JP2009190160A - Vibration suppression method and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工具又はワークを回転させながら加工を行う工作機械において、加工中に発生する振動を抑制する方法、ないしは当該方法を実行可能な振動抑制装置に関する。 The present invention relates to a method for suppressing vibration generated during processing in a machine tool that performs processing while rotating a tool or a workpiece, or a vibration suppression device capable of executing the method.
従来の工作機械の振動抑制方法として、下記特許文献1に記載のものが知られている。この振動抑制方法では、加工面の仕上げ精度悪化の原因となる自励振動としての再生型びびり振動を抑制するため、工具やワーク等といったびびり振動が生じる系の固有振動数を求め、これを60倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除して得た値を回転速度(安定回転速度)とする。この固有振動数は、工具やワークをインパルス加振することで得られる。
As a conventional vibration suppression method for machine tools, a method described in
又、振動抑制方法として、下記特許文献2に記載のものも知られている。この振動抑制方法では、びびり振動が生じる系の加工中のびびり振動数を求め、これを60倍すると共に工具刃数及び所定の整数で除した値を回転速度とする。加工中のびびり振動数は、工具やワークの近傍に音センサを配置し、回転中に音センサで検出された振動周波数に基づいて得ている。
Moreover, the thing of the following
特許文献1の振動抑制方法では、高価なインパルス装置が必要になるうえ、この装置を用いた加振には高度な技術を要し、手間がかかる。しかも、加工前に得た固有振動数と加工中の固有振動数とは必ずしも一致しないため、正確な最適回転速度を得にくい。
In the vibration suppression method of
一方、特許文献2の振動抑制方法では、加工中のびびり周波数と固有振動数とが互いにやや異なった値となるため、やはり正確な最適回転速度を得にくい。そして、加工中のびびり周波数から固有振動数を推定することで正確性を向上することが考えられるが、びびりの抑制後に再度びびりが発生した場合に、びびり抑制前から回転速度が変化しているため、再度のびびりを抑制するための固有振動数の推定ないし安定回転速度の算出において用いるパラメータ(安定限界線図に係るk値)も変化することが多く、このようにk値が変化した際には回転速度が漸減あるいは増大してしまい、又これが繰り返されることでびびりが発生する度に回転速度が漸減あるいは増大してしまうことがあった。
On the other hand, in the vibration suppression method of
そこで、請求項1,3に記載の発明は、びびりが断続的に発生する場合であっても、回転速度が漸減あるいは増大することなく、振動抑制のための正確な安定回転速度が得られる振動抑制方法,装置を提供することを目的としたものである。
Therefore, the inventions according to
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制方法であって、回転中の前記回転軸による時間領域の振動を検出する検出ステップと、該検出ステップにより検出された時間領域の振動に基づいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出すると共に、算出した該周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、少なくともびびり周波数を用いて決定される加工情報を算出し記憶すると共に、前に記憶された前記加工情報が存在しないときは、算出された前記加工情報を用いて前記回転軸のびびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出し、前に記憶された前記加工情報が存在するときは、少なくともこれを用いて前記安定回転速度を算出する演算ステップと、該演算ステップにより算出された安定回転速度にて前記回転軸を回転させる回転速度制御ステップとを備えたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2に記載の発明は、上記目的に加えて、加工情報を一定に保つことで簡素に効率良く安定回転速度の増大あるいは漸減を防止する目的を達成するため、上記発明にあって、前記演算ステップにおいて、前に記憶された前記加工情報が存在するときは、これのみを用いて前記安定回転速度を算出することを特徴とするものである。
In addition to the above object, the invention described in
上記目的を達成するために、請求項3に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備えた工作機械において、前記回転軸を回転させた際に生じるびびり振動を抑制するための振動抑制装置であって、回転中の前記回転軸による時間領域の振動を検出する検出手段と、該検出手段により検出された時間領域の振動に基づいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出すると共に、算出した該周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、少なくともびびり周波数を用いて決定される加工情報を算出し記憶すると共に、前に記憶された前記加工情報が存在しないときは、算出された前記加工情報を用いて前記回転軸のびびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出し、前に記憶された前記加工情報が存在するときは、少なくともこれを用いて前記安定回転速度を算出する演算手段と、該演算手段により算出された安定回転速度にて前記回転軸を回転させる回転速度制御手段とを備えたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a third aspect of the present invention provides a machine tool having a rotating shaft for rotating a tool or a workpiece, in order to suppress chatter vibration generated when the rotating shaft is rotated. A vibration detecting device for detecting vibration in the time domain due to the rotating shaft during rotation, and a chatter frequency and a frequency domain in the chatter frequency based on the vibration in the time domain detected by the detecting means. And calculating and storing machining information determined using at least the chatter frequency when the calculated vibration acceleration in the frequency region exceeds a predetermined threshold, and the previously stored When machining information does not exist, a stable rotation speed capable of suppressing chatter vibration of the rotating shaft is calculated using the calculated machining information, and the previously stored When engineering information is present, it comprises at least a calculation means for calculating the stable rotation speed using this, and a rotation speed control means for rotating the rotation shaft at the stable rotation speed calculated by the calculation means. It is characterized by this.
