CN101380719A - 机床的振动抑制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机床的振动抑制装置。在可能产生再生型颤振和强制颤振的一方的情况和可能两者都产生的情况的各种情况下，根据相位信息求出最佳旋转速度，抑制颤振。在S1中对振动加速度进行傅里叶解析，在S2中计算最大加速度和其频率。接着在S3中对最大加速度和阈值进行比较，超过阈值时，在S4中计算k值和相位信息，在S5中存储算出的各值。如果在S6中选择重试，则在S9中根据相位信息确定当前的颤振种类，接着在S10、S11中确定是否有与判别出的颤振不同的颤振，在S12～S15中，根据是否有确定的颤振和在当前的振动以前产生的不同颤振来分别计算新相位信息。此外，在S16中根据新相位信息计算k1值，在S17中进行使用k1值的最佳旋转速度的运算，在S18中变更为最佳旋转速度。

Description

机床的振动抑制装置
技术领域
本发明涉及在使工具或者工件旋转的同时进行加工的机床中，用于抑制在加工中产生振动的振动抑制装置。
背景技术
以往，具有例如使工件支撑在可旋转的主轴上，在相对于工件进给工具的同时对工件实施加工的机床。在该机床中，过于增大切削加工中的切入量时，则在加工中会产生所谓的“颤振”，从而产生加工面的加工精度恶化、快速的工具磨损及工具缺损等问题。此时，尤其成问题的是，在工具和工件之间产生的自激振动即“再生型颤振”、和具有工具的机床成为振动源的“强制颤振”。此处，抑制再生型颤振的处理和抑制强制颤振的处理为相反的处理，所以如专利文献1中记载可知，需要判断产生的颤振是再生型颤振还是强制颤振，分别对应进行振动抑制处理。
【专利文献1】日本特开2000-210840号公报
但是，在专利文献1的方法中，只考虑当前的颤振进行振动抑制处理，因此在改变主轴旋转速度时，在可能产生再生型颤振和强制颤振的任意一方的情况下，抑制再生型颤振的处理可能会激励强制颤振，或者抑制强制颤振的处理可能会激励再生型颤振。由此，有无法抑制颤振、或者产生更大颤振的问题。
发明内容
因此，本发明正是鉴于上述问题而完成的，意在提供一种机床的振动抑制装置，可以在仅可能产生再生型颤振的情况、仅可能产生强制颤振的情况、以及可能产生再生型颤振和强制颤振两者的情况的任意一种情况下求出最佳旋转速度，并可安全且有效地抑制颤振，而一方的颤振抑制处理不会激励另一方的颤振。
为了达到上述目的，第1方面记载的发明是一种在具有用于使工具或工件旋转的旋转轴的机床中，用于抑制在使所述旋转轴旋转时产生的颤振的振动抑制装置，其特征在于，该机床的振动抑制装置具有：检测单元，其检测旋转中的所述旋转轴在时间区域内的振动；运算单元，其根据由该检测单元检测出的在时间区域内的振动，计算颤振数以及该颤振数下的频率区域的振动，并且，在算出的所述频率区域的振动超过了预定阈值的情况下，将颤振数除以工具齿数和旋转轴旋转速度的乘积，将该值的整数部分设为k值，将小数部分设为相位信息，使用所述k值来计算可以抑制颤振的所述旋转轴的最佳旋转速度；存储单元，其存储所述k值和相位信息；以及旋转速度控制单元，其使所述旋转轴以由所述运算单元和存储单元算出的最佳旋转速度旋转，所述运算单元在计算所述最佳旋转速度时，将算出的相位信息与预定的常数比较，确定产生的颤振是强制颤振还是再生型颤振，并且，根据所述存储单元中存储的相位信息，判别在当前的振动以前是否产生了与所述确定的颤振不同的颤振，根据是否产生所述确定的颤振和不同的颤振来分别变更所述k值以计算最佳旋转速度。
第2方面记载的发明的特征在于，除第1方面的目的之外，为了能适当进行k值的变更，在将产生的颤振确定为强制颤振、当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，运算单元将根据所存储的相位信息中的如下相位信息算出的值设为新相位信息，即，在判断为再生型颤振的相位信息中与所述算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息，在当前的振动以前没有产生再生型颤振的情况下，运算单元将所述算出的相位信息加上不产生强制颤振的小数值而得到的值设为新相位信息；另一方面，在将产生的颤振确定为再生型颤振、当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将根据所存储的相位信息中的如下相位信息算出的值设为新相位信息，即，在判断为强制颤振的相位信息中与所述算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息，在当前的振动以前没有产生强制颤振的情况下，运算单元将0设为新相位信息，对算出的k值分别加上新相位信息来变更k值。
