CN102554685A - 机床中的振动抑制方法以及振动抑制装置 - Google Patents

机床中的振动抑制方法以及振动抑制装置 Download PDF

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Abstract

机床中的振动抑制方法以及振动抑制装置。本发明的课题是提供一种能够从计算出的稳定旋转速度中选择不使动态特性变化的最佳稳定旋转速度并能够可靠抑制颤振的振动抑制方法以及振动抑制装置。作为解决手段，存储主轴(3)的最高旋转速度和主轴(3)系统的动态特性改变的切换旋转速度，从计算出的多个稳定旋转速度中，选择最高旋转速度以下、并且在旋转速度的变更时不越过切换旋转速度的稳定旋转速度作为最佳旋转速度，并将主轴(3)的旋转速度变更为该最佳旋转速度。因此，能够防止选择不能输出的旋转速度、或者变更为不能抑制主轴(3)系统的动态特性改变的“颤振”那样的旋转速度的情况，能够比以往更可靠地抑制“颤振”。

Description

机床中的振动抑制方法以及振动抑制装置
技术领域
本发明涉及用于在使刀具或者工件旋转来进行加工的机床中，抑制在加工中产生的颤振的振动抑制方法以及执行该振动抑制方法的振动抑制装置。
背景技术
以往，作为用于使作为旋转轴的主轴旋转来进行加工的机床中的振动抑制方法，公知有例如专利文献1中记载的方法。在该振动抑制方法中，为了抑制由于加工面的精加工精度恶化或刀具破损等原因导致的颤振，求取刀具或工件等这样的产生颤振的系统的固有振动频率，将固有振动频率设为60倍并除以刀具齿数和预定整数而得到的值作为稳定旋转速度。而且，通过以该稳定旋转速度进行加工来抑制在加工中产生的颤振。此外，如设整数值为“1”时的速度、为“2”时的速度那样，求取多个稳定旋转速度。
【专利文献1】日本特开2003-340627号公报
但是，在以往的一般机床中，在使主轴旋转时为了在较宽幅度的速度区域中得到足够的电动机转矩，大多采用根据主轴的旋转速度切换齿轮的方式。此外，在使主轴高速旋转的情况下，为了防止发热引起的主轴损伤，还大多采用根据主轴的旋转速度改变支撑主轴的轴承的预压的方式。因此，主轴系统的动态特性根据切换齿轮或者改变预压，即根据主轴的旋转速度而大幅变化。
此处，如上所述，用于抑制颤振的稳定旋转速度取决于“产生颤振的系统的固有振动数”来求取。但是，如上所述，主轴系统的动态特性自身取决于主轴的旋转速度，因此在计算出的多个稳定旋转速度中的一部分稳定旋转速度中，在将主轴的旋转速度变更为该稳定旋转速度时主轴系统的动态特性发生变化，有时该稳定旋转速度不是抑制颤振的旋转速度，即不能抑制颤振。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，要提供一种能够从计算出的稳定旋转速度中选择不使动态特性变化的最佳稳定旋转速度、能够可靠抑制颤振的振动抑制方法以及振动抑制装置。
为了达到上述目的，本发明中的第一方面所述的发明是一种振动抑制方法，该振动抑制方法用于在具有使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在使所述旋转轴旋转时产生的颤振，其特征在于，执行以下步骤：第1步骤，利用振动检测单元检测颤振；第2步骤，存储用于抑制所述颤振的多个稳定旋转速度、以及旋转轴系统的动态特性变化的切换旋转速度；第3步骤，从所述多个稳定旋转速度中，选择在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不越过所述切换旋转速度的稳定旋转速度作为最佳旋转速度；以及第4步骤，将所述旋转轴的旋转速度变更为所述最佳旋转速度。
第二方面所述的发明在第一方面所述的发明中，其特征在于，在所述第2步骤中，求取检测出的所述颤振的颤振频率，并且使用该颤振频率计算所述多个稳定旋转速度。
第三方面所述的发明在第一或第二方面所述的发明中，其特征在于，在所述第2步骤中，与所述旋转轴和/或安装于所述旋转轴的刀具或工件的种类对应地存储旋转速度的上限值和/或下限值，并且在所述第3步骤中，从所述多个稳定旋转速度中，选择以下的稳定旋转速度作为最佳旋转速度：在将旋转速度变更为稳定旋转速度时该稳定旋转速度不越过所述切换旋转速度，并且处于由所述上限值和/或下限值规定的范围内。
第四方面所述的发明在第一～第三的任意一个方面所述的发明中，其特征在于，在所述第3步骤中，在所述多个稳定旋转速度中，不存在在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不越过所述切换旋转速度的稳定旋转速度时，在显示单元中执行警告显示。
另一方面，为了达到上述目的，本发明中的第五方面所述的发明是一种振动抑制装置，该振动抑制装置用于在具有使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在使所述旋转轴旋转时产生的颤振，其特征在于，具有：振动检测单元，其用于检测颤振；存储单元，其存储用于抑制所述颤振的多个稳定旋转速度、以及旋转轴系统的动态特性变化的切换旋转速度；最佳旋转速度选择单元，其在检测到所述颤振时，从所述多个稳定旋转速度中，选择在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不越过所述切换旋转速度的稳定旋转速度作为最佳旋转速度；以及旋转速度变更单元，其将所述旋转轴的旋转速度变更为所述最佳旋转速度。
