CN107077121B - 振动切削加工诊断装置 - Google Patents

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Abstract

目的在于得到一种在使刀具进行往复动作而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工时，能够在加工前诊断可否进行在对振动切削指定的速度条件下的加工的振动切削加工诊断装置。振动切削加工诊断装置诊断可否进行通过可动轴的往复运动而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工，该振动切削加工诊断装置的特征在于，具有：频率解析部(4)，其基于加工对象物即工件的加工形状数据即形状数据(1)及加工速度设定值(2)，对在可动轴的位置指令信号中包含的频率成分进行运算；以及加工诊断执行部(5)，其基于频率成分以及可动轴的可动轴参数(3)，诊断可否以加工速度设定值(2)按照形状数据(1)进行加工。

Description

振动切削加工诊断装置
技术领域
本发明涉及一种振动切削加工诊断装置，在使刀具进行往复动作而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工时，该振动切削加工诊断装置能够在加工前诊断可否进行加工。
背景技术
关于进行切削加工的工作机械，为了实现现有技术无法实现的加工，提出了各种加工装置及加工方法。通过使车削加工的刀具以高速进行往复运动而实现的非正圆形状的振动切削加工就是其中一个例子。
在现有的车削加工中，在具有使工件(workpiece)进行旋转的主轴和使作为刀具的一个例子的车刀(tool bit)沿工件的径向进行移动的直线进给轴的机械中，通过使该刀具移动至该直线进给轴之上的指令位置而与旋转的工件进行接触，从而能够将加工对象物的剖面形状加工成正圆形状。此时，如果与工件的旋转相配合地，刀具以沿径向移动的方式在直线进给轴之上进行往复运动，则能够进行非正圆形状的加工。举一个例子，如果工件每旋转1周，将刀具以朝向工件的中心的方式在直线进给轴之上往复2次，则能够使加工对象物的剖面形状成为椭圆形状。换言之，形成如下椭圆形状，即，在刀具最接近工件的中心时的刀具的前端与旋转轴的中心之间的距离成为短轴，在刀具离工件的中心最远时的刀具的前端与旋转轴的中心之间的距离成为长轴。另外，如果对往复运动的模式进行改进，则还能够加工成更复杂的形状。
另外，在专利文献1中，公开了一种能够将加工对象物加工成非正圆形状的振动切削加工装置及振动切削加工方法。根据在专利文献1所记载的技术，在具有大于或等于2个直线进给轴的机械中，通过对直线进给轴之中的2个轴赋予不同相位和振幅的周期运动指令，从而能够将加工对象物加工成非正圆形状。
如上所述，在将加工对象物加工成非正圆形状的情况下，作为一个例子，直线进给轴的动作呈正弦波状，但根据所指示的加工形状的曲率，会成为包含谐波成分的动作。另一方面，在面向工作机械的电动机控制装置中需要高速且高精度的位置控制，如果为了高速化而将进给速度提高，或者为了高精度化而将控制增益设定得高，则会引起机械的固有振动，发生机械共振，动作变得具有振动性，加工精度降低。
因此，以往为了对机械的固有振动进行抑制，使用对位置指令信号进行处理的滤波器。在这里使用的滤波器通常被称为带阻滤波器或者低通滤波器，其设定为，通过针对位置指令信号或者控制装置内部的其他状态量而去除特定频带的成分，从而不会引起机械的固有振动。
在以特定频率而发生机械共振的情况下，将使包含该频率的频带的成分进行衰减的带阻滤波器作用于位置指令信号。此外，在该频带狭窄的情况下，也可以使用陷波滤波器，以代替带阻滤波器。另外，在以大于或等于特定频率而发生机械共振，且该频率根据工件的质量和其他条件而发生变动的情况下，将使比该频率高的频率成分进行衰减的低通滤波器作用于位置指令信号。如果使用按照上述方式对位置指令信号进行处理的滤波器，则能够实现高速且高精度的加工，而不会引起机械共振。通常，在位置指令信号中包含的频率成分远远地小于进行作用的带阻滤波器、陷波滤波器或者低通滤波器的遮断频率，因此即便使这些滤波器进行作用，也能够加工成所指示的形状。
专利文献1：日本特开2008-68364号公报
发明内容
然而，根据上述的作为现有技术的专利文献1，在使刀具以高速进行往复运动而进行加工的应用程序中，使刀具沿径向进行移动的直线进给轴的位置指令信号具有由刀具的往复运动的周期所决定的频率成分，如果所指示的加工形状复杂，则在位置指令信号中会包含谐波，进给速度越高，在位置指令信号中包含的频率成分也越高。因此，在位置指令信号中包含的频率成分与控制装置中的滤波器的遮断频带吻合、或者包含于该控制装置中的滤波器的遮断频带的情况下，存在加工精度降低、无法将加工对象物加工成希望的形状这样的问题。
