(57)【要約】【課題】加工中の再生びびり振動の発生を即座に検出する。【解決手段】ワーク加工時における工具４の振動データを所定のサンプリング周期Δｔで取得し、取得した時系列の振動データに基づき、切刃４ａ，４ｂが複数回ワークＷに接触するのに要する時間分の自己相関係数Ｒｘｘ’を算出するとともに、算出した自己相関係数Ｒｘｘ’の特性の周期Ｔｘを算出し、切刃４ａ，４ｂがワークＷに接触する際の接触周期Ｔ１が、算出した周期Ｔｘの整数倍でないとき、びびり振動の発生と判定する。【選択図】図６
2012056051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切刃を有する工具を回転主軸に取り付け、この工具をワークに対し相対移動させてワークを加工した際に発生するびびり振動を検出するびびり振動検出方法であって、
ワーク加工時における前記工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手順と、
前記データ取得手順により取得した時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出した自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手順と、
切刃がワークに接触する接触周期が、前記算出手順により算出した周期の整数倍でないとき、もしくは前記算出手順により算出した振動数が、前記工具の刃数と前記回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、びびり振動の発生と判定する判定手順と、
を含むことを特徴とするびびり振動検出方法。
【請求項２】
切刃を有する工具を回転主軸に取り付け、この工具をワークに対し相対移動させてワークを加工した際に発生するびびり振動を回避するびびり振動回避方法であって、
ワーク加工時における前記工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手順と、
前記データ取得手順により取得した時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関係数を算出するとともに、算出した自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手順と、
切刃がワークに接触する接触周期が、前記算出手順により算出した周期の整数倍でないとき、もしくは前記算出手順により算出した振動数が、前記工具の刃数と前記回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、びびり振動の発生と判定する判定手順と、
前記判定手順によりびびり振動の発生と判定したとき、切刃の接触周期と前記算出手順により算出した周期とから求まる位相差、もしくは前記工具の刃数および前記回転主軸の回転速度の積と前記算出手順により算出した振動数とから求まる位相差を算出し、算出した位相差に基づいて前記回転主軸の回転速度を所定割合だけ増減し、前記算出した位相差がほぼ０になるまで前記回転主軸の回転速度の増減を繰り返す回転速度増減手順と、
を含むことを特徴とするびびり振動回避方法。
【請求項３】
請求項２に記載のびびり振動回避方法において、
前記算出手順では、標準偏差を用いて自己相関関数を自己相関係数に変換し、変換後の自己相関係数の特性の周期もしくは振動数を算出するびびり振動回避方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載のびびり振動回避方法において、
前記回転速度増減手順では、切刃１刃当たりの送りが一定となるように前記回転主軸の回転速度の増減に応じて前記工具の送り速度を増減させるびびり振動回避方法。
【請求項５】
請求項２に記載のびびり振動回避方法において、
前記回転速度増減手順によって前記算出した位相差がほぼ０になっているのに前記振動データが所定値を超えているときは、前記工具の送り速度を下げるびびり振動回避方法。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載のびびり振動回避方法において、
前記算出手順では、前記データ取得手順により取得した振動データから予め記憶された前記回転主軸の無負荷回転時の振動データを差し引くことにより振動データを補正し、この補正後の振動データに基づき前記自己相関関数の特性を導出するびびり振動回避方法。
【請求項７】
切刃を有する工具が回転主軸に取り付けられ、この工具がワークに対し相対移動されてワークを加工する工作機械であって、
ワーク加工時における前記工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手段と、
前記データ取得手段により取得された時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出された自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手段と、
切刃がワークに接触する接触周期が、前記算出手段により算出された周期の整数倍でないとき、もしくは前記算出手段により算出された振動数が、前記工具の刃数と前記回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、びびり振動の発生と判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。
【請求項８】
