WO2023017751A1 - 速度調整装置 - Google Patents

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WO2023017751A1
WO2023017751A1 PCT/JP2022/029459 JP2022029459W WO2023017751A1 WO 2023017751 A1 WO2023017751 A1 WO 2023017751A1 JP 2022029459 W JP2022029459 W JP 2022029459W WO 2023017751 A1 WO2023017751 A1 WO 2023017751A1
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WO
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speed
tool
unit
rotation speed
spindle
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/029459
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English (en)
French (fr)
Inventor
潤次郎 榎本
めぐみ 大矢
信平 香田
利隆 長野
Original Assignee
Dmg森精機株式会社
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
    • B23Q15/007—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work while the tool acts upon the workpiece
    • B23Q15/12—Adaptive control, i.e. adjusting itself to have a performance which is optimum according to a preassigned criterion
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4063—Monitoring general control system

Definitions

  • the present invention relates to technology for assisting convergence of chatter vibrations occurring in machine tools.
  • Machine tools include devices that cut workpieces into desired shapes and devices that create workpieces by laminating metal powder.
  • Machine tools for cutting include a turning center that processes the workpiece by applying a cutting tool to the rotating workpiece, and a machining center that processes the workpiece by applying a rotating tool to the workpiece. These functions are combined. There are multi-tasking machines equipped with
  • Chatter vibration leads to a deterioration in the quality of the machined surface of the workpiece.
  • the vibration source may be a tool or a workpiece. In order to understand and eliminate this cause, workers often take measures based on their own experiences.
  • chatter vibration can be eliminated by reducing the spindle rotation speed to some extent.
  • Techniques have been developed for calculating a recommended spindle rotation speed for eliminating chatter vibration when the original spindle rotation speed is high (see Patent Documents 1, 2, and 3).
  • a speed adjustment device includes a vibration acquisition unit that acquires a vibration level of a tool attached to a spindle of a machine tool, a first mark that indicates the rotation speed of the tool, and a plurality of preset speed change units that indicate the speed change unit.
  • a speed display unit for displaying a speed screen displaying both a first mark indicating a current rotation speed and a plurality of second marks indicating a shift unit; and a tool vibration level equal to or higher than a predetermined value a speed adjustment unit that instructs the machine tool to reduce the rotational speed of the tool toward a predetermined rotational speed.
  • the vibration level of the tool is equal to or higher than a predetermined value even after deceleration to the rotational speed of the tool corresponding to the second mark displayed closest to the first mark displayed on the speed display unit.
  • the vibration level of the tool is less than a predetermined value after deceleration to the rotation speed of the tool corresponding to the second mark displayed at the position closest to the displayed first mark, the tool is moved to the position closest to the first mark. The deceleration process is stopped at the rotating speed of the tool indicated by the displayed second mark.
  • a speed adjustment device includes a vibration acquisition unit that acquires the vibration level of a tool attached to a spindle of a machine tool, a first mark that indicates the rotational speed of the tool, and a preset speed change unit.
  • a vibration acquisition unit that acquires the vibration level of a tool attached to a spindle of a machine tool
  • a first mark that indicates the rotational speed of the tool
  • a preset speed change unit When the vibration level of the tool is a predetermined value or more and the order k shown in the following equation is a predetermined number or more, a speed adjustment unit that instructs the machine tool to change the rotation speed of the tool.
  • the speed display unit updates the speed screen after the command to change the rotational speed of the tool.
  • n Spindle rotation speed
  • N Number of tool teeth
  • FIG. 4 is a characteristic graph showing the relationship among spindle rotational speed, depth of cut, and chatter vibration generation conditions.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a hardware configuration related to a chatter vibration detection function; It is a functional block diagram of a speed adjustment device. It is a screen view of the operation screen in a display device.
  • FIG. 10 is a screen diagram of a status screen;
  • FIG. 10 is a screen diagram of a tuning screen when chatter vibration occurs.
  • FIG. 10 is a screen diagram of a tuning screen during stepwise deceleration of the spindle rotational speed;
  • FIG. 10 is a screen diagram of a tuning screen during stepwise deceleration of the spindle rotational speed; FIG.
  • FIG. 11 is a screen diagram of a setting screen; 4 is a flow chart showing a speed adjustment process for chatter vibration; FIG. 11 is a flowchart of low-level adjustment processing in S18 of FIG. 10; FIG. FIG. 11 is a flowchart of high-order adjustment processing in S20 of FIG. 10; FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a machine tool 100 according to an embodiment.
  • the left-right direction, the up-down direction, and the front-rear direction as viewed from the front of the machine tool 100 are defined as the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, respectively.
  • a machine tool 100 is a horizontal machining center and includes a processing device 102 and a control device 104 .
  • a housing (not shown) is provided so as to cover the processing apparatus 102, and an operation panel is provided on the side surface of the housing.
  • the operation panel has a touch panel that can be operated by an operator.
  • the processing apparatus 102 includes a bed 110, a column 112 erected on the bed 110, a spindle head 114 movably provided on the front side of the column 112, and a table 116 movably provided on the bed 110.
  • the spindle head 114 has an axis in the Z-axis direction and supports the spindle 118 rotatably around its axis.
  • the spindle head 114 is provided with a spindle motor for rotating the spindle 118 .
  • the spindle 118 functions as a "mounting portion" to which the tool T held by the tool holder 120 can be coaxially mounted.
  • a workpiece W is fixed to the table 116 via a jig (not shown).
  • a guide rail 122 is provided on the front surface of the column 112, and a saddle 124 is supported movably in the X-axis direction.
  • a guide rail 126 is provided on the front surface of the saddle 124 to support the spindle head 114 so as to be movable in the Y-axis direction.
  • the movement of the saddle 124 and the spindle head 114 is achieved by a feed mechanism (not shown) and a servomotor that drives it.
  • This feed mechanism is a screw feed mechanism using a ball screw.
  • the main shaft 118 is movable in the X- and Y-axis directions by driving the saddle 124 and the main shaft head 114 .
  • the spindle head 114 incorporates an acceleration sensor 130 .
  • the acceleration sensor 130 is used to detect chatter vibration of the tool T, the details of which will be described later.
  • a guide rail 132 is provided on the upper surface of the bed 110, and a saddle 134 is supported movably in the Z-axis direction.
  • a table 116 is fixed on the saddle 134 .
  • the movement of the saddle 134 is achieved by a feed mechanism (not shown) and a servomotor that drives it.
  • This feed mechanism is a screw feed mechanism using a ball screw.
  • the work W is movable in the Z-axis direction by driving the saddle 134 . That is, with the configuration described above, the relative positions of the workpiece W and the tool T can be adjusted three-dimensionally.
  • main shaft rotational speed the rotational speed of the main shaft 118
  • rotational speed of the spindle is also the rotational speed of the tool T. As shown in FIG.
  • FIG. 2 is a characteristic graph showing the relationship between the spindle rotational speed, the depth of cut, and chatter vibration generation conditions.
  • the horizontal axis indicates the spindle rotation speed (the rotation speed of the tool T).
  • the unit is rpm.
  • the vertical axis indicates the depth of cut. Units are millimeters.
  • the depth of cut is the width (also referred to as “Ap”) by which the tool cuts the workpiece W in the axial direction of the spindle.
  • the shaded area in FIG. 2 indicates the "stable range", and the rest indicates the "unstable range”.
  • chatter vibration occurs when the combination of spindle speed and cutting depth is in an unstable range. When chatter vibration occurs, cutting traces are drawn on the surface of the workpiece W due to the vibration of the cutting edge. As shown in FIG. 2, chatter vibration is generally less likely to occur as the spindle rotational speed is lower and the depth of cut is shallower.
  • the tool T in this embodiment is a multi-blade tool such as an "end mill” or "face mill”.
  • f indicates the vibration frequency of the spindle 118
  • n indicates the spindle rotation speed
  • N indicates the number of teeth of the tool T.
  • the stable range has a waveform shape with a peak at the portion where the order is an integer value.
  • the boundary between the stable range and the unstable range is relatively clear in the low-order region.
  • the difference between the peak and bottom of the stable range is large.
