CN102825506B - 振动辨别方法以及振动辨别装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种振动辨别方法以及振动辨别装置，其能够比以往更高精度地辨别颤振的种类。作为解决手段，将在对时域振动加速度进行高速傅里叶分析而求出了频域振动加速度时出现的多个峰值作为对象进行颤振的辨别。因此，在与仅使用频域振动加速度的最大值进行辨别的现有技术相比时，特别在利用低旋转速度的加工和齿数少的刀具的加工中，能够正确地辨别所产生的颤振的种类，并且还能够辨别由于刀具与工件之间的摩擦或加工引起的冲击力而产生的“固有振动型强制颤振”。

Description

振动辨别方法以及振动辨别装置

技术领域

本发明涉及振动辨别方法以及执行该振动辨别方法的振动辨别装置，该振动辨别方法用于在一边使刀具或者工件旋转一边进行加工的机床中辨别加工中所产生的颤振的种类。

背景技术

在使旋转轴旋转来进行加工的机床中，有可能因为切入量及旋转轴的旋转速度等加工条件不恰当等而在加工中产生所谓的“颤振”。并且，当产生颤振时，会产生加工面的精加工精度变差或刀具破损这样的问题，因此要求抑制颤振。

作为该颤振，存在这样两种颤振：“再现型颤振”，其是在刀具与工件之间产生的自激振动；以及机床本身为振动源的“强制颤振”。并且，本案件申请人在本案件申请之前设计了一种振动抑制装置（专利文献1），其能够区别这两种颤振，并且根据颤振的种类分别应对。在该专利文献1所记载的振动抑制装置中，对利用振动传感器检测出的时域振动加速度进行FFT分析来求出频域振动加速度，并求出该频域振动加速度为最大值的颤动频率fc，并且根据下述式（1）～（3）算出k’值、k值以及相位差ε，将相位差ε接近零（例如在0.1以内）、即k’值接近整数的情况辨别为“强制颤振”，将除此以外的情况辨别为“再现型颤振”。即，在使用例如具有图7所示的振动特性的刀具以旋转轴的旋转速度Sa进行了加工时，产生了“强制颤振”的情况下，如图6的曲线图所示，将基本频率的整数倍的值（在实际加工中为接近整数倍的值）检测为颤动频率。因此，在相位差ε取接近基本频率的整数倍的值的数值时，辨别为“强制颤振”。

k’=60×fc/（Z×S）…（1）

k=|k’」…（2）

ε=k’－k…（3）

再者，式（1）中的Z是刀具齿数，S是旋转轴的每分钟的旋转速度。此外，式（2）中的|x」是表示小于x的最大整数的地板(floor)函数（即，利用式（2）求出k’值的整数部分）。

【专利文献1】日本特开2008-290186号公报

但是，在旋转轴的旋转速度较低的情况或使用齿数较少的刀具进行加工的情况下，例如图6的曲线图中的区域a（旋转速度较低的区域）所示，作为基本频率的整数倍的颤动频率的间隔变密。即，在这种加工条件下，在“强制颤振”和“再现型颤振”中颤动频率难以产生差异。因此，如专利文献1所记载那样，在频域的振动加速度中仅使用最大值进行辨别时，在上述那样的加工条件下，存在辨别是“强制颤振”还是“再现型颤振”缺乏精度的问题。

此外，关于“强制颤振”，除了如上所述那样颤动频率取基本频率的整数倍的值的“旋转同步型强制颤振”以外，还具有由于刀具与工件之间的摩擦或加工引起的冲击力而在机床主体、刀具或工件等的固有振动频率附近的频率处产生的“固有振动型强制颤振”。这种“固有振动型强制颤振”的颤动频率不稳定。即，在对时域的振动加速度进行FFT分析来求出频域的振动加速度时，其最大值出现在机床主体或刀具***的固有振动数附近，并且取最大值的频率也不固定。因此，在如专利文献1所记载那样仅将频域的振动加速度的最大值设为了对象时，存在不能辨别“固有振动型强制颤振”的问题。

发明内容

因此，本发明就是鉴于上述问题而完成的，要提供一种振动辨别方法以及振动辨别装置，其能够比以往更高精度地辨别颤振的种类。

为了达到上述目的，本发明中的第一方面所述的发明是一种振动辨别方法，在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别产生于所述旋转轴的颤振的种类，该振动辨别方法的特征在于，执行如下步骤：第一步骤，在该步骤中，检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；第二步骤，在该步骤中，基于所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；第三步骤，在该步骤中，按照每个所述峰值，使用自身的峰值频率分别求出用于辨别所述颤振的种类的旋转同步型振动辨别范围；以及第四步骤，在该步骤中，根据每个所述峰值处的所述自身的峰值频率与使用所述自身的峰值频率求出的所述旋转同步型振动辨别范围之间的关系，辨别所述颤振的种类。

