CN102292189A - 工作机械中的主轴的动刚性测量装置及动刚性测量方法 - Google Patents

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Abstract

工作机械(5)的主轴(6)的动刚性测量装置(1)具有：非平衡标准件(2)，经由保持架(7)安装在主轴(6)上，重心位置相对于主轴(6)的旋转中心偏心；转速计(3)，用于测量主轴(6)的转速；振动量测量器(4)，非平衡标准件(2)相向配置，相对于非平衡标准件(2)在轴向(L)上处于规定的位置并在周向(C)上处于任意的位置，用于测量非平衡标准件(2)的振动量；动刚性测量装置(1)基于转速计(3)测量出的转速和振动量测量器(4)测量出的振动量之间的关系，来算出主轴(6)的动刚性。

Description

工作机械中的主轴的动刚性测量装置及动刚性测量方法
技术领域
本发明涉及对工作机械中的主轴的动刚性进行测量的装置以及方法。
背景技术
工作机械中的主轴(轴部分)的动刚性是在获知工作机械对被加工物进行加工的加工精度等方面重要的指标。
因此，例如，在专利文献1的工作机械用轴的动刚性测量方法以及测量装置中，使用电磁铁以及非接触式位移传感器，在使主轴旋转的状态下，利用电磁铁的磁吸引力，在非接触状态下，使工作机械用轴的主轴、安装在主轴上的刀具等测量对象部激振，通过非接触式位移传感器，以非接触状态测量被激振的测量对象部的位移。由此，能够基于测量出的动刚性，在对被加工物进行加工前，快速地得出对该被加工物的优选的加工条件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平11-19850号公报。
发明内容
发明要解决的问题
但是，在上述以往的动刚性的测量方法以及测量装置中，利用电磁铁的磁吸引力，从外部强制地对主轴、安装在主轴上的刀具等施加激振力。而且，根据所施加的激振力和在主轴等上产生的位移之间的关系来算出动刚性。因此，所得到的动刚性的值包括作为误差的在主轴旋转时由于激振力而在主轴等上产生的离心力的值。
本发明是鉴于该以往的问题点而提出的，提供能够高精度地求出动刚性的工作机械中的主轴的动刚性测量装置以及动刚性测量方法。
用于解决问题的手段
第一发明为工作机械中的主轴的动刚性测量装置，测量工作机械的主轴的动刚性，其特征在于，具有：非平衡标准件(unbalance master)，经由保持架安装在上述主轴上，该非平衡标准件的重心位置相对于该主轴的旋转中心偏心；转速计，用于测量上述主轴的转速；振动量测量器，与上述非平衡标准件相向配置，相对于上述非平衡标准件，在轴向上处于规定位置并在周向上处于任意位置，用于测量该非平衡标准件的振动量；基于上述转速计测量出的上述转速和上述振动量测量器测量出的上述振动量之间的关系，来算出上述主轴的动刚性。
第二发明为工作机械中的主轴的动刚性测量方法，测量工作机械的主轴的动刚性，其特征在于，使用重心位置相对于上述主轴的旋转中心偏心的非平衡标准件，经由保持架将该非平衡标准件安装在上述主轴上，另外，使振动量测量器在上述非平衡标准件的轴向上的规定位置且在周向上的任意位置与上述非平衡标准件相向配置，利用上述振动量测量器测量通过上述主轴的旋转使上述非平衡标准件旋转时的振动量，基于上述主轴的转速和上述振动量测量器测量出的上述振动量之间的关系，来算出上述主轴的动刚性。
发明的效果
本发明的工作机械中的主轴的动刚性测量装置以及动刚性测量方法，通过利用上述非平衡标准件、转速计以及振动量测量器，能够容易地操作装置，而且测量高精度的动刚性。
具体地说，在本发明中，借助工作机械中的主轴的旋转，使经由保持架安装在主轴上的非平衡标准件旋转。此时，通过使非平衡标准件的重心位置相对于主轴的旋转中心偏心，对非平衡标准件作用离心力。而且，借助该离心力，非平衡标准件的周向的各部位沿着径向均匀地振动。
