DE102008052954B4 - Verfahren zur Schwingungsunterdrückung und Vorrichtung hierfür - Google Patents

Abstract

Schwingungsunterdrückungsvorrichtung (10) für ein Maschinenwerkzeug mit einer Drehwelle (3) zum Unterdrücken einer Ratterschwingung, die dann erzeugt wird, wenn die Drehwelle (3) gedreht wird, wobei die Vorrichtung (10) folgendes aufweist:eine Erfassungseinheit (2a bis 2c) zum Erfassen einer Zeitbereichsschwingung aufgrund der sich drehenden Drehwelle (3);eine erste Berechnungseinheit (6) zum Berechnen einer Frequenz der Ratterschwingung und einer Frequenzbereichsschwingung mit der Frequenz der Ratterschwingung auf der Grundlage der durch die Erfassungseinheit (2a bis 2c) erfassten Zeitbereichsschwingung;eine Speichereinheit (9) zum Speichern der Frequenzbereichsschwingung, der Frequenz der Ratterschwingung und einer Drehzahl der Drehwelle (3) als Bearbeitungsinformationen;eine zweite Berechnungseinheit (7) zum Speichern der Frequenzbereichsschwingung, der Frequenz der Ratterschwingung und der Drehzahl der Drehwelle (3) in der Speichereinheit (9) als gegenwärtige Bearbeitungsinformationen, wenn die durch die erste Berechnungseinheit (6) berechnete Frequenzbereichsschwingung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, und zum Berechnen einer optimalen Drehzahl der Drehwelle (3), die die Ratterschwingung unterdrücken kann, auf der Grundlage der gegenwärtigen Bearbeitungsinformationen und der vorherigen Bearbeitungsinformationen, die in der Speichereinheit (9) gespeichert sind; undeine Drehzahlsteuereinheit (5) zum Drehen der Drehwelle (3) mit der optimalen Drehzahl, die durch die zweite Berechnungseinheit (7) berechnet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen, die während einer Bearbeitung durch ein Maschinenwerkzeug zum Durchführen der Bearbeitung erzeugt werden, während ein Werkzeug oder ein Werkstück gedreht wird, und auf eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Schwingungen, die dieses Verfahren durchführen kann.
• Als herkömmliche Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen, die bei einem Maschinenwerkzeug erzeugt werden, ist das in der Patentdruckschrift 1 beschriebene Verfahren bekannt. Um regenerative Ratterschwingungen als selbsterregte Schwingungen zu unterdrücken, die eine schlechte Rauhigkeit der Werkstückoberfläche verursachen, beinhaltet dieses Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen die Schritte zum Messen einer charakteristischen Frequenz eines Systems, in dem eine Ratterschwingung eines Werkzeugs, eines Werkstücks oder dergleichen erzeugt wird, und zum Gewinnen der charakteristischen Frequenz durch Multiplikation mit 60, Dividieren der Frequenz durch die Anzahl der Werkzeugschneiden und einer vorbestimmten ganzen Zahl, um auf diese Weise einen Wert zu erhalten, und zum Verwenden dieses Wertes als eine Drehzahl (eine stabile Drehzahl). Die charakteristische Frequenz kann durch Impulserregung eines Werkzeugs oder eines Werkstücks gewonnen werden.
• Als weitere Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen ist das in der Patentdruckschrift 2 beschriebene Verfahren bekannt. Dieses Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen beinhaltet Schritte zum Messen einer Frequenz der Ratterschwingung während einer Bearbeitung durch ein System, das die Ratterschwingung erzeugt, zum Gewinnen der Frequenz der Ratterschwingung durch Multiplikation mit 60, Dividieren der Frequenz durch die Anzahl der Werkzeugschneiden und eine vorbestimmte ganze Zahl, um auf diese Weise einen Wert zu gewinnen, und zum Verwenden dieses Wertes als eine Drehzahl. Die Frequenz der Ratterschwingung, die während der Bearbeitung auftritt, wird durch einen Schallsensor gewonnen, der nahe dem Werkzeug oder dem Werkstück angeordnet ist, und durch Messen einer durch den Schallsensor während der Bearbeitung erfassten Oszillationsfrequenz.
• Patentdruckschrift 1: ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2003-340627 A
• Patentdruckschrift 2: Offenlegungsnummer der japanischen Übersetzung der PCT internationalen Anmeldung JP 2001-517557 A .
• Das in der Patentdruckschrift 1 offenbarte Verfahren zur Schwingungsunterdrückung erfordert eine kostspielige Impulsvorrichtung und eine komplexe Technik zur Verwendung dieser Vorrichtung, was Zeit und Mühen in Anspruch nimmt. Da des Weiteren eine charakteristische Frequenz, die vor der Bearbeitung gemessen wird, nicht mit einer charakteristischen Frequenz während der Bearbeitung übereinstimmt, kann kaum eine genaue, optimale Drehzahl gewonnen werden.
• Bei einem Verfahren zur Schwingungsunterdrückung, das in der Patentdruckschrift 2 offenbart ist, kann darüber hinaus kaum eine genaue, optimale Drehzahl gewonnen werden, da die Ratterfrequenz und eine charakteristische Frequenz während der Bearbeitung geringfügig unterschiedlich sind. Um die Genauigkeit zu verbessern, könnte eine charakteristische Schwingung aus einer Ratterfrequenz während der Bearbeitung geschätzt werden. Wenn jedoch das Rattern nach der Unterdrückung des Ratterns regeneriert wird, kann sich außerdem ein Parameter (eine Zahl k, die in einem vorbestimmten Stabilitätsdiagramm angegeben ist), der zum Schätzen der charakteristischen Frequenz zum Unterdrücken der regenerierten Ratterschwingung oder zum Berechnen einer stabilen Drehzahl verwendet wird, in vielen Fällen ändern, da eine Drehzahl von einer Drehzahl vor der Unterdrückung des Ratterns geändert wird. Wenn die Zahl k geändert wird, wird die Drehzahl verringert oder erhöht, und somit wird, wenn die Zahl k wiederholt geändert wird, die Drehzahl fortlaufend verringert oder erhöht, sobald das Rattern erzeugt wird.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung vorzusehen, die eine optimale Drehzahl gewinnen kann, durch die die Ratterschwingung in wirksamer Weise unterdrückt werden kann.
• Es gehört auch zur Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schwingungsunterdrückungsverfahren sowie eine Vorrichtung hierfür vorzusehen, die eine genaue und stabile Drehzahl zum Unterdrücken von Schwingungen gewinnen können, ohne dass sich die Drehzahl fortlaufend verringert oder erhöht, auch wenn das Rattern intermittierend erzeugt wird.
• Die vorstehend genannte Aufgabe ist gelöst durch eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß den Ansprüche 1 und 5 sowie dem Schwingungsunterdrückungsverfahren gemäß Anspruch 3
  Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine noch genauere, optimale Drehzahl unmittelbar berechnet werden, da eine „Ratterschwingung“, die bei der tatsächlichen Drehung einer Drehwelle erzeugt wird, zum Berechnen einer optimalen Drehzahl erfasst wird. Daher kann eine Verstärkung einer „Ratterschwingung“ genau unterdrückt werden, und somit verbleiben keine Rattermarken an der bearbeiteten Fläche.
