CN101722438A - 机床的振动抑制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供机床的振动抑制方法和装置。其课题在于，无需进行负荷大的反复计算，容易且高精度地求出能够有效抑制颤振的最佳旋转速度。作为解决手段，在主轴上装配工具，求出工具或工件的模态参数(S1、S2)，根据模态参数和加工条件，生成颤振频率和相位信息的关系作为近似式(S3)。在加工开始后，如果产生颤振(S7)，则使用近似式求出与目标相位差对应的颤振频率，根据该颤振频率、工具刃数以及主轴旋转速度运算最佳旋转速度(S8)，根据该最佳旋转速度变更主轴的旋转速度(S9)。

Description

机床的振动抑制方法和装置

技术领域

本发明涉及在使工具或工件旋转来加工工件的机床中，用于防止由于在加工中产生的颤振引起的加工面和工具寿命的恶化的振动抑制方法和装置。

背景技术

在立铣刀加工中，由于切入量和旋转轴的旋转速度等加工条件，有时产生颤振而使加工面恶化。并且，由于颤振使工具受到损伤，所以也牵扯到工具寿命的恶化。

作为用于抑制该颤振的技术，公知有非专利文献1，作为利用了该技术的振动抑制方法，公知有专利文献1。在该振动抑制方法中，为了抑制成为加工面的精加工精度恶化原因的作为自激振动的再生型颤振，通过对工具或工件进行脉冲励振来求出工具或工件等颤振产生系统的固有振动频率，将固有振动频率乘以60倍并除以工具刃数和规定整数而得到的值作为最佳旋转速度，以该最佳旋转速度进行加工。

另一方面，作为不使用机械的固有振动频率而使用颤振产生时的颤振频率的计算方法，公知有非专利文献2和专利文献2。在专利文献2中，在工具或工件附近配置声音传感器，根据在旋转中利用声音传感器所检测出的振动频率来求出加工中的颤振频率，将颤振频率乘以60倍并除以工具刃数和规定整数而得到的值作为最佳旋转速度，但是，在非专利文献2中，示出与实际稳定区域对应的除数不是刃数的整数倍。该除数的小数部分表示基于当前切刃的创生面和基于前一个切刃的创生面的相位差，在专利文献2的方法中，在最佳旋转速度中产生该相位差的量的误差。这里，可知该相位信息和最佳旋转速度之间存在相关，通过求出与稳定的相位信息对应的旋转速度，能够抑制颤振。

【专利文献1】日本特开2003-340627号公报

【专利文献2】日本特表2001-517557号公报

【非专利文献1】CIRP，Vol.44/1(1995)Analytical Prediction ofStability Lobes in Milling

【非专利文献2】2001年日本机械学会讲习会资料“切削加工、びびり振動の基礎知識(切削加工、颤振的基础知识)”

在专利文献1所记载的振动抑制方法中，需要昂贵的脉冲装置，而且，使用该装置进行励振需要高度的技术，需要劳力和时间。并且，在加工前利用脉冲励振等测定的固有振动频率和实际加工中的固有振动频率不同的情况较多，难以利用该方法准确地求出最佳旋转速度。

并且，颤振频率根据旋转速度而变化，所以，为了准确地求出最佳旋转速度，需要获得与最佳旋转速度对应的颤振频率。因此，在直接使用所测定的颤振频率的专利文献2所记载的振动抑制方法中，难以求出准确的最佳旋转速度。

另一方面，如上所述通过求出与稳定的相位信息对应的旋转速度能够抑制颤振，但是，因此需要获得与目标相位信息对应的颤振频率。针对某个颤振频率的相位信息和旋转速度虽然能够利用非专利文献2所记载的方法计算，但是，该计算式的逆变换非常困难，所以，以解析的方式求出与目标相位信息对应的颤振频率在现实中是很困难的。由此，不得不采用如下手法：在一定范围内扫描颤振频率并反复计算，采用所获得的相位信息充分接近目标相位信息的颤振频率。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供如下的机床的振动抑制方法和装置：不必进行负荷大的反复计算，就能够容易且高精度地求出能够有效抑制颤振的最佳旋转速度。

为了达成上述目的，第1方面所述的发明是一种机床的振动抑制方法，该振动抑制方法用于在具有使工具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在加工所述工件时产生的颤振，其特征在于，当将算式：60×颤振频率/(工具刃数×旋转轴旋转速度)的小数部分作为相位信息时，该振动抑制方法执行以下步骤：第1步骤，在所述旋转轴上装配所述工具，求出所述工具或工件的模态参数；第2步骤，根据所述模态参数和加工条件，将颤振频率和所述相位信息的关系作为近似式进行运算；第3步骤，检测所述颤振导致的时域的振动；第4步骤，根据检测出的所述振动，计算颤振频率和该颤振频率下的频域的特性值；以及第5步骤，在计算出的所述特性值超过规定阈值的情况下，使用所述近似式，求出与作为目标选择出的所述相位信息对应的颤振频率，使用该颤振频率和工具刃数来运算最佳旋转速度。