另外，在机械系统中存在反共振的情况下，针对反共振频率附近的位置指令信号成分，机械系统的反应迟钝。因此，存在加工精度降低这样的课题。
另外，作为实际进行试加工的结果，在加工精度低的情况下，其要因难以辨别，另外，作为可以得到希望的加工精度的适当的指令条件的一个例子，需要通过对进给速度及主轴转速反复试验而进行探索。因此，存在决定指令条件需要很大的工作量这样的课题。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种振动切削加工诊断装置，在使车削加工的刀具进行往复动作而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工时，该振动切削加工诊断装置能够在加工前诊断可否进行在对振动切削指定的速度条件下的振动切削加工。
为了解决上述课题、实现目的，本发明涉及一种振动切削加工诊断装置，其诊断可否进行通过可动轴的往复运动而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工，该振动切削加工诊断装置的特征在于，具有：频率解析部，其基于所述加工对象物的加工形状数据及加工速度设定值，对在所述可动轴的位置指令信号中包含的频率成分进行运算；以及加工诊断执行部，其基于所述频率成分以及所述可动轴的可动轴参数，诊断可否以所述加工速度设定值按照所述加工形状数据进行加工。
发明的效果
本发明涉及的振动切削加工诊断装置取得下述效果，即，得到一种振动切削加工诊断装置，在使车削加工的刀具进行往复动作而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工时，该振动切削加工诊断装置能够在加工前诊断可否进行在对振动切削指定的速度条件下的振动切削加工。
附图说明
图1是表示实施方式1涉及的振动切削加工诊断装置的结构的框图。
图2是表示在实施方式1中，车床的机械系统的结构的一个例子的概略图。
图3是表示在实施方式1中，由频率解析部得出的频率解析的结果的图表。
图4是表示在实施方式2中，由频率解析部得出的频率解析的结果的图表。
图5是表示在实施方式2中，机械系统的增益响应的特性的一个例子的图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式涉及的振动切削加工诊断装置进行详细说明。此外，本发明不限定于本实施方式。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1涉及的振动切削加工诊断装置的结构的框图。图1所示的振动切削加工诊断装置10，诊断可否进行通过作为可动轴的刀架14的直线进给轴的往复运动而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工，该振动切削加工诊断装置10具有：频率解析部4，其对加工对象物的形状数据1及加工速度设定值2进行读取，基于它们对在所述可动轴的位置指令信号中包含的频率成分进行运算；以及加工诊断执行部5，其基于由频率解析部4运算出的频率成分以及所述可动轴的可动轴参数3，诊断可否以加工速度设定值2按照形状数据1进行加工。此外，可动轴是使刀架14进行移动的机构的统称，直线进给轴是作为可动轴的一个方式的刀架14的驱动轴，是使刀架14在直线上进行移动的驱动机构。
图2是表示车床的机械系统的结构的一个例子的概略图。在旋转的车削主轴11处安装工件12，在刀架14处安装有车削刀具15。刀架14通过刀架驱动部13而沿径向进行往复运动。此时，如果车削主轴11每旋转1周进行2次刀架14的往复，则能够将工件12加工成椭圆柱形状。另外，如果使刀架14进行更多次往复，则也能将工件12的剖面形状加工成更复杂的形状。
如果被赋予了预定加工的工件12的加工后的剖面形状的数据即形状数据1以及车削主轴11的旋转速度即加工速度设定值2，则频率解析部4对形状数据1进行极坐标变换，求出偏角和半径方向位移。此外，半径方向是相对于车削主轴11的旋转轴的半径方向。在这里，该半径方向是从车削刀具15的接触面起朝向工件12的剖面形状的中心的线段。接下来，求出以偏角在0°至360°之间按照由加工速度设定值2设定出的旋转速度进行变化的方式进行插补的情况下的半径方向位移的时序变化，进而通过对时序变化进行傅里叶变换而求出半径方向位移的频率成分。举一个例子，预定加工的工件12的加工后的剖面形状为椭圆，车削主轴11的旋转速度的指令值为每分钟旋转S周的情况下，在0[秒]至60/S[秒]之间，半径呈正弦波状而进行2个周期的变化。因此，在半径方向位移的时序变化中包含的频率成分为周期30/S[秒]的成分，即频率S/30[Hz]。
