CN102452022A - 机床的监视方法、监视装置和机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机床的监视方法、监视装置和机床，能迅速且容易地把握有关振动的当前加工状态，能高效地导出最佳加工条件。立式加工中心的监视装置具有：检测加工所伴随的振动的振动传感器；检测主轴的旋转的旋转检测器和旋转检测部；以及稳定临界及振动分布计算部，其基于由振动传感器检测出的振动信息以及由旋转检测器和旋转检测部检测出的主轴的旋转速度，分别生成表示旋转速度与加工稳定临界之间的关系的稳定临界线图、以及表示旋转速度与振动之间的关系的振动分布图，并在监视器将两图上下并列地进行显示。稳定邻接和振动分布计算部用与旋转速度的轴正交且跨越稳定临界线图(F1)和振动分布图(F2)的直线(L)来显示当前主轴旋转速度。

Description

机床的监视方法、监视装置和机床

技术领域

本发明涉及监视方法和监视装置、以及具有该监视装置的机床，该监视方法和监视装置用于在一边使安装于主轴的工具或工件旋转一边进行加工的机床中监视有关振动的加工状态。

背景技术

在一边使安装于主轴的工具或工件旋转一边进行加工的加工中心等机床中，公知这样的情况：由于主轴的旋转速度或进给速度等加工条件而产生颤振，使加工面变差，或者工具受到损伤而还导致工具寿命的恶化。

但是，关于最初加工时的旋转速度等加工条件，不外乎基于经验反复试验进行探索。操作者记录该反复试验过程中的加工条件，重新调整条件，由此来确定最佳加工条件。从而，通过进行变更对于颤振所产生的旋转速度的反复试验，实现了颤振的消除或减轻。

因此，公知有下述的监视装置的发明：监视机床的有关颤振的加工状态，启示能够消除颤振的加工条件。例如专利文献1公开了如下的发明：在坎贝尔图(纵轴表示频率、横轴表示旋转速度、斜轴表示旋转次数(谐波次数)(回転次数))上描绘工件的固有振动的加工前和加工后的区域和由工具刃的通过所产生的振动成分，利用该坎贝尔图，能够容易地确认在工件的固有振动的加工前和加工后的区域内没有工具的振动成分的旋转速度。

另一方面，非专利文献1公开了下述方法：根据加工中测量到的颤振频率和稳定临界切入量来反向确定传递函数，求出稳定临界线图。还有利用脉冲响应法测定机械结构的传递函数来求出稳定临界线图的方法，但在实际加工中具有如下课题：机械结构的传递特性时刻变化，因此结果不一致。通过采用该方法，即使是在旋转过程中传递特性发生变化的机械结构，也能够高精度地求出稳定临界线图，并能够基于该稳定临界线图选择能避免颤振的旋转速度。

专利文献1：日本特开2009-274179号公报

非专利文献1：2008年度精密工学会春季大会学术讲演会讲演论文集“利用立铣刀加工中的实验结果反向确定传递函数”

但是，专利文献1的发明避免了以工具的旋转频率×刃数×正整数而输入的频率引起的强制颤振，具有不能应对再生颤振的课题。

此外，坎贝尔图通常以圆的大小表示振动振幅的大小，表示任意旋转速度下的颤振频率和振动的大小，但专利文献1中没有利用这种实际振动信息。例如，在工具已磨损的情况下，有时从工具对工件作用脉冲力，在所有的旋转速度中以工件的固有振动频率产生颤振。因此，需要在坎贝尔图上也示出加工实测值，判断颤振状态，在进行旋转速度的确认时，旋转速度和振动的大小等之间的相互关系不易理解。

另一方面，非专利文献1的方法对再生颤振是有效的，但假定完全是等模式的立铣刀工具的颤振，未必能高精度计算所有加工条件下的再生颤振的稳定临界。但是，对于颤振知识溃泛的操作者来说，只看稳定临界线图无法判断实际中在什么样的加工条件下稳定临界图难以一致。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供能够迅速且容易地把握有关振动的加工状态、能够高效地导出最佳加工条件的机床的监视方法和监视装置、及机床。

为了实现上述目的，第一方式记载的发明是机床的监视方法，该监视方法的特征在于，该监视方法执行以下步骤：振动检测步骤，其检测加工所伴随的振动；旋转检测步骤，其检测主轴的旋转速度；作图显示步骤，其基于由振动检测步骤检测出的振动信息、以及由旋转检测步骤检测出的旋转速度，生成表示旋转速度与加工稳定临界之间的关系的稳定临界线图，并在显示单元进行显示；和当前速度显示步骤，其在稳定临界线图上用与旋转速度的轴正交的直线显示当前的旋转速度。

