特許 6944103 作業機械の加工状態監視方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6944103

(24)【登録日】2021年9月14日

(45)【発行日】2021年10月6日

(54)【発明の名称】作業機械の加工状態監視方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/09 20060101AFI20210927BHJP

   G05B 19/4063 20060101ALI20210927BHJP

   G05B 19/18 20060101ALI20210927BHJP

   B23Q 17/12 20060101ALI20210927BHJP

   B23Q 17/00 20060101ALI20210927BHJP

【ＦＩ】

   B23Q17/09 F

   G05B19/4063 L

   G05B19/18 W

   B23Q17/12

   B23Q17/00 D

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2019-203547(P2019-203547)

(22)【出願日】2019年10月22日

(65)【公開番号】特開2021-68401(P2021-68401A)

(43)【公開日】2021年4月30日

【審査請求日】2020年1月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000102865

【氏名又は名称】エヌティーエンジニアリング株式会社

(72)【発明者】

【氏名】駒井 保宏

【審査官】 中里 翔平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０８８９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２１５３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１９６９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１８／０２０９６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１８−０５４５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０７７６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０８３７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／０２０９８３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｑ １７／００ −１７／２４

Ｇ０５Ｂ １９／１８

Ｇ０５Ｂ １９／４０６３

Ｇ０１Ｈ １／００ −１７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法であって、
前記回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する工程と、
検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る工程と、
前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高調波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高調波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける工程と、
前記空転周波数、前記基本波、前記高調波、前記残余周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する工程と、
経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させ、前記ワークの加工状態を監視する工程と、
を有することを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。

【請求項2】

請求項１記載の加工状態監視方法において、前記空転周波数、前記基本波、前記高調波、前記残余周波数及び前記びびり周波数は、前記色別積算表示窓内での互いの重ね合わせ順序が選択されることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。

【請求項3】

請求項１又は２記載の加工状態監視方法において、前記色別積算表示窓には、前記加工振動の強さが縦軸に表示されるとともに、
前記縦軸の目盛りが拡大されることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。

【請求項4】

請求項１又は２記載の加工状態監視方法において、経時変化する前記加工振動のトータルパワーをトータルパワー表示窓に表示させ、
前記加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを周波数スペクトル表示窓に表示させ、
前記基本波及び前記高調波の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化する変化表示窓に表示させることを特徴とする作業機械の加工状態監視方法。

【請求項5】

回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視システムであって、
前記回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する振動検出機構と、
検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る演算機構と、
前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高調波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高調波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける周波数振り分け機構と、
前記空転周波数、前記基本波、前記高調波、前記残余周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する色表示設定機構と、
経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させる色別表示機構と、
を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。

【請求項6】

請求項５記載の加工状態監視システムにおいて、経時変化する前記加工振動のトータルパワーを表示させるトータルパワー表示窓と、
前記加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを表示させる周波数スペクトル表示窓と、
前記基本波及び前記高調波の総和量と前記残余周波数の総和量との相対比を、経時変化して表示させる変化表示窓と、
を備えていることを特徴とする作業機械の加工状態監視システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、加工工具を介してワークに加工処理を施すために、各種の工作機械が使用されている。例えば、ボーリング加工は、中ぐり用カッタ（刃先）が設けられたボーリングツールを工作機械の回転主軸（スピンドル）に取り付け、前記ボーリングツールを高速で回転させながら下穴に沿って順次繰り出すことにより、その刃先加工径で所定の位置に高精度な孔部を加工するものである。

【0003】

この種の作業機械では、高精度な加工を行うために、加工状態の良否を判断する必要がある。従来より、加工状態の良否は、加工音、すなわち、良好な切削加工音であるか否かにより判断することが行われている。しかし、近年、作業の自動化が進んでおり、工場内の無人化が図られる場合が多い。そこで、加工音と同源の振動に着目し、加工振動の特性を検出することにより、自動化された工場で、加工状態の良否を判断することが行われている。