  • the control device 104 obtains the recommended value of the spindle rotation speed according to the characteristic graph of FIG. 2, and sets the spindle rotation speed to the recommended value, thereby eliminating chatter vibration. .
  • the stable range and the unstable range change in small steps in the high-order region. Since the difference between the peak and bottom of the stable range is small, a slight change in the spindle rotation speed switches between stable and unstable speeds. For example, when the spindle rotation speed is reduced (decelerated) from point P4 in the high-order region, the width of the stable range around point P4 is narrow. very difficult to ask for.
  • the chatter vibration is eliminated if the control device 104 significantly reduces the spindle rotation speed. For example, it is considered that chatter vibration can be reliably eliminated by significantly decelerating from point P4, which is around 750 (rpm), to 300 (rpm) or less.
  • point P4 which is around 750 (rpm)
  • sudden speed reduction has the risk of generating unexpectedly large vibrations.
  • even if the speed is not reduced significantly there is a possibility that a stable speed can be reached with only a slight speed reduction. For example, even if the speed is not reduced to 300 (rpm), there is a possibility that it will fall within the stable range around 500 (rpm). Therefore, in the present embodiment, instead of calculating the recommended value of the spindle rotation speed in the high-order region (low speed side), a method of searching for a stable speed while gradually decreasing the spindle rotation speed is adopted. .
  • a high-order region is a region in which the degree k is equal to or greater than a predetermined threshold value L1.
  • the order k of the low-order regions is less than ten.
  • chatter vibration may be eliminated by changing the depth of cut, but in this embodiment, the elimination of chatter vibration by adjusting the rotational speed of the spindle will be mainly described.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a hardware configuration related to the chatter vibration detection function.
  • the spindle head 114 incorporates the acceleration sensor 130 .
  • the acceleration sensor 130 detects vibration generated in the tool T during machining of the work W and outputs a signal corresponding to the vibration. Acceleration detected by acceleration sensor 130 (more specifically, an electrical signal representing acceleration) is input to signal processing device 140 .
  • the signal processing device 140 mounts an A/D (Analog/Digital) converter 142 and an FFT (Fast Fourier Transform) converter 144 on a dedicated substrate.
  • a signal output from the acceleration sensor 130 is A/D converted by the A/D converter 142 and subjected to frequency analysis by the FFT converter 144 .
  • the frequency information after analysis is output to the control device 104 .
  • the controller 104 includes an NC (Numerical controller) 150 and a speed regulator 200.
  • a display device 170 is connected to the control device 104 .
  • the display device 170 is a touch panel provided on the operation panel, and displays a screen showing the control state of the machine tool 100 and an operation screen (described later) operated by the operator.
  • the speed adjusting device 200 receives information indicating the control state from the NC 150 and outputs a control command to the NC 150 according to the operator's operation input.
  • the speed adjustment device 200 adjusts the spindle rotation speed based on signals received from the signal processing device 140 and the NC 150 .
  • speed adjustment the adjustment of the spindle rotational speed executed by the speed adjusting device 200 triggered by the chatter vibration is simply referred to as "speed adjustment".
  • the speed adjustment device 200 Based on the signal input from the signal processing device 140, the speed adjustment device 200 displays a status screen indicating the vibration state of the spindle 118 (vibration state of the tool T) and determines whether or not chatter vibration occurs. When determining that chatter vibration has occurred, the speed adjustment device 200 displays a recommended speed on the tuning screen in order to converge the chatter vibration. Details of these will be described later.
  • the NC 150 controls actuators such as motors according to a manually or automatically generated machining program (NC program).
  • NC program a manually or automatically generated machining program
  • the NC 150 drives the servomotor via the drive circuit 160 to feed the spindle head 114 .
  • the spindle motor is driven via the drive circuit 160 to rotate the main shaft 118 .
  • the spindle rotation speed designated by the speed adjusting device 200 via the NC 150 will be referred to as the "command speed”
  • the actual rotation speed of the spindle 118 will be referred to as the "current speed”.
  • the command speed and current speed usually match.
  • FIG. 4 is a functional block diagram of the speed adjusting device 200.
  • Each component of the speed adjustment device 200 includes computing units such as a CPU (Central Processing Unit) and various co-processors, storage devices such as memory and storage, and hardware including wired or wireless communication lines connecting them. It is implemented by hardware and software stored in a storage device and supplying processing instructions to the computing unit.
  • a computer program may consist of a device driver, an operating system, various application programs located in their higher layers, and a library that provides common functions to these programs.
  • Each block described below represents a functional block rather than a hardware configuration.
  • NC 150 also includes hardware including computing units such as processors, storage devices such as memory and storage, wired or wireless communication lines connecting them, and software and programs stored in the storage devices that supply processing instructions to the computing units. may be implemented on an operating system separate from the speed adjustment device 200 .
  • the speed adjustment device 200 includes a user interface processing section 202 , an NC interface section 204 , a vibration acquisition section 206 , a data processing section 208 and a data storage section 210 .
  • the user interface processing unit 202 is in charge of user interface processing such as image display and audio output on the display device 170 in addition to receiving operations from the operator.
  • NC interface section 204 functions as an interface for NC 150 .
  • the vibration acquisition unit 206 acquires a signal indicating the vibration level of the spindle head 114 (tool T) from the signal processing device 140 .
  • the data processing unit 208 executes various processes based on the data acquired by the user interface processing unit 202 , the NC interface unit 204 and the vibration acquisition unit 206 and the data stored in the data storage unit 210 .
  • the data processing unit 208 also functions as an interface for the user interface processing unit 202 , the NC interface unit 204 , the vibration acquisition unit 206 and the data storage unit 210 .
  • the data storage unit 210 stores various programs and
  • User interface processing section 202 includes an input section 212 and an output section 214 .
  • the input unit 212 receives input from the user via a hard device such as a touch panel, mouse, keyboard, etc. set on the screen of the display device 170 .
  • the output unit 214 provides various information to the user through image display or audio output.
  • the output unit 214 includes a speed display unit 216 and a setting display unit 218.
  • the speed display unit 216 causes the display device 170 to display a tuning screen, which will be described later.
  • the setting display unit 218 causes the display device 170 to display a setting screen, which will be described later.
  • the NC interface section 204 includes a rotational speed acquisition section 220 and a rotational speed setting section 222 .
  • a rotation speed acquisition unit 220 acquires the current speed, which is the current spindle rotation speed, from the NC 150 .
  • a rotation speed setting unit 222 sets the spindle rotation speed (command speed) for the NC 150 .
  • the data processing unit 208 includes a speed adjustment unit 224.
  • the speed adjustment unit 224 adjusts the spindle rotation speed by a method described later when chatter vibration occurs.
  • Speed adjustment unit 224 includes an abnormality determination unit 226 that detects the occurrence of chatter vibration.
  • FIG. 5 is a screen diagram of the operation screen 230 on the display device 170. As shown in FIG. The operation screen 230 is divided into a plurality of areas (pains). Each area displays the NC program, soft keys, the ID and shape of the tool T in use, the degree of wear, the position coordinates of the spindle 118, and the like. A status screen 232 and a tuning screen 234 are arranged slightly above the center of the operation screen 230 .
  • the status screen 232 shows changes over time in the vibration level of the spindle 118 and the rotation speed of the spindle. Status screen 232 is described below in connection with FIG.
  • the tuning screen 234 serves as a user interface for controlling the spindle rotational speed, particularly for reducing the spindle rotational speed when chatter occurs. Tuning screen 234 is described in connection with FIGS.
  • FIG. 6 is a screen diagram of the status screen 232.
  • a sampling area 236 is displayed in the center of the status screen 232 with the elapsed time on the horizontal axis and the vibration level and spindle rotation speed on the vertical axis.
  • Sampling area 236 displays changes in vibration level and spindle speed in real time.
  • a solid line indicates changes in the vibration level (dB), and a dotted line indicates changes in the control command value for the spindle rotational speed.
  • a status screen 232 allows the operator to visually check changes over time in the vibration level and rotation speed of the spindle 118 .
  • FIG. 7 is a screen diagram of the tuning screen 234 when chatter vibration occurs.
  • An override bar 250 is displayed in the center area of the tuning screen 234 to represent the spindle rotational speed.
