CN107850485A - 用于识别自激振动的方法和识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别分离的、尤其是切削的机床和/或工具和/或通过机床加工的工件的自激振动的方法，具有以下步骤：‑检测在通过机床对工件进行加工时出现的物理参数、尤其是测量信号(1)，‑由物理参数、尤其是由测量信号(1)形成参考信号(4)和滤波后的滤波器信号(5)，‑对参考信号(4)和滤波后的滤波器信号(5)应用包络解调器(14)以生成包络参考信号(15)和包络滤波器信号(16)，‑通过将包络参考信号(15)和包络滤波器信号(16)进行比较来生成至少一个第一比较值(17)，‑通过该第一比较值(17)识别振动。此外，本发明涉及一种用于识别自激振动的识别系统。

Description

用于识别自激振动的方法和识别系统

技术领域

本发明涉及一种用于识别分离的、特别是切削的机床和/或工具和/或通过机床加工的工件的自激振动的方法。另外，本发明涉及一种用于识别自激振动的识别系统。

背景技术

在例如是工具机床、生产机床的机器的情况中和/或在机器人的情况中，在机加工过程中在机器组件和/或在为了加工而应用的工具和/或在加工的机器工件上出现由于加工过程或者由于干扰产生的振动。特别是在工具机床的情况中，例如在诸如车削或铣削的切削加工过程中出现所谓的颤振，颤振降低了加工过程质量和可实现的切削深度(在待加工材料中的切深)。

颤振表示加工过程的不稳定过程状态，其中振动和由此产生的交变力是自激发的。在切削加工中，除了主轴的可用功率之外，颤振代表了对可实现的切屑体积的限制。颤动会影响加工工件的表面质量，缩短刀具寿命并损坏机器的轴承和导向装置。在极端情况下导致刀具刀刃或刀具破损。

因此，颤动导致废品。通常，颤动的原因是机器结构相对于切削力的机械挠度。而且，在更高的频率范围内，刀具，刀架和主轴轴承相对于切削力的挠度会引起颤振。已知用于抑制颤振和稳定该过程的各种方法。一方面是改变主轴转速和调制主轴转速，以及减小切削深度。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种能够识别在分离加工过程中出现的振动的方法。第二个目的是提供一种识别系统，通过该识别系统能够识别在分离加工过程中出现的振动，并且在该系统中特别是可以执行根据本发明的方法。

与该方法有关的目的通过一种用于识别分离的、特别是切削机床和/或工件和/或由机床加工的工具的自激振动的方法来实现，该方法具有以下步骤：

-检测在通过机床对工件进行加工时出现的物理参数，尤其是测量信号，

-由物理参数，尤其是由测量信号形成参考信号和滤波后的滤波器信号，

-对参考信号和滤波后的滤波器信号应用包络解调器以产生包络参考信号和包络滤波器信号，

-通过将包络参考信号与包络滤波器信号进行比较来产生至少一个第一比较值，

-通过第一比较值识别振动。

与识别系统相关的目的通过用于识别自激振动的识别系统来实现，该识别系统包括分离的、尤其是切削的机床和/或为了加工而使用的工具和/或机床所加工的工件，其中：

-设置有传感器，其用于检测在通过机床对工件进行加工时出现的物理参数，尤其是测量信号，和/或设置有运算单元，该运算单元用于驱动器内部的或者控制器内部的、对于加工来说相关的信号，该运算单元用于产生物理参数，尤其是测量信号，

-设置有第一计算单元，其用于由物理参数，尤其是测量信号形成参考信号和滤波后的滤波器信号，

-设置有包络解调器，其用于由参考信号和滤波后的滤波器信号产生包络参考信号和包络滤波器信号，

-设置有第二计算单元，其用于通过对包络参考信号与包络滤波器信号进行比较来产生至少一个第一比较值，从而能够通过第一比较值识别出振动。

首先，为了识别颤振而提供物理参数，其在下文中称为测量信号，在测量信号中可以良好地识别所提到的振动。

根据本发明，已经认识到颤动的基本性质是颤振的频率由于物理原因不能与主轴转动频率或其谐波相一致。

过程稳定性是根据从测量信号导出的标准来实时决定的。该标准分三步产生：对测量信号应用滤波器，产生包络线，并产生用于评估的参数。根据本发明的方法和识别系统产生以下参数，其提供关于加工过程的稳定性状态的清楚描述。本发明有利地不需要繁琐的信号处理，例如，傅立叶变换(FFT)的计算。涉及本发明的等效电路图有利地仅由简单的线性构件组成，因此能够以非常简单的方式实现。该方法和识别系统对不重要的寄生频率具有很高的稳固性。