【0004】

例えば、特許文献１に開示されている作業機械の振動監視方法及びシステムが知られている。この振動監視方法は、加工工具の回転数及び刃数から算出された工具通過周波数でのピーク加速度であるＴＰＦピークが、周波数スペクトルに予め設定された前記工具通過周波数のピークしきい値であるＴＰＦしきい値と比較され、前記ＴＰＦピークが前記ＴＰＦしきい値を越えた回数を、ＴＰＦしきい値越え積算表示部に表示させる工程と、前記工具通過周波数の整数倍の高調波周波数でのピーク加速度である高調波ＴＰＦピークが、前記周波数スペクトルに予め設定された前記高調波周波数のピークしきい値である高調波ＴＰＦしきい値と比較され、前記高調波ＴＰＦピークが前記高調波ＴＰＦしきい値を越えた回数を、高調波ＴＰＦしきい値越え積算表示部に表示させる工程と、ＴＰＦしきい値越え回数と高調波ＴＰＦしきい値越え回数とを比較して変化表示部に表示させる工程と、を有している。

【0005】

例えば、多刃のエンドミル等の工具を使用して加工を行う場合、前記工具の刃先がワークに当たることにより、該工具の回転通過の振動が基本波として発生している。具体的には、基本波（ＴＰＦ１）は、主軸回転数ｒｐｍ×刃数÷６０から得られる工具通過周波数（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ＴＰＦ）である。さらに、基本波の他、該基本波の整数倍の周波数である高調波が発生する。この高調波は、基本波の２倍の高調波（ＴＰＦ２）、前記基本波の３倍の高調波（ＴＰＦ３）から該基本波のｎ倍の高調波（ＴＰＦｎ）の周波数Ｈｚとして発生する。

【0006】

図７には、エンドミル工具を用いた加工の周波数スペクトラムが示されている。この周波数スペクトラムでは、加速度（Ｇ又はｍ／ｓ^２）を縦軸に、フーリエ変換により演算された周波数（Ｈｚ）を横軸にしたスペクトラムが表示される。加工条件は、回転速度Ｎ＝２０００ｍｉｍ^−１、刃数＝４である。

【0007】

図７の周波数スペクトラムでは、１３３Ｈｚの基本波（ＴＰＦ１）、ＴＰＦ１の３倍のＴＰＦ３（４００Ｈｚ）、４倍のＴＰＦ４（５３３Ｈｚ）、６倍のＴＰＦ６（８００Ｈｚ）及びｎ倍のＴＰＦｎが表れており、これらをＴＰＦ振動という。一方、周波数スペクトラムの中には、ＴＰＦ振動以外の周波数、すなわち、Ｎｏｎ−ＴＰＦ（Ｎｏｎ−Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）振動が発生している。図７に示す周波数スペクトラムでは、基本波（ＴＰＦ１）の他、その高調波ＴＰＦ１〜ＴＰＦｎが、他の周波数（Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動）よりも大きく出ており、難削性の加工であることが認められる。

【0008】

また、図８に示す加工の周波数スペクトラムでは、ＴＰＦ振動ではない１１５０Ｈｚ（Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動）が顕著に出ている。これは、再生びびりが発生していることを示しており、そのびびり振動数は、スピンドル系のツーリングの固有振動数である。さらに、図９に示す加工の周波数スペクトラムでは、１３３Ｈｚの基本波（ＴＰＦ１）が大きく出ており、快削な加工が行われていることを示す。

【0009】

上記のように、加工振動の周波数は、それぞれ特定の発生要因を有しており、周波数スペクトラムとして表示させることにより、周波数とそのピーク高さから加工状態を検出することができる。例えば、ＴＰＦ１に対してその高調波が大きい場合には、難削性を示し、Ｎｏｎ−ＴＰＦの固有振動数が著しく高く出る場合には、びびりが発生し、ＴＰＦ１が相対的に大きく、他の振動数が小さい場合には、快削性を示す。

