JP5637840B2

JP5637840B2 - 振動検出方法

Info

Publication number: JP5637840B2
Application number: JP2010288459A
Authority: JP
Inventors: 顕秀浜口
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2012137327A

Description

本発明は、工具又はワークを回転させながら加工を行う工作機械において加工中に発生するびびり振動を検出するための振動検出方法に関するものである。

従来、たとえば工具を回転させてワークの表面を切削加工するような工作機械においては、工具の剛性が低い等の理由により、加工中にびびり振動が発生することがある。そこで、このびびり振動を検出するための技術として、たとえば特許文献１に記載の技術がある。これは、音圧を検出可能なマイクロフォン（以下、マイクと称す）を用いてびびり振動とその周波数（びびり周波数）を検出しようというものである。また、そのようにして検出したびびり周波数を用いて安定回転速度を求めるに際しては、たとえば特許文献２に開示されているような下記式（１）、（２）を用いればよいことも知られている。
安定回転速度＝｛６０×びびり周波数／工具刃数×（ｋ値＋１）｝・・・（１）
ｋ値＝６０×びびり周波数／（現在の回転速度×工具刃数）の整数部分・・・（２）
尚、工具刃数は、たとえば回転軸としての主軸に装着されている工具の刃数である。

特表２００１−５１７５５７号公報特開２００７−４４８５２号公報

一般的に、加工中にはびびり振動とは異なる振動やノイズによって振動音に似た音が発生することがある。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、検出した振動及び周波数がびびり振動によるもの（すなわち、びびり周波数）であるか、それともびびり振動以外の振動やノイズによるものであるのかを判断することができないため、特許文献２に開示されている式（１）、（２）を用いたところで、正確な安定回転速度を求めることができないことがあった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、びびり周波数を正確に捉えることが可能で、ひいては一層精度の高い安定回転速度の算出をも図ることができる振動検出方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸に生じるびびり振動を検出するための振動検出方法であって、周波数軸上で検出範囲を任意に設定するとともに、所定の周波数の音を出力し、出力した音にもとづいて前記検出範囲の下限を変更する第１工程と、前記回転軸に生じる時間軸上での振動を検出する第２工程と、前記時間軸上での振動をＦＦＴ解析して周波数軸上での振動を求める第３工程と、前記周波数軸上での振動のうち、前記検出範囲内において振動が最大となる周波数の音を出力する第４工程と、前記回転軸から発生しているびびり振動に起因する振動音と出力された音とが一致するか否かを判断し、一致している場合には出力された音の周波数を前記びびり振動に係るびびり周波数として特定する第５工程とを実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第５工程において、前記振動音が前記出力された音よりも高いと、前記検出範囲の下限を前記出力された音の周波数よりも高い周波数へ変更する一方、前記出力された音が前記振動音が前記出力された音よりも低いと、前記検出範囲の上限を前記出力された音の周波数よりも低い周波数へ変更した後、変更後の前記検出範囲に含まれる周波数の音を新たに出力することを特徴とする。

本発明によれば、周波数軸上で検出範囲を任意に設定するとともに、所定の周波数の音を出力し、出力した音にもとづいて検出範囲の下限を変更する第１工程と、回転軸に生じる時間軸上での振動を検出する第２工程と、時間軸上での振動をＦＦＴ解析して周波数軸上での振動を求める第３工程と、周波数軸上での振動のうち、検出範囲内において振動が最大となる周波数の音を出力する第４工程と、回転軸から発生しているびびり振動に起因する振動音と出力された音とが一致するか否かを判断し、一致している場合には出力された音の周波数をびびり振動に係るびびり周波数として特定する第５工程とを実行するため、作業者は、検出範囲を任意に設定するとともに、出力された音にもとづいて検出範囲の下限を変更した後、実際に生じているびびり振動の振動音と発音制御装置から出力される出力音とを比較することにより、正確なびびり周波数を捉えることができる。したがって、このようにして正確に捉えたびびり周波数にもとづいて安定回転速度を算出することにより、従来よりもびびり振動の抑制効果の高い安定回転速度を求めることができる。

振動検出装置のブロック構成を示した説明図である。振動検出制御を示したフローチャート図である。表示装置における周波数軸上での音圧（振動）の表示態様を示した説明図である。作業者により検出範囲が設定された状態を示した説明図である。検出範囲の下限が変更された状態を示した説明図である。検出範囲の上限が変更され、びびり周波数が特定された状態を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる振動検出装置について、図面にもとづき詳細に説明する。