請求項７に記載の工作機械において、
前記判定手段によりびびり振動の発生と判定されたとき、切刃の接触周期と前記算出手段により算出された周期とから求まる位相差、もしくは前記工具の刃数および前記回転主軸の回転速度の積と前記算出手段により算出された振動数とから求まる位相差を算出し、算出した位相差に基づいて前記回転主軸の回転速度を所定割合だけ増減し、前記算出した位相差がほぼ０になるまで前記回転主軸の回転速度の増減を繰り返す回転速度増減手段をさらに備える工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークを加工する際に発生するびびり振動、とくに再生びびりと呼ばれるびびり振動を検出するびびり振動検出方法及びびびり振動を回避するびびり振動回避方法、並びに工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、回転主軸に取り付けられた工具をワークに対し相対移動させてワークを加工する工作機械において、加工中に発生するびびり振動を抑制するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、ＦＦＴ演算装置において振動加速度のフーリエ解析を行い、フーリエ解析により算出された各最大加速度と予め設定された基準値とを比較し、何れか一つの最大加速度が基準値を超えた場合に、抑制すべきびびり振動が発生していると判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９０１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１記載の装置は、フーリエ解析を行うことによりびびり振動の発生を判定するため、多くのデータ数が必要である。そのため、例えば１秒程度の長いデータサンプリング時間が必要となり、加工中のびびり振動の発生を即座に検出および回避することが困難である。
本発明は、この問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ほぼリアルタイムでびびり振動を検出し、その振動を迅速に回避することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、切刃を有する工具を回転主軸に取り付け、この工具をワークに対し相対移動させてワークを加工した際に発生するびびり振動を検出するびびり振動検出方法であって、ワーク加工時における工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手順と、データ取得手順により取得した時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出した自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手順と、切刃がワークに接触する接触周期が、算出手順により算出した周期の整数倍でないとき、もしくは算出手順により算出した振動数が、工具の刃数と回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、びびり振動の発生と判定する判定手順とを含むことを特徴とする。
また、本発明によるびびり振動回避方法は、上述の判定手順によりびびり振動の発生と判定したとき、切刃の接触周期と算出手順により算出した周期とから求まる位相差、もしくは工具の刃数および回転主軸の回転速度の積と算出手順により算出した振動数とから求まる位相差を算出し、算出した位相差に基づいて回転主軸の回転速度を所定割合だけ増減し、算出した位相差がほぼ０になるまで、回転主軸の回転速度の増減を繰り返す回転速度増減手順とを含むことを特徴とする。
さらに、本発明は、切刃を有する工具が回転主軸に取り付けられ、この工具がワークに対し相対移動されてワークを加工する工作機械であって、ワーク加工時における工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手段と、データ取得手段により取得された時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出された自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手段と、切刃がワークに接触する接触周期が、算出手段により算出された周期の整数倍でないとき、もしくは算出手段により算出された振動数が、工具の刃数と回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、びびり振動の発生と判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、振動データの自己相関関数を用いてびびり振動の発生を判定するようにしたので、加工中のびびり振動の発生を即座に検出および回避することが可能となる。これにより、ワークの仕上げ面品位が向上し、また、工作機械の回転主軸および工具の損耗を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ安定限界線図の一例を示す図である。
【図３】切削中のワーク加工面を模式的に示す図である。
【図４】図１の工作機械の制御構成を示すブロック図である。
【図５】（ａ）はびびり振動が発生していない場合の振動データの波形の一例を示す図であり、（ｂ）はびびり振動が発生している場合の振動データの波形の一例を示す図である。
【図６】図５（ｂ）の振動データから得られる自己相関係数を示す図である。
