(57)【要約】【課題】加工中のワークの振動特性を効率的に検出する。【解決手段】ワークＷの切削加工中に切削工具１の刃先３からワークＷに加わる切削力Ｆを、切削工具１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）として加速度センサ１１により測定し、それと、予め既知としておいた切削工具１の振動特性Ｈ（ω）とから、信号分析装置１７のコンピュータが、ワークＷの切削加工中における切削工具１の切削力Ｆの時間変動（ｘ（ω）＝ｙ１／Ｈ）を算出する。また、ワークＷの切削加工中にマイクロフォン１３で測定したワークＷの振動音の音圧レベルから、信号分析装置１７のコンピュータが、ワークＷの切削加工中におけるワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）を検出し、これを、算出した切削工具１の切削力Ｆの時間変動（ｘ（ω）＝ｙ１／Ｈ）で除して、ワークＷの振動特性（Ｇ（ω）＝ｙ２／ｘ）を求める。【選択図】図１
2020089956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具によるワークの加工中に測定された前記工具の振動に対応して変化する物理量と前記工具の振動特性とから、加工中の前記ワークに前記工具から加わる力を算出する加工力算出部と、
前記加工力算出部が算出した前記力と、前記ワークの加工中に測定された該ワークの振動に対応して変化する物理量とから、加工中に変化する前記ワークの振動特性を算出する振動特性算出部と、
を備えるワークの振動特性検出装置。
【請求項２】
前記ワークの加工中に前記工具の振動に対応して変化する物理量を測定する工具測定部と、前記ワークの加工中に前記ワークの振動に対応して変化する物理量を測定するワーク測定部とをさらに備え、前記加工力算出部は、前記工具測定部が測定した前記物理量と前記工具の振動特性とから前記ワークに前記工具から加わる力を算出し、前記振動特性算出部は、前記加工力算出部が算出した前記力と前記ワーク測定部が測定した前記物理量とから、前記ワークの振動特性を算出する請求項１記載のワークの振動特性検出装置。
【請求項３】
前記工具測定部は、前記工具に機械的に結合されて前記工具の振動を検出するセンサを有している請求項２記載のワークの振動特性検出装置。
【請求項４】
前記ワーク測定部は、前記ワークの振動を非接触で検出するセンサを有している請求項２又は３記載のワークの振動特性検出装置。
【請求項５】
前記工具は、前記ワークを切削加工する切削工具であり、前記加工力算出部は、前記ワークの切削加工によって前記切削工具に生じる振動に対応する物理量と前記切削工具の振動特性とから、切削加工中の前記ワークに前記切削工具から加わる力を算出し、前記振動特性算出部は、前記加工力算出部が算出した前記力と、前記ワークの加工中に測定された該ワークの振動に対応して変化する物理量とから、前記ワークの振動特性を算出する請求項１、２、３又は４記載のワークの振動特性検出装置。
【請求項６】
前記工具は、前記ワークを転削加工する転削工具であり、前記加工力算出部は、前記転削工具の回転刃による前記ワークの周期的な転削加工によって前記転削工具に生じる振動に対応する物理量と前記転削工具の振動特性とから、転削加工中の前記ワークに前記転削工具から加わる力を算出し、前記振動特性算出部は、前記加工力算出部が算出した前記力と、前記ワークの加工中に測定された該ワークの振動に対応して変化する物理量とから、前記ワークの振動特性を算出する請求項１、２、３、４又は５記載のワークの振動特性検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、工具による加工によって変化するワークの振動特性を検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工具を用いてワークを加工する際に、びびり振動による異常振動が生じると、ワークの加工精度等の点で問題となる。
【０００３】
ワークのびびり振動は、加工中において工具から加わる力の変動とワークの振動特性との相互作用で生じることがある。即ち、工具から加わる力の変動周波数がワークの固有振動数に一致すると、共振によりワークのびびり振動が発生する。このため、ワークのびびり振動を抑制するには、ワークの振動特性（固有振動数）の把握が欠かせない。
【０００４】
ワークの振動特性は、ワークに加える力とそれに対するワークの応答（振動）とを測定すると分かる。そこで、ワークの振動特性を検出する際には、ハンマでワークを打撃する打撃試験、又は、加振機によりワークを振動させる加振試験等の、力をワークに加える試験を行う。そして、加えた力に対するワークの振動特性を測定する。
【０００５】
ところで、ワークの振動特性は、ワークの加工が進んでワークの体積が変わるのに伴って変化する。ワークの振動特性の変化は、例えば、加工によって変化するワークの肉厚が薄い程顕著となる。そこで、ワークの振動特性を検出する場合は、ワークの加工が進む毎にワークの加工を中断して、ワークを振動させる試験を繰り返すことになる。
【０００６】
なお、試験中に非接触のマイクロフォンで測定したワークの振動音を解析してワークの振動特性（固有振動数）を検出することが、従来から既に提案されている。この提案では、試験の度にワークに振動測定用のセンサ類を取り付けたり外したりする手間を省くことができる（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−３０４３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した提案は、試験の度にワークにセンサ類を着脱する手間を省ける点で優れている。しかし、上述した提案は、試験の度にワークの加工を中断してワークを振動させる力をワークに加えなければならない点で従来と変わりがない。つまり、上述した提案でも従来と同じく、加工中のワークの振動特性を効率的に検出することができない。
