WO2020208685A1 - 数値制御装置およびびびり振動の発生判定方法 - Google Patents

数値制御装置およびびびり振動の発生判定方法 Download PDF

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WO2020208685A1
WO2020208685A1 PCT/JP2019/015327 JP2019015327W WO2020208685A1 WO 2020208685 A1 WO2020208685 A1 WO 2020208685A1 JP 2019015327 W JP2019015327 W JP 2019015327W WO 2020208685 A1 WO2020208685 A1 WO 2020208685A1
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WO
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timing signal
spindle
control device
phase difference
numerical control
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PCT/JP2019/015327
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English (en)
French (fr)
Inventor
遼輔 池田
一樹 高幣
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Priority to JP2020555927A priority patent/JP6987275B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines

Definitions

  • the present invention relates to a numerical control device for determining the occurrence of chatter vibration in a machine tool and a method for determining the occurrence of chatter vibration.
  • Machine tools that removes the object to be machined into a desired shape by changing the relative position between the object to be machined and the tool.
  • Machine tools such as milling machines and lathes mount tools or objects to be machined on the spindle and rotate the spindle to perform machining.
  • vibration called “chatter vibration” may occur.
  • chatter vibration occurs, the accuracy of the finished surface deteriorates and the tool may be damaged.
  • vibration is measured twice at predetermined time intervals during processing, and the second measurement result has a larger amplitude in the frequency domain and a phase in the frequency domain as compared with the first measurement result.
  • a method for determining that chatter vibration has occurred when the values are different is disclosed.
  • the technique described in Patent Document 1 has a problem that it takes a long time to determine whether or not chatter vibration occurs during processing.
  • frequency analysis such as FFT (Fast Fourier Transform) has a restriction that the frequency resolution ⁇ F is inversely proportional to the data acquisition time T due to its calculation algorithm. Therefore, in order to obtain a frequency resolution ⁇ F sufficient for determining chatter vibration, the data acquisition time becomes long. Further, in the technique described in Patent Document 1, since it is necessary to perform the measurement twice at a predetermined time, the time for measuring the vibration during processing becomes long.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a numerical control device capable of shortening the time required for determining chatter vibration.
  • the numerical control device includes a drive command unit that gives an operation command to the spindle and the feed shaft of the machine tool, and a tool or a machining object attached to the machine tool.
  • a sensor signal processing unit that generates multiple types of state quantities based on the sensor signal that detects the vibration of the spindle, and a timing signal generation unit that periodically generates and outputs a timing signal at a timing synchronized with the rotation of the spindle.
  • a phase difference calculation unit that generates a non-dimensional quantity indicating a plurality of types of state quantities in the state space for each timing signal and calculates the phase difference information indicating the difference between the phases of the non-dimensional quantity, and the phase difference information. It is characterized by including a vibration determination unit for determining the occurrence of chatter vibration in a machine tool based on the variation of the above.
  • the figure for demonstrating the filter characteristic of the filter processing part shown in FIG. The figure which shows the relationship between the timing signal output by the timing signal generation part shown in FIG. 1 and the angle command of a spindle.
  • the figure which shows the dimensionless quantity calculated by the phase difference calculation part shown in FIG. The figure which shows an example of the transition of the phase difference calculated by the phase difference calculation unit shown in FIG. 1 when chatter vibration occurs.
  • the figure which shows the phase difference of the dimensionless quantity obtained from the experimental result shown in FIG. It is an experimental result when chatter vibration does not occur, and is a diagram showing the waveform of acceleration generated during machining.
  • the figure which shows the phase difference of the dimensionless quantity obtained from the experimental result shown in FIG. The figure which shows the 1st example for demonstrating the process of the vibration determination part shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a functional configuration of the numerical control device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the numerical control device 1 numerically controls the machine tool 100 by giving an operation command 208 to the machine tool 100.
  • the machine tool 100 has a spindle 101 and a feed shaft 102 equipped with a motor driven by an operation command 208.
  • the object to be machined is installed on the spindle 101, and the tool is installed on the feed shaft 102.
  • the machine tool 100 outputs operation information 209 including at least the positions, speeds, and motor currents of the spindle 101 and the feed shaft 102 to the numerical control device 1.
  • the number of blades of the tool is one.
  • a sensor 103 is attached to the machine tool 100.
  • the sensor 103 outputs a sensor signal 200 that detects the vibration of the tool or the object to be machined to the numerical control device 1.
  • the sensor 103 is attached to the structure of the spindle 101 or the feed shaft 102 of the machine tool 100.
  • the position where the sensor 103 is attached may be any position where vibration of the tool or the object to be machined can be detected, and is preferably near the point where the tool and the object to be machined come into contact with each other.
  • the type of the sensor 103 may be any sensor capable of detecting the vibration of the tool or the object to be machined, and the sensor 103 is, for example, a displacement sensor, a speed sensor, an acceleration sensor, an angular velocity sensor, or the like.
  • the senor 103 may be a force sensor that detects a cutting reaction force or a microphone that detects a cutting sound during machining.
  • the sensor 103 instead of the sensor 103, at least one of the positions, speeds, and motor currents of the spindle 101 and the feed shaft 102 included in the operation information is used to detect the vibration of the tool or the object to be machined during machining. Then, information indicating the detected vibration may be output as the sensor signal 200.
  • the numerical control device 1 includes a filter processing unit 10, a sensor signal processing unit 11, a phase difference calculation unit 12, a vibration determination unit 13, a command value correction unit 14, a drive command unit 15, and a timing signal generation unit 16. And have.
  • the drive command unit 15 receives the operation information 209 from the machine tool 100, outputs the operation command 208 to the machine tool 100 based on the operation information 209, and outputs the spindle operation command 206 to the timing signal generation unit 16. Further, the drive command unit 15 corrects the operation command 208 based on the correction signal 205 output by the command value correction unit 14 described later.
  • the operation command 208 includes at least one of an angle command and a speed command of the spindle 101 of the machine tool 100, and at least one of a position command and a speed command of the feed shaft 102. Further, the spindle operation command 206 includes at least one of an angle command and a speed command of the spindle 101.
  • the filter processing unit 10 filters the sensor signal 200 output by the machine tool 100 to generate a chatter vibration component signal 201, and outputs the generated chatter vibration component signal 201 to the sensor signal processing unit 11.
  • the filter processing unit 10 removes the cutting component from the sensor signal 200.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the filter characteristics of the filter processing unit 10 shown in FIG.
  • the horizontal axis of FIG. 2 indicates the frequency, and the vertical axis indicates the amplitude.
  • FIG. 2 shows a chatter vibration component, a cutting component, and a filter pass band in the frequency domain.
  • the cutting component is mainly a vibration component having a frequency obtained by multiplying the spindle rotation speed by the number of blades of the tool, and a harmonic component thereof.
  • the filter processing unit 10 removes a band containing each cutting component with a predetermined bandwidth.
  • the predetermined bandwidth can be about several Hz near the cutting component.
  • the filter processing unit 10 can be designed by using a known bandpass filter, notch filter, combination of a plurality of bandpass filters, a combination of a plurality of notch filters, a comb-shaped filter, and the like. By using the pass band filter shown in FIG. 2, the filter processing unit 10 can remove the cutting component from the sensor signal 200 to generate the chatter vibration component signal 201.
  • the sensor signal processing unit 11 generates a plurality of types of state quantities based on the sensor signal 200, and outputs a state quantity signal 202 indicating the generated plurality of types of state quantities to the phase difference calculation unit 12. Specifically, the sensor signal processing unit 11 generates a state quantity signal 202 based on the chatter vibration component signal 201 output by the filter processing unit 10.
  • the state quantity signal 202 includes a first state quantity and a second state quantity.
  • the first state quantity is the chatter vibration component signal 201
  • the second state quantity is the state quantity obtained by time-differentiating the chatter vibration component signal 201 once.
  • the sensor signal processing unit 11 simultaneously converts the chatter vibration component signal 201 and the chatter vibration component signal 201 into a state quantity signal 202 as a time-series signal.
  • the difference in the number of times of time differentiation between the first state quantity and the second state quantity may be any combination as long as it is an odd number.
  • the first state quantity is the state quantity obtained by time-differentiating the chatter vibration component signal 201 P times
  • the second state quantity is the state quantity obtained by time-differentiating Q times.
  • P and Q are integers.
  • the difference between P and Q may be an odd number.
  • the dimensions of the first state quantity and the second state quantity may be the dimensions obtained by time-integrating the chatter vibration component signal 201.
  • the first state quantity may be the acceleration and the second state quantity may be the velocity.
  • the first state quantity may be a jerk which is a differential value of acceleration
  • the second state quantity may be a position.
  • the sensor signal processing unit 11 has, for example, two or more types of state quantities of the sensor signal 200, the state quantity obtained by time-differentiating the sensor signal 200, and the state quantity obtained by time-integrating the sensor signal. Can be generated.
  • the timing signal generation unit 16 determines that the angle command of the spindle 101 has passed a predetermined angle based on the spindle operation command 206 output by the drive command unit 15, the timing signal generation unit 16 outputs the timing signal 207 to the phase difference calculation unit 12. To do. The details of the method of generating the timing signal 207 will be described.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the timing signal 207 output by the timing signal generation unit 16 shown in FIG. 1 and the angle command of the spindle 101.
  • the angle command of the spindle 101 is included in the spindle operation command 206 output by the drive command unit 15.
  • the angle command is a signal that takes a value of 0 to 360 degrees and returns to 0 degrees when it reaches 360 degrees.
  • the timing signal generation unit 16 outputs a timing signal 207 each time the angle command of the spindle 101 passes a predetermined angle ⁇ 1. As a result, the timing signal 207 is periodically output at a timing synchronized with the rotation of the spindle 101 of the machine tool 100.
  • the angle ⁇ 1 may be any angle as long as it is determined at one position during one rotation of the spindle 101, and can be, for example, the angle ⁇ 1 of the spindle 101 at the time of orientation of the spindle 101.
  • the spindle orientation is a reference angle at which the spindle 101 is stopped.
  • the timing signal generation unit 16 can also generate the timing signal 207 by using the speed command of the spindle 101 included in the spindle operation command 206.
  • the timing signal generation unit 16 outputs the timing signal 207 for each time T1 calculated from the speed command S (rpm) of the spindle 101 using the following mathematical formula (1) with the initial time t0 as the reference time. To do.
  • the timing signal generation unit 16 may use the angle command and the speed command of the spindle 101 together.
  • the timing signal generation unit 16 uses the operation command of the spindle 101 to generate the timing signal 207, but instead of the operation command of the spindle 101 or in addition to the operation command of the spindle 101.