【図７】図４の制御装置で実行される処理の一例を示すフロー図である。
【図８】位相差の他の算出方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図１〜図８を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る工作機械１０の概略構成を示す図であり、一例として立形のマシニングセンタを示している。
【０００９】
ベッド１上にコラム２が立設され、コラム２には、直線送り機構を介して主軸頭３が上下方向（Ｚ方向）に昇降可能に支持されている。主軸頭３には、回転主軸を介して下向きに切削用工具４が取り付けられている。工具４は、例えば周方向対称位置に２枚の切刃（第１切刃４ａと第２切刃４ｂ）を有するエンドミルであり、主軸頭３内のスピンドルモータにより回転駆動される。ベッド１上には、直線送り機構を介して水平方向（Ｙ方向）に移動可能にサドル５が支持され、サドル５上には、直線送り機構を介してＹ方向と直交する水平方向（Ｘ方向）に移動可能にテーブル６が支持されている。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の直線送り機構は、例えばボールねじとボールねじを回転駆動するサーボモータとによりそれぞれ構成される。
【００１０】
以上の構成により、ワークＷに対して工具１４がＸ，Ｙ，Ｚ方向に相対移動し、ワークＷが加工される。なお、以下では、主軸頭３内のスピンドルモータを主軸用モータと、主軸頭３をＺ方向に移動させるモータをＺ軸用モータと、サドル５をＹ方向に移動させるモータをＹ軸用モータと、テーブル６をＸ方向に移動させるモータをＸ軸用モータと、それぞれ称する。これら各モータは、工作機械１０に設けられた後述する制御装置３０により制御される。
【００１１】
このような工作機械１０においては、ワークＷの切り込み量を大きくすると、加工中にびびり振動が発生し、加工面の品位を低下させるだけでなく、回転主軸や工具４の耐久性等にも悪影響を与えるおそれがある。びびり振動の代表的なものに、工具４とワークＷとの間に生じる自励振動の一種である再生びびり振動と、工具４を有する工作機械１０が振動源となる強制びびり振動とがある。このうち、とくに再生びびり振動は、主軸の回転速度Ｓと切り込み深さｚとで定まる動作ポイントが、工作機械１０と工具の組合せで定まる安定限界線図の下側に存在すれば、抑えることができる。
【００１２】
図２は、安定限界線図の一例を示す図である。図中、安定限界線図より下側が安定領域、上側が不安定領域である。安定限界線図には、図示のように安定限界が部分的に高くなる複数のピーク領域（安定ポケット）が存在する。したがって、動作ポイントが不安定領域にある場合に、主軸の回転速度Ｓまたは切り込み深さｚを変更し、動作ポイントを安定ポケットの内側にずらせば、びびり振動の発生を抑えつつ効率よくワークＷを加工することができる。例えば、動作ポイントが図２（ａ）のＰ２である場合に、切り込み深さを設定値ｚ１に維持しつつ、主軸の回転速度を増速して動作ポイントをＰ２’にずらせば、びびり振動なく加工効率を落とさずに良好にワークＷを加工できる。
【００１３】
ところで、びびり振動の検出には、振動データをＦＦＴ解析してびびり振動周波数を算出する方法がある。しかし、この方法では、周波数分解能を高めるために長いサンプリング時間が必要となる。例えば、主軸回転速度が３００００ｍｉｎ−１において振動解析を行う場合、主軸回転速度の分解能として最低６０ｍｉｎ−１が必要であるとすると、周波数分解能は１Ｈｚとなり、１秒のサンプリング時間が必要となる。そのため、びびり振動を検出して回避するまでに最低１秒かかることとなり、その間の加工動作により、ワーク加工面の品位が損なわれる。これを防止するためには、サンプリング時間を短くしてびびり振動をできるだけ早く検出する必要がある。
【００１４】
ここで、びびり振動の発生メカニズムについて説明する。図３は、切削中のワーク加工面を模式的に示す図であり、図の右側には、びびり振動なしの場合およびありの場合のＡ部拡大図をそれぞれ示している。図中、Ｗａは第１切刃４ａの移動軌跡、Ｗｂは第２切刃４ｂの移動軌跡であり、ＷａとＷｂとの間の厚さが、第１切刃４ａによる切削後に第２切刃４ｂによって切削される切削厚さｈに相当する。
【００１５】
各切刃４ａ，４ｂの移動軌跡Ｗａ，Ｗｂは、微視的に見ると凹凸に変動する。このため、移動軌跡Ｗａ，Ｗｂの波形に位相差がなければ、切削厚さｈは一定となる。この場合には、切削負荷が一定となるため、びびり振動は発生しない。これに対し、移動軌跡Ｗａ，Ｗｂの波形に位相差があると、切削厚さｈが変化するため、切削負荷が変動し、これによりびびり振動が発生する。位相差は、ワーク加工面に切刃が４回接触するだけの振動データがあれば求めることができる。この点を考慮し、本実施の形態では、以下のように少ないデータサンプリング数で、短時間でのびびり振動の検出を可能とする。
【００１６】
図４は、本実施の形態に係るびびり振動検出方法およびびびり振動回避方法を実行する工作機械１０の制御構成を示すブロック図である。制御装置３０には、ワーク加工に関する各種情報を入力する入力装置２１と、主軸の径方向の軸変位を検出する変位センサ２２とが接続されている。制御装置３０では、これら入力装置２１および変位センサ２２からの信号を読み込んで、予め定められた所定の加工プログラムを実行し、工作機械１０に設けられた主軸用モータ２５、Ｘ軸用モータ２６、Ｙ軸用モータ２７およびＺ軸用モータ２８を制御する。
【００１７】