【0010】

ところで、周波数スペクトラムの表示は、刻々と変化するため、その経時変化に合わせて表示させる必要がある。このため、加工振動の強弱の経時変化を連続的に監視するものとして、トータルパワーの表示が知られている。図１０に示すトータルパワー表示では、縦軸にトータルパワー（（ｍ／ｓ^２）^２又はＧ^２）を、横軸に経過時間（秒）が表わされる。図１０から、時間毎に変化していく加工振動の強弱が明瞭に分かる。

【0011】

さらに、図１１は、図１０中、最後の振動部分である５４７秒から５４８秒までの１秒間の振動を周波数スペクトラムで表している。この周波数スペクトラムでは、縦軸に振動の強さ（ｍ／ｓ^２）を、横軸に周波数（Ｈｚ）を表わしている。この１秒間では、１２４０Ｈｚが最大ピークであり、その逓倍波の８２７Ｈｚが続いて出ている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１８−０５４５８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、図１０に示すトータルパワー表示や、図１１に示す周波数スペクトラムにおいて、周波数の強さの経時変化や、各時間区間での周波数スペクトラムを監視するだけでは、刻々と変化する加工振動の周波数の状態を確認することが困難である。従って、これらが示す周波数の意味（加工状態）を容易に検知することができないという問題がある。

【0014】

本発明は、この種の問題を解決するものであり、種々の加工状態を容易且つ確実に検知可能な作業機械の加工状態監視方法及びシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明は、回転工具を介してワークに加工処理を施す際に、前記ワークの加工状態を監視する作業機械の加工状態監視方法及びシステムに関するものである。

【0016】

この加工状態監視方法は、回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する工程と、検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る工程と、前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高調波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高調波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける工程と、前記空転周波数、前記基本波、前記高調波、前記残余周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する工程と、経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させ、前記ワークの加工状態を監視する工程と、を有している。

【0017】

また、この振動監視システムでは、回転工具による回転時の加工振動を経時的に検出する振動検出機構と、検出された前記加工振動を、順次、フーリエ級数展開により解析し、加工周波数を得る演算機構と、前記加工周波数を、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波、該基本波の整数倍である高調波、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高調波を除去した残余周波数、又は再生びびりが発生するびびり周波数に振り分ける周波数振り分け機構と、前記空転周波数、前記基本波、前記高調波、前記残余周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する色表示設定機構と、経時的に検出される前記加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する前記色表示で色分けして色別積算表示窓に表示させる色別表示機構と、を備えている。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る作業機械の加工状態監視方法及びシステムでは、刻刻と変化する加工の振動周波数が、空転周波数、基本波、高調波、残余周波数又はびびり周波数に振り分けられるとともに、それぞれ異なる色表示にて色分けされ、加工振動の強さに対応して色別積算表示窓に表示されている。このため、色表示を確認するだけで、ワークの種々の加工状態を容易且つ正確に監視することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】 本発明の実施形態に係る作業機械の加工状態監視システムが適用される工作機械の概略説明図である。

【図2】 前記加工状態監視システムを構成するコントローラの説明図である。

【図3】 前記加工状態監視システムを構成する表示ユニットの説明図である。

【図4】 前記表示ユニットを構成する色別積算表示窓の説明図である。

【図5】 前記色別積算表示窓による表示状態を変更する際の説明図である。

【図6】 前記色別積算表示窓による他の表示状態の説明図である。

【図7】 エンドミル工具を用いた加工の周波数スペクトラムの説明図である。

【図8】 再生びびりが発生した周波数スペクトラムの説明図である。

【図9】 快削加工が行われる周波数スペクトラムの説明図である。

【図10】 トータルパワーの説明図である。

【図11】 前記トータルパワーの特定の１秒間における波数スペクトラムの説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１に示すように、本発明の実施形態に係る加工状態監視システム１０は、工作機械１２に適用される。工作機械１２は、後述する加速度センサ２６やマイクロフォン２８並びにコントローラ３０を機能的に纏めたシステムの作業機械に適用される。

【0021】

工作機械１２は、ハウジング１４内にベアリング１６を介して回転可能に設けられるスピンドル（主軸）１８と、前記スピンドル１８に着脱自在なツールホルダ（回転工具）２０とを備える。ツールホルダ２０の先端には、カッタ２２が装着されている。作業テーブル２４上には、ワークＷが載置されている。