• Sobald eine Frequenzbereichsschwingung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, werden des Weiteren die Schwingung, die Frequenz der Ratterschwingung und die Drehzahl der Drehwelle in der Speichereinheit als Bearbeitungsinformationen gespeichert. Wenn eine Schwingung den Schwellwert überschreitet, nachdem die Informationen gespeichert wurden, wird die optimale Drehzahl unter Verwendung der vorherigen Bearbeitungsinformationen berechnet, die in der Speichereinheit gespeichert sind. Daher kann eine optimale Drehzahl, mit der eine regenerative Ratterschwingung zumindest erzeugt wird, was in einem vorgegebenen Stabilitätsdiagramm angegeben ist, in einfacher Weise berechnet werden. Somit kann die Bearbeitung der Rauhigkeit der Werkstückoberfläche auf einem hohen Niveau gehalten werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung werden darüber hinaus die Bearbeitungsinformationen gespeichert, und eine stabile Drehzahl wird berechnet, durch die die Ratterschwingung einer Drehwelle unterdrückt werden kann, und zwar auf der Grundlage der vorherigen Bearbeitungsinformationen. Daher unterscheidet sich die berechnete, stabile Drehzahl nicht stark von der vorherigen, stabilen Drehzahl. Auch wenn das Rattern intermittierend erzeugt wird, kann somit ein fortlaufendes Verringern oder Erhöhen der Drehzahl verhindert werden.
• 1 zeigt eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 2 zeigt eine Seitenansicht eines Drehwellengehäuses als ein Objekt der Schwingungsunterdrückung;
• 3 zeigt eine Ansicht eines Drehwellengehäuses in einer axialen Richtung;
• 4 zeigt eine Ansicht eines Beispieles eines Ergebnisses einer Fourier-Analyse einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung;
• 5 zeigt ein Flussdiagramm zum Unterdrücken und Steuern der Ratterschwingung;
• 6 zeigt eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
• 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Schwingungsunterdrückungsverfahrens, das bei der Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß der 6 ausgeführt wird.
• Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben. Außerdem wird die vorliegende Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
• [Erstes Ausführungsbeispiel]
• Eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
• Die 1 zeigt eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10. Die 2 zeigt eine Seitenansicht eines Drehwellengehäuses 1 als ein Objekt der Schwingungsunterdrückung. Die 3 zeigt eine Ansicht eines Drehwellengehäuses 1 in einer axialen Richtung.
• Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 ist eine Vorrichtung zum Unterdrücken einer „Ratterschwingung“, die in einer Drehwelle 3 erzeugt wird, die an dem Drehwellengehäuse 1 so vorgesehen ist, dass sie um eine Achse C drehbar ist. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 hat Schwingungssensoren (eine Erfassungseinheit) 2a bis 2c zum Erfassen einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung (was eine Schwingungsbeschleunigung an einer Zeitachse bedeutet), die in der sich drehenden Drehwelle 3 erzeugt wird, und eine Steuervorrichtung 5 zum Steuern einer Drehzahl der Drehwelle 3 auf der Grundlage eines durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfassten Wertes.
• Wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist, sind die Schwingungssensoren 2a bis 2c an Positionen nahe der Drehwelle 3 des Drehwellengehäuses 1 angebracht, und einer der Schwingungssensoren erfasst eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung in einer Richtung senkrecht zu den anderen Sensoren (zum Beispiel eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung in der X-, Y- und Z-Axialrichtung wird erfasst, die zueinander jeweils im rechten Winkel stehen).
• Andererseits hat die Steuervorrichtung 5 eine FFT-Berechnungseinheit (eine erste Berechnungseinheit) 6 zum Durchführen einer Analyse auf der Grundlage einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung, die durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfasst wird, eine Berechnungseinheit (eine zweite Berechnungseinheit) 7 zum Berechnen einer optimalen Drehzahl auf der Grundlage des Wertes, der durch die FFT-Berechnungseinheit 6 berechnet wird, eine Speichervorrichtung (Speichereinheit) 9 zum Speichern eines berechneten Wertes oder dergleichen, der durch die Berechnungseinheit 7 berechnet wird, und eine NC-Vorrichtung (Drehzahlsteuereinheit) 8 zum Steuern einer Bearbeitung des Drehwellengehäuses 1. Die Steuervorrichtung 5 steuert die Drehzahl der Drehwelle 3 gemäß der nachfolgenden Beschreibung derart, dass eine Ratterschwingung unterdrückt wird, die in der Drehwelle 3 erzeugt wird.
• Nun wird das Unterdrücken und Steuern der „Ratterschwingung“ durch die Steuervorrichtung 5 unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm in der 5 beschrieben.
• Zunächst führt die FFT-Berechnungseinheit 6 eine FourierTransformation einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durch, die während der Drehung der Drehwelle 3 durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c konstant erfasst wird (S1), und sie berechnet eine maximale Beschleunigung (eine Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung) und deren Frequenz (eine Frequenz der Ratterschwingung), wie dies durch ein Bezugszeichen 4 in der 4 bezeichnet ist (S2).
• Dann vergleicht die Berechnungseinheit 7 die bei S2 berechnete, maximale Beschleunigung mit einem voreingestellten, vorbestimmten Schwellwert (S3). Wenn die maximale Beschleunigung den Schwellwert überschreitet, bestimmt die Berechnungseinheit 7, dass eine zu unterdrückende „Ratterschwingung“ in der Drehwelle 3 erzeugt wird, sie berechnet eine Zahl k', eine Zahl k und Phaseninformationen durch die folgenden arithmetischen Ausdrücke (1) bis (3) unter Verwendung einer Frequenz der Ratterschwingung, der Anzahl der Werkzeugschneiden und einer Drehzahl der Drehwelle 3. Dann speichert die Berechnungseinheit 7 die maximale Beschleunigung und die Frequenz der Ratterschwingung, die bei S2 berechnet sind, und eine gegenwärtige Drehzahl der Drehwelle 3 zusätzlich zu der Zahl k', der Zahl K und den Phaseninformationen in der Speichervorrichtung 9 als gegenwärtige Bearbeitungsinformationen (S4). $$\begin{array}{l}\text{Zahl k'}=60\times \text{Frequenz der Ratterschwingung/}(\text{A}\text{nzahl der}\\ \text{Werkzeugschneiden}\times \text{Drehzahl der Drehwell}\text{e})\end{array}$$