第二方式记载的发明在第一方式的构成中，其特征在于，在作图显示步骤中，除了稳定临界线图之外，还生成表示旋转速度与振动之间的关系的振动分布图，并且使旋转速度的轴为相同范围和长度来生成稳定临界线图和振动分布图，在当前速度显示步骤中，使直线跨越稳定临界线图和振动分布图地进行显示。

第三方式记载的发明在第一或第二方式的构成中，其特征在于，所述监视方法还执行记录步骤，该记录步骤中，对所生成的图和使用的工具的信息都进行记录。

为了实现上述目的，第四方式记载的发明是一种机床的监视装置，该监视装置的特征在于，该监视装置具备：振动检测单元，其检测加工所伴随的振动；旋转检测单元，其检测主轴的旋转速度；作图显示单元，其基于由振动检测单元检测出的振动信息、以及由旋转检测单元检测出的旋转速度，来生成表示旋转速度与加工稳定临界之间的关系的稳定临界线图，并在显示部中进行显示；和当前速度显示单元，其在稳定临界线图上用与旋转速度的轴正交的直线显示当前的旋转速度。

第五方式记载的发明在第四方式的构成中，其特征在于，除了稳定临界线图之外，作图显示单元还生成表示旋转速度与振动之间的关系的振动分布图，并且使旋转速度的轴为相同范围和长度来生成稳定临界线图和振动分布图，当前速度显示单元使直线跨越稳定临界线图和振动分布图地进行显示。

第六方式记载的发明在第四或第五方式的构成中，其特征在于，所述监视装置还具备记录单元，该记录单元对所生成的图和使用的工具的信息都进行记录。

为了实现上述目的，第七方式记载的发明是一种机床，该机床使安装于主轴的工具或工件旋转来进行加工，其特征在于，该机床具有第四至第六方式中任一项所述的监视装置。

根据第一、第四和第七方式记载的发明，能够简单且可靠地辨认当前加工状态，启示最佳旋转速度也变得容易。

根据第二和第五方式记载的发明，除了上述效果，通过将从实际加工求得的稳定临界线图和针对每个速度的振动分布图与当前旋转速度同时显示，从而还能够迅速且容易地把握有关振动的当前加工状态，能够高效地导出最佳加工条件。

根据第三和第六方式记载的发明，除了上述效果，由于对所生成的图以及使用的工具的信息都进行记录，因此下次使用同一工具加工不同工件时，还能够检索工具的信息进行参照。

附图说明

图1是立式加工中心的概略结构图。

图2是主轴壳体的侧视图。

图3是主轴壳体的主视图(从轴向观察到的图)。

图4是监视方法的流程图。

图5是表示振动信息的例子的说明图。

图6是表示监视器上的稳定临界线图和振动分布图的显示状态的说明图。

标号说明

1：立式加工中心；2：主轴头；3：主轴；4：工具；7a～7b：振动传感器；10：监视装置；11：FFT运算装置；12：数值控制装置；13：振动判定部；14：旋转检测部；15：存储部；16：稳定临界和振动分布计算部；17：监视器；18：工具信息存储部。

具体实施方式

下面，基于附图说明本发明的实施方式。

图1是作为机床一个例子的立式加工中心的概略结构图，立式加工中心1在设于上方的主轴头2设有能够绕C轴自如旋转的主轴3，通过安装在该主轴3的工具4，对设在下方加工台5上的工件6进行加工，在该公知的结构中，设在后述的监视装置10的数值控制装置12根据数控(NC)程序来控制主轴3的旋转，并且通过未图示的自动工具更换装置能够自动更换工具4。

在监视装置10设有FFT运算装置(Fast Fourier Transform：快速傅里叶变换运算装置)11和数值控制装置12。振动传感器7a～7c连接于FFT运算装置11，该振动传感器7a～7c设于主轴头2，为测量振动的振动检测单元。该振动传感器7a～7c检测伴随主轴3的旋转所产生的时间区域的振动(时间轴上的振动)，如图2、3所示，振动传感器7a～7c以能够检测相互正交的X轴、Y轴、Z轴方向上的时间区域的振动信息的状态安装于主轴头2。FFT运算装置11基于振动传感器7a～7c检测出的振动进行傅里叶解析。

此外，数值控制装置12具有：振动判定部13，其根据操作者输入的阈值来判断是否产生了颤振；和旋转检测部14，其通过设于主轴头2的旋转检测器8的输出来检测主轴3的旋转速度。旋转检测器8和旋转检测部14为旋转检测单元。

振动判定部13，比较由FFT运算装置11变换为频率区域的振动与阈值，在振动超过阈值的情况下，作出如下指示：将振动和其频率发送至存储部15，并且，将由旋转检测部14检测出的主轴3的旋转速度发送至存储部15。发送至存储部15的振动和频率、旋转速度的振动信息被与操作者输入的工具的刃数、工具号码相关联地进行记录。