第2方面所述的发明的特征在于，在第1方面的结构中，在所述第2步骤中，以贝济埃(Bezier)曲线或B-样条(Spline)曲线的形式表现所述近似式。

第3方面所述的发明的特征在于，在第1或第2方面的结构中，使用在所述第4步骤中测定的颤振频率和此时的所述旋转轴的旋转速度，通过权利要求1所述的算式来计算相位信息，使用所得到的颤振频率和相位信息，修正所述模态参数或所述近似式。

为了达成上述目的，第4方面所述的发明是一种机床的振动抑制装置，该振动抑制装置用于在具有使工具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在加工所述工件时产生的颤振，其特征在于，当将算式：60×颤振频率/(工具刃数×旋转轴旋转速度)的小数部分作为相位信息时，该振动抑制装置具有：测定单元，其在所述旋转轴上装配了所述工具的状态下，求出所述工具或工件的模态参数；第1运算单元，其根据所述模态参数和加工条件，将颤振频率和工具的刃的相位信息的关系作为近似式进行运算；振动检测单元，其检测所述颤振导致的时域的振动；第2运算单元，其根据检测出的所述振动，计算颤振频率和该颤振频率下的频域的特性值；以及第3运算单元，其在计算出的所述特性值超过规定阈值的情况下，使用所述近似式，求出与作为目标选择出的所述相位信息对应的颤振频率，使用该颤振频率和工具刃数来运算最佳旋转速度。

根据第1和第4方面所述的发明，不需要进行负荷大且解的精度差的反复计算，就能够以解析的方式容易且高精度地求出抑制颤振的最佳旋转速度。

根据第2方面所述的发明，除了上述效果以外，通过使用贝济埃曲线或B-样条曲线作为表示颤振频率和相位信息的关系的近似式，从而能够容易地生成近似式。

根据第3方面所述的发明，除了上述效果以外，通过根据实际加工数据在适当的时机修正近似式或模态参数本身，从而能够根据加工状态的变化来求出适当的最佳旋转速度。

附图说明

图1是振动抑制装置的结构框图。

图2是主轴机架的侧视图。

图3是主轴机架的正视图。

图4是振动抑制控制的流程图。

图5是稳定临界线图。

图6是示出贝济埃曲线的外形的说明图。

图7是示出颤振频率和相位差的关系的近似式的一例的曲线图。

图8是示出颤振频率和相位差的关系的近似式的一例的曲线图。

图9是示出主轴旋转速度和颤振频率的关系的近似式的一例的曲线图。

图10是示出主轴旋转速度和相位差的关系的近似式的一例的曲线图。

图11是稳定临界线图的局部放大图。

图12是振动抑制控制的变更例的流程图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

图1是示出振动抑制装置的一例的结构框图，图2是机床的主轴机架的侧视图，图3是主轴机架的正视图(从轴向示出的图)。

振动抑制装置10用于抑制在以能够绕C轴旋转的方式装配在主轴机架1上的作为旋转轴的主轴3上产生的颤振，该振动抑制装置10具有：作为检测在旋转中的主轴3上产生的时域的振动加速度(时间轴上的振动加速度)的振动检测单元的振动传感器2a～2c、以及根据振动传感器2a～2c的检测值来控制主轴3的旋转速度的控制装置11。振动传感器2a～2c以能够检测相互正交的X轴、Y轴、Z轴方向上的时域的振动加速度的状态安装在主轴机架1上，以检测相互成为直角的方向上的振动加速度和旋转速度。

并且，控制装置11具有：FFT运算装置(测定单元和第1、第2运算单元)12，其根据由振动传感器2a～2c所检测出的振动加速度进行傅立叶解析；运算装置(第3运算单元)13，其根据由FFT运算装置12所计算出的值来进行最佳旋转速度的计算等；存储装置14，其存储由FFT运算装置12和运算装置13计算出的数值和与判断颤振产生相关的阈值、工具刃数等；以及NC(数字控制)装置(旋转控制单元)15，其控制主轴机架1处的加工。

该控制装置11进行主轴3的振动振幅的傅立叶解析，始终计算最大加速度及其频率(颤振频率)，在最大加速度超过预先设定的阈值的情况下，实施将其与预先设定的工具刃数相结合来计算最佳旋转速度，并向机床发出指令的振动抑制方法所涉及的控制。下面，根据图4的流程图说明该控制的详细内容。