  

  $$\text{Zahl k }=\text{ ganzzahliger Anteil der Zahl k'}$$

  

  $$\text{Phaseninformationen}=\text{Zahl k' }-\text{ Zahl k}$$

  
• Hierbei wird angenommen, dass die „Anzahl der Werkzeugschneiden“ in dem arithmetischen Ausdruck (1) im Voraus eingegeben und in der Berechnungseinheit 7 eingestellt wurde. Die Drehzahl der Drehwelle in dem arithmetischen Ausdruck (1) ist eine gegenwärtige Drehzahl (die im voraus auf die optimale Drehzahl festgelegt wurde).
• Dann werden von den Bearbeitungsinformationen, die in der Speichervorrichtung 9 gespeichert sind, Phaseninformationen und eine Drehzahl der Drehwelle zur Zeit des Überschreitens eines Schwellwertes beim letzten Mal (vorherige Überarbeitungsinformationen) sowie Phaseninformationen und eine Drehzahl der Drehwelle zur Zeit eines Überschreitens des Schwellwertes bei dem vorletzten Mal (vorherige Bearbeitungsinformationen) gelesen, und eine optimale Drehzahl wird unter Verwendung der folgenden arithmetischen Ausdrücke (4) und (5) berechnet (S5). $$\begin{array}{l}\text{Betrag der Drahzahländerung }=(1-\text{Phaseninformationen beim}\\ \text{vorletzten Ma}\text{l})\times (\text{D}\text{rehzahl der Drehwelle beim vorletzten}\\ \text{Mal}-\text{Drehzahl der Drehwelle beim letzten Ma}\text{l})\text{/}(\text{P}\text{hasenin-}\\ \text{formationen beim letzten Mal}-\text{Phaseninformationen beim}\\ \text{vorletzten Ma}\text{l})\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{Optimale Drehzahl}=\text{Drehzahl der Drehwelle beim vorlezten}\\ \text{Mal}-\text{Betrag der Drehzahländerung }\end{array}$$