此外，为了达到上述目的，本发明中的第二方面所述的发明是一种振动辨别方法，在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别产生于所述旋转轴的颤振的种类，该振动辨别方法的特征在于，执行如下步骤：第一步骤，在该步骤中，检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；第二步骤，在该步骤中，基于所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；第三步骤，在该步骤中，根据多个所述峰值频率，求出用于辨别所述颤振的种类的固有型振动辨别范围；以及第四步骤，在该步骤中，根据所述峰值频率包含在所述固有型振动辨别范围内的所述峰值的数量，辨别所述颤振的种类。

第三方面所述的发明在第二方面所述的发明中，其特征在于，在所述第三步骤中，求出所述峰值彼此的频率间隔，并且从辨别对象中排除所述峰值中的所述频率间隔为用下述式（7）和/或式（8）求出的频率或者这些频率的整数倍的所述峰值，来求出所述固有型振动辨别范围。

旋转频率=旋转轴的旋转速度/60（7）

刃通过频率=旋转轴的旋转速度×刀具刃数/60（8）

此外，为了达到上述目的，本发明中的第四方面所述的发明是一种振动辨别装置，其用于在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别在使所述旋转轴旋转时产生的颤振的种类，该振动辨别装置的特征在于，所述振动辨别装置具备：检测单元，其用于检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；FFT运算部，其根据由该检测单元检测出的所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；辨别部，其按照每个所述峰值，使用自身的峰值频率分别求出用于辨别所述颤振的种类的旋转同步型振动辨别范围，并且根据每个所述峰值处的所述自身的峰值频率与使用所述自身的峰值频率求出的所述旋转同步型振动辨别范围之间的关系，辨别所述颤振的种类；以及显示部，其显示辨别出的所述颤振的种类。

此外，为了达到上述目的，本发明中的第五方面所述的发明是一种振动辨别装置，其用于在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别在使所述旋转轴旋转时产生的颤振的种类，该振动辨别装置的特征在于，所述振动辨别装置具备：检测单元，其用于检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；FFT运算部，其根据由该检测单元检测出的所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；辨别部，其根据多个所述峰值频率，求出用于辨别所述颤振的种类的固有型振动辨别范围，并且根据所述峰值频率包含在所述固有型振动辨别范围内的所述峰值的数量，辨别所述颤振的种类；以及显示部，其显示辨别出的所述颤振的种类。

根据本发明，取得多个计算出的所述频域的振动中的峰值和取该峰值的峰值频率，根据所取得的多个峰值和峰值频率，求出上述那样的旋转同步型振动辨别范围（第一方面）或固有型振动辨别范围（第二方面）来辨别颤振的种类。因此，在与仅使用频域振动加速度的最大值进行辨别的现有技术相比时，特别在利用低旋转速度的加工和齿数少的刀具的加工中，能够正确地辨别所产生的颤振的种类，并且还能够辨别由于刀具与工件之间的摩擦或加工引起的冲击力而产生的“固有振动型强制颤振”。

此外，特别根据第三方面所述的发明，求出峰值彼此的频率间隔，并且从辨别对象中排除峰值中的频率间隔为旋转频率或刃通过频率或者这些频率的整数倍的峰值，之后求出固有型振动辨别范围，因此能够求出更正确的固有型振动辨别范围，能够进行精度更高的“固有振动型强制颤振”的辨别。

并且，根据第四和五方面所述的发明，具备对判别出的颤振的种类进行显示的显示装置。因此，作业人员能够容易地掌握所产生的颤振的种类，能够迅速地采取与该种类对应的有效的应对，进而能够实现加工面精度的提高、刀具磨损的抑制、刀具缺损的防止、产品的制造效率的提高等。

附图说明

图1是示出振动抑制装置的模块结构的说明图。

图2是从侧面示出作为振动抑制对象的旋转轴壳体的说明图。

图3是从轴向示出旋转轴壳体的说明图。

图4是示出振动辨别控制的流程图。

图5是示出所取得的多个频域的振动加速度的峰值和峰值频率的说明图。

图6是示出产生了旋转同步型强制颤振时的旋转速度与频率之间的关系的说明图。

图7是示出刀具的振动特性的说明图。

标号说明

1：旋转轴壳体；2a、2b、2c：振动传感器（检测单元）；3：旋转轴；5：控制装置；10：振动辨别装置；11：FFT运算部；12：旋转速度检测部（检测单元）；13：输入部；14：辨别部；15：显示部。

