CN102387892A - 作业机械的颤振抑制方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
作业机械的颤振抑制方法具有:检测刀具或工件(W)的旋转开始时所产生的振动的步骤(S1);判断上述旋转开始时检测到的上述振动是否超过阈值的步骤(S3);以及当判断为上述振动超过上述阈值时,利用傅里叶级数展开对上述振动进行解析(S4),调整主轴转速的步骤(S21)。
Description
技术领域
本发明涉及用于借助加工工具对工件实施加工处理时抑制颤振的产生的作业机械的颤振抑制方法以及装置。
背景技术
通常为了借助加工工具对工件实施加工处理,需要使用各种机床。例如在镗孔加工中,将设有镗刀(刀尖)的镗孔工具安装于机床的旋转主轴(主轴),在使上述镗孔工具高速旋转的同时沿着下孔将其依次送出,从而能通过该刀尖的加工直径在既定位置处加工高精度的孔部。
在这种作业机械中,易于在加工工具和工件上产生切削阻力导致的弯曲。而且有时由于该弯曲而在加工工具和工件引起振动,该振动成为颤振(包含所谓的再生颤振)而显现于加工中。
为了抑制上述颤振,以往以来采用了各种方法。例如,如日本特开2007-44852号公报所公开的那样,具有检测切削工具、被切削部件或机械加工装置的颤振频率的颤振检测单元、以及根据检测出的颤振频率运算用于降低颤振的上述切削工具或被切削部件的转速的运算单元。
该技术方案还具有确定颤振类型的颤振确定单元、变更上述切削工具或被切削部件的转速的转速变更单元,上述颤振确定单元根据由上述转速变更单元变更了上述旋转单元的转速时的颤振频率的变化,进行颤振的确定。
然而在上述专利文献1中,是在实际产生了颤振之后,运算用于降低颤振的切削工具或被切削部件的转速。因此容易在被切削部件处产生颤振的影响,有可能无法完成高精度的加工处理。
而且,当判别是再生颤振还是摩擦颤振时,根据是否通过改变主轴转速而使得颤振频率发生了变化来进行判别。因此,就需要实际改变主轴转速的作业,不但工序变得复杂,还耗费时间。
本发明就是为了解决这种问题而完成的,其目的在于提供一种能通过简单的工序和结构,尽量阻止颤振的产生,能高效完成高精度的加工作业的作业机械的颤振抑制方法以及装置。
发明内容
本发明涉及用于在借助加工工具对工件实施加工处理时,抑制颤振的产生的作业机械的颤振抑制方法。
该颤振抑制方法具有:检测上述加工工具或上述工件的旋转开始时所产生的振动的步骤;判断从上述旋转开始时检测到的上述振动是否超过了阈值的步骤;以及当判断为上述振动超过了上述阈值时,利用傅里叶级数展开对上述振动进行解析,根据频率×60÷刃数(或其倍增)的运算式调整机械主轴的转速的步骤。
另外,本发明还涉及用于在借助加工工具对工件实施加工处理时,抑制颤振的产生的作业机械的颤振抑制装置。
该颤振抑制装置具有:振动检测机构,其检测上述加工工具或上述工件的旋转开始时所产生的振动;判断机构,其判断从旋转开始时检测到的上述振动是否超过了阈值;以及运算机构,其在判断为上述振动超过了上述阈值时,利用傅里叶级数展开解析从上述旋转开始时检测到的上述振动,根据频率×60÷刃数(或其倍增)的运算式调整机械主轴的转速。
在本发明涉及的作业机械的颤振抑制方法以及装置中,从旋转开始时检测振动,利用傅里叶级数展开解析上述振动。傅里叶级数展开的运算简单,能进行迅速的处理,即时性能得到良好地提升,能够在实际产生颤振之前预见到颤振。
因此,能够尽早预见到振动随着旋转开始而从零开始增长的再生颤振。由此能够在实际产生颤振带来的影响之前调整机械主轴的转速,能够可靠地抑制再生颤振的产生。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的作业机械的颤振抑制装置的概要说明图。
图2是构成上述颤振抑制装置的颤振抑制控制器的说明图。
图3是说明上述颤振抑制装置的颤振抑制方法的流程图的前段。
图4是上述流程图的后段。
图5是空转时振动与切削时振动的说明图。
图6是阈值设定的流程图。
