振動判別方法、及び振動判別装置
【課題】従来よりも「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを精度良く判別することができる振動判別方法、及び振動判別装置を提供する。
【解決手段】びびり振動の発生を検出すると、パラメータ演算装置において第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるとともに、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆを考慮し、更に「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動」の周波数範囲との割合によって求めた判別妥当性Ｃをもとにして、発生したびびり振動が「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別するようにした。
【解決手段】びびり振動の発生を検出すると、パラメータ演算装置において第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるとともに、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆを考慮し、更に「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動」の周波数範囲との割合によって求めた判別妥当性Ｃをもとにして、発生したびびり振動が「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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の種類を判別するための振動判別方法、及び該振動判別方法を実行する振動判別装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転軸を回転させて加工を行う工作機械では、切り込み量や回転軸の回転速度などの加工条件が適切でない等に起因して加工中に所謂「びびり振動」が生じるおそれがある。そして、びびり振動が生じると、加工面の仕上げ精度が悪化したり工具が破損してしまうといった問題が生じることから、びびり振動の抑制が求められている。
【０００３】
このびびり振動としては、工具とワークとの間に生じる自励振動である「再生型びびり振動」と、工作機械自身が振動源となる「強制びびり振動」との２つのびびり振動がある。そして、本件出願人は、この２種類のびびり振動を区別するとともに、びびり振動の種類に応じて夫々対応可能とした振動抑制装置（特許文献１）を本件出願に先立ち考案している。この特許文献１に記載の振動抑制装置では、振動センサで検出した時間領域の振動加速度をＦＦＴ解析して周波数領域の振動加速度を求め、その周波数領域の振動加速度が最大値をとるびびり周波数ｆｃを求めるとともに、下記式（１）〜（３）からｋ’値、ｋ値、及び位相差εを算出し、位相差εが０に近い（たとえば０．１以内である）場合、すなわちｋ’値が整数に近い場合を「強制びびり振動」と判別し、それ以外を「再生型びびり振動」として判別していた。
ｋ’＝６０×ｆｃ／（Ｚ×Ｓ） ・・・（１）
ｋ＝｜ｋ’」 ・・・（２）
ε＝ｋ’−ｋ ・・・（３）
尚、式（１）におけるＺは工具刃数であり、Ｓは回転軸の１分あたりの回転速度である。また、式（２）における｜ｘ」は、ｘよりも小さい最大の整数を表す床関数である（つまり、式（２）ではｋ’値の整数部を求めている）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の振動抑制装置では、上下２つの定数の範囲内に位相差εがあるか否かにより、位相差εが０に近いか否かを判断している。つまり、回転軸の回転速度と、びびり振動のびびり周波数との関係を示す図７で見てみると、従来のｋ’値を用いる方法により判別した場合、実線を隔てた２つの点線で示す範囲が「強制びびり振動」と判別する範囲となる。したがって、図７からも明らかなように、「強制びびり振動」と判別する範囲は、回転速度及びびびり周波数に比例しており、回転速度及びびびり周波数が共に高い領域では、「強制びびり振動」と判別する範囲が広くなる。そのため、そのような加工条件においては、位相差εが０に近い「再生型びびり振動」を誤って「強制びびり振動」と判別してしまうおそれがあるという問題がある。
【０００６】
また、振動加速度や回転速度の検出精度にも限界があり、どうしても誤差が生じる。そこで、回転速度検出分解能をΔＳ、ＦＦＴ演算装置における周波数分解能をΔｆとすると、位相差εがとり得る最大誤差εｅｒｒは、下記式（４）により求められる。したがって、たとえば回転速度及びびびり周波数の少なくとも何れかが低いような「強制びびり振動」と判別する範囲が狭くなる加工条件においては、上記誤差εｅｒｒにより位相差εが上下２つの定数の範囲から超えてしまうことが考えられる。すなわち、「強制びびり振動」を誤って「再生型びびり振動」と判別してしまうというおそれもある。
【０００７】
さらに、「強制びびり振動」には、工具の刃部がワークの表面を通過する際における通過周期の整数倍で発生する「刃通過周期型強制びびり振動」と、回転軸の回転周期で発生する「回転周期型強制びびり振動」との２種類がある。そして、「刃通過周期型強制びびり振動」については、上記特許文献１に記載の振動抑制装置により判別することができるものの、「回転周期型強制びびり振動」については、回転周期を基本周波数とするため、その位相差εｓｐは下記式（５）で求められることになる。したがって、振動次数Ｎが刃数Ｚの倍数ではないびびり振動は、位相差ε（εｓｐ）が０とならないため、「強制びびり振動」として検出することができないという問題がある。
【０００８】
【数１】
なお、式（４）におけるｆｃは上記同様びびり周波数であり、Ｓは回転軸の１分あたりの回転速度である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、従来よりも「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを精度良く判別することができる振動判別方法、及び振動判別装置を提供しようとするものである。
【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、前記びびり振動の発生の有無を検出するとともに、前記回転軸にびびり振動が発生した際に生じる振動情報にもとづき、発生した前記びびり振動の種類を判別する振動判別方法であって、回転中の前記回転軸の時間領域での振動及び前記回転軸の回転速度を検出する第１工程と、前記時間領域の振動をもとに、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するとともに、算出した前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断する第２工程と、前記回転軸の１分あたりの回転速度Ｓを用いた下記式（６）で回転周波数ｆｃｓを算出するとともに、前記回転周波数ｆｃｓを整数倍した値にオフセット値ｏｆｓを加算及び減算した値をそれぞれ上限及び下限とした第１周波数範囲と、回転速度Ｓ及び工具刃数Ｚを用いた下記式（７）で刃通過周波数ｆｃｆを算出するとともに、前記刃通過周波数ｆｃｆを整数倍した値にオフセット値ｏｆｆを加算及び減算した値を夫々上限及び下限とした第２周波数範囲とを求める第３工程と、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入るか否かを判断し、何れの範囲にも入らない場合には、前記びびり振動は再生型びびり振動であると判別する第４工程と、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入る場合には、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れに入るかを特定し、前記第２周波数範囲に入る場合には、前記びびり振動は刃通過周期型強制びびり振動であると判別する第５工程と、前記第１周波数範囲に入る場合には、前記第１周波数範囲と再生型びびり振動として判別される周波数範囲との割合から判別妥当性を求めるとともに、前記判別妥当性にもとづいて前記びびり振動が前記回転周期型強制びびり振動であるか若しくは前記再生型びびり振動であるかを判別する第６工程とを実行することを特徴とする。