首先，求出模态参数。这里，将在加工中使用的工具装配在主轴3上后(S1)，测定颤振产生系统的模态参数(S2、本发明的第1步骤)。这是对所测定的传递函数进行模态解析而提取的，但是，在无法准确地测定模态参数的情况下，也可以根据加工结果利用同定等的手法求出并代用。该模态参数被存储在存储装置14中。

接着，根据在S2中获得的模态参数，FFT运算装置12进行稳定临界解析，生成表示在颤振频率下产生颤振的临界条件的稳定临界线图，决定作为目标的相位差(目标相位信息)。并且，通过一些点描绘颤振频率和稳定临界线图中的相位差(相位信息)的关系，根据该描绘结果生成颤振频率和相位差的近似式(S3、本发明的第2步骤)。近似式的详细内容在后面叙述。

然后，在S4中开始加工后，在S5中，通过振动传感器2a～2c检测振动加速度(本发明的第3步骤)，在S6中，FFT运算装置12针对检测出的振动加速度进行傅立叶解析，运算作为特性值的最大加速度及其颤振频率(本发明的第4步骤)。

接着，在S7中，运算装置13对在FFT运算装置12中计算出的最大加速度和预先设定的阈值进行比较，判别最大加速度是否超过阈值。这里，在超过阈值的情况下，判断为产生颤振，运算装置13在S8中，使用在S3中获得的近似式求出与目标相位差对应的颤振频率，使用该颤振频率和工具刃数，实施最佳旋转速度的计算(本发明的第5步骤)。在S7中没有判断为产生颤振的情况下，转移到S10，如果加工没有结束，则从S5起继续进行振动加速度的监视。

然后，在S9中，根据S8中的计算结果，NC装置15变更主轴3的旋转速度，实现颤振的抑制。如果在S10的判别中加工结束，则振动抑制也结束，但是，如果加工没有结束，则返回S5。

下面，示出FFT运算装置12运算的近似式的详细内容和最佳旋转速度的计算方法。

根据之前提示的非专利文献2，在颤振频率fc下产生颤振的临界条件由下式(1)表示。

$F_0=\frac{1}{2}{a}_{\lim }{K}_t(1-e^{-i\·2\mathrm{\π}{f}_{c}T})\left[A_0\right]\left[G\left({\mathrm{if}}_c\right)\right]F_0\·\·\left(1\right)$

其中，F₀是切削阻力矢量，a_lim是临界切削宽度，Kt是比切削阻力，T是工具切刃的通过周期，G是系统的传递函数，A₀是由加工条件确定的系数矩阵。

这里，设矩阵[A₀]、[G(if_c)]的固有值为λ时，获得下述式(2)的关系。

λF₀＝[A₀][G(if_c)]F₀··(2)

由此，当设固有值的倒数为Λ时，获得以下式(3)的关系。

$\mathrm{\Λ}={\mathrm{\Λ}}_R+{\mathrm{i\Λ}}_I=-\frac{1}{2}{a}_{\lim }{K}_t(1-e^{-i\·{2\mathrm{\πf}}_{c}T})\·\·\left(3\right)$

由此，根据式(1)、(3)的关系，通过以下式(4)、(5)得到产生颤振的临界切削宽度a_lim和相位差ε。

$a_{\lim }=-\frac{{\mathrm{\Λ}}_R}{K_t}\{1+{\left(\frac{{\mathrm{\Λ}}_I}{{\mathrm{\Λ}}_R}\right)}^2\}\·\·\left(4\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(\mathrm{\π}-2{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\Λ}}_I}{{\mathrm{\Λ}}_R})}{2\mathrm{\π}}\·\·\left(5\right)$

该ε表示基于前一个切刃的创生面形状和基于当前切刃的创生面形状的相位差。并且，此时的主轴旋转速度n由下式(6)表示。这里，k是1以上的整数，以后表记为k值。N是工具刃数。

$n=\frac{{60f}_c}{N(k+\mathrm{\ϵ})}\·\·\left(6\right)$

接着，使用式(4)～(6)，求出针对各颤振频率的主轴旋转速度和相位差、临界切削宽度并描绘它们之间的关系时，得到图5的稳定临界线图。在该图中，临界切削宽度大的区域是稳定加工区域(图中虚线)。即，在以某个切入量进行加工而产生了颤振的情况下，通过调整主轴旋转速度并使其保持在该稳定加工区域中，由此，获得颤振的抑制效果。因此，为此需要求出与稳定加工区域对应的主轴旋转速度。