图7是主轴转速处于稳定边界时的说明图。
图8是稳定加工时的说明图。
图9是稳定加工时除去了高次谐波的状态的说明图。
图10是主轴转速处于稳定边界时的说明图。
图11是颤振预兆时的峰值说明图。
图12是本发明第2实施方式的作业机械的颤振抑制装置的概要说明图。
图13是本发明第3实施方式的作业机械的颤振抑制装置的概要说明图。
具体实施方式
如图1所示,本发明第1实施方式的作业机械的颤振抑制装置10可应用于机床12。
该机床12具有借助轴承16在壳体14内设置为可旋转的主轴(spindle)18、可自由拆装于上述主轴18上的镗杆(加工工具)20,在上述镗杆20的前端安装有镗刀22。在作业工作台24上放置有工件W。
颤振抑制装置10具有:为了检测镗杆20开始旋转时产生的振动而安装于壳体14的侧部的加速度传感器(振动检测机构)26、以及通过傅里叶级数展开来解析上述镗杆20的旋转开始时检测到的上述振动,调整主轴18的转速,并向机械控制装置28输出更新值的颤振抑制控制器30。机械控制装置28用于控制机床12,与控制操作盘32连接。
振动检测机构除了加速度传感器26之外,还使用通过声波获得振动音的麦克风34。并且,加速度传感器26也可以不设置于壳体14,而设置于工件W侧、例如作业工作台24。
如图2所示,颤振抑制控制器30具有通过放大及滤波电路36对由加速度传感器26等检测到的机械振动(加工振动)放大并进行取入的颤振抑制运算单元(运算机构)38。
颤振抑制运算单元38连接有:用于指示根据振动的监视状态开始运算处理的阈值(将后述)的指示单元40、用于输入主轴18的转速和刀具22的刃数等加工条件的加工条件输入单元42、用于在外部显示加工状态等的显示单元44、以及用于输出通过后述的运算处理而调整的主轴转速的更新值输出单元46。更新值输出单元46自动对机床12的机床控制装置28输出更新的主轴转速。
下面,根据图3起所示的流程图说明这样构成的颤振抑制装置10的颤振抑制方法。
如图1所示,在机床12中,安装了镗杆20的主轴18被旋转驱动,并且沿着工件W的下孔Wa被送出。于是,镗杆20向工件W的下孔Wa侧相对移动。因此镗杆20旋转,借助安装于该镗杆20的刀具22在构成下孔Wa的内壁面实施镗孔加工。
颤振抑制装置10在主轴18开始旋转驱动的同时(步骤S1),开始加速度传感器26(和/或麦克风34)对加工振动的监视(步骤S2)。在颤振抑制运算单元38中,判断经由放大及滤波电路36取入的加工振动是否超过了预先自动设定的阈值、例如主轴18空转时的振动(步骤S3)。
在此,在开始机械加工之前,主轴18空转时的振动与切削时的振动实际上按照图5所示发生变化。于是,以主轴18空转时的振动作为容许值来运算振动解析的阈值。具体而言,如图6所示,当开始了主轴18的空转时(步骤S31),读入该空转时的振动(步骤S32)。在加工条件输入单元42中,进行阈值(振动振幅)的设定运算,设定空转容许值的阈值(步骤S33)。
接着,当判断为加工振动超过了阈值时(步骤S3为“是”),则进入步骤S4,进行上述加工振动的基于傅里叶变换(傅里叶级数展开)的运算解析。具体而言,时间振动f(t)可由f(t)=∑(ajcos2πJt+bjsin2πJt)表示。其中,aj是频率J的余弦调和分量傅里叶系数,bj是频率J的正弦调和分量傅里叶系数。
而且,对于频率J的傅里叶系数根据aj=1/2T∫f(t)cos(2πJt)dt和bj=1/2T∫f(t)sin(2πJt)dt进行傅里叶级数展开。并且积分区间是0~T,该成分区间T是周期1/J的整数倍。
其中,为了提高基于傅里叶级数展开的实时性(即时性),需要设定为实际产生颤振的振动频率、例如20Hz~4000Hz,使用于解析的数据数量处于最小限度。
然后进入步骤S5,根据获得的傅里叶系数,根据P(J)=aj 2+bj 2计算出能量谱P(J)(最大振动振幅)。
接着,进入步骤S6,进行频率峰值的粗略检索。粗略检索指的是大略扫描经傅里叶级数展开处理的振动信号的能量谱的峰值,检索其中的峰值。具体来说是按照每10Hz(第1频率)扫描20Hz~4000Hz之间的频带。