【０００９】
本開示は前記事情に鑑みなされたもので、本開示の目的は、加工中のワークの振動特性を効率的に検出することができるワークの振動特性検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本開示の第１の態様によるワークの振動特性検出装置は、
工具によるワークの加工中に測定された前記工具の振動に対応して変化する物理量と前記工具の振動特性とから、加工中の前記ワークに前記工具から加わる力を算出する加工力算出部と、
前記加工力算出部が算出した前記力と、前記ワークの加工中に測定された該ワークの振動に対応して変化する物理量とから、加工中に変化する前記ワークの振動特性を算出する振動特性算出部と、
を備える。
【００１１】
本開示の第１の態様によるワークの振動特性検出装置によれば、工具によるワークの加工中に工具からワークに加わる力が変動してワークが振動する。また、ワークに力を加えてワークを振動させる工具もワークと同期して振動する。
【００１２】
そして、工具によるワークの加工中に、工具の振動に対応して変動する物理量が測定され、測定された工具の物理量と工具の振動特性とから、工具がワークに加える力が算出される。
【００１３】
また、工具によるワークの加工中に、ワークの振動に対応して変動する物理量が算出され、算出されたワークの物理量と工具がワークに加える力とから、加工中に変化するワークの振動特性が算出される。
【００１４】
そして、工具の物理量及びワークの物理量はいずれも、ワークの加工を中断させず継続しながら算出することができる。したがって、工具がワークに加える力と、工具から加わった力で振動したワークの物理量、つまり、ワークから加わる力に対するワークの応答（振動）とを、ワークの加工を中断させずにそれぞれ算出することができる。
【００１５】
このため、ワークを加工しながら算出した工具がワークに加える力とそれに対するワークの応答（振動）とから、ワークの加工を中断させずにワークの振動特性を効率的に検出することができる。
【００１６】
なお、本開示の第２の態様によるワークの振動特性検出装置のように、本開示の第１の態様によるワークの振動特性検出装置において、前記ワークの加工中に前記工具の振動に対応して変化する物理量を測定する工具測定部と、前記ワークの加工中に前記ワークの振動に対応して変化する物理量を測定するワーク測定部とをさらに備え、前記加工力算出部は、前記工具測定部が測定した前記物理量と前記工具の振動特性とから前記ワークに前記工具から加わる力を算出し、前記振動特性算出部は、前記加工力算出部が算出した前記力と前記ワーク測定部が測定した前記物理量とから、前記ワークの振動特性を算出する構成としてもよい。
【００１７】
そして、上述した本開示の第２の態様によるワークの振動特性検出装置は、例えば、
工具によるワークの加工中に発生する前記工具の振動に対応して変化する物理量を測定する工具測定ステップと、
前記工具測定ステップで測定した前記物理量と前記工具の振動特性とから、加工中の前記ワークに前記工具から加わる力を算出する加工力算出ステップと、
前記ワークの加工中に発生する該ワークの振動に対応して変化する物理量を測定するワーク測定ステップと、
前記加工力算出ステップで算出した前記力と前記ワーク測定ステップで測定した前記物理量とから、加工中に変化する前記ワークの振動特性を算出する振動特性算出ステップと、
を含んでいるワークの振動特性検出方法を実行する装置によって、実現することができる。
【００１８】
また、上述したワークの振動特性検出方法は、例えば、コンピュータに上記各ステップを実行させるためのプログラムを用いることで、実施することができる。具体的には、例えば、上述したプログラムを記録した記録媒体をコンピュータに読み取らせて、上述した各ステップをコンピュータに実行させることで、上述したワークの振動特性検出方法を実施することができる。
【００１９】
さらに、本開示の第２の態様によるワークの振動特性検出装置における前記工具測定部は、例えば、本開示の第３の態様によるワークの振動特性検出装置のように、前記工具に機械的に結合されて前記工具の振動を検出するセンサを有している構成としてもよい。
【００２０】
また、本開示の第２及び第３の態様によるワークの振動特性検出装置における前記ワーク測定部は、例えば、本開示の第４の態様によるワークの振動特性検出装置のように、前記ワークの振動を非接触で検出するセンサを有している構成としてもよい。
【００２１】
さらに、本開示の第５の態様によるワークの振動特性検出装置は、本開示の第１、第２、第３又は第４の態様によるワークの振動特性検出装置において、前記工具は、前記ワークを切削加工する切削工具であり、前記加工力算出部は、前記ワークの切削加工によって前記切削工具に生じる振動に対応する物理量と前記切削工具の振動特性とから、切削加工中の前記ワークに前記切削工具から加わる力を算出し、前記振動特性算出部は、前記加工力算出部が算出した前記力と、前記ワークの加工中に測定された該ワークの振動に対応して変化する物理量とから、前記ワークの振動特性を算出する。
【００２２】
本開示の第５の態様によるワークの振動特性検出装置によれば、本開示の第１、第２、第３又は第４の態様によるワークの振動特性検出装置において、切削工具がワークを切削加工することで生じる切りくずには、切削工具から加わる力によって応力が蓄積される。切りくずに蓄積された応力が切りくずの強度の限界まで上昇すると、切削工具の接触部分において切りくずがせん断を起こし、切りくずに蓄積された応力が解放される。