入力装置２１は、操作パネルやキーボード等により構成され、入力装置２１を介して切り込み深さの設定値ｚ１や主軸回転速度Ｓの設定値Ｓ１、データサンプリング周期、ワークＷの加工開始指令等が入力される。変位センサ２２は、例えば主軸のＸ方向の軸変位ｄｘおよびＹ方向の軸変位ｄｙを検出する二つの渦電流式変位センサによって構成される。
【００１８】
図５は、それぞれ工具４をワークＷに対しＸ方向に相対移動させた際に、変位センサ２２によって得られたＸ方向の軸変位ｄｘの一例であり、時系列の振動データの特性を示す図である。とくに図５（ａ）は、びびり振動が発生していない場合の振動データの波形を、図５（ｂ）は、びびり振動が発生している場合の振動データの波形をそれぞれ示している。図中、Ｔ０は、主軸の回転周期であり、Ｔ０内の振動データは、第１切刃４ａと第２切刃４ａが各１回ずつワークＷに接触した際に得られる振動データに相当する。
【００１９】
図５に示す振動データは、図３の移動軌跡Ｗａ，Ｗｂに対応して周期的に変動している。この振動データの周期性は、自己相関関数を用いて、現在の振動データとこの振動データを遅れ時間τだけずらした振動データとの相関値（自己相関関数Ｒｘｘ）を演算することにより評価できる。図６は、図５（ｂ）の振動データから求められた自己相関関数Ｒｘｘの特性を示す図である。なお、図ではデータの取り扱いを容易にするために、自己相関関数Ｒｘｘを標準偏差を用いて平均、分散化処理し、−１と＋１との間に全データが含まれるように自己相関係数Ｒｘｘ’に変換している。
【００２０】
自己相関係数Ｒｘｘ’は、遅れ時間τが０のときは１であり、遅れ時間τの増加に伴い増減を繰り返し、極大値と極小値とを有する周期Ｔｘの波形（以下、これを自己相関波形ｇと呼ぶ）をしている。図中、Ｔ１は、主軸回転速度Ｓと工具刃数Ｃ（ここでは２）との積の逆数（１／Ｃ・Ｓ）、つまり切刃がワークＷに接触する周期Ｔ１（＝Ｔ０／Ｃ）である。ここで、仮に自己相関波形ｇの極大値が接触周期Ｔ１に一致している場合、発生しているのは切刃がワークＷに接触することによって生じる強制振動であり、再生びびり振動は発生していない。
【００２１】
これに対し、自己相関波形ｇの極大値と接触周期Ｔ１との間に図示のようにずれ（位相差ε）が生じていると、切削厚さｈがばらつき、びびり振動が発生する。この場合、図２（ａ）に示したように切込み深さｚが安定ポケットの極大値以下であれば、位相差εが０となるように主軸回転速度Ｓを増減させることにより、びびり振動の発生を抑えることができる。以上の点を考慮して、本実施の形態では図４の制御装置３０を構成する。
【００２２】
制御装置３０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成され、機能的構成としてデータ取得部３１と、算出部３２と、判定部３３と、モータ制御部３４とを有する。データ取得部３１では、所定のサンプリング周期で変位センサ２２からの振動データを取得する。算出部３２では、データ取得部３１で取得した時系列の振動データから自己相関係数Ｒｘｘ’を算出し、その自己相関波形ｇの周期Ｔｘを算出する。判定部３３では、算出部３２で算出した周期Ｔｘを用いて位相差εを算出し、位相差εに基づきびびり振動の発生の有無を判定する。モータ制御部３４では、判定部３３でびびり振動の発生と判定されたときに、位相差εが０となるように主軸用モータ２５およびＸ軸用モータ２６を制御する。
【００２３】
以下、制御装置３０における具体的な処理について説明する。図７は、制御装置３０で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば入力装置２１からワークＷの加工開始指令が入力されると開始される。制御装置３０には、予め主軸回転速度の設定値Ｓ１、切り込み深さの設定値ｚ１、サンプリング周期Δｔ、データサンプル数Ｎ等が設定されている。なお、Ｎは、びびり振動の判定に必要なデータサンプル数であり、切刃がワークＷに４回接触する分のサンプル数が必要である。本実施の形態のように工具刃数Ｃが２であれば、主軸の２回転分の振動データがあればよい。制御装置３０には、予め計測された主軸の無負荷回転時における振動データが記憶されている。
【００２４】
ステップＳ１では、モータ２５〜２９に制御信号を出力し、予め定められた設定条件でワークの加工を開始する。すなわち、設定回転速度Ｓ１で主軸を回転させるとともに、工具４を設定切り込み深さｚ１の加工開始位置からＸ方向に加工プログラムで設定された送り速度Ｖで相対移動させる。
【００２５】
ステップＳ２では、変位センサ２２からの信号を読み込み、所定のサンプリング周期Δｔにて振動データを取得する。ステップＳ３では、この振動データから予め記憶された主軸の無負荷回転時の振動データを差し引き、振動データを補正する。この補正を行うことにより、主軸の振れに起因する振動成分がキャンセルされ、以後の演算結果の信頼性が向上する。
【００２６】
ステップＳ４では、自己相関関数を用いて、補正後の現在の振動データに対する自己相関関数Ｒｘｘを次式(I)により算出する。
【数１】
2012056051.tif 000003
上式(I)は、離散関数としての自己相関関数を表す式であり、ｍは自己相関関数を演算するときのシフト時間を意味し、連続関数の遅れ時間τ（図６）に相当する。
【００２７】
ステップＳ５では、自己相関関数Ｒｘｘを次式(II)により標準偏差を用いて平均、分散化処理し、Ｒｘｘを自己相関係数Ｒｘｘ’に変換する。
【数２】
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【００２８】