当不存在峰值的情况下(步骤S7为“否”),返回步骤S2进行振动监视处理。而当判断为存在峰值时(步骤S7为“是”),进入步骤S8,进行经粗略检索后的峰值的精细检索。精细检索指的是按照每1Hz(第2频率)扫描经粗略检索后的峰值的前后几十Hz。
然后,进入步骤S9,当不存在峰值的情况下(步骤S9为“否”),返回步骤S2进行振动监视处理。而当判断为存在峰值时(步骤S9为“是”),进入步骤S10,检索能量最大的频率峰值(基波)。
在此,当对机械振动进行傅里叶级数展开时,计算出基频分量及其高次谐波分量(2次谐波、3次谐波等)。高次谐波分量是基频的整数倍的频率,是与原本的基频所具备的振动的物理原因不关联的不需要的信号。因此,当在步骤S11中判定为存在高次谐波分量时(步骤S11为“是”),进入步骤S12,消除该高次谐波。由此能仅获得与振动原因关联的基波。
通常,当通过机床12进行稳定加工时,如图7和图8所示,主轴18的转速处于稳定区域。并且,图7表示颤振相对于主轴18的旋转而产生的边界切深的变化,存在着稳定边界局部变高的所谓的稳定袋(安定ポケツト)。即,若使主轴18的转速与颤振的振动频率×60÷刃数或其整数分之一一致,则能够抑制颤振。
而如图8所示,计算出的频率分量例如包含基频分量(主轴18空转时的转速)A、颤振成长之前的振动分量B、2次谐波分量C和3次谐波分量D。并且,基频分量A是预先输入到加工条件输入单元42的数值,不对该数值进行变更指示。
于是,高次谐波的消除处理中,首先将取入的振动频率进行傅里叶级数展开,然后转换为能量谱,从该数据中选择出能量峰值最高的频率。接着将其作为基波,将其整数倍的频率作为高次谐波,并与计算出该高次谐波的能量谱的峰值进行比较。
比较是从频率峰值由低到高的顺序来进行的,若存在一致的峰值,则将其消除。其结果,仅留下消除了高次谐波(2次谐波分量C和3次谐波分量D)的基频分量,从而不重新取入而仅检测出与振动的物理原因关联的振动频率(参见图9)。
通过除去该高次谐波分量的处理,能够去除并非颤振的情况下的所谓的伪信号,能提高信号解析的可靠性。它还发挥了检测的安全处理的作用,因此在通过麦克风34检测振动时尤为有效。
通过同样的处理,检测出能量次大的频率峰值(基波)(步骤S13),当判断为不存在次大的峰值时(步骤S14为“是”),则进入步骤S15,进行是否为颤振的判定。
在第1实施方式中,在实用性振动范围内(例如,20Hz~4000Hz)进行判定,因此其振动频率包含主轴18的转速的振动频率(包含高次谐波)、与乘以了其所使用的刀具22的刃数的振动频率(包含高次谐波)和加工所伴随的颤振频率。
于是,预先将主轴18的转速与刀具22的刃数等输入颤振抑制运算单元38。因此与主轴18的转速的振动频率以及乘以了刀具22的刃数的振动频率不相应的振动就为颤振频率或其预兆。因此,若从机械加工开始时刻起始终进行这一系列处理,则从机械振动中自动计算出颤振的预兆。
具体而言,进行消除了高次谐波分量的运算频率的峰值与作为加工条件而事先输入的主轴18的转速的振动频率(转速÷60)或刀具22的刃数的振动频率(转速×刃数÷60)是否一致的比较(步骤S16和步骤S17)。
其中,运算频率的峰值若与这些事先输入的信息值一致(步骤S16和步骤S17为“是”),则判断为属于伴随主轴18进行旋转加工而产生的加工力的变动或刀具22的刀刃断续重复切削导致的强制振动(步骤S18),返回振动监视(步骤S19)。
而当检测到不符合该条件的运算频率峰值时(步骤S16和步骤S17为“否”),则将其判断为再生颤振的频率(步骤S20),进入到对用于调整主轴18的转速的机械转速变更的指示(步骤S21)。
例如,当工件W的切削性较低的情况或上述工件W的壁厚较薄、加工状态容易伴随加工进展而变化的情况下,随着加工的进展容易产生颤振。
图10和图11示出这种颤振的预兆阶段。即,由于时间变化导致的稳定边界的移动,主轴18的转速在稳定袋法的边界上移动。当处于该状态时,即使加工中的主轴18的旋转稳定,特定频率的振动振幅也会变大。这就是显现出颤振预兆的振动的状态。若原样继续加工,则颤振会持续增大,预兆将发展为有害的振动。
