DE102012204968A1

DE102012204968A1 - Schwingungsermittlungsverfahren und Schwingungsermittlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012204968A1
Application number: DE102012204968A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Tanaka
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-10-04
Also published as: ITMI20120368A1; US9381608B2; US20120253708A1; CN102699764B; CN102699764A; JP2012213851A; JP5686760B2

Abstract

Wenn eine Erzeugung einer Ratterschwingung erkannt wird, berechnet eine Parameterberechnungsvorrichtung (15) einen ersten Frequenzbereich und einen zweiten Frequenzbereich. Eine Ermittlungsgültigkeit wird unter Berücksichtigung einer Rotationsgeschwindigkeitserkennungsauflösung und einer Frequenzauflösung berechnet und basierend auf dem Verhältnis eines Frequenzbereichs einer rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung zu einem Frequenzbereich einer regenerativen Ratterschwingung. Es wird basierend auf der Ermittlungsgültigkeit ermittelt, ob die erzeugte Ratterschwingung eine regenerative Ratterschwingung, eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung, oder eine Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungsermittlungsverfahren zum Ermitteln einer Art von Ratterschwingung, die in einer Werkzeugmaschine während der Bearbeitung beim Drehen eines Werkzeugs oder Werkstücks hervorgerufen wird, und eine Schwingungsermittlungsvorrichtung, die das Schwingungsermittlungsverfahren durchführt.
Eine Werkzeugmaschine, welche eine Bearbeitung durch Rotieren einer Drehwelle durchführt, kann eine so genannte ”Ratterschwingung” während der Bearbeitung erzeugen, wenn die Bearbeitungsbedingungen, wie die Schnitttiefe und die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle ungünstig sind. Eine Ratterschwingung kann die Fertigungsgenauigkeit einer bearbeiteten Oberfläche vermindern und das Werkzeug brechen. Daher ist es erwünscht, eine Ratterschwingung zu unterdrücken.
Es gibt zwei Arten von Ratterschwingungen, nämlich eine ”regenerative Ratterschwingung”, welche eine selbsterregende Schwingung ist, die zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erzeugt wird, und eine ”erzwungene Ratterschwingung”, die durch die Werkzeugmaschine selbst erzeugt wird. Vor der vorliegenden Anmeldung schlug der Anmelder eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung vor, die zwischen den beiden Arten von Ratterschwingungen unterscheidet, so dass entsprechende Gegenmaßnahmen gegen die zwei Arten von Ratterschwingungen vorgenommen werden können (japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 2008-290186 A ). In der Schwingungsunterdrückungsvorrichtung, die in JP 2008-290186 A beschrieben ist, wird eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung, die durch Schwingungssensoren erkannt wird, einer FFT-Analyse unterzogen, um eine Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung zu berechnen, und um eine Ratterfrequenz fc, an welcher die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung einen Maximalwert erreicht, zu berechnen. Dann wird eine k'-Nummer, eine k-Nummer und eine Phasendifferenz ε mit den unten stehenden Formeln (1) bis (3) berechnet, um eine erzwungene Ratterschwingung zu ermitteln, wenn die Phasendifferenz ε gegen Null geht (z. B. 0,1 oder weniger), sprich, die k'-Nummer nahe an einer Ganzzahl ist, und um andernfalls eine regenerative Ratterschwingung zu ermitteln. k' = 60 × fc/(Z × S) (1) k = |k'| (2) ε = k' – k (3)
In Formel (1) ist Z die Anzahl der Werkzeugnute und S ist die Drehzahl der Drehwelle. In Formel (2) ist |x'| eine Abrundungsfunktion, die die größte Ganzzahl kleiner als x darstellt (sprich, Formel (2) leitet den ganzzahligen Teil der k'-Nummer ab).
Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung, die in JP 2008-290186 A beschrieben ist, ermittelt, ob eine Phasendifferenz ε gegen Null geht, basierend darauf, ob die Phasendifferenz ε innerhalb eines Bereichs fällt, dessen obere und untere Grenzen durch zwei Konstanten definiert werden. Das heißt, wie in 6 gezeigt ist, welche die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit der Drehwelle und der Ratterfrequenz der Ratterschwingung zeigt, eine Technik, die die k'-Nummer gemäß dem Stand der Technik verwendet, ermittelt erzwungene Ratterschwingungen in Bereichen, die durch zwei gepunktete Linien definiert werden, die durch eine durchgezogene Linie getrennt werden. Daher ist es aus 6 ersichtlich, dass die Bereiche, in denen eine erzwungene Ratterschwingung ermittelt wird, proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit und der Ratterfrequenz sind, und in Regionen, in denen sowohl die Drehgeschwindigkeit als auch die Ratterfrequenz hoch sind, weitverbreitet sind. Daher kann unter solchen Bearbeitungsbedingungen eine regenerative Ratterschwingung mit einer Phasendifferenz ε, die gegen Null geht, fälschlicherweise als erzwungene Ratterschwingung ermittelt werden.
Die Erkennungsgenauigkeit einer Schwingungsbeschleunigung und Drehgeschwindigkeit ist begrenzt, und zwangsläufig Fehlern unterworfen. Wenn die Drehgeschwindigkeitserkennungsauflösung als ΔS definiert ist und die Frequenzauflösung in einer FFT-Berechnungsvorrichtung als Δf definiert ist, wird ein Maximalfehler ε_err, der in der Phasendifferenz ε auftreten kann, durch untenstehende Formel (4) berechnet. Das heißt, Bearbeitungsbedingungen, in welchen zum Beispiel zumindest eine der Drehgeschwindigkeit und der Ratterfrequenz niedrig ist, haben für die Ermittlung von erzwungenen Ratterschwingungen enge Bereiche. Unter solchen Bearbeitungsbedingungen kann die Phasendifferenz ε wegen des Fehlers ε_err die Bereiche übersteigen, deren obere und untere Grenzen durch zwei Konstanten definiert sind. Das heißt, eine erzwungene Ratterschwingung kann fälschlicherweise als regenerative Ratterschwingung ermittelt werden.
Eine erzwungene Ratterschwingung wird ferner in zwei Arten unterteilt, nämlich eine ”Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung”, die an einem ganzzahligen Vielfachen der Zeitspanne erzeugt wird, während der Nutbereiche des Werkzeugs über eine Oberfläche des Werkstücks streichen, sowie eine „rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung”, die im Rotationszeitraum der Drehwelle erzeugt wird. Eine Nut-Passagenperiodisch erzwungene Ratterschwingung kann durch die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung, die in JP 2008-290186 A oben beschrieben ist, ermittelt werden. Für eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung, ist die grundsätzliche Frequenz die Rotationszeitspanne, und eine Phasendifferenz ε_sp wird durch untenstehende Formel (5) berechnet. Daher hat eine Ratterschwingung, mit einem Schwingungsgrad N, der kein Vielfaches der Anzahl der Nute Z ist, keine Phasendifferenz ε (ε_sp) von Null, und kann daher nicht als erzwungene Ratterschwingung erkannt werden.
[Ausdruck 1]
Fehler in Phasendifferenz ε