第3方面记载的发明的特征在于，除第2方面的目的之外，为了容易地获得新相位信息，在当前产生强制颤振、该振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在当前产生再生型颤振、该振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将与分别算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息的平均值作为新相位信息。
第4方面记载的发明的特征在于，除第1～第3方面的任意一个目的之外，为了使用变更后的k值来正确计算最佳旋转速度，运算单元将颤振数除以工具齿数和变更后的k值的乘积来计算最佳旋转速度。
此外，此时，在工具具有偏心时，也可以将工具齿数设为1。
第5方面记载的发明的特征在于，除第2方面的目的之外，为了不使用相位信息也能计算最佳旋转速度，在将产生的颤振确定为强制颤振、当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在将产生的颤振确定为再生型颤振、当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将根据所存储的旋转轴旋转速度中的如下旋转轴旋转速度算出的值设为最佳旋转速度，即，在判断为与当前不同种类的颤振的旋转轴旋转速度中与当前的旋转轴旋转速度最接近的旋转轴旋转速度和当前的旋转轴旋转速度。
第6方面记载的发明的特征在于，除第2方面的目的之外，为了不使用相位信息也能计算最佳旋转速度，在将产生的颤振确定为强制颤振、当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在将产生的颤振确定为再生型颤振、当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将所存储的旋转轴旋转速度中的如下旋转轴旋转速度的平均值作为最佳旋转速度，即，在判断为与当前不同种类的颤振的旋转轴旋转速度中与当前的旋转轴旋转速度最接近的旋转轴旋转速度和当前的旋转轴旋转速度。
根据第1方面记载的发明，同时考虑再生型颤振和强制颤振进行振动抑制处理，因此，在进行了一方的颤振的抑制处理后，不会激励另一方的颤振，可以运算始终稳定的最佳旋转速度。此外，振动抑制处理后不会产生更大的颤振，因此，可以安全且有效地抑制颤振。从而，可以高品位地保持加工面的加工精度，还可以期望工具磨损的抑制、工具缺损的防止。
根据第2方面记载的发明，除了第1方面的效果之外，通过对算出的k值加上新相位信息来分别变更k值，可以适当进行k值的变更。
根据第3方面记载的发明，除了第2方面的效果之外，可以容易地获得新相位信息。
根据第4方面记载的发明，除了第1～第3方面的任意一个效果之外，可以使用变更后的k值来正确计算最佳旋转速度。
根据第5和第6方面记载的发明，除了第2方面的效果之外，不使用相位信息也可对强制型和再生型的任何一种计算稳定的最佳旋转速度。
附图说明
图1是示出振动抑制装置的框结构的说明图。
图2是从侧面示出成为振动抑制对象的旋转轴壳体的说明图。
图3是从轴向示出旋转轴壳体的说明图。
图4是示出时间区域的振动加速度的傅里叶解析结果的一例的说明图。
图5是示出相位信息为接近于0的值的主轴旋转速度中的振动加速度的一例的说明图。
图6是示出相位信息不为接近于0的值的主轴旋转速度中的振动加速度的一例的说明图。
图7是示出相位信息为平均值的主轴旋转速度中的振动加速度的一例的说明图。
图8是有关颤振的抑制控制的流程图。