図１は、振動検出装置４及び周辺装置のブロック構成を示した説明図である。
振動検出装置４は、回転軸ハウジング１に上下方向を軸として回転可能に備えられた回転軸３に生じる「びびり振動」を検出するためのものであって、回転中の回転軸３から発生する振動音を含む回転軸ハウジング１周辺に生じている音の音圧を検出するためのマイク２と、マイク２が接続され、該マイク２により検出される音のＦＦＴ解析を行い、回転軸ハウジング１周辺に生じている音の音圧と振動周波数との関係を求める演算装置５と、演算装置５において求められた音圧と振動周波数との関係を、たとえば図３に示すような態様で表示する表示装置６と、演算装置５に対して各種数値を入力したり、演算装置５を設定したりするための入力装置７と、演算装置５による制御のもと所定の振動音を発生させる発音装置８とを備えてなる。尚、９は、回転軸３の回転速度を変更したりして回転軸ハウジング１における加工を制御するＮＣ装置であり、１０は、該ＮＣ装置９を操作するための操作装置である。

ここで、振動検出装置４を用いた「びびり振動」の振動検出作業、及びＮＣ装置９等を用いての振動抑制作業について、図２のフローチャート図にしたがい説明する。
まず、加工を開始するよりも前に、作業者は、演算装置５においてマイク２で検出される振動音をＦＦＴ解析した後で後述の如くして発音装置８から発音させる際に参照する周波数の検出範囲を任意に設定する（Ｓ１）。その後、加工を開始し（Ｓ２）、びびり振動に起因する振動音の発生を認識すると、作業者は入力装置７を操作して、発音装置８から１ｋＨｚの音を出力させる（Ｓ３）。そして、作業者は、振動音と１ｋＨｚの出力音とを比較し（Ｓ４）、振動音が出力音よりも高い場合（Ｓ４でＹＥＳ）、入力装置７を操作して検出範囲の下限を１ｋＨｚに変更する（Ｓ５）。一方、振動音が出力音よりも低い場合（Ｓ４でＮＯ）、入力装置７を操作して検出範囲の下限を０．１ｋＨｚに変更する（Ｓ６）。

一方、演算装置５では、マイク２で検出される音圧のＦＦＴ解析を行っており（Ｓ７）、上記Ｓ３〜Ｓ６の如くして検出範囲が設定されると、設定された検出範囲内において音圧が最大となる信号成分を見出し、該信号成分に相当する周波数の音を発音装置８から出力させる（Ｓ８）。すると、作業者は、振動音とＳ８で発音装置８から出力された出力音とを比較し（Ｓ９）、両者が一致していると（Ｓ９でＹＥＳ）、発音装置８から出力されている出力音の周波数がびびり周波数であることになるため、出力音の周波数をびびり周波数と設定し（Ｓ１３）、たとえば上記式（１）、（２）を用いて安定回転速度を算出するとともに、操作装置１０によりＮＣ装置９を介して回転軸３の回転速度を安定回転速度へ変更し、びびり振動の抑制を図る。

また、作業者は、振動音とＳ８で発音装置８から出力された出力音とを比較した結果、両者が異なっている場合（Ｓ９でＮＯ）、続いて振動音が出力音よりも高いか低いかを判断する（Ｓ１０）。その結果、振動音が高い場合（Ｓ１０でＹＥＳ）、入力装置７を操作して検出範囲の下限を出力音の周波数よりも高い周波数へと変更する（Ｓ１１）一方、振動音が出力音よりも低い場合（Ｓ１０でＮＯ）、検出範囲の上限を出力音の周波数よりも低い周波数へと変更する（Ｓ１２）。そして、新たな検出範囲において発音装置８から音を出力させ、振動音と出力音とが一致する（Ｓ９でＹＥＳとなる）までＳ７〜Ｓ１２までを繰り返す。

尚、演算装置５では、Ｓ７で行うマイク２で検出される音圧のＦＦＴ解析の結果を、ピークホールド波形２１として、図３で示すような態様で表示装置６に表示させている。尚、図３中における２２は検出範囲の下限を、２３は検出範囲の上限を夫々示しており、当該検出範囲内において音圧が最大となる信号成分２４に相当する周波数の音が発音装置８から出力されることになる。また、２５は、作業者に信号成分２４を視認させるためのマーカーである。

上記振動検出作業及び振動抑制作業を、図４〜図６にもとづいて、より具体的に記載すると、たとえばＳ１において図４に示す如く、検出範囲の下限を０．１ｋＨｚ、上限を１０ｋＨｚに設定し、Ｓ２において加工を開始したとする。しかしながら、この検出範囲のままでは、低周波の暗騒音（図４中の２６）が最大音圧となる信号成分となるため、この信号成分に相当する周波数の音が発音装置８から出力されてしまう。そこで、１ｋＨｚの音を出力して（Ｓ３）暗騒音２６と比較させる（Ｓ４）ことにより、図５に示す如く検出範囲の下限を１ｋＨｚへと変更させ（Ｓ５）、暗騒音２６を検出範囲から除く。ただ、検出範囲の下限を１ｋＨｚとしただけでは、サイレンなどのびびり振動以外に起因するノイズ（図４中の２７）が最大音圧となるため、Ｓ８では当該ノイズと同じ周波数の音が発音装置８から出力されることになり、Ｓ９では振動音と出力音とが一致しないと判断される。そこで、当該ノイズ２７を検出範囲から除くべく、Ｓ１２において検出範囲の上限がノイズ２７の周波数よりも低い周波数へと変更される。すると、検出範囲が図６に示すような範囲となり、びびり振動に起因する周波数、すなわちびびり周波数を正確に得ることができ、２回目のＳ８ではびびり周波数の音が発音装置８から出力されることになる。したがって、Ｓ９で振動音と出力音との一致が確認され、該びびり周波数にもとづいて最適な安定回転速度の算出が可能となるのである。