請求項4に記載の発明は、上記目的に加えて、加工情報を一定に保つことで簡素に効率良く安定回転速度の増大あるいは漸減を防止する目的を達成するため、上記発明にあって、前記演算手段において、前に記憶された前記加工情報が存在するときは、これのみを用いて前記安定回転速度を算出することを特徴とするものである。
In addition to the above object, the invention described in
本発明によれば、加工情報を記憶し、この過去の加工情報に基づいて回転軸のびびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出するので、安定回転速度の算出が過去の安定回転速度と大幅に異なることはなく、よって、びびりが断続的に発生する場合であっても、回転速度の漸減あるいは増大を防止することができる、という効果を奏する。 According to the present invention, machining information is stored, and a stable rotation speed capable of suppressing chatter vibration of the rotating shaft is calculated based on the past machining information. Therefore, the calculation of the stable rotation speed is greatly different from the past stable rotation speed. Therefore, even if chatter occurs intermittently, it is possible to prevent the rotational speed from gradually decreasing or increasing.
以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、本発明の形態は、当該例に限定されない。 Hereinafter, an example of an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In addition, the form of this invention is not limited to the said example.
図1は当該例に係る振動抑制装置10のブロック図であり、図2は振動抑制の対象となる回転軸ハウジング1の側面図であり、図3は回転軸ハウジング1を軸方向から示した図である。回転軸ハウジング1は、C軸周りで回転可能な回転軸3を備えており、振動抑制装置10は、回転中の回転軸3に生じるびびり振動を抑制する。振動抑制装置10は、回転中の回転軸3に生じる時間領域の振動加速度を検出するための検出手段としての振動センサ2a〜2cと、振動センサ2a〜2cの検出値に基づき回転軸3の回転速度を制御する制御装置5とを備えている。
FIG. 1 is a block diagram of a
振動センサ2a〜2cは、図2や図3に示すように、互いに直角となる方向における時間領域の振動加速度(時間軸上の振動加速度)を検出すべく、互いに直交するX軸,Y軸,Z軸方向での時間領域の振動加速度を検出可能な状態で、回転軸ハウジング1に取り付けられている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the vibration sensors 2a to 2c are arranged so as to detect the vibration acceleration in the time domain (vibration acceleration on the time axis) in the directions perpendicular to each other. It is attached to the
又、制御装置5は、振動センサ2a〜2cから検出される時間領域の振動加速度に基づくフーリエ解析を行うFFT演算装置6と、FFT演算装置6で算出された値に基づく安定回転速度の算出等を行う安定回転速度演算装置7と、回転軸ハウジング1における加工を制御する回転速度制御手段としてのNC装置8とを備えている。制御装置5のNC装置8は、回転軸3の回転速度のモニタリングをしている。なお、FFT演算装置6ないしは安定回転速度演算装置7は演算手段に相当する。
The
このように成る振動抑制装置10によるびびり振動の振動抑制方法の例について、図4,図5を中心に説明する。図4は時間領域の振動加速度をフーリエ解析結果の一例を示したものであり、図5は当該抑制制御のフローチャートを示したものである。
An example of a vibration suppression method for chatter vibration by the
まず、FFT演算装置6は、振動センサ2a〜2cによって回転中に常時検出される時間領域の振動加速度についてフーリエ解析を行い、図4に示されるような、最大加速度及びその周波数4(びびり振動数)を常時計算している(図5のステップS1、検出ステップ)。なお、時間領域の振動加速度についてフーリエ解析を行うと、周波数と周波数領域の振動加速度との関係を示す図4のような波形が複数パターン取得されるが、本実施形態では周波数領域の振動加速度の値が最大となる波形を用いる。