具体实施方式

下面，根据附图详细说明作为本发明的一个实施方式的振动辨别方法以及振动辨别装置。

图1是示出振动辨别装置10的模块结构的说明图。图2是从侧面示出作为振动监视对象的旋转轴壳体1的说明图，图3是从轴向示出旋转轴壳体1的说明图。

振动辨别装置10用于辨别产生于旋转轴3的颤振的种类，该旋转轴3以能够绕C轴旋转的方式装配在旋转轴壳体1上，振动辨别装置10具备：振动传感器2a～2c，它们用于检测作为与旋转中的旋转轴3产生的振动相伴随的特性值的时域振动加速度（表示时间轴上的振动加速度）；以及控制装置5，其对基于该振动传感器2a～2c的检测值进行分析，辨别“颤振”的种类，并显示该辨别结果。

如图2和图3所示，振动传感器2a～2c安装在旋转轴壳体1上，一个振动传感器检测相对于另一个振动传感器垂直的方向上的时域振动加速度（例如，安装成通过振动传感器2a～2c检测彼此正交的X轴、Y轴、Z轴方向的时域振动加速度）。

另一方面，控制装置5具备以下部件等：FFT运算部11，其进行基于由振动传感器2a～2c检测的时域振动加速度的分析；旋转速度检测部12，其检测旋转轴3的旋转速度；输入部13，其用来供作业人员输入用于辨别颤振的种类的各种值等；辨别部14，其用于辨别所产生的颤振的种类；显示部15，其除了NC程序和机械的当前位置以外还显示辨别部14中的上述辨别结果等；以及存储部（未图示），其用来存储经由输入部13输入的各种值和辨别部14中的辨别结果等。

在此，根据图4中的流程图详细地说明作为本发明的主要部分的振动辨别控制。

首先，在开始加工之前，利用输入部13输入后述那样的用来辨别颤振的种类的值、刀具齿数等刀具信息，并将它们预先存储到存储部中。并且，当根据未图示的NC装置的控制指示了旋转轴3的旋转速度而开始加工时，利用振动传感器2a～2c始终对旋转轴壳体1的时域振动加速度进行检测，在FFT运算部11中进行该时域振动加速度的高速傅里叶分析（S1），取得频域振动加速度的峰值及其频率（峰值频率）（S2）。因此，例如图5的曲线图所示，取得多个峰值及其峰值频率。

接着，在辨别部14中，在按照各个峰值使用下述式（4）和（5）分别求出旋转同步型振动辨别范围的上限和下限（S3）后，对自身的峰值频率没有包含在使用自身的峰值频率求出的旋转同步型振动辨别范围内（条件A）的峰值的数量进行计数，辨别该数量是否比通过输入部13预先设定的第1设定数多（S4）。并且，在满足条件A的峰值的数量为第1设定数以上的情况下（在S4中辨别为“是”），辨别为产生了“旋转同步型强制颤振”，并将该消息显示在显示部15上（S5）。

【数学式1】

第1振动辨别范围的上限=

旋转速度/60×（|峰值频率×60/旋转速度」）－偏移值（4）

第1振动辨别范围的下限=

旋转速度/60×（|峰值频率×60/旋转速度」+1）+偏移值（5）

此外，式（4）和（5）中的|x」是与上述式（2）相同的地板函数。此外，式（4）和（5）中的偏移值是指考虑了旋转速度检测分辨率和频率分辨率并利用下述式（6）求出的值。

【数学式2】

偏移值=

旋转速度检测分辨率×（|峰值频率×60/旋转速度」）/60+频率分辨率（6）

另一方面，在满足条件A的峰值的数量少于第1设定数的情况下（在S4中辨别为“否”），辨别峰值在作为预定的频率范围的固有型振动辨别范围内是否密集，由此来辨别“固有振动型强制颤振”。即，首先为了排除由于“固有振动型强制颤振”以外的原因引起密集的情况，排除检测为边带的峰值（S6）。即，在对加工振动那样的断续振动进行高速傅里叶分析时，有时以断续周期的频率间隔检测到峰值。该断续周期与旋转轴的旋转周期或刀具的刃通过周期对应。因此，检测出的峰值彼此的频率间隔排除用下述式（7）和（8）求出的旋转频率或刃通过频率、或者这些频率的整数倍的部分。

