル記憶部１７０と、解析結果提示部１８０とを主に備える。

検出結果取得部１１０は、振動検出装置５０による検出結果を取得する。状態変化判定部１２０は、検出結果取得部１１０が取得した検出結果を用いて所定の解析処理を行い、当該解析処理の結果に基づき、工作機械本体２又は工具３に状態変化が発生したか否かを判定する。判定用データ記憶部１３０は、状態変化判定部１２０が工作機械システム１に状態変化が発生したか否かを判定する際に用いるデータ等を記憶する。なお、判定用データ記憶部１３０に記憶されるデータ等、及び、当該データ等を用いた状態変化判定部１２０の判定手順については、例を挙げながら後述する。

工具状態判定部１４０は、状態変化判定部１２０によって工作機械システム１に状態変化が発生したと判定されたときに、当該状態変化が工具３に発生したか否かを判定する。本体状態解析部１５０は、状態変化判定部１２０によって工作機械システム１に状態変化が発生したと判定されたときに、工作機械本体２における状態変化の発生箇所や発生要因を特定するための解析処理を行う。

状態変化データベース１６０には、例えば、状態変化が発生したと判定されたときの振動検出装置５０の検出結果と、状態変化の発生箇所や発生要因等とを紐づけた状態変化データが蓄積される。状態変化データベース１６０に蓄積された状態変化データは、工具状態判定部１４０による判定や本体状態解析部１５０による解析を行う際に参照される。また、状態変化データベース１６０に蓄積された状態変化データは、新たな工作機械システム１の開発や設計等を行う際の参考資料として用いることもできる。

解析モデル記憶部１７０は、本体状態解析部１５０による解析処理において用いる振動解析モデルＭを記憶する。振動解析モデルＭについては後述する。解析結果提示部１８０は、工作機械システム１に設けられた表示装置等（図示せず）に対し、工具状態判定部１４０による判定結果、又は、本体状態解析部１５０による解析処理結果を提示する。

（４．振動解析モデルＭの一例）
解析モデル記憶部１７０に記憶される振動解析モデルＭの一例について、図３を参照して説明する。振動解析モデルＭは、工作機械本体２を構成する複数の構造体を表す剛体どうしをバネ要素Ｓ及びダンパ要素Ｄで互いに連結することにより形成される。図３に示された各剛体には、図１に示された工作機械本体２の各構造体に対応し、各々の剛体には、対応する各構造体の符号が付されている。なお、図３に示す剛体の形状は、一例であり、必ずしも対応する各構造体の形状に合わせた形状でなくてもよい。

振動解析モデルＭは、状態が良好である工作機械本体２の各構造体に対してハンマリング試験を行うことで得られた振動特性データに基づいて作成されたモデルである。即ち、振動解析モデルＭは、良好な状態の工作機械本体２に対応する。振動解析モデルＭにおいて、各々の剛体は、対応する構造体の質量及び重心位置に関する情報を含む。振動解析モデルＭにおいて、バネ要素Ｓ及びダンパ要素Ｄは、例えば、工作機械本体２に設けられたリニアガイドや軸受等と対応する位置に配置される。また、バネ要素Ｓのバネ定数及びダンパ要素Ｄの減衰係数は、ハンマリング試験で得られたデータに基づいて設定される。

（５．本体状態解析部１５０の構成）
次に、振動解析装置１００を構成する本体状態解析部１５０の構成について、図４を参照して説明する。図４に示すように、本体状態解析部１５０は、状態変化候補抽出部１５１と、モデル調整部１５２と、動特性解析部１５３と、解析結果判定部１５４とを備える。

状態変化候補抽出部１５１は、状態変化判定部１２０において行われた解析処理の結果に基づき、推定される状態変化の発生箇所や発生要因等の候補（以下「状態変化候補」と称す）を抽出する。例えば、状態変化候補抽出部１５１は、状態変化データベース１６０に記憶された状態変化データの中から、振動検出装置５０の検出結果に近似する状態変化データを抽出する。モデル調整部１５２は、工作機械本体２に対応する振動解析モデルＭを調整する。本体状態解析部１５０は、振動解析モデルＭを用いて、工作機械本体２の状態変化の発生箇所を特定する。