只有当与不稳定状态相关的(重要的)频率分量在振幅上占优势时才识别到不稳定状态。如果频率分量的振幅保持小于与主轴转速相对应的分量的振幅或其谐波，则不会识别到不稳定状态。

在从属权利要求中列出了另外的有利措施，其可以彼此组合以实现进一步的优点。

首先，由物理参数，即在此由测量信号生成两个信号，即参考信号和滤波后的滤波信号。因此，首先对信号应用高通滤波器。由高通滤波后的测量信号产生的第一信号在下面被称为“参考信号”。这里的目标是从测量信号中滤除直流分量。也就是说，为了形成参考信号，设置有高通滤波器，利用该高通滤波器可以从测量信号中去除测量信号的直流分量。

有利地，借助于滤波器实现由测量信号形成滤波后的滤波器信号，由此，工件和/或工具的旋转频率以及旋转频率的谐波被从测量信号中滤除。这里的目标是从测量信号中滤除所有已知的频率分量。必要时，还去除外部设施的，例如泵或气动设备的具有已知影响的频率。

在特殊设计方案中，滤波器被设计为具有间距相同的零点的滤波器，特别是有限冲激响应滤波器(FIR滤波器)。为了过滤工件的和/或工具的旋转频率及其倍数，例如可以使用具有间距相同的零点的滤波器。这种行为可以借助FIR滤波器很容易实现。例如，可以通过形成未改变的输入信号与具有反转前缀的被延迟的输入信号的平均值来实现这种行为。使用的用于延迟的死时间恰好对应于与第一个零点相应的频率的周期。

优选地，除了滤波器之外，还设置有一个或多个带阻滤波器，其被接在滤波器的上游或下游。这意味着，可以为FIR滤波器补充一个或多个带阻滤波器，以滤除来自外部设施的更多离散寄生频率。

在优选设计方案中，包络解调器具有整流器或数值形成器以及连接在整流器下游的低通滤波器。包络线的形成能够以各种方式和方法实现。例如，通过整流或数值形成且接着进行平整或者通过对信号进行低通滤波可以实现包络线的形成。

在优选实施例中，第一比较值被配置为比值，比值通过包络参考信号的数值与包络滤波器信号的数值之比来给出。这意味着，使用两个包络线之比来描述过程状态。

尤其是，当包络参考信号的数值明显高于包络滤波器信号的数值时，该比值高于一，特别是远高于一，此时不存在振动。当没有出现振动、特别是颤振时，主要的频率分量是例如借助FIR滤波器被滤除的并且处于主轴的旋转频率及其谐波的频率分量。在这种情况下，滤波后的信号的包络线的数值明显小于参考信号的包络线的数值。两个包络线之比、即参考信号除以滤波器信号远高于一。

相反，在出现不处于被滤波的频率的振动时，包络参考信号的数值基本上等于包络滤波器信号的数值，从而该比值接近一。也就是说，在出现振动、特别是颤振时，这些颤振形成主要的频率分量。由于颤振按定义与主轴旋转频率或其谐波不一致，因此对旋转频率及其谐波进行滤波对包络线影响不大。在这种情况下，两个包络线的数值几乎相同并且比例为一。

优选地，设计参考值来作为第二比较值，其通过将包络滤波器信号的数值与预定的参考值进行比较而给出。包络滤波器信号的数值被用于识别工具是否被接合。也就是说，可以从滤波后的信号的包络线的振幅推导出工具是否被接合。为此，将包络线的数值与预定义的阈值进行比较。

在优选设计方案中，振动是颤振。

在优选设计方案中，设置有至少一个包括主轴的作业机器。声压、尤其是在包括作业机器的作业空间内的声压可以用作为物理参数或者测量信号。另外或可选地，可以使用在作业机器的任意点处的加速度，即使用在机器结构的任意点处的加速度。而且，可以使用任意驱动信号、例如形成转矩的电流或转速实际值。