First, the FFT
次に、安定回転速度演算装置7では、FFT演算装置6において算出された周波数領域の振動加速度と、予め設定されている閾値との比較を行い、周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合(例えば図4における周波数4における周波数領域の振動加速度が検出された場合)には、回転軸3に抑制すべきびびり振動が生じているとして、次に示す式(1),(2)によりk値を算出して加工情報として記憶し、又次に示す式(3)により安定回転速度を算出してNC装置8へ出力する(ステップS2、演算ステップ、前に記憶された加工情報がない場合)。なお、加工情報とは、ここではk値及びk’値を指す。又、工具刃数は、予め安定回転速度演算装置7に設定されている。更に、回転軸回転速度とは、安定回転速度とする前の回転軸3の現在の回転速度のことである。加えて、びびり周波数とは、びびり振動が生じた場合の周波数4のことである。
k’値=60×びびり周波数/(工具刃数×回転軸回転速度) ・・・(1)
k値=k’値の整数部 ・・・(2)
安定回転速度=60×びびり周波数/{工具刃数×(k値+1)} ・・・(3)
Next, the stable rotation speed calculation device 7 compares the vibration acceleration in the frequency domain calculated by the
k ′ value = 60 × chat frequency / (number of tool blades × rotating shaft rotational speed) (1)
k value = integer part of k ′ value (2)
Stable rotational speed = 60 × chat frequency / {number of tool blades × (k value + 1)} (3)
そして、ステップS2による安定回転速度演算装置7からの安定回転速度の出力を受けたNC装置8は、回転軸3の回転速度を当該安定回転速度に変更する(ステップS3、回転速度制御ステップ)。回転軸3の回転速度を当該安定回転速度とすることにより、びびり振動が抑制され、安定加工状態となる。
Then, the
このようなびびり振動の抑制による安定加工状態に至っても、振動センサ2a〜2cは時間領域の振動加速度等の検出を行う(検出ステップ)。そして、びびり振動が再度発生し、周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合には、ステップS2と同様にして再度加工情報を算出し安定回転速度を出力するが、算出したk値が以前(ステップS2で)記憶したk値と異なる際には、この度算出したk値を記憶したk値に置き換えて安定回転速度を算出する(ステップS4、演算ステップ、前に記憶された加工情報がある場合)。なお、ステップS4において、加工情報を算出せず、記憶したk値に基づいて安定回転速度を算出しても良い。 Even when such a stable machining state due to suppression of chatter vibration is reached, the vibration sensors 2a to 2c detect vibration acceleration in the time domain (detection step). If chatter vibration occurs again and the vibration acceleration in the frequency domain exceeds a predetermined threshold value, the machining information is calculated again and a stable rotational speed is output in the same manner as in step S2, but the calculated k value is When it differs from the previously stored k value (in step S2), the calculated k value is replaced with the stored k value to calculate the stable rotation speed (step S4, calculation step, previously stored machining information is If any). In step S4, the stable rotation speed may be calculated based on the stored k value without calculating the machining information.