这里，根据图5的稳定临界线图的关系，可知在相位差(目标相位差)为0.9附近是稳定的。由此，根据式(6)求出相位差为0.9的旋转速度，从而能够进行颤振的抑制。但是，为此必须求出相当于所求出的相位差的颤振频率。虽然根据之前的式(1)和(3)、(5)获得颤振频率和相位差的关系，但是其中包含固有值的计算，所以，虽然能够进行颤振频率→相位差的运算，但是相位差→颤振频率的逆运算非常困难。由此，针对颤振频率在一定范围内以一定增量反复进行式(1)～(5)的计算，来找寻相位差接近0.9的颤振频率。但是，在该方法中，计算负荷非常大且运算需要时间，而且，由颤振频率的增量来决定解的分辨率，所以，计算量和解的精度成为折衷的关系。

因此，在本发明中，将颤振频率和相位差的关系作为贝济埃曲线或B-样条曲线的近似式来保持，由此，即使不进行所述反复计算，也能够以解析的方式获得与目标相位差对应的颤振频率。例如，在使用贝济埃曲线作为近似曲线的情况下，颤振频率和相位差的关系由下式(7)这种使用了参数t的3次式表现。

$\left[\begin{array}{c}{f}_c\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{A}_1& B_1& C_1& D_1\\ A_2& B_2& C_2& D_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{t_1}^3\\ {t_1}^2\\ t_1\\ 1\end{array}\right]\·\·\left(7\right)$

这里，上述式(7)中的系数A、B、C、D按照下述步骤决定。

如图6所示，3次-贝济埃曲线利用4点的控制点(P₁～P₄)来决定曲线形状。在颤振频率-相位差的关系中，能够根据计算结果来决定端点P₁和P₄、以及端点处的斜率dP₁和dP₄，所以，剩余的2个控制点能够由下述式(8)定义，系数A～D能够由下述式(9)～(12)表示。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_2=P_1+k_1\·{\mathrm{dP}}_1\\ P_3=P_4-k_4\·{\mathrm{dP}}_4\end{array}\right.\·\·\left(8\right)$

$A=\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right]={-P}_1+3\·P_2-3\·P_3+P_4\·\·\left(9\right)$

$B=\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ B_2\end{array}\right]=3\·P_1-6\·P_2+3\·P_3\·\·\left(10\right)$

$C=\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ C_2\end{array}\right]=-3\·P_1+3\·P_2\·\·\left(11\right)$

$D=\left[\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\end{array}\right]=P_1\·\·\left(12\right)$

在上述式(8)～(12)中，未知数仅是k₁、k₄这2个变量，所以，对k₁、k₄进行优化以使曲线(7)在颤振频率-相位差的描绘值中一致即可。在曲线复杂的情况下，利用适当的点对曲线进行分割，针对各个区域求出式(7)。

颤振频率和相位差的关系不依赖于k值，所以，如果针对系统的模态参数对式(7)进行一次拟合，则不依赖于主轴旋转速度，只要保持1个近似式即可。当然，也可以分别将针对各k值的主轴旋转速度和颤振频率、相位差的关系保持为近似式。

作为例子，针对2组不同的模态参数，将利用式(7)进行近似的结果与任意设定颤振频率并根据式(5)计算的结果进行比较，并在图7、图8中示出。这里，根据式(5)，相位差以1.0为界是不连续的，但是，为了简化而使其连续化。

通过图7、图8的近似式来表示相位差和颤振频率的关系，所以，图9、图10示出使用该关系、根据式(6)描绘主轴旋转速度和颤振频率、以及相位差的关系的曲线图。与图7、图8同样，与任意设定颤振频率并根据式(5)和(6)计算的结果进行比较。通过图7～图10可知，基于本发明的方法的近似式与式(5)和(6)的计算结果高度一致。

下面示出实际的计算例。图11示出在表1的模态参数和加工条件下进行计算时的稳定临界线图。此时，表示ε≤1.0的条件下的颤振频率、相位差的关系的近似式为下述式(13)。

[表1]

固有振动频率	最大柔性	衰减比	工具直径	径向切入	刃数
						5000Hz	4.0μm/N	0.03	6mm	0.4mm	6

$\left[\begin{array}{c}{f}_c\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}628.3& -155.4& 527.5& 5002.3\\ -0.321& 0.991& -1.118& 0.923\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{t}^3\\ t^2\\ t\\ 1\end{array}\right](0\≤t\≤1)\·\·\left(13\right)$