附图说明

从以下参照附图的描述中，得出本发明的其它特征，性质和优点。其中示意性地：

图1示出了对于方法和识别系统必要的参数的生成，

图2示出了FIR滤波器的执行过程的框图，

图3示出了具有中断的死时间的传输行为的实例，

图4：具有20Hz基频的FIR滤波器的传输行为，

图5：参考信号和滤波后的信号，

图6示出了对测量信号进行滤波和生成包络线的框图，

图7示出了参考信号的和滤波后的信号的包络线，

图8示出了该方法的框图，

图9示出了方法和识别系统对测量信号的应用。

具体实施方式

尽管已经通过优选实施例在细节上详细说明和阐述了本发明，但是本发明不局限于所公开的实例。本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下得到其变化形式。

本发明以具有用于切削过程的至少一个主轴的机床的实例来说明。颤振是切削加工中的重要问题，但应该指出的是，本发明不局限于该实例。

首先，为了检测颤振，确定测量信号1，在测量信号中良好地识别出所提到的振动。对于根据本发明的方法和根据本发明的识别系统可以使用各种信号，例如：诸如在机器的作业空间内的声压、机器结构的任意点处的加速度、或任意驱动信号，例如主轴或任意轴的形成转矩的电流或转速实际值。测量信号1可以由一个或多个合适的传感器来检测。

根据本发明，现在描述一种方法和一种识别系统以及如何从该信号中导出标准、即对于颤振的发生事件的多个步骤。因此，根据本发明，基于从合适的测量信号1导出的几个步骤来实时决定过程稳定性：即，将滤波器应用于测量信号1、生成包络线并且生成用于评估的参数。

首先示出了滤波。在这种情况下，由测量信号1产生两个信号：参考信号4和滤波后的滤波信号5。参考信号4由被高通滤波的测量信号1生成。例如可以使用二阶离散滤波器作为高通滤波器2。该路径的目的是过滤来自测量信号1的直流分量。为此，可以使用任意的高通滤波器2。在从测量信号中去除处于主轴旋转频率及其倍数的频率分量之后，由测量信号1获得第二信号。该信号在下文中被称为“滤波后的滤波器信号5”。这里的目标是从测量信号1中滤除所有已知的频率分量。必要时也去除来自外部设施、例如泵或者气动设备的具有已知影响的频率。

为了过滤接近主轴频率及其倍数的频率分量，例如可以使用具有间距相同的零点的滤波器。这种行为可以借助FIR滤波器3简单地实现。

这里使用的FIR滤波器3的原理在图2中示出。在这种情况下，测量信号通过延迟元件6、断开的死时间Tσ(图3)来延迟。如果任意信号与同一信号的、时间延迟的副本“混合”(相加叠加)，则产生梳状滤波信号。周期或倍数对应于延迟时间的频率相互抵消(相消干涉)，而在恰好位于它们之间的频率处获得双倍信号振幅(相长干涉)。

在断开的死时间Tσ(图3)中，任意的输入信号、例如即测量信号1被延迟以下时间，该时间不是采样时间Ta的倍数。在此，测量信号1所延迟的死时间Tσ(图3)对应于一次主轴旋转的时间，也就是说，主轴转速的倒数。然后死时间借助减法器7从连续的测量信号1中减去。但是，如果使用了频率例如正好等于主轴转速的1.5倍的正弦信号，则在减法器7之后获得具有两倍振幅的信号。为了避免这种情况，在减法器7之后获得的信号被提供给分解器8。

图3在以采样的矩形信号作为输入信号10的简化实例中示出了借助于延迟元件6(图2)断开死时间Tσ的传输行为。在此，在图3的上部在时间t上示出了在采样时间Ta期间的不同采样点9处的输入信号10。在图3的下部示出了由延迟了死时间Tσ的输入信号10获得的输出信号11。

图4在伯德图中示出了具有间距相同的零点的传输行为，零点具有FIR滤波器3(图1)的基本频率20Hz。为了参数化而示例地选择20Hz的基本频率，这对应于50ms的死时间Tσ。可以识别到，滤波器的第一个非静态(频率为0Hz)的零点在基本频率20Hz处并且识别到所有的倍数、包括0阶的谐波、即直流分量。