ステップS4による安定回転速度演算装置7からの安定回転速度の出力を受けたNC装置8は、回転軸3の回転速度を当該安定回転速度に変更する(ステップS5、回転速度制御ステップ)。回転軸3の回転速度を当該安定回転速度とすることにより、びびり振動が抑制され、再び安定加工状態となる。又、この安定回転速度は、以前(ステップS2)と同じk値に基づいて算出されているため、以前の安定回転速度とほぼ同じものとなり、以前の安定回転速度からかけ離れることはない。
Receiving the output of the stable rotational speed from the stable rotational speed calculation device 7 in step S4, the
更に、このような安定加工状態を経て再度周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合(びびり振動が断続的に発生した場合)には、振動センサ2a〜2cによる検出やステップS4,S5を繰り返し、回転軸3の回転速度を新たな安定回転速度とし、安定加工状態とする。この新たな安定回転速度も以前のステップS4と同じ記憶されたk値に基づき算出されるので、以前の安定回転速度と同様なものとなり、以前の安定回転速度からかけ離れることはなく、びびり振動が断続的に発生する場合であっても、安定回転速度が漸減し続けることはないし、あるいは増大し続けることもない。
Further, when the vibration acceleration in the frequency domain again exceeds a predetermined threshold after such a stable machining state (when chatter vibration occurs intermittently), detection by the vibration sensors 2a to 2c and steps S4 and S5 are performed. Is repeated to set the rotational speed of the
以上の振動抑制装置10では、過去の加工結果から算出され記憶されるk値を基に、k値を一定にして安定回転速度を計算するため、びびり振動が断続的に発生する場合にあっても、安定回転速度を以前の回転速度と大きく異ならないようにすることができ、回転軸3の回転速度の漸減あるいは増大を防止することができて、効率に配慮しながら加工面を高品位に保つことができる。又、回転軸3の回転速度の変化が小さいため、工具や主軸に対して過大な負荷がかかる事態の発生を防止することができる。
In the
なお、主に上記形態を変更して成る、本発明の他の形態を例示する。k値につき過去数回分(例えば5回分)をまとめて記憶し、所定回数(例えば5回)分の平均値を四捨五入したものを新たなk値としたり、所定回数(例えば5回)内において最も多かった値に置き換えたりすることができ、これらの場合にあっても回転速度の一方的な増大あるいは漸減を防止することができる。又、制御装置によるフーリエ解析の際、上位複数(例えば上位3つ)の周波数領域の振動加速度における振動周波数を抽出し、これら複数の振動周波数を用いて安定回転速度を算出して良い。更に、回転軸の振動加速度に代えてあるいはこれと共に振動による変位や回転により発生する音圧を検出し、安定回転速度の算出に供して良い。 In addition, the other form of this invention which mainly consists of changing the said form is illustrated. For the k value, the past several times (for example, 5 times) are stored together, and the average value for the predetermined number of times (for example, 5 times) is rounded off to be a new k value or the most within the predetermined number of times (for example, 5 times). Even in these cases, the unidirectional increase or gradual decrease in the rotational speed can be prevented. Further, at the time of Fourier analysis by the control device, vibration frequencies in vibration accelerations in a plurality of upper (for example, upper three) frequency regions may be extracted, and a stable rotation speed may be calculated using these vibration frequencies. Furthermore, instead of or along with the vibration acceleration of the rotation shaft, a sound pressure generated by displacement or rotation due to vibration may be detected and used for calculation of a stable rotation speed.
加えて、検出手段を回転軸側に代えて又は回転軸側と共に固定側(ワーク及び/又はその近傍)に配置することができる。更に、本発明は、ワークを回転させるものである旋盤を始めとする他の工作機械にも適用可能である。ワークを回転させる工作機械にあっては、ワークを保持する主軸側の振動を検出したり、固定側である工具側の振動を検出したりすることができる。又、検出手段の数や配置等を、工作機械の種類や規模等に応じて適宜変更して良い。更に、各種演算装置を統合又は分離したり、演算装置の他に別個の記憶装置を設けたりすることができる。 In addition, the detecting means can be arranged on the fixed side (workpiece and / or its vicinity) instead of the rotating shaft side or together with the rotating shaft side. Furthermore, the present invention can also be applied to other machine tools such as a lathe for rotating a workpiece. In a machine tool that rotates a workpiece, it is possible to detect vibration on the spindle side that holds the workpiece, or to detect vibration on the tool side that is the fixed side. Further, the number and arrangement of detection means may be appropriately changed according to the type and scale of the machine tool. Furthermore, various arithmetic devices can be integrated or separated, and a separate storage device can be provided in addition to the arithmetic devices.