【数２】
【００１１】
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３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（８）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（９）で算出することを特徴とする。
【数３】
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び前記回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆの基準となる値の誤差を考慮するために必要な余裕値である分解能余裕値ｍを用いた下記式（１６）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた下記式（１７）で算出することを特徴とする。
【数４】
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた式（１３）及び（１４）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする。
【数５】
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた式（１８）及び（１９）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする。
【数６】
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項６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、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動の種類を判別するための振動判別装置であって、回転中の前記回転軸による時間領域の振動及び前記回転軸の回転速度を検出するための検出手段と、該検出手段により検出された時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するＦＦＴ演算装置と、請求項１に記載の方法により第１周波数範囲及び第２周波数範囲を求めるパラメータ演算装置と、前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断するとともに、請求項１に記載の方法により前記第１周波数範囲及び前記第２周波数範囲にもとづき前記びびり振動の種類を判別する演算装置と、判別した前記びびり振動の種類を表示する表示装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、びびり振動の発生を検出すると、パラメータ演算装置において第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるとともに、更に「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動の周波数範囲」との割合によって求めた判別妥当性をもとにして、発生したびびり振動が「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別する。また、特に請求項２及び３に記載の発明によれば、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆをも考慮に入れている。さらに、請求項４及び５に記載の発明によれば、判別妥当性Ｃを考慮に入れている。したがって、従来よりも「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを精度良く判別することができるし、従来検出できなかった「回転周期型強制びびり振動」も検出することができ、ひいてはびびり振動の一層確実な抑制を期待することができる。
また、請求項６に記載の発明によれば、判別したびびり振動の種類を表示する表示装置を備えているため、作業者は発生しているびびり振動の種類を容易に把握することができ、その種類に応じた効果的な対応を迅速にとることができる。したがって、短時間でびびり振動を抑制することができるため、加工面の仕上げ精度の悪化や工具の摩耗等を最小限に抑えることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】振動抑制装置のブロック構成を示した説明図である。
【図２】振動抑制の対象となる回転軸ハウジングを側方から示した説明図である。
【図３】回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。
【図４】振動判別制御について示したフローチャート図である。
【図５】本発明に係る振動判別方法による判別範囲を示した回転軸の回転速度とびびり振動のびびり周波数との関係を示す関係図である。
【図６】本発明に係る振動判別方法によるとともに、分解能余裕値を考慮した判別範囲を示した回転軸の回転速度とびびり振動のびびり周波数との関係を示す関係図である。
【図７】従来の振動判別方法による判別範囲を示した回転軸の回転速度とびびり振動のびびり周波数との関係を示す関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態となる振動判別方法、及び振動判別装置を含んだ振動抑制装置について、図面にもとづき詳細に説明する。
【００１９】
図１は、振動抑制装置１０のブロック構成を示した説明図である。図２は、振動抑制の対象となる回転軸ハウジング１を側方から示した説明図であり、図３は、回転軸ハウジング１を軸方向から示した説明図である。
振動抑制装置１０は、回転軸ハウジング１にＣ軸周りで回転可能に備えられた回転軸３に生じる「びびり振動」を抑制するためのものであって、回転中の回転軸３に生じる振動に伴う特性値である時間領域の振動加速度（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出するための振動センサ２ａ〜２ｃと、該振動センサ２ａ〜２ｃによる検出値を解析して「びびり振動」の発生の有無や「びびり振動」の種類を判別し、その判別結果を表示するとともに、回転軸３の回転速度を変更可能な制御装置５とを備えてなる。
【００２０】
振動センサ２ａ〜２ｃは、図２及び図３に示す如く回転軸ハウジング１に取り付けられており、一の振動センサは、他の振動センサに対して直角方向への時間領域の振動加速度を検出するようになっている（たとえば、振動センサ２ａ〜２ｃにて、それぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動加速度を検出するように取り付ける）。
【００２１】
一方、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃから検出される時間領域の振動加速度をもとにした解析を行うＦＦＴ演算装置１１と、びびり振動が発生しているか否かの判別に用いる閾値やびびり振動の種類を判別するための値を作業者が入力するための入力装置１２と、作業者に入力された上記各種値や演算装置１４での演算結果等を記憶するための記憶装置１３と、びびり振動が発生しているか否か及びびびり振動の種類を判別するための演算装置１４と、びびり振動の種類を判別するためのパラメータを演算するためのパラメータ演算装置１５と、回転軸３の回転速度を制御するＮＣ装置１６と、回転軸３の回転速度を検出するための回転速度検出装置１８とを備えており、ＮＣ装置１６には、ＮＣプログラムや機械の現在位置に加えて演算装置１４での判別結果等を表示するためのモニター１７が備えられている。