モデル調整部１５２は、状態変化が発生した工作機械本体２に振動解析モデルＭが近似するように、振動解析モデルＭのバネ定数及び減衰係数を調整する。ここで、状態変化データベース１６０には、状態変化候補抽出部１５１で抽出される状態変化候補に紐づけられた振動解析モデルＭのバネ定数及び減衰係数に関する調整値が状態変化データとして記憶される。そして、モデル調整部１５２は、当該状態変化データに基づき、振動解析モデルＭのバネ定数及び減衰係数を調整する。

動特性解析部１５３は、モデル調整部１５２による調整後の振動解析モデルＭを対象とする動特性を解析する。解析結果判定部１５４は、振動検出装置５０による検出結果に基づく動特性の解析結果と動特性解析部１５３による解析結果とに基づき、調整後の振動解析モデルＭの動特性が工作機械本体２の動特性に近似するか否かの判定を行う。

（６．状態変化の判定方法）
次に、状態変化判定部１２０による状態変化の判定方法について、例を挙げながら説明する。以下に、判定方法の第一例と第二例を説明する。

（６－１．状態変化の判定方法の第一例）
状態変化の判定方法の第一例について説明する。第一例において、状態変化判定部１２０は、振動検出装置５０から取得した検出結果の周波数解析を行い、その解析結果に基づいて状態変化があったか否かを判定する。

具体的に、振動検出装置５０は、まず、工作物Ｗの加工を行わずに工作物Ｗ及び工具３を回転させている状態（空転状態）で工作機械本体２の各構造体の振動を検出する。そして、検出結果取得部１１０は、振動検出装置５０による検出結果を取得し、状態変化判定部１２０は、当該検出結果の周波数解析を行う。なお、図５Ａには、空転状態での各構造体の振動検出結果を周波数解析した空転時解析データＤ１の一例が図示されている。

また、振動検出装置５０は、工作物Ｗの加工時に工作機械本体２の各構造体に発生する振動を検出する。そして、検出結果取得部１１０は、振動検出装置５０による検出結果を取得し、状態変化判定部１２０は、当該検出結果の周波数解析を行う。なお、図５Ｂには、状態が良好である工作機械本体２及び工具３を用いた加工時における各構造体の振動検出結果を周波数解析した加工時解析データＤ２の一例が図示されている。

続いて、状態変化判定部１２０は、空転時解析データＤ１と加工時解析データＤ２との差分を取ることにより、工作物Ｗの加工に伴って発生する振動の周波数を抽出する。具体的に、状態変化判定部１２０は、以下の式（１）を用いて周波数ごとのパワースペクトルを基準化（標準化）した基準化スペクトルを算出する。つまり、基準化スペクトルとは、加工を行っているときのパワースペクトルの値から加工を行っていない時のパワースペクトルの値を引き、さらにパワースペクトルの標準偏差で割る基準化演算である。

［数１］
Ｄｉ＝（Ｘｉ－ａｉ）／σｉ・・・（１）

式（１）において、Ｄｉは、周波数ｉにおける基準化スペクトルである。Ｘｉは、周波数ｉにおける加工時のパワースペクトルであり、ａｉは、周波数ｉにおける空転時のパワースペクトルの平均値であり、σｉは、周波数ｉにおける空転時のパワースペクトルの標準偏差である。なお、図５Ｃには、状態が良好である工作機械本体２及び工具３を用いた加工を行った場合において、周波数と基準化スペクトルとの関係を示した基準化波形データＤ３の一例が図示されている。

また、判定用データ記憶部１３０には、状態が良好である工作機械本体２及び工具３を用いて工作物Ｗを加工したときの基準化スペクトルが記憶されている。そして、状態変化判定部１２０は、振動検出装置５０による検出結果から得られる基準化スペクトルと、判定用データ記憶部１３０に記憶された基準化スペクトルとを比較する。

続いて、図６Ａ－図６Ｄを参照して、工作機械本体２に状態変化が発生した場合に導出される基準化スペクトルを示す基準化波形データについて、例を挙げながら説明する。なお、図６Ａには、良好な状態である工作機械システム１を用いて工作物Ｗを加工したときに得られる良好時基準化波形データＺのみが示されている。