ε_err = ((fc + Δf) × 60)/(Z × (S – ΔS)) + ((fc – Δf) × 60)/(Z × (S + ΔS)) (4)

Phasendifferenz in rotationsperiodisch erzwungener Ratterschwingung

ε_sp = Z/N (5)

In Formel (4) ist fc die Ratterfrequenz und S ist die Drehzahl der Drehwelle.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorgenannten Probleme entwickelt und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schwingungserkennungsverfahren und eine Schwingungserkennungsvorrichtung vorzusehen, die zwischen einer regenerativen Ratterschwingung und einer erzwungenen Ratterschwingung genauer als der Stand der Technik unterscheiden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, sieht ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Schwingungsermittlungsverfahren vor, das erkennt, ob eine Ratterschwingung in einer Werkzeugmaschine erzeugt wird, die eine Drehwelle umfasst, die ein Werkzeug oder ein Werkstück dreht, und eine Art der erzeugten Ratterschwingung basierend auf der Schwingungsinformation, die erzeugt wird, ermittelt, wenn die Drehwelle die Ratterschwingung erzeugt. Das Schwingungsermittlungsverfahren umfasst einen ersten Schritt zum Erkennen einer Zeitbereichsschwingung der Drehwelle und einer Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle während der Rotation, einen zweiten Schritt zum Berechnen einer Ratterfrequenz und einer Frequenzbereichsschwingung bei der Ratterfrequenz basierend auf der Zeitbereichsschwingung, sowie zum Ermitteln, ob die Ratterschwingung erzeugt wird, wenn die berechnete Frequenzbereichsschwingung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, einen dritten Schritt zum Berechnen eines ersten Frequenzbereichs und eines zweiten Frequenzbereichs, wobei der erste Frequenzbereich durch Berechnen einer Rotationsfrequenz fcf durch untenstehende Formel (6) berechnet wird, indem ein Ausgleichswert ofs zu bzw. von einem Wert addiert bzw. subtrahiert wird, der durch Multiplikation der Rotationsfrequenz fcs mit einer Ganzzahl ermittelt wird und indem die resultierenden Werte als eine obere Grenze und eine untere Grenze des ersten Frequenzbereichs sowie des zweiten Frequenzbereichs berechnet werden, durch Berechnung einer Nut-Passagen-Frequenz fcf durch untenstehende Formel (7), indem ein Ausgleichswert off zu bzw. von einem Wert addiert bzw. subtrahiert wird, der durch Multiplikation der Nut-Passagen-Frequenz fcf mit einer Ganzzahl ermittelt wird, und in dem die resultierenden Werte als eine obere Grenze und eine untere Grenze des zweiten Frequenzbereichs definiert werden, sowie einen vierten Schritt zum Ermitteln, ob die Ratterschwingung innerhalb des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs fällt, sowie zum Ermitteln, dass die Ratterschwingung eine regenerative Ratterschwingung ist, falls die Ratterschwingung in keine der beiden Frequenzbereiche fällt, sowie einen fünften Schritt, in dem, falls die Ratterfrequenz innerhalb des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs fällt, spezifiziert, in welchen des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs die Ratterfrequenz fällt, und zum Ermitteln, dass die Ratterschwingung eine Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung ist, falls die Ratterfrequenz innerhalb des ersten Frequenzbereichs fällt, und zum Ermitteln, dass die Ratterschwingung eine Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung ist, falls die Ratterschwingung innerhalb des zweiten Frequenzbereichs fällt, sowie einen sechsten Schritt, bei dem, falls die Ratterschwingung innerhalb des ersten Frequenzbereichs fällt, eine Ermittlungsgenauigkeit basierend auf dem Verhältnis des ersten Frequenzbereichs zu einem, die regenerative Ratterschwingung bestimmenden Frequenzbereich berechnet wird, sowie, basierend auf der Ermittlungsgenauigkeit, zum Ermitteln, ob die Ratterschwingung eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung oder die regenerative Ratterschwingung ist.
[Ausdruck 2]
Rotationsfrequenz