【００２３】
切りくずの応力が解放されると、切りくずに蓄積された応力が減少して切りくずの強度の限界を下回る。すると、せん断後のワークの切削により生じた切りくずが、せん断前のワークの切削により生じた切りくずの後に続いて、鋸歯状の切りくずが発生する。以後、ワークを切削加工している間に生じる切りくずがせん断を断続的に起こして、鋸歯状の切りくずが発生し続ける。
【００２４】
なお、鋸歯状の切りくずは、例えば、難削材のワークを切削加工する場合に顕著に見られる。チタン合金、ニッケル合金等の超耐熱合金は、この難削材に該当し、一部のステンレス鋼も難削材に該当するとされる場合もある。
【００２５】
そして、ワークの切削加工中に鋸歯状の切りくずが発生し続けると、切削工具からワークに加わる力は、切削の進行に伴う増加とせん断の発生による減少とを繰り返す。したがって、切削加工中のワークは、増減を繰り返す切削工具からの力によって加振される。
【００２６】
このため、切削工具によるワークの切削加工の際に切削工具からワークに加わる力により、ワークを切削加工中に振動させることができる。よって、振動に対するワークの応答をワークの切削加工中に測定して、ワークの加工を中断させずにワークの振動特性を効率的に算出することができる。
【００２７】
また、本開示の第６の態様によるワークの振動特性検出装置は、本開示の第１、第２、第３、第４又は第５の態様によるワークの振動特性検出装置において、前記工具は、前記ワークを転削加工する転削工具であり、前記加工力算出部は、前記転削工具の回転刃による前記ワークの周期的な転削加工によって前記転削工具に生じる振動に対応する物理量と前記転削工具の振動特性とから、転削加工中の前記ワークに前記転削工具から加わる力を算出し、前記振動特性算出部は、前記加工力算出部が算出した前記力と、前記ワークの加工中に測定された該ワークの振動に対応して変化する物理量とから、前記ワークの振動特性を算出する。
【００２８】
本開示の第６の態様によるワークの振動特性検出装置によれば、本開示の第１、第２、第３、第４又は第５の態様によるワークの振動特性検出装置において、ワークを転削工具で転削加工する際に、回転する転削工具の転削刃がワークに断続的に接触する。したがって、転削加工中のワークは、断続的に接触する転削工具の転削刃から受ける力によって加振される。
【００２９】
このため、転削工具によるワークの転削加工の際に転削工具からワークに加わる力により、ワークを転削加工中に振動させることができる。よって、振動に対するワークの応答をワークの転削加工中に測定して、ワークの加工を中断させずにワークの振動特性を効率的に算出することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本開示によれば、加工中のワークの振動特性を効率的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本開示の一実施形態に係るワークの振動特性検出装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１のワークの振動特性を検出する際の一般的なプロセスを示す説明図である。
【図３】（ａ）は図１のワークの表面を切削工具の刃先が切削する様子を拡大して示す説明図、（ｂ）は（ａ）の刃先からワークに加わる切削力を示すグラフ、（ｃ）は図１の切削工具の刃先により切削されたワークの表面の切りくずが断続的なせん断力の発生により鋸歯状となる様子を拡大して示す説明図、（ｄ）は（ｃ）の鋸歯状の切りくずが発生する際に刃先からワークに加わる切削力を示すグラフである。
【図４】図１の信号分析装置のコンピュータのＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムを実行することで実行する処理を示すフローチャートである。
【図５】図１の信号分析装置が切削工具によるワークの切削力とワークの振動特性とを検出する際のプロセスを示す説明図である。
【図６】図１のワークの振動特性検出装置がワークの切削加工中における切削工具の振動周波数の測定値から算出した切削工具によるワークの切削力の経時変化を切削工具の振動周波数毎に示すグラフである。
【図７】図１のマイクロフォンによりワークの切削加工中に測定したワークの振動音を高速フーリエ変換により解析して求めたワークの振動音圧の経時変化をワークの周波数毎に示すグラフである。
【図８】切削加工を開始する前の打撃試験により得られた図１のワークの振動特性と切削加工の開始直後に測定したワークの加工音をフーリエ変換した加工音圧とを周波数毎に示すグラフである。
【図９】（ａ）は本開示の他の実施形態に係るワークの振動特性検出装置においてワークに加振力を加えるエンドミルの振動を測定するための構成部分を抽出して示す説明図、（ｂ）は（ａ）のエンドミルの回転刃によるワークの転削部分を拡大して示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本開示の一実施形態に係るワークの振動特性検出装置の概略構成を示す説明図である。
【００３３】
図１に示す本実施形態のワークの振動特性検出装置（以下、「振動特性検出装置」と略記する。）１０は、例えばバイト等の切削工具１（請求項中の工具に相当）により表面が切削加工されるワークＷの振動特性を検出する。
【００３４】
ここで、ワークＷの振動特性を検出する際の一般的なプロセスについて、図２の説明図を参照して説明する。
【００３５】