由此，本发明的振动量测量器能够配置在非平衡标准件的任意的周向位置，来测量非平衡标准件的振动量。因此，能够根据振动量测量器相对于工作机械的主轴的周向的配置位置，防止振动量产生误差。
另外，在本发明中，利用非平衡标准件的旋转所产生的离心力来产生激振力。由此，不需要从外部施加力，而利用主轴、保持架以及非平衡标准件即旋转体自身产生的力来产生激振力。因此，在基于转速计测量出的转速和振动量测量器测量出的振动量之间的关系算出主轴的动刚性时，能够高精度地求出该动刚性。
因此，根据第一发明，提供能够高精度地求出动刚性的工作机械中的主轴的动刚性测量装置。
另外，根据第二发明，提供能够高精度地求出动刚性的工作机械中的主轴的动刚性测量方法。
附图说明
图1是表示第一实施例的动刚性测量装置的结构的说明图。
图2是表示第一实施例的第一非平衡标准件的立体图。
图3是表示第一实施例的第二非平衡标准件的立体图。
图4是表示第一实施例的主轴的结构的说明图。
图5是表示第一实施例的动刚性测量方法的流程的流程图。
图6是表示第一实施例的主轴的转速与离心力之间的关系的曲线图。
图7是表示第一实施例的主轴的转速与振动量之间的关系的曲线图。
图8是表示第一实施例的离心力与振动量之间的关系的曲线图。
图9是表示第一实施例的利用非平衡标准件使主轴产生激振力时的非平衡标准件的振动状态的说明图。
图10是表示以往的例子的利用电磁铁使主轴产生激振力时的刀具的振动状态的说明图。
图11是表示第二实施例的由于主轴的振动而在加工时在立铣刀(endmill)上产生的错位的说明图。
图12是表示第二实施例的由于切削阻力而在加工时在立铣刀上产生的错位的说明图。
具体实施方式
对上述的本发明的工作机械中的主轴的动刚性测量装置以及动刚性测量方法的优选的实施方式进行说明。
在上述第一、第二发明中，优选在将上述非平衡标准件的质量设定为m，将上述非平衡标准件的重心位置相对于上述主轴的旋转中心的偏心量设定为r，将该非平衡标准件的旋转角速度设定为ω，将以该旋转角速度旋转的非平衡标准件的振动量设定为r′时，基于F＝m×(r+r′)×ω2来算出离心力F，并基于G＝r′/F来算出上述动刚性G。
此时，能够简单且正确地求出工作机械的主轴的动刚性。
另外，优选上述非平衡标准件具有将圆柱状材料沿着轴向切去周向上的一部分而形成的形状。
此时，非平衡标准件的形状恰当，通过振动量测量器能够更正确地测量非平衡标准件的振动量。另外，能够容易地设定相对于主轴的旋转中心的重心位置。
实施例
下面，参照附图说明本发明的工作机械中的主轴的动刚性测量装置以及动刚性测量方法的实施例。
(第一实施例)
如图1、图2所示，本例的工作机械5中的主轴6的动刚性测量装置1具有：非平衡标准件2，经由保持架7安装在主轴6上，该非平衡标准件2的重心位置A相对于主轴6的旋转中心O偏心；转速计3，用于测量主轴6的转速；振动量测量器4，与非平衡标准件2相向配置，相对于在非平衡标准件2在轴向L上处于规定的位置并在周向C上处于任意的位置，用于测量非平衡标准件2的振动量。而且，动刚性测量装置1基于转速计3测量出的转速与振动量测量器4测量出的振动量之间的关系，来算出主轴6的动刚性。
下面，参照图1～图10详细说明本例的工作机械5中的主轴6的动刚性测量装置1以及动刚性测量方法。
如图1所示，本例的工作机械5是利用保持架7能够更换地将多种刀具安装在主轴6上的加工中心。本例的转速计3安装在工作机械5的主轴6上。本例的振动量测量器4通过非接触地拍摄非平衡标准件2的投影图像，来测量非平衡标准件2的振动量。具体地说，本例的振动量测量器4，以规定的取样(sampling)间隔对非平衡标准件2的旋转时的直径进行拍摄，根据非平衡标准件2的旋转时的直径比非平衡标准件2的静止时的直径大多少，来求出振动量。在将旋转时的直径设定为D1，将静止时的直径设定为D0时，能够根据r′＝(D1-D0)/2来求出该振动量r′。
为了能够通过振动量测量器4对非平衡标准件2的整周进行拍摄，取样间隔设定为不与主轴6的旋转周期同步的间隔。