图3是表示在本实施方式1中，由频率解析部4得出的频率解析的结果的图表。在实际的加工中，偏角相当于车削主轴11的旋转角度，半径方向位移相当于对刀架14进行驱动的直线进给轴的位置。另外，在本实施方式1中，刀架驱动部13为进行位置反馈控制的控制系统，假设反馈控制系统进行反馈控制增益K的比例控制。此时，刀架驱动部13的控制系统的位置响应特性具有截止频率K[rad/s]的低通滤波器的特性。此外，如果将截止频率K[rad/s]的单位换算为Hz，则为K/2π[Hz]。在可动轴参数3包含有刀架驱动部13的反馈控制增益K。此时，刀架驱动部13无法追随比控制系统的截止频率K高的频率成分的指令。
加工诊断执行部5根据由频率解析部4运算出的频率成分、在可动轴参数3包含的反馈控制增益K，诊断可否进行在由加工速度设定值2指定出的加工速度、即车削主轴11的旋转速度的条件下的加工。在本实施方式1中，频率成分为S/30[Hz]，因此如果该频率成分小于根据刀架驱动部13的反馈控制增益K所决定的截止频率K/2π[Hz]，则能够进行加工。因此，如果车削主轴11的旋转速度S小于或等于每分钟旋转15K/π周，则能够进行加工。举一个例子，在反馈控制增益K为314[rad/秒]的情况下，如果车削主轴11的旋转速度小于或等于每分钟旋转1500周，则诊断为能够进行加工，如果车削主轴11的旋转速度大于每分钟旋转1500周，则诊断为不可加工。并且，加工诊断执行部5将能够进行加工的、车削主轴11的旋转速度为小于或等于每分钟旋转1500周的诊断结果进行输出。作为一个例子，所输出的诊断结果显示于未图示的显示装置。显示装置也可以为在振动切削加工诊断装置包含的显示部。
此外，在本实施方式1中，关于通过刀架驱动部13将刀架14沿径向进行往复运动的机构，既可以通过由在刀架驱动部13和刀架14之间存在的轴部沿径向进行直线进给往复运动而实现，也可以在刀架14的与车削刀具15相反侧设置轴部，由该轴部沿径向进行直线进给往复运动而实现。
此外，在本实施方式1中，作为一个例子，振动切削加工诊断装置10能够通过计算机而实现。此时，形状数据1及加工速度设定值2是通过与计算机连接的作为输入装置的一个例子的键盘而进行输入的，被存储于计算机内的存储部。频率解析部4及加工诊断执行部5通过计算机的CPU(Central Processing Unit)而实现。由加工诊断执行部5输出的诊断结果被输出至与计算机连接的作为输出装置的一个例子的显示器而进行显示。可动轴参数3从刀架驱动部13输入，被存储于计算机内的存储部。
如上所述，根据本实施方式1，能够在加工前诊断可否进行在所指定的速度条件下的振动切削加工。另外，由于能够在加工前掌握能够进行加工的加工速度的范围即上限值，因此能够决定加工速度，而无需进行试加工。并且，根据本实施方式1，在使用作为具有低通滤波器特性的控制系统的一个例子的标准模型追随控制或者位置比例控制的情况下，能够诊断可否进行振动切削的加工。
实施方式2.
本实施方式2的结构与实施方式1的结构的不同点在于，可动轴即刀架的直线进给轴的控制系统是由反馈控制及陷波滤波器构成的控制系统。刀架驱动部13的控制系统的位置响应特性为由陷波滤波器的参数所指定的频带的增益会衰减的带阻滤波器的特性。在可动轴参数3包含带阻滤波器的遮断频带。在这里，将带阻滤波器的遮断频带的下限设为Fmin[Hz]，将上限设为Fmax[Hz]。另外，假设在预定加工的工件12的剖面形状的半径方向位移的频率成分包含有是车削主轴11的旋转频率的2倍的谐波成分。
图4是表示在本实施方式2中，由频率解析部4得出的频率解析的结果的图表。关于本实施方式2的加工诊断执行部5，如果频率S/30[Hz]或者S/15[Hz]包含于带阻滤波器的遮断频带即大于或等于Fmin[Hz]且小于或等于Fmax[Hz]的范围，则诊断为不可加工，如果未包含其中，则诊断为能够进行加工。即，如果车削主轴11的转速大于或等于每分钟旋转15Fmin周且小于或等于每分钟旋转15Fmax周、或者大于或等于每分钟旋转30Fmin周且小于或等于每分钟旋转30Fmax周，则加工诊断执行部5诊断为不可加工，如果车削主轴11的转速在该范围之外，则加工诊断执行部5诊断为能够进行加工。举一个例子，在Fmin＝29[Hz]、Fmax＝31[Hz]的情况下，在车削主轴11的旋转速度S为每分钟旋转450周或者每分钟旋转900周时，进一步地说，在旋转速度S的范围为大于或等于每分钟旋转435周且小于或等于每分钟旋转465周以及大于或等于每分钟旋转870周且小于或等于每分钟旋转930周时，加工诊断执行部5输出不可加工的诊断结果。作为一个例子，所输出的诊断结果显示于未图示的显示装置。显示装置也可以为在振动切削加工诊断装置包含的显示部。
如上所述，根据本实施方式2，能够在加工前诊断可否进行在所指定的速度条件下的振动切削加工。另外，由于能够在加工前掌握能够进行加工的加工速度的范围，因此能够决定加工速度，而无需进行试加工。并且，根据本实施方式2，在使用作为具有带阻滤波器的特性的控制系统的一个例子的指令陷波滤波器的情况下，能够诊断可否进行振动切削的加工。
实施方式3.