其中,在第1实施方式中,为了抑制颤振,实时监视加工状态,当产生了颤振的预兆振动时,利用该振动频率进行基于稳定袋法的频率×60÷刃数(或其倍增)的运算。由此计算出主轴18的更新转速,其可以自动表现出稳定袋法的中心转速。
接着,颤振抑制运算单元38在显示单元44显示计算出的主轴18的更新转速,并且将其作为机械的转速变更信号(例如关于主轴18的转速的来自外部的超驰(オ一バ一ライド)指示),从更新值输出单元46自动反馈输出给机床控制装置28。因此,机床12立即变更为所指示的主轴18的转速,能进行不会出现有害颤振的切削加工。
如上,从主轴18开始旋转时起、即不存在颤振的状态下的加工开始的时刻(=监视开始指示时刻)起,实时监视加工的振动。于是,根据颤振的预兆振动,即刻将主轴18的转速变更为基于稳定袋法的不产生颤振的最佳加工转速,将颤振抑制于预兆阶段。
由此,通过采用该方式,当以稳定袋法的稳定区域的主轴18的转速开始加工时以及由于加工的时间变化(例如加工部位的变化、工件W的壁厚变化等)使得稳定区域移动、主轴18的转速移动到稳定袋法的稳定边界区域的情况下,或者进一步主轴18的转速移动到稳定袋法的不稳定区域的情况下,也能够根据这些振动即刻开始运算,能够将主轴18的转速移动到稳定袋法的稳定区域的中心转速。即,根据该指示,若即刻变更机床12的主轴18的转速,则成为自动变更到不会产生颤振的稳定区域的中心转速的状态。
这种情况下,在第1实施方式中,从开始旋转时检测振动,通过傅里叶级数展开解析上述振动。傅里叶级数展开的运算简单且能进行迅速的处理,因此即时性能得到良好的提升,在实际产生颤振之前预见到颤振。
因此,能够尽早预见到振动随着旋转开始而从零开始增长的再生颤振。由此能够在实际产生颤振带来的影响之前调整主轴18的转速,能够可靠地抑制再生颤振的产生。
而且,以主轴18空转时的振动作为容许值来运算阈值。因此,在实际加工时监视加工振动,当检测到空转容许值的阈值以上的振动时,能更为迅速地将其探测为颤振的预兆。
图12是本发明第2实施方式的作业机械的颤振抑制装置50的概要说明图。
并且,对与第1实施方式的颤振抑制装置10相同的构成要素赋予相同的参照标号,省略对其详细说明。另外,关于此后说明的第3实施方式也同样省略对其详细说明。
在第1实施方式的颤振抑制装置10中,颤振抑制运算单元38在显示单元44显示主轴18的转速的变更指示,而且更新值输出单元46自动对机床12的机床控制装置28输出更新的主轴转速。
与此相对,在颤振抑制装置50中,将主轴18的转速变更指示显示于显示单元44,另一方面,操作者通过手动操作控制操作盘32,进行机床12的主轴18的转速变更(例如主轴转速变更的超驰值的变更)。因此不再需要能够接受自动更新时所用的指示信号并将其反馈给主轴18的转速变更的系统。
图13是本发明第3实施方式的作业机械的颤振抑制装置60的概要说明图。
颤振抑制装置60为了检测出镗杆20开始旋转时产生的振动,在壳体14上具有分别检测X轴方向、Y轴方向和Z轴方向这3个方向的振动的加速度传感器(振动检测机构)62、64、66。
机械振动具有方向性,具有例如易于产生X轴方向的振动而不易产生Z轴方向的振动等固有的特性。当如颤振的预兆那样在极小范围内检测机械振动的情况下,无论是何种方向的振动,都需要灵敏度良好地将其检测出来。
于是在第3实施方式中,在正交的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向这3个方向上安装了加速度传感器62、64、66。因此,能有效提升振动获得的精度,更为可靠且迅速地检测到颤振的预兆。
另外,将加速度传感器62、64、66安装于工件W侧的情况下也相同。还可以不将加速度传感器62、64、66直接安装于壳体14,而是使用将机械振动作为声波的传递来收集的麦克风,也能获得同样的效果。此时与加速度传感器62、64、66的情况同样,通过设置多个麦克风,也能提升振动获得的精度。