如图2、图3所示，本例的非平衡标准件2具有将圆柱状材料沿着轴向L切去周向C上的一部分而形成的形状。对于非平衡标准件2，通过适当地设定对圆柱状材料进行切割的角度的范围，能够改变其重心位置A。图2表示在圆柱状材料上设置45°的切缺部21而形成的第一非平衡标准件2，图3表示在圆柱状材料上设置90°的切缺部21而形成的第二非平衡标准件2。而且，通过改变非平衡标准件2的重心位置A，能够适当改变因非平衡标准件2而产生的离心力。
图4表示通过作为驱动源的马达51进行旋转的主轴6的结构。主轴6由经由连接部(联轴器)52与马达51的输出轴连接的连杆(draw bar)61构成。通过联轴器52吸收马达51的输出轴与连杆61之间的轴心的错位。连杆61在联轴器52附近即上侧端部和下侧端部被轴承53支撑，并能够旋转。另外，为了抑制连杆61的振摆回转以及减轻对连杆61施加的负荷，增强在接近联轴器(连接部)52的一侧配置的上侧的轴承53A的强度。
非平衡标准件2或进行各种加工的刀具经由保持架7安装在连杆61的下侧端部。而且，非平衡标准件2或刀具的振动的支点位于联轴器52或上侧的轴承53A的附近。
在将非平衡标准件2或刀具的前端(下端)至连接部(联轴器)52的距离设定为X时，非平衡标准件2或刀具的前端至根部的距离Y在0.1～0.2X的范围内。此时，假设非平衡标准件2或刀具的前端的振动量为100μm，则根部的振动量为80～90μm。而且，如果非平衡标准件2或刀具的全长为130mm，则振动量测量器4的测量位置在轴向L偏离1mm时的振动量的误差为0.08～0.15μm/mm，极其小。因此，在使振动量测量器4在非平衡标准件2或刀具的轴向L上的规定的位置与非平衡标准件2或刀具相向配置时，即使振动量测量器4在轴向L稍微偏离，在轴向L上的错位误差也是可以忽略的程度的量。
在测量主轴6的动刚性时，振动量测量器4测量非平衡标准件2在轴向L上的多处的振动量，求出非平衡标准件2在轴向L的各位置的振动量的平均值，用于求取主轴6的动刚性。另外，还能够参考相对非平衡标准件2的轴向L的测量位置，进行适当地修正来求取主轴6的动刚性。
如图1所示，本例的动刚性测量装置1具有计算装置10，所述计算装置10从转速计3取得转速v的数据，并且从振动量测量器4取得非平衡标准件2的振动量r′的数据，来算出动刚性。
计算装置10，在将非平衡标准件2的质量设定为m，将非平衡标准件2的重心位置A相对于主轴6的旋转中心O的偏心量设定为r，将非平衡标准件2的旋转角速度设定为ω，将以该旋转角速度旋转的非平衡标准件2的振动量设定为r′时，基于F＝m×(r+r′)×ω2算出离心力F，并基于G＝r′/F算出主轴6的动刚性G。另外，计算装置10测量使安装有非平衡标准件2的主轴6的转速v变化时的振动量r′并且算出离心力F，如图8所示，求出F与r′之间的关系曲线M的斜率α作为主轴6的动刚性G。在求该关系曲线M的斜率α时，能够通过最小二乗法等近似地求出该斜率α。
接着，参照图5的流程图说明利用非平衡标准件2测量主轴6的动刚性的方法。
首先，测量非平衡标准件2单体的质量m(图5的步骤S1)。
接着，经由保持架7将非平衡标准件2安装在主轴6上(S2)，使振动量测量器4在距离主轴6的旋转中心O规定的距离且在非平衡标准件2的轴向L的规定的位置(S3)与非平衡标准件2相向配置。此时，振动量测量器4能够相向配置在非平衡标准件2的周向C的任意的位置上。
接着，使主轴6旋转(S4)，通过转速计3测量主轴6的转速v，并且，通过振动量测量器4测量非平衡标准件2在径向上的振动量r′(S5)。此时，测量使主轴6的转速v逐渐变化(上升)时的振动量r′(S6)，并求出转速v与振动量r′之间的关系(参照图7)。在本例中，使主轴6的转速v以500(rpm)为单位增加。
而且，在振动量的测量结束之后(S7)，计算装置10从CAD的设计数据中读取非平衡标准件2的重心的旋转半径r(mm)(主轴6的旋转中心O至非平衡标准件的重心位置A的距离r)(S8)，使用测量出的非平衡标准件2的质量m(kg)，并且按照测量出的转速v(旋转角速度ω)，利用测量出的振动量r′(mm)的数据，基于F＝m×(r+r′)×ω2算出离心力F(N)(S9，参照图6)。此时，在将转速设定为v(rpm)时，根据ω＝v/(2π×60)求出旋转角速度ω(rad/sec)。