  
• Dann ändert die NC-Vorrichtung 8 die Drehzahl der Drehwelle 3 derart, dass sie zu der berechneten, optimalen Drehzahl wird, und somit wird eine Verstärkung der „Ratterschwingung“ verhindert, das heißt unterdrückt (S6).
• Wie dies beschrieben wurde, unterdrückt und steuert die Steuervorrichtung 5 eine Ratterschwingung.
• Falls das Überschreiten des Schwellwertes durch die maximale Beschleunigung zum ersten Mal erfasst wird und nach dem Starten des Drehens der Drehwelle 3 zum zweiten Mal erfasst wird, kann zusätzlich der arithmetische Ausdruck (4) nicht verwendet werden. In diesen Fällen werden daher die durch den arithmetischen Ausdruck (3) erhaltenen Phaseninformationen mit einer festgelegten Konstante nach S3 verglichen. Wenn die Phaseninformationen gleich oder größer sind als die festgelegte Konstante, wird eine Zahl k1 durch einen arithmetischen Ausdruck (6) berechnet. Wenn die Phaseninformationen kleiner sind als die festgelegte Konstante, wird eine Zahl k1 durch einen arithmetischen Ausdruck (7) berechnet. $$\text{Zahl k1 }=\text{Zahl k}+1$$

  

  $$\text{Zahl k1 }=\text{Zahl k}$$

  
• Wenn die Konstante auf 0,5 festgelegt wird, kann im allgemeinen hierbei für die festgelegte Konstante ein Änderungsbetrag der Drehzahl minimiert werden. Wenn jedoch ein Betrag einer Änderungsrate der Drehzahl klein ist, kann eine Schneidgeschwindigkeit kleiner als ein minimaler Wert sein, der durch eine vorbestimmte Stabilitätstabelle bestimmt wird, und zwar in Abhängigkeit vom einer Richtung der Änderung der Drehzahl, so dass eine regenerative Ratterschwingung erzeugt werden kann. Somit ist es wünschenswert, dass der minimale Wert der Schneidgeschwindigkeit auf die festgelegte Konstante eingestellt wird und mit den Phaseninformationen verglichen wird. In diesem Fall beträgt die festgelegte Konstante in wünschenswerter Weise 0,75.
• Die optimale Drehzahl kann durch einen arithmetischen Ausdruck (8) unter Verwendung der Zahl k1 berechnet werden, die durch den vorstehend beschriebenen, arithmetischen Ausdruck (6) oder (7) erhalten wird, und die Drehzahl der Drehwelle 3 kann so geändert werden, dass sie zu der optimalen Drehzahl wird. $$\begin{array}{l}\text{Optimale Drehzahl}=60\times \text{Frequenz der Ratterschwingung/}\\ \left(\text{Anzahl der Werkzeugschneiden }\times \text{ Zahl k1}\right)\end{array}$$