【００２２】
ここで、本発明の要部となる振動判別制御について、図４のフローチャート図にもとづき詳細に説明する。
まず、加工を開始する前に、入力装置１２により上述したような閾値やびびり振動の種類を判別するための値、工具刃数等の工具情報を入力し、記憶装置１３に予め記憶させておく。そして、ＮＣ装置１６を介して回転軸３の回転速度が指令されて加工が開始される（Ｓ１）と、制御装置５では、回転軸ハウジング１にびびり振動が生じているか否かを監視する（Ｓ２）。すなわち、振動センサ２ａ〜２ｃにより回転軸ハウジング１における時間領域の振動加速度を常時検出し、ＦＦＴ演算装置１１においてその時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行い、振動情報である周波数領域の振動加速度の最大値（最大加速度）とその周波数（びびり周波数）ｆｃとを取得する。また、演算装置１４において、取得した最大加速度と記憶装置１３に記憶されている閾値とを比較し、最大加速度が閾値以下である場合には、びびり振動は発生していないと判定する（Ｓ２でＮＯと判断）。
【００２３】
一方、最大加速度が閾値を超えると、回転軸ハウジング１に抑制すべきびびり振動が発生していると判定し（Ｓ２でＹＥＳと判断）、パラメータ演算装置１５において、そのびびり振動の種類を判別する、すなわち「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別するためのパラメータを演算する（Ｓ３）。このパラメータは、「回転周期型強制びびり振動」の可能性があると判別する第１周波数範囲、及び「刃通過周期型強制びびり振動」と判別する第２周波数範囲であって、第１周波数範囲については、下記式（６）を用いて回転周波数ｆｃｓを算出するとともに、該回転周波数ｆｃｓを整数倍した値に下記式（８）で算出するオフセット値ｏｆｓを加算及び減算した値をそれぞれ上限及び下限とした範囲として求める。一方、第２周波数範囲については、下記式（７）を用いて刃通過周波数ｆｃｆを算出するとともに、該刃通過周波数ｆｃｆを整数倍した値に下記式（９）で算出するオフセット値ｏｆｆを加算及び減算した値を夫々上限及び下限とした範囲として求める。
【００２４】
【数７】
尚、式（６）〜（９）におけるＳは回転軸３の１分あたりの回転速度、Ｚは工具刃数、Ｎは振動次数、ΔＳは回転速度検出分解能、Δｆは周波数分解能である。
【００２５】
そして、パラメータ演算装置１５において第１周波数範囲及び第２周波数範囲が求められると、演算装置１４では、びびり周波数ｆｃが第１周波数範囲若しくは第２周波数範囲にあるか否かを判断し（Ｓ４）、第１周波数範囲及び第２周波数範囲の何れの範囲にも入らない場合（Ｓ４でＮＯ）、発生したびびり振動は「再生型びびり振動」であると判断し（Ｓ５）、モニター１７にその旨を表示する（Ｓ１１）。
【００２６】
また、びびり周波数ｆｃが第１周波数範囲若しくは第２周波数範囲の何れかの範囲内にあると、どちらの周波数範囲内にあるかを判別し（Ｓ６）、第２周波数範囲内にある場合、発生したびびり振動は「刃通過周期型強制びびり振動」であると判断し（Ｓ７）、モニター１７にその旨を表示する（Ｓ１１）。一方、びびり周波数ｆｃが第１周波数範囲内にある場合、下記式（１０）により、びびり周波数ｆｃより小さく、且つ、最もびびり周波数に近い「回転周期型強制びびり振動」の振動周波数の振動次数Ｎを求める。また、求めた振動次数Ｎを用いて、下記式（１１）及び（１２）により振動次数Ｎ及びＮ＋１における「回転周期型強制びびり振動」の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を算出するとともに、式（１３）及び（１４）により振動次数Ｎ及びＮ＋１における「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を算出し、更に下記式（１５）を用いて「回転周期型強制びびり振動」であるか「再生型びびり振動」であるかを判別するための判別妥当性Ｃを算出する（Ｓ８）。すなわち、判別妥当性Ｃを、「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動」の周波数範囲との割合によって求める。
【００２７】
【数８】
【００２８】
そして、Ｓ８で算出した判別妥当性Ｃと予め記憶装置１３に記憶されている妥当性閾値とを比較し（Ｓ９）、判別妥当性Ｃが妥当性閾値以上である（Ｓ９でＹＥＳ）と、発生したびびり振動は「回転周期型強制びびり振動」であると判断する（Ｓ１０）一方、判別妥当性Ｃが妥当性閾値に満たない場合（Ｓ７でＮＯ）には、発生したびびり振動は「再生型びびり振動」であると判断し（Ｓ５）、夫々その旨をモニター１７に表示する（Ｓ１１）。
そして、作業者が、モニター１７における表示結果にもとづいて発生しているびびり振動の種類を判別し、発生したびびり振動に応じて回転軸３の回転速度を変更すれば、びびり振動は抑制されることになる。
【００２９】
以上のような構成を有する振動抑制装置１０によれば、びびり振動の発生を検出すると、パラメータ演算装置１５において第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるとともに、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆを考慮し、更に「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動」の周波数範囲との割合によって求めた判別妥当性Ｃをもとにして、発生したびびり振動が「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別する。つまり、回転軸の回転速度と、びびり振動のびびり周波数との関係を示す図５で見てみると、本実施形態に係る判別方法によれば点線で示す範囲が「強制びびり振動」と判別する範囲となり、従来のｋ’値を用いた判別方法と異なり、「強制びびり振動」と判別する範囲が回転速度及びびびり周波数に比例して広くなったりしない。また、上記の如く各種検出誤差や判別妥当性Ｃを考慮している。したがって、従来よりも「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを精度良く判別することができるし、従来検出できなかった「回転周期型強制びびり振動」も検出することができ、ひいてはびびり振動の一層確実な抑制を期待することができる。
【００３０】
また、判別したびびり振動の種類をモニター１７に表示するため、作業者は発生しているびびり振動の種類を容易に把握することができ、その種類に応じた効果的な対応を迅速にとることができる。したがって、短時間でびびり振動を抑制することができるため、加工面の仕上げ精度の悪化や工具の摩耗等を最小限に抑えることができることになる。
【００３１】
なお、本発明に係る振動判別装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、検出手段、及びびびり振動の種類の判別に係る制御や判別後の制御等に係る構成を、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。
【００３２】