  • the timing signal 207 may be generated by using the operation command of the feed shaft 102.
  • the phase difference calculation unit 12 receives the timing signal 207 output by the timing signal generation unit 16 and the state quantity signal 202 output by the sensor signal processing unit 11. Based on the timing signal 207 and the state quantity signal 202, the phase difference calculation unit 12 generates a dimensionless quantity indicating a plurality of types of state quantities in the state space for each timing signal 207, and the dimensionless quantity between phases. The phase difference information 203 indicating the difference between the above is calculated. The phase difference calculation unit 12 outputs the generated phase difference information 203 to the vibration determination unit 13.
  • the phase difference calculation unit 12 normalizes each of the plurality of state quantities included in the state quantity signal 202.
  • the phase difference calculation unit 12 normalizes each state quantity by dividing each state quantity by a predetermined maximum value of each state quantity.
  • the maximum value used here may be the maximum value of each state quantity obtained in the prior machining experiment, or may be the maximum value of each state quantity obtained in the prior simulation.
  • phase difference calculation unit 12 receives the timing signal 207 at time t1 and time t2. At this time, t2 is a value larger than t1.
  • the phase difference calculation unit 12 normalizes the state quantity signal 202 at time t1, and sets the normalized value as the first dimensionless quantity N1.
  • the phase difference calculation unit 12 normalizes the state quantity signal 202 in the same manner as at time t1, and sets the normalized value as the second dimensionless quantity N2.
  • FIG. 4 is a diagram showing a dimensionless quantity calculated by the phase difference calculation unit 12 shown in FIG. FIG. 4 shows that the first dimensionless quantity N1 and the second dimensionless quantity N2 calculated by the phase difference calculation unit 12 are the dimensions of the first state quantity of the state quantity signal 202 and the second state quantity. It is represented in the state space consisting of the dimensions of.
  • the phase difference calculation unit 12 sets an angle ⁇ formed by the first dimensionless quantity N1 which is the previous dimensionless quantity, the origin of the state space, and the second dimensionless quantity N2 which is the current dimensionless quantity. It is calculated as the phase difference between the first dimensionless quantity N1 and the second dimensionless quantity N2.
  • the phase difference calculation unit 12 performs the above calculation for each timing signal 207, and calculates the phase difference between the latest dimensionless quantity and the previous dimensionless quantity.
  • the phase difference calculation unit 12 outputs the phase difference information 203 indicating the calculated phase difference to the vibration determination unit 13.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the transition of the phase difference calculated by the phase difference calculation unit 12 shown in FIG. 1 when chatter vibration is generated.
  • the dimensionless quantities N10 to N13 are dimensionless quantities calculated at each time t10 to t13 when the timing signal 207 is received. At this time, t13> t12> t11> t10.
  • the angle ⁇ 10 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N10, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N11
  • the angle ⁇ 11 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N11, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N12.
  • the angle ⁇ 12 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N12, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N13.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the transition of the phase difference calculated by the phase difference calculation unit 12 shown in FIG. 1 when chatter vibration does not occur.
  • the dimensionless quantities N20 to N23 are dimensionless quantities calculated at each time t20 to t23 when the timing signal 207 is received. At this time, t23> t22> t21> t20.
  • the angle ⁇ 20 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N20, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N21
  • the angle ⁇ 21 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N21, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N22.
  • the angle ⁇ 22 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N22, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N23.
  • the phase difference calculation unit 12 calculates a constant value angle ⁇ , that is, a phase difference when chatter vibration occurs, and an irregular value angle ⁇ , that is, when chatter vibration does not occur. The phase difference will be calculated.
  • Machining conditions when chatter vibration occurs are spindle speed 2000 (RPM), feed per blade 0.1 (mm), radial depth cut 1.0 (mm), and workpiece protrusion amount 200 (mm) from the chuck. Is.
  • FIG. 7 is an experimental result when chatter vibration occurs, and is a diagram showing a waveform of acceleration generated during machining.
  • FIG. 8 is a diagram showing a phase difference of a dimensionless quantity obtained from the experimental results shown in FIG. 7.
  • the filter processing unit 10, the sensor signal processing unit 11, the timing signal generation unit 16, and the phase difference calculation unit 12 process the acceleration data output by the acceleration sensor as the sensor signal 200, so that the dimensionless unit shown in FIG. 8 is absent.
  • the dimensionless quantity and the angle ⁇ were calculated.
  • the sensor signal processing unit 11 calculates and outputs a state quantity signal 202 having the first state quantity as acceleration and the second state quantity as velocity.
  • the velocity which is the second state quantity, was obtained by integrating the acceleration.
  • the timing signal generation unit 16 outputs a timing signal 207 each time the angle command of the spindle 101 passes the spindle angle at the time of spindle orientation.
  • the phase difference calculation unit 12 normalized the state quantity signal 202 and calculated the dimensionless quantities N101 to N106 at each time t101 to t106 when each timing signal 207 was received.
  • FIG. 8 shows dimensionless quantities N101 to N106 in the state space.
  • the angle ⁇ 101 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N101, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N102
  • the angle ⁇ 102 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N102, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N103.
  • the angle ⁇ 103 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N103, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N104.
  • the angle ⁇ 104 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N104, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N105
  • the angle ⁇ 105 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N105, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N106.
  • the angles ⁇ 101 to ⁇ 105 are constant. From the above experimental results, it is experimentally shown that when chatter vibration occurs, the trajectory of the dimensionless quantity in the state space becomes circular, and the angles ⁇ 101 to ⁇ 105 at each time take a constant value. It was.
  • the machining conditions when chatter vibration does not occur are: spindle speed 2000 (RPM), feed 0.1 (mm) per blade, radial depth cut 1.0 (mm), and workpiece protrusion amount 100 from the chuck. (Mm).
  • FIG. 9 is an experimental result when chatter vibration does not occur, and is a diagram showing a waveform of acceleration generated during machining.
  • FIG. 10 is a diagram showing a phase difference of a dimensionless quantity obtained from the experimental results shown in FIG. Also in this experiment, the filter processing unit 10, the sensor signal processing unit 11, the timing signal generation unit 16, and the phase difference calculation unit 12 process the acceleration data output by the acceleration sensor as the sensor signal 200, and are shown in FIG. The dimensionless quantity and the angle ⁇ were calculated.
  • the sensor signal processing unit 11 calculates and outputs a state quantity signal 202 having the first state quantity as acceleration and the second state quantity as velocity.
  • the velocity which is the second state quantity, was obtained by integrating the acceleration.
  • the timing signal generation unit 16 outputs a timing signal 207 each time the angle command of the spindle 101 passes the spindle angle at the time of spindle orientation.
  • the phase difference calculation unit 12 normalized the state quantity signal 202 and calculated the dimensionless quantities N201 to N206 at each time t201 to t206 when each timing signal 207 was received.
  • FIG. 10 shows dimensionless quantities N201 to N206 in the state space.
  • the angle ⁇ 201 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N201, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N202
  • the angle ⁇ 202 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N202, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N203.
  • the angle ⁇ 203 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N203, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N204.
  • the angle ⁇ 204 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N204, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N205
  • the angle ⁇ 205 indicates the angle formed by the dimensionless quantity N205, the origin of the state space, and the dimensionless quantity N206. From the above experimental results, it is experimentally shown that when chatter vibration does not occur, the trajectory of the dimensionless quantity in the state space is irregular, and the angles ⁇ 201 to ⁇ 205 at each time take indefinite values. It was.
  • the vibration determination unit 13 receives an angle ⁇ , which is a phase difference, from the phase difference calculation unit 12, and determines chatter vibration using the procedure shown below.
  • the vibration determination unit 13 determines whether or not chatter vibration has occurred based on the phase difference information 203 calculated by the phase difference calculation unit 12.
  • the vibration determination unit 13 outputs the vibration determination information 204 to the command value correction unit 14. The details of the vibration determination unit 13 will be described.
  • the vibration determination unit 13 records the phase difference information 203 output by the phase difference calculation unit 12. This recording is repeated every time the phase difference information 203 is received, and the angle ⁇ included in the phase difference information 203 is recorded as time series data.
  • the vibration determination unit 13 calculates the difference of the recorded angle ⁇ , and if the difference of the angle ⁇ is less than a predetermined threshold value, determines that chatter vibration has occurred, and uses the vibration determination information 204 as a command value. Output to the correction unit 14.
  • the threshold value used by the vibration determination unit 13 will be described.
  • the phase difference calculation unit 12 outputs the angle ⁇ in the range of ⁇ 180 degrees.
  • the angle ⁇ takes an indefinite value in the range of ⁇ 180 degrees, so the difference in angle ⁇ takes a value of ⁇ 360 degrees.
  • chatter vibration occurs, the angle ⁇ takes a constant value, so that the difference between the angles ⁇ becomes zero.
  • the actual angle ⁇ includes an error due to a measurement error or the like. Therefore, if the threshold value is set to a value sufficiently larger than the error of the angle ⁇ , the presence or absence of chatter vibration can be determined. For example, when the error of the angle ⁇ is ⁇ 10 degrees, the threshold value may be a value larger than 20 degrees, for example, 30 degrees.
  • the vibration determination unit 13 calculates the standard deviation of the angle ⁇ included in the plurality of phase difference information 203 repeatedly received, and when the standard deviation of the angle ⁇ is less than a predetermined threshold value, chatter vibration occurs.
  • FIG. 11 is a diagram showing a first example for explaining the processing of the vibration determination unit 13 shown in FIG.
  • the vibration determination unit 13 calculates the standard deviation using the angle ⁇ acquired between the time t3 and the time t4, and determines the presence or absence of chatter vibration. In the first example shown in FIG. 11, the standard deviation of the angle ⁇ exceeds the threshold of the standard deviation. Therefore, the vibration determination unit 13 can determine that chatter vibration has not occurred. Further, FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing a second example for explaining the processing of the vibration determination unit 13 shown in FIG.
  • the standard deviation of the angle ⁇ is below the threshold of the standard deviation. Therefore, the vibration determination unit 13 can determine that chatter vibration has occurred.
  • the threshold value of the standard deviation can be a value larger than 10 degrees, for example, 20 degrees.
  • the vibration determination unit 13 may determine the presence or absence of chatter vibration by using the dispersion of the angle ⁇ instead of the standard deviation of the angle ⁇ included in the plurality of phase difference information 203 repeatedly received. It can.
  • the variance threshold can be determined in the same manner as in the case of the standard deviation.