図１に示すワークＷの振動特性は、ワークＷに加える力とその力によってワークＷに生じる振動との相関を示す特性である。そのため、ワークＷの振動特性を検出する場合は、図２に示すように、ハンマによる打撃又は加振機による加振によりワークＷを振動させる。
【００３６】
そして、打撃又は加振でワークＷに加えた力（加振力の変動加速度ｘ（ω））とワークＷの振動（振動加速度ｙ（ω））とをそれぞれ測定し、両者の比（ｙ／ｘ）を求める。この比がワークＷの振動特性（Ｇ（ω）＝ｙ／ｘ）となる。
【００３７】
ところで、図１に示すワークＷの振動特性は、切削工具１による切削加工が進んでワークＷの形状（体積）が変わると変化する。このため、切削加工中のワークＷの振動特性を検出するには、切削加工が進む度に、ワークＷの打撃試験又は加振試験を行ってワークＷの振動を測定する必要がある。
【００３８】
このうち、ワークＷの振動は、ワークＷの振動音を測定するマイクロフォン又はワークＷの変位を測定する変位センサ等を用いて、ワークＷの切削加工を中断せずに非接触で測定することができる。しかし、ワークＷの打撃試験又は加振試験は、ワークＷの切削加工を中断しないと行えない。
【００３９】
しかも、切削加工中に変化するワークＷの振動特性を高い分解能で検出するには、切削加工を頻繁に中断してワークＷの打撃試験又は加振試験を行う必要がある。
【００４０】
そこで、図１に示す本実施形態の振動特性検出装置１０では、打撃試験又は加振試験によりワークＷに加える力の代わりに、切削加工中に切削工具１の刃先３からワークＷに加わる切削力を、ワークＷを振動させる力として利用する。
【００４１】
ここで、切削加工中に切削工具１の刃先３からワークＷに加わる切削力について、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
【００４２】
まず、切削工具１によりワークＷの表面を切削加工する際には、ワークＷが定速で回転され、切削工具１が徐々に回転中心Ｃ（図１参照）側に移動される。そして、切削工具１の刃先３によりワークＷの表面が外周側から切削される。刃先３によりワークＷが切削されると、図３（ａ）の説明図に示すように、切削されたワークＷの切りくずＷ１が刃先３に乗り上げて、ワークＷの表面からめくれ上がる。
【００４３】
なお、切りくずＷ１が刃先３から受ける切削力Ｆ（請求項中の工具から（ワークが）受ける力に相当）は、図３（ｂ）のグラフに示すように、切削工具１の刃先３がワークＷに食いついてから切削加工の初期段階では徐々に増加する。そして、切りくずＷ１の厚みが一定になるまで切削加工が推移した後の切削力Ｆは、一定の値を維持する。
【００４４】
刃先３に乗り上げたワークＷの切りくずＷ１は、刃先３から受ける切削力Ｆにより円弧状に塑性変形する。この塑性変形により切りくずＷ１は、内部に応力を蓄積した状態となる。そして、塑性変形した切りくずＷ１の、図３（ａ）に示す直線Ｓ１の部分に生じる応力は、ワークＷの切削が進むにつれて増加する。なお、切削力Ｆが一定になるまで切削加工が進むと、切りくずＷ１の直線Ｓ１の部分に生じる応力も一定となる。
【００４５】
切りくずＷ１の直線Ｓ１の部分に生じた応力が切りくずＷ１の強度の限界まで増加すると、塑性変形した切りくずＷ１の刃先３が接触する根元の部分において、図３（ａ）に示す直線Ｓ１に沿ったせん断が起こる。切りくずＷ１のせん断は、例えば、難削材によるワークＷを切削加工する場合によく見られる。
【００４６】
なお、難削材には、例えば、６４チタン（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、ニッケル基超合金等の超耐熱合金が含まれる。この種の超耐熱合金は、部品の軽量化又は耐熱性の向上の要求から利用が進んでいる。また、一部のステンレス鋼も、超耐熱合金と共に難削材とされることがある。しかし、本実施形態におけるワークＷは、難削材によるものには限定されず、切削加工が容易な材料のものであってもよい。
【００４７】
ワークＷの切りくずＷ１にせん断が起こると、切りくずＷ１に蓄積された応力がせん断により解放される。
【００４８】
切りくずＷ１の応力が解放されると、切りくずＷ１に蓄積された応力が減少して切りくずＷ１の強度の限界を下回る。すると、せん断変形は一度収まる。さらに切削加工を進めるとせん断面に応力が溜まり始め、やがて、図３（ｃ）の説明図に示すように、せん断前のワークＷの切削により生じた切りくずＷ１に続いて、せん断後のワークＷの切削により生じた切りくずＷ２が発生する。これにより、切りくずＷ１，Ｗ２が鋸歯状となる。
【００４９】
なお、ワークＷの切削加工中に、切りくずＷ２の内部応力が切りくずＷ２の強度の限界まで増加すると、刃先３が接触する切りくずＷ２の根元の部分において、直線Ｓ２に沿ったせん断が起こる。
【００５０】
切りくずＷ２にせん断が発生すると、切りくずＷ２に蓄積された応力が解放されて減少し、切りくずＷ２の強度の限界を下回る。すると、せん断変形は一度収まる。さらに切削加工を進めるとせん断面に応力が溜まり始め、やがて、せん断前のワークＷの切削により生じた切りくずＷ２に続いて、せん断後のワークＷの切削により生じた切りくずＷ３が発生する。これにより、鋸歯状の切りくずＷ１，Ｗ２に続いて、切りくずＷ３が鋸歯状で形成される。
【００５１】
このように、ワークＷの切削加工中には鋸歯状の切りくずＷ１，Ｗ２，Ｗ３，…が発生する。そして、ワークＷの切削加工中にワークＷが刃先３から受ける切削力Ｆは、図３（ｄ）のグラフに示すように、切りくずＷ１，Ｗ２，Ｗ３，…の内部に蓄積された応力がせん断により解放される度に減少する。つまり、切削加工中のワークＷが切削工具１から受ける切削力Ｆは、周期的に増減する。
【００５２】