根据本发明，存储多个稳定旋转速度和旋转轴的动态特性改变的切换旋转速度，从该多个稳定旋转速度中，选择在变更时不越过切换旋转速度的稳定旋转速度作为最佳旋转速度，并将旋转轴的旋转速度变更为该最佳旋转速度。因此，能够防止变更为如下这样的旋转速度的情况，该旋转速度不能抑制旋转轴系统的动态特性伴随着旋转速度的变更而改变的“颤振”，能够比以往更可靠地抑制“颤振”。
此外，在第二方面所述的发明中，在第2步骤中，求取检测到的所述颤振的颤振频率，并且使用该颤振频率所述多个稳定旋转速度。即，根据实际产生的“颤振”计算稳定旋转速度，因此有能够计算进一步有效抑制振动的稳定旋转速度、并且不需要例如用于脉冲激振的昂贵装置等的优点。
并且，在第三方面所述的发明中，与旋转轴和/或安装到旋转轴的刀具或工件的种类对应地存储旋转速度的上限值和下限值，并且在所述多个稳定旋转速度中，选择以下的稳定旋转速度作为最佳旋转速度：在将旋转速度变更为稳定旋转速度时该稳定旋转速度不越过切换旋转速度，并且处于由上限值和下限值规定的范围内，因此能够选择考虑了上限值和下限值的稳定旋转速度作为最佳旋转速度，该上限值和下限值根据旋转轴自身或安装在该旋转轴上的刀具或工件的种类来设定。
此外，根据第四方面所述的发明，在第3步骤中，在多个稳定旋转速度中，不存在在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不越过切换旋转速度的稳定旋转速度时，在显示单元中执行警告显示。因此，操作者能够容易地掌握产生了上述情况，因此能够停止旋转轴的旋转等而迅速处理，从而不用担心安装在旋转轴上的刀具破损。
附图说明
图1是示出了振动抑制装置的框图结构的说明图。
图2是从侧面示出作为振动抑制对象的旋转轴壳体的说明图。
图3是从轴向示出了旋转轴壳体的说明图。
图4是示出了稳定旋转速度与界限切入量之间的关系的说明图。
标号说明
1：旋转轴壳体；2a、2b、2c：振动传感器(振动检测单元)；3：主轴(旋转轴)；5：控制装置；10：振动抑制装置；11：颤振检测单元(振动检测单元)；12：稳定旋转速度运算单元；13：稳定旋转速度存储单元(存储单元)；14：切换旋转速度存储单元(存储单元)；15：允许旋转速度存储单元(存储单元)；16：最佳旋转速度选择单元；17：NC装置(旋转速度变更单元)；18：警告显示装置(显示单元)。
具体实施方式
下面，根据附图详细说明作为本发明的一个实施方式的振动抑制方法以及振动抑制装置。
图1是示出了振动抑制装置10的框图结构的说明图。图2是从侧面示出作为振动抑制对象的旋转轴壳体1的说明图，图3是从轴向示出了旋转轴壳体1的说明图。
振动抑制装置10用于抑制产生于主轴(旋转轴)3的“颤振”，该主轴3以能够绕C轴旋转的方式装配在主轴壳体1上，振动抑制装置10具有：振动传感器2a～2c，其用于检测作为与旋转中的主轴3产生的振动相伴随的特性值的时域振动加速度(表示时间轴上的振动加速度)；以及控制装置5，其对该振动传感器2a～2c的检测值进行分析，判断是否产生“颤振”，并根据该判断结果来控制主轴3的旋转速度。此外，在旋转轴壳体1内，设置有用于使主轴3旋转的多个齿轮(未图示)、和以可旋转的方式支撑主轴3的轴承(未图示)。
振动传感器2a～2c如图2和图3所示安装在主轴壳体1上，一个振动传感器检测相对于另一个振动传感器垂直的方向上的时域振动加速度(例如，安装成通过振动传感器2a～2c检测彼此正交的X轴、Y轴、Z轴方向的时域振动加速度)。
另一方面，控制装置5具有：颤振检测单元11，其通过对由振动传感器2a～2c检测的时域振动加速度进行分析，求取频域振动加速度(频率轴上的振动加速度)，根据其最大值超过预定的阈值来检测“颤振”的产生；稳定旋转速度运算单元12，其在检测到颤振时，利用频域振动加速度取最大值时的颤振频率，按照后述的运算式计算稳定旋转速度；稳定旋转速度存储单元13，其存储计算出的稳定旋转速度；切换旋转速度存储单元14，其存储切换齿轮的主轴3的旋转速度和切换轴承的预压的旋转速度等、主轴系统的动态特性变化的切换旋转速度；允许旋转速度存储单元15，其存储主轴3的最高旋转速度；最佳旋转速度选择单元16，其从计算出的稳定旋转速度中根据各个条件选择最佳的旋转速度以抑制“颤振”；NC装置17，其变更主轴3的旋转速度，并且根据主轴3的旋转速度切换轴承的预压或齿轮等来控制旋转轴壳体1中的加工；以及警告显示装置18，其用于向操作者发出警告。
在此，对由振动抑制装置10进行的“颤振”的振动抑制控制进行说明。
首先，在旋转轴壳体1中，在使主轴3旋转而进行加工时，如果主轴3的旋转速度超过4000min-1(大于等于)，则切换内部的齿轮。此外，如果主轴3的旋转速度超过12000min-1(大于等于)，则切换轴承的预压。并且，主轴3的最高旋转速度为14000min-1。因此，操作者经由未图示的输入装置等在切换旋转速度存储单元14中设定4000min-1和13000min-1作为切换旋转速度，在允许旋转速度存储单元15中设定14000min-1作为最高旋转速度。此外，在本实施方式中，仅设定了主轴3的最高旋转速度，但是也可以构成为，作为允许旋转速度，不仅设定主轴3的允许转速的上限值即最高旋转速度，还根据需要设定作为下限值的最低旋转速度，在后述的选择时选择高于下限值的旋转速度作为最佳旋转速度，并且选择处于上限值和下限值的范围内的旋转速度作为最佳旋转速度。此外，也可以与安装到主轴3的刀具种类(此外，在使主轴3支撑工件的情况下为工件的种类)对应而设定旋转速度的上限值和下限值。