以上のような振動検出装置４及び振動検出方法によれば、種々の周波数の音を出力可能な発音装置８を備えており、当該発音装置８から、任意に設定された検出範囲内において最大音圧となる信号成分に相当する周波数の音を出力し、作業者に振動音と出力音との比較を行わせるようになっている。したがって、マイク２では回転中の回転軸３から発生する振動音を含む回転軸ハウジング１周辺に生じている音の音圧を検出してしまうものの、作業者は、その中から種々のノイズを除き、びびり振動に起因する振動音のびびり周波数を正確に捉えることができる。そして、該びびり周波数にもとづいて安定回転速度を算出することにより、従来よりもびびり振動の抑制効果の高い安定回転速度を求めることができる。

なお、本発明に係る振動検出装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、振動検出手段、演算装置における振動検出制御、発音装置からの音の出力態様等に係る構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、回転軸の振動を検出するための手段としてマイク２を採用しているが、マイク２に代えて加速度ピックアップや変位計を採用し、音圧ではなく振動加速度や振動変位を検出し、ＦＦＴ解析により周波数軸上での振動加速度や振動変位を求め、上記同様に、振動加速度や振動変位が最大となる周波数で音を出力させるように構成することも可能である。
また、上記実施形態では、Ｓ３で１ｋＨｚの音を発音装置８から出力するように構成しているが、作業者が熟練者であるような場合を考えて、１ｋＨｚの音を出力することなく検出範囲の下限を設定するようにしてもよく、１ｋＨｚの音を出力させるための操作ボタンを設ける等することにより、１ｋＨｚの音を出力させるか否かは作業者により選択可能に構成することも可能である。尚、Ｓ３で出力させる音が１ｋＨｚに拘らないことは言うまでもないし、Ｓ５やＳ６において検出範囲の下限を何ｋＨｚとするか等についても適宜変更可能である。

さらに、振動検出装置４にＮＣ装置９等を組み込み、びびり周波数が特定されると、自動的に安定回転速度を算出し、回転軸３の回転速度を安定回転速度へ変更するように構成する、すなわち振動検出装置４に回転速度制御機能を含ませてもよい。
さらにまた、発音装置８から出力する音に関しては、単一音である必要はなく、バンドパスフィルタを用いて、最大音圧となる信号成分を中心に、その前後の周波数範囲外の音を除去した音を発音装置８から出力させるように構成してもよい。
またさらに、Ｓ３〜Ｓ６までの処理を省略し、作業者が予め設定した検出範囲をもとに音圧が最大となる信号成分を判定するように構成してもよい（すなわち、所定の周波数での音を出力して、検出範囲の下限を変更するという処理を省略してもよい）。
加えて、上記振動検出制御を実加工中に行う必要はなく、試験加工等を行って予めデータを取得し、実加工に活かしたりしても何ら問題はない。

１・・回転軸ハウジング、２・・マイク（振動検出手段）、３・・回転軸、４・・振動検出装置、５・・演算装置（振動演算装置、発音制御装置）、６・・表示装置、７・・入力装置（範囲設定装置）、８・・発音装置（発音制御装置）、９・・ＮＣ装置、１０・・操作装置。

Claims

工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸に生じるびびり振動を検出するための振動検出方法であって、
周波数軸上で検出範囲を任意に設定するとともに、所定の周波数の音を出力し、出力した音にもとづいて前記検出範囲の下限を変更する第１工程と、
前記回転軸に生じる時間軸上での振動を検出する第２工程と、
前記時間軸上での振動をＦＦＴ解析して周波数軸上での振動を求める第３工程と、
前記周波数軸上での振動のうち、前記検出範囲内において振動が最大となる周波数の音を出力する第４工程と、
前記回転軸から発生しているびびり振動に起因する振動音と出力された音とが一致するか否かを判断し、一致している場合には出力された音の周波数を前記びびり振動に係るびびり周波数として特定する第５工程と
を実行することを特徴とする振動検出方法。
前記第５工程において、前記振動音が前記出力された音よりも高いと、前記検出範囲の下限を前記出力された音の周波数よりも高い周波数へ変更する一方、前記出力された音が前記振動音が前記出力された音よりも低いと、前記検出範囲の上限を前記出力された音の周波数よりも低い周波数へ変更した後、変更後の前記検出範囲に含まれる周波数の音を新たに出力することを特徴とする請求項１に記載の振動検出方法。