  • the vibration determination unit 13 may determine chatter vibration by using the difference between the maximum value and the minimum value of the angle ⁇ . In this case, the vibration determination unit 13 calculates the difference between the maximum value and the minimum value of the angle ⁇ received during the period of the predetermined length, and the calculated difference between the maximum value and the minimum value is predetermined. If it is smaller than the threshold value, it can be determined that chatter vibration is occurring.
  • the command value correction unit 14 When the command value correction unit 14 receives the vibration determination information 204 from the vibration determination unit 13, it outputs a correction signal 205 instructing the drive command unit 15 to change the operation command 208.
  • the correction signal 205 is a signal that changes the speed command of the spindle 101 by a predetermined ratio corresponding to the current spindle speed.
  • the correction signal 205 may be a signal for changing the rotation speed of the spindle 101 so that the rotation speed of the spindle 101 matches an integral fraction of the resonance frequency of the mechanical structure calculated in advance by finite element analysis. ..
  • the resonance frequency of the mechanical structure a value identified by a preliminary experiment may be used instead of the finite element analysis.
  • the correction signal 205 may be a signal that changes the speed command location of the feed shaft 102 by a predetermined ratio. Specifically, the correction signal 205 can be a signal that reduces the speed command value of the feed shaft 102 so that the motor current of the feed shaft 102 becomes smaller than a predetermined reference value.
  • time series data of a plurality of types of state quantities are obtained based on the sensor signal 200 that detects the vibration of the tool or the machining object attached to the machine tool 100. Is generated. Then, in the state space, a dimensionless quantity indicating a plurality of types of state quantities is generated for each timing signal 207, and phase difference information indicating an angle ⁇ which is a difference between the phases of the dimensionless quantity is calculated. The occurrence of chatter vibration in the machine tool 100 is determined based on the variation in the phase difference information.
  • the numerical control device 1 does not use frequency analysis typified by FFT for determining chatter vibration, it is possible to obtain sufficient frequency resolution for determining chatter vibration without being restricted by data acquisition time. Therefore, the time required for determining the chatter vibration, that is, the time from the occurrence of the chatter vibration to the determination of the occurrence of the chatter vibration can be shortened. Therefore, the time from the occurrence of the chatter vibration to the suppression of the chatter vibration is shortened, and the chatter vibration can be suppressed at high speed.
  • the numerical control device 1 determines the chatter vibration based on the phase difference information 203 which is a dimensionless quantity.
  • a conventional method for example, there is a method of determining chatter vibration based on the amplitude of chatter vibration.
  • the amplitude of chatter vibration is used, the magnitude of the amplitude differs depending on the machining conditions, so it is necessary to set the amplitude threshold value according to the machining conditions.
  • the numerical control device 1 that determines the chatter vibration based on the phase difference information 203 which is a dimensionless quantity the chatter vibration can be determined without depending on the machining conditions, and the threshold value depends on the machining conditions. There is no need to provide.
  • the machine tool 100 has a configuration in which an object to be machined is installed on the spindle 101, but it is a case where a tool is installed on the spindle 101, for example, as represented by a milling machine and a turning machine. Can produce the same effect.
  • one sensor 103 is used, but the sensors 103 may be installed at a plurality of locations of the machine tool 100. In this case, it is possible to perform the process described in the first embodiment on all the installed sensors 103 and determine the occurrence of chatter vibration. When the sensors 103 are installed at a plurality of locations, even if chatter vibration occurs at the plurality of locations during processing, the chatter vibration can be determined and suppressed.
  • the sensor 103 installed in the machine tool 100 may detect vibration using two or more types of sensors 103 and output a sensor signal 200 including two or more types of state quantities to the filter processing unit 10.
  • the sensor signal processing unit 11 can set the two types of sensor outputs as the first state quantity and the second state quantity, respectively. By directly measuring the second state quantity with the sensor 103, it is possible to determine the chatter vibration without being affected by the quantization error associated with the differentiation or integration.
  • the sensor signal processing unit 11 extracts two types of state quantities, but three or more types of state quantities may be extracted.
  • Embodiment 2 In the first embodiment, an example in which the number of blades of the tool is one has been described. In the second embodiment, a configuration for determining the occurrence of chatter vibration when the number of blades of the tool is two or more will be described.
  • FIG. 13 is a diagram showing a functional configuration of the numerical control device 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the numerical control device 2 includes a filter processing unit 10, a sensor signal processing unit 11, a phase difference calculation unit 12, a vibration determination unit 13, a command value correction unit 14, a drive command unit 15, and a timing signal generation unit 16. It has -1 and a tool information recording unit 17.
  • the numerical control device 2 has a tool information recording unit 17 for outputting tool information 210 in addition to the configuration of the numerical control device 1 according to the first embodiment, and replaces the timing signal generation unit 16 of the numerical control device 1. , Has a timing signal generation unit 16-1.
  • a tool information recording unit 17 for outputting tool information 210 in addition to the configuration of the numerical control device 1 according to the first embodiment, and replaces the timing signal generation unit 16 of the numerical control device 1.
  • the tool information recording unit 17 records the tool information 210, which is information about the tool installed in the machine tool 100, and outputs the recorded tool information 210 to the timing signal generation unit 16-1.
  • the tool information 210 includes at least information indicating the number of blades of the tool. Further, the tool information 210 may include information indicating a tool shape such as a tool type such as an end mill and a cutting tool, a tool length, and a tool diameter.
  • the tool information recording unit 17 outputs tool information 210 indicating that the number of blades of the tool is one. Further, even when a turning tool is attached to the machine tool 100, when a plurality of tools cut at the same time, the number of blades is the same as the number of tools. For example, when the machine tool 100 has a lower tool post and an upper tool post, and machining is performed with a turning tool attached to both tool stands one by one, the tool information recording unit 17 has two blades. The tool information 210 indicating that is output.
  • the timing signal generation unit 16-1 determines that the spindle angle has passed a predetermined angle based on the spindle operation command 206 output by the drive command unit 15 and the tool information 210 output by the tool information recording unit 17. , The timing signal 207 is output to the phase difference calculation unit 12 at the determined timing.
  • ⁇ is a natural number of 2 or more.
  • FIG. 14 is a diagram showing a first example of the relationship between the timing signal 207 output by the timing signal generation unit 16-1 shown in FIG. 13 and the angle command of the spindle 101.
  • the angle command is a signal that takes a value between 0 degrees and 360 degrees and returns to 0 degrees when it reaches 360 degrees.
  • the timing signal 207 is output each time the angle command of the spindle 101 passes through a plurality of predetermined angles ⁇ 1 and angle ⁇ 2. That is, the timing signal 207 is output twice, which is the same number as the number of blades, while the spindle 101 makes one rotation.
  • the angle ⁇ 1 may be any angle as long as it is set to 1 during one rotation of the spindle 101.
  • the angle ⁇ 1 can be the spindle angle at the time of spindle orientation.
  • FIG. 15 is a diagram showing a second example of the relationship between the timing signal 207 output by the timing signal generation unit 16-1 shown in FIG. 13 and the angle command of the spindle 101.
  • the timing signal 207 is output each time the angle command of the spindle 101 passes through a predetermined angle ⁇ ⁇ .
  • ⁇ is a natural number of 2 or more and ⁇ or less.
  • the timing signal 207 is output ⁇ times while the spindle 101 makes one rotation.
  • ⁇ 1 may be any angle as long as it is set to 1 during one rotation of the spindle 101.
  • the timing signal generation unit 16-1 outputs a timing signal 207 each time the spindle 101 rotates by an angle obtained by dividing 360 degrees by the number of blades ⁇ .
  • the timing signal generation unit 16-1 may generate the timing signal 207 by using the speed command of the spindle 101 included in the spindle operation command 206. In this case, the timing signal generation unit 16-1 generates the timing signal 207 for each time T2 calculated from the speed command S (rpm) of the spindle 101 using the following mathematical formula (3).
  • the timing signal 207 is generated based on the tool information 210, the number of blades of the tool attached to the machine tool 100 is a plurality of blades. Also, as in the first embodiment, the time required for determining the chatter vibration, that is, the time from the occurrence of the chatter vibration to the determination of the occurrence of the chatter vibration can be shortened.
  • the numerical control device 2 can determine and suppress chatter vibration by the same processing as the numerical control device 1.
  • FIG. 16 is a diagram showing a functional configuration of the numerical control device 3 according to the third embodiment of the present invention.
  • the numerical control device 3 includes a filter processing unit 10, a sensor signal processing unit 11, a phase difference calculation unit 12, a vibration determination unit 13, a command value correction unit 14, a drive command unit 15, and a timing signal generation unit 16. It has -2.
  • the numerical control device 3 has a timing signal generation unit 16-2 in place of the timing signal generation unit 16 of the numerical control device 1.
  • the parts different from the numerical control device 1 will be mainly described.
  • the machine tool 100 has an angle information sensor 104 attached to the spindle 101 in addition to the configuration described in the first embodiment.
  • the angle information sensor 104 is a sensor that measures the spindle angle, and for example, an encoder, a potentiometer sensor, or the like can be used.
  • the angle information 211 is a signal including at least the measured value of the spindle angle measured by the angle information sensor 104.
  • the angle information sensor 104 outputs the generated angle information 211 to the numerical control device 3.
  • the timing signal generation unit 16-2 generates the timing signal 207 based on the measured value of the spindle angle included in the angle information 211.
  • the method in which the timing signal generation unit 16-2 generates the timing signal 207 is the same as that in the first embodiment, but the measured value of the spindle angle is used instead of the angle command of the spindle 101.
  • the angle information sensor 104 may be a sensor that detects the measured value of the spindle speed.
  • the angle information sensor 104 is an angular velocity sensor.
  • the timing signal generation unit 16-2 can generate the timing signal 207 based on the measured value of the spindle speed instead of the angle command of the spindle 101.
  • the timing signal generation unit 16-2 uses the initial time t0 as a reference time to generate a timing signal 207 for each time T3 calculated from the measured value S ref (rpm) of the spindle speed using the following mathematical formula (4). Output.
  • the timing signal 207 is generated based on the measured value of the spindle angle. Therefore, the timing signal 207 can be generated without being affected by the control tracking error that occurs between the angle command of the spindle 101 and the actual angle. Therefore, the numerical control device 3 is the time required for determining the chatter vibration, that is, even when a control tracking error occurs between the angle command of the spindle 101 and the actual angle, as in the first embodiment. It is possible to shorten the time from the occurrence of chatter vibration to the determination of the occurrence of chatter vibration.
  • timing signal generation unit 16-2 describes the spindle angle command and the measured value of the spindle angle. May be used together, or the spindle speed command and the measured value of the spindle speed may be used together.