图9是示出相位信息的范围1的说明图。
标号说明
1：旋转轴壳体；2a、2b、2c：振动传感器；3：旋转轴；5：控制装置；6：FFT(Fast Fourier Transform：快速傅里叶转换)运算装置；7：参数运算装置；8：NC(Numerical Control：数字控制)装置；9：振动抑制装置；10：强制颤振中的最大振动加速度；11：再生型颤振中的最大振动加速度；12：平均化的主轴旋转速度中的最大振动加速度。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
图1是用框结构示出本发明的振动抑制装置9的一例的说明图。图2是从侧面示出成为振动抑制对象的旋转轴壳体1的说明图。图3是从轴向示出旋转轴壳体1的说明图。
振动抑制装置9是用于控制旋转轴壳体1上具备的可绕C轴旋转的旋转轴3上产生的“颤振”的装置，其具有：用于检测旋转中的旋转轴3上产生的时间区域的振动加速度的振动传感器(检测单元)2a～2c；和以该振动传感器2a～2c的检测值为基础控制旋转轴3的旋转速度的控制装置(运算单元及旋转速度控制单元)5。
振动传感器2a～2c如图2和图3所示安装在旋转轴壳体1上，一个振动传感器检测相对于其他振动传感器在直角方向上的时间区域的振动加速度(指时间轴上的振动加速度)(例如，利用振动传感器2a～2c检测分别正交的X轴、Y轴、Z轴方向上的时间区域的振动加速度)。
另一方面，控制装置5具有：进行以从振动传感器2a～2c检测出的时间区域的振动加速度为基础的解析的FFT运算装置6；存储由该FFT运算装置6算出的值，根据当前值和存储的值进行最佳旋转速度的计算等的参数运算装置7；控制在旋转轴壳体1中的加工的NC装置8；以及未图示的存储器，控制装置5进行FFT运算装置6中的如后所述的解析、以及旋转轴3的旋转速度的监控。
以下，根据图8的流程图说明控制装置5中的“颤振”的抑制控制。
通过控制开始，在FFT运算装置6中，进行在旋转中正常检测出的振动传感器2a～2c中的时间区域的振动加速度的傅里叶转换(S1)，计算如图4的4所示的最大加速度和其频率(振动频率)(S2)。
接着，通过参数运算装置7对在上述S2中算出的最大加速度和预先设定的预定的阈值进行比较(S3)，超过阈值时，设为旋转轴3上产生了应该抑制的“颤振”，根据颤振数、工具齿数、旋转轴3的旋转速度通过下式(1)～(3)，计算k值和相位信息(S4)。此外，通过S3判别出没有超过阈值时，删除存储器内的记录(S8)，结束。
k’值＝颤振数/(工具齿数×旋转轴旋转速度)   …(1)
k值＝k’值的整数部分   …(2)
相位信息＝k’值—k值   …(3)
此处，式(1)中的“工具齿数”预先设定在参数运算装置7中。此外，式(1)中的“旋转轴旋转速度”是指当前(成为最佳旋转速度以前)的旋转速度。此外，式(1)中的“k’值”是准数，在颤振数和旋转轴旋转速度的单位量纲不同的情况下，需要统一成相同量纲。
接着，在S5中，为了预先存储当前的振动状态，向存储器存储当前的旋转轴旋转速度、在S2中算出的最大加速度和其频率、以及在S4中算出的k值和相位信息(k’值的小数部分)。
接着，在S6中，判断是否需要重试控制。这个也可以利用控制重复次数进行判断。例如，可考虑预先将临界控制重复数设定为常数1，存储在存储器中的数据数小于等于常数1的情况下，判断为需要再次进行最佳旋转速度的计算，在大于常数1的情况下，视为将最大加速度减小到小于阈值是不可能的，判断为没有必要再次进行计算。
由此，在S6中判断为需要重试的情况下，为了再次计算最佳旋转速度，进行S9以下的处理。此外，在判断为没有必要重试的情况下，在S7中提取存储器内的最大加速度，为了成为使最大加速度最小时的旋转轴旋转速度，用NC装置8进行变更后，删除存储器内的记录(S8)，结束。
另一方面，在S9中，为了确定当前振动的种类，比较通过式(3)得到的相位信息和常数2、3。此处，如图9所示，将大于常数2且小于常数3的范围设为范围1。该范围1是指接近0的范围，范围1以外是指远离0的范围。