たとえば、上記実施形態では、第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるに際し、式（８）で算出するオフセット値ｏｆｓや式（９）で算出するオフセット値ｏｆｆを用いているが、より明確に第１周波数範囲や第２周波数範囲を特定するために、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆに所定の分解能余裕値ｍを掛けた下記式（１６）や式（１７）で第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるようにしてもよい。なお、分解能余裕値ｍとは、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆを用いるに際し、基準となる値（図５や図６における実線値）の誤差をも考慮に入れるための余裕値であって、たとえば図６に示すようにｍ＝１．５を採用すると、上記誤差をも考慮に入れた極めて精度の良い「再生型びびり振動」と「強制びびり振動」との判別が可能となる。また、分解能余裕値ｍとしては、ｍ＝１．５である必要はなく、ｍ＝１．５以上の値を採用することも可能である。
【００３３】
【数９】
【００３４】
また、判別妥当性Ｃを算出するに際しての振動次数Ｎ及びＮ＋１における「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１についても、式（１３）及び式（１４）で求める代わりに、上記同様に所定の分解能余裕値ｍを用いた下記式（１８）及び式（１９）で求めても何ら問題はない。
【００３５】
【数１０】
【００３６】
さらに、上記実施形態では、振動センサにより回転軸の振動加速度を検出するよう構成しているが、振動による回転軸の変位や音圧を検出し、当該変位や音圧にもとづいて安定回転速度を算出するようにしてもよく、他には、回転軸の位置や回転を検出する検出器、回転軸モータや送り軸モータの電流を測定する電流測定器を検出手段として採用することも可能である。
さらにまた、振動抑制装置において、びびり振動の種類を判別した後、夫々の種類に対応した演算式（たとえば、特許文献１に記載されているような演算式）を用いて当該びびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出し、ＮＣ装置が自動的に安定回転速度へと回転速度を変更するようにすることも可能である。
【００３７】
またさらに、「びびり振動」の検出にあたって、周波数領域の振動加速度が最大値を示す波形のみではなく、周波数領域の振動加速度の値が上位となる複数（たとえば、３つ）の波形を用いるようにし、「びびり振動」の検出精度の向上を図ってもよい。
加えて、上記実施形態では、工作機械の回転軸における振動を検出する構成としているが、回転しない側（固定側）の振動を検出し、びびり振動の発生の有無を検出してもよい。また、工具を回転させるマシニングセンタに限らず、ワークを回転させる旋盤等といった工作機械にも適用可能であるし、振動センサ等の設置位置や設置数、閾値や判別妥当性と比較する閾値等を、工作機械の種類、大きさ等に応じて適宜変更してもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３８】
１・・回転軸ハウジング、２ａ、２ｂ、２ｃ・・振動センサ（検出手段）、３・・回転軸、５・・制御装置、１０・・振動抑制装置（振動判別装置）、１１・・ＦＦＴ演算装置、１２・・入力装置、１３・・記憶装置、１４・・演算装置、１５・・パラメータ演算装置、１６・・ＮＣ装置（表示装置）、１７・・モニター、１８・・回転速度検出装置（検出手段）。
【技術分野】
【０００１】
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の種類を判別するための振動判別方法、及び該振動判別方法を実行する振動判別装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転軸を回転させて加工を行う工作機械では、切り込み量や回転軸の回転速度などの加工条件が適切でない等に起因して加工中に所謂「びびり振動」が生じるおそれがある。そして、びびり振動が生じると、加工面の仕上げ精度が悪化したり工具が破損してしまうといった問題が生じることから、びびり振動の抑制が求められている。
【０００３】
このびびり振動としては、工具とワークとの間に生じる自励振動である「再生型びびり振動」と、工作機械自身が振動源となる「強制びびり振動」との２つのびびり振動がある。そして、本件出願人は、この２種類のびびり振動を区別するとともに、びびり振動の種類に応じて夫々対応可能とした振動抑制装置（特許文献１）を本件出願に先立ち考案している。この特許文献１に記載の振動抑制装置では、振動センサで検出した時間領域の振動加速度をＦＦＴ解析して周波数領域の振動加速度を求め、その周波数領域の振動加速度が最大値をとるびびり周波数ｆｃを求めるとともに、下記式（１）〜（３）からｋ’値、ｋ値、及び位相差εを算出し、位相差εが０に近い（たとえば０．１以内である）場合、すなわちｋ’値が整数に近い場合を「強制びびり振動」と判別し、それ以外を「再生型びびり振動」として判別していた。
ｋ’＝６０×ｆｃ／（Ｚ×Ｓ） ・・・（１）
ｋ＝｜ｋ’」 ・・・（２）
ε＝ｋ’−ｋ ・・・（３）
尚、式（１）におけるＺは工具刃数であり、Ｓは回転軸の１分あたりの回転速度である。また、式（２）における｜ｘ」は、ｘよりも小さい最大の整数を表す床関数である（つまり、式（２）ではｋ’値の整数部を求めている）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の振動抑制装置では、上下２つの定数の範囲内に位相差εがあるか否かにより、位相差εが０に近いか否かを判断している。つまり、回転軸の回転速度と、びびり振動のびびり周波数との関係を示す図７で見てみると、従来のｋ’値を用いる方法により判別した場合、実線を隔てた２つの点線で示す範囲が「強制びびり振動」と判別する範囲となる。したがって、図７からも明らかなように、「強制びびり振動」と判別する範囲は、回転速度及びびびり周波数に比例しており、回転速度及びびびり周波数が共に高い領域では、「強制びびり振動」と判別する範囲が広くなる。そのため、そのような加工条件においては、位相差εが０に近い「再生型びびり振動」を誤って「強制びびり振動」と判別してしまうおそれがあるという問題がある。
【０００６】
また、振動加速度や回転速度の検出精度にも限界があり、どうしても誤差が生じる。そこで、回転速度検出分解能をΔＳ、ＦＦＴ演算装置における周波数分解能をΔｆとすると、位相差εがとり得る最大誤差εｅｒｒは、下記式（４）により求められる。したがって、たとえば回転速度及びびびり周波数の少なくとも何れかが低いような「強制びびり振動」と判別する範囲が狭くなる加工条件においては、上記誤差εｅｒｒにより位相差εが上下２つの定数の範囲から超えてしまうことが考えられる。すなわち、「強制びびり振動」を誤って「再生型びびり振動」と判別してしまうというおそれもある。
【０００７】
さらに、「強制びびり振動」には、工具の刃部がワークの表面を通過する際における通過周期の整数倍で発生する「刃通過周期型強制びびり振動」と、回転軸の回転周期で発生する「回転周期型強制びびり振動」との２種類がある。そして、「刃通過周期型強制びびり振動」については、上記特許文献１に記載の振動抑制装置により判別することができるものの、「回転周期型強制びびり振動」については、回転周期を基本周波数とするため、その位相差εｓｐは下記式（５）で求められることになる。したがって、振動次数Ｎが刃数Ｚの倍数ではないびびり振動は、位相差ε（εｓｐ）が０とならないため、「強制びびり振動」として検出することができないという問題がある。
【０００８】
【数１】
なお、式（４）におけるｆｃは上記同様びびり周波数であり、Ｓは回転軸の１分あたりの回転速度である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、従来よりも「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを精度良く判別することができる振動判別方法、及び振動判別装置を提供しようとするものである。