标号16是作为作图显示单元的稳定临界和振动分布计算部，这里，利用记录于存储部15的振动信息来计算稳定临界，整理各速度下的振动分布。并且，生成稳定临界线图和振动分布图，并在监视器17显示这两个图，该监视器17标准地装备于数值控制装置12，为用于显示数控程序和设备当前位置等的显示部，并且，针对每个工具号码，将得到的稳定临界线图和振动分布图记录于作为存储单元的工具信息存储部18。

基于图4的流程图说明在如上那样构成的立式加工中心1的监视装置10中监视有关振动的加工状态的方法。

首先，当在S1中开始加工，在S2中，数值控制装置12从振动传感器7a～7c经由FFT运算装置11获得当前的振动信息(振动检测步骤)，并且，旋转检测部14从旋转检测器8检测主轴3的旋转速度(旋转检测步骤)。然后，在S3中，振动判定部13比较操作者预先设定的阈值与时间区域的振动。该判别中，在检测出的振动小于等于阈值时，返回S2，继续进行振动信息的获取，在检测出的振动大于阈值时，在S4中将该振动信息和旋转速度、刃数、工具号码以及日期和时间包括在内记录于存储部15。S5的判别中为加工未结束时，继续S2以后的处理。

其结果是，得到图5所示那样的数据1、数据2…。各数据1、2…由日期、时间、工具号码、旋转速度、振动频率、振动构成。

接下来，操作者输入稳定临界线图和振动分布图的显示指令后，稳定临界和振动分布计算部16采用如图5所示那样记录的数据1、数据2…计算稳定临界，并如图6所示，将稳定临界线图F1为上、振动分布图F2为下，使作为横轴的主轴旋转速度的范围和长度一致地生成两图，并在监视器17显示(作图显示步骤)。然后，这里也作为当前速度显示单元的稳定临界和振动分布计算部16用与旋转速度的轴正交并跨越稳定临界线图F1和振动分布图F2的直线L来显示当前的主轴旋转速度(当前速度显示步骤)。该当前旋转速度的直线L随着主轴3的速度变化而左右移动。在监视器17的左上显示加工所使用的工具号码。该稳定临界线图F1和振动分布图F2能够根据操作者的输入指令而记录于工具信息记录部18。

因此，操作者能够容易地确认稳定临界线图的可信程度。即、判定为稳定临界线图能够信赖的情况下，能够利用稳定临界线图，在判定为可信性低的情况下，能够利用振动分布图在各情况下选择最佳的旋转速度，能够找到高效且最佳的加工条件。由此，即使在不能利用稳定临界线图的强制颤振情况下，也能够利用振动分布图将振动小的旋转速度设定为加工条件。

特别是，当前旋转速度同时显示在稳定临界线图和振动分布图中，因此即使不读取稳定区域的旋转速度的数值，例如也能够通过改变主轴速度的倍率(over ride)而不改变程序、同时使图示的稳定区域和当前速度的直线相一致，来将旋转速度容易地变更到稳定区域。由此，能够简单且容易地变更为最佳旋转速度。

这样，根据上述方式的立式加工中心1的监视装置10，其具有：检测加工所伴随的振动的振动传感器7a～7c；检测主轴3的旋转的旋转检测器8和旋转检测部14；作图显示单元(稳定临界和振动分布计算部16)，其基于振动传感器7a～7c检测出的振动信息、以及由旋转检测器8和旋转检测部14检测出的主轴3的旋转速度，生成表示旋转速度和加工稳定临界之间关系的稳定临界线图，并显示于监视器17；和当前速度显示单元(稳定临界和振动分布计算部16)，其在稳定临界线图上用与旋转速度的轴正交的直线L来显示当前旋转速度，监视装置10执行依据各步骤的监视方法，由此能够简单且可靠地辨认当前的加工状态，也能容易地启示最佳旋转速度。

特别是，在这里，稳定临界和振动分布计算部16除了稳定临界线图之外还生成表示旋转速度和振动之间关系的振动分布图，并且使旋转速度的轴为相同范围和长度来生成稳定临界线图和振动分布图，直线L跨越稳定临界线图和振动分布图来显示，因此能够迅速且容易地把握有关振动的当前加工状态，能够高效地导出最佳加工条件。

此外，监视装置10还具有记录单元(工具信息存储部18)，该记录单元对所生成的图以及使用的工具的信息都进行记录，由此在下一次使用同一工具加工不同工件时，能够检索工具信息加以参照。