旋转频率=旋转轴的旋转速度/60 （7）

刃通过频率=旋转轴的旋转速度×刀具齿数/60 （8）

在如上所述那样排除了检测为边带的峰值后，辨别部14从剩余的峰值中，提取峰值彼此的频率间隔为利用输入部13预先设定的设定间隔以下的峰值（S7），求出这些提取出的峰值的峰值频率的平均值，并且设定将平均值作为中央值的预定宽度（利用输入部13预先设定）的频带的固有型振动辨别范围（S8）。接着，对上述提取出的峰值中的、峰值频率包含在固有型振动辨别范围内（条件B）的峰值的数量进行计数，辨别该数量是否比利用输入部13预先设定的第2设定数多（S9）。并且，在包含在固有型振动辨别范围内的峰值的数量为第2设定数以上时，认为产生了“固有振动型强制颤振”，将该消息显示在显示部15上（S10）。另一方面，在包含在固有型振动辨别范围内的峰值的数量少于第2设定数时，认为产生了“再现型颤振”，将该消息显示在显示部15上（S11）。此外，也可以构成为，在S11中显示为产生了“再现型颤振”时，在峰值彼此的间隔接近用上述式（7）求出的旋转频率或其整数倍的情况下，显示为“旋转周期型再现颤振”，在峰值彼此的间隔接近用上述式（8）求出的刃通过频率或其整数倍的情况下，显示为“刃通过周期型再现颤振”。

根据具有上述那样的结构的振动辨别装置10，将在对时域振动加速度进行高速傅里叶分析来求出频域振动加速度时出现的多个峰值作为对象，利用上述那样的方法进行颤振的辨别。因此，在与仅使用频域的振动加速度的最大值进行辨别的现有技术相比时，特别在利用低旋转速度的加工和齿数少的刀具的加工中，能够正确地辨别所产生的颤振的种类，并且还能够辨别由于刀具与工件之间的摩擦或加工引起的冲击力而产生的“固有振动型强制颤振”。

此外，在辨别“固有振动型强制颤振”时，在S6中求出峰值彼此的频率间隔，并且从辨别对象中排除峰值中的频率间隔为旋转频率或刃通过频率、或者这些频率的整数倍的峰值，因此在S8中能够正确地求出固有型振动辨别范围，能够进行精度更高的“固有振动型强制颤振”的辨别。

此外，由于将正确辨别出的颤振的种类显示于显示部15上，因此作业人员能够容易地且在短时间内把握颤振的种类。因此，能够迅速地采取相应于所产生的颤振的有效的应对（例如旋转速度或切入量等切削条件的改变等），进而能够实现加工面精度的提高、刀具磨损的抑制、刀具缺损的防止、产品的制造效率的提高等。

再者，本发明的振动辨别装置丝毫不限于上述实施方式的形态，在不脱离本发明的主旨的范围内，可根据需要适当改变检测单元以及与对颤振的种类的辨别相关的控制及与辨别后的控制等相关的结构。

例如，在上述实施方式中，构成为利用振动传感器检测旋转轴的振动加速度，但也可以构成为检测旋转轴由于振动而导致的位移及音压，并根据该位移及音压算出稳定旋转速度，除此以外，还能够采用检测旋转轴的位置及旋转的检测器、测定旋转轴电动机及进给轴电动机的电流的电流测定器作为检测单元。

此外，在振动辨别装置中，还能够包含用于控制旋转轴的旋转速度的旋转速度控制单元（NC装置），在辨别了颤振的种类之后采用对应于各种类的运算式（例如专利文献1中所记载的那样的运算式）算出可抑制该颤振的稳定旋转速度，旋转速度控制单元自动地将旋转速度改变成稳定旋转速度。

并且，可以构成为将在S2中取得的频域的振动加速度的峰值中的最大值与预定阈值进行比较，仅在最大值为阈值以上的情况下执行S3之后的步骤，此时，可以仅将超过阈值的峰值设为辨别对象，也可以将所有的峰值设为辨别对象。此外，在机床和刀具等的固有振动数已知的情况下，可以构成为将以该固有振动数作为中央值的预定宽度的频带设为固有型振动辨别范围，通过对在该固有型振动辨别范围内包含峰值频率的峰值的数量进行计数来辨别“固有振动型强制颤振”，能够通过使用这种固有型振动辨别范围来期待辨别精度的进一步提高。

进而，在上述实施方式中，在进行基于条件A的辨别后，进行了基于条件B的辨别，但是也可以在进行了基于条件B的辨别后进行基于条件A的辨别（即，可以交替S3～S4与S6～S9的顺序），也可以仅进行任意一方的辨别。

再者，在上述实施方式中，构成为对机床的旋转轴的振动进行检测的结构，但也可以检测不旋转一侧（固定侧）的振动，检测有无产生颤振。此外，不限于使刀具旋转的加工中心机，还可以应用于使工件旋转的旋床等机床，当然也可以根据机床的种类、大小等适当改变与辨别相关的第1设定数和第2设定数、用于设定固有型振动辨别范围的频带等。