【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、前記びびり振動の発生の有無を検出するとともに、前記回転軸にびびり振動が発生した際に生じる振動情報にもとづき、発生した前記びびり振動の種類を判別する振動判別方法であって、回転中の前記回転軸の時間領域での振動及び前記回転軸の回転速度を検出する第１工程と、前記時間領域の振動をもとに、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するとともに、算出した前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断する第２工程と、前記回転軸の１分あたりの回転速度Ｓを用いた下記式（６）で回転周波数ｆｃｓを算出するとともに、前記回転周波数ｆｃｓを整数倍した値にオフセット値ｏｆｓを加算及び減算した値をそれぞれ上限及び下限とした第１周波数範囲と、回転速度Ｓ及び工具刃数Ｚを用いた下記式（７）で刃通過周波数ｆｃｆを算出するとともに、前記刃通過周波数ｆｃｆを整数倍した値にオフセット値ｏｆｆを加算及び減算した値を夫々上限及び下限とした第２周波数範囲とを求める第３工程と、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入るか否かを判断し、何れの範囲にも入らない場合には、前記びびり振動は再生型びびり振動であると判別する第４工程と、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入る場合には、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れに入るかを特定し、前記第２周波数範囲に入る場合には、前記びびり振動は刃通過周期型強制びびり振動であると判別する第５工程と、前記第１周波数範囲に入る場合には、前記第１周波数範囲と再生型びびり振動として判別される周波数範囲との割合から判別妥当性を求めるとともに、前記判別妥当性にもとづいて前記びびり振動が前記回転周期型強制びびり振動であるか若しくは前記再生型びびり振動であるかを判別する第６工程とを実行することを特徴とする。
【数２】
【００１１】
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３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（８）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（９）で算出することを特徴とする。
【数３】
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び前記回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆの基準となる値の誤差を考慮するために必要な余裕値である分解能余裕値ｍを用いた下記式（１６）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた下記式（１７）で算出することを特徴とする。
【数４】
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた式（１３）及び（１４）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする。
【数５】
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた式（１８）及び（１９）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする。
【数６】
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項６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、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動の種類を判別するための振動判別装置であって、回転中の前記回転軸による時間領域の振動及び前記回転軸の回転速度を検出するための検出手段と、該検出手段により検出された時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するＦＦＴ演算装置と、請求項１に記載の方法により第１周波数範囲及び第２周波数範囲を求めるパラメータ演算装置と、前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断するとともに、請求項１に記載の方法により前記第１周波数範囲及び前記第２周波数範囲にもとづき前記びびり振動の種類を判別する演算装置と、判別した前記びびり振動の種類を表示する表示装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、びびり振動の発生を検出すると、パラメータ演算装置において第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるとともに、更に「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動の周波数範囲」との割合によって求めた判別妥当性をもとにして、発生したびびり振動が「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別する。また、特に請求項２及び３に記載の発明によれば、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆをも考慮に入れている。さらに、請求項４及び５に記載の発明によれば、判別妥当性Ｃを考慮に入れている。したがって、従来よりも「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを精度良く判別することができるし、従来検出できなかった「回転周期型強制びびり振動」も検出することができ、ひいてはびびり振動の一層確実な抑制を期待することができる。
また、請求項６に記載の発明によれば、判別したびびり振動の種類を表示する表示装置を備えているため、作業者は発生しているびびり振動の種類を容易に把握することができ、その種類に応じた効果的な対応を迅速にとることができる。したがって、短時間でびびり振動を抑制することができるため、加工面の仕上げ精度の悪化や工具の摩耗等を最小限に抑えることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】振動抑制装置のブロック構成を示した説明図である。
【図２】振動抑制の対象となる回転軸ハウジングを側方から示した説明図である。
【図３】回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。
【図４】振動判別制御について示したフローチャート図である。
【図５】本発明に係る振動判別方法による判別範囲を示した回転軸の回転速度とびびり振動のびびり周波数との関係を示す関係図である。
【図６】本発明に係る振動判別方法によるとともに、分解能余裕値を考慮した判別範囲を示した回転軸の回転速度とびびり振動のびびり周波数との関係を示す関係図である。
【図７】従来の振動判別方法による判別範囲を示した回転軸の回転速度とびびり振動のびびり周波数との関係を示す関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態となる振動判別方法、及び振動判別装置を含んだ振動抑制装置について、図面にもとづき詳細に説明する。
【００１９】
図１は、振動抑制装置１０のブロック構成を示した説明図である。図２は、振動抑制の対象となる回転軸ハウジング１を側方から示した説明図であり、図３は、回転軸ハウジング１を軸方向から示した説明図である。