接着，在使主轴3旋转而开始对工件的加工时，在颤振检测单元11中利用上述的方法始终监视主轴3中是否产生了“颤振”。此外，使用了振动传感器2a～2c的“颤振”的检测方法通过与本发明申请人之前申请的日本特开2010-17783号公报等中详细叙述的方法相同的公知方法来进行。
并且，在颤振检测单元11中检测到“颤振”的产生时，在稳定旋转速度运算单元12中，使用与该“颤振”有关的颤振频率，根据下述运算式(1)来计算稳定旋转速度。
稳定旋转速度＝{60×颤振频率/刀具齿数×(k值+1)}......(1)
另外，“刀具齿数”是指安装于主轴3的刀具的齿数，被预先输入到稳定旋转速度运算单元12中。并且，k值是0以上的整数值，按照k＝0、1、2、3、4...的顺序代入来计算稳定旋转速度。因此，计算出多个稳定旋转速度，如果求取该稳定旋转速度与界限切入量之间的关系，则得到图4所示的曲线。
因此，在控制装置5中将主轴3的旋转速度变更为稳定旋转速度来实现“颤振”的抑制，但是此处，假定了检测到“颤振”时的主轴3的旋转速度为10000min-1，计算出的稳定旋转速度为9900min-1、11000min-1、12400min-1、14200min-1的情况。一般而言公知有如下情况：主轴的旋转速度越增加，界限切入量越大，因此设为尽可能快的旋转速度能够有效抑制“颤振”。因此，最佳旋转速度选择单元16着眼于14200min-1，但是该旋转速度比允许旋转速度存储单元15中存储的最高旋转速度、即该加工中的主轴3的最高旋转速度更快，因此不采用该旋转速度。接着，虽然着眼于12400min-1，但是该旋转速度比切换旋转速度存储单元14中存储的切换旋转速度更快。即，在变更为该旋转速度时越过了切换旋转速度，因此支撑主轴3的轴承的预压、即主轴3系统的动态特性变化，进而“颤振频率”发生变化，因此不能抑制“颤振”。因此，也不采用12400min-1。并且，最终采用比最高旋转速度慢、还不改变主轴3系统的动态特性的11000min-1作为应变更的最佳旋转速度。
之后，NC装置17向旋转轴壳体1发送指令，并将主轴3的旋转速度变更为所选择的最佳旋转速度。
此外，还考虑如下情况：例如变更轴承的预压的切换旋转速度为13000min-1，检测到“颤振”时的主轴3的旋转速度为13500min-1，计算出的稳定旋转速度为9900min-1、11000min-1、12400min-1、14200min-1。此时，14200min-1由于与上述同样超过了最高旋转速度，因此不能采用。此外，在12400min-1的情况下，由于在变更时越过了切换旋转速度，因此也不能采用该旋转速度。即，不存在可选择的稳定旋转速度。因此，在出现这种情况时，最佳旋转速度选择单元16通过警告显示装置18将该情况通知给操作者。
根据以上那样的振动抑制方法和振动抑制装置10，存储主轴3的最高旋转速度和主轴3系统的动态特性改变的切换旋转速度，从计算出的多个稳定旋转速度中，选择最高旋转速度以下、并且在旋转速度的变更时不越过切换旋转速度的稳定旋转速度作为最佳旋转速度，并将主轴3的旋转速度变更为该最佳旋转速度。因此，能够防止选择不能输出的旋转速度、或者变更为不能抑制主轴3系统的动态特性改变的“颤振”那样的旋转速度的情况，能够比以往更可靠地抑制“颤振”。
并且，具有警告显示装置18，在不存在能够选择的稳定旋转速度的情况下，将该情况通知给操作者。因此，操作者能够停止主轴3的旋转等而迅速处理，从而不用担心刀具破损。
另外，本发明的振动抑制方法和振动抑制装置不限于上述实施方式的形式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内，根据需要对检测单元、控制装置以及控制装置中的与振动抑制的控制等相关的结构进行适当变更。
例如，在求取稳定旋转速度时，在上述实施方式中使用振动传感器2a～2c计算稳定旋转速度，但是还能够构成为不利用该方法，而利用脉冲激振来求取机械系统的动态特性，通过生成图4所示的稳定界限线图来预先求得稳定旋转速度，并存储到稳定旋转速度存储单元中(即，省略稳定旋转速度运算单元)。此外，用上述实施方式的方法计算稳定旋转速度时，根据实际产生的“颤振”计算稳定旋转速度，因此有能够计算有效的稳定旋转速度、并且不需要用于脉冲激振的昂贵装置等的优点。
此外，在上述实施方式中，构成为利用振动传感器检测旋转轴的振动加速度，但是还能够构成为检测振动引起的旋转轴的移位和声压，并根据该移位和声压来计算最佳旋转速度。
并且，在上述实施方式中，设为检测机床的旋转轴的振动，但是也可以构成为检测不旋转一侧(固定侧)的振动，计算最佳旋转速度，并且不限于使刀具旋转的加工中心，还能够应用于使工件旋转的车床等机床。此外，当然也可以根据机床的种类、大小等适当变更检测单元的设置位置和设置数等。
此外，也可以构成为在变更旋转速度时，以手动的方式来变更旋转速度，关于切换旋转速度和最高旋转速度等，当然不限于实施方式记载的数值，实施方式记载的稳定旋转速度也不限于该数值。