图5现在示出了借助于高通滤波器2(图1)建立的参考信号4以及由FIR滤波器3(图1)滤波后的滤波信号5，从滤波后的滤波信号中过来出接近主轴频率及其倍数的频率分量。在此，使用声压作为测量信号1(图1)。必要时，可以为FIR滤波器补充一个或多个带阻滤波器，以滤除来自外部设施的更多离散寄生频率。

随后，将包络解调器14应用于参考信号4和滤波后的滤波器信号5，以生成包络参考信号15和包络滤波器信号16。图6示出了用于对测量信号1进行滤波以及生成包络线的框图。

包络线的形成可以通过包络检测器14以各种方式和方法实现。例如，可以通过对滤波后的滤波器信号5和参考信号4进行整流14a或数值形成(未示出)且随后进行平整14b或者低通滤波来形成包络线。也就是说，为了形成包络线，实现参考信号4和滤波后的滤波器信号5的整流14a或数值形成(未示出)且随后由低通滤波器进行平整14b。

图7示出了来自参考信号4的包络线，即包络参考信号15和来自滤波后的滤波器信号5的包络线，即在图5的实例中的包络滤波器信号16。在此，声压再次被用作测量信号1(图1)。

两个包络线之比，即包络参考信号15与包络滤波器信号16之比被用于描述过程状态。为此，将第一比较值设计为比值17，其由包络参考信号15的数值与包络滤波器信号16的数值之比给出，图8。在此能出现两种情况：

在第一种情况下，没有出现颤振。主要的频率分量是借助FIR滤波器3会滤除的频率分量，它们处于主轴的旋转频率及其谐波。在这种情况下，滤波后的滤波器信号的包络滤波器信号16的数值明显低于参考信号4的包络参考信号15的数值。因此，两个包络线之比远高于一。

在第二种情况下，出现了颤振。在这里，颤振形成了主要的频率分量，并且对旋转频率及其谐波进行滤波对包络线的影响很小。在这种情况下，两个包络线的数值几乎相同且比例为一。

另外，作为参考值18形成有第二比较值，其通过将包络滤波器信号16的数值与预定的阈值22进行比较来给出。因此，能够从滤波后的滤波器信号3的包络线的振幅推导出该工具是否被接合。包络线的数值因此用于识别工具是否被接合。为此，将包络线的数值与预定义的阈值22进行比较。

图9示出了对测量信号1(声压)应用本方法和识别系统。在这里，在上部，测量信号1没有失真地被显示。在中间部段显示出比较值17。这里可以识别出，在时间段20没有颤动或没有颤振，在时间段19中存在颤振。在下面部段中识别出参考值19。在时间段21中工具被接合。

Claims (18)

1.一种用于识别自激振动的方法，所述自激振动是分离的、尤其是切削的机床和/或工具和/或通过机床加工的工件的自激振动，其特征在于以下步骤：

-检测在通过机床对工件进行加工时出现的物理参数、尤其是测量信号(1)，

-由所述物理参数、尤其是由所述测量信号(1)形成参考信号(4)和滤波后的滤波器信号(5)，

将包络解调器(14)应用于所述参考信号(4)和所述滤波后的滤波器信号(5)上以生成包络参考信号(15)和包络滤波器信号(16)，

通过将所述包络参考信号(15)与所述包络滤波器信号(16)进行比较来生成至少一个第一比较值(17)，

通过所述第一比较值(17)识别振动。

2.根据权利要求1所述的用于识别自激振动的方法，其特征在于，通过从所述物理参数、尤其是所述测量信号(1)中去除所述物理参数的、尤其是所述测量信号(1)的直流分量，借助高通滤波器(2)形成所述参考信号(4)。

3.根据权利要求1或2所述的用于识别自激振动的方法，其特征在于，通过从所述物理参数、尤其是从所述测量信号(1)中滤除所有已知的频率分量，借助滤波器实现由所述物理参数、尤其是由所述测量信号(1)形成所述滤波后的滤波器信号(5)。