fcs = S/60 (6)

Nut-Passagen-Frequenz

fcf = S × Z/60 (7)

In Formeln (6) und (7), ist S die Drehzahl pro Minute der Drehwelle. In Formel (7) ist Z die Anzahl der Werkzeugnute.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung, umfasst der dritte Schritt in dem Schwingungsermittlungsverfahren des ersten Aspekts ferner eine Berechnung des Ausgleichswertes ofs durch untenstehende Formel (8) und eine Berechnung des Ausgleichswertes off durch untenstehende Formel (9).
[Ausdruck 3]
Ausgleichswert für Frequenzbereich der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung

ofs = ΔS × N/60 + Δf (8)

Ausgleichswert für Frequenzbereich der Nut-Passagen-periodisch erzwungenen Ratterschwingung

off = ΔS × N × Z/60 + Δf (9)

In Formeln (8) und (9) ist N der Schwingungsgrad, ΔS ist die Rotationsgeschwindigkeitserkennungsauflösung für die Drehwelle und Δf ist die Frequenzauflösung für die FFT-Berechnungsvorrichtung.
Gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst der sechste Schritt im Schwingungsermittlungsverfahren des ersten oder zweiten Aspekts ferner eine Berechnung von Erzeugungssfrequenzen f_CN und f_CN+1 der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung in Schwingungsgraden von N und N + 1 durch untenstehende Formeln (11) und (12), eine Berechnung eines Ausgleichswerts of_SN und of_SN+1 für den Frequenzbereich der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei einem Schwingungsgrad N und N + 1 durch untenstehende Formeln (13) und (14) sowie eine Berechnungsermittlungsgültigkeit C durch untenstehende Formel (15).
[Ausdruck 4]
Erzeugungsfrequenz einer rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei einem Schwingungsgrad N

f_CN = S/60 × N (11)

Erzeugungsfrequenz einer rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei einem Schwingungsgrad N + 1

f_CN+1 = S/60 × (N + 1) (12)

Ausgleichswert für Frequenzbereich einer rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei einem Schwingungsgrad N

of_SN = ΔS × N/60 + Δf (13)

Ausgleichswert für Frequenzbereich einer rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei einem Schwingungsgrad N + 1

of_SN+1 = ΔS × (N + 1)/60 + Δf (14)

Ermittlungsgültigkeit für rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung

C = (f_CN+1 – f_CN) – (of_SN + of_SN+1)/(f_CN+1 – f_CN) (15)