  
• Die vorstehend beschriebene Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 überwacht die während der Drehung der Drehwelle 3 erzeugte „Ratterschwingung“ in Echtzeit durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c, die FFT-Berechnungseinheit 6 und die Berechnungseinheit 7. Wenn eine Erzeugung der „Ratterschwingung“ erfasst wird, berechnet die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 die optimale Drehzahl unmittelbar unter Verwendung der arithmetischen Ausdrücke (1) bis (5), und sie ändert die Drehzahl der Drehwelle 3 zu der optimalen Drehzahl. Da dementsprechend eine Ratterschwingung, die in der sich tatsächlich drehenden Drehwelle 3 erzeugt wird, erfasst wird und eine optimale Drehzahl berechnet wird, kann eine noch genauere, optimale Drehzahl unmittelbar berechnet werden. Daher kann eine Verstärkung einer „Ratterschwingung“ exakt unterdrückt werden, und an einer bearbeiteten Fläche verbleiben keine Rattermarken.
• Wann immer eine maximale Beschleunigung einer Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung einen Schwellwert überschreitet, speichert die Speichervorrichtung 9 des Weiteren die Zahl k', die Zahl k und die Phaseninformationen, die durch die arithmetischen Ausdrücke (1) bis (3) als gegenwärtige Bearbeitungsinformationen berechnet sind, und zwar zusätzlich zu der maximalen Beschleunigung, deren Frequenz (die Frequenz der Ratterschwingung) und der Drehzahl der Drehwelle. Wenn die maximale Beschleunigung den Schwellwert beim nächsten Mal und darauf folgend überschreitet, wird eine optimale Drehzahl unter Verwendung der vorherigen Bearbeitungsinformationen berechnet, die in der Speichervorrichtung 9 gespeichert sind. Daher kann in einfacher Weise eine optimale Drehzahl berechnet werden, bei der eine regenerative Ratterschwingung kaum erzeugt wird und die in einer vorgegebenen Stabilitätstabelle angegeben ist, und das Finish der Werkstückoberflächenrauigkeit kann auf einem hohen Niveau gehalten werden.
• Wenn des Weiteren „Ratterschwingungen“ beim ersten Mal und beim zweiten Mal erfasst werden, bei denen keine ausreichenden Bearbeitungsinformationen in der Speichervorrichtung 9 gespeichert sind, werden die Phaseninformationen mit festgelegten Informationen verglichen, und eine optimale Drehzahl wird jeweils auf der Grundlage der Zahl k1 berechnet, die entsprechend dem Vergleichsergebnis geändert wird. Daher können „Ratterschwingungen“ in einer kurzen Zeit unterdrückt werden, und es kann erwartet werden, dass das Finish der Werkstückoberflächenrauigkeit verbessert wird, dass der Werkzeugverschleiß beschränkt wird und dass eine Beschädigung eines Werkzeugs verhindert wird.
• Es ist zu beachten, dass die Schwingungsunterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Konfigurationen der Erfassungseinheit, der Steuervorrichtung und der Steuerung der Schwingungsbegrenzung der Steuervorrichtung können je nach Bedarf angemessen geändert werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
• Wenn zum Beispiel die Zahl k', die Zahl k, die Phaseninformationen, ein Betrag der Drehzahländerung oder dergleichen sowie ihre Beziehungen, die in den arithmetischen Ausdrücken (1) bis (8) beschrieben sind, gemäß der Art eines Maschinenwerkzeugs korrekt geprüft und bestimmt werden, kann die Genauigkeit weiter verbessert werden.
• Wenn des Weiteren ein Betrag der Drehzahländerung berechnet wird, werden die Phaseninformationen beim vorletzten Mal von der Konstanten „1“ in dem arithmetischen Ausdruck (4) subtrahiert. Auch wenn die Konstante theoretisch „1“ beträgt, kann jedoch ein geringfügig von „1“ abweichender Wert wie zum Beispiel „1,05“, zum Erhalten eines Betrags der Drehzahländerung verwendet werden.
• Wenn bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Weiteren eine Fourier-Transformation der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durchgeführt wird, die durch die Erfassungseinheit erfasst wird, wird eine „Ratterschwingung“ unter Verwendung eines Spitzenwerts gesteuert und unterdrückt, bei dem eine Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung das Maximum zeigt. Jedoch kann die Unterdrückungswirkung für eine „Ratterschwingung“ dadurch weiter verbessert werden, dass eine optimale Drehzahl unter Verwendung von mehreren Spitzenwerden (zum Beispiel drei Spitzenwerten) berechnet wird, bei denen die Werte der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigungen eine höhere Ordnung haben.
• Des Weiteren wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine Erfassung einer Schwingungsbeschleunigung der Drehwelle unter Verwendung der Schwingungssensoren übernommen. Jedoch ist es auch möglich, eine Konfiguration zu nutzen, bei der die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung eine Versetzung oder einen Schalldruck aufgrund der Schwingungen erfasst und eine optimale Drehzahl auf der Grundlage der erfassten Versetzung oder des erfassten Schalldrucks berechnet.
• Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich eine Erfassung einer Schwingung der Drehwelle eines Maschinenwerkzeugs übernommen. Jedoch ist es auch möglich, eine Konfiguration zu nutzen, bei der die Vorrichtung eine Schwingung eines Werkstücks erfasst, das sich an einer sich nicht drehenden Seite (an einer ortsfesten Seite) befindet, und bei der eine optimale Drehzahl berechnet wird. Außerdem kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf ein Bearbeitungszentrum der Drehung des Werkzeugs angewendet werden, sondern auch auf ein Maschinenwerkzeug zum Drehen eines Werkstücks, wie zum Beispiel eine Drehbank. Selbstverständlich können zusätzlich eine Anbringungsposition und eine Anzahl der angebrachten Erfassungseinrichtungen in Abhängigkeit von einer Art oder einer Größe eines Maschinenwerkzeugs angemessen geändert werden.
• [Zweites Ausführungsbeispiel]
• Die 6 zeigt eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 hat ein Drehwellengehäuse 1 (s. 2 und 3) als ein Objekt der Schwingungsunterdrückung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Drehwellengehäuse 1 hat eine Drehwelle 3, die um eine Achse mit einer Achse C drehbar ist. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 unterdrückt eine Ratterschwingung, die in der sich drehenden Drehwelle 3 erzeugt wird. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 hat Schwingungssensoren 2a bis 2c als eine Erfassungseinheit, die zum Erfassen einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung geeignet ist, die in der sich drehenden Drehwelle 3 erzeugt wird, und eine Steuervorrichtung 105 zum Steuern der Drehzahl der Drehwelle 3 auf der Grundlage des Werts, der durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfasst wird.
• Wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist, sind die Schwingungssensoren 2a bis 2c an dem Drehwellengehäuse 1 so angebracht, dass sie die Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung in der X-, Y- und Z-Axialrichtung erfassen, die sich gegenseitig orthogonal schneiden, um eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung (eine Schwingungsbeschleunigung über eine Zeitachse) zu erfassen.
• Des Weiteren hat die Steuervorrichtung 105 eine FFT-Berechnungseinheit 106 zum Durchführen einer Fourier-Analyse auf der Grundlage der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung, die durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfasst wird, eine Einheit 107 zum Berechnen einer stabilen Drehzahl, um eine stabile Drehzahl auf der Grundlage des durch die FFT-Berechnungseinheit 106 berechneten Wertes zu berechnen, und eine NC-Vorrichtung 108 als eine Drehzahlsteuereinrichtung, die für eine Steuerverarbeitung in dem Drehwellengehäuse 1 eingerichtet ist. Die NC-Vorrichtung 108 in der Steuervorrichtung 105 überwacht die Drehzahl der Drehwelle 3. Zusätzlich entsprechen die FFT-Berechnungseinheit 106 und die Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl der Berechnungseinheit.
• Ein Beispiel eines Schwingungsunterdrückungsverfahrens der Ratterschwingung durch die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird hauptsächlich unter Bezugnahme auf die 7 beschrieben. Die 7 zeigt ein Flussdiagramm der Begrenzungssteuerung.
• Die FFT-Berechnungseinheit 106 führt eine Fourier-Analyse der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durch, die während der Drehung durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c konstant erfasst wird, und sie berechnet fortlaufend eine maximale Beschleunigung und deren Frequenz 4 (Frequenz der Ratterschwingung), wie dies in der 4 dargestellt ist (Schritt S10 in der 7, der Erfassungsschritt), und zwar wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Wenn zusätzlich die Fourier-Analyse der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durchgeführt wird, werden viele Spitzenwertmuster gewonnen, die eine Korrelation zwischen der Frequenz und der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung angeben, wie dies in der 4 dargestellt ist. Jedoch verwendet dieses Ausführungsbeispiel einen Spitzenwert mit einem maximalen Wert der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung.
• Dann vergleicht die Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung, die durch die FFT-Berechnungseinheit 106 berechnet wird, mit einem im voraus festgelegten Schwellwert. Wenn die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet (zum Beispiel wird die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung mit der Frequenz 4 in der 4 erfasst), bestimmt die Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl, dass die zu unterdrückende Ratterschwingung in der Drehwelle 3 erzeugt wird. Dann berechnet die Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl eine Zahl k durch die folgenden Formeln (101) und (102) und speichert sie als Bearbeitungsinformationen, berechnet eine stabile Drehzahl durch die folgende Formel (103) und gibt diese zu der NC-Vorrichtung 108 ab (Schritt S102, ein Berechnungsschritt, falls die vorherigen Bearbeitungsinformationen nicht gespeichert sind). Hierbei geben die Bearbeitungsinformationen eine Zahl k und eine Zahl k' an. Des Weiteren wird eine Anzahl der Werkzeugschneiden im voraus in die Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl eingestellt. Darüber hinaus ist die Drehwellendrehzahl eine gegenwärtige Drehzahl der Drehwelle 3 vor einer Änderung zu einer stabilen Drehzahl. Zusätzlich ist die Ratterfrequenz die Frequenz 4, wenn die Ratterschwingung erzeugt wird. $$\begin{array}{l}\text{Zahl k'}=60\times \text{Ratterfrequenz/}(\text{d}\text{ie Anzahl der Werkzeug-}\\ \text{scneiden}\times \text{Drehwellendrehza}\text{hl})\end{array}$$