  • FIG. 17 is a diagram showing a functional configuration of the numerical control device 4 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the numerical control device 4 includes a filter processing unit 10, a sensor signal processing unit 11, a phase difference calculation unit 12, a vibration determination unit 13, a command value correction unit 14, a drive command unit 15, and a timing signal generation unit 16. It has a -3 and a tool information recording unit 17. That is, the numerical control device 4 has a tool information recording unit 17 in addition to the configuration of the numerical control device 3 described in the third embodiment, and instead of the timing signal generation unit 16-2, the timing signal generation unit 16- Has 3.
  • the parts different from the numerical control device 2 will be mainly described.
  • the timing signal generation unit 16-3 generates a timing signal 207 based on the angle information 211 output by the angle information sensor 104 and the tool information 210 output by the tool information recording unit 17, and generates the generated timing signal 207. Output to the phase difference calculation unit 12.
  • the timing signal generation unit 16-3 can generate the timing signal 207 in the same manner as the timing signal generation unit 16-1 of the second embodiment. At this time, the timing signal generation unit 16-3 generates the timing signal 207 by using the measured value of the spindle angle instead of the angle command of the spindle 101.
  • the timing is not affected by the control tracking error that occurs between the angle command of the spindle 101 and the actual angle.
  • the time required for determining the chatter vibration that is, as in the first embodiment, that is, It is possible to shorten the time from the occurrence of chatter vibration to the determination of the occurrence of chatter vibration.
  • FIG. 18 is a diagram showing a functional configuration of the numerical control device 5 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the numerical control device 5 includes a filter processing unit 10, a sensor signal processing unit 11, a phase difference calculation unit 12, a vibration determination unit 13, a command value correction unit 14, a drive command unit 15, and a timing signal generation unit 16. It has -4 and. Further, the numerical control device 5 can acquire the machining program information 212 including the spindle rotation speed command 213 from the machining program 18 for controlling the machine tool 100.
  • the parts different from the numerical control device 1 will be mainly described.
  • the spindle speed command 213 is output to the timing signal generation unit 16-4, and the machining program information 212 is output to the drive command unit 15.
  • the drive command unit 15 can output an operation command 208 to the machine tool 100 according to the machining program information 212.
  • the timing signal generation unit 16-4 generates the timing signal 207 based on the spindle speed command 213 extracted from the machining program information 212.
  • the timing signal generation unit 16-4 outputs the timing signal 207 for each time T4 calculated by using the spindle rotation speed command 213 and the mathematical formula (5) shown below with the initial time t0 as the reference time.
  • the S cmd in the mathematical formula (5) indicates the spindle rotation speed indicated by the spindle rotation speed command 213.
  • the timing signal 207 can be generated based on the spindle speed command 213 included in the machining program 18. Even when the timing signal 207 is generated by using the machining program 18, the time required for determining the chatter vibration, that is, the occurrence of the chatter vibration after the chatter vibration is generated is determined as in the first embodiment. It is possible to shorten the time required to do so.
  • FIG. 19 is a diagram showing a functional configuration of the numerical control device 6 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the numerical control device 6 includes a filter processing unit 10, a sensor signal processing unit 11, a phase difference calculation unit 12, a vibration determination unit 13, a command value correction unit 14, a drive command unit 15, and a timing signal generation unit 16. It has -5 and a tool information recording unit 17.
  • the numerical control device 6 has a tool information recording unit 17 in addition to the configuration of the numerical control device 5, and has a timing signal generation unit 16-5 in place of the timing signal generation unit 16-4.
  • the timing signal generation unit 16-5 generates a timing signal 207 based on the tool information 210 and the spindle speed command 213, and outputs the generated timing signal 207 to the phase difference calculation unit 12.
  • the timing signal generation unit 16-5 uses the initial time t0 as a reference time, and uses the following mathematical formula (6), the number of blades ⁇ , and the spindle rotation speed S cmd to calculate the timing signal 207 for each time T5. Is output.
  • Each functional unit of the numerical control devices 1 to 6 is realized by a processing circuit.
  • These processing circuits may be realized by dedicated hardware, or may be control circuits using a CPU (Central Processing Unit).
  • FIG. 20 is a diagram showing dedicated hardware for realizing the functions of the numerical control devices 1 to 6 according to the first to sixth embodiments of the present invention.
  • the processing circuit 90 is a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a control circuit 91 for realizing the functions of the numerical control devices 1 to 6 according to the first to sixth embodiments of the present invention.
  • the control circuit 91 includes a processor 92 and a memory 93.
  • the processor 92 is a CPU, and is also called a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a DSP (Digital Signal Processor), or the like.