Claims (5)

1.一种振动抑制方法，该振动抑制方法用于在具有使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在使所述旋转轴旋转时产生的颤振，其特征在于，执行以下步骤：
第1步骤，利用振动检测单元检测颤振；
第2步骤，存储用于抑制所述颤振的多个稳定旋转速度、以及旋转轴系统的动态特性变化的切换旋转速度；
第3步骤，从所述多个稳定旋转速度中，选择在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不会越过所述切换旋转速度的稳定旋转速度，作为最佳旋转速度；以及
第4步骤，将所述旋转轴的旋转速度变更为所述最佳旋转速度。
2.根据权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于，
在所述第2步骤中，求取检测出的所述颤振的颤振频率，并且使用该颤振频率计算所述多个稳定旋转速度。
3.根据权利要求1或2所述的振动抑制方法，其特征在于，
在所述第2步骤中，与所述旋转轴和/或安装于所述旋转轴的刀具或工件的种类对应地存储旋转速度的上限值和/或下限值，并且
在所述第3步骤中，从所述多个稳定旋转速度中，选择以下的稳定旋转速度作为最佳旋转速度：在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不会越过所述切换旋转速度，并且处于由所述上限值和/或下限值规定的范围内。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的振动抑制方法，其特征在于，
在所述第3步骤中，在所述多个稳定旋转速度中不存在在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不会越过所述切换旋转速度的稳定旋转速度的情况下，在显示单元中执行警告显示。
5.一种振动抑制装置，该振动抑制装置用于在具有使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中，抑制在使所述旋转轴旋转时产生的颤振，其特征在于，所述振动抑制装置具有：
振动检测单元，其用于检测颤振；
存储单元，其存储用于抑制所述颤振的多个稳定旋转速度、以及旋转轴系统的动态特性变化的切换旋转速度；
最佳旋转速度选择单元，其在检测到所述颤振时，从所述多个稳定旋转速度中，选择在将旋转速度变更为稳定旋转速度时不会越过所述切换旋转速度的稳定旋转速度，作为最佳旋转速度；以及
旋转速度变更单元，其将所述旋转轴的旋转速度变更为所述最佳旋转速度。
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