Um die vorgenannte Aufgabe zu erfüllen, sieht ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ferner eine Schwingungsermittlungsvorrichtung vor, die in einer Werkzeugmaschine, die eine Drehwelle umfasst, die ein Werkzeug oder Werkstück dreht, eine Art von Ratterschwingung ermittelt, die erzeugt wird, wenn die Drehwelle gedreht wird. Die Schwingungsermittlungsvorrichtung umfasst eine Erkennungseinheit, die eine Zeitbereichsschwingung erkennt, die durch die Drehwelle und die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle während der Rotation erzeugt wird, sowie eine FFT-Berechnungssvorrichtung, die eine Ratterfrequenz und Frequenzbereichsschwingung an der Ratterfrequenz basierend auf der Zeitbereichsschwingung berechnet, die durch die Erkennungseinheit erkannt wird, eine Parameterberechnungsvorrichtung, die einen ersten Frequenzbereich und einen zweiten Frequenzbereich durch das Verfahren des ersten Aspekts berechnet, eine Berechnungsvorrichtung, die ermittelt, dass die Ratterschwingung erzeugt wird, falls die Frequenzbereichsschwingung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, sowie die Art der Ratterschwingung basierend auf dem ersten Frequenzbereich und dem zweiten Frequenzbereich gemäß des Verfahrens des ersten Aspekts, und eine Displayvorrichtung, die die ermittelte Art der Ratterschwingung anzeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet die Parameterberechnungsvorrichtung den ersten Frequenzbereich und den zweiten Frequenzbereich, wenn die Erzeugung einer Ratterschwingung entdeckt wird. Die Ermittlungsgültigkeit wird basierend auf dem Verhältnis des Frequenzbereichs der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung zum Frequenzbereich der regenerativen Ratterschwingung berechnet. Es wird basierend auf der Ermittlungsgültigkeit ermittelt, ob die erzeugte Ratterschwingung eine regenerative Ratterschwingung, eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung, oder eine Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung ist. Gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung werden insbesondere auch die Rotationsgeschwindigkeitserkennungsauflösung ΔS und die Frequenzauflösung Δf berücksichtigt. Deshalb ist es möglich, eine regenerative Ratterschwingung und eine erzwungene Ratterschwingung genauer als der Stand der Technik zu ermitteln und eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung zu erkennen, die vom Stand der Technik nicht erkannt werden konnte. Dadurch kann eine Ratterschwingung zuverlässiger unterdrückt werden.
Gemäß des vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst die Schwingungserkennungsvorrichtung die Displayvorrichtung, die die ermittelte Art der Ratterschwingung anzeigt. Das ermöglicht dem Bediener die Art der Ratterschwingung einfach zu erkennen und sofort wirksame Gegenmaßnahmen gegen diese besondere Art von Ratterschwingung zu ergreifen. Dadurch kann die Ratterschwingung in kurzer Zeit unterdrückt werden und somit eine Minderung der Fertigungsgenauigkeit der bearbeiteten Oberfläche, Werkzeugverschleiß, usw. minimiert werden.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das ein Drehwellengehäuse von der Seite gesehen zeigt, das der Schwingungsunterdrückung unterliegt.
3 ist ein Diagramm, das das Drehwellengehäuse von einer axialen Richtung gesehen zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine Schwingungsermittlungssteuerung zeigt.
5 ist eine Grafik, die die Verbindung zwischen einer Rotationsgeschwindigkeit einer Drehwelle und einer Ratterfrequenz einer Ratterschwingung zeigt sowie die Bereiche für die Ermittlung gemäß eines Schwingungsermittlungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen einer Rotationsgeschwindigkeit einer Drehwelle und einer Ratterfrequenz einer Ratterschwingung zeigt sowie Bereiche für ein Ermitteln gemäß eines Schwingungsermittlungsverfahrens des Standes der Technik.
Ein Schwingungsermittlungsverfahren und eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung, welche eine Schwingungsermittlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, werden im Folgenden detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 zeigt. 2 ist ein Diagramm, das ein Drehwellengehäuse 1 von der Seite gesehen zeigt, das einer Schwingungsunterdrückung unterliegt. 3 ist ein Diagramm, das das Drehwellengehäuse 1 von einer axialen Richtung gesehen zeigt.
Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 unterdrückt eine ”Ratterschwingung”, die durch eine Drehwelle 3 erzeugt wird, die in dem Drehwellengehäuse 1, das um die Achse C rotierbar ist, vorgesehen ist. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 umfasst Schwingungssensoren 2a bis 2c und eine Steuervorrichtung 5. Die Schwingungssensoren 2a bis 2c erkennen eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung (was bedeutet, Schwingungsbeschleunigung auf einer Zeitachse), welches ein charakteristischer Wert bezogen auf die Schwingung ist, die von der Drehwelle 3 während der Rotation erzeugt wird. Die Steuervorrichtung 5 kann Werte, die durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erkannt wurden, analysieren, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Ratterschwingung und die Art der Ratterschwingung zu ermitteln, die Ermittlungsergebnisse zu zeigen, und die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle 3 zu ändern.