而且，在上述方式中，被显示于监视器的当前旋转速度是用与旋转速度轴正交并跨越稳定临界线图和振动分布图两者的直线来进行显示的，但既可以用针对各图分开的直线来显示，也可以对直线加上数值显示。此外，还可以将两图上下颠倒，或者将旋转速度轴作为纵轴，将临界切入量和振动作为横轴，并使两图左右并列等，可以适当地改变具体的布局。

此外，对操作者基于稳定临界线图和振动分布图的显示来选择旋转速度进行变更的例子进行了说明，但还可以用搭载有主轴旋转速度能够自动变更的数值控制装置的机床来实施，基于稳定临界的计算值来自动地变更为稳定的旋转速度。

另外，在上述方式中，采用所记录的振动信息来计算稳定临界并在任意时刻显示稳定临界线图和振动分布图，但还可以在每次提取振动信息时进行计算并在监视器始终实时显示稳定临界线图和振动分布图。

除此之外，设置了兼作作图显示单元和当前速度显示单元的稳定临界和振动分布计算部，但还可以分别设置作图显示单元和当前速度显示单元。

而且，在上述方式中，生成稳定临界线图和振动分布图这两个图并在监视器并列显示，但还可以仅生成与旋转速度轴正交的直线和稳定临界线图并进行显示。在该情况下也能够简单且可靠地辨认当前的加工状态，能够容易地启示最佳的旋转速度。

另一方面，作为振动检测单元，除了振动传感器之外，还可以使用微音器、位置和旋转检测器、主轴和进给轴电动机的电流来检测振动。

而且，在上述方式中，利用机床的数值控制装置构成监视装置，但也可以将振动信息经由与数值控制装置连接的网络发送到设在机床外部并具有输入单元和监视器的计算机，在外部计算机生成稳定临界线图和振动分布图，并与当前旋转速度一并进行显示。这样的话，还能够将多个机床在一处集中进行管理。

除此之外，作为机床不限于立式加工中心，即使是使安装于主轴的工件旋转并进行加工的数控车床等其他机床，本发明也都能够应用。

Claims (7)

1.一种机床的监视方法，该机床的监视方法在机床中监视有关振动的加工状态，所述机床使安装于主轴的工具或工件旋转来进行加工，所述机床的监视方法的特征在于，

该机床的监视方法执行以下步骤：

振动检测步骤，其检测加工所伴随的振动；

旋转检测步骤，其检测所述主轴的旋转速度；

作图显示步骤，其基于由所述振动检测步骤检测出的振动信息、以及由旋转检测步骤检测出的旋转速度，生成表示所述旋转速度与加工稳定临界之间的关系的稳定临界线图，并在显示单元进行显示；和

当前速度显示步骤，其在所述稳定临界线图上用与旋转速度的轴正交的直线显示当前的所述旋转速度。

2.根据权利要求1所述的机床的监视方法，其特征在于，

在所述作图显示步骤中，除了所述稳定临界线图之外，还生成表示所述旋转速度与振动之间的关系的振动分布图，并且使所述旋转速度的轴为相同范围和长度来生成所述稳定临界线图和振动分布图，

在所述当前速度显示步骤中，使所述直线跨越所述稳定临界线图和振动分布图地进行显示。

3.根据权利要求1或2所述的机床的监视方法，其特征在于，

所述机床的监视方法还执行记录步骤，该记录步骤中，对所生成的图和使用的工具的信息都进行记录。

4.一种机床的监视装置，该机床的监视装置具有显示部并在机床中监视有关振动的加工状态，所述机床使安装于主轴的工具或工件旋转来进行加工，所述机床的监视装置的特征在于，

该机床的监视装置具备：

振动检测单元，其检测加工所伴随的振动；

旋转检测单元，其检测所述主轴的旋转速度；

作图显示单元，其基于由所述振动检测单元检测出的振动信息、以及由旋转检测单元检测出的旋转速度，来生成表示所述旋转速度与加工稳定临界之间的关系的稳定临界线图，并在所述显示部中进行显示；和

当前速度显示单元，其在所述稳定临界线图上用与旋转速度的轴正交的直线显示当前的所述旋转速度。

5.根据权利要求4所述的机床的监视装置，其特征在于，

除了所述稳定临界线图之外，所述作图显示单元还生成表示所述旋转速度与振动之间的关系的振动分布图，并且使所述旋转速度的轴为相同范围和长度来生成所述稳定临界线图和振动分布图，

所述当前速度显示单元使所述直线跨越所述稳定临界线图和振动分布图地进行显示。

6.根据权利要求4或5所述的机床的监视装置，其特征在于，

所述监视装置还具备记录单元，该记录单元对所生成的图和使用的工具的信息都进行记录。

7.一种机床，该机床使安装于主轴的工具或工件旋转来进行加工，其特征在于，

该机床具有权利要求4至6中任一项所述的监视装置。

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