产业上的利用可能性
根据本发明的作业机械的颤振抑制方法以及装置,从开始旋转时检测振动,通过傅里叶级数展开来解析上述振动。傅里叶级数展开的运算简单且能进行迅速的处理,因此即时性能得以良好地提升,在实际产生颤振之前预见到颤振。
因此,能够尽早预见到振动随着旋转开始而从零开始增长的再生颤振。由此能够在实际产生颤振带来的影响之前调整机械主轴的转速,可靠地抑制再生颤振的产生。
Claims (12)
1.一种作业机械的颤振抑制方法,用于在借助加工工具对工件实施加工处理时,抑制颤振的产生,其特征在于,该颤振抑制方法包括:
检测上述加工工具或上述工件的旋转开始时所产生的振动的步骤;
判断从上述旋转开始时检测到的上述振动是否超过了阈值的步骤;以及
当判断为上述振动超过了上述阈值时,利用傅里叶级数展开对上述振动进行解析,根据频率×60÷刃数(或其倍增)的运算式调整机械主轴的转速的步骤。
2.根据权利要求1所述的颤振抑制方法,其特征在于,上述阈值是上述机械主轴在空转时的振动。
3.根据权利要求1或2所述的颤振抑制方法,其特征在于,利用上述傅里叶级数展开,在周期(1/频率)的整数倍的积分区间计算峰值频率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的颤振抑制方法,其特征在于,该颤振抑制方法还包括:
利用上述傅里叶级数展开,在周期(1/频率)的整数倍的积分区间,按照每个第1频率计算峰值频率的步骤;以及
按照对上述第1频率进行细化而得到的每个第2频率,对计算出的上述峰值频率的前后计算峰值频率的步骤。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的颤振抑制方法,其特征在于,在从利用上述傅里叶级数展开而计算出的频率分量中消除了高次谐波分量的状态下,对计算出的上述频率分量与上述阈值进行比较。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的颤振抑制方法,其特征在于,该颤振抑制方法还包括判断利用上述傅里叶级数展开计算出的频率分量是否为再生颤振导致的振动的步骤。
7.一种作业机械的颤振抑制装置,其用于在借助加工工具对工件实施加工处理时,抑制颤振的产生,其特征在于,该颤振抑制装置具有:
振动检测机构,其检测上述加工工具或上述工件的旋转开始时所产生的振动;
判断机构,其判断从旋转开始时检测到的上述振动是否超过了阈值;以及
运算机构,其在判断为上述振动超过了上述阈值时,利用傅里叶级数展开解析从上述旋转开始时检测到的上述振动,根据频率×60÷刃数(或其倍增)的运算式调整机械主轴的转速。
8.根据权利要求7所述的颤振抑制装置,其特征在于,上述阈值是上述机械主轴在空转时的振动。
9.根据权利要求7或8所述的颤振抑制装置,其特征在于,上述运算机构利用上述傅里叶级数展开,在周期(1/频率)的整数倍的积分区间计算峰值频率。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的颤振抑制装置,其特征在于,上述运算机构利用上述傅里叶级数展开,在周期(1/频率)的整数倍的积分区间,按照每个第1频率计算出峰值频率,然后按照对上述第1频率进行细化而得到的每个第2频率,对计算出的上述峰值频率的前后计算峰值频率。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的颤振抑制装置,其特征在于,上述运算机构从利用上述傅里叶级数展开而计算出的频率分量中消除高次谐波分量。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的颤振抑制装置,其特征在于,上述运算机构判断利用上述傅里叶级数展开计算出的频率分量是否为再生颤振导致的振动。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120321 |