Die Schwingungssensoren 2a bis 2c sind an dem Drehwellengehäuse 1 angeordnet, wie in 2 und 3 gezeigt. Ein Schwingungssensor ist konfiguriert, um die Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung in einer Richtung zu erkennen, die orthogonal zu den Richtungen ist, in welche die anderen Schwingungssensoren ihre Erkennung vollziehen (z. B. sind die Schwingungssensoren 2a bis 2c entsprechend angeordnet, um die Zeitbereichschwingungsbeschleunigung in der X-Achsen-, Y-Achsen- und Z-Achsenrichtung zu erkennen, welche orthogonal zueinander sind).
Die Steuervorrichtung 5 umfasst eine FFT-Berechnungsvorrichtung 11, eine Eingabevorrichtung 12, eine Speichervorrichtung 13, eine Berechnungsvorrichtung 14, eine Parameterberechnungsvorrichtung 15, eine NC-Vorrichtung 16, und eine Rotationsgeschwindigkeitserkennungsvorrichtung 18. Die FFT-Berechnungsvorrichtung 11 führt eine Analyse basierend auf der Zeitbereichschwingungsbeschleunigung durch, die durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erkannt wird. Die Eingabevorrichtung 12 wird durch den Bediener genutzt, um einen Grenzwert einzugeben, der für die Ermittlung gebraucht wird, ob eine Ratterschwingung erzeugt wird, und zur Eingabe eines Werts für die Ermittlung der Art der Ratterschwingung. Die Speichervorrichtung 13 speichert die verschiedenen Werte, die durch den Bediener eingegeben werden, die Ergebnisse der Berechnung, die durch die Berechnungsvorrichtung 14 durchgeführt wurde, usw. Die Berechnungsvorrichtung 14 ermittelt, ob eine Ratterschwingung erzeugt wird und die Art der Ratterschwingung. Die Parameterberechnungsvorrichtung 15 berechnet Parameter für die Ermittlung der Art der Ratterschwingung. Die NC-Vorrichtung 16 steuert die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle 3. Die Rotationsgeschwindigkeitserkennungsvorrichtung 18 erkennt die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle 3. Zusätzlich umfasst die NC-Vorrichtung 16 einen Monitor 17, der ein NC-Programm anzeigt, die aktuelle Position des Werkzeugs, die Ergebnisse der Berechnung, die durch die Berechnungsvorrichtung 14 durchgeführt wurde, usw.
Eine Schwingungsermittlungssteuerung, welche ein essentieller Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird nun detailliert mit Bezug auf das Flussdiagramm in 4 beschrieben.
Bevor der Prozess beginnt, werden zuerst der Grenzwert und der Wert für die Ermittlung der Art der oben diskutierten Ratterschwingung sowie die Werkzeuginformation, wie die Anzahl der Werkzeugnute mittels der Eingabevorrichtung 12 eingegeben, um sie im Voraus in der Speichervorrichtung 13 zu speichern. Wenn ein Befehl für die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle 3 durch die NC-Vorrichtung 16 vorgegeben wird, um den Prozess (S1) zu starten, überwacht die Steuervorrichtung 5, ob das Drehwellengehäuse 1 Ratterschwingungen (S2) erzeugt. Das heißt, die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfassen kontinuierlich die Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung des Drehwellengehäuses 1 und die FFT-Berechnungsvorrichtung 11 führt eine Fourier-Analyse der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durch, um den größten Wert einer Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung (maximale Beschleunigung), die als Schwingungsinformation dient, und eine Frequenz (Ratterfrequenz) fc, zu erfassen. Dann vergleicht die Berechnungsvorrichtung 14 die erfasste maximale Beschleunigung und den Grenzwert, der in der Speichervorrichtung 13 gespeichert ist. Falls die maximale Beschleunigung gleich oder kleiner dem Grenzwert ist, ermittelt die Berechnungsvorrichtung 14, dass keine Ratterschwingung erzeugt wird (Nein bei S2).
Falls die maximale Beschleunigung jedoch größer als der Grenzwert ist, wird ermittelt, dass das Drehwellengehäuse 1 eine Ratterschwingung erzeugt, die unterdrückt werden sollte (Ja bei S2). Die Parameterberechnungsvorrichtung 15 ermittelt die Art der Ratterschwingung. Das heißt, die Parameterberechnungsvorrichtung 15 berechnet Parameter zum Ermitteln, ob die Ratterschwingung eine ”regenerative Ratterschwingung”, eine ”rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung”, oder eine ”Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung” (S3) ist. Die Parameter umfassen einen ersten Frequenzbereich für die Ermittlung der Möglichkeit einer rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung und einen zweiten Frequenzbereich zur Ermittlung einer Nut-Passagen-periodisch erzwungenen Ratterschwingung. Der erste Frequenzbereich wird berechnet durch Berechnen einer Rotationsfrequenz fcs durch untenstehende Formel (6), durch Addieren bzw. Subtrahieren eines Ausgleichswerts ofs, der durch untenstehende Formel (8) berechnet wurde, zu bzw. von einem Wert, der durch Multiplikation der Rotationsfrequenz fcs mit einer Ganzzahl ermittelt wird, und durch Definieren der sich ergebenden Werte als die obere Grenze und die untere Grenze für den ersten Frequenzbereich. In der Zwischenzeit wird der zweite Frequenzbereich durch die Berechnung einer Nut-Passagen-Frequenz fcf durch untenstehende Formel (7) berechnet, durch Addieren bzw. Subtrahieren eines Ausgleichswerts off, der durch die untenstehende Formel (9) berechnet wird, zu bzw. von einem Wert, der durch Multiplikation der Nut-Passagen-Frequenz fcs mit einer Ganzzahl ermittelt wird, und durch Definieren der die sich ergebenden Werte als die obere und untere Grenze des zweiten Frequenzbereichs.
[Ausdruck 5]
Rotationsfrequenz