【0022】

加工状態監視システム１０は、スピンドル１８の空転時の振動、及びカッタ２２による加工が開始される際に発生する振動を検出するために、ハウジング１４の側部に装着される加速度センサ（振動検出機構）２６又は音波により振動音を取得するマイクロフォン（振動検出機構）２８の少なくとも一方を備える。加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８は、コントローラ３０に接続されるとともに、前記コントローラ３０は、工作機械制御盤３２に接続される。工作機械制御盤３２は、工作機械１２を制御するものであり、制御操作盤３４に接続される。

【0023】

図２に示すように、コントローラ３０は、加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により検出された機械的振動（加工振動）をアンプ及びフィルタ回路３６により増幅して取り込む演算ユニット（演算機構）３８を備える。

【0024】

演算ユニット３８には、スピンドル１８の回転数、カッタ２２の刃数及び固有振動数等を入力する入力設定ユニット４０が接続される。入力設定ユニット４０では、監視や識別判定のためのしきい値や、しきい値越えの振動が発生した際の信号の処理手順等が設定可能である。入力設定ユニット４０には、必要に応じてリピートカウンタ（回路）４２が設けられる。

【0025】

演算ユニット３８は、後述するように、加工周波数から空転周波数、基本波、高調波、残余周波数、又はびびり周波数に振り分ける周波数振り分け機構と、前記空転周波数、前記基本波、前記高調波、前記残余周波数及び前記びびり周波数を、それぞれ異なる色表示に設定する色表示設定機構と、して機能する。演算ユニット３８は、さらに経時的に検出される加工振動の強さを、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する色表示で色分けして色別積算表示窓５４（後述する）に表示させる色別表示機構として機能する。

【0026】

演算ユニット３８には、加工状態判断ユニット４４と、後述する演算判断処理した信号を出力するための入出力ユニット４６とが接続される。主軸回転数ＲＰＭ及び使用中の工具番号の情報は、工作機械制御盤３２から入出力ユニット４６を通じて演算ユニット３８に取り入れられ、随時ＮＣプログラムからの読み取りが可能である。マクロ的な監視を行う場合には、しきい値として別途に工具刃数とリピートカウンタ４２の数値を入れるだけでもよい。

【0027】

演算ユニット３８には、演算結果や検出結果等を画面表示する表示ユニット４８が接続される。演算ユニット３８から加工状態判断ユニット４４には、更新されたデータが、通常、毎秒送られる。

【0028】

図３に示すように、表示ユニット４８は、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２、変化表示窓５３及び色別積算表示窓５４を備える。表示ユニット４８の左端には、表示画面としきい値入力画面との切り替え等に使用される画面選択ボタン５７が設けられる。

【0029】

トータルパワー表示窓５１は、図示しないが、コントローラ３０の測定開始ボタンや機器からの信号でＯＮ（オン）する振動量の監視ユニットである。トータルパワー表示窓５１は、経時変化する加工振動のトータルパワー（Ｇ^２）を表示するものであり、各時間帯における振動量の大きさを、リアルタイム性を有しトータルパワーとして表示する。

【0030】

トータルパワー表示窓５１では、加速度を二乗した値の和が縦軸に表わされ、経過時間（秒）が横軸に表わされる。トータルパワー表示窓５１には、必要に応じて、トータルパワーが警告域に入る予兆を表示する予兆しきい値６１と、前記トータルパワーが異常に上昇したことを表示するアラームしきい値６２とが設定される。

【0031】

周波数スペクトル表示窓５２は、加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを表示させる。周波数スペクトル表示窓５２では、加速度（Ｇ又はｍ／ｓ^２）を縦軸に、フーリエ変換により演算された周波数（Ｈｚ）を横軸にしたスペクトラムが表示される。スペクトラム横軸の表示範囲は、１０Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚの間から予め選択設定され、一般的には、加工状態を良好に表す１０Ｈｚ〜２，０００Ｈｚ、１０Ｈｚ〜２，５００Ｈｚ、若しくは１０Ｈｚ〜４，０００Ｈｚ等が選択される。縦軸の表示は、自動ゲイン方式である。