なお、ワークＷの切削加工中における切削力Ｆの増減周期は、ワークＷの切削加工条件が変わらない限り一定である。そして、切削力Ｆの増減周期は、切削工具１によるワークＷの表面の切削厚さが増えるほど長くなる。その理由は、ワークＷの切削厚さが増えるほど切りくずＷ１，Ｗ２，Ｗ３，…の強度が増し、内部に蓄積された応力で切りくずＷ１，Ｗ２，Ｗ３，…にせん断が起こる周期が長くなるからである。
【００５３】
そこで、図１に示す本実施形態の振動特性検出装置１０では、切削工具１によるワークＷの切削力Ｆを、ワークＷを振動させるための加振力と考える。そして、振動特性検出装置１０では、切削工具１によるワークＷの切削力Ｆを算出し、切削力Ｆを受けたワークＷの切削加工中における振動を測定して、これらから、ワークＷの振動特性を計算により検出する。そのために、振動特性検出装置１０は、加速度センサ１１、マイクロフォン１３、変位センサ１５及び信号分析装置１７を有している。
【００５４】
加速度センサ１１（請求項中の工具測定部に相当）は、ワークＷの切削加工中における切削工具１の刃先３の振動の加速度を検出する。マイクロフォン１３（請求項中のワーク測定部、センサに相当）は、刃先３から切削力Ｆを受けたワークＷの振動音（請求項中の加工音に相当）を測定する。変位センサ１５（請求項中のワーク測定部、センサに相当）は、刃先３から切削力Ｆを受けたワークＷの振動による変位を測定する。
【００５５】
信号分析装置１７（請求項中の加工力算出部、振動特性算出部に相当）は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びハードディスク等の外部記憶装置を有するコンピュータによって構成してもよい。その場合、ＲＡＭは、ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムを実行する際の作業エリア等として利用される。また、信号分析装置１７の一部を、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）によって構成してもよい。本実施形態では、信号分析装置１７をコンピュータによって構成した場合について説明する。
【００５６】
信号分析装置１７のコンピュータは、ＣＰＵがプログラムを実行することで、図４のフローチャートに示す各ステップの処理を行う。ＣＰＵは、例えば、一定時間が経過する毎に周期的に繰り返し、プログラムを実行する。
【００５７】
このプログラムは、例えば、図１に示す記録媒体２０から読み込んで信号分析装置１７のメモリ１９にインストールすることができる。記録媒体２０は、例えば、ディスク状の光記録媒体又はフラッシュメモリ等の半導体記録媒体によって構成することができる。
【００５８】
信号分析装置１７のコンピュータが実行するステップは、図４に示すように、工具測定ステップ（ステップＳ１）、加工力算出ステップ（ステップＳ３）、ワーク測定ステップ（ステップＳ５）及び振動特性算出ステップ（ステップＳ７）を含んでいる。
【００５９】
このうち、ステップＳ１の工具測定ステップは、工具によるワークＷの加工中に発生する工具の振動に対応して変化する物理量を測定するステップである。そして、工具測定ステップでは、信号分析装置１７のコンピュータは、ワークＷの切削加工中における切削工具１の振動に対応して変化する物理量を測定する。
【００６０】
具体的には、信号分析装置１７のコンピュータは、上述した物理量として、図５の説明図に示す、ワークＷの切削加工中における切削工具１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）を測定する。切削工具１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）の測定には、加速度センサ１１の出力が用いられる。
【００６１】
また、図４中のステップＳ３の加工力算出ステップは、加工中のワークＷに工具から加わる力を算出するステップである。そして、加工力算出ステップでは、信号分析装置１７のコンピュータは、ワークＷの切削加工中における切削工具１の切削力Ｆを算出する。
【００６２】
具体的には、信号分析装置１７のコンピュータは、ワークＷの切削加工中における切削工具１の切削力Ｆとして、図５に示す、ワークＷの切削加工中における切削工具１の切削力Ｆの時間変動（ｘ（ω）＝ｙ１／Ｈ）を算出する。切削力Ｆの時間変動（ｘ（ω）＝ｙ１／Ｈ）は、ステップＳ１で測定した切削工具１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）と、切削工具１の振動特性Ｈ（ω）との比から、算出することができる。
【００６３】
ここで、切削工具１の振動特性Ｈ（ω）は、切削工具１に加える力とその力に対する切削工具１の応答、つまり、切削工具１の振動との相関を示す特性である。切削工具１の振動特性Ｈ（ω）は、例えば、切削工具１に力を加えたときの切削工具１の振動を、切削工具１に加える力を変えながら前もって測定しておき、その測定結果を解析することで、取得することができる。
【００６４】
なお、ワークＷの切削力Ｆは、ワークＷを切削するときの切削工具１の振動の強さでもある。そこで、信号分析装置１７のコンピュータは、ワークＷの切削加工中に加速度センサ１１により測定した切削工具１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）から、ワークＷの切削加工中における切削工具１の振動の強さの時間変動を、振動周波数毎に計算によって求める。そして、求めた振動周波数毎の切削工具１の振動の強さの時間変動を、ワークＷの切削加工中における切削工具１の切削力Ｆの時間変動とする。
【００６５】