図６Ｂには、良好ではない状態における基準化波形データＺ１が示されている。基準化波形データＺ１は、良好時基準化波形データＺと比べて、周波数ｆ１におけるピーク値が大きくなっている。このように、状態変化判定部１２０は、振動検出装置５０による検出結果から得られる基準化スペクトルにおいて特定の周波数でのピーク値が所定の閾値を超える場合（閾値の上限を上回る場合、或いは、下限を下回る場合）に、工作機械本体２又は工具３に何らかの状態変化が発生したと判断する。なおこの場合、工作機械本体２の一部分において減衰力が低下していることが推測される。

図６Ｃには、良好ではない状態における他の基準化波形データＺ２が示されている。基準化波形データＺ２は、良好時基準化波形データＺと比べて、ピーク値を取る周波数にズレが生じている。例えば、図６Ａに示すように、良好時基準化波形データＺでは、周波数ｆ１においてピーク値をとるのに対し、図６Ｃに示すように、基準化波形データＺ２では、周波数ｆ１よりも低い周波数ｆ４でピーク値をとる。このように、状態変化判定部１２０は、基準化波形データにおいてピーク値を取る周波数と良好時基準化波形データＺにおいてピーク値を取る周波数とのズレが、予め設定した閾値を超える場合（閾値の上限を上回る場合、或いは、下限を下回る場合）に、工作機械本体２又は工具３に何らかの状態変化が発生したと判断する。なおこの場合、工作機械本体２の一部分において剛性が低下していることが推測される。

図６Ｄには、良好ではない状態における他の基準化波形データＺ３が示されている。基準化波形データＺ３は、良好時基準化波形データＺが有する全ての周波数帯ｆ１，ｆ２，ｆ３においてピーク値をとる。しかし、基準化波形データＺ３は、良好時基準化波形データＺではピーク値をとらない新たな周波数帯に含まれる周波数ｆ５においてピーク値をとる。つまり、状態変化判定部１２０は、工作機械本体２及び工具３の状態が良好であれば発生しない周波数成分の振動が発生した場合に、工作機械本体２又は工具３に何らかの状態変化が発生したと判断する。

（６－２．状態変化の判定方法の第二例）
状態変化の判定方法の第二例について説明する。第二例において、状態変化判定部１２０は、予め生成された振動に関する学習済みモデルを用いて、工作機械本体２又は工具３に状態変化があったか否かの判定を行う。

振動に関する学習済みモデルは、例えば、複数の振動検出装置５０から得られた検出結果を示す波形データと、工作機械本体２又は工具３における状態変化の有無を示す状態変化結果データ（教師データ）とを訓練データセットとする機械学習を行うことにより生成されたモデルである。ここでの機械学習は、教師あり学習である。

このようにして生成された学習済みモデルは、学習済みモデル記憶部としての判定用データ記憶部１３０に記憶される。そして、状態変化判定部１２０は、複数の振動検出装置５０から得られた検出結果と振動に関する学習済みモデルとに基づいて、工作機械本体２又は工具３に状態変化があったか否かの判定を行う。即ち、振動に関する学習済みモデルは、複数の振動検出装置５０から得られた検出結果を振動に関する学習済みモデルに入力すると、工作機械本体２又は工具３に状態変化が発生しているか否かの判定結果を出力する。

なお、振動に関する学習済みモデルは、状態変化のない良好な工作機械本体２及び工具３を用いて工作物Ｗを加工したときに複数の振動検出装置５０から得られた検出結果である複数の波形データ（良好時波形データ）を教師データとする機械学習を行うことにより生成された学習済みモデルであってもよい。この場合、状態変化判定部１２０は、複数の振動検出装置５０から得られた検出結果である実波形データと良好時波形データとの差分が一定の範囲を超える場合に、工作機械本体２又は工具３に状態変化が発生したと判定する。

また、振動に関する学習済みモデルは、工作物Ｗを加工せずに工作物Ｗ及び工具３を回転（空転）させた状態で振動検出装置５０による検出を行った際に得られた波形データ（空転時波形データ）を訓練データセットに含めてもよい。この場合、振動に関する学習済みモデルは、空転時における工作機械本体２の各構造体の振動と、加工時における工作機械本体２の各構造体の振動との差を訓練データセットとすることができる。その結果、状態変化判定部１２０は、工作機械本体２又は工具３に状態変化があったか否かの判定に関して、その判定精度を向上させることができる。