【0032】

周波数スペクトル表示窓５２には、必要に応じて、加工振動が警告域に入る予兆を表示する予兆しきい値６３と、前記加工振動が異常に上昇したことを表示するアラームしきい値６４とが設定される。

【0033】

変化表示窓５３は、周波数スペクトル表示窓５２に表示された周波数スペクトルの内、工具通過周波数（Ｔｏｏｌ−Ｐａｓｓｉｎｇ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（以下、ＴＰＦという）の総和量と、前記周波数スペクトルの内、ＴＰＦを除去した残余周波数（以下、Ｎｏｎ−ＴＰＦという）の総和量との相対比を、経時変化して表示させる。具体的には、変化表示窓５３は、ＴＰＦの総和量とＮｏｎ−ＴＰＦの総和量との相対比（Ｎｏｎ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量）の変化量が、ドットグラフとして経時（毎秒）表示される。このドットグラフでは、数値の低い方が良好な切削を表す一方、数値の高い方が切削性の悪化やびびりの発生を表している。ＴＰＦは、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波及びその高調波（該基本波の整数倍）の総和である。

【0034】

変化表示窓５３には、必要に応じて、加工の良否判別の予兆段階に入ったと判断させるための予兆しきい値６５と、加工異常が発生しているか否かを判別させるための少なくとも上限のアラームしきい値６６ａ又は下限のアラームしきい値６６ｂと、が設定される。しきい値の入力には、別途の入力画面（図示せず）が使用され、この入力画面は、画面選択ボタン５７の操作により表示される。

【0035】

色別積算表示窓５４には、１０Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚの間から予め選択された周波数の範囲で、経時的に検出される加工振動の強さ（（ｍ／ｓ^２）^２又はＧ^２）をもって、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する色表示で色分けして表示される。色別積算表示窓５４では、加速度を二乗した値の和（加工振動の強さ）が縦軸に表わされ、経過時間（秒）が横軸に表わされる。加工周波数は、主軸回転数÷６０から算出される空転周波数（以下、ＳＲＦ振動ともいう）、主軸回転数×刃数÷６０から算出される基本波（以下、ＴＰＦ１振動ともいう）、該基本波の整数倍である高調波（以下、ＴＰＦｎ振動ともいう）、前記加工周波数から前記空転周波数、前記基本波及び前記高調波を除去した残余周波数（以下、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動ともいう）、又は再生びびりが発生するびびり周波数（以下、びびり振動ともいう）に振り分けられる。ＴＰＦ１振動とＴＰＦｎ振動とを総和したものをＴＰＦ振動という。

【0036】

図４に示すように、ＳＲＦ振動は、「緑色」の色表示に設定される。ＳＲＦ振動は、スピンドル１８の空転時の振動を加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により取得したものであり、主軸回転時に、ＳＲＦ振動の周波数振動が出ていれば、測定システムが正常に機能していることを示す。加工振動の判定では、空転時の振動を許容値として設定している。

【0037】

ＴＰＦ１振動は、「青色」（濃い青色）の色表示に設定される一方、ＴＰＦｎ振動（ＴＰＦ振動からＴＰＦ１振動を除いた振動）は、「水色」（薄い青色）の色表示に設定される。ＴＰＦ１振動及びＴＰＦｎ振動は、ＴＰＦ振動に含まれるものであり、同色系を採用するとともに、前記ＴＰＦ１振動が前記ＴＰＦｎ振動よりも濃い色に設定される。ＴＰＦ振動の入力と演算は、加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８からの情報と、ＮＣ装置から読み取られる主軸回転数（ＲＰＭ）の情報と、使用される工具（カッタ２２）の刃数とを、別途の設定画面から入力し、この三つのパラメータから演算することができる。その際、ＡＴＣで工具の交換が行われても、その時点での主軸回転情報をＮＣ装置から読み取り、別途設定された刃数情報と組み合わせることにより、それぞれの加工におけるＴＰＦ１及びＴＰＦｎの周波数を瞬時に算出することができる。