図６は、信号分析装置１７のコンピュータが計算により求めた、ワークＷの切削加工中における切削工具１によるワークＷの切削力Ｆの経時変化を切削工具１の振動周波数毎に示すグラフである。
【００６６】
なお、図６の縦軸は切削工具１の振動周波数（Ｈｚ）、横軸は切削工具１によるワークＷの切削加工の経過時間（ｓ）をそれぞれ示す。また、図６中の濃淡は、切削工具１によるワークＷの切削力Ｆ（Ｎ）を示す。ワークＷの切削力Ｆは、図６中の右側に示すスケールに示すとおり、濃淡の濃度が濃いほど低く、濃度が薄いほど高い。
【００６７】
図６に示すように、信号分析装置１７のコンピュータが加速度センサ１１の出力から算出した切削工具１の切削力Ｆは、ワークＷの切削加工中一貫して、１８００Ｈｚ及び２５０Ｈｚの振動周波数において強い値を示している。一方、１８００Ｈｚ及び２５０Ｈｚを除く他の振動周波数では、切削工具１の切削力Ｆはゼロ又は殆どゼロに近い。したがって、図６に示す例では、ワークＷの切削加工中に、１８００Ｈｚ及び２５０Ｈｚの振動周波数の切削力Ｆが、切削工具１からワークＷに加わっていることになる。
【００６８】
さらに、図４中のステップＳ５のワーク測定ステップは、ワークＷの加工中に発生するワークＷの振動に対応して変化する物理量を測定するステップである。そして、ワーク測定ステップでは、図１に示す信号分析装置１７のコンピュータは、切削工具１によるワークＷの切削加工中におけるワークＷの振動を測定する。
【００６９】
具体的には、信号分析装置１７のコンピュータは、切削加工中におけるワークＷの振動として、図５に示す、切削加工中におけるワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）を測定する。本実施形態の振動特性検出装置１０では、切削加工中におけるワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）の測定に、マイクロフォン１３及び変位センサ１５のうち少なくとも一方を用いる。
【００７０】
ここで、切削加工中のワークＷは、場所によって異なる周波数で振動することがある。その場合は、切削加工中におけるワークＷの振動を全ての周波数について測定し、各周波数についてワークＷの振動特性を検出する必要がある。
【００７１】
切削加工中におけるワークＷの振動を全ての周波数について測定するには、例えば、切削加工中におけるワークＷの振動音をマイクロフォン１３により測定することが考えられる。マイクロフォン１３は、測定可能な周波数レンジを広く有している。したがって、マイクロフォン１３によりワークＷの振動音を測定すれば、切削加工中のワークＷが複数の周波数で振動しても、全ての周波数についてワークＷの振動を測定することができる。
【００７２】
但し、マイクロフォン１３によるワークＷの振動音の測定では、ワークＷの振動音以外のノイズ成分が一緒に測定された場合に、ワークＷの振動音とノイズ成分とを区別することができない。つまり、マイクロフォン１３では、ワークＷの振動以外の要素も測定されてしまう。
【００７３】
ワークＷの振動だけを測定するには、例えば、切削加工中におけるワークＷの変位を変位センサ１５により測定することが考えられる。変位センサ１５は、測定対象に測定波（光波、音波等）を照射して変位を測定する。したがって、切削加工中のワークＷだけに測定波を照射して変位センサ１５により変位を測定すれば、切削加工中のワークＷの振動だけを測定することができる。
【００７４】
但し、変位センサ１５によるワークＷの変位の測定では、ワークＷのうち変位センサ１５の測定波が照射された箇所の変位しか測定することができない。つまり、ワークＷが複数の周波数で振動しても、全ての周波数についてワークＷの振動を測定できるとは限らない。
【００７５】
このように、マイクロフォン１３による振動音の測定と変位センサ１５による変位の測定には、それぞれ長所と短所が存在する。このため、切削加工中におけるワークＷの振動を測定する際には、状況に応じてマイクロフォン１３及び変位センサ１５を使い分けてもよい。つまり、ワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）の測定には、マイクロフォン１３及び変位センサ１５のうちどちらか一方を用いてもよく、両方を用いてもよい。
【００７６】
そして、マイクロフォン１３を用いる場合は、信号分析装置１７のコンピュータは、マイクロフォン１３により測定したワークＷの振動音を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により解析して、ワークＷの切削加工中における振動音圧の周波数毎の分布を求める。
【００７７】
また、変位センサ１５を用いる場合は、信号分析装置１７のコンピュータは、変位センサ１５により測定したワークＷの変位を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により解析する。そして、切削加工中のワークＷのうち測定波が照射された箇所における変位の振動周波数毎の分布を求める。
【００７８】
この場合、変位センサ１５を複数用いてワークＷの複数箇所の変位を同時に測定し、各測定結果を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により解析してもよい。そうすれば、ワークＷの複数箇所について、ワークＷの切削加工中における振動音圧の周波数毎の分布を求めることができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、ワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）の測定にマイクロフォン１３を用いるものとする。そのため、本実施形態の信号分析装置１７のコンピュータは、マイクロフォン１３により測定したワークＷの振動音から、ワークＷの切削加工中における振動音圧の周波数毎の分布を求める。