（７．動特性解析部１５３による解析）
次に、動特性解析部１５３が行う動特性解析について、図７を参照して説明する。図７には、周波数とコンプライアンスとの関係を示す２つのグラフが示されている。２つのグラフのうち、実線で示すグラフＸは、解析モデル記憶部１７０に記憶された振動解析モデルＭを対象として行った動特性の解析結果を示すグラフである。換言すれば、実線で示すグラフＸは、状態変化のない良好な工作機械本体２から得られる動特性を示す。これに対し、破線で示すグラフＹは、状態変化が発生した工作機械本体２を対象として行った動特性の解析結果の一例を示したグラフである。

解析結果判定部１５４は、モデル調整部１５２によりバネ定数や減衰係数を調整した後の振動解析モデルＭの動特性が、状態変化の発生した工作機械本体２の動特性に近似するか否かの判定を行う。例えば、解析結果判定部１５４は、調整後の振動解析モデルＭの動特性においてコンプライアンスが大きくなるときの周波数（即ち、共振周波数）が、工作機械本体２の動特性を示すグラフＹにおいてコンプライアンスが大きくなるときの周波数に近似するかを判定する。

このように、本体状態解析部１５０は、状態変化候補抽出部１５１による抽出された状態変化候補に基づいて調整した振動解析モデルＭの動特性（予測値）を解析し、状態変化候補の中で最も工作機械本体２の動特性（実測値）に近似する状態変化候補を特定する。振動検出装置５０による検出結果から得られる工作機械本体２の動特性が、振動特性の実測値である。振動解析モデルＭの動特性が、工作機械本体２の振動特性の予測値である。そして、解析結果提示部１８０によって、例えば、工作機械本体２の動特性に近似すると判定された調整後の振動解析モデルＭに関して、良好な状態の振動解析モデルＭからバネ定数や減衰係数を変更した箇所が提示される。

提示された判定結果を確認した作業者は、振動解析モデルＭにおいてバネ定数や減衰係数が変更された箇所と対応する位置に配置される部品（例えば、軸受等）に何らかの状態変化（突発的な異常の発生、使用に伴う劣化）が発生した可能性が高いと判断できる。そして、作業者は、状態変化が発生した疑いのある部品まわりを中心に点検等を行うことにより、状態変化への対応を効率的かつ的確に行うことができる。

なお、本体状態解析部１５０は、工作機械システム１に設けられた複数の振動検出装置５０から得られた検出結果の各々を用いて解析を行う。また、本実施形態において、振動検出装置５０は、３軸の加速度センサであり、本体状態解析部１５０は、各々の振動検出装置５０から得られる各方向への振動について解析を行う。これにより、本体状態解析部は、工作機械システム１を用いてスカイビング加工のような複雑な加工を行う場合であっても、状態変化の発生箇所を的確に特定することができる。

また、状態変化データベース１６０には、振動検出装置５０による検出結果と、状態変化の発生要因とを紐づけて記憶することが可能である。そして、解析結果提示部１８０は、状態変化の発生箇所に加え、状態変化の発生要因を併せて表示することも可能である。この場合、工作機械システム１は、工作機械本体２の点検等に関する経験が少ない作業者が点検等を行う場合であっても、状態変化の発生要因を効率的に特定することができる。

（８．状態変化判定処理）
次に、図８に示すフローチャートを参照しながら、振動解析装置１００により実行される状態変化判定処理について説明する。状態変化判定処理は、工作機械本体２又は工具３に状態変化が発生したか否かの判定を行う。振動解析装置１００は、１つの工作物Ｗに対する加工が終了する毎に状態変化判定処理を行ってもよく、加工した工作物Ｗの数が一定数に到達する毎に状態変化判定処理を行ってもよい。

図８に示すように、検出結果取得部１１０は、状態変化判定処理として実行する最初の処理として、工作機械本体２に設けられた全ての振動検出装置５０から検出結果を取得する（Ｓ１）。次に、状態変化判定部１２０は、当該検出結果に基づき、工作機械本体２又は工具３に状態変化が発生したか否かを判定する（Ｓ２）。例えば、状態変化判定部１２０は、上記した第一例又は第二例の状態変化判定を行うことにより、状態変化が発生したか否かの判定を行う。