  • the memory 93 is, for example, a non-volatile or volatile semiconductor memory such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable ROM), EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM). Magnetic disks, flexible disks, optical disks, compact disks, mini disks, DVDs (Digital Versatile Disk), etc.
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • flash memory EPROM (Erasable Programmable ROM), EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM).
  • Magnetic disks flexible disks, optical disks, compact disks, mini disks, DVDs (Digital Versatile Disk), etc.
  • the control circuit 91 When the above processing circuit is realized by the control circuit 91, it is realized by the processor 92 reading and executing the program corresponding to the processing of each component stored in the memory 93.
  • the memory 93 is also used as a temporary memory in each process executed by the processor 92.
  • the configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the content of the present invention, can be combined with another known technique, and is one of the configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
  • 1,2,3,4,5,6 Numerical control device 10 Filter processing unit, 11 Sensor signal processing unit, 12 Phase difference calculation unit, 13 Vibration determination unit, 14 Command value correction unit, 15 Drive command unit, 16, 16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5 Timing signal generator, 17 Tool information recording unit, 18 Machining program, 90 Processing circuit, 91 Control circuit, 92 Processor, 93 Memory, 100 Machining Machine, 101 spindle, 102 feed axis, 103 sensor, 104 angle information sensor, 200 sensor signal, 201 chatter vibration component signal, 202 state quantity signal, 203 phase difference information, 204 vibration judgment information, 205 correction signal, 206 spindle operation command , 207 timing signal, 208 operation command, 209 operation information, 210 tool information, 211 angle information, 212 machining program information, 213 spindle rotation speed command.

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Abstract

数値制御装置（１）は、工作機械（１００）の主軸（１０１）および送り軸（１０２）に運転指令を与える駆動指令部（１５）と、工作機械（１００）に取り付けられる工具または加工対象物の振動を検出したセンサ信号（２００）に基づいて、複数の種類の状態量を生成するセンサ信号処理部（１１）と、主軸（１０１）の回転と同期したタイミングで周期的にタイミング信号（２０７）を生成して出力するタイミング信号生成部（１６）と、状態空間内において複数の種類の状態量を示す無次元量を、タイミング信号（２０７）毎に生成し、無次元量の位相間の差分を示す位相差情報（２０３）を演算する位相差演算部（１２）と、位相差情報（２０３）のばらつきに基づいて、工作機械（１００）におけるびびり振動の発生を判定する振動判定部（１３）と、を備えることを特徴とする。

Description

数値制御装置およびびびり振動の発生判定方法
　本発明は、工作機械におけるびびり振動の発生を判定する数値制御装置およびびびり振動の発生判定方法に関する。
　加工対象物と工具との間の相対位置を変化させることで、加工対象物を所望の形状に除去加工する工作機械がある。フライス盤および旋盤に代表される工作機械は、工具または加工対象物を主軸に装着し、主軸を回転させて加工を行う。加工中には、「びびり振動」と呼ばれる振動が発生することがある。びびり振動が発生すると、仕上げ面精度が悪化したり、工具の破損の原因となったりする。
　特許文献１には、加工中に予め定められた時間間隔をおいて振動を２回測定し、２回目の測定結果が１回目と比較して、周波数領域の振幅が大きく、かつ周波数領域の位相が異なっていた場合に、びびり振動が発生したと判定する方法が開示されている。
特開２０１３－７６４７号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、加工中にびびり振動の発生有無を判定するまでの時間が長くなってしまうという問題があった。具体的には、特許文献１に記載の技術では、振動の解析に周波数解析を用いる。ＦＦＴ（Fast　Fourier　Transform）などの周波数解析は、その計算アルゴリズム上、周波数分解能ΔＦがデータ取得時間Ｔに反比例するという制約がある。このため、びびり振動の判定に十分な周波数分解能ΔＦを得るためには、データ取得時間が長くなる。また、特許文献１に記載の技術では、予め定められた時間をおいて２回の測定を行う必要があるため、加工中の振動を計測する時間も長くなってしまう。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、びびり振動の判定に要する時間を短縮することが可能な数値制御装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる数値制御装置は、工作機械の主軸および送り軸に運転指令を与える駆動指令部と、工作機械に取り付けられる工具または加工対象物の振動を検出したセンサ信号に基づいて、複数の種類の状態量を生成するセンサ信号処理部と、主軸の回転と同期したタイミングで周期的にタイミング信号を生成して出力するタイミング信号生成部と、状態空間内において複数の種類の状態量を示す無次元量を、タイミング信号毎に生成し、無次元量の位相間の差分を示す位相差情報を演算する位相差演算部と、位相差情報のばらつきに基づいて、工作機械におけるびびり振動の発生を判定する振動判定部と、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、びびり振動の判定に要する時間を短縮することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１にかかる数値制御装置の機能構成を示す図 図１に示すフィルタ処理部のフィルタ特性を説明するための図 図１に示すタイミング信号生成部が出力するタイミング信号と主軸の角度指令との関係を示す図 図１に示す位相差演算部が算出する無次元量を示す図 びびり振動が発生している場合に図１に示す位相差演算部が演算する位相差の推移の一例を示す図 びびり振動が発生していない場合に図１に示す位相差演算部が演算する位相差の推移の一例を示す図 びびり振動が発生した場合の実験結果であり、加工中に生じた加速度の波形を示す図 図７に示す実験結果から求めた無次元量の位相差を示す図 びびり振動が発生していない場合の実験結果であり、加工中に生じた加速度の波形を示す図 図９に示す実験結果から求めた無次元量の位相差を示す図 図１に示す振動判定部の処理について説明するための第１の例を示す図 図１に示す振動判定部の処理について説明するための第２の例を示す図 本発明の実施の形態２にかかる数値制御装置の機能構成を示す図 図１３に示すタイミング信号生成部が出力するタイミング信号と主軸の角度指令との間の関係の第１の例を示す図 図１３に示すタイミング信号生成部が出力するタイミング信号と主軸の角度指令との間の関係の第２の例を示す図 本発明の実施の形態３にかかる数値制御装置の機能構成を示す図 本発明の実施の形態４にかかる数値制御装置の機能構成を示す図 本発明の実施の形態５にかかる数値制御装置の機能構成を示す図 本発明の実施の形態６にかかる数値制御装置の機能構成を示す図 本発明の実施の形態１～６にかかる数値制御装置の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図 本発明の実施の形態１～６にかかる数値制御装置の機能を実現するための制御回路の構成を示す図
　以下に、本発明の実施の形態にかかる数値制御装置およびびびり振動の発生判定方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかる数値制御装置１の機能構成を示す図である。数値制御装置１は、工作機械１００に運転指令２０８を与えることによって、工作機械１００を数値制御する。
　工作機械１００は、運転指令２０８により駆動するモータを備えた主軸１０１および送り軸１０２を有する。本実施の形態では、主軸１０１には加工対象物が設置され、送り軸１０２には工具が設置される。また、工作機械１００は、主軸１０１と送り軸１０２の位置、速度、およびモータ電流を少なくとも含む動作情報２０９を数値制御装置１に出力する。なお、本実施の形態では、工具の刃数は１枚とする。
　工作機械１００には、センサ１０３が取り付けられている。センサ１０３は、工具または加工対象物の振動を検出したセンサ信号２００を数値制御装置１に出力する。センサ１０３は、工作機械１００の主軸１０１または送り軸１０２の構造物に取り付けられる。センサ１０３を取り付ける位置は、工具または加工対象物の振動を検出可能な位置であればよく、工具と加工対象物とが接触する点の近傍であることが好ましい。センサ１０３の種類は、工具または加工対象物の振動を検出することができるセンサであればよく、センサ１０３は、例えば、変位センサ、速度センサ、加速度センサ、角速度センサなどである。また、センサ１０３は、切削反力を検出する力センサ、加工中の切削音を検出するマイクロフォンであってもよい。或いは、センサ１０３の代わりに動作情報に含まれる主軸１０１および送り軸１０２の位置と速度とモータ電流とのうち、少なくとも１つ以上を用いて、加工中に生じる工具または加工対象物の振動を検出し、検出した振動を示す情報をセンサ信号２００として出力してもよい。
　数値制御装置１は、フィルタ処理部１０と、センサ信号処理部１１と、位相差演算部１２と、振動判定部１３と、指令値補正部１４と、駆動指令部１５と、タイミング信号生成部１６とを有する。
　駆動指令部１５は、工作機械１００から動作情報２０９を受け取り、動作情報２０９に基づいて工作機械１００に運転指令２０８を出力し、タイミング信号生成部１６へ主軸運転指令２０６を出力する。また、駆動指令部１５は、後述の指令値補正部１４が出力する補正信号２０５に基づいて運転指令２０８を補正する。運転指令２０８は、工作機械１００の主軸１０１の角度指令、および速度指令の少なくともいずれかと、送り軸１０２の位置指令および速度指令の少なくともいずれかとを含む。また、主軸運転指令２０６は、主軸１０１の角度指令および速度指令の少なくともいずれかを含む。
　フィルタ処理部１０は、工作機械１００が出力するセンサ信号２００をフィルタリングしてびびり振動成分信号２０１を生成し、生成したびびり振動成分信号２０１をセンサ信号処理部１１に出力する。フィルタ処理部１０は、センサ信号２００から切削成分を除去する。