ステップＳ６では、自己相関係数Ｒｘｘ’の自己相関波形ｇの周期Ｔｘを算出する。この場合、自己相関係数Ｒｘｘ’が所定値Ｒａ（例えば０．５）以上のピーク点（極大値）を抽出し、Ｒｘｘ’＝１である始点からの時間間隔（図６）、あるいはピーク点間の時間間隔を算出すればよい。なお、所定値Ｒａは、予め実験等により定められ、０．６や０．７としてもよい。
【００２９】
ステップＳ７では、次式(III)により接触周期Ｔ１と周期Ｔｘとの位相差ε（図６）を算出する。
ε＝３６０・(１／(Ｃ・Ｓ・Ｔｘ)−int(１／(Ｃ・Ｓ・Ｔｘ))−１)      (III)
すなわち、接触周期Ｔ１（＝１／Ｃ・Ｓ）を周期Ｔｘで割った値（１／(Ｃ・Ｓ・Ｔｘ)）からその整数部分を減算し、さらに１を減算したものに、３６０を乗算する。ここで算出した位相差εは、常にマイナスの角度（ｄｅｇ）となる。
【００３０】
ステップＳ８では、位相差εに基づき、ステップＳ９以降の主軸回転速度の増減により回避できるびびり振動が発生しているか否かを判定する。すなわち、位相差εがほぼ０°あるいはほぼ−３６０°であるか否かを判定する。より具体的には、εが所定値ε０（例えば−５°）以下あるいは所定値ε１（例えば−３５５°）以上のときに、再生びびり振動が発生しているとしてステップＳ９に進む。ε０やε１の値は、実験により適正値を求める。
【００３１】
ステップＳ９では、位相差εが−１８０°以上であるか否かを判定する。ステップＳ９が肯定されるとステップＳ１０に進み、否定されるとステップＳ１２に進む。
【００３２】
ステップＳ１０では、主軸用モータ２５に制御信号を出力し、主軸の回転速度Ｓを減速させる。これにより接触周期Ｔ１が増加し、位相差εが０°に近づく。この場合、位相差εに応じて回転速度Ｓの減速量を変更することが好ましい。例えば、位相差εが−１８０°以上かつ−１５０°未満のとき、設定回転速度Ｓ１の５％だけ減速させ、位相差εが−１５０°以上かつ−５°未満のとき、設定回転速度の３％だけ減速させる。このように位相差εの大きさに応じて主軸回転速度の変化率を変えるのは、早くびびり振動を回避できる主軸回転速度に収束させるためである。
【００３３】
ステップＳ１１では、Ｘ軸用モータ２６に制御信号を出力し、回転速度Ｓの減速の前後で切刃１刃当たりの送りが一定となるように、回転速度Ｓの減速に伴い送り速度Ｖも減速させる。ステップＳ１１が終了するとステップＳ２に戻り、同様の処理を繰り返す。
【００３４】
一方、ステップＳ１２では、主軸用モータ２５に制御信号を出力し、主軸の回転速度Ｓを増速させる。これにより接触周期Ｔ１が減少し、位相差εが−３６０°に近づく。この場合、位相差εに応じて回転速度Ｓの増速量を変更することが好ましい。例えば、位相差εが−２１０°以上かつ−１８０°未満のとき、設定回転速度Ｓ１の５％だけ増速させ、位相差εが−３５５°以上かつ−２１０°未満のとき、設定回転速度の３％だけ増速させる。
【００３５】
ステップＳ１３では、Ｘ軸用モータ２６に制御信号を出力し、回転速度Ｓの増速の前後で切刃１刃当たりの送りが一定となるように、回転速度Ｓの増速に伴い送り速度Ｖも増速させる。ステップＳ１３が終了するとステップＳ２に戻り、同様の処理を繰り返す。
【００３６】
ステップＳ８で、主軸回転速度の増減により回避可能な再生びびり振動が発生していないと判定されると、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、強制びびり振動、あるいは主軸回転速度の増減により回避できない再生びびり振動が発生しているか否かを判定する。例えば、変位センサ２２により検出された変位が所定値を超えている場合に、強制びびり振動、あるいは主軸回転速度の増減により回避できない再生びびり振動が発生と判定される。ステップＳ１４が肯定されるとステップＳ１５に進み、否定されるとステップＳ２に戻る。
【００３７】
ステップＳ１５では、Ｘ軸用モータ２６に制御信号を出力し、回転速度Ｓを維持したまま、送り速度Ｖのみを所定量減速させる。これにより切削負荷を減少させ、つまり加振力を減少させて強制びびり振動を回避する、あるいは主軸回転速度の増減により回避できない再生びびり振動を回避する。ステップＳ１５が終了するとステップＳ２に戻り、同様の処理を繰り返す。
【００３８】
以上の制御装置３０における動作をまとめると次のようになる。まず、ワーク加工時における変位センサ２２からの信号を所定のサンプリング周期Δｔで取得する（ステップＳ２）。次いで、取得した時系列の振動データを主軸の無負荷回転時の振動データで補正し（ステップＳ３）、補正後の振動データに基づき、切刃が４回ワークＷに接触するのに要する時間Ｔ０分の自己相関関数Ｒｘｘを算出する（ステップＳ４）。つまり振動データの周期性を評価するために、サンプル数Ｎの振動データを用いて、現在の振動データに対する自己相関関数Ｒｘｘを算出する。
【００３９】
さらに、自己相関関数Ｒｘｘの取り扱いを容易にするため、自己相関関数Ｒｘｘを平均、分散化処理し、全データが−１〜＋１の間に含まれるようにＲｘｘを自己相関係数Ｒｘｘ’に変換した後（ステップＳ５）、この自己相関係数Ｒｘｘ’の特性（図６の自己相関波形ｇ）の周期Ｔｘを算出する（ステップＳ６）。続いて、切刃の接触周期Ｔ１と周期Ｔｘとの位相差εを、−３６０°〜０°の範囲で算出する（ステップＳ７）。
【００４０】