fcs = S/60 (6)

Nut-Passagen-Frequenz

fcf = S × Z/60 (7)

Ausgleichswert für Frequenzbereich der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung

ofs = ΔS × N/60 + Δf (8)

off = ΔS × N × Z/60 + Δf (9)

In Formeln (6) bis (9) ist S die Drehzahl der Drehwelle 3, Z ist die Anzahl der Werkzeugnute, N ist der Schwingungsgrad, ΔS ist die Rotationsgeschwindigkeitserkennungsauflösung und Δf ist die Frequenzauflösung.
Wenn der erste Frequenzbereich und der zweite Frequenzbereich durch die Parameterberechnungsvorrichtung 15 berechnet werden, ermittelt die Berechnungsvorrichtung 14, ob die Ratterfrequenz fc entweder in den ersten Frequenzbereich oder den zweiten Frequenzbereich fällt (S4). Falls die Ratterfrequenz fc nicht in entweder den ersten Frequenzbereich oder den zweiten Frequenzbereich fällt (Nein bei S4), wird ermittelt, dass die erzeugte Ratterschwingung eine regenerative Ratterschwingung (S5) ist und der Monitor 17 zeigt die Ermittlungsergebnisse (S11) an.
Falls die Ratterfrequenz fc jedoch entweder in den ersten Frequenzbereich oder den zweiten Frequenzbereich fällt, wird ermittelt, in welche der Frequenzbereiche die Ratterfrequenz fc fällt (S6). Falls die Ratterfrequenz fc in den zweiten Frequenzbereich fällt, wird ermittelt, dass die erzeugte Ratterschwingung eine Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung (S7) ist, und der Monitor 17 zeigt die Ermittlungsergebnisse (S11) an. Falls die Ratterfrequenz fc jedoch in den ersten Frequenzbereich fällt, wird der Schwingungsgrad N der Schwingungsfrequenz der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung, die kleiner als und am nähesten an der Ratterfrequenz fc ist, durch die untenstehende Formel (10) berechnet. Durch den berechneten Schwingungsgrad N wird die Erzeugung der Frequenzen f_CN und fc_N+1 der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei den Schwingungsgraden N und N + 1 durch untenstehende Formeln (11) und (12) berechnet. Ausgleichswerte of_SN und of_SN+1 für den Frequenzbereich der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei der Schwingungsgrad N und N + 1 werden durch untenstehende Formeln (13) und (14) berechnet. Ferner wird eine Ermittlungsgültigkeit C für die Ermittlung, ob die Ratterschwingung eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung oder regenerative Ratterschwingung ist, durch untenstehende Formel (15) berechnet (S8). Das heißt, die Ermittlungsgültigkeit C wird basierend auf dem Verhältnis des Frequenzbereichs der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung zum Frequenzbereich der regenerativen Ratterschwingung berechnet.
[Ausdruck 6]
Schwingungsgrad der Erzeugung der Frequenz der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung, die kleiner als und am nähesten an der Frequenz fc der erzeugten Schwingung ist

N = |fc × 60/S| (10)

Erzeugung der Frequenz der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei Schwingungsgrad N

f_CN = S/60 × N (11)

Erzeugung der Frequenz der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei Schwingungsgrad N + 1

f_CN+1 = S/60 × (N + 1) (12)

Ausgleichswert für Frequenzbereich der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei Schwingungsgrad N

of_SN = ΔS × N/60 + Δf (13)

Ausgleichswert für Frequenzbereich der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei Schwingungsgrad N + 1

of_SN+1 = ΔS × (N + 1)/60 + Δf (14)

Ermittlungsgültigkeit für rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung

C = (f_CN+1 – f_CN) – (of_SN + of_SN+1)/(f_CN+1 – f_CN) (15)