将以主轴旋转速度7500rpm进行加工的情况作为例子时，颤振频率为大约5080Hz，相位差为大约0.77。并且，根据图11，稳定旋转速度读取为大约7260rpm。设目标相位差为0.9，在利用以往的方法把颤振频率设为5080Hz进行计算的情况下，根据式(6)，最佳旋转速度为7362rpm，是与实际的稳定旋转速度偏差大约100rpm的值。

另一方面，使用本发明的手法时，通过在式(13)中求解与ε有关的3次方程式，求出相位差为0.9的t为大约0.02，对应的颤振频率为5010Hz。使用该结果，根据式(6)求出最佳旋转速度时，得到7261rpm这样的结果，能够准确地求出最佳旋转速度。

这样，根据上述方式的振动抑制方法和装置，使用颤振频率和相位差的关系的近似式获得最佳旋转速度，由此，不需要进行负荷大且解的精度差的反复计算，就能够以解析的方式容易且高精度地求出抑制颤振的最佳旋转速度。

另外，本发明的振动抑制方法和装置的结构不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内适当变更。

例如，在振动抑制控制中，如图12所示，在S16中对振动加速度进行傅立叶解析后，在S17中，根据颤振频率和此时的主轴旋转速度计算相位信息，在S18中，判别所获得的颤振频率和相位信息是否与近似式一致，在与近似式不一致的情况下，在S19中，考虑适当修正近似式或模态参数的变更。其他处理与图4相同。

这样，通过根据实际加工数据来适时修正近似式或模态参数本身，从而能够根据加工状态的变化来求出适当的最佳旋转速度。

另一方面，在上述方式中，通过时域的振动加速度的傅立叶解析，使用频域的振动加速度为最大的最大加速度来执行振动抑制控制，但是，也可以进行使用振动加速度的值排在前面的多个波形的平均的变更。

并且，存储装置也可以不设置在控制装置内，而设置在控制装置的外部，关于检测单元，也可以代替为振动传感器，检测振动导致的旋转轴的位移或声压也可以。

进而，在本方式中，为了求出颤振频率和相位信息的相关关系，使用非专利文献2所记载的方法，但是，关于通过其他计算手法求出的关系，也同样能够应用本发明。

除此之外，能够在机械加工中心或NC(数字控制)车床等各种机床中采用本发明，只要根据机床的种类等适当变更检测单元的设置位置和个数即可。

Claims (4)

1.一种机床的振动抑制方法，该振动抑制方法用于在具有使工具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在加工所述工件时产生的颤振，其特征在于，

当把算式：60×颤振频率/(工具刃数×旋转轴旋转速度)的小数部分作为相位信息时，该振动抑制方法执行以下步骤：

第1步骤，在所述旋转轴上装配所述工具，求出所述工具或工件的模态参数；

第2步骤，根据所述模态参数和加工条件，将颤振频率和所述相位信息之间的关系作为近似式进行运算；

第3步骤，检测所述颤振导致的时域的振动；

第4步骤，根据检测出的所述振动，计算颤振频率和该颤振频率下的频域的特性值；以及

第5步骤，在计算出的所述特性值超过规定阈值的情况下，使用所述近似式，求出与作为目标选择出的所述相位信息对应的颤振频率，使用该颤振频率和工具刃数来运算最佳旋转速度。

2.根据权利要求1所述的机床的振动抑制方法，其特征在于，

在所述第2步骤中，以贝济埃曲线或B-样条曲线的形式表现所述近似式。

3.根据权利要求1或2所述的机床的振动抑制方法，其特征在于，

使用在所述第4步骤中测定的颤振频率和此时的所述旋转轴的旋转速度，通过权利要求1所述的算式来计算相位信息，使用所得到的颤振频率和相位信息，来修正所述模态参数或所述近似式。

4.一种机床的振动抑制装置，该振动抑制装置用于在具有使工具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在加工所述工件时产生的颤振，其特征在于，

当把算式：60×颤振频率/(工具刃数×旋转轴旋转速度)的小数部分作为相位信息时，该振动抑制装置具有：

测定单元，其在所述旋转轴上装配了所述工具的状态下，求出所述工具或工件的模态参数；

第1运算单元，其根据所述模态参数和加工条件，将颤振频率和工具的刃的相位信息的关系作为近似式进行运算；

振动检测单元，其检测所述颤振导致的时域的振动；

第2运算单元，其根据检测出的所述振动，计算颤振频率和该颤振频率下的频域的特性值；以及

第3运算单元，其在计算出的所述特性值超过规定阈值的情况下，使用所述近似式，求出与作为目标选择出的所述相位信息对应的颤振频率，使用该颤振频率和工具刃数来运算最佳旋转速度。

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