位相差εがほぼ０°もしくはほぼ−３６０°であるときは、再生びびり振動は発生していないか主軸回転速度の増減により回避できない再生びびり振動が発生していると判定する。これに対し、位相差εが０°および−３６０°から例えば５°以上乖離しているときは、主軸回転速度の増減により回避できる再生びびり振動の発生と判定する。この場合、位相差εが−１８０°以上のときは、主軸の回転速度Ｓを減速する。これにより、図２（ａ）に示すように動作ポイントＰ１がＰ１’に移動する（ステップＳ１０）。位相差εが−１８０°より小さいと、主軸の回転速度Ｓを増速する。これにより、図２（ａ）に示すように動作ポイントＰ２がＰ２’に移動する（ステップＳ１２）。このように主軸の回転速度Ｓを増減させることにより、動作ポイントが安定限界線図の安定領域に移動するため、びびり振動を抑えることができ、安定したワーク加工動作を実現できる。このとき、主軸の回転速度Ｓの変更に伴い、１刃当たりの送りが一定となるように送り速度Ｖを減速または増速する（ステップＳ１１、ステップＳ１３）。これにより切削負荷が一定となるため、ワークＷの仕上げ面品位および工具４にとって好ましい加工動作が可能となる。
【００４１】
一方、切り込み深さの設定値ｚ１が大きすぎる場合、例えば動作ポイントが図２（ｂ）のＰ３であるときは、主軸回転速度の増減により回避できない再生びびり振動の発生あるいは強制びびり振動の発生ありとして、主軸の回転速度Ｓを変更せずに送り速度Ｖを減速する（ステップＳ１５）。これにより工具４の負荷が低減されるため、切り込み深さｚを小さくしたのと同様の効果があり、動作ポイントＰ３がＰ３’に移動する。その後、主軸の回転速度Ｓが増速し（ステップＳ１２）、動作ポイントＰ３’がＰ３’’に移動する。これにより安定領域においてびびり振動を抑えながら、ワークＷを加工することができる。
【００４２】
本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）制御装置３０において、ワーク加工時の振動データを所定のサンプリング周期で取得し（データ取得手順）、この取得した時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークＷに接触するのに要する時間分の自己相関係数Ｒｘｘ’を算出するとともに、その自己相関係数Ｒｘｘ’の特性の周期Ｔｘを算出し（算出手順）、切刃がワークＷに接触する際の接触周期Ｔ１が周期Ｔｘの整数倍でないとき、主軸回転速度の増減により回避できる再生びびり振動の発生と判定するようにした（判定手順）。これにより少ないデータサンプル数Ｎでのびびり振動の判定が可能となり、びびり振動の発生後、即座にびびり振動を検出することができる。この場合、判定手順における整数倍を厳密な意味での整数倍とせずに、位相差εがほぼ０°またはほぼ−３６０°のとき（例えば±５°の範囲に含まれるとき）に、整数倍であるとするので、制御が安定する。例えば、主軸回転速度３００００ｍｉｎ−１、工具刃数２、サンプリング周期０．１ｍ秒の場合、切刃が４回ワークＷに接触するのに要する時間（回転主軸が２回転する時間）は４ｍ秒であり、その間のデータサンプル数は４０個ある。自己相関係数Ｒｘｘ’の算出、びびり振動の判定、びびり振動回避の主軸回転速度増減の算出等の演算時間は無視できるとすると、ほぼリアルタイム（４ｍ秒）でびびり振動を検出し、その回避手順が開始されることになる。従来のフーリエ解析方式に比べ、びびり振動は迅速に回避される。
【００４３】
（２）制御装置３０においてびびり振動の発生と判定したとき、位相差εが０となるように、つまり接触周期Ｔ１が自己相関係数による周期Ｔｘの整数倍となるように主軸の回転速度Ｓを増減させるようにした（回転速度増減手順）。この主軸回転速度の増減は、算出した位相差に応じて所定の割合ずつ増減する動作を、位相差がほぼ０になるまで繰り返す方法を採用しているので、予め機械の安定限界線図を求めておかなくても、びびり振動を即座に回避することができ、ワーク加工面の品位の低下を抑えることができる。
（３）自己相関係数Ｒｘｘが−１から１の範囲に含まれるようにＲｘｘをＲｘｘ’に変換するようにしたので、自己相関係数Ｒｘｘ’の特性を容易に把握することができ、周期Ｔｘを精度よく算出できる。
（４）主軸の回転速度Ｓを増減する際に、切刃１刃当たりの送りが一定となるように回転速度Ｓの増減に応じて工具４の送り速度Ｖを増減するようにしたので、切削負荷を一定とすることができ、ワークＷの仕上げ面の品位および工具４の寿命を長くすることができる。
（５）変位センサ２２によって得られる振動データを、主軸の無負荷回転時の振動データで補正するので、再生びびり振動の発生を精度よく判定できる。
【００４４】
なお、上記実施の形態では、(III)式により位相差εを算出するようにしたが、これに代えて次式(IV)によって位相差εを算出するようにしてもよい。
ε＝３６０・(δ／Ｔｘ−１)                                (IV)
ここで、δは、図８に示すように、自己相関係数Ｒｘｘ’の特性において、接触周期Ｔ１に対する自己相関係数Ｒｘｘ’のピーク点の遅れ時間に相当する。
【００４５】
上記実施の形態では、ワーク加工時における変位センサ２２からの振動をデータ取得部３１により読み込んで振動データを取得するようにしたが、工具４の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期Δｔで取得するのであれば、データ取得手段はいかなるものでもよい。例えば、主軸の振動加速度や切削負荷を検出したり、加工音を検出して、その検出値を振動データとしてもよい。算出部３２において、時系列の振動データの自己相関関数Ｒｘｘを算出するとともに、この自己相関関数Ｒｘｘを所定の変換式(II)により変換し、変換後の自己相関係数Ｒｘｘ’の自己相関波形ｇの周期Ｔｘを算出するようにしたが、変換式(II)を用いることなく周期Ｔｘを算出するようにしてもよく、算出手段の構成は上述したものに限らない。