而且，如图8所示，绘出各转速v下的离心力F(N)与振动量r′(μm)，通过最小二乗法求出F与r′之间的关系曲线M的斜率α(S10)。由此，能够求出G＝r′/F的斜率α，来作为主轴6的动刚性G(μm/N)(S11)。
图6示出针对上述的第一非平衡标准件2(图2)和第二非平衡标准件2(图3)绘出了主轴6的转速v(rpm)与离心力F(N)之间的关系的曲线图，图7示出针对上述的第一非平衡标准件2(图2)和第二非平衡标准件2(图3)绘出了主轴6的转速v(rpm)与非平衡标准件2的振动量r′(μm)之间的关系的曲线图。根据各图可知，离心力F以及振动量r′随着转速v的增加以二次函数的关系增加。
图8示出绘出了离心力F(N)与非平衡标准件2的振动量r′(μm)之间的关系的曲线图。根据各图可知，非平衡标准件2的振动量r′与离心力F大致成比例。而且，能够求出该关系曲线M的斜率α，来作为主轴6的动刚性G。
在本例的工作机械5中的主轴6的动刚性测量装置1以及动刚性测量方法中，通过利用非平衡标准件2、转速计3以及振动量测量器4，能够易于操作装置且测量出高精度的动刚性。
具体地说，在本例中，通过使工作机械5中的主轴6旋转，使经由保持架7安装在主轴6上的非平衡标准件2旋转。此时，通过使非平衡标准件2的重心位置A相对于主轴6的旋转中心O偏心，对非平衡标准件2作用离心力F。而且，通过该离心力，非平衡标准件2在周向C的各部位沿着径向均匀振动。
由此，本例的振动量测量器4能够在非平衡标准件2的周向C上的任意位置与非平衡标准件2相向配置，来测量非平衡标准件2的振动量r′。因此，能够防止因振动量测量器4相对于工作机械5的主轴6的周向C的配置位置，在振动量r′上出现误差。
另外，在本例中，利用非平衡标准件2的旋转所产生的离心力F，来产生激振力。由此，所以不需要从外部施加力，而利用主轴6、保持架7以及非平衡标准件2即旋转体自身产生的力来产生激振力。因此，在基于转速计3测量出的转速v(旋转角速度ω和振动量测量器4测量出振动量r′之间的关系，算出主轴6的动刚性G时，能够高精度地求出该动刚性G。
图9表示利用本例的非平衡标准件2使主轴6产生激振力的情况，图10表示利用以往的电磁铁91对主轴6的刀具92施加激振力的情况。
在图10中，在利用电磁铁91对刀具92施加激振力时，刀具92一边旋转一边向电磁铁91的反方向振动。此时，在从电磁铁91的反方向测量刀具92的振动量s时，只要振动量测量器4的位置在横向W上稍微从与电磁铁91相向的位置错开，振动量s就产生误差。
另一方面，在图9中，在使非平衡标准件2旋转时，非平衡标准件2借助离心力在整个周向C上均匀地被激振。因此，即使在使振动量测量器4距离旋转中心O一定距离且在非平衡标准件2的周向C上的任意的位置与非平衡标准件2相向配置时，测量的振动量r′也几乎不产生误差。此外，D0表示静止时的非平衡标准件2的直径，D1表示旋转时的非平衡标准件2的直径，E表示非平衡标准件2振动的范围。
另外，进行上述测量而得出的动刚性的值能够用作工作机械(加工机)的各种评价基准。
例如，动刚性的值能够作为工作机械的评价基准用作对工作机械的性能划分等级时的项目。另外，如果在设定加工条件时已经决定将要使用的刀具，则动刚性的值成为用于决定满足需要的加工精度的加工条件的指标。另外，如果在推测加工精度时已经决定将要使用的刀具、加工条件，则能够利用动刚性的值算出进行加工后的推测加工精度。在推测该加工精度时，能够判定安装在工作机械上的刀具事是否满足需要的加工精度。
另外，动刚性的值用于基于将要使用的刀具、加工条件推定并算出加工时的刀具的振动、切削阻力所引起的主轴的位移，从而能够对加工精度进行补偿。另外，如果已经决定加工条件，则动刚性的值成为作为刀具的设计基准的满足需要的加工精度的刀具平衡的指标。而且，如果决定了加工条件、需要的加工精度，则动刚性的值成为选择出何种平衡程度的刀具即可的指标。