【００８０】
図７は、ワークＷの切削加工中にマイクロフォン１３により測定したワークＷの振動音を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により解析して求めたワークＷの振動音圧の経時変化を周波数毎に示すグラフである。
【００８１】
なお、図７の縦軸はワークＷの振動音（切削工具１によるワークＷの加工音）の周波数（Ｈｚ）、横軸は切削工具１によるワークＷの切削加工の経過時間（ｓ）をそれぞれ示す。また、図７中の濃淡は、ワークＷの振動音（加工音）の音圧レベル（ｄＢ）を示す。ワークＷの振動音（加工音）の音圧は、図７中の右側に示すスケールに示すとおり、濃淡の濃度が濃いほど低く、濃度が薄いほど高い。
【００８２】
図７に示すように、マイクロフォン１３により測定したワークＷの振動音の音圧レベルは、いくつかの周波数において顕著に高く、その他の周波数においてはゼロ又は殆どゼロに近い。そして、ワークＷの振動音の音圧レベルが顕著に高いいくつかの周波数のうち一部の周波数では、その周波数値が、ワークＷの切削加工が進んでワークＷが変形するにつれて徐々に下がる傾向を示している。
【００８３】
図７中の、「ワークの固有振動数」と注釈を記した右肩下がりの濃度が薄い線状の部分が、上述の傾向を示す音圧レベルの部分である。この傾向の意味するところについて以下に検討する。
【００８４】
図８は、切削加工を開始する前の打撃試験により得られたワークＷの振動特性と、切削加工の開始直後に測定したワークＷの加工音をフーリエ変換した加工音圧とを、周波数毎に示すグラフである。
【００８５】
なお、図８の濃い線は切削加工を開始する前の打撃試験により得られた振動特性を示し、薄い線は切削加工の開始直後に測定したワークＷの加工音をフーリエ変換したものを示す。
【００８６】
そして、ワークＷの振動特性を示す図８の濃い線のグラフについては、縦軸はワークＷの打撃に対する応答、即ち、コンプライアンス（ｍ／Ｎ）を示す。また、ワークＷの加工音を示す図８の薄い線のグラフについては、縦軸はワークＷの加工音の音圧レベル（Ｐａ）を示す。なお、横軸は共に周波数（Ｈｚ）を示す。
【００８７】
図８の濃い線で示すワークＷの振動特性のグラフから、ワークＷのコンプライアンスが顕著に高い値となる振動周波数が、ワークＷの固有振動数であることがわかる。図８のグラフでは、ワークＷの固有振動数が、例えば、コンプライアンス値が高い方から順に１６５０Ｈｚ付近、１３００Ｈｚ付近、２２００Ｈｚ付近等であることが分かる。そして、各固有振動数の振動周波数においては、図８の薄い線で示すワークＷの加工音の音圧レベルも、顕著に高い値となっている。
【００８８】
このように、ワークＷの固有振動数とワークＷの加工音の音圧レベルとの間には、ワークＷの加工音の音圧レベルがワークＷの固有振動数において顕著に高くなる関係があることが分かる。したがって、図７に示す傾向は、ワークＷの切削加工が進むにつれてワークＷの固有振動数が変化する（低くなる）こと、即ち、ワークＷの切削加工が進むにつれてワークＷの振動特性が変化することを意味するものと理解することができる。
【００８９】
そこで、本実施形態の信号分析装置１７のコンピュータは、マイクロフォン１３により測定したワークＷの振動音から求めたワークＷの切削加工中における加工音の音圧レベルの周波数毎の分布から、ワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）を求める。
【００９０】
最後に、図４中のステップＳ７の振動特性算出ステップは、加工中に変化するワークＷの振動特性を算出するステップである。そして、振動特性算出ステップでは、信号分析装置１７のコンピュータは、切削加工中におけるワークＷの振動と切削工具１の切削力Ｆとから、切削工具１による切削加工中に変化するワークＷの振動特性を計算により検出する。
【００９１】
具体的には、信号分析装置１７のコンピュータは、切削工具１による切削加工中に変化するワークＷの振動特性として、図５に示す、ワークＷの振動特性（Ｇ（ω）＝ｙ２／ｘ）を算出する。ワークＷの振動特性（Ｇ（ω）＝ｙ２／ｘ）は、ステップＳ５で測定したワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）と、ステップＳ３で算出した切削工具１の切削力Ｆの時間変動（ｘ（ω）＝ｙ１／Ｈ）との比から、算出することができる。
【００９２】
なお、信号分析装置１７のコンピュータが求めたワークＷの振動特性（Ｇ（ω）＝ｙ２／ｘ）は、切削工具１による切削加工中のワークＷにびびり振動が発生するのを抑制するため等に、広く利用することができる。
【００９３】
このように、本実施形態の振動特性検出装置１０では、ワークＷの切削加工中に切削工具１の刃先３からワークＷに加わる切削力Ｆを、切削工具１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）として加速度センサ１１により測定するようにした。そして、測定した時間変動ｙ１（ω）と、既知の切削工具１の振動特性Ｈ（ω）とから、信号分析装置１７のコンピュータが、ワークＷの切削加工中における切削工具１の切削力Ｆの時間変動（ｘ（ω）＝ｙ１／Ｈ）を算出するようにした。
【００９４】