Anschließend wird ein Vergleich zwischen der Ermittlungsgültigkeit C, die bei S8 berechnet wurde, und einem Gültigkeitsgrenzwert, der im Voraus in der Speichervorrichtung 13 gespeichert wurde, gezogen (S9). Falls die Ermittlungsgültigkeit C gleich oder größer des Gültigkeitsgrenzwerts ist (Ja bei S9), wird ermittelt, dass die erzeugte Ratterschwingung eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung ist (S10). Falls die Ermittlungsgültigkeit C jedoch kleiner als der Gültigkeitsgrenzwert ist (Nein bei S9), wird ermittelt, dass die erzeugte Ratterschwingung eine regenerative Ratterschwingung ist (S5). In beiden Fällen zeigt der Monitor 17 die Ermittlungsergebnisse an (S11).
Anschließend ermittelt der Bediener die Art der erzeugten Ratterschwingung basierend auf den Ergebnissen, die auf dem Monitor 17 gezeigt werden, und ändert die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle 3 in Abhängigkeit von der Art der erzeugten Ratterschwingung, um die Ratterschwingung zu unterdrücken.
Gemäß der Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, berechnet die Parameterberechnungsvorrichtung 15 den ersten Frequenzbereich und den zweiten Frequenzbereich, wenn die Erzeugung einer Ratterschwingung entdeckt wird, und die Ermittlungsgültigkeit C wird unter Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeitserkennungsauflösung ΔS und der Frequenzauflösung Δf berechnet und basiert auf dem Verhältnis des Frequenzbereichs der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung zum Frequenzbereich der regenerativen Ratterschwingung. Es wird basierend auf der Ermittlungsgültigkeit C ermittelt, ob die erzeugte Ratterschwingung eine regenerative Ratterschwingung, eine rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung oder eine Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung ist. Das heißt, wie zu sehen in 5, welche die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle und der Ratterfrequenz der Ratterschwingung zeigt, dass das Ermittlungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform Bereiche, die durch gepunktete Linien angezeigt werden, als Bereiche für die Ermittlung von erzwungenen Ratterschwingungen ermittelt. Ungleich des Ermittlungsverfahrens, dass die k'-Zahl gemäß dem Stand der Technik verwendet, sind die Bereiche für die Ermittlung von erzwungenen Ratterschwingungen nicht proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit und der Ratterfrequenz erweitert. Die Bereiche sind unter Berücksichtigung der verschiedenen Erkennungsfehler und der Ermittlungsgültigkeit C wie oben beschrieben, festgelegt. Daher ist es möglich, eine regenerative Ratterschwingung zu ermitteln sowie erzwungene Ratterschwingungen genauer als im Stand der Technik, und rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingungen, die nicht im Stand der Technik erkannt werden konnten, zu erkennen. Daher können die Ratterschwingungen zuverlässiger unterdrückt werden.
Die ermittelte Art der Ratterschwingung wird auf dem Monitor 17 gezeigt. Das ermöglicht dem Bediener die Art der erzeugten Ratterschwingung einfach zu erkennen und sofort wirksame Gegenmaßnahmen gegen diese besondere Art von Ratterschwingung zu ergreifen. Daher kann die Ratterschwingung in kurzer Zeit unterdrückt und somit eine Minderung der Fertigungsgenauigkeit der bearbeiteten Oberfläche, Werkzeugverschleiß, usw. minimiert werden.
Die Schwingungsermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in keiner Weise an die oben beschriebene Ausführungsform gebunden. Es können Modifikationen in der Konfiguration der Erkennungseinheit, der Steuerung für die Ermittlung der Art der Ratterschwingung, der Steuerung, die nach der Ermittlung durchgeführt wird, usw. vorgenommen werden, ohne von dem Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung und dem Erfindungsgedanken abzuweichen.
Zum Beispiel werden in der oben beschriebenen Ausführungsform die Schwingungssensoren verwendet, um die Schwingungsbeschleunigung der Drehwelle zu erkennen. Jedoch kann eine Verschiebung der Drehwelle oder ein Schalldruck aufgrund der Schwingung entdeckt werden, um eine stabile Rotationsgeschwindigkeit basierend auf der entdeckten Verschiebung oder dem Schalldruck zu berechnen. Alternativ kann ein Detektor, der die Position oder Rotation der Drehwelle erkennt, oder ein gebräuchliches Messinstrument, das den Strom für einen Drehwellenmotor oder einen Zustellspindelmotor misst, als Erkennungseinheit verwendet werden.
In der Schwingungsunterdrückungsvorrichtung kann eine Berechnungsformel (z. B. eine Berechnungsformel wie in JP 2008-290186 A beschrieben), entsprechend der ermittelten Art der Ratterschwingung verwendet werden, um eine stabile Rotationsgeschwindigkeit, bei welcher die Ratterschwingung unterdrückt werden kann, zu berechnen, so dass die NC-Vorrichtung die Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle automatisch in eine stabile Rotationsgeschwindigkeit ändert.
Ferner kann eine Mehrzahl von (z. B. drei) Wellenformen, die den größten Wert der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung anzeigen, verwendet werden, statt nur eine Wellenform zu verwenden, die den größten Wert der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung anzeigt, um die Erkennungsgenauigkeit von Ratterschwingungen zu verbessern.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Schwingung einer Drehwelle einer Werkzeugmaschine erkannt. Jedoch kann auch die Schwingung eines nicht-drehbaren Teils (feststehenden Teils) erkannt werden, um so das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Ratterschwingung zu erkennen. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht begrenzt auf eine Anwendung eines Bearbeitungszentrums, das ein Werkzeug dreht, die vorliegende Erfindung kann ebenso auf eine Werkzeugmaschine wie z. B. eine Drehbank, die ein Werkstück dreht, angewendet werden. Sie ist so zu verstehen, dass die Einbaulage und Anzahl der Schwingungssensoren, die Grenzwerte, die mit einem anderen Grenzwert verglichen werden oder die Ermittlungsgültigkeit, usw. entsprechend der Art der Größe, usw. der Werkzeugmaschine zweckmäßig angepasst werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-290186 A [0003, 0003, 0005, 0007, 0042]