その結果、状態変化が発生したと判定された場合（Ｓ２：Ｙｅｓ）、振動解析装置１００は、状態変化解析処理（Ｓ３）を実行する。これに対し、振動解析装置１００は、状態変化が発生していないと判定された場合（Ｓ２：Ｎｏ）、工作機械本体２及び工具３の状態が良好であると判断できるので、そのまま本処理を終了する。

このように、振動解析装置１００は、状態変化判定処理において、工作機械本体２及び工具３に状態変化があったか否かを判定し、状態変化があった場合に、状態変化の発生箇所等を特定するための解析を行う。よって、工作機械システム１は、工作機械本体２及び工具３の状態が良好である場合に、振動解析装置１００による解析に要する時間を短縮することができる。

（９．状態変化解析処理）
次に、図９に示すフローチャートを参照しながら、状態変化判定処理の中で実行される状態変化解析処理（Ｓ３）について説明する。状態変化解析処理（Ｓ３）は、主として、状態変化の発生箇所を特定するための解析を行う。

図９に示すように、工具状態判定部１４０は、状態変化解析処理（Ｓ３）として実行する最初の処理として、振動検出装置５０の検出結果に振動変化があったか否かの判定を行う（Ｓ１１）。振動変化がある場合とは、例えば、加工周期で振動レベルが増加する場合や、工具刃が１枚欠けたときに、その刃が加工する周期で振動レベルが変化した場合等である。つまり、当該振動変化は、工具３に何らかの状態変化があった場合に生じる。

当該振動変化があると判定された場合（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、本体状態解析部１５０は、後述するＳ１６の処理へ移行する。一方、当該振動変化がないと判定された場合に（Ｓ１１：Ｎｏ）、振動解析装置１００は、工作機械本体２に状態変化が発生したと判断し、本体状態解析部１５０による解析処理として、以下に示すＳ１２－Ｓ１５の処理を行う。

このように、振動解析装置１００は、工作機械本体２又は工具３に状態変化が発生したと判定された場合に、まずは、工具３に状態変化が発生したか否かの判定を行う。この点に関し、工具３は、工作機械本体２と比べて状態変化の発生頻度が高い。よって、振動解析装置１００は、工具３に状態変化が発生したか否かの判定を先に行うことにより、振動解析装置１００による解析に要する時間を短縮できる。

工作機械本体２に状態変化が発生したと判断されると（Ｓ１１：Ｎｏ）、状態変化候補抽出部１５１は、工作機械本体２における状態変化候補を抽出する（Ｓ１２）。Ｓ１２の処理において、状態変化候補抽出部１５１は、状態変化判定部１２０が行う解析処理の結果と状態変化データベース１６０に記憶された状態変化データとに基づき、工作機械本体２に発生した状態変化として予想される複数の状態変化候補を抽出する。

Ｓ１２の処理後、モデル調整部１５２は、抽出された複数の状態変化候補の中から１つを選択し、振動解析モデルＭのバネ定数及び減衰係数を調整する（Ｓ１３）。具体的に、モデル調整部１５２は、状態変化候補に紐づけられた振動解析モデルＭの調整データに倣い、解析モデル記憶部１７０に記憶された振動解析モデルＭのバネ定数及び減衰係数を調整する。

Ｓ１３の処理後、動特性解析部１５３は、振動検出装置５０による検出結果から得られる工作機械本体２の動特性、及び、Ｓ１３の処理において調整された振動解析モデルＭの動特性の解析を行う（Ｓ１４）。続いて、解析結果判定部１５４は、動特性解析部１５３による解析結果に基づき、調整された振動解析モデルＭの動特性が、状態変化が発生した工作機械本体２の動特性に近似するか否かを判定する（Ｓ１５）。

その結果、振動解析モデルＭの動特性（予測値）が工作機械本体２の動特性（実測値）と近似していなければ（Ｓ１５：Ｎｏ）、直前に実行したＳ１３の処理で選択した状態変化候補とは異なる状態変化が工作機械本体２に発生していると判断できる。よってこの場合、本体状態解析部１５０は、Ｓ１３の処理に戻り、Ｓ１３－Ｓ１５の処理をまだ実行していない他の状態変化候補についての動特性解析を行う。これに対し、振動解析モデルＭの動特性（予測値）が工作機械本体２の動特性（実測値）に近似していれば（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、振動解析装置１００は、今回解析を行った状態変化候補が、工作機械本体２に発生した状態変化であると特定する。よってこの場合、振動解析装置１００は、Ｓ１６の処理へ移行する。