  

  $$\text{Zahl k}=\text{ganzzahliger Anteil der Zahl k'}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{stabile Drehzahl}=60\times \text{Ratterfrequenz/}\{\text{di}\text{e Anzahl der}\\ \text{Werkzeugschneiden }\times \left(\text{Zahl k}+\text{1}\right)\}\end{array}$$

  
• Wenn die Abgabe der stabilen Drehzahl von der Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl bei dem Schritt S102 aufgenommen wird, ändert die NC-Vorrichtung 108 die Drehzahl der Drehwelle 3 auf eine stabile Drehzahl (Schritt S103, ein Drehzahlsteuerschritt). Wenn die Drehzahl der Drehwelle 3 auf die stabile Drehzahl geändert wird, wird die Ratterschwingung unterdrückt, so dass ein stabiler Bearbeitungszustand erhalten werden kann.
• Auch wenn ein stabiler Bearbeitungszustand erhalten wird, bei dem die Ratterschwingung unterdrückt wird, erfassen die Schwingungssensoren 2a bis 2c weiterhin die Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung (ein Erfassungsschritt). Wenn des Weiteren die Ratterschwingung regeneriert wird und die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, berechnet die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 die Bearbeitungsinformationen erneut, um so eine stabile Drehzahl abzugeben, und zwar durch einen ähnlichen Prozess wie bei dem Schritt S102. Wenn jedoch die berechnete Zahl k nicht mit der Zahl k übereinstimmt, die im voraus gespeichert wurde, (bei dem Schritt S102), wird die gespeicherte Zahl k durch die neu berechnete Zahl k ersetzt, um so eine stabile Drehzahl zu berechnen (Schritt S104, ein Berechnungsschritt, falls die Bearbeitungsinformationen vorhanden sind, die in der Vergangenheit gespeichert wurden). Bei dem Schritt S104 kann zusätzlich eine stabile Drehzahl auf der Grundlage der gespeicherten Zahl k berechnet werden, ohne dass die Bearbeitungsinformationen berechnet werden.
• Wenn eine Abgabe der stabilen Drehzahl von der Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl bei dem Schritt S104 aufgenommen wird, ändert die NC-Vorrichtung 108 die Drehzahl der Drehwelle 3 auf eine stabile Drehzahl (Schritt S5, ein Drehzahlsteuerschritt). Wenn die Drehzahl der Drehwelle 3 auf die stabile Drehzahl geändert wird, werden die Ratterschwingungen unterdrückt, um so erneut einen stabilen Verarbeitungszustand zu erhalten. Des Weiteren wird diese stabile Drehzahl auf der Grundlage derselben Zahl k wie in der Vergangenheit berechnet (Schritt S102). Somit ist diese stabile Drehzahl ungefähr gleich der vergangenen stabilen Drehzahl, und sie unterscheidet sich nicht stark von der vergangenen stabilen Drehzahl.
• Wenn des Weiteren die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung den vorbestimmten Schwellwert über den stabilen Bearbeitungszustand erneut überschreitet (falls die Ratterschwingung intermittierend erzeugt wird), wiederholt die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 die Erfassung durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c und die Schritte S104 und S105, und sie setzt die Drehzahl der Drehwelle 3 auf eine neue Drehzahl, um einen stabilen Bearbeitungszustand herzustellen. Die neue stabile Drehzahl wird auf der Grundlage der Zahl k wie bei dem Schritt S104 berechnet. Somit ist die neue stabile Drehzahl ähnlich der vergangenen stabilen Drehzahl, und sie unterscheidet sich nicht stark von der vergangenen stabilen Drehzahl. Auch wenn die Ratterschwingung intermittierend erzeugt wird, wird die stabile Drehzahl nicht kontinuierlich verringert oder erhöht.
• Die vorstehend beschriebene Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 berechnet eine stabile Drehzahl mit einer festen Zahl k auf der Grundlage der Zahl k, die aus dem vergangenen Bearbeitungsergebnis berechnet und gespeichert wird. Wenn die Ratterschwingung intermittierend erzeugt wird, unterscheidet sich somit eine stabile Drehzahl nicht stark von der vergangenen Drehzahl, und ein aufeinander folgendes Verringern oder Erhöhen der Drehzahl der Drehwelle 3 kann verhindert werden. Daher kann die bearbeitete Fläche auf eine hohe Qualität mit hoher Effizienz gehalten werden. Da des Weiteren eine Änderung der Drehzahl der Drehwelle 3 gering ist, kann ein Problem verhindert werden, dass eine übermäßige Last auf ein Werkzeug oder auf eine Hauptachse aufgebracht wird.
• Zusätzlich wird ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geschaffen, indem hauptsächlich das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel geändert wird. Verschiedene vorherige Zahlen k (zum Beispiel fünf Zahlen k) werden kollektiv gespeichert, und eine neue Zahl k kann dadurch erhalten werden, dass ein Durchschnittswert der vorbestimmten Anzahl der vergangenen Zahlen k (zum Beispiel fünf Zahlen k) gerundet wird. Es kann auch eine neue Zahl k dadurch gebildet werden, dass die Zahl k durch einen Wert ersetzt wird, der am häufigsten in der vorbestimmten Anzahl der vergangenen Zahlen k (zum Beispiel fünf Zahlen k) auftritt. In diesen Fällen kann ein darauf folgendes Erhöhen oder Verringern der Drehzahl verhindert werden. Des Weiteren kann bei einer Fourier-Analyse durch die Steuervorrichtung eine Vielzahl von Schwingungsfrequenzen höherer Ordnung in einer Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung so extrahiert werden, dass eine stabile Drehzahl unter Verwendung von diesen Schwingungsfrequenzen berechnet wird. Darüber hinaus kann ein Schalldruck, der durch eine Versetzung oder durch eine Drehung aufgrund einer Schwingung erzeugt wird, anstelle oder zusammen mit der Schwingungsbeschleunigung der Drehwelle erfasst werden, um so eine stabile Drehzahl zu berechnen.
• Zusätzlich dazu kann die Erfassungseinrichtung an einer Befestigungsseite (ein Werkstück und/oder ein Ort nahe dem Werkstück) anstelle oder zusammen mit der Drehwellenseite angeordnet sein. Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung auf andere Bearbeitungswerkzeuge einschließlich einer Drehbank zum Drehen eines Werkstücks angewendet werden. Bei dem Maschinenwerkzeug, das ein Werkstück dreht, kann eine Schwingung an einer Seite einer Hauptachse, die ein Werkstück hält, erfasst werden, und eine Schwingung an einer Werkzeugseite als die befestigte Seite kann erfasst werden. Des Weiteren können die Anzahl der Erfassungseinheiten sowie deren Anordnung in angemessener Weise entsprechend einer Art oder einer Größe eines Maschinenwerkzeugs geändert werden. Darüber hinaus können verschiedene Arten von Berechnungseinheiten integriert oder getrennt werden, und eine getrennte Speichervorrichtung kann neben einer Berechnungsvorrichtung vorgesehen sein.