  • the override bar 250 is a scale object (an object having a scale function) that extends to the left and right of the screen, and the command speed is indicated on the upper center of the scale object. In the illustrated example, it is 2500 (min ⁇ 1 ), that is, 2500 (rpm). As long as normal control is being performed, the current speed detected by the rotary encoder and the command speed substantially match.
  • the term "main spindle rotation speed" means the command speed unless otherwise specified.
  • the right end indicates the position of 150% (that is, +50%) of the command speed
  • the left end indicates the position of 50% (that is, -50%) of the command speed.
  • the override bar 250 corresponds to the "tool rotation speed line" that indicates the rate of change to the command speed (current speed).
  • a range of -50 (%) to +50 (%) set based on the current spindle rotation speed is called a "variable range (adjustment range)". For example, when the command speed is 2500 (rpm), the variable range is from 1250 (rpm) corresponding to -50 (%) to 3750 (rpm) corresponding to +50 (%).
  • the upper area of the tuning screen 234 displays the currently detected vibration level.
  • a vibration level of 44 (dB) is shown.
  • a character string of "Chatter vibration detected” is displayed to inform that effect.
  • Abnormality determination unit 226 determines that chatter vibration is occurring when the vibration level is equal to or greater than a predetermined threshold value, for example, 20 (dB).
  • a predetermined threshold value for example, 20 (dB).
  • the speed display unit 216 displays a warning that "chatter vibration has been detected.”
  • the override bar 250 displays a first mark 252 indicating the current command speed and one or more second marks 254 for each shift unit u1.
  • the shift unit u1 corresponds to an "adjustment width" set on a setting screen, which will be described later. For example, when the shift unit u1 is "10(%)", the shift unit is 250 (rpm), which is 10(%) of the current command speed.
  • the speed adjustment unit 224 reduces the spindle rotation speed step by step. Deceleration of the spindle rotational speed will be described in connection with FIG. 8 below.
  • the speed adjustment unit 224 restores the spindle rotation speed to the original 2500 (rpm).
  • FIG. 8 is a screen view of the tuning screen 234 during stepwise reduction of the spindle rotational speed.
  • the speed adjustment unit 224 sets the spindle rotation speed from 2500 (rpm) to 2250 (rpm), which is reduced by the shift unit "250 (rpm)".
  • Rotation speed setting unit 222 sets 2250 (rpm) to NC 150 as a command speed.
  • the vibration acquisition unit 206 detects the vibration level again, and the abnormality determination unit 226 determines whether chatter vibration continues.
  • chatter vibration in other words, if the spindle rotation speed after deceleration is not stable, the speed adjuster 224 further reduces the command spindle rotation speed from 2250 (rpm) to 2000 (rpm). If the chatter vibration is eliminated, no further speed reduction is performed.
  • the speed adjustment unit 224 reduces the spindle rotational speed step by step for each shift unit u1. That is, the speed adjustment unit 224 reduces the current spindle rotation speed v1 by one step by the shift unit u1 and sets the spindle rotation speed to "v1-u1". If necessary, the speed adjustment unit 224 further reduces the current spindle rotation speed "v1-u1" by one step by the shift unit u1 to set the spindle rotation speed to "v1-2 ⁇ u1". In this manner, the speed adjustment unit 224 reduces the spindle rotational speed step by step for each shift unit u1.
  • the speed display unit 216 moves the first mark 252 to the position of the second mark 254, which is one step lower.
  • the moving display of the first mark 252 allows the operator to visually recognize how the spindle rotation speed is being reduced.
  • the speed adjuster 224 slows down the spindle rotation speed within the variable range. Therefore, when adjusting the speed, the spindle rotation speed does not fall below 1250 (rpm), which is the lower limit of the variable range.
  • an upper limit number is set for the number of times of speed reduction.
  • the speed adjustment unit 224 reduces the spindle rotation speed on condition that the number of rotations is within the upper limit. For example, when the upper limit number of times is 3, the speed adjustment unit 224 reduces the spindle rotation speed up to 3 times.
  • the speed display unit 216 displays a warning on the tuning screen 234 when chatter vibration is detected.
  • the speed adjustment unit 224 slows down the spindle rotation speed according to the shift unit u1. If chatter vibration continues after deceleration, the speed adjustment unit 224 further reduces the spindle rotation speed. There are two restrictions on the speed reduction of the spindle rotation speed: the upper limit number of times and the variable range.
  • FIG. 9 is a screen diagram of the setting screen 260. As shown in FIG. The operator can switch between the tuning screen 234 and the setting screen 260 by tapping a tab 262 before or during machining.
  • the setting screen 260 is a screen for setting the "adjustment range" corresponding to the variable range, the "adjustment width” corresponding to the shift unit u1, and the "number of adjustments" corresponding to the upper limit number of times, in addition to the settings related to the tool T. .
  • variable range (adjustment range) in the variable range setting area 264 .
  • the variable range is set from 50(%) to 150(%) of the current speed.
  • the number of teeth of the tool T is set in the blade number setting area 266 and the tool diameter is set in the tool diameter setting area 268 .
  • the speed adjustment unit 224 automatically executes gradual deceleration of the spindle rotational speed.
  • the speed adjustment unit 224 slows down the spindle rotation speed by one step.
  • a shift unit (adjustment range) is set in a shift unit setting area 272 . In FIG. 9, the shift unit is set to 10 (%). Therefore, the speed adjustment unit 224 reduces the main shaft rotational speed step by step by using 10(%) of the current main shaft rotational speed as a shift unit.
  • An upper limit number of times (adjustment number of times) is set in the upper limit number of times setting area 274 . In FIG. 9, the upper limit number of times is set to 5 (times). Therefore, the speed adjuster 224 can reduce the spindle rotational speed in a maximum of five stages.
  • FIG. 10 is a flow chart showing the speed adjustment process for chatter vibration.
  • the processing shown in FIG. 10 is periodically executed by the speed adjustment device 200.
  • the vibration acquisition unit 206 acquires the vibration level of the spindle 118 from the signal processing device 140 (S10).
  • the abnormality determination unit 226 determines whether or not chatter vibration occurs based on the vibration level (S12). When chatter vibration does not occur (N in S12), that is, when the machining conditions are within the stable range, the subsequent processing is skipped.
  • the speed display unit 216 displays a warning on the tuning screen 234 (S14).
  • the speed adjustment unit 224 executes low-order adjustment processing (S18). Details of the low-order adjustment process are described in detail in connection with FIG. 11 below.
  • the speed adjustment unit 224 executes high-order adjustment processing (S20). Details of the high-order adjustment process will be described in detail with reference to FIG.
  • FIG. 11 is a flow chart of the low-order adjustment process in S18 of FIG.
  • the speed adjuster 224 calculates a recommended stable speed by a known method (S30).
  • the speed display unit 216 displays the recommended value on the tuning screen 234 (S32).
  • the speed adjustment unit 224 instructs the rotation speed setting unit 222 to set the spindle rotation speed to the recommended value (S36).
  • Rotation speed setting unit 222 sets the recommended value to NC 150 as the command speed.
  • S36 is skipped.
  • FIG. 12 is a flow chart of the high-order adjustment process in S20 of FIG.
  • the speed display unit 216 displays the second mark 254 on the tuning screen 234 in the manner shown in FIG. In FIG. 12, it is assumed that the gradual deceleration button 270 is turned on in the setting screen 260 of FIG.
  • the speed adjustment unit 224 determines whether or not the spindle rotation speed can be adjusted (S42). Specifically, the speed adjustment unit 224 determines that the speed can be adjusted if the spindle rotation speed after deceleration for the shift unit u1 is within the variable range and the number of times of deceleration up to now has not reached the upper limit number of times. . If the adjustment is possible (Y in S42), the speed adjustment unit 224 reduces the spindle rotational speed by the shift unit u1 (S44).
  • the process returns to S42 to determine whether re-deceleration is possible (S42). If chatter vibration is not detected after deceleration (N of S46), the process ends. On the other hand, if the rotation speed cannot be adjusted even though chatter vibration is detected (N of S42), the output unit 214 displays a warning (S48). When the chatter vibration is not eliminated despite the speed adjustment by the speed adjusting unit 224, the operator manually adjusts the depth of cut or the rotation speed of the spindle to eliminate the chatter vibration. If the adjustment button 258 has not been tapped (N of S40), the processing after S42 is skipped.