由此，如果当前的相位信息在范围1中，则设为产生了强制颤振，在S10中判别是否具有记录在存储器内的任意一个相位信息处于范围1以外的数据。另一方面，如果在S9的判别中当前的相位信息不在范围1中，则设为产生了再生型颤振，在S11中判别是否具有记录在存储器内的任意一个相位信息处于范围1以内的数据。
此外，在S10的判别中，如果具有相位信息处于范围1以外的数据，则判别为在当前的强制颤振以前产生了再生型颤振，在S12中，根据下式(4)计算新相位信息。另一方面，如果没有相位信息处于范围1以外的数据，则判别为在当前的强制颤振以外没有产生颤振，在S13中，根据下式(5)计算新相位信息。
此外，在S11的判别中，如果具有相位信息处于范围1以内的数据，则判别为在当前的再生型颤振以前产生了强制颤振，在S14中，根据下式(4)计算新相位信息。另一方面，如果没有相位信息处于范围1以内的数据，则判别为没有产生除此以外的颤振，在S15中，根据下式(6)计算新相位信息。
新相位信息＝(当前相位信息+存储器内相位信息)/2   …(4)
新相位信息＝当前相位信息+0.5   …(5)
新相位信息＝0   …(6)
此处，式(4)中的存储器内相位信息是指S12中对应于S10的数据的相位信息，是指S14中对应于S11的数据的相位信息。此外，在存在多个对应数据的情况下，采用具有与当前的相位信息最接近的相位信息的数据。
此外，式(4)是对应于旋转数强制颤振和再生型颤振都产生时的处理。例如，假定在频率f1时产生具有图5的10所示的最大加速度的强制颤振。此时，假定在存储器内存在如下数据，即，在当前的振动以前，如图6所示，在频率f2时具有11所示的最大加速度的再生型颤振的数据。
因此，如图7所示，在S12和S14中，根据式(4)计算新相位信息(该图中为频率f3时12所示的最大加速度)，以使新相位信息成为这些相位信息的平均值，通过根据新相位信息计算和变更最佳旋转速度，可以对两种颤振适度地进行抑制。此外，在f1时产生再生型颤振、在f2时产生强制颤振也一样。
此外，式(5)中，通常对当前相位信息加上最能抑制强制颤振的0.5，但加上0.5指的是使旋转轴旋转速度减小，在想使旋转轴旋转速度增加的情况下，加上—0.5、即减去0.5即可。
接着，在S16中，根据下式(7)，对k值加上分别算出的新相位信息来计算k1值，在S17中，根据下式(8)，将颤振数除以工具齿数和k1值的乘积，来计算最佳旋转速度。此外，此处在工具具有偏心的情况下，也可以将工具齿数设为1。这是因为在具有偏心的情况下，各切削刃的切削力的大小不同，因此产生的切削力的频率分量除了成为主轴旋转数×齿数的整数倍的频率以外，与齿数无关地还产生仅与主轴的旋转数同步的频率分量。
k1值＝k值+新相位信息   …(7)
最佳旋转速度＝颤振数/(工具齿数×k1值)   …(8)
此外，在S18中，由NC装置8变更旋转轴3的旋转速度，以成为算出的最佳旋转速度，防止、即抑制“颤振”的扩大。
如上所述，进行控制装置5中的“颤振”的抑制控制。
由此，根据上述方式的振动抑制装置9，通过振动传感器2a～2c、FFT运算装置6、以及参数运算装置7，在控制开始的同时实时监控旋转轴3在旋转中产生的“颤振”，检测到产生“颤振”时，通过上式(1)～(8)立即计算最佳旋转速度，将旋转轴3的旋转速度设为其最佳旋转速度来抑制“颤振”的扩大。即，根据实际正在旋转的旋转轴3上产生的“颤振”计算最佳旋转速度，因此可以立即算出更加正确的最佳旋转速度。
尤其是在参数运算装置7计算最佳旋转速度时，将算出的相位信息和预定的常数进行比较，确定产生的颤振是强制颤振还是再生型颤振，并且根据存储在存储器内的相位信息，判别在当前的振动以前是否产生了与确定的颤振不同的颤振，根据是否产生确定的颤振和不同的颤振来分别变更k值，计算最佳旋转速度，由此，即使在强制颤振和再生型颤振都产生的情况下，都能稳定地求出最佳旋转速度，可以有效地抑制颤振。从而，可以高品位地保持加工面的加工精度，还可以期望工具磨损的抑制、工具缺损的防止。