1 回転軸ハウジング
2a,2b,2c 振動センサ
3 回転軸
5 制御装置
6 FFT演算装置
7 安定回転速度演算装置
8 NC装置
10 振動抑制装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
回転中の前記回転軸による時間領域の振動を検出する検出ステップと、
該検出ステップにより検出された時間領域の振動に基づいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出すると共に、算出した該周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、少なくともびびり周波数を用いて決定される加工情報を算出し記憶すると共に、前に記憶された前記加工情報が存在しないときは、算出された前記加工情報を用いて前記回転軸のびびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出し、前に記憶された前記加工情報が存在するときは、少なくともこれを用いて前記安定回転速度を算出する演算ステップと、
該演算ステップにより算出された安定回転速度にて前記回転軸を回転させる回転速度制御ステップと
を備えたことを特徴とする振動抑制方法。 In a machine tool having a rotating shaft for rotating a tool or a workpiece, a vibration suppressing method for suppressing chatter vibration generated when the rotating shaft is rotated,
A detecting step for detecting vibration in the time domain due to the rotating shaft during rotation;
Based on the vibration in the time domain detected by the detection step, the vibration frequency and the vibration acceleration in the frequency domain at the chatter frequency are calculated, and when the calculated vibration acceleration in the frequency domain exceeds a predetermined threshold, Calculate and store machining information determined using at least the chatter frequency, and can suppress chatter vibration of the rotating shaft using the calculated machining information when the previously stored machining information does not exist Calculating a stable rotational speed, and when the previously stored machining information is present, at least a calculation step for calculating the stable rotational speed using this, and
A vibration suppression method comprising: a rotation speed control step of rotating the rotation shaft at a stable rotation speed calculated in the calculation step.
ことを特徴とする請求項1に記載の振動抑制方法。 2. The vibration suppressing method according to claim 1, wherein in the calculation step, when the previously stored machining information exists, the stable rotation speed is calculated using only the machining information.
回転中の前記回転軸による時間領域の振動を検出する検出手段と、
該検出手段により検出された時間領域の振動に基づいて、びびり周波数及び該びびり周波数における周波数領域の振動加速度を算出すると共に、算出した該周波数領域の振動加速度が所定の閾値を超えた場合に、少なくともびびり周波数を用いて決定される加工情報を算出し記憶すると共に、前に記憶された前記加工情報が存在しないときは、算出された前記加工情報を用いて前記回転軸のびびり振動を抑制可能な安定回転速度を算出し、前に記憶された前記加工情報が存在するときは、少なくともこれを用いて前記安定回転速度を算出する演算手段と、
該演算手段により算出された安定回転速度にて前記回転軸を回転させる回転速度制御手段と
を備えたことを特徴とする振動抑制装置。 In a machine tool provided with a rotating shaft for rotating a tool or a workpiece, a vibration suppressing device for suppressing chatter vibration generated when the rotating shaft is rotated,
Detection means for detecting vibration in the time domain due to the rotating shaft during rotation;
Based on the vibration in the time domain detected by the detection means, the vibration frequency and the vibration acceleration in the frequency domain at the chatter frequency are calculated, and when the calculated vibration acceleration in the frequency domain exceeds a predetermined threshold, Calculate and store machining information determined using at least the chatter frequency, and can suppress chatter vibration of the rotating shaft using the calculated machining information when the previously stored machining information does not exist A calculation means for calculating the stable rotation speed using at least the calculation information when calculating the stable rotation speed and the previously stored machining information exists,
A vibration suppression apparatus comprising: a rotation speed control unit that rotates the rotation shaft at a stable rotation speed calculated by the calculation unit.
ことを特徴とする請求項3に記載の振動抑制装置。 4. The vibration suppressing device according to claim 3, wherein, when the machining information stored previously is present in the arithmetic means, the stable rotation speed is calculated using only the machining information.
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