  • the machine tool 100 particularly the speed adjusting device 200 has been described above based on the embodiment.
  • the operator sets the upper limit number of times, the variable range, and the shift unit in advance on the setting screen 260 in preparation for the occurrence of chatter vibration in the high-order region.
  • chatter vibration actually occurs in the high-order region low speed side
  • the speed adjustment unit 224 gradually reduces the spindle rotation speed according to the setting information at this time in order to shift from the unstable speed to the stable speed. .
  • the speed adjustment unit 224 automatically searches for a stable speed while repeatedly decelerating the spindle rotation speed and checking the vibration level.
  • the speed change unit By increasing the speed change unit, the time required for speed adjustment can be shortened. Conversely, if the speed change unit is made smaller, it may be possible to reach a stable speed without excessively reducing the spindle rotational speed.
  • the operator can freely set the optimum speed change unit according to the tool T and machining conditions.
  • a first mark 252 indicating the current rotation speed and a second mark 254 indicating the rotation speed after shifting are displayed on the override bar 250 . Since the first mark 252 moves as the rotation speed changes, it becomes easier for the operator to intuitively grasp the speed adjustment process.
  • chatter vibration occurs, a warning is displayed as shown in the tuning screen 234 of FIGS. 7 and 8.
  • the operator can immediately recognize chatter vibration from this warning display.
  • the speed adjustment unit 224 automatically performs speed adjustment for searching for a stable speed.
  • the speed adjustment device 200 includes a speed adjustment algorithm (low-order adjustment processing) for a low-order region where the degree k ⁇ L1 and a speed adjustment algorithm (high-order adjustment processing) for a high-order region where the degree k ⁇ L1. adjustment processing) is automatically used. Therefore, the speed adjusting device 200 can automatically eliminate chatter vibration without the operator considering the order (machining conditions).
  • the speed adjusting device 200 in this embodiment reduces the rotational speed of the tool to a predetermined rotational speed when the vibration level of the tool is equal to or higher than a predetermined value.
  • the speed adjuster 224 reduces the tool rotation speed to the speed specified by the second mark, instead of reducing the tool rotation speed all at once to the predetermined rotation speed, and then reconfirms the vibration level of the tool. If the vibration level of the tool is equal to or higher than the predetermined value even after deceleration, the speed adjuster 224 further reduces the rotation speed of the tool to the speed designated by the next second mark. On the other hand, when the vibration level of the tool is less than the predetermined value after deceleration, the speed adjustment unit 224 stops decelerating the rotational speed of the tool.
  • the speed adjustment unit 224 automatically searches for a stable speed while gradually decelerating the rotation speed of the tool as specified by the second mark.
  • the term "automatically” as used herein means that the speed adjustment unit 224 searches for a stable speed without intervention by the operator.
  • the speed adjusting unit 224 checks the rotational speed of the tool after decelerating the rotational speed of the tool by one step. On the other hand, when the rotational speed of the tool is reduced by one step, if the rotational speed of the tool is less than the predetermined value, the deceleration process is automatically stopped. According to such a processing method, the speed adjustment unit 224 can automatically find a stable speed through trial and error without excessive deceleration.
  • the speed adjustment device 200 searches for a stable speed by decreasing the spindle rotation speed in the high-order region, but it may search for a stable speed by increasing the spindle rotation speed. .