振動抑制装置１０は、回転軸ハウジング１にＣ軸周りで回転可能に備えられた回転軸３に生じる「びびり振動」を抑制するためのものであって、回転中の回転軸３に生じる振動に伴う特性値である時間領域の振動加速度（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出するための振動センサ２ａ〜２ｃと、該振動センサ２ａ〜２ｃによる検出値を解析して「びびり振動」の発生の有無や「びびり振動」の種類を判別し、その判別結果を表示するとともに、回転軸３の回転速度を変更可能な制御装置５とを備えてなる。
【００２０】
振動センサ２ａ〜２ｃは、図２及び図３に示す如く回転軸ハウジング１に取り付けられており、一の振動センサは、他の振動センサに対して直角方向への時間領域の振動加速度を検出するようになっている（たとえば、振動センサ２ａ〜２ｃにて、それぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動加速度を検出するように取り付ける）。
【００２１】
一方、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃから検出される時間領域の振動加速度をもとにした解析を行うＦＦＴ演算装置１１と、びびり振動が発生しているか否かの判別に用いる閾値やびびり振動の種類を判別するための値を作業者が入力するための入力装置１２と、作業者に入力された上記各種値や演算装置１４での演算結果等を記憶するための記憶装置１３と、びびり振動が発生しているか否か及びびびり振動の種類を判別するための演算装置１４と、びびり振動の種類を判別するためのパラメータを演算するためのパラメータ演算装置１５と、回転軸３の回転速度を制御するＮＣ装置１６と、回転軸３の回転速度を検出するための回転速度検出装置１８とを備えており、ＮＣ装置１６には、ＮＣプログラムや機械の現在位置に加えて演算装置１４での判別結果等を表示するためのモニター１７が備えられている。
【００２２】
ここで、本発明の要部となる振動判別制御について、図４のフローチャート図にもとづき詳細に説明する。
まず、加工を開始する前に、入力装置１２により上述したような閾値やびびり振動の種類を判別するための値、工具刃数等の工具情報を入力し、記憶装置１３に予め記憶させておく。そして、ＮＣ装置１６を介して回転軸３の回転速度が指令されて加工が開始される（Ｓ１）と、制御装置５では、回転軸ハウジング１にびびり振動が生じているか否かを監視する（Ｓ２）。すなわち、振動センサ２ａ〜２ｃにより回転軸ハウジング１における時間領域の振動加速度を常時検出し、ＦＦＴ演算装置１１においてその時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行い、振動情報である周波数領域の振動加速度の最大値（最大加速度）とその周波数（びびり周波数）ｆｃとを取得する。また、演算装置１４において、取得した最大加速度と記憶装置１３に記憶されている閾値とを比較し、最大加速度が閾値以下である場合には、びびり振動は発生していないと判定する（Ｓ２でＮＯと判断）。
【００２３】
一方、最大加速度が閾値を超えると、回転軸ハウジング１に抑制すべきびびり振動が発生していると判定し（Ｓ２でＹＥＳと判断）、パラメータ演算装置１５において、そのびびり振動の種類を判別する、すなわち「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別するためのパラメータを演算する（Ｓ３）。このパラメータは、「回転周期型強制びびり振動」の可能性があると判別する第１周波数範囲、及び「刃通過周期型強制びびり振動」と判別する第２周波数範囲であって、第１周波数範囲については、下記式（６）を用いて回転周波数ｆｃｓを算出するとともに、該回転周波数ｆｃｓを整数倍した値に下記式（８）で算出するオフセット値ｏｆｓを加算及び減算した値をそれぞれ上限及び下限とした範囲として求める。一方、第２周波数範囲については、下記式（７）を用いて刃通過周波数ｆｃｆを算出するとともに、該刃通過周波数ｆｃｆを整数倍した値に下記式（９）で算出するオフセット値ｏｆｆを加算及び減算した値を夫々上限及び下限とした範囲として求める。
【００２４】
【数７】
尚、式（６）〜（９）におけるＳは回転軸３の１分あたりの回転速度、Ｚは工具刃数、Ｎは振動次数、ΔＳは回転速度検出分解能、Δｆは周波数分解能である。
【００２５】
そして、パラメータ演算装置１５において第１周波数範囲及び第２周波数範囲が求められると、演算装置１４では、びびり周波数ｆｃが第１周波数範囲若しくは第２周波数範囲にあるか否かを判断し（Ｓ４）、第１周波数範囲及び第２周波数範囲の何れの範囲にも入らない場合（Ｓ４でＮＯ）、発生したびびり振動は「再生型びびり振動」であると判断し（Ｓ５）、モニター１７にその旨を表示する（Ｓ１１）。
【００２６】
また、びびり周波数ｆｃが第１周波数範囲若しくは第２周波数範囲の何れかの範囲内にあると、どちらの周波数範囲内にあるかを判別し（Ｓ６）、第２周波数範囲内にある場合、発生したびびり振動は「刃通過周期型強制びびり振動」であると判断し（Ｓ７）、モニター１７にその旨を表示する（Ｓ１１）。一方、びびり周波数ｆｃが第１周波数範囲内にある場合、下記式（１０）により、びびり周波数ｆｃより小さく、且つ、最もびびり周波数に近い「回転周期型強制びびり振動」の振動周波数の振動次数Ｎを求める。また、求めた振動次数Ｎを用いて、下記式（１１）及び（１２）により振動次数Ｎ及びＮ＋１における「回転周期型強制びびり振動」の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を算出するとともに、式（１３）及び（１４）により振動次数Ｎ及びＮ＋１における「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を算出し、更に下記式（１５）を用いて「回転周期型強制びびり振動」であるか「再生型びびり振動」であるかを判別するための判別妥当性Ｃを算出する（Ｓ８）。すなわち、判別妥当性Ｃを、「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動」の周波数範囲との割合によって求める。
【００２７】
【数８】
【００２８】
そして、Ｓ８で算出した判別妥当性Ｃと予め記憶装置１３に記憶されている妥当性閾値とを比較し（Ｓ９）、判別妥当性Ｃが妥当性閾値以上である（Ｓ９でＹＥＳ）と、発生したびびり振動は「回転周期型強制びびり振動」であると判断する（Ｓ１０）一方、判別妥当性Ｃが妥当性閾値に満たない場合（Ｓ７でＮＯ）には、発生したびびり振動は「再生型びびり振動」であると判断し（Ｓ５）、夫々その旨をモニター１７に表示する（Ｓ１１）。
そして、作業者が、モニター１７における表示結果にもとづいて発生しているびびり振動の種類を判別し、発生したびびり振動に応じて回転軸３の回転速度を変更すれば、びびり振動は抑制されることになる。
【００２９】
以上のような構成を有する振動抑制装置１０によれば、びびり振動の発生を検出すると、パラメータ演算装置１５において第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるとともに、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆを考慮し、更に「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲と「再生型びびり振動」の周波数範囲との割合によって求めた判別妥当性Ｃをもとにして、発生したびびり振動が「再生型びびり振動」であるか、「回転周期型強制びびり振動」であるか、それとも「刃通過周期型強制びびり振動」であるかを判別する。つまり、回転軸の回転速度と、びびり振動のびびり周波数との関係を示す図５で見てみると、本実施形態に係る判別方法によれば点線で示す範囲が「強制びびり振動」と判別する範囲となり、従来のｋ’値を用いた判別方法と異なり、「強制びびり振動」と判別する範囲が回転速度及びびびり周波数に比例して広くなったりしない。また、上記の如く各種検出誤差や判別妥当性Ｃを考慮している。したがって、従来よりも「再生型びびり振動」であるか「強制びびり振動」であるかを精度良く判別することができるし、従来検出できなかった「回転周期型強制びびり振動」も検出することができ、ひいてはびびり振動の一層確実な抑制を期待することができる。