そして、Ｓ１６の処理において、解析結果提示部１８０は、Ｓ１２の処理又はＳ１５の処理で特定された状態変化の発生箇所を表示装置等に提示する。またこのとき、解析結果提示部１８０は、状態変化データベース１６０において、今回特定された状態変化に紐づけられた振動発生要因を併せて提示する。

以上説明したように、本体状態解析部１５０は、振動検出装置５０による検出結果から得られる工作機械本体２の振動特性の実測値と、振動解析モデルＭから得られる振動特性の予測値とに基づき、工作機械本体２の状態を解析し、状態変化の発生箇所を特定する。よって、振動解析装置１００は、工作機械本体２における状態変化の発生箇所を的確に推定できる。

さらに、本体状態解析部１５０は、状態変化データベース１６０に記憶された内容に基づいて工作機械本体２における状態変化の発生要因を特定し、解析結果提示部１８０に提示する。これにより、作業者は、状態変化の発生箇所を容易に特定することができる。

なお、解析モデル記憶部１７０に記憶する振動解析モデルＭは、対応する工作機械本体２の使用状態に応じて適宜更新することが望ましい。即ち、工作機械本体２の各構成の振動特性は、使用に伴う経年変化により変化する場合がある。これに対し、振動解析装置１００は、解析モデル記憶部１７０に記憶する振動解析モデルＭ、即ち、状態が良好である工作機械本体２に対応する振動解析モデルＭを更新することにより、工作機械システム１による工作物Ｗの加工を最適な条件で行うことができる。

例えば、振動解析装置１００は、工作機械システム１による工作物Ｗの加工数が一定数に到達する毎に、振動解析モデルＭを更新してもよい。また、振動解析装置１００は、工作機械本体２から得られる基準化スペクトルと判定用データ記憶部１３０に記憶された基準化スペクトルとの差分の出方に一定の傾向が継続して現れたときに、振動解析モデルＭを更新してもよい。例えば、所定の範囲（例えば、片側又は両側の閾値等により設定された範囲）内で一定の傾向の変化が生じている場合が該当する。なお、当該場合とは、例えば、直近の複数回の加工において、ピーク値をとる周波数のズレ方や、特定の周波数におけるピーク値の差に同じ傾向が継続して現れる場合等が例示される。また、振動解析装置１００は、工作機械本体２を構成する部品の一部を交換する毎に、振動解析モデルＭを更新してもよい。

ここで、本実施形態では、振動解析モデルＭが、複数の構造体を表す剛体どうしをバネ要素Ｓ及びダンパ要素Ｄで互いに連結することにより形成された、いわゆるリジッドボディモデルである場合を例に挙げて説明したが、有限要素法モデル（いわゆるＦＥＭモデル）であってもよい。なお、振動解析モデルＭがリジッドボディモデルである場合には、ＦＥＭであると比べて、振動解析モデルＭを簡素化できるので、本体状態解析部１５０による解析に要する時間を短縮できる。一方、振動解析モデルＭがＦＥＭである場合には、リジッドボディモデルである場合と比べて、解析の精度を高めることができる。

また、状態変化判定部１２０は、工作機械本体２又は工具３に突発的な異常の発生に起因する状態変化があった場合に、工作機械本体２又は工具３に状態変化があったと判定する。よって、作業者は、工作機械システム１における異常の発生箇所を容易に特定できる。これに加え、状態変化判定部１２０は、工作機械本体２の使用に伴う経年変化に起因する状態変化があった場合に、工作機械本体２又は工具３に状態変化があったと判定する。つまり、振動解析装置１００は、工作機械本体２の経年変化によって加工後の工作物Ｗに不良が発生する前に工作機械本体２の状態変化を見つけることにより、不良品となる工作物Ｗの発生を未然に防止できる。

なお、本実施形態では、工具３がスカイビングカッタである場合を例に挙げて説明したが、工具３は、スカイビングカッタ以外の工具（例えば、エンドミル等）である場合においても本発明を適用することができる。