Claims (4)

1.一种振动辨别方法，在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别产生于所述旋转轴的颤振的种类，该振动辨别方法的特征在于，

执行如下步骤：

第一步骤，在该步骤中，检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；

第二步骤，在该步骤中，基于所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；

第三步骤，在该步骤中，按照每个所述峰值，使用自身的峰值频率和利用下式(6)求出的偏移值，通过下式(4)和(5)，分别求出用于辨别所述颤振的种类的旋转同步型振动辨别范围；以及

第四步骤，在该步骤中，根据每个所述峰值处的所述自身的峰值频率与使用所述自身的峰值频率求出的所述旋转同步型振动辨别范围之间的关系，辨别所述颤振的种类，

第1振动辨别范围的上限＝旋转速度/60×(|峰值频率×60/旋转速度」)－偏移值 (4)

第1振动辨别范围的下限＝旋转速度/60×(|峰值频率×60/旋转速度」+1)+偏移值 (5)

偏移值＝旋转速度检测分辨率×(|峰值频率×60/旋转速度」)/60+频率分辨率 (6)。

2.一种振动辨别方法，在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别产生于所述旋转轴的颤振的种类，该振动辨别方法的特征在于，

执行如下步骤：

第一步骤，在该步骤中，检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；

第二步骤，在该步骤中，基于所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；

第三步骤，在该步骤中，根据多个所述峰值频率，求出用于辨别所述颤振的种类的固有型振动辨别范围；以及

第四步骤，在该步骤中，根据所述峰值频率包含在所述固有型振动辨别范围内的所述峰值的数量，辨别所述颤振的种类，

在所述第三步骤中，

求出所述峰值彼此的频率间隔，并且从辨别对象中排除所述峰值中的所述频率间隔为用下述式(7)和/或式(8)求出的频率或者这些频率的整数倍的所述峰值，来求出所述固有型振动辨别范围，

旋转频率＝旋转轴的旋转速度/60 (7)

刃通过频率＝旋转轴的旋转速度×刀具刃数/60 (8)。

3.一种振动辨别装置，该振动辨别装置用于在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别在使所述旋转轴旋转时产生的颤振的种类，该振动辨别装置的特征在于，

所述振动辨别装置具备：

检测单元，其用于检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；

FFT运算部，其根据由该检测单元检测出的所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；

辨别部，其按照每个所述峰值，使用自身的峰值频率和利用下式(6)求出的偏移值，通过下式(4)和(5)，分别求出用于辨别所述颤振的种类的旋转同步型振动辨别范围，并且根据每个所述峰值处的所述自身的峰值频率与使用所述自身的峰值频率求出的所述旋转同步型振动辨别范围之间的关系，辨别所述颤振的种类；以及

显示部，其显示辨别出的所述颤振的种类，

第1振动辨别范围的上限＝旋转速度/60×(|峰值频率×60/旋转速度」)－偏移值 (4)

第1振动辨别范围的下限＝旋转速度/60×(|峰值频率×60/旋转速度」+1)+偏移值 (5)

偏移值＝旋转速度检测分辨率×(|峰值频率×60/旋转速度」)/60+频率分辨率 (6)。

4.一种振动辨别装置，该振动辨别装置用于在具备用来使刀具或工件旋转的旋转轴的机床中辨别在使所述旋转轴旋转时产生的颤振的种类，该振动辨别装置的特征在于，

所述振动辨别装置具备：

检测单元，其用于检测旋转中的所述旋转轴的时域的振动以及所述旋转轴的旋转速度；

FFT运算部，其根据由该检测单元检测出的所述时域的振动计算频域的振动，并且取得计算出的所述频域的振动中的多个峰值和取该峰值的峰值频率；

辨别部，其根据多个所述峰值频率，求出用于辨别所述颤振的种类的固有型振动辨别范围，并且根据所述峰值频率包含在所述固有型振动辨别范围内的所述峰值的数量，辨别所述颤振的种类；以及

显示部，其显示辨别出的所述颤振的种类，

其中，所述辨别部求出所述峰值彼此的频率间隔，并且从辨别对象中排除所述峰值中的所述频率间隔为用下述式(7)和/或式(8)求出的频率或者这些频率的整数倍的所述峰值，来求出所述固有型振动辨别范围，

旋转频率＝旋转轴的旋转速度/60 (7)

刃通过频率＝旋转轴的旋转速度×刀具刃数/60 (8)。