Claims (6)

1. Schwingungsunterdrückungsvorrichtung (10) für ein Maschinenwerkzeug mit einer Drehwelle (3) zum Unterdrücken einer Ratterschwingung, die dann erzeugt wird, wenn die Drehwelle (3) gedreht wird, wobei die Vorrichtung (10) folgendes aufweist: eine Erfassungseinheit (2a bis 2c) zum Erfassen einer Zeitbereichsschwingung aufgrund der sich drehenden Drehwelle (3); eine erste Berechnungseinheit (6) zum Berechnen einer Frequenz der Ratterschwingung und einer Frequenzbereichsschwingung mit der Frequenz der Ratterschwingung auf der Grundlage der durch die Erfassungseinheit (2a bis 2c) erfassten Zeitbereichsschwingung; eine Speichereinheit (9) zum Speichern der Frequenzbereichsschwingung, der Frequenz der Ratterschwingung und einer Drehzahl der Drehwelle (3) als Bearbeitungsinformationen; eine zweite Berechnungseinheit (7) zum Speichern der Frequenzbereichsschwingung, der Frequenz der Ratterschwingung und der Drehzahl der Drehwelle (3) in der Speichereinheit (9) als gegenwärtige Bearbeitungsinformationen, wenn die durch die erste Berechnungseinheit (6) berechnete Frequenzbereichsschwingung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, und zum Berechnen einer optimalen Drehzahl der Drehwelle (3), die die Ratterschwingung unterdrücken kann, auf der Grundlage der gegenwärtigen Bearbeitungsinformationen und der vorherigen Bearbeitungsinformationen, die in der Speichereinheit (9) gespeichert sind; und eine Drehzahlsteuereinheit (5) zum Drehen der Drehwelle (3) mit der optimalen Drehzahl, die durch die zweite Berechnungseinheit (7) berechnet ist.
2. Schwingungsunterdrückungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Berechnungseinheit (7) Phaseninformationen auf der Grundlage von arithmetischen Ausdrücken (1) bis (3) und die optimale Drehzahl auf der Grundlage der Phaseninformationen und der vorherigen Bearbeitungsinformationen berechnet, die in der Speichereinheit (9) gespeichert sind: $$\begin{array}{l}\text{Zahl k'}=60\times \text{Frequenz der Ratterschwingung/}(\text{d}\text{ie Anzahl}\\ \text{der Werkzeugschneiden}\times \text{Drehzahl der Drehwell}\text{e})\end{array}$$

   

   $$\text{Zahl k}=\text{ganzzahliger Anteil der Zahl k'}$$

   

   $$\text{Phaseninformationen}=\text{Zahl k'}-\text{Zahl k}$$

   
3. Schwingungsunterdrückungsverfahren für ein Maschinenwerkzeug mit einer Drehwelle (3) zum Unterdrücken einer Ratterschwingung, die dann erzeugt wird, wenn die Drehwelle (3) gedreht wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erfassen einer Zeitbereichsschwingung aufgrund der sich drehenden Drehwelle (3); Berechnen einer Ratterfrequenz und einer Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung mit der Ratterfrequenz auf der Grundlage der bei dem Erfassungsschritt erfassten Zeitbereichsschwingung, und wenn die berechnete Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, werden Bearbeitungsinformationen zumindest unter Verwendung der Ratterfrequenz berechnet und gespeichert, und wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen nicht gespeichert sind, wird eine stabile Drehzahl, die die Ratterschwingung der Drehwelle (3) unterdrücken kann, unter Verwendung der berechneten Bearbeitungsinformationen berechnet, und wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen gespeichert sind, wird die stabile Drehzahl zumindest unter Verwendung der Bearbeitungsinformationen berechnet; und Steuern einer Drehzahl der Drehwelle (3) auf die stabile Drehzahl, die bei dem Berechnungsschritt berechnet wird.
4. Schwingungsunterdrückungsverfahren gemäß Anspruch 3, wobei, wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen gespeichert sind, die stabile Drehzahl nur unter Verwendung der Bearbeitungsinformationen berechnet wird.
5. Schwingungsunterdrückungsvorrichtung (110) für ein Maschinenwerkzeug mit einer Drehwelle (3) zum Unterdrücken einer Ratterschwingung, die dann erzeugt wird, wenn die Drehwelle (3) gedreht wird, wobei die Vorrichtung (110) folgendes aufweist: eine Erfassungseinheit (2a bis 2c) zum Erfassen einer Zeitbereichsschwingung aufgrund der Drehung der Drehwelle (3); eine Berechnungseinheit (107) zum Berechnen einer Ratterfrequenz und einer Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung mit der Ratterfrequenz auf der Grundlage der durch die Erfassungseinheit (2a bis 2c) erfassten Zeitbereichsschwingung, und wenn die berechnete Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, berechnet die Berechnungseinheit (107) Bearbeitungsinformationen zumindest unter Verwendung der Ratterfrequenz und speichert die berechneten Informationen, und wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen nicht gespeichert sind, berechnet die Berechnungseinheit (107) eine stabile Drehzahl, die die Ratterschwingung der Drehwelle (3) unterdrücken kann, unter Verwendung der berechneten Bearbeitungsinformationen, und wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen gespeichert sind, berechnet die Berechnungseinheit (107) die stabile Drehzahl zumindest unter Verwendung dieser Bearbeitungsinformationen; und eine Drehzahlsteuereinheit (105) zum Drehen der Drehwelle (3) mit der stabilen Drehzahl, die durch die Berechnungseinheit (107) berechnet ist.
6. Schwingungsunterdrückungsvorrichtung (110) gemäß Anspruch 5, wobei, wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen gespeichert sind, die Berechnungseinheit (107) die stabile Drehzahl nur unter Verwendung der Bearbeitungsinformationen berechnet.

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