(第二实施例)
在本例中，表示利用测量出的动刚性G对工作机械5的加工精度进行补偿的例子。另外，在本例中，示出在工作机械5中作为加工刀具使用立铣刀2A的情况。
动刚性测量装置1的计算装置10测量或从或设计数据读取立铣刀2A的质量m，并从设计数据中读取立铣刀2A的平衡值(balance)r(主轴的旋转中心O至立铣刀2A的重心位置A的距离)，另外，读取加工时的主轴6的转速v的数据。
接着，将G＝r′/F＝r′/[(G×m×(r+r′)×ω2]的算式变形，根据r′＝(G×m×r×ω2)/(1-G×m×ω2)，利用预先求出的主轴6的动刚性G的值，算出在立铣刀2A进行加工时推定产生的立铣刀2A的振动量r′。而且，参考切削阻力，算出加工时的立铣刀2A的错位量。由此，算出立铣刀2A进行加工时的推测加工误差，从而预料该推测加工误差，来对立铣刀2A的加工位置进行修正。
图11示出由于主轴6的振动而在加工时在立铣刀2A上产生错位，而对工件8进行加工的实际的加工线K′偏离目标的加工线K的情况。另外，图12示出由于向立铣刀2A施加的切削阻力而在加工时在立铣刀2A上产生错位，而对工件8进行加工的实际的加工线K′偏离目标的加工线K的情况。对于这些情况，在对立铣刀2A的加工位置进行了修正时，能够使实际的加工线K′与目标的加工线K基本重合。
由此，如果能够高精度地求出工作机械5中的主轴6的动刚性G，则能够提高对工件8的加工精度。

Claims (6)

1.一种工作机械中的主轴的动刚性测量装置，测量工作机械中的主轴的动刚性，其特征在于，具有：
非平衡标准件，经由保持架安装在上述主轴上，该非平衡标准件的重心位置相对于该主轴的旋转中心偏心；
转速计，用于测量上述主轴的转速；
振动量测量器，与上述非平衡标准件相向配置，并且相对于上述非平衡标准件在轴向上处于规定位置并在周向上处于任意位置，用于测量该非平衡标准件的振动量；
基于上述转速计测量出的上述转速和上述振动量测量器测量出的上述振动量之间的关系，来算出上述主轴的动刚性。
2.如权利要求1所述的工作机械中的主轴的动刚性测量装置，其特征在于，
在将上述非平衡标准件的质量设定为m，将上述非平衡标准件的重心位置相对于上述主轴的旋转中心的偏心量设定为r，将该非平衡标准件的旋转角速度设定为ω，将以该旋转角速度旋转的非平衡标准件的振动量设定为r′时，
基于F＝m×(r+r′)×ω2来算出离心力F，并且，
基于G＝r′/F来算出上述动刚性G。
3.如权利要求1或2所述的工作机械中的主轴的动刚性测量装置，其特征在于，上述非平衡标准件具有将圆柱状材料沿着轴向切去周向上的一部分而形成的形状。
4.一种工作机械中的主轴的动刚性测量方法，测量工作机械的主轴的动刚性，其特征在于，
使用重心位置相对于上述主轴的旋转中心偏心的非平衡标准件，
经由保持架将该非平衡标准件安装在上述主轴上，另外，使振动量测量器在上述非平衡标准件的轴向上的规定位置且在周向上的任意位置与上述非平衡标准件相向配置，
利用上述振动量测量器测量通过上述主轴的旋转使上述非平衡标准件旋转时的振动量，
基于上述主轴的转速和上述振动量测量器测量出的上述振动量之间的关系，来算出上述主轴的动刚性。
5.如权利要求4所述的工作机械中的主轴的动刚性测量方法，其特征在于，
在将上述非平衡标准件的质量设定为m，将上述非平衡标准件的重心位置相对于上述主轴的旋转中心的偏心量设定为r，将该非平衡标准件的旋转角速度设定为ω，将以该旋转角速度旋转的非平衡标准件的振动量设定为r′时，
基于F＝m×(r+r′)×ω2来算出离心力F，并且，
基于G＝r′/F来算出上述动刚性G。
6.如权利要求4或5所述的工作机械中的主轴的动刚性测量方法，其特征在于，上述非平衡标准件具有将圆柱状材料沿着轴向切去周向上的一部分而形成的形状。
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