　図２は、図１に示すフィルタ処理部１０のフィルタ特性を説明するための図である。図２の横軸は周波数を示し、縦軸は振幅を示す。図２は、周波数領域において、びびり振動成分と、切削成分と、フィルタの通過帯域とを示している。切削成分は、主に、主軸回転数に工具の刃数を乗じた周波数の振動成分、および、その高調波成分である。フィルタ処理部１０は、各切削成分を含む帯域を、予め定められた帯域幅で除去する。例えば、予め定められた帯域幅は、切削成分付近の数Ｈｚ程度とすることができる。フィルタ処理部１０は、公知のバンドパスフィルタ、ノッチフィルタ、複数のバンドパスフィルタの組合せ、複数のノッチフィルタの組合せ、櫛形フィルタなどを用いて設計することができる。図２に示す通過帯域のフィルタを用いることで、フィルタ処理部１０は、センサ信号２００から切削成分を除去してびびり振動成分信号２０１を生成することができる。
　図１の説明に戻る。センサ信号処理部１１は、センサ信号２００に基づいて、複数の種類の状態量を生成し、生成した複数の種類の状態量を示す状態量信号２０２を位相差演算部１２に出力する。具体的には、センサ信号処理部１１は、フィルタ処理部１０が出力するびびり振動成分信号２０１に基づいて、状態量信号２０２を生成する。状態量信号２０２は、第１の状態量および第２の状態量を含む。例えば、第１の状態量は、びびり振動成分信号２０１であり、第２の状態量は、びびり振動成分信号２０１を１回時間微分することにより得られる状態量である。センサ信号処理部１１は、びびり振動成分信号２０１およびびびり振動成分信号２０１を１回時間微分した信号を同時に時系列信号として状態量信号２０２とする。
　なお、第１の状態量および第２の状態量の時間微分の回数の差は、奇数であればどのような組合せであってもよい。例えば、第１の状態量がびびり振動成分信号２０１をＰ回時間微分することにより得られる状態量であり、第２の状態量がＱ回時間微分することにより得られる状態量であるとする。ここでＰおよびＱは整数とする。この場合、ＰとＱの差分が奇数であればよい。さらに、第１の状態量と第２の状態量の次元は、びびり振動成分信号２０１を時間積分して得られる次元であってもよい。具体例として、第１の状態量を加速度とし、第２の状態量を速度としてもよい。或いは、第１の状態量を加速度の微分値であるジャークとし、第２の状態量を位置としてもよい。センサ信号処理部１１は、例えば、センサ信号２００と、センサ信号２００を時間微分することにより得られる状態量と、センサ信号を時間積分することにより得られる状態量とのうち２種類以上の状態量を生成することができる。
　タイミング信号生成部１６は、駆動指令部１５が出力する主軸運転指令２０６に基づき、主軸１０１の角度指令が予め定められた角度を通過したと判定すると、位相差演算部１２へタイミング信号２０７を出力する。タイミング信号２０７の生成方法の詳細を説明する。
　図３は、図１に示すタイミング信号生成部１６が出力するタイミング信号２０７と主軸１０１の角度指令との関係を示す図である。主軸１０１の角度指令は、駆動指令部１５が出力する主軸運転指令２０６に含まれる。図３において角度指令は、０度から３６０度の値をとり、３６０度に達すると０度に戻る信号である。タイミング信号生成部１６は、主軸１０１の角度指令が所定の角度ψ１を通過する度にタイミング信号２０７を出力する。これにより、タイミング信号２０７は、工作機械１００の主軸１０１の回転と同期したタイミングで周期的に出力されることになる。角度ψ１は主軸１０１が１回転する間に１箇所定められていれば、任意の角度であってよく、例えば主軸１０１のオリエンテーション時の主軸１０１の角度ψ１とすることができる。主軸オリエンテーションとは、主軸１０１を停止させる基準角度である。
　或いは、タイミング信号生成部１６は、主軸運転指令２０６に含まれる主軸１０１の速度指令を用いて、タイミング信号２０７を生成することもできる。この場合、タイミング信号生成部１６は、初期時刻ｔ０を基準時刻として、主軸１０１の速度指令Ｓ（ｒｐｍ）から以下に示す数式（１）を用いて算出される時間Ｔ１ごとにタイミング信号２０７を出力する。また、タイミング信号生成部１６は、主軸１０１の角度指令および速度指令を合わせて使用してもよい。なお、ここではタイミング信号生成部１６は、主軸１０１の運転指令を用いて、タイミング信号２０７を生成することとしたが、主軸１０１の運転指令に代えて、あるいは、主軸１０１の運転指令に加えて、送り軸１０２の運転指令を用いて、タイミング信号２０７を生成してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　位相差演算部１２は、タイミング信号生成部１６が出力するタイミング信号２０７と、センサ信号処理部１１が出力する状態量信号２０２とを受け付ける。位相差演算部１２は、タイミング信号２０７および状態量信号２０２に基づいて、状態空間内において複数の種類の状態量を示す無次元量を、タイミング信号２０７毎に生成し、無次元量の位相間の差分を示す位相差情報２０３を演算する。位相差演算部１２は、生成した位相差情報２０３を振動判定部１３に出力する。
　位相差演算部１２は、状態量信号２０２に含まれる複数の状態量のそれぞれを正規化する。位相差演算部１２は、予め定められたそれぞれの状態量の最大値で、各状態量を除することでそれぞれの状態量を正規化する。ここで用いる最大値は、事前の加工実験で得られた各状態量の最大値としてもよいし、事前のシミュレーションで求められた各状態量の最大値としてもよい。
　位相差演算部１２が時刻ｔ１および時刻ｔ２でタイミング信号２０７を受け取ったとする。このときｔ２はｔ１よりも大きい値とする。位相差演算部１２は、時刻ｔ１における状態量信号２０２を正規化し、正規化後の値を第１の無次元量Ｎ１とする。位相差演算部１２は、時刻ｔ２において、時刻ｔ１と同様に状態量信号２０２を正規化し、正規化後の値を第２の無次元量Ｎ２とする。
　図４は、図１に示す位相差演算部１２が算出する無次元量を示す図である。図４は、位相差演算部１２が算出する第１の無次元量Ｎ１と、第２の無次元量Ｎ２とを、状態量信号２０２の第１の状態量の次元と、第２の状態量の次元とからなる状態空間内で表している。位相差演算部１２は、前回の無次元量である第１の無次元量Ｎ１と、状態空間の原点と、今回の無次元量である第２の無次元量Ｎ２とがなす角度θを、第１の無次元量Ｎ１と第２の無次元量Ｎ２との位相差として演算する。位相差演算部１２は、タイミング信号２０７毎に上記の演算を行い、最新の無次元量と、前回の無次元量との位相差を演算する。位相差演算部１２は、演算した位相差を示す位相差情報２０３を振動判定部１３に出力する。
　図５は、びびり振動が発生している場合に図１に示す位相差演算部１２が演算する位相差の推移の一例を示す図である。無次元量Ｎ１０～Ｎ１３は、タイミング信号２０７を受け取った各時刻ｔ１０～ｔ１３で算出された無次元量である。このとき、ｔ１３＞ｔ１２＞ｔ１１＞ｔ１０とする。また、角度θ１０は、無次元量Ｎ１０と状態空間の原点と無次元量Ｎ１１とがなす角度を示し、角度θ１１は、無次元量Ｎ１１と状態空間の原点と無次元量Ｎ１２とがなす角度を示し、角度θ１２は、無次元量Ｎ１２と状態空間の原点と無次元量Ｎ１３とがなす角度を示す。
　びびり振動が発生している場合、状態空間内の無次元量Ｎ１０～Ｎ１３の軌跡は円状となり、各無次元量の間の角度は一定となる。したがって、タイミング信号２０７を受け取った各時刻における角度θは一定となる。
　図６は、びびり振動が発生していない場合に図１に示す位相差演算部１２が演算する位相差の推移の一例を示す図である。無次元量Ｎ２０～Ｎ２３は、タイミング信号２０７を受け取った各時刻ｔ２０～ｔ２３で算出された無次元量である。このとき、ｔ２３＞ｔ２２＞ｔ２１＞ｔ２０とする。また、角度θ２０は、無次元量Ｎ２０と状態空間の原点と無次元量Ｎ２１とがなす角度を示し、角度θ２１は、無次元量Ｎ２１と状態空間の原点と無次元量Ｎ２２とがなす角度を示し、角度θ２２は、無次元量Ｎ２２と状態空間の原点と無次元量Ｎ２３とがなす角度を示す。
　びびり振動が発生していない場合、状態空間内の無次元量Ｎ２０～Ｎ２３の軌跡と角無次元量の間の角度は不規則になる。したがって、タイミング信号２０７を受け取った各時刻における角度θは一定とならない。
　このため、位相差演算部１２は、びびり振動が発生している場合には一定値の角度θすなわち位相差を算出し、びびり振動が発生していない場合には不規則な値の角度θすなわち位相差を算出することになる。
　ここで、びびり振動の有無による角度θの差異を確認するための実験結果について説明する。本実験では、一般的なＣＮＣ（Computer　Numerical　Control）旋盤のチャックに、炭素鋼鋼材であるＳ４５Ｃの丸棒を設置し、丸棒の外周を旋削により加工した。なお、工具は超硬工具を用い、工具に加速度センサを設置することで加工中の加速度を計測した。
　びびり振動が発生したときの加工条件は、主軸回転数２０００（ＲＰＭ）、１刃あたり送り０．１（ｍｍ）、径方向切込み１．０（ｍｍ）、チャックからのワーク突き出し量２００（ｍｍ）である。
　図７は、びびり振動が発生した場合の実験結果であり、加工中に生じた加速度の波形を示す図である。図８は、図７に示す実験結果から求めた無次元量の位相差を示す図である。本実験では、フィルタ処理部１０、センサ信号処理部１１、タイミング信号生成部１６および位相差演算部１２は、加速度センサの出力する加速度データをセンサ信号２００として処理することにより、図８に示す無次元量および角度θが算出された。
　まず、フィルタ処理部１０は、主軸回転数に基づいて、２０００／６０＝３３．３（Ｈｚ）と、その高調波から成る切削成分を加速度データから除去した。次に、センサ信号処理部１１は、第１の状態量を加速度、第２の状態量を速度とする状態量信号２０２を演算して出力した。なお、第２の状態量である速度は、加速度を積分することによって得た。
　タイミング信号生成部１６は、主軸１０１の角度指令が主軸オリエンテーション時の主軸角度を通過するたびにタイミング信号２０７を出力した。位相差演算部１２は、状態量信号２０２を正規化し、各タイミング信号２０７を受け取った各時刻ｔ１０１～ｔ１０６における無次元量Ｎ１０１～Ｎ１０６を算出した。ここで、ｔ１０６＞ｔ１０５＞ｔ１０４＞ｔ１０３＞ｔ１０２＞ｔ１０１である。
　図８には、状態空間内における無次元量Ｎ１０１～Ｎ１０６が示されている。角度θ１０１は、無次元量Ｎ１０１と状態空間の原点と無次元量Ｎ１０２とがなす角度を示し、角度θ１０２は、無次元量Ｎ１０２と状態空間の原点と無次元量Ｎ１０３とがなす角度を示し、角度θ１０３は、無次元量Ｎ１０３と状態空間の原点と無次元量Ｎ１０４とがなす角度を示す。角度θ１０４は、無次元量Ｎ１０４と状態空間の原点と無次元量Ｎ１０５とがなす角度を示し、角度θ１０５は、無次元量Ｎ１０５と状態空間の原点と無次元量Ｎ１０６とがなす角度を示す。角度θ１０１～θ１０５は一定である。以上の実験結果から、びびり振動が発生している場合、状態空間内の無次元量の軌跡は円状になり、各時刻における角度θ１０１～θ１０５は一定の値をとることが実験的に示された。
　続いて、びびり振動が発生しないときの加工条件は、主軸回転数２０００（ＲＰＭ）、１刃あたり送り０．１（ｍｍ）、径方向切込み１．０（ｍｍ）、チャックからのワーク突き出し量１００（ｍｍ）である。
　図９は、びびり振動が発生していない場合の実験結果であり、加工中に生じた加速度の波形を示す図である。図１０は、図９に示す実験結果から求めた無次元量の位相差を示す図である。本実験においても、フィルタ処理部１０、センサ信号処理部１１、タイミング信号生成部１６および位相差演算部１２は、加速度センサの出力する加速度データをセンサ信号２００として処理することにより、図１０に示す無次元量および角度θが算出された。
　まず、フィルタ処理部１０は、主軸回転数に基づいて、２０００／６０＝３３．３（Ｈｚ）と、その高調波から成る切削成分を加速度データから除去した。次に、センサ信号処理部１１は、第１の状態量を加速度、第２の状態量を速度とする状態量信号２０２を演算して出力した。なお、第２の状態量である速度は、加速度を積分することによって得た。
　タイミング信号生成部１６は、主軸１０１の角度指令が主軸オリエンテーション時の主軸角度を通過するたびにタイミング信号２０７を出力した。位相差演算部１２は、状態量信号２０２を正規化し、各タイミング信号２０７を受け取った各時刻ｔ２０１～ｔ２０６における無次元量Ｎ２０１～Ｎ２０６を算出した。ここで、ｔ２０６＞ｔ２０５＞ｔ２０４＞ｔ２０３＞ｔ２０２＞ｔ２０１である。
　図１０には、状態空間内における無次元量Ｎ２０１～Ｎ２０６が示されている。角度θ２０１は、無次元量Ｎ２０１と状態空間の原点と無次元量Ｎ２０２とがなす角度を示し、角度θ２０２は、無次元量Ｎ２０２と状態空間の原点と無次元量Ｎ２０３とがなす角度を示し、角度θ２０３は、無次元量Ｎ２０３と状態空間の原点と無次元量Ｎ２０４とがなす角度を示す。角度θ２０４は、無次元量Ｎ２０４と状態空間の原点と無次元量Ｎ２０５とがなす角度を示し、角度θ２０５は、無次元量Ｎ２０５と状態空間の原点と無次元量Ｎ２０６とがなす角度を示す。以上の実験結果から、びびり振動が発生していない場合、状態空間内の無次元量の軌跡は不規則であり、各時刻における角度θ２０１～θ２０５は不定の値をとることが実験的に示された。
　図１の説明に戻る。振動判定部１３は、位相差演算部１２から位相差である角度θを受け取り、以下に示す手順を用いてびびり振動の判定を行う。振動判定部１３は、位相差演算部１２が算出した位相差情報２０３に基づいて、びびり振動の発生有無を判定する。びびり振動が発生していると判定した場合、振動判定部１３は、振動判定情報２０４を指令値補正部１４へ出力する。振動判定部１３の詳細について説明する。
　振動判定部１３は、位相差演算部１２が出力した位相差情報２０３を記録する。この記録は、位相差情報２０３を受け取るたびに繰り返し行われ、位相差情報２０３に含まれる角度θを時系列データとして記録する。