【0038】

Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動は、「黄色」の色表示に設定される。切削性の悪い材質のワークＷを加工すると、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動が多く発生する。このＮｏｎ−ＴＰＦ振動の発生が多いほど、加工が困難であることを示し、さらに刃先が摩耗するほど、前記Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動が増加する。また、刃工具の欠損等では、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動が大きく増減する。

【0039】

びびり振動は、「赤色」の色表示に設定される。例えば、ＴＰＦ１振動からＴＰＦｎ振動までの振動量の総和に対し、特定のＮｏｎ−ＴＰＦ振動のピークが２倍以上になったとき（判別倍率のしきい値は、別途設定可能である）、再生びびりが発生していると判定する。このしきい値越えの信号は、リピートカウンタ４２から外部に出力される。

【0040】

このように構成される加工状態監視システム１０による加工状態監視方法について、以下に説明する。

【0041】

図１に示すように、工作機械１２では、先端にカッタ２２が装着されたツールホルダ２０を取り付けたスピンドル１８が回転駆動されるとともに、ワークＷに沿って繰り出される。そして、ツールホルダ２０がワークＷの側面に沿って移動する。このため、ツールホルダ２０と一体にカッタ２２が回転し、前記カッタ２２を介してワークＷに加工が施される。

【0042】

コントローラ３０では、機械加工を開始する前に、スピンドル１８の空転時の振動を加速度センサ２６及び（又は）マイクロフォン２８により取得し、この値を許容値（しきい値）として設定している。そして、スピンドル１８の振動が、アンプ及びフィルタ回路３６を介して演算ユニット３８に取り込まれる。

【0043】

次いで、演算ユニット３８では、アンプ及びフィルタ回路３６を介して取り込まれた加工振動に、フーリエ変換（フーリエ級数展開）による演算解析が行われる。具体的には、時間振動ｆ（ｔ）は、

【0044】

ｆ（ｔ）＝Σ（ａ_ｊｃｏｓ２πＪｔ＋ｂ_ｊｓｉｎ２πＪｔ）で表される。なお、ａ_ｊは、周波数Ｊの余弦調和成分フーリエ係数であり、ｂ_ｊは、周波数Ｊの正弦調和成分フーリエ係数である。

【0045】

そして、周波数Ｊに対するフーリエ係数は、ａ_ｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｃｏｓ（２πＪｔ）ｄｔ、及びｂ_ｊ＝１／２Ｔ∫ｆ（ｔ）ｓｉｎ（２πＪｔ）ｄｔに基づいて、フーリエ級数展開を行う。なお、積分区間は、０〜Ｔであり、この積分区間Ｔは、周期１／Ｊの整数倍とする。ここで、実際に加工による振動周波数、例えば、１０Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚが取得される。

【0046】

図３に示すように、表示ユニット４８には、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２、変化表示窓５３及び色別積算表示窓５４が設けられている。

【0047】

トータルパワー表示窓５１には、各時間帯における加工と共に変化する振動量の大きさが、リアルタイム性を有するトータルパワー（Ｇ^２）として表示される。その際、縦軸には、加速度を二乗したトータルパワー（Ｇ^２）（加工振動の強さ）が表示され、加工振動量の増減比が大きな変化量として表わされる。すなわち、小さな振動はより小さく、大きな振動はより大きく表示される。

【0048】

さらに、トータルパワー表示窓５１に表示される値は、加速度振幅の波形を二乗して時間軸単位（通常、１秒間又は０．１秒間）で積分した値であり、取得した全ての周波数を含んでいる。このため、周波数スペクトルでは判別し難いトータルのパワーエネルギーを判別することができ、切削抵抗の増減や高周波振動の増減等を鋭敏に表示することが可能になる。