【００３０】
また、判別したびびり振動の種類をモニター１７に表示するため、作業者は発生しているびびり振動の種類を容易に把握することができ、その種類に応じた効果的な対応を迅速にとることができる。したがって、短時間でびびり振動を抑制することができるため、加工面の仕上げ精度の悪化や工具の摩耗等を最小限に抑えることができることになる。
【００３１】
なお、本発明に係る振動判別装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、検出手段、及びびびり振動の種類の判別に係る制御や判別後の制御等に係る構成を、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。
【００３２】
たとえば、上記実施形態では、第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるに際し、式（８）で算出するオフセット値ｏｆｓや式（９）で算出するオフセット値ｏｆｆを用いているが、より明確に第１周波数範囲や第２周波数範囲を特定するために、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆに所定の分解能余裕値ｍを掛けた下記式（１６）や式（１７）で第１周波数範囲や第２周波数範囲を求めるようにしてもよい。なお、分解能余裕値ｍとは、回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆを用いるに際し、基準となる値（図５や図６における実線値）の誤差をも考慮に入れるための余裕値であって、たとえば図６に示すようにｍ＝１．５を採用すると、上記誤差をも考慮に入れた極めて精度の良い「再生型びびり振動」と「強制びびり振動」との判別が可能となる。また、分解能余裕値ｍとしては、ｍ＝１．５である必要はなく、ｍ＝１．５以上の値を採用することも可能である。
【００３３】
【数９】
【００３４】
また、判別妥当性Ｃを算出するに際しての振動次数Ｎ及びＮ＋１における「回転周期型強制びびり振動」の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１についても、式（１３）及び式（１４）で求める代わりに、上記同様に所定の分解能余裕値ｍを用いた下記式（１８）及び式（１９）で求めても何ら問題はない。
【００３５】
【数１０】
【００３６】
さらに、上記実施形態では、振動センサにより回転軸の振動加速度を検出するよう構成しているが、振動による回転軸の変位や音圧を検出し、当該変位や音圧にもとづいて安定回転速度を算出するようにしてもよく、他には、回転軸の位置や回転を検出する検出器、回転軸モータや送り軸モータの電流を測定する電流測定器を検出手段として採用することも可能である。
さらにまた、振動抑制装置において、びびり振動の種類を判別した後、夫々の種類に対応した演算式（たとえば、特許文献１に記載されているような演算式）を用いて当該びびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出し、ＮＣ装置が自動的に安定回転速度へと回転速度を変更するようにすることも可能である。
【００３７】
またさらに、「びびり振動」の検出にあたって、周波数領域の振動加速度が最大値を示す波形のみではなく、周波数領域の振動加速度の値が上位となる複数（たとえば、３つ）の波形を用いるようにし、「びびり振動」の検出精度の向上を図ってもよい。
加えて、上記実施形態では、工作機械の回転軸における振動を検出する構成としているが、回転しない側（固定側）の振動を検出し、びびり振動の発生の有無を検出してもよい。また、工具を回転させるマシニングセンタに限らず、ワークを回転させる旋盤等といった工作機械にも適用可能であるし、振動センサ等の設置位置や設置数、閾値や判別妥当性と比較する閾値等を、工作機械の種類、大きさ等に応じて適宜変更してもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３８】
１・・回転軸ハウジング、２ａ、２ｂ、２ｃ・・振動センサ（検出手段）、３・・回転軸、５・・制御装置、１０・・振動抑制装置（振動判別装置）、１１・・ＦＦＴ演算装置、１２・・入力装置、１３・・記憶装置、１４・・演算装置、１５・・パラメータ演算装置、１６・・ＮＣ装置（表示装置）、１７・・モニター、１８・・回転速度検出装置（検出手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記びびり振動の発生の有無を検出するとともに、前記回転軸にびびり振動が発生した際に生じる振動情報にもとづき、発生した前記びびり振動の種類を判別する振動判別方法であって、
回転中の前記回転軸の時間領域での振動及び前記回転軸の回転速度を検出する第１工程と、
前記時間領域の振動をもとに、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するとともに、算出した前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断する第２工程と、
前記回転軸の１分あたりの回転速度Ｓを用いた下記式（６）で回転周波数ｆｃｓを算出するとともに、前記回転周波数ｆｃｓを整数倍した値にオフセット値ｏｆｓを加算及び減算した値をそれぞれ上限及び下限とした第１周波数範囲と、回転速度Ｓ及び工具刃数Ｚを用いた下記式（７）で刃通過周波数ｆｃｆを算出するとともに、前記刃通過周波数ｆｃｆを整数倍した値にオフセット値ｏｆｆを加算及び減算した値を夫々上限及び下限とした第２周波数範囲とを求める第３工程と、
前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入るか否かを判断し、何れの範囲にも入らない場合には、前記びびり振動は再生型びびり振動であると判別する第４工程と、
前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入る場合には、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れに入るかを特定し、前記第２周波数範囲に入る場合には、前記びびり振動は刃通過周期型強制びびり振動であると判別する第５工程と、
前記第１周波数範囲に入る場合には、前記第１周波数範囲と再生型びびり振動として判別される周波数範囲との割合から判別妥当性を求めるとともに、前記判別妥当性にもとづいて前記びびり振動が前記回転周期型強制びびり振動であるか若しくは前記再生型びびり振動であるかを判別する第６工程と
を実行することを特徴とする振動判別方法。
【数１】
【請求項２】
前記第３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（８）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（９）で算出することを特徴とする請求項１に記載の振動判別方法。
【数２】
【請求項３】
前記第３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び前記回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆの基準となる値の誤差を考慮するために必要な余裕値である分解能余裕値ｍを用いた下記式（１６）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた下記式（１７）で算出することを特徴とする請求項１に記載の振動判別方法。