　また振動判定部１３は、記録された角度θの差分を計算し、角度θの差分が予め定められた閾値を下回る場合、びびり振動が発生していると判定し、振動判定情報２０４を指令値補正部１４に出力する。ここで振動判定部１３が使用する閾値について説明する。なお、ここでは位相差演算部１２から角度θが±１８０度の範囲で出力されることとする。びびり振動が発生していない場合、角度θは±１８０度の範囲で不定の値をとるため角度θの差分は、±３６０度の値をとる。また、びびり振動が発生している場合、角度θは一定の値をとるため、角度θの差分はゼロとなる。ただし、実際の角度θには測定誤差などに由来する誤差が含まれる。このため、閾値を、角度θの誤差よりも十分に大きい値とすれば、びびり振動の有無を判定することができる。例えば、角度θの誤差が±１０度ある場合、閾値は２０度よりも大きい値、例えば３０度とすればよい。
　或いは、振動判定部１３は、繰返し受信する複数の位相差情報２０３に含まれる角度θの標準偏差を算出し、角度θの標準偏差が予め定められた閾値を下回る場合、びびり振動が発生していると判定する。図１１は、図１に示す振動判定部１３の処理について説明するための第１の例を示す図である。振動判定部１３は、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間に取得された角度θを用いて標準偏差を算出し、びびり振動の有無を判定する。図１１に示す第１の例では、角度θの標準偏差は、標準偏差の閾値を上回っている。このため、振動判定部１３は、びびり振動が発生していないと判定することができる。また、図１２は、図１に示す振動判定部１３の処理について説明するための第２の例を示す図である。図１２に示す第２の例では、角度θの標準偏差は、標準偏差の閾値を下回っている。このため、振動判定部１３は、びびり振動が発生していると判定することができる。
　標準偏差の閾値の定め方について説明する。びびり振動が発生する場合、角度θは一定の値をとるため、角度θの差分はゼロとなる。ただし、実際の角度θには、測定誤差などに由来する誤差が存在する。したがって、閾値に、角度θに含まれる誤差よりも十分に大きい値を設定することで、びびり振動の有無を判定することができる。例えば、角度θの誤差が±１０度である場合、標準偏差の閾値は１０度よりも大きい値、例えば２０度とすることができる。
　また、別の例として、振動判定部１３は、繰返し受信する複数の位相差情報２０３に含まれる角度θの標準偏差に代わって、角度θの分散を用いてびびり振動の有無を判定することができる。この場合も標準偏差の場合と同様の方法で分散の閾値を定めることができる。
　さらに別の例として、振動判定部１３は、角度θの最大値と最小値の差を用いて、びびり振動の判定を行ってもよい。この場合、振動判定部１３は、予め定められた長さの期間中に受信した角度θの最大値および最小値の差を算出し、算出した最大値および最小値の差が、予め定められた閾値よりも小さい場合、びびり振動が発生していると判定することができる。
　指令値補正部１４は、振動判定部１３から振動判定情報２０４を受け取った場合、駆動指令部１５へ運転指令２０８の変更を指示する補正信号２０５を出力する。補正信号２０５は、現在の主軸速度に対応して予め定められた所定の割合だけ、主軸１０１の速度指令を変更する信号である。
　あるいは、補正信号２０５は、主軸１０１の回転数が予め有限要素解析で算出した機械構造の共振周波数の整数分の１と一致するように、主軸１０１の回転数を変更する信号であってもよい。なお、機械構造の共振周波数は、有限要素解析でなく事前実験により同定した値を用いてもよい。
　さらに補正信号２０５は、送り軸１０２の速度指令地を所定の割合だけ変更する信号であってもよい。具体的には補正信号２０５は、送り軸１０２のモータ電流が予め定められた基準値よりも小さくなるように、送り軸１０２の速度指令値を減少する信号とすることができる。
　以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、工作機械１００に取り付けられる工具または加工対象物の振動を検出したセンサ信号２００に基づいて、複数の種類の状態量の時系列データが生成される。そして、状態空間内において、複数の種類の状態量を示す無次元量がタイミング信号２０７ごとに生成され、無次元量の位相間の差分である角度θを示す位相差情報が演算される。この位相差情報のばらつきに基づいて、工作機械１００におけるびびり振動の発生が判定される。
　数値制御装置１は、びびり振動の判定にＦＦＴに代表される周波数解析を用いないため、データ取得時間の制約を受けずに、びびり振動の判定に十分な周波数分解能を得ることができる。このため、びびり振動の判定に要する時間、つまり、びびり振動が発生してからびびり振動の発生を判定するまでの時間を短縮することができる。したがって、びびり振動が発生してから、びびり振動を抑制するまでの時間も短縮され、高速にびびり振動を抑制することができる。
　また、数値制御装置１では、無次元量である位相差情報２０３に基づいてびびり振動を判定する。従来の方法としては、例えば、びびり振動の振幅に基づいてびびり振動を判定する方法がある。びびり振動の振幅を用いる場合、加工条件に依存して振幅の大きさが異なるため、加工条件に応じて振幅の閾値を設けなければならない。これに対して、無次元量である位相差情報２０３に基づいてびびり振動を判定する数値制御装置１では、加工条件に依存せずにびびり振動を判定することができ、加工条件に応じて閾値を設ける必要がなくなる。
　なお、実施の形態１にかかる工作機械１００は、主軸１０１に加工対象物を設置する構成としたが、例えばフライス盤および旋削盤に代表されるように、主軸１０１に工具を設置する場合であっても同様の効果を奏することができる。
　また、実施の形態１では、１個のセンサ１０３を用いる構成としたが、工作機械１００の複数箇所にセンサ１０３を設置してもよい。この場合、設置したすべてのセンサ１０３に対して、実施の形態１で説明した処理を行い、びびり振動の発生を判定することができる。複数箇所にセンサ１０３を設置する場合、加工中に複数の箇所でびびり振動が発生しても、びびり振動の判定および抑制を行うことができる。
　なお、工作機械１００に設置するセンサ１０３は、２種類以上のセンサ１０３を用いて振動を検出し、２種類以上の状態量を含むセンサ信号２００をフィルタ処理部１０に出力してもよい。この場合、センサ信号処理部１１は、２種類のセンサ出力をそれぞれ第１の状態量および第２の状態量とすることができる。第２の状態量をセンサ１０３で直接計測することで、微分または積分に伴う量子化誤差の影響を受けずに、びびり振動の判定を行うことができる。
　なお、実施の形態１では、センサ信号処理部１１は、２種類の状態量を抽出しているが、３種類以上の状態量を抽出してもよい。
実施の形態２．
　実施の形態１では、工具の刃数が１枚の例を説明した。実施の形態２では、工具の刃数が２枚以上の場合にびびり振動の発生を判定するための構成について説明する。
　図１３は、本発明の実施の形態２にかかる数値制御装置２の機能構成を示す図である。数値制御装置２は、フィルタ処理部１０と、センサ信号処理部１１と、位相差演算部１２と、振動判定部１３と、指令値補正部１４と、駆動指令部１５と、タイミング信号生成部１６－１と、工具情報記録部１７とを有する。
　数値制御装置２は、実施の形態１にかかる数値制御装置１の構成に加えて、工具情報２１０を出力する工具情報記録部１７を有し、数値制御装置１のタイミング信号生成部１６に代えて、タイミング信号生成部１６－１を有する。以下、数値制御装置１と異なる部分について主に説明する。
　工具情報記録部１７は、工作機械１００に設置された工具に関する情報である工具情報２１０を記録し、記録している工具情報２１０をタイミング信号生成部１６－１に出力する。工具情報２１０は、少なくとも工具の刃数を示す情報を含む。さらに、工具情報２１０は、エンドミル、バイトなどの工具の種類、工具長、工具径などの工具形状を示す情報を含んでもよい。なお、工作機械１００に１つの旋削工具が取り付けられている場合、工具情報記録部１７は、工具の刃数は１枚であることを示す工具情報２１０を出力する。また、工作機械１００に旋削工具が取り付けられている場合であっても、複数の工具が同時に切削する場合、刃数は工具の数と同数になる。例えば工作機械１００が下刃物台と上刃物台とを有し、両方の刃物台に１枚ずつ取り付けられた旋削工具で加工を行う場合、工具情報記録部１７は、刃数が２枚であることを示す工具情報２１０を出力する。
　タイミング信号生成部１６－１は、駆動指令部１５が出力する主軸運転指令２０６および工具情報記録部１７が出力する工具情報２１０に基づき、主軸角度が予め定められた角度を通過したことを判定し、判定したタイミングでタイミング信号２０７を位相差演算部１２へ出力する。
　タイミング信号生成部１６－１の処理の詳細を説明する。以下では刃数α枚の工具を、主軸１０１に取り付ける場合について説明する。αは、２以上の自然数とする。
　まず、α＝２の場合について説明する。図１４は、図１３に示すタイミング信号生成部１６－１が出力するタイミング信号２０７と主軸１０１の角度指令との間の関係の第１の例を示す図である。角度指令は、０度から３６０度の間の値をとり、３６０度に達すると０度に戻る信号である。タイミング信号２０７は、主軸１０１の角度指令が予め定められた複数の角度である角度ψ１および角度ψ２を通過するたびに出力される。つまり、タイミング信号２０７は、主軸１０１が１回転する間に、刃数と同数である２回出力される。角度ψ１は、主軸１０１が１回転する間に１か所定められていれば任意の角度であってよい。例えば、角度ψ１は、主軸オリエンテーション時の主軸角度とすることができる。さらに、角度ψ１と角度ψ２との間の差は、３６０度を工具刃数の２で除した値となり、ψ２－ψ１＝１８０度となる。
　続いて、αが任意の自然数である場合について説明する。図１５は、図１３に示すタイミング信号生成部１６－１が出力するタイミング信号２０７と主軸１０１の角度指令との間の関係の第２の例を示す図である。タイミング信号２０７は、主軸１０１の角度指令が予め定められた角度ψβを通過するたびに出力される。βは、２以上α以下の自然数である。タイミング信号２０７は、主軸１０１が１回転する間にα回出力される。ψ１は、主軸１０１が１回転する間に１か所定められていれば任意の角度であってよい。ψ１とψβ―１との間には、以下に示す数式（２）に示す制約がある。言い換えると、タイミング信号生成部１６－１は、３６０度を刃数αで除した角度だけ主軸１０１が回転する毎にタイミング信号２０７を出力する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、タイミング信号生成部１６－１は、主軸運転指令２０６に含まれる主軸１０１の速度指令を用いて、タイミング信号２０７を生成してもよい。この場合、タイミング信号生成部１６－１は、主軸１０１の速度指令Ｓ（ｒｐｍ）から以下の数式（３）を用いて算出される時間Ｔ２ごとにタイミング信号２０７を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　以上説明したように、本発明の実施の形態２によれば、工具情報２１０に基づいてタイミング信号２０７が生成されるため、工作機械１００に取り付けられる工具の刃数が複数である場合であっても、実施の形態１と同様に、びびり振動の判定に要する時間、つまり、びびり振動が発生してからびびり振動の発生を判定するまでの時間を短縮することができる。
　なお、刃数が１である場合、数値制御装置２は、数値制御装置１と同様の処理によってびびり振動の判定および抑制を行うことができる。
実施の形態３．
　図１６は、本発明の実施の形態３にかかる数値制御装置３の機能構成を示す図である。数値制御装置３は、フィルタ処理部１０と、センサ信号処理部１１と、位相差演算部１２と、振動判定部１３と、指令値補正部１４と、駆動指令部１５と、タイミング信号生成部１６－２とを有する。数値制御装置３は、数値制御装置１のタイミング信号生成部１６に代えて、タイミング信号生成部１６－２を有する。以下、数値制御装置１と異なる部分について主に説明する。
　工作機械１００は、実施の形態１で説明した構成に加えて、主軸１０１に取り付けられた角度情報センサ１０４を有する。角度情報センサ１０４は、主軸角度を測定するセンサであり、例えばエンコーダ、ポテンショセンサなどを用いることができる。角度情報２１１は、角度情報センサ１０４により測定された主軸角度の実測値を少なくとも含む信号である。角度情報センサ１０４は、生成した角度情報２１１を数値制御装置３に出力する。
　タイミング信号生成部１６－２は、角度情報２１１が含む主軸角度の実測値に基づき、タイミング信号２０７を生成する。タイミング信号生成部１６－２がタイミング信号２０７を生成する方法は、実施の形態１と同様であるが、主軸１０１の角度指令に代わり、主軸角度の実測値が用いられる。
　なお、角度情報センサ１０４は、主軸速度の実測値を検出するセンサであってもよい。この場合、角度情報センサ１０４は、角速度センサである。タイミング信号生成部１６－２は、主軸１０１の角度指令に代わり、主軸速度の実測値に基づいてタイミング信号２０７を生成することができる。タイミング信号生成部１６－２は、初期時刻ｔ０を基準時刻として、主軸速度の実測値Ｓref（ｒｐｍ）から、以下に示す数式（４）を用いて算出される時間Ｔ３ごとにタイミング信号２０７を出力する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　以上説明したように、本発明の実施の形態３によれば、タイミング信号２０７は、主軸角度の実測値に基づいて生成される。このため、主軸１０１の角度指令と実際の角度の間で生じる制御の追従誤差の影響を受けることなく、タイミング信号２０７を生成することができる。したがって、数値制御装置３は、主軸１０１の角度指令と実際の角度の間に制御の追従誤差が発生する場合であっても、実施の形態１と同様に、びびり振動の判定に要する時間、つまり、びびり振動が発生してからびびり振動の発生を判定するまでの時間を短縮することができる。