  • the speed adjustment unit 224 continuously performs stepwise speed adjustment when the operator taps the adjustment button 258 .
  • the speed adjustment unit 224 may automatically adjust the speed without waiting for confirmation from the operator when chatter vibration occurs in a high-order region.
  • the speed adjustment unit 224 may perform speed adjustment according to the algorithm shown in FIG. 12 even when chatter vibration is detected in a low-order region (k ⁇ L1).

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Abstract

速度調整装置は、工作機械の主軸に取り付けられる工具の振動レベルを取得する振動取得部と、工具の回転速度を示す第１マークと、あらかじめ設定された変速単位を示す第２マークにより、現在の回転速度と変速単位の双方を示す速度画面を表示させる速度表示部と、工具の振動レベルが所定値以上かつ次数ｋが所定数以上である場合に、工具の回転速度の変更を工作機械に指示する速度調整部と、を備える。速度表示部は、工具の回転速度の変更指示後に速度画面を更新する。速度調整部は、工具の回転速度の変更後においても工具の振動レベルが所定値以上のときには、変速単位に応じて工具の回転速度の変更を工作機械に再指示する。

Description

速度調整装置
　本発明は、工作機械において発生するびびり振動の収束を支援する技術に関する。
　工作機械は、ワークを所望の形状に切削加工する装置や、金属粉末などを積層してワークを作る装置がある。切削加工する工作機械には、回転するワークに切削用の工具を当てることでワークを加工するターニングセンタと、回転する工具をワークに当てることでワークを加工するマシニングセンタ、これらの機能を複合的に備える複合加工機などがある。
　切削加工に際しては、いわゆる「びびり振動」を抑制することが重要である。びびり振動はワーク加工面の品質低下につながる。びびり振動の発生原因は多岐にわたる。振動源が工具の場合もあれば、ワークの場合もある。この原因を把握・排除するために、作業者は自身の経験に基づいて対処することが多い。
　一般的には、主軸回転速度をある程度低下させることでびびり振動は解消される。もともとの主軸回転速度が高いときには、びびり振動を解消するための主軸回転速度の推奨値を計算により求める技術が開発されている（特許文献１，２，３参照）。
特開２０１９－２１７６０４号公報 特開２０１３－８０８号公報 特開２０１８－１７６２９６号公報
　一方、主軸回転速度が低い領域においてびびり振動が発生したときには、切削加工の特性上、主軸回転速度をどのくらい減速させるべきか判断するのが難しい（詳細後述）。主軸回転速度を過度に減速すると加工効率の低下を招く。また、主軸回転速度を急減速すると予期しない大きな振動が発生する可能性がある。このため、低速領域においては適切な主軸回転速度を慎重に探索する必要がある。
　本発明のある態様における速度調整装置は、工作機械の主軸に取り付けられる工具の振動レベルを取得する振動取得部と、工具の回転速度を示す第１マークと、あらかじめ設定された変速単位を示す複数の第２マークにより、現在の回転速度を示す第１マークと変速単位を示す複数の第２マークの双方を表示する速度画面を表示させる速度表示部と、工具の振動レベルが所定値以上である場合に、工具の回転速度を所定回転速度に向けて減速するように前記工作機械に指示する速度調整部と、を備える。
　速度調整部は、(i) 速度表示部に表示された第１マークから一番近い位置に表示された第２マークに対応する工具の回転速度まで減速後においても工具の振動レベルが所定値以上のとき、第１マークから一番近い位置に表示された第２マークに対応する前記工具の回転速度から所定回転速度に向けて減速するように工作機械に指示し、(ii) 速度表示部に表示された前記第１マークから一番近い位置に表示された第２マークに対応する工具の回転速度まで減速後において工具の振動レベルが所定値未満のとき、第１マークから一番近い位置に表示された第２マークが示す工具の回転速度で減速処理を停止する。
　本発明の別の態様における速度調整装置は、工作機械の主軸に取り付けられる工具の振動レベルを取得する振動取得部と、工具の回転速度を示す第１マークと、あらかじめ設定された変速単位を示す第２マークにより、現在の回転速度と変速単位の双方を示す速度画面を表示させる速度表示部と、工具の振動レベルが所定値以上かつ下記式に示す次数ｋが所定数以上である場合に、工具の回転速度の変更を工作機械に指示する速度調整部と、を備える。
　速度表示部は、工具の回転速度の変更指示後に速度画面を更新し、速度調整部は、工具の回転速度の変更後においても工具の振動レベルが所定値以上のときには、変速単位に応じて工具の回転速度の変更を工作機械に再指示する、速度調整装置。
　次数ｋ＝（６０×ｆ）／（ｎ×Ｎ）
　ｆ：主軸の振動周波数
　ｎ：主軸の回転速度
　Ｎ：工具の刃数
　本発明によれば、主軸回転速度が低いときに発生するびびり振動に対して、適切に対応しやすくなる。
実施形態に係る工作機械の概略構成を表す斜視図である。 主軸回転速度、切込深さおよびびびり振動の発生条件の関係を示す特性グラフである。 びびり振動の検出機能に関連するハードウェア構成を模式的に示す図である。 速度調整装置の機能ブロック図である。 表示装置における操作画面の画面図である。 ステータス画面の画面図である。 びびり振動が発生したときのチューニング画面の画面図である。 主軸回転速度を段階的に減速中のチューニング画面の画面図である。 設定画面の画面図である。 びびり振動に対応する速度調整過程を示すフローチャートである。 図１０のＳ１８における低次調整処理のフローチャートである。 図１０のＳ２０における高次調整処理のフローチャートである。
　図１は、実施形態に係る工作機械１００の概略構成を表す斜視図である。
　なおここでは、工作機械１００を正面からみて左右方向，上下方向，前後方向を、それぞれＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向とする。
　工作機械１００は、横型のマシニングセンタであり、加工装置１０２および制御装置１０４を備える。加工装置１０２を覆うように図示しない筐体が設けられ、その筐体の側面に操作盤が設けられる。操作盤は、作業者が操作可能なタッチパネルを有する。
　加工装置１０２は、ベッド１１０と、ベッド１１０に立設されたコラム１１２と、コラム１１２の前面側に移動自在に設けられた主軸頭１１４と、ベッド１１０上に移動自在に設けられたテーブル１１６を備える。主軸頭１１４は、Ｚ軸方向の軸線を有し、主軸１１８をその軸線周りに回転可能に支持する。主軸頭１１４には、主軸１１８を回転駆動するためのスピンドルモータが設けられる。主軸１１８は、工具ホルダ１２０に保持された工具Ｔを同軸状に取り付け可能な「取付部」として機能する。テーブル１１６には、図示略の治具を介してワークＷが固定される。
　コラム１１２の前面にガイドレール１２２が設けられ、サドル１２４がＸ軸方向に移動可能に支持される。サドル１２４の前面にはガイドレール１２６が設けられ、主軸頭１１４がＹ軸方向に移動可能に支持される。サドル１２４および主軸頭１１４の移動は、図示略の送り機構とそれを駆動するサーボモータにより実現される。この送り機構はボールねじを用いたねじ送り機構である。主軸１１８は、サドル１２４および主軸頭１１４が駆動されることによりＸ，Ｙ軸方向に移動自在である。主軸頭１１４には、加速度センサ１３０が内蔵される。加速度センサ１３０は、工具Ｔのびびり振動を検出するために用いられるが、その詳細については後述する。
　一方、ベッド１１０の上面にガイドレール１３２が設けられ、サドル１３４がＺ軸方向に移動可能に支持される。サドル１３４上にテーブル１１６が固定されている。サドル１３４の移動は、図示略の送り機構とそれを駆動するサーボモータにより実現される。この送り機構は、ボールねじを用いたねじ送り機構である。ワークＷは、サドル１３４が駆動されることによりＺ軸方向に移動自在である。すなわち、以上の構成により、ワークＷと工具Ｔとの相対位置を三次元的に調整することができる。
　以下、主軸１１８の回転速度のことを「主軸回転速度」または単に「回転速度」とよぶ。また、主軸回転速度とは、工具Ｔの回転速度でもある。
　図２は、主軸回転速度、切込深さおよびびびり振動の発生条件の関係を示す特性グラフである。
　横軸は主軸回転速度（工具Ｔの回転速度）を示す。単位はｒｐｍである。縦軸は切込深さを示す。単位はミリメートルである。切込深さは、主軸の軸方向において工具がワークＷを切込む幅（「Ａｐ」ともいう。）である。図２の斜線部分が「安定範囲」を示し、それ以外は「不安定範囲」を示す。主軸回転速度と切込深さの組み合わせが不安定範囲にあるときには、びびり振動が発生することがわかっている。びびり振動が発生すると、刃先の振動にともなう切削痕がワークＷの表面に描かれてしまう。図２に示すように、一般的には、主軸回転速度が低速で切込深さが浅いほどびびり振動は発生しにくくなる。