Claims

Ein Schwingungsermittlungsverfahren zum Erkennen, ob eine Ratterschwingung in einer Werkzeugmaschine, die eine Drehwelle (3) umfasst, die entweder ein Werkzeug oder ein Werkstück dreht, erzeugt wird, und zum Ermitteln einer Art der erzeugten Ratterschwingung basierend auf Schwingungsinformationen, die erzeugt werden, wenn die Drehwelle (3) die Ratterschwingung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsermittlungsverfahren umfasst: einen ersten Schritt zur Erkennung einer Zeitbereichsschwingung der Drehwelle (3) und einer Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle (3) während der Rotation; einen zweiten Schritt eines Berechnens einer Ratterfrequenz und einer Frequenzbereichsschwingung bei der Ratterfrequenz basierend auf der Zeitbereichsschwingung, und Ermittlung, dass die Ratterfrequenz erzeugt wird, falls die berechnete Frequenzbereichsschwingung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet: einen dritten Schritt eines Berechnens eines ersten Frequenzbereichs und eines zweiten Frequenzbereichs, wobei der erste Frequenzbereich berechnet wird durch Berechnung einer Rotationsfrequenz fcs mit der Formel (6), durch Addieren bzw. Subtrahieren eines Ausgleichswerts ofs zu bzw. von einem Wert, der durch Multiplikation der Rotationsfrequenz fcs mit einer Ganzzahl erhalten wird, und durch Definieren der daraus resultierenden Werte als eine obere Grenze und eine untere Grenze des ersten Frequenzbereichs, und wobei der zweite Frequenzbereich berechnet wird durch Berechnung einer Nutpassagenfrequenz fcf mit der Formel (7), durch Addieren bzw. Subtrahieren eines Ausgleichswerts off zu bzw. von einem Wert, der durch Multiplikation der Nut-Passagen-Frequenz fcs mit einer Ganzzahl erhalten wird, und durch Definieren der daraus resultierenden Werte als eine obere Grenze und eine untere Grenze des zweiten Frequenzbereichs; einen vierten Schritt einer Ermittlung, ob die die Ratterfrequenz innerhalb des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs fällt sowie einer Ermittlung, dass die Ratterschwingung eine regenerative Ratterschwingung ist, falls die Ratterschwingung in keine von beiden Frequenzbereichen fällt; einen fünften Schritt, wobei bestimmt wird, in welchen des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs die Ratterfrequenz fällt, falls die Ratterfrequenz innerhalb des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs fällt, und wobei ermittelt wird, dass die Ratterschwingung eine Nut-Passagen-periodisch erzwungene Ratterschwingung ist, falls die Ratterfrequenz in den zweiten Frequenzbereich fällt; und einen sechsten Schritt einer Berechnung, falls die Ratterfrequenz in den ersten Frequenzbereich fällt, einer Ermittlungsgültigkeit basierend auf dem Verhältnis vom ersten Frequenzbereich zu einem Frequenzbereich für eine Ermittlung als die regenerative Ratterschwingung, und einer Ermittlung basierend auf der Ermittlungsgültigkeit, ob die Ratterschwingung entweder die rotationsperiodisch erzwungene Ratterschwingung oder die regenerative Ratterschwingung ist, wobei fcs = S/60 (6), und fcf = S × Z/60 (7).
Das Schwingungsermittlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der dritte Schritt ferner eine Berechnung des Ausgleichswerts ofs mit der Formel (8) und eine Berechnung des Ausgleichswerts off mit der Formel (9) umfasst, wobei ofs = ΔS × N/60 + Δf (8), und off= ΔS × N × Z/60 + Δf (9).
Das Schwingungsermittlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der sechste Schritt ferner eine Berechnung einer Erzeugung von Frequenzen f_CN und f_CN+1 der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei Schwingungsgraden N und N + 1 mit den Formeln (11) und (12) umfasst, eine Berechnung von Ausgleichwerten of_SN und of_SN+1 für den Frequenzbereich der rotationsperiodisch erzwungenen Ratterschwingung bei den Schwingungsgraden N und N + 1 mit den Formeln (13) und (14) sowie eine Berechnung einer Ermittlungsgültigkeit C mit der Formel (15), wobei f_CN = S/60 × N (11), f_CN+1 = S/60 × (N + 1) (12), of_SN = ΔS × N/ 60 + Δf (13), of_SN+1 = ΔS × (N + 1)/60 + Δf (14), und C = (f_CN+1 – f_CN) – (of_SN + of_SN+1)/(f_CN+1 – f_CN) (15).
Eine Schwingungsermittlungsvorrichtung, die in einer Werkzeugmaschine, die eine Drehwelle (3) umfasst, die entweder ein Werkzeug oder ein Werkstück dreht, eine Art von Ratterschwingung, die erzeugt wird, wenn die Drehwelle (3) gedreht wird, ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsermittlungsvorrichtung umfasst: eine Erkennungseinheit, die eine Zeitbereichsschwingung, die durch die Drehwelle (3) erzeugt wird und eine Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle (3) während der Rotation erkennt; eine FFT-Berechnungsvorrichtung (11), die eine Ratterfrequenz und eine Frequenzbereichsschwingung bei der Ratterfrequenz basierend auf der Zeitbereichsschwingung, die durch die Erkennungseinheit erkannt wird, berechnet; eine Parameterberechnungsvorrichtung (15), welche einen ersten Frequenzbereich und einen zweiten Frequenzbereich durch das Verfahren nach Anspruch 1 berechnet; eine Berechnungsvorrichtung (14), die, falls die Frequenzbereichsschwingung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, ermittelt, dass die Ratterschwingung erzeugt wird und die Art der Ratterschwingung basierend auf dem ersten Frequenzbereich und dem zweiten Frequenzbereich gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 ermittelt; und eine Displayvorrichtung, die die ermittelte Art der Ratterschwingung zeigt.