　なお、実施の形態３では、主軸角度または主軸速度の実測値を用いて、タイミング信号２０７を生成する例について説明したが、タイミング信号生成部１６－２は、主軸角度指令と主軸角度の実測値とを併せて用いてもよいし、主軸速度指令と主軸速度の実測値とを併せて用いてもよい。
実施の形態４．
　図１７は、本発明の実施の形態４にかかる数値制御装置４の機能構成を示す図である。数値制御装置４は、フィルタ処理部１０と、センサ信号処理部１１と、位相差演算部１２と、振動判定部１３と、指令値補正部１４と、駆動指令部１５と、タイミング信号生成部１６－３と、工具情報記録部１７とを有する。つまり、数値制御装置４は、実施の形態３で説明した数値制御装置３の構成に加えて、工具情報記録部１７を有し、タイミング信号生成部１６－２の代わりにタイミング信号生成部１６－３を有する。以下、数値制御装置２と異なる部分について主に説明する。
　タイミング信号生成部１６－３は、角度情報センサ１０４が出力する角度情報２１１と、工具情報記録部１７が出力する工具情報２１０とに基づいて、タイミング信号２０７を生成し、生成したタイミング信号２０７を位相差演算部１２に出力する。タイミング信号生成部１６－３は、実施の形態２のタイミング信号生成部１６－１と同様の方法でタイミング信号２０７を生成することができる。このとき、タイミング信号生成部１６－３は、主軸１０１の角度指令に代わって、主軸角度の実測値を用いて、タイミング信号２０７を生成する。
　以上説明したように、本発明の実施の形態４によれば、実施の形態３と同様に、主軸１０１の角度指令と実際の角度の間で生じる制御の追従誤差の影響を受けることなく、タイミング信号２０７を生成することができるという効果に加えて、実施の形態２と同様に、刃数が複数である場合にも、実施の形態１と同様に、びびり振動の判定に要する時間、つまり、びびり振動が発生してからびびり振動の発生を判定するまでの時間を短縮することができる。
実施の形態５．
　図１８は、本発明の実施の形態５にかかる数値制御装置５の機能構成を示す図である。数値制御装置５は、フィルタ処理部１０と、センサ信号処理部１１と、位相差演算部１２と、振動判定部１３と、指令値補正部１４と、駆動指令部１５と、タイミング信号生成部１６－４とを有する。また、数値制御装置５は、工作機械１００を制御するための加工プログラム１８から、主軸回転数指令２１３を含む加工プログラム情報２１２を取得することができる。以下、数値制御装置１と異なる部分について主に説明する。
　主軸回転数指令２１３は、タイミング信号生成部１６－４に出力され、加工プログラム情報２１２は、駆動指令部１５に出力される。駆動指令部１５は、加工プログラム情報２１２に従って、工作機械１００に運転指令２０８を出力することができる。
　タイミング信号生成部１６－４は、加工プログラム情報２１２から抽出された主軸回転数指令２１３に基づいて、タイミング信号２０７を生成する。タイミング信号生成部１６－４は、初期時刻ｔ０を基準時刻とし、主軸回転数指令２１３と以下に示す数式（５）とを用いて算出される時間Ｔ４ごとにタイミング信号２０７を出力する。なお、数式（５）のＳcmdは、主軸回転数指令２１３が示す主軸回転数を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　以上説明したように、本発明の実施の形態５によれば、加工プログラム１８に含まれる主軸回転数指令２１３に基づいて、タイミング信号２０７を生成することができる。加工プログラム１８を使用してタイミング信号２０７を生成する場合であっても、実施の形態１と同様に、びびり振動の判定に要する時間、つまり、びびり振動が発生してからびびり振動の発生を判定するまでの時間を短縮することができる。
実施の形態６．
　図１９は、本発明の実施の形態６にかかる数値制御装置６の機能構成を示す図である。数値制御装置６は、フィルタ処理部１０と、センサ信号処理部１１と、位相差演算部１２と、振動判定部１３と、指令値補正部１４と、駆動指令部１５と、タイミング信号生成部１６－５と、工具情報記録部１７とを有する。数値制御装置６は、数値制御装置５の構成に加えて、工具情報記録部１７を有し、タイミング信号生成部１６－４に代えてタイミング信号生成部１６－５を有する。
　タイミング信号生成部１６－５は、工具情報２１０と、主軸回転数指令２１３とに基づいて、タイミング信号２０７を生成し、生成したタイミング信号２０７を位相差演算部１２に出力する。
　タイミング信号生成部１６－５は、初期時刻ｔ０を基準時刻として、以下に示す数式（６）と、刃数αと、主軸回転数Ｓcmdとを用いて算出される時間Ｔ５ごとにタイミング信号２０７を出力する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　以上説明したように、本発明の実施の形態６によれば、実施の形態５の効果に加えて、さらに、工具の刃数が複数である場合にも、びびり振動の発生を判定することが可能になる。
　続いて、本発明の実施の形態１～６にかかる数値制御装置１～６のハードウェア構成について説明する。数値制御装置１～６の各機能部は、処理回路により実現される。これらの処理回路は、専用のハードウェアにより実現されてもよいし、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）を用いた制御回路であってもよい。
　上記の処理回路が、専用のハードウェアにより実現される場合、これらは、図２０に示す処理回路９０により実現される。図２０は、本発明の実施の形態１～６にかかる数値制御装置１～６の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。処理回路９０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）、またはこれらを組み合わせたものである。
　上記の処理回路が、ＣＰＵを用いた制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図２１に示す構成の制御回路９１である。図２１は、本発明の実施の形態１～６にかかる数値制御装置１～６の機能を実現するための制御回路９１の構成を示す図である。図２１に示すように、制御回路９１は、プロセッサ９２と、メモリ９３とを備える。プロセッサ９２は、ＣＰＵであり、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital　Signal　Processor）などとも呼ばれる。メモリ９３は、例えば、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable　Programmable　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically　ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital　Versatile　Disk）などである。
　上記の処理回路が制御回路９１により実現される場合、プロセッサ９２がメモリ９３に記憶された、各構成要素の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ９３は、プロセッサ９２が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１，２，３，４，５，６　数値制御装置、１０　フィルタ処理部、１１　センサ信号処理部、１２　位相差演算部、１３　振動判定部、１４　指令値補正部、１５　駆動指令部、１６，１６－１，１６－２，１６－３，１６－４，１６－５　タイミング信号生成部、１７　工具情報記録部、１８　加工プログラム、９０　処理回路、９１　制御回路、９２　プロセッサ、９３　メモリ、１００　工作機械、１０１　主軸、１０２　送り軸、１０３　センサ、１０４　角度情報センサ、２００　センサ信号、２０１　びびり振動成分信号、２０２　状態量信号、２０３　位相差情報、２０４　振動判定情報、２０５　補正信号、２０６　主軸運転指令、２０７　タイミング信号、２０８　運転指令、２０９　動作情報、２１０　工具情報、２１１　角度情報、２１２　加工プログラム情報、２１３　主軸回転数指令。

Claims (13)

  1. 　工作機械の主軸および送り軸に運転指令を与える駆動指令部と、
    　前記工作機械に取り付けられる工具または加工対象物の振動を検出したセンサ信号に基づいて、複数の種類の状態量を生成するセンサ信号処理部と、
    　前記主軸の回転と同期したタイミングで周期的にタイミング信号を生成して出力するタイミング信号生成部と、
    　状態空間内において前記複数の種類の状態量を示す無次元量を、前記タイミング信号毎に生成し、前記無次元量の位相間の差分を示す位相差情報を演算する位相差演算部と、
    　前記位相差情報のばらつきに基づいて、前記工作機械におけるびびり振動の発生を判定する振動判定部と、
    　を備えることを特徴とする数値制御装置。
  2. 　前記振動判定部がびびり振動が発生したと判定した場合、前記運転指令を変更する補正信号を前記駆動指令部に出力する指令値補正部、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
  3. 　前記センサ信号から、前記工作機械に取り付けられる工具の刃数に前記主軸の回転数を乗じた周波数の振動成分および前記振動成分の高調波成分を除去するフィルタ処理部、
    　をさらに備え、
    　前記センサ信号処理部は、前記フィルタ処理部が出力する前記センサ信号に基づいて、前記複数の種類の状態量を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置。
  4. 　前記工作機械に取り付けられる工具の刃数を示す刃数情報を記録する工具情報記録部、
    　をさらに備え、
    　前記タイミング信号生成部は、３６０度を前記刃数で除した角度だけ前記主軸が回転する毎に前記タイミング信号を出力することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  5. 　前記センサ信号処理部は、前記センサ信号と、前記センサ信号を時間微分することにより得られる状態量と、前記センサ信号を時間積分することにより得られる状態量とのうち２種類以上の状態量を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  6. 　前記位相差演算部は、前回の無次元量と、前記状態空間の原点と、今回の無次元量とがなす角度を示す前記位相差情報を繰返し演算することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  7. 　前記振動判定部は、繰返し受信する複数の前記位相差情報の間の差分が予め定められた値を下回る場合、びびり振動が発生したと判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  8. 　前記振動判定部は、繰返し受信する複数の前記位相差情報の標準偏差が予め定められた値を下回る場合、びびり振動が発生したと判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  9. 　前記振動判定部は、予め定められた長さの期間中に受信した前記位相差情報の最大値と最小値との差を算出し、前記最大値と前記最小値との差が予め定められた値を下回る場合、びびり振動が発生したと判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  10. 　前記タイミング信号生成部は、前記主軸の角度指令および前記主軸の速度指令の少なくとも一方に基づいて、前記タイミング信号を生成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  11. 　前記タイミング信号生成部は、前記主軸の実角度および実速度の少なくとも一方に基づいて、前記タイミング信号を生成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  12. 　前記タイミング信号生成部は、前記工作機械を制御するための加工プログラムに記載された主軸回転数指令に基づいて、前記タイミング信号を生成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の数値制御装置。
  13. 　工作機械の主軸および送り軸に運転指令を与える駆動指令部を有する数値制御装置が実行するびびり振動の発生判定方法であって、
    　前記工作機械に取り付けられた振動センサが出力するセンサ信号に基づいて、複数の種類の状態量を生成するステップと、
    　前記主軸の回転と同期したタイミングで周期的にタイミング信号を生成するステップと、
    　状態空間内において前記複数の種類の状態量を示す無次元量を、前記タイミング信号毎に生成し、前記無次元量の位相間の差分を示す位相差情報を演算するステップと、
    　前記位相差情報のばらつきに基づいて、前記工作機械におけるびびり振動の発生を判定するステップと、
    　を含むことを特徴とするびびり振動の発生判定方法。
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