　本実施形態における工具Ｔは「エンドミル」「フェイスミル」などの複数刃の工具である。ここで、ｋ＝（６０×ｆ）／（ｎ×Ｎ）として次数ｋを定義する。「ｆ」は主軸１１８の振動周波数、「ｎ」は主軸回転速度、「Ｎ」は工具Ｔの刃数を示す。安定範囲は次数が整数値となる部分をピークとする波形形状となる。
　図２に示すように、低次数領域においては、安定範囲と不安定範囲の境界が比較的明確となる。いいかえれば、安定範囲のピークとボトムの差が大きい。たとえば、低次数領域のＰ２地点（不安定範囲）においてびびり振動が発生したときには、主軸回転速度を隣接する安定領域のＰ３地点（ｋ＝２）まで低速化すればよい。あるいは、主軸回転速度を隣接する安定領域のＰ１地点（ｋ＝１）まで高速化してもよい。このように低次数領域（高速側）においては、制御装置１０４は図２の特性グラフにしたがって主軸回転速度の推奨値を求め、主軸回転速度を推奨値に設定することにより、びびり振動を解消できる。低次数領域におけるびびり振動の解消方法については上述した特許文献１，２，３にも開示されているように既知である。以下、びびり振動が発生するときの主軸回転速度を「不安定速度」、びびり振動が発生しないときの主軸回転速度を「安定速度」とよぶ。
　高次数領域においては安定範囲と不安定範囲が小刻みに変化する。安定範囲のピークとボトムの差が小さいため、主軸回転速度のわずかな変化によって安定速度と不安定速度が切り替わる。たとえば、高次数領域のＰ４地点から主軸回転速度を低速化（減速）する場合には、Ｐ４地点付近の安定範囲の幅が狭いため、制御装置１０４は確実に安定速度となる推奨値を計算によって求めることが大変難しい。
　高次数領域（低速側）において、制御装置１０４は主軸回転数を大幅に低下させればびびり振動は解消する。たとえば、７５０（ｒｐｍ）付近であるＰ４地点から３００（ｒｐｍ）以下まで大幅減速させればびびり振動は確実に解消すると考えられる。しかし、急激な低速化は予期せぬ大きな振動を発生させる危険性がある。また、大幅な低速化をしなくても、少しの低速化だけで安定速度に至る可能性もある。たとえば、３００（ｒｐｍ）まで低速化しなくても、５００（ｒｐｍ）付近で安定範囲に収まる可能性もある。
　そこで、本実施形態においては、高次数領域（低速側）においては主軸回転速度の推奨値を計算によって求めるのではなく、主軸回転速度を少しずつ低下させながらで安定速度を探索する方式を採用する。
　なお、高次数領域とは、次数ｋが所定の閾値Ｌ１以上となる領域であるとする。Ｌ１は任意であるが、本実施形態においてはＬ１＝１０であるとして説明する。低次数領域の次数ｋは１０未満である。また、切込深さの変更によりびびり振動を解消できる可能性もあるが、本実施形態においては主軸回転速度の調整によるびびり振動の解消を中心として説明する。
　図３は、びびり振動の検出機能に関連するハードウェア構成を模式的に示す図である。
　上述のように、主軸頭１１４には加速度センサ１３０が内蔵されている。加速度センサ１３０は、ワークＷの加工中に工具Ｔに生じる振動を検出し、その振動に応じた信号を出力する。加速度センサ１３０にて検出された加速度（より詳細には、加速度を表す電気信号）は、信号処理装置１４０に入力される。
　信号処理装置１４０は、専用の基板にＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換器１４２およびＦＦＴ（Fast Fourier Transform）変換器１４４を搭載する。加速度センサ１３０から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換器１４２によりＡ／Ｄ変換され、ＦＦＴ変換器１４４により周波数解析が行われる。解析後の周波数情報が制御装置１０４に出力される。
　制御装置１０４は、ＮＣ（Numerical controller）１５０および速度調整装置２００を含む。制御装置１０４には表示装置１７０が接続される。表示装置１７０は、操作盤に設けられたタッチパネルであり、工作機械１００の制御状態を表す画面や作業者が操作する操作画面（後述）を表示する。
　速度調整装置２００は、ＮＣ１５０から制御状態を示す情報を受け取る一方、作業者の操作入力に応じた制御指令をＮＣ１５０に出力する。速度調整装置２００は、信号処理装置１４０およびＮＣ１５０から受信した信号に基づき、主軸回転速度を調整する。以下、びびり振動の発生を契機として速度調整装置２００により実行される主軸回転速度の調整のことを単に「速度調整」とよぶ。
　速度調整装置２００は、信号処理装置１４０から入力される信号に基づき、主軸１１８の振動状態（工具Ｔの振動状態）を示すステータス画面を表示させるとともに、びびり振動の発生有無を判定する。速度調整装置２００は、びびり振動が発生したと判定すると、そのびびり振動を収束させるため、チューニング画面に推奨速度を表示させる。これらの詳細については後述する。
　ＮＣ１５０は、手動または自動で生成された加工プログラム（ＮＣプログラム）にしたがってモータ等のアクチュエータを制御する。ワークＷにマシニング加工を施す際、ＮＣ１５０は、駆動回路１６０を介してサーボモータを駆動し、主軸頭１１４を送り駆動する。また、駆動回路１６０を介してスピンドルモータを駆動し、主軸１１８を回転させる。以下、速度調整装置２００からＮＣ１５０を介して指定する主軸回転速度のことを「指令速度」とよび、主軸１１８の実際の回転速度のことを「現在速度」とよぶ。通常、指令速度と現在速度は一致する。
　図４は、速度調整装置２００の機能ブロック図である。
　速度調整装置２００の各構成要素は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および各種コプロセッサ（co-processor）などの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され、演算器に処理命令を供給するソフトウェアによって実現される。コンピュータプログラムは、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、それらの上位層に位置する各種アプリケーションプログラム、また、これらのプログラムに共通機能を提供するライブラリによって構成されてもよい。以下に説明する各ブロックは、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。
　なお、ＮＣ１５０も、プロセッサなどの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され演算器に処理命令を供給するソフトウェアやプログラムを速度調整装置２００とは別個のオペレーティングシステム上で実現される形態でもよい。
　速度調整装置２００は、ユーザインタフェース処理部２０２、ＮＣインタフェース部２０４、振動取得部２０６、データ処理部２０８およびデータ格納部２１０を含む。
　ユーザインタフェース処理部２０２は、作業者からの操作を受け付けるほか、表示装置１７０に対する画像表示や音声出力など、ユーザインタフェースに関する処理を担当する。ＮＣインタフェース部２０４は、ＮＣ１５０に対するインタフェースとして機能する。振動取得部２０６は、信号処理装置１４０から主軸頭１１４（工具Ｔ）の振動レベルを示す信号を取得する。データ処理部２０８は、ユーザインタフェース処理部２０２、ＮＣインタフェース部２０４、振動取得部２０６により取得されたデータおよびデータ格納部２１０に格納されているデータに基づいて各種処理を実行する。データ処理部２０８は、ユーザインタフェース処理部２０２、ＮＣインタフェース部２０４、振動取得部２０６およびデータ格納部２１０のインタフェースとしても機能する。データ格納部２１０は、各種プログラムと設定データを格納する。
　ユーザインタフェース処理部２０２は、入力部２１２および出力部２１４を含む。
　入力部２１２は、表示装置１７０の画面に設定されるタッチパネル、マウス、キーボード等のハードデバイスを介してユーザからの入力を受け付ける。出力部２１４は、画像表示あるいは音声出力を介して、ユーザに各種情報を提供する。
　出力部２１４は、速度表示部２１６と設定表示部２１８を含む。速度表示部２１６は、後述のチューニング画面を表示装置１７０に表示させる。設定表示部２１８は、後述の設定画面を表示装置１７０に表示させる。
　ＮＣインタフェース部２０４は、回転速度取得部２２０と回転速度設定部２２２を含む。回転速度取得部２２０は、ＮＣ１５０から現在の主軸回転速度である現在速度を取得する。回転速度設定部２２２は、ＮＣ１５０に対して主軸回転速度（指令速度）を設定する。
　データ処理部２０８は、速度調整部２２４を含む。速度調整部２２４は、びびり振動が発生したとき、後述の方法により主軸回転速度を速度調整する。速度調整部２２４は、びびり振動の発生を検出する異常判定部２２６を含む。
　図５は、表示装置１７０における操作画面２３０の画面図である。
　操作画面２３０は、複数の領域（ペイン：pain）に区分けされる。各領域には、ＮＣプログラム、ソフトキー、使用中の工具ＴのＩＤとその形状、摩耗度、主軸１１８の位置座標等が表示される。操作画面２３０においては中央よりもやや上部にステータス画面２３２およびチューニング画面２３４が配列される。
　ステータス画面２３２は、主軸１１８の振動レベルと主軸回転速度の時間変化を示す。ステータス画面２３２については次の図６に関連して説明する。チューニング画面２３４は、主軸回転速度の制御、特に、びびり発生時における主軸回転速度の低速化を実行するためのユーザインタフェースとなる。チューニング画面２３４については図７、図８に関連して説明する。