また、本実施形態の振動特性検出装置１０では、ワークＷの切削加工中におけるワークＷの振動音の音圧レベルをマイクロフォン１３により測定するようにした。そして、測定したワークＷの振動音の音圧レベルから、信号分析装置１７のコンピュータが、ワークＷの切削加工中におけるワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）を求めるようにした。
【００９５】
さらに、本実施形態の振動特性検出装置１０では、信号分析装置１７のコンピュータが、ワークＷの振動の時間変動ｙ２（ω）を、切削力Ｆの時間変動（ｘ（ω）＝ｙ１／Ｈ）で除して、ワークＷの振動特性（Ｇ（ω）＝ｙ２／ｘ）を算出するようにした。
【００９６】
このため、ワークＷの切削加工中にワークＷの切削力Ｆと振動音の音圧レベルとを測定し、ワークＷの振動特性（Ｇ（ω）＝ｙ２／ｘ）を、切削工具１によるワークＷの切削加工を停止させることなく効率的に求めることができる。
【００９７】
なお、本実施形態では、ワークＷの切削の際に鋸歯状の切りくずＷ１，Ｗ２，Ｗ３，…が周期的に発生することでワークＷが切削工具１から受ける切削力Ｆの周期的な増減を、ワークＷを振動させるための加振力として利用する場合について説明した。
【００９８】
しかし、ワークＷの加振力として利用するのは、工具がワークＷを加工する際に工具に生じる振動であれば、ワークＷの鋸歯状の切りくずＷ１，Ｗ２，Ｗ３，…が周期的に発生すること以外で工具に生じる振動であってもよい。
【００９９】
図９（ａ）は、本開示の他の実施形態に係る振動特性検出装置においてワークＷに加振力を加える工具の振動を測定するための構成部分を抽出して示す説明図である。図９（ａ）に示す実施形態の振動特性検出装置では、エンドミル２１（請求項中の転削工具に相当）の回転刃２３がワークＷを転削加工する。
【０１００】
エンドミル２１の回転刃２３は、エンドミル２１の回転方向に位相をずらして複数枚設けることができる。本実施形態のエンドミル２１は、図９（ｂ）の説明図に拡大して示すように、４枚の回転刃２３を有している。各回転刃２３は、エンドミル２１の回転方向に９０゜ずつ位相をずらして配置されている。
【０１０１】
エンドミル２１の各回転刃２３がワークＷを転削する際には、各回転刃２３がワークＷを添削する度に、エンドミル２１からワークＷに加わる切削力Ｆ（請求項中の工具から（ワークが）受ける力に相当）が周期的に増減する。そこで、本実施形態の振動特性検出装置では、図９（ａ）に示すワークＷがエンドミル２１から受ける切削力Ｆを、ワークＷを振動させるための加振力として利用する。
【０１０２】
なお、加速度センサ１１は、例えば図９（ａ）に示すように、エンドミル２１を取り付けるミーリングチャック２５等の部分に配置してもよい。そして、本実施形態の振動特性検出装置における信号分析装置１７のコンピュータは、加速度センサ１１を用いて、ワークＷの転削加工中におけるエンドミル２１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）を測定することになる。
【０１０３】
また、ワークＷがエンドミル２１から受ける切削力Ｆを、ワークＷを振動させるための加振力として利用する場合、転削加工中のワークＷは回転させず静止させていてもよい。
【０１０４】
そして、以上に説明した各実施形態では、ワークＷの加工中に測定する切削工具１及びエンドミル２１の振動に対応して変化する物理量として、ワークＷの加工中における切削工具１及びエンドミル２１の振動加速度の時間変動ｙ１（ω）を測定するものとした。
【０１０５】
しかし、ワークＷの加工中における切削工具１及びエンドミル２１の振動速度、あるいは、切削工具１及びエンドミル２１の振動による変位を、ワークＷの加工中に測定する切削工具１及びエンドミル２１の振動に対応して変化する物理量として測定してもよい。
【０１０６】
同様に、以上に説明した各実施形態では、ワークＷの加工中に測定するワークＷの振動に対応して変化する物理量として、加工中におけるワークＷの振動音を、マイクロフォン１３を用いて測定するものとした。
【０１０７】
しかし、ワークＷの加工中に測定するワークＷの振動に対応して変化する物理量として、加工中におけるワークＷの変位を、変位センサ１５を用いて測定してもよい。あるいは、マイクロフォン１３と変位センサ１５とを併用して、加工中におけるワークＷの振動音及び変位を、ワークＷの振動に対応して変化する物理量として測定してもよい。
【０１０８】
また、ワークＷの振動に対応して変化する物理量として、加工中におけるワークＷの振動音及び変位以外の値を測定してもよい。
【０１０９】
そして、本開示は、加工の際に振動する工具を用いてワークの加工を行う際に広く適用可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  切削工具
３  刃先
１０  振動特性検出装置
１１  加速度センサ（工具測定部）
１３  マイクロフォン（ワーク測定部、センサ）
１５  変位センサ（ワーク測定部、センサ）
１７  信号分析装置（加工力算出部、振動特性算出部）
２１  エンドミル（転削工具）
２３  回転刃
２５  ミーリングチャック
Ｃ  ワークの回転中心
Ｆ  切削力（工具から（ワークが）受ける力）
Ｓ１，Ｓ２  ワークの鋸歯状の切りくずに起こるせん断の直線
Ｗ  ワーク
【図１】
2020089956.tif 000003
【図２】
2020089956.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020089956.tif 000008
【図７】
2020089956.tif 000009
【図８】
2020089956.tif 000010
【図９】
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