【００４６】
判定部３３において、切刃がワークＷに接触する際の接触周期Ｔ１が自己相関係数Ｒｘｘ’により求めた周期Ｔｘの整数倍でないときに、びびり振動の発生と判定するようにしたが、判定手段の構成はこれに限らない。例えば、算出部３２で自己相関係数Ｒｘｘ’の振動数ｆを算出し、その振動数ｆが工具刃数Ｃと主軸の回転速度Ｓとの積の整数倍でないときに、判定部３３でびびり振動の発生と判定するようにしてもよい。びびり振動の発生と判定されたときに、モータ制御部３４から主軸用モータ２５へ制御信号を出力することにより、接触周期Ｔ１が周期Ｔｘの整数倍となるように主軸の回転速度Ｓを増減させたが、自己相関係数Ｒｘｘ’の振動数ｆが工具刃数Ｃと主軸の回転速度Ｓとの積の整数倍となるように主軸の回転速度Ｓを増減させてもよく、回転速度増減手段の構成は上述したものに限らない。
【００４７】
以上では、立形のマシニングセンタを工作機械１０として用いてびびり振動検出方法およびびびり振動回避方法を実現するようにしたが、横形のマシニングセンタや他の工作機械によっても本発明によるびびり振動検出方法およびびびり振動回避方法を実現可能である。
【符号の説明】
【００４８】
４    工具
４ａ    第１切刃
４ｂ    第２切刃
１０    工作機械
２２    変位センサ
２５    主軸用モータ
２６    Ｘ軸用モータ
３０    制御装置
３１    データ取得部
３２    算出部
３３    判定部
３４    モータ制御部
【図１】
2012056051.tif 000005
【図２】
2012056051.tif 000006
【図３】
2012056051.tif 000007
【図４】
2012056051.tif 000008
【図５】
2012056051.tif 000009
【図６】
2012056051.tif 000010
【図７】
2012056051.tif 000011
【図８】
2012056051.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月31日(2011.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１記載の装置は、フーリエ解析を行うことによりびびり振動の発生を判定するため、多くのデータ数が必要である。そのため、例えば１秒程度の長いデータサンプリング時間が必要となり、加工中のびびり振動の発生を即座に検出および回避することが困難である。
本発明は、この問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ほぼリアルタイムでびびり振動（再生びびり振動）を検出し、その振動を迅速に回避することである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明は、切刃を有する工具を回転主軸に取り付け、この工具をワークに対し相対移動させてワークを加工した際に発生する再生びびり振動を検出するびびり振動検出方法であって、ワーク加工時における工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手順と、データ取得手順により取得した時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出した自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手順と、切刃がワークに接触する接触周期が、算出手順により算出した周期の整数倍でないとき、もしくは算出手順により算出した振動数が、工具の刃数と回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、再生びびり振動の発生と判定する判定手順とを含むことを特徴とする。
また、本発明によるびびり振動回避方法は、上述の判定手順により再生びびり振動の発生と判定したとき、切刃の接触周期と算出手順により算出した周期とから求まる位相差、もしくは工具の刃数および回転主軸の回転速度の積と算出手順により算出した振動数とから求まる位相差を算出し、算出した位相差に基づいて回転主軸の回転速度を所定割合だけ増減し、算出した位相差がほぼ０になるまで、回転主軸の回転速度の増減を繰り返す回転速度増減手順とを含むことを特徴とする。
さらに、本発明は、切刃を有する工具が回転主軸に取り付けられ、この工具がワークに対し相対移動されてワークを加工する工作機械であって、ワーク加工時における工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手段と、データ取得手段により取得された時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出された自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手段と、切刃がワークに接触する接触周期が、算出手段により算出された周期の整数倍でないとき、もしくは算出手段により算出された振動数が、工具の刃数と回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、再生びびり振動の発生と判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明によれば、振動データの自己相関関数を用いて再生びびり振動の発生を判定するようにしたので、加工中の再生びびり振動の発生を即座に検出および回避することが可能となる。これにより、ワークの仕上げ面品位が向上し、また、工作機械の回転主軸および工具の損耗を防ぐことができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切刃を有する工具を回転主軸に取り付け、この工具をワークに対し相対移動させてワークを加工した際に発生する再生びびり振動を検出するびびり振動検出方法であって、