【数３】
【請求項４】
前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた式（１３）及び（１４）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動判別方法。
【数４】
【請求項５】
前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた式（１８）及び（１９）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動判別方法。
【数５】
【請求項６】
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、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動の種類を判別するための振動判別装置であって、
回転中の前記回転軸による時間領域の振動及び前記回転軸の回転速度を検出するための検出手段と、該検出手段により検出された時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するＦＦＴ演算装置と、
請求項１に記載の方法により第１周波数範囲及び第２周波数範囲を求めるパラメータ演算装置と、
前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断するとともに、請求項１に記載の方法により前記第１周波数範囲及び前記第２周波数範囲にもとづき前記びびり振動の種類を判別する演算装置と、
判別した前記びびり振動の種類を表示する表示装置と
を備えたことを特徴とする振動判別装置。
【請求項１】
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、前記びびり振動の発生の有無を検出するとともに、前記回転軸にびびり振動が発生した際に生じる振動情報にもとづき、発生した前記びびり振動の種類を判別する振動判別方法であって、
回転中の前記回転軸の時間領域での振動及び前記回転軸の回転速度を検出する第１工程と、
前記時間領域の振動をもとに、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するとともに、算出した前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断する第２工程と、
前記回転軸の１分あたりの回転速度Ｓを用いた下記式（６）で回転周波数ｆｃｓを算出するとともに、前記回転周波数ｆｃｓを整数倍した値にオフセット値ｏｆｓを加算及び減算した値をそれぞれ上限及び下限とした第１周波数範囲と、回転速度Ｓ及び工具刃数Ｚを用いた下記式（７）で刃通過周波数ｆｃｆを算出するとともに、前記刃通過周波数ｆｃｆを整数倍した値にオフセット値ｏｆｆを加算及び減算した値を夫々上限及び下限とした第２周波数範囲とを求める第３工程と、
前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入るか否かを判断し、何れの範囲にも入らない場合には、前記びびり振動は再生型びびり振動であると判別する第４工程と、
前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れかの範囲に入る場合には、前記びびり周波数が前記第１周波数範囲若しくは前記第２周波数範囲の何れに入るかを特定し、前記第２周波数範囲に入る場合には、前記びびり振動は刃通過周期型強制びびり振動であると判別する第５工程と、
前記第１周波数範囲に入る場合には、前記第１周波数範囲と再生型びびり振動として判別される周波数範囲との割合から判別妥当性を求めるとともに、前記判別妥当性にもとづいて前記びびり振動が前記回転周期型強制びびり振動であるか若しくは前記再生型びびり振動であるかを判別する第６工程と
を実行することを特徴とする振動判別方法。
【数１】
【請求項２】
前記第３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（８）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた下記式（９）で算出することを特徴とする請求項１に記載の振動判別方法。
【数２】
【請求項３】
前記第３工程において、前記オフセット値ｏｆｓを、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び前記回転速度検出分解能ΔＳや周波数分解能Δｆの基準となる値の誤差を考慮するために必要な余裕値である分解能余裕値ｍを用いた下記式（１６）で算出するとともに、前記オフセット値ｏｆｆを、工具刃数Ｚ、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた下記式（１７）で算出することを特徴とする請求項１に記載の振動判別方法。
【数３】
【請求項４】
前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、及び周波数分解能Δｆを用いた式（１３）及び（１４）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動判別方法。
【数４】
【請求項５】
前記第６工程において、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の発生周波数ｆＣＮ及びｆＣＮ＋１を、回転速度Ｓ及び振動次数Ｎを用いた下記式（１１）及び（１２）で算出するとともに、振動次数Ｎ及びＮ＋１における回転周期型強制びびり振動の周波数範囲のオフセット値ｏｆＳＮ及びｏｆＳＮ＋１を、振動次数Ｎ、回転速度検出分解能ΔＳ、周波数分解能Δｆ、及び分解能余裕値ｍを用いた式（１８）及び（１９）で算出し、更に下記式（１５）を用いて判別妥当性Ｃを算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動判別方法。
【数５】
【請求項６】
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、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動の種類を判別するための振動判別装置であって、
回転中の前記回転軸による時間領域の振動及び前記回転軸の回転速度を検出するための検出手段と、該検出手段により検出された時間領域の振動にもとづいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動を算出するＦＦＴ演算装置と、
請求項１に記載の方法により第１周波数範囲及び第２周波数範囲を求めるパラメータ演算装置と、
前記周波数領域の振動が所定の閾値を超えた場合に前記びびり振動が発生したと判断するとともに、請求項１に記載の方法により前記第１周波数範囲及び前記第２周波数範囲にもとづき前記びびり振動の種類を判別する演算装置と、
判別した前記びびり振動の種類を表示する表示装置と
を備えたことを特徴とする振動判別装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２１３８５１（Ｐ２０１２−２１３８５１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６３９７９（Ｐ２０１２−６３９７９）
【出願日】平成２４年３月２１日（２０１２．３．２１）
【出願人】（０００１４９０６６）オークマ株式会社 (476)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２１日（２０１２．３．２１）
【出願人】（０００１４９０６６）オークマ株式会社 (476)
【Ｆターム（参考）】
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