本实施方式3的结构与实施方式1的不同点在于，在可动轴即刀架的直线进给轴的轴进给系统存在机械反共振。直线进给轴的位置响应特性为在反共振频率时增益降低的特性。此外，在本实施方式3中所加工的工件的剖面形状与实施方式1中的工件相同，在位置指令信号中包含的频率成分假设如图3所示。
在可动轴参数3包含有机械系统的反共振频率，将该反共振频率设为Fa[Hz]。在本实施方式3中，如果刀架14的直线进给轴的反共振频率即Fa[Hz]与频率S/30[Hz]一致，则加工诊断执行部5诊断为不可加工，如果不一致，则加工诊断执行部5诊断为能够进行加工。即，如果车削主轴11的转速为每分钟旋转30Fa周，则诊断为不可加工，除此之外诊断为能够进行加工。举一个例子，在Fa＝40[Hz]的情况下，如果车削主轴11的旋转速度S为每分钟旋转1000周，则诊断为能够进行加工。并且，在该情况下，加工诊断执行部5将不可加工的情况下的旋转速度S为每分钟旋转1200周的诊断结果进行输出。作为一个例子，所输出的诊断结果显示于未图示的显示装置。显示装置也可以为在振动切削加工诊断装置包含的显示部。
此外，在本实施方式3中，假设在可动轴参数3包含的反共振频率为单一的频率Fa而进行了说明，但本发明不限定于此。反共振频率也可以为在机械系统的增益响应小于或等于所设定的增益值的情况下的频带的上限频率或者下限频率。
图5是表示与频率对应的机械系统的增益响应的特性的一个例子的图。在机械系统的从驱动力至加速度为止的增益响应即加速或者惯性为图5所示的特性的情况下，如果将增益小于或等于-3dB的频带设为反共振的范围，则上限频率为43Hz，下限频率为37Hz。在该情况下，将如果旋转速度S的范围为大于或等于每分钟旋转1110周且小于或等于每分钟旋转1290周则不可加工的诊断结果进行输出。
如上所述，根据本实施方式3，能够在加工前诊断可否进行在所指定的速度条件下的振动切削加工。另外，由于能够在实际加工前掌握能够进行加工的加工速度的范围，因此能够决定加工速度，而无需进行试加工。并且，根据本实施方式3，在机械系统具有反共振特性的情况下，能够诊断可否进行振动切削的加工。
以上的实施方式示出的结构表示本发明的内容的一个例子，既能够与其他公知的技术进行组合，也能够在不脱离本发明的主旨的范围内对结构的一部分进行省略、变更。
标号的说明
1形状数据，2加工速度设定值，3可动轴参数，4频率解析部，5加工诊断执行部，10振动切削加工诊断装置，11车削主轴，12工件，13刀架驱动部，14刀架，15车削刀具。

Claims (4)

1.一种振动切削加工诊断装置，其能够在加工前诊断可否进行通过可动轴的往复运动而将加工对象物的剖面形状加工成非正圆形状的振动切削加工，该振动切削加工诊断装置的特征在于，具有：
频率解析部，其基于所述加工对象物的加工形状数据及加工速度设定值，对在所述可动轴的位置指令信号中包含的频率成分进行运算；以及
加工诊断执行部，其基于所述频率成分以及所述可动轴的可动轴参数，诊断可否以所述加工速度设定值按照所述加工形状数据进行加工，
还具有显示部，
所述加工诊断执行部对能够进行加工的加工速度的范围或者不可加工的加工速度的范围进行运算，并显示于所述显示部。
2.根据权利要求1所述的振动切削加工诊断装置，其特征在于，
所述可动轴由具有低通滤波器的特性的控制系统进行驱动，
所述可动轴参数包含所述低通滤波器的截止频率，
如果所述频率成分大于或等于所述截止频率，则诊断为不可加工。
3.根据权利要求1所述的振动切削加工诊断装置，其特征在于，
所述可动轴由具有带阻滤波器的特性的控制系统进行驱动，
所述可动轴参数包含所述带阻滤波器的遮断频带，
如果所述频率成分包含于所述遮断频带内，则诊断为不可加工。
4.根据权利要求1所述的振动切削加工诊断装置，其特征在于，
所述可动轴构成具有反共振特性的机械系统的一部分，
所述可动轴参数包含所述可动轴的机械系统的反共振频率，
如果所述频率成分与所述反共振频率一致，则诊断为不可加工。
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