4.根据权利要求3所述的用于识别自激振动的方法，其特征在于，从所述物理参数、尤其是从所述测量信号(1)中过滤出处于所述工具和/或所述工件的旋转频率的频率和所述频率的谐波。

5.一种用于识别自激振动的识别系统，包括分离的、尤其是切削的机床和/或为了加工而使用的工具和/或机床所加工的工件，其特征在于，

-设置有传感器，所述传感器用于检测在通过机床对工件进行加工时出现的物理参数，尤其是测量信号(1)，和/或设置有运算单元，所述运算单元用于驱动器内部的或者控制器内部的、对于加工来说相关的信号，所述运算单元用于生成物理参数、尤其是测量信号(1)，

-设置有第一计算单元，所述第一计算单元用于由所述物理参数、尤其是出现的所述测量信号(1)形成参考信号(4)和滤波后的滤波器信号(5)，

-设置有包络解调器(14)，所述包络解调器用于由所述参考信号(4)和所述滤波后的滤波器信号(5)生成包络参考信号(15)和包络滤波器信号(16)，

-设置有第二计算单元，所述第二计算单元用于通过对所述包络参考信号(15)与所述包络滤波器信号(16)进行比较来生成至少一个第一比较值(17)，从而能够通过所述第一比较值(17)识别出振动。

6.根据权利要求5所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，为了形成所述参考信号(4)而设置有高通滤波器(2)，通过所述高通滤波器能够从所述物理参数、尤其是所述测量信号(1)中去除所述物理参数、尤其是所述测量信号(1)的直流分量。

7.根据权利要求5或6所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，为了由所述物理参数、尤其是由所述测量信号(1)形成所述滤波后的滤波器信号(5)而设置滤波器，通过该滤波器能够从所述物理参数、尤其是从所述测量信号(1)中滤除所有已知的、过程相关的频率。

8.根据权利要求5、6或7所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，为了由所述物理参数、尤其是由所述测量信号(1)形成所述滤波后的滤波器信号(5)，过滤出处于所述工具和/或所述工件的旋转频率的频率和该频率的谐波，或者过滤出与所述工具和/或所述工件的旋转频率成比例的频率和该频率的谐波。

9.根据前述权利要求7至8中任一项所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，所述滤波器设计成具有间距相同的零点的滤波器，尤其是设计为具有有限冲激响应(3)的滤波器(有限冲激响应滤波器，FIR滤波器)。

10.根据前述权利要求7至9中任一项所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，除了所述滤波器之外，还设置有一个或多个带阻滤波器，所述带阻滤波器连接在所述滤波器的上游或下游。

11.根据前述权利要求5至10中任一项所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，所述包络解调器(14)具有整流器(14a)和连接在所述整流器(14a)的下游的低通滤波器(14b)。

12.根据前述权利要求5至10中任一项所述的用于识别振动的识别系统，其特征在于，所述包络解调器(14)具有数值形成器和连接在所述数值形成器下游的低通滤波器。

13.根据前述权利要求5至12中任一项所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，所述第一比较值被配置为比值(17)，所述比值由所述包络参考信号(15)的数值与所述包络滤波器信号(16)的数值之比给出。

14.根据权利要求13所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，在不存在振动的情况下，所述包络参考信号(15)的数值明显高于所述包络滤波器信号(16)的数值，使得所述比值(17)大于一，特别是远大于一。

15.根据权利要求13所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，在出现振动的情况下，所述包络参考信号(15)的数值基本上等于所述包络滤波器信号(16)的数值，从而能够识别出在一的范围中、尤其是围绕一的所述比值(17)。

16.根据前述权利要求5至15中任一项所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，配置有作为参考值(18)的第二比较值，所述参考值通过将所述包络滤波器信号(15)的数值与预定的阈值(22)、特别是可参数化的阈值(22)进行比较而给出。

17.根据前述权利要求5至16中任一项所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，所述振动是颤振。

18.根据前述权利要求5至17中任一项所述的用于识别自激振动的识别系统，其特征在于，设置有包括至少一个主轴的作业机器，并且作为所述物理参数(1)提供有声压和/或所述作业机器的任意点处的加速度和/或驱动信号，所述声压特别是在包括所述作业机器的作业空间内的声压。