【0049】

周波数スペクトル表示窓５２には、加工振動をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルが表示される。コントローラ３０の演算ユニット３８では、加工振動の周波数（加工周波数）を、ＴＰＦ振動とＮｏｎ−ＴＰＦ振動との二つに分ける処理が行われる。そして、変化表示窓５３には、演算ユニット３８で分割されたＴＰＦ振動の総和量とＮｏｎ−ＴＰＦ振動の総和量との相対比（Ｎｏｎ−ＴＰＦの総和量／ＴＰＦの総和量）の変化量が、ドットグラフとして経時（毎秒）表示される。変化表示窓５３では、ドットグラフの数値の低い方が良好な切削を表す一方、数値の高い方が切削性の悪化やびびりの発生を表している。

【0050】

図４に示すように、色別積算表示窓５４には、経時的に検出される加工振動の強さが、各加工振動から得られる各加工周波数に対応する色表示で色分けして表示される。演算ユニット３８では、演算により得られた加工周波数が、ＳＲＦ振動（空転周波数）、ＴＰＦ１振動（基本波）、ＴＰＦｎ振動（高調波）、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動（残余周波数）、又はびびり振動（びびり周波数）に振り分けられる。

【0051】

さらに、ＳＲＦ振動、ＴＰＦ１振動、ＴＰＦｎ振動、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動、及びびびり振動は、それぞれ異なる色表示に設定される。具体的には、ＳＲＦ振動は、「緑色」の色表示に、ＴＰＦ１振動は、「青色」の色表示に、ＴＰＦｎ振動は、「水色」の色表示に、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動は、「黄色」の色表示に、びびり振動は、「赤色」の色表示に設定される。

【0052】

この場合、色別積算表示窓５４では、刻刻と変化する加工振動の加工周波数を、それぞれの生成特性から識別し周波数特性の色別に表示している。このため、機械オペレータは、色別積算表示窓５４内の色の変化を見ているだけで、種々の加工状態を迅速且つ容易に把握することができる。

【0053】

しかも、正常に加工が行われている場合には、青色系統の色（ＴＰＦ１振動及びＴＰＦｎ振動）が多くを占めることになり、難削系を示す黄色（Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動）が多く出てくる際には、切削に注意が必要となる。さらに、再生びびりを示す赤色が出ると、加工異常であることが示される。従って、機械オペレータは、例えば、交通信号の表示をイメージし、青色であれば正常である一方、赤色であれば異常であると、瞬時に認識することができる。

【0054】

色別積算表示窓５４では、経時と共に縦軸の表示（表示指定周波数範囲の、測定開始信号ＯＮから現在表示時間までのピーク値に合わせた自動ゲインでの表示）と、横軸の表示（測定開始信号ＯＮからの時間軸の表示）とが更新されている。このため、図４に示す加工において、加工初期には、最初の入力周波数のみで縦軸のゲインと色表示がされるため、測定開始から８秒前後では、ＳＲＦ振動（緑色）とＴＰＦ１振動（青色）が多くを占めることになり、この経時途中の表示では、緑色と青色が窓枠一杯に表示される（図示せず）。また、図４に示す加工の経時変化において、５秒から８秒までの空転時における振動では、ＳＲＦ振動（緑色）のみが小さく出ており、システムが正常に稼働していることが認識される。ここで、図４に示す縦軸のゲインは、表示時間の５秒後から２０秒までのピーク高さに合わせて決まるため、振動が大きなびびり加工部のピークまでを表す表示となる。これにより、比較的振動が小さな正常加工部は、縮小表示され、色分け区分も縮小表示されることになる。次いで、加工が開始される８秒から１２秒の間では、ＴＰＦｎ振動（水色）が多く占めており、加工が正常に行われていることが確認される。さらに、その途中からＮｏｎ−ＴＰＦ振動（黄色）が急増しており、１２．５秒後には、びびり振動（赤色）に移行し、振動が急速に大きく成長したことが示されている。