ワーク加工時における前記工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手順と、
前記データ取得手順により取得した時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出した自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手順と、
切刃がワークに接触する接触周期が、前記算出手順により算出した周期の整数倍でないとき、もしくは前記算出手順により算出した振動数が、前記工具の刃数と前記回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、再生びびり振動の発生と判定する判定手順と、
を含むことを特徴とするびびり振動検出方法。
【請求項２】
切刃を有する工具を回転主軸に取り付け、この工具をワークに対し相対移動させてワークを加工した際に発生する再生びびり振動を回避するびびり振動回避方法であって、
ワーク加工時における前記工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手順と、
前記データ取得手順により取得した時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出した自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手順と、
切刃がワークに接触する接触周期が、前記算出手順により算出した周期の整数倍でないとき、もしくは前記算出手順により算出した振動数が、前記工具の刃数と前記回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、再生びびり振動の発生と判定する判定手順と、
前記判定手順により再生びびり振動の発生と判定したとき、切刃の接触周期と前記算出手順により算出した周期とから求まる位相差、もしくは前記工具の刃数および前記回転主軸の回転速度の積と前記算出手順により算出した振動数とから求まる位相差を算出し、算出した位相差に基づいて前記回転主軸の回転速度を所定割合だけ増減し、前記算出した位相差がほぼ０になるまで前記回転主軸の回転速度の増減を繰り返す回転速度増減手順と、
を含むことを特徴とするびびり振動回避方法。
【請求項３】
請求項２に記載のびびり振動回避方法において、
前記算出手順では、標準偏差を用いて自己相関関数を自己相関係数に変換し、変換後の自己相関係数の特性の周期もしくは振動数を算出するびびり振動回避方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載のびびり振動回避方法において、
前記回転速度増減手順では、切刃１刃当たりの送りが一定となるように前記回転主軸の回転速度の増減に応じて前記工具の送り速度を増減させるびびり振動回避方法。
【請求項５】
請求項２に記載のびびり振動回避方法において、
前記回転速度増減手順によって前記算出した位相差がほぼ０になっているのに前記振動データが所定値を超えているときは、前記工具の送り速度を下げるびびり振動回避方法。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載のびびり振動回避方法において、
前記算出手順では、前記データ取得手順により取得した振動データから予め記憶された前記回転主軸の無負荷回転時の振動データを差し引くことにより振動データを補正し、この補正後の振動データに基づき前記自己相関関数の特性を導出するびびり振動回避方法。
【請求項７】
切刃を有する工具が回転主軸に取り付けられ、この工具がワークに対し相対移動されてワークを加工する工作機械であって、
ワーク加工時における前記工具の振動と相関関係を有する振動データを所定のサンプリング周期で取得するデータ取得手段と、
前記データ取得手段により取得された時系列の振動データに基づき、切刃が複数回ワークに接触するのに要する時間分の自己相関関数を算出するとともに、算出された自己相関関数の特性の周期もしくは振動数を算出する算出手段と、
切刃がワークに接触する接触周期が、前記算出手段により算出された周期の整数倍でないとき、もしくは前記算出手段により算出された振動数が、前記工具の刃数と前記回転主軸の回転速度との積の整数倍でないとき、再生びびり振動の発生と判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。
【請求項８】
請求項７に記載の工作機械において、
前記判定手段により再生びびり振動の発生と判定されたとき、切刃の接触周期と前記算出手段により算出された周期とから求まる位相差、もしくは前記工具の刃数および前記回転主軸の回転速度の積と前記算出手段により算出された振動数とから求まる位相差を算出し、算出した位相差に基づいて前記回転主軸の回転速度を所定割合だけ増減し、前記算出した位相差がほぼ０になるまで前記回転主軸の回転速度の増減を繰り返す回転速度増減手段をさらに備える工作機械。