　図６は、ステータス画面２３２の画面図である。
　ステータス画面２３２の中央には、横軸を経過時間、縦軸を振動レベルおよび主軸回転速度とするサンプリング領域２３６が表示される。サンプリング領域２３６は、振動レベルおよび主軸回転速度の変化をリアルタイムで表示する。実線が振動レベル（ｄＢ）の変化を示し、点線が主軸回転速度の制御指令値の変化を示している。作業者は、ステータス画面２３２により、主軸１１８の振動レベルと回転速度の時間変化を視認できる。
　図７は、びびり振動が発生したときのチューニング画面２３４の画面図である。
　チューニング画面２３４の中央領域には、主軸回転速度を表すためのオーバーライドバー２５０が表示される。オーバーライドバー２５０は、画面の左右に延びるスケールオブジェクト（スケール機能を有するオブジェクト）であり、その中央上側に指令速度が表記される。図示の例では２５００（ｍｉｎ－１）、すなわち、２５００（ｒｐｍ）である。なお、正常な制御が行われている限り、ロータリエンコーダにより検出される現在速度と指令速度はほぼ一致する。以下、主軸回転速度というときには特に断らない限り、指令速度を意味するものとする。
　オーバーライドバー２５０において、右端は指令速度の１５０％（つまり＋５０％）の位置を示し、左端は指令速度の５０％（つまり－５０％）の位置を示す。オーバーライドバー２５０は、指令速度（現在速度）に対する変更の割合を示す「工具の回転速度を示す線」に対応する。また、現在の主軸回転速度を基準として設定される－５０（％）から＋５０（％）の範囲を「可変範囲（調整範囲）」とよぶ。たとえば、指令速度が２５００（ｒｐｍ）の場合には、可変範囲は－５０（％）に対応する１２５０（ｒｐｍ）から、＋５０（％）に対応する３７５０（ｒｐｍ）までの範囲となる。
　チューニング画面２３４の上領域には、現時点で検出されている振動レベルが表記される。図示の例では、振動レベル：４４（ｄＢ）が示されている。さらに、この振動レベルによりびびり振動の発生が判定されたため、その旨を報知する「びびり振動を検知しました」との文字列が表示されている。異常判定部２２６は、振動レベルが所定の閾値、たとえば、２０（ｄＢ）以上となるとき、びびり振動が発生していると判定する。びびり振動が発生したときには、速度表示部２１６は「びびり振動を検知しました」という警告表示を行う。
　ここでは高次数領域（低速側）においてびびり振動が発生した場合について説明する。オーバーライドバー２５０には、現在の指令速度を示す第１マーク２５２と、変速単位ｕ１ごとに１以上の第２マーク２５４が表示される。変速単位ｕ１は、後述する設定画面により設定される「調整幅」に対応する。たとえば、変速単位ｕ１が「１０（％）」のときには、現在の指令速度の１０（％）である２５０（ｒｐｍ）が変速単位となる。
　チューニング画面２３４の中央部にある調整ボタン２５８を作業者がタップしたとき、速度調整部２２４は主軸回転速度を段階的に減速する。主軸回転速度の減速については次の図８に関連して説明する。作業者がリセットボタン２５６をタップしたときには、速度調整部２２４は主軸回転速度をもとの２５００（ｒｐｍ）に戻す。
　図８は、主軸回転速度を段階的に減速中のチューニング画面２３４の画面図である。
　作業者が調整ボタン２５８をタップしたとき、速度調整部２２４は主軸回転速度を２５００（ｒｐｍ）から変速単位「２５０（ｒｐｍ）」だけ低速化した２２５０（ｒｐｍ）に設定する。回転速度設定部２２２はＮＣ１５０に対して、２２５０（ｒｐｍ）を指令速度として設定する。減速後、振動取得部２０６は振動レベルを再度検出し、異常判定部２２６はびびり振動が継続しているか否かを判定する。びびり振動が継続しているときには、いいかえれば、減速後の主軸回転速度が安定速度でなければ、速度調整部２２４は指令主軸回転速度を２２５０（ｒｐｍ）から２０００（ｒｐｍ）に更に低速化する。びびり振動が解消していれば、それ以上の低速化は行われない。
　びびり振動が継続している限り、速度調整部２２４は、変速単位ｕ１ごとに段階的に主軸回転速度を低速化する。すなわち、速度調整部２２４は、現在の主軸回転速度ｖ１から変速単位ｕ１だけ１段階減速して主軸回転速度速度を「ｖ１－ｕ１」に設定する。必要に応じて、速度調整部２２４は、更に、現在の主軸回転速度「ｖ１―ｕ１」から変速単位ｕ１だけ１段階減速して主軸回転速度を「ｖ１－２×ｕ１」に設定する。このように、速度調整部２２４は、変速単位ｕ１ごとに段階的に主軸回転速度を低速化する。主軸回転速度が減速するごとに、速度表示部２１６は、第１マーク２５２を１段階低速位置にある第２マーク２５４の位置に移動させる。第１マーク２５２の移動表示により、作業者は主軸回転速度が低速化されていく様子を視認できる。速度調整部２２４は、可変範囲内において主軸回転速度を低速化する。したがって、速度調整に際して主軸回転速度が可変範囲の下限値である１２５０（ｒｐｍ）を下回ることはない。更に、低速化の回数には上限回数が設定されている。速度調整部２２４は、上限回数以内であることを条件として主軸回転速度を低速化する。たとえば、上限回数が３回のときには、速度調整部２２４は主軸回転速度を最大３回まで低速化する。
　まとめると、速度表示部２１６はびびり振動が検出されたときにはチューニング画面２３４において警告表示を行う。作業者が調整ボタン２５８をタップしたとき、速度調整部２２４は変速単位ｕ１にしたがって主軸回転速度を低速化する。減速後もびびり振動が継続していれば、速度調整部２２４は主軸回転速度を更に低速化する。主軸回転速度の低速化には、上限回数および可変範囲という２つの制限がかかる。
　図９は、設定画面２６０の画面図である。
　加工作業の前、あるいは、加工中において、作業者はタブ２６２をタップすることで、チューニング画面２３４と設定画面２６０を切り替えることができる。設定画面２６０は、工具Ｔに関する設定のほか、可変範囲に対応する「調整範囲」、変速単位ｕ１に対応する「調整幅」および上限回数に対応する「調整回数」を設定するための画面である。
　作業者は、可変範囲設定領域２６４において可変範囲（調整範囲）の下限値および上限値を設定する。図９においては現在速度の５０（％）から１５０（％）として可変範囲が設定されている。刃数設定領域２６６においては工具Ｔの刃数が設定され、工具径設定領域２６８においては工具径が設定される。
　段階減速ボタン２７０がオン設定されたとき、速度調整部２２４は主軸回転速度の段階的減速を自動実行する。オフのときには、作業者が調整ボタン２５８をタップするごとに速度調整部２２４は主軸回転速度を１段階ずつ低速化する。変速単位設定領域２７２において変速単位（調整幅）を設定する。図９においては、変速単位は１０（％）に設定される。このため、速度調整部２２４は、現在の主軸回転速度の１０（％）分を変速単位として、主軸回転速度を段階的に減速する。上限回数設定領域２７４においては上限回数（調整回数）が設定される。図９においては、上限回数は５（回）に設定される。このため、速度調整部２２４は、主軸回転速度を最大５段階にて減速可能である。
　図１０は、びびり振動に対応する速度調整過程を示すフローチャートである。
　図１０に示す処理は、速度調整装置２００により定期的に実行される。振動取得部２０６は、信号処理装置１４０から主軸１１８の振動レベルを取得する（Ｓ１０）。異常判定部２２６は、振動レベルにもとづいてびびり振動が発生しているか否かを判定する（Ｓ１２）。びびり振動が発生していないときには（Ｓ１２のＮ）、すなわち、加工条件が安定範囲にあるときには以降の処理はスキップされる。
　びびり振動が発生しているとき（Ｓ１２のＹ）、すなわち、加工条件が不安定範囲にあるときには速度表示部２１６はチューニング画面２３４において警告表示を行う（Ｓ１４）。
　次数ｋが閾値Ｌ１未満のとき、すなわち、低次数領域（高速側）においてびびり振動が発生したときには（Ｓ１６のＹ）、速度調整部２２４は低次調整処理を実行する（Ｓ１８）。低次調整処理の詳細は次の図１１に関連して詳述する。次数ｋが閾値Ｌ１以上のとき、すなわち、高次数領域（低速側）においてびびり振動が発生したときには（Ｓ１６のＮ）、速度調整部２２４は高次調整処理を実行する（Ｓ２０）。高次調整処理の詳細は図１２に関連して詳述する。
　図１１は、図１０のＳ１８における低次調整処理のフローチャートである。
　低次数領域においては、速度調整部２２４は既知の方法により安定速度の推奨値を計算する（Ｓ３０）。速度表示部２１６は、チューニング画面２３４において推奨値を表示する（Ｓ３２）。作業者がチューニング画面２３４において調整ボタン２５８をタップしたとき（Ｓ３４のＹ）、速度調整部２２４は主軸回転速度を推奨値に設定するように回転速度設定部２２２に指示する（Ｓ３６）。回転速度設定部２２２は、推奨値を指令速度としてＮＣ１５０に設定する。調整ボタン２５８がタップされなかったときには（Ｓ３４のＮ）、Ｓ３６はスキップされる。
　図１２は、図１０のＳ２０における高次調整処理のフローチャートである。
　高次数領域においてびびり振動が発生したときには、速度表示部２１６は図７に示した態様にてチューニング画面２３４に第２マーク２５４を表示させる。図１２においては、図９の設定画面２６０において段階減速ボタン２７０がオン設定されているものとする。作業者が調整ボタン２５８をタップしたとき（Ｓ４０のＹ）、速度調整部２２４は主軸回転速度を調整可能な状態にあるか否かを判定する（Ｓ４２）。具体的には、速度調整部２２４は、変速単位ｕ１分の減速後の主軸回転速度が可変範囲内にあり、かつ、現在までの減速回数が上限回数に達していなければ速度調整可能と判定する。調整可能であれば（Ｓ４２のＹ）、速度調整部２２４は主軸回転速度を変速単位ｕ１分だけ減速する（Ｓ４４）。