１：工作機械システム、 ２：工作機械本体、 ３：工具、 ５０：振動検出装置、 １００：振動解析装置、 １１０：検出結果取得部、 １２０:状態変化判定部、 １３０:判定用データ記憶部、 １４０：工具状態判定部、 １５０：本体状態解析部、 １６０：状態変化データベース（学習済みモデル記憶部）、 １７０：解析モデル記憶部、 Ｄ：ダンパ要素、 Ｓ：バネ要素、 Ｗ：工作物

Claims (11)

1. 複数の構造体により構成される工作機械本体と、前記工作機械本体に保持される工具とを備えた工作機械システムの振動解析装置であって、
   前記工具を用いて工作物を加工するときの前記工作機械本体の振動を検出する振動検出装置と、
   状態変化前の前記工作機械本体に対応した状態変化前の振動解析モデルを記憶する解析モデル記憶部と、
   前記工作機械本体の状態変化後において前記振動検出装置による検出結果から得られる前記工作機械本体の振動特性の実測値に基づいて、当該実測値に対応する振動特性を有する状態変化後の前記振動解析モデルを取得し、状態変化前後の前記振動解析モデルに基づいて、前記工作機械本体における状態変化の発生箇所を特定する本体状態解析部と、
   を備える、工作機械システムの振動解析装置。
2. 前記振動解析モデルは、調整可能な要素を有しており、
   前記本体状態解析部は、前記振動解析モデルの調整可能な要素を調整することにより、状態変化後の前記振動解析モデルを取得する、請求項１に記載の工作機械システムの振動解析装置。
3. 前記本体状態解析部は、前記工作機械本体における状態変化の発生箇所及び発生要因を特定する、請求項１又は２に記載の工作機械システムの振動解析装置。
4. 前記振動解析モデルは、前記複数の構造体をバネ要素及びダンパ要素で互いに連結することにより形成される、請求項１－３の何れか１項に記載の工作機械システムの振動解析装置。
5. 前記本体状態解析部は、
   前記バネ要素のバネ定数及び前記ダンパ要素の減衰係数の少なくとも一方を調整し、前記振動解析モデルを前記工作機械本体の状態に近似させることにより、状態変化後の前記振動解析モデルを取得し、
   調整された前記バネ要素及び前記ダンパ要素の少なくとも一方の箇所を、前記工作機械本体における状態変化の発生箇所として特定する、請求項４に記載の工作機械システムの振動解析装置。
6. 前記工作機械本体の状態変化は、前記工作機械本体における突発的な異常の発生に起因する状態変化を含む、請求項１－５の何れか１項に記載の工作機械システムの振動解析装置。
7. 前記工作機械本体の状態変化は、前記工作機械本体の使用に伴う経年変化に起因する状態変化を含む、請求項１－５の何れか１項に記載の工作機械システムの振動解析装置。
8. 前記工作機械システムの振動解析装置は、さらに、
   前記振動検出装置による検出結果に基づき、状態変化が前記工作機械本体と前記工具の何れにあったかを判定する状態変化判定部を備え、
   前記本体状態解析部は、前記状態変化判定部により前記工作機械本体に状態変化があったと判定された場合に、前記工作機械本体における状態変化の発生箇所を特定する、請求項１－７の何れか１項に記載の工作機械システムの振動解析装置。
9. 前記状態変化判定部は、前記振動検出装置による検出結果を周波数解析して得られた波形データに基づき、状態変化が前記工作機械本体と前記工具の何れにあったかを判定する、請求項８に記載の工作機械システムの振動解析装置。
10. 前記工作機械システムの振動解析装置は、さらに、
    前記振動検出装置による検出結果と、前記工作機械本体の状態変化の有無及び前記工具における状態変化の有無との関係を表す振動に関する学習済みモデルを記憶する学習済みモデル記憶部を備え、
    前記状態変化判定部は、前記振動検出装置による検出結果と前記学習済みモデルとに基づいて状態変化が前記工作機械本体と前記工具の何れにあったかを判定する、請求項８に記載の工作機械システムの振動解析装置。
11. 前記工作機械システムの振動解析装置は、さらに、
    前記工作機械本体又は前記工具に状態変化があったと判定された場合に、当該状態変化の発生箇所が前記工具であるか否かを判定する工具状態判定部を備え、
    前記本体状態解析部は、状態変化の発生箇所が前記工具ではないと判定された場合に、前記工作機械本体における状態変化の発生箇所を特定する、請求項８－１０の何れか１項に記載の工作機械システムの振動解析装置。

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