【0055】

上記のように、色別積算表示窓５４に表示される加工振動の強弱や色表示は、演算ユニット３８により演算された結果に基づいている。従って、これらに基づく加工状態の判断は、入出力ユニット４６を通じて外部に出力することができ、自動加工や無人化された加工でのフィードバック信号として利用することが可能である。しかも、色別積算表示窓５４での表示は、毎秒更新されるため、経時変化する加工振動の状態は、瞬時に捉えることができる。一方、この表示とは別に、加工の振動周波数から演算されたびびり等の異常の検知は、０．１秒単位で行うことができ、リアルタイムで異常監視を行うことが可能になる。

【0056】

色別積算表示窓５４では、ＳＲＦ振動（空転周波数）、ＴＰＦ１振動（基本波）、ＴＰＦｎ振動（高調波）、Ｎｏｎ−ＴＰＦ振動（残余周波数）、又はびびり振動（びびり周波数）は、前記色別積算表示窓５４内での互いの重ね合わせ順序が選択されている。図４に示すように、相対的に振動量の小さなＳＲＦ振動を最前面に配置させ、相対的に振動量の大きなびびり振動を最背面に配置させている。

【0057】

その際、重なり合う部分が見え難い場合があり、図５に示すように、それぞれの色別表示を積算して表示することができる。このため、図５では、小さな振動量であるＳＲＦ、ＴＰＦ１及びＴＰＦｎの振動量は、それぞれのボリュームに合わせて表示され、前記ＴＰＦｎは、全域に亘ってある程度の大きさで存在していることが確認される。そして、加工の途中からＮｏｎ−ＴＰＦ振動が発生しており、さらにその振動量が大きくなってびびり振動に成長していることが分かる。

【0058】

ところで、色別積算表示窓５４の縦軸では、目盛りゲインが最大ピークの振動に応じて自動的に変更されている。なお、個別の固定設定も可能である。図５では、びびり振動の強さが他の振動に比べて顕著に大きくなっており、このびびり振動の合わせて縦軸の目盛りゲインが変更されるため、ＳＲＦやＴＰＦ１の信号が読み取り難くなる場合がある。

【0059】

そこで、図６では、色別積算表示窓５４の縦軸の目盛りゲインが拡大されている。これにより、色別積算表示窓５４では、ＳＲＦ振動及びＴＰＦ１振動が大きく表示され、これらの信号を容易且つ確実に読み取ることが可能になる。

【0060】

また、図３に示すように、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２及び変化表示窓５３には、予兆しきい値６１、６３及び６５が設定されている。このため、振動ピークが、予兆しきい値６１、６３又は６５のいずれかを上回った場合、別途設定したリピートカウンタ４２を通じて、加工振動が予兆ラインを超えたことを知らせ、例えば、機械オペレータに注意喚起を促すことができる。

【0061】

さらに、トータルパワー表示窓５１、周波数スペクトル表示窓５２及び変化表示窓５３には、アラームしきい値６２、６４及び６６ａが設定されている。従って、加工振動が異常に上昇して、アラームしきい値６２、６４及び６６ａを上回ると、別途設定のリピートカウンタ４２にアラーム信号が送られる。リピートカウンタ４２では、設定済みの積算数以上の信号入力が検知されると、アラーム信号がコントローラ３０の表示ユニット４８に表示されるとともに、入出力ユニット４６を通じて外部に出力される。

【0062】

このように、予兆及びアラームのしきい値越えの信号は、リピートカウンタ４２に送られている。これにより、一瞬のノイズ等による誤動作を防ぐことができる。なお、リピートカウント値を１に設定しておけば、一回のしきい値越えが発生した際に、異常判定の出力がなされる。

【符号の説明】

【0063】

１０…加工状態監視システム １２…工作機械
１４…ハウジング １８…スピンドル
２０…ツールホルダ ２２…カッタ
２６…加速度センサ ２８…マイクロフォン
３０…コントローラ ３２…工作機械制御盤
３４…制御操作盤 ３８…演算ユニット
４０…入力設定ユニット ４４…加工状態判断ユニット
４６…入出力ユニット ４８…表示ユニット
５１…トータルパワー表示窓 ５２…周波数スペクトル表示部
５３…変化表示窓 ５４…色別積算表示窓

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】