　減速後においても、異常判定部２２６がびびり振動を検知しているときには（Ｓ４６のＹ）、処理はＳ４２に戻り、再減速の可否が判定される（Ｓ４２）。減速後においてびびり振動が検知されなければ（Ｓ４６のＮ）、処理は終了する。一方、びびり振動を検知したにもかかわらず回転速度の調整が不可能な場合には（Ｓ４２のＮ）、出力部２１４は警告表示を行う（Ｓ４８）。作業者は、速度調整部２２４による速度調整にもかかわらずびびり振動が解消していないときには切込深さあるいは主軸回転速度を手動で調整することにより、びびり振動を解消する。なお、調整ボタン２５８がタップされていなければ（Ｓ４０のＮ）、Ｓ４２以降の処理はスキップされる。
［総括］
　以上、実施形態に基づいて工作機械１００、特に、速度調整装置２００について説明した。
　作業者は、高次数領域におけるびびり振動の発生に備えて、あらかじめ設定画面２６０において上限回数、可変範囲および変速単位を設定しておく。高次数領域（低速側）において実際にびびり振動が発生したときには、不安定速度から安定速度に移行させるため、速度調整部２２４はこのときの設定情報にしたがって主軸回転速度を段階的に低速化する。速度調整部２２４は、主軸回転速度の減速と振動レベルの確認を繰り返しながら、安定速度を自動的に探索する。
　変速単位を大きくすれば、速度調整に要する時間を短くできる。逆に、変速単位を小さくすれば、主軸回転速度を過度に低下させることなく安定速度に到達できるかもしれない。作業者は、工具Ｔおよび加工条件に応じて自由に最適な変速単位を設定すればよい。
　可変範囲および上限回数という制限を設けることにより、主軸回転速度が作業者の想定を超えて低下しすぎるのを防ぐことができる。可変範囲内、あるいは、上限回数未達であっても安定速度に到達できたときにはそれ以上の減速は行われない。このため、過剰に減速をすることなく安定速度を試行錯誤しながら自動的に探し出すことができる。
　チューニング画面２３４においては、オーバーライドバー２５０上に、現在の回転速度を示す第１マーク２５２と、変速後の回転速度を示す第２マーク２５４が表示される。回転速度の変化にともなって第１マーク２５２が移動するため、作業者は速度調整過程を直観的に把握しやすくなる。
　びびり振動が発生したときには、図７，図８のチューニング画面２３４に示したように警告表示がなされる。作業者はこの警告表示によりびびり振動を即時に認識できる。作業者は警告表示がなされたときには調整ボタン２５８をタップすれば、速度調整部２２４は自動的に安定速度を探索するための速度調整を実行する。
　本実施形態における速度調整装置２００は、次数ｋ＜Ｌ１となる低次数領域に対応する速度調整アルゴリズム（低次調整処理）と次数ｋ≧Ｌ１となる高次数領域に対応する速度調整アルゴリズム（高次調整処理）を自動的に使い分けている。このため、作業者が次数（加工条件）を考慮することなく、速度調整装置２００はびびり振動を自動的に解消できる。
　上述したように、本実施形態における速度調整装置２００は、工具の振動レベルが所定値以上であるときに工具の回転速度を所定回転速度まで減速させる。速度調整部２２４は、所定回転速度まで一気に減速させるのではなく、第２マークによって指定される速度まで工具の回転速度を減速させた上で、工具の振動レベルを再確認する。もし、減速後においても工具の振動レベルが所定値以上であれば、速度調整部２２４は次の第２マークによって指定される速度まで工具の回転速度を更に減速させる。一方、減速後において工具の振動レベルが所定値未満となっているときには、速度調整部２２４は工具の回転速度の減速処理を停止している。
　いわゆる「びびり振動」が発生したとき、主軸回転速度をどのくらい減速させるべきかを判断することが難しいという問題がありる。工具の回転速度を急激に減速させると大きな振動を発生させてしまう危険性があり、また、大幅な低速化をしなくても少しの低速化だけで安定速度に至る可能性もある。
　速度調整部２２４は、工具の回転速度を第２マークによる指定にしたがって少しずつ減速しながら安定速度を自動的に探索する。ここでいう「自動的」とは、作業者による操作が介在することなく、速度調整部２２４が安定速度を探索することを意味する。速度調整部２２４は工具の回転速度を１段階減速させたあとで工具の回転速度を確認し、工具の回転速度が所定値以上であればもう１段階減速させる。一方、工具の回転速度を１段階減速させたときに工具の回転速度が所定値未満であれば減速処理を自動的に停止している。このような処理方法によれば、速度調整部２２４は、過剰に減速することなく安定速度を試行錯誤しながら自動的に探し出すことができる。
　なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。
［変形例］
　本実施形態においては、高次数領域において速度調整装置２００は主軸回転速度を減速することで安定速度を探索するとして説明したが、主軸回転速度を増速することで安定速度を探索するとしてもよい。
　作業者が調整ボタン２５８をタップしたことを契機として、速度調整部２２４は段階的な速度調整を連続実行するとして説明した。変形例として、速度調整部２２４は高次数領域においてびびり振動が発生したときには作業者の確認を待つことなく自動的に速度調整を実行してもよい。
　速度調整部２２４は、低次数領域（ｋ＜Ｌ１）においてびびり振動が検出された場合であっても、図１２に示したアルゴリズムにしたがって速度調整を実行するとしてもよい。
　この特許出願は、日本の特願２０２１－１３０４３１号（２０２１年８月１０日出願）の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。

Claims (10)

  1. 工作機械の主軸に取り付けられる工具の振動レベルを取得する振動取得部と、
    　前記工具の回転速度を示す第１マークと、あらかじめ設定された変速単位を示す複数の第２マークにより、現在の回転速度を示す第１マークと変速単位を示す複数の第２マークの双方を表示する速度画面を表示させる速度表示部と、
    　前記工具の振動レベルが所定値以上である場合に、前記工具の回転速度を所定回転速度に向けて減速するように前記工作機械に指示する速度調整部と、を備え、
    　前記速度調整部は、(i) 前記速度表示部に表示された前記第１マークから一番近い位置に表示された前記第２マークに対応する前記工具の回転速度まで減速後においても前記工具の振動レベルが前記所定値以上のとき、前記第１マークから一番近い位置に表示された前記第２マークに対応する前記工具の回転速度から前記所定回転速度に向けて減速するように前記工作機械に指示し、(ii) 前記速度表示部に表示された前記第１マークから一番近い位置に表示された前記第２マークに対応する前記工具の回転速度まで減速後において前記工具の振動レベルが前記所定値未満のとき、前記第１マークから一番近い位置に表示された前記第２マークが示す前記工具の回転速度で減速処理を停止する、速度調整装置。
  2. 　工作機械の主軸に取り付けられる工具の振動レベルを取得する振動取得部と、
    　前記工具の回転速度を示す第１マークと、あらかじめ設定された変速単位を示す第２マークにより、現在の回転速度と変速単位の双方を示す速度画面を表示させる速度表示部と、
    　前記工具の振動レベルが所定値以上かつ下記式に示す次数ｋが所定数以上である場合に、前記工具の回転速度の変更を前記工作機械に指示する速度調整部と、を備え、
    　前記速度表示部は、前記工具の回転速度の変更指示後に前記速度画面を更新し、
    　前記速度調整部は、前記工具の回転速度の変更後においても前記工具の振動レベルが前記所定値以上のときには、前記変速単位に応じて前記工具の回転速度の変更を前記工作機械に再指示する、速度調整装置。
    　次数ｋ＝（６０×ｆ）／（ｎ×Ｎ）
    　ｆ：主軸の振動周波数
    　ｎ：主軸の回転速度
    　Ｎ：工具の刃数
  3. 　前記速度表示部は、前記工具の回転速度を示す線上に、前記第１マークおよび前記第２マークをそれぞれ表示させる、請求項１に記載の速度調整装置。
  4. 　前記速度調整部は、速度変更の指示回数があらかじめ設定された上限回数未満であることを条件として、前記工具の回転速度の変更を指示する、請求項１に記載の速度調整装置。
  5. 　作業者から、前記上限回数の設定を受付ける入力部、を更に備える請求項４に記載の速度調整装置。
  6. 　前記上限回数を設定するための設定画面を表示させる設定表示部、を更に備え、
    　前記速度画面と前記設定画面はタブによる切り換え表示が可能である、請求項５に記載の速度調整装置。
  7. 　作業者から、前記変速単位の設定を受付ける入力部、を更に備える請求項１に記載の速度調整装置。
  8. 　前記速度調整部は、変更後の回転速度があらかじめ設定された可変範囲内であることを条件として、前記工具の回転速度の変更を指示する、請求項１に記載の速度調整装置。
  9. 　作業者から、前記可変範囲の設定を受付ける入力部、を更に備える請求項８に記載の速度調整装置。
  10. 　前記速度調整部は、前記工具の振動レベルが前記所定値以上かつ前記次数ｋが前記所定数未満である場合に、前記工具の回転速度の推奨値を計算し、前記推奨値に前記回転速度を変更する、請求項１に記載の速度調整装置。
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