此外，在将产生的颤振确定为强制颤振、当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，参数运算装置7将根据所存储的相位信息中的如下相位信息算出的值设为新相位信息，即，在判断为再生型颤振的相位信息中与算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息，在当前的振动以前没有产生再生型颤振的情况下，将对算出的相位信息加上不产生强制颤振的小数值(此处为0.5或—0.5)而得到的值设为新相位信息；另一方面，在将产生的颤振确定为再生型颤振、当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，参数运算装置7将根据所存储的相位信息中的如下相位信息算出的值设为新相位信息，即，在判断为强制颤振的相位信息中与算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息，在当前的振动以前没有产生强制颤振的情况下，将0作为新相位信息，对算出的k值分别加上新相位信息以得到k1值，因此可以适当地进行k值的变更。
尤其在此处，在当前产生强制颤振、并在该振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在当前产生再生型颤振、并在该振动以前产生了强制颤振的情况下，参数运算装置7将与分别算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息的平均值作为新相位信息，因此容易得到新相位信息。
此外，参数运算装置7将颤振数除以工具齿数和k1值的乘积来计算最佳旋转速度，因此可以正确计算最佳旋转速度。
此外，本发明的振动抑制装置的结构不限于上述实施方式所记载的形式，可在不脱离本发明主旨的范围内，根据需要对检测单元、控制装置、以及控制装置中的振动抑制的控制等涉及的结构进行适当变更。
例如，根据机床的种类对式(1)～(8)所示的相位信息、k值、常数等以及它们的关系适当地进行调查来确定，由此可以进一步提高精度。例如，在上述实施方式中，在式(4)中使用再生型颤振和强制颤振的相位信息的平均值作为新相位信息，来计算最佳旋转速度，但是也可以使用产生各个颤振时的最大加速度作为参数进行加权，作为新相位信息，计算最佳旋转速度。
此外，也可以改变旋转数以使各个颤振的相位信息间以一定间隔变化，预先存储振动状态，将它们中最大加速度变为最小的旋转数设为最佳旋转速度。
另一方面，在将产生的颤振确定为强制颤振、并在当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在将产生的颤振确定为再生型颤振、并在当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，不使用相位信息也可以计算最佳旋转速度。例如，在以1800rpm的当前的旋转轴旋转速度产生再生型颤振、在存储器内具有分别以1000rpm、1500rpm、2500rpm的旋转轴旋转速度产生了强制颤振的记录的情况下，取代上述S12～S17的处理，根据与1800rpm的当前的旋转轴旋转速度最接近的1500rpm的旋转轴旋转速度对振动加速度进行加权来算出1600rpm作为最佳旋转速度，或者计算出两者的平均值1650rpm作为最佳旋转速度等即可。这样的话，不使用相位信息也可对强制型和再生型的任何一种计算稳定的最佳旋转速度。
并且，在上述实施方式中，进行由检测单元检测出的时间区域的振动加速度的傅里叶解析后，使用频率区域的振动加速度表示最大值的波形，进行“颤振”的抑制涉及的控制，但是也可以使用频率区域的振动加速度的值为上位的多个波形来计算最佳旋转速度，实现“颤振”的抑制效果的进一步提高。
并且，在上述实施方式中，构成为利用检测单元检测旋转轴的振动加速度，根据检测出的振动加速度来计算最佳旋转速度，但是也可以构成为利用检测单元检测振动引起的位移和声压，根据检测出的位移和声压来计算最佳旋转速度。
此外，在上述实施方式中，构成为检测使工具旋转的所谓加工中心等机床的旋转轴中的振动，但是也可以检测作为不旋转一侧(固定侧)的工件或其附近的振动。
此外，本发明也适用于车床等使工件旋转的机床，该情况下可以检测旋转轴即保持工件的主轴侧的振动，或者检测固定侧的工具的振动。此外，当然也可以根据机床的种类、大小等来适当变更检测单元的设置位置和设置数量等。

Claims (6)

1.一种机床的振动抑制装置，其在具有用于使工具或工件旋转的旋转轴的机床中，用于抑制在使所述旋转轴旋转时产生的颤振，其特征在于，该机床的振动抑制装置具有：
检测单元，其检测旋转中的所述旋转轴在时间区域内的振动；
运算单元，其根据由该检测单元检测出的在时间区域内的振动，计算颤振数以及该颤振数下的频率区域的振动，并且，在算出的所述频率区域的振动超过了预定阈值的情况下，将颤振数除以工具齿数和旋转轴旋转速度的乘积，将该值的整数部分设为k值，将小数部分设为相位信息，使用所述k值来计算可以抑制颤振的所述旋转轴的最佳旋转速度；
存储单元，其存储所述k值和相位信息；以及
旋转速度控制单元，其使所述旋转轴以由所述运算单元和存储单元算出的最佳旋转速度旋转，
所述运算单元在计算所述最佳旋转速度时，将算出的相位信息与预定的常数比较，确定产生的颤振是强制颤振还是再生型颤振，并且，根据所述存储单元中存储的相位信息，判别在当前的振动以前是否产生了与所述确定的颤振不同的颤振，根据是否产生所述确定的颤振和不同的颤振来分别变更所述k值以计算最佳旋转速度。
2.根据权利要求1所述的机床的振动抑制装置，其特征在于：
在将产生的颤振确定为强制颤振、当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，运算单元将根据所存储的相位信息中的如下相位信息算出的值设为新相位信息，即，在判断为再生型颤振的相位信息中与所述算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息，
在当前的振动以前没有产生再生型颤振的情况下，运算单元将所述算出的相位信息加上不产生强制颤振的小数值而得到的值设为新相位信息；另一方面，
在将产生的颤振确定为再生型颤振、当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将根据所存储的相位信息中的如下相位信息算出的值设为新相位信息，即，在判断为强制颤振的相位信息中与所述算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息，
在当前的振动以前没有产生强制颤振的情况下，运算单元将0设为新相位信息，
对算出的k值分别加上新相位信息来变更k值。
3.根据权利要求2所述的机床的振动抑制装置，其特征在于：
在当前产生强制颤振、该振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在当前产生再生型颤振、该振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将与分别算出的相位信息最接近的相位信息和当前的相位信息的平均值作为新相位信息。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的机床的振动抑制装置，其特征在于：运算单元将颤振数除以工具齿数和变更后的k值的乘积来计算最佳旋转速度。
5.根据权利要求2所述的机床的振动抑制装置，其特征在于：
在将产生的颤振确定为强制颤振、当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在将产生的颤振确定为再生型颤振、当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将根据所存储的旋转轴旋转速度中的如下旋转轴旋转速度算出的值设为最佳旋转速度，即，在判断为与当前不同种类的颤振的旋转轴旋转速度中与当前的旋转轴旋转速度最接近的旋转轴旋转速度和当前的旋转轴旋转速度。
6.根据权利要求2所述的机床的振动抑制装置，其特征在于：
在将产生的颤振确定为强制颤振、当前的振动以前产生了再生型颤振的情况下，以及在将产生的颤振确定为再生型颤振、当前的振动以前产生了强制颤振的情况下，运算单元将所存储的旋转轴旋转速度中的如下旋转轴旋转速度的平均值作为最佳旋转速度，即，在判断为与当前不同种类的颤振的旋转轴旋转速度中与当前的旋转轴旋转速度最接近的旋转轴旋转速度和当前的旋转轴旋转速度。
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