CN109641337A - 振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

提供一种振动抑制装置，其能够抑制切削加工时的切削刀具的颤振，并能够实现较高的切削效率。在抑制一边旋转一边进给的切削刀具(91)的振动的振动抑制装置(1)中，具有：振动检测单元(11)，其对切削刀具(91)的振动进行检测；振动解析单元(13)，其基于振动检测单元(11)检测出的振动而对切削刀具(91)的振动进行解析；以及刀具控制单元(12)，其基于振动解析单元(13)的解析结果而对切削刀具(91)的进给速度进行控制，如果振动解析单元(13)检测到切削刀具(91)的颤振的大小小于或等于阈值，则刀具控制单元(12)使切削刀具(91)的进给速度升高。

Description

振动抑制装置

技术领域

本发明涉及振动抑制装置，更详细而言，涉及与具有切削刀具的加工装置一起使用、且抑制切削刀具的颤振的振动抑制装置。

背景技术

在利用具有立铣刀等切削刀具的加工装置对金属材料等的被削物进行切削时，切削刀具的振动成为问题。在切削刀具与被削物之间产生的振动称为颤振。颤振有可能成为精加工面的品质下降、切削刀具损伤的原因。另外，在产生颤振的状况下无法提高加工负荷，因此颤振会导致加工效率下降。

如非专利文献1等所记载，已知发生机构不同的多种颤振。作为主要的颤振，能举出强制颤振和再生颤振。强制颤振是强制的振动原因根据加工装置的振动特性扩大而表现出的颤振。作为代表性的强制颤振，对于使用立铣刀等的断续切削，能举出因切削刀具的刀刃与被削物接触所产生的切削力而引起的振动。这种强制颤振根据切削刀具的转速而周期性地产生。另外，振动的大小与利用加工装置施加的激振力成正比。

另一方面，作为自激颤振的一种而已知再生颤振，振动因切削过程中存在的闭循环而被反馈并扩大。具体而言，作为被削物的加工面的起伏而残留有在1个刀刃之前对被削物进行切削时产生的振动，经由其起伏在接下来的刀刃的切削过程中作为切削厚度(切屑厚度)的变动而使得1个刀刃前的振动再生。由此，构成切削力变动而再次产生振动的闭循环，由此产生再生颤振。再生颤振强烈依赖于切削刀具的转速。

作为用于抑制颤振的方法，已知多种方法。对于强制颤振和再生颤振而言，如上所述，发生机构不同，从而有效的抑制方法也应当不同。例如，在专利文献1以及专利文献2中，在与强制颤振区别地检测出再生颤振的基础上，实现了对检测出的再生颤振的抑制。在专利文献1中，对与为了使切削刀刃与工件接触多次所需的时间相关的自相关系数的特性的周期或振动频率进行计算。而且，基于根据切削刀刃的接触周期和计算出的周期求出的相位差、或者根据刀具的刀刃数以及旋转主轴的旋转速度的积和计算出的振动频率求出的相位差，使旋转主轴的旋转速度以规定比例而增减。具体而言，直至计算出的相位差大致变为0为止，反复进行旋转主轴的旋转速度的增减。在专利文献2中，通过加工振动的傅里叶级数的展开而对再生颤振的频率进行计算。而且，在计算出的频率的基础上考虑推定衰减比而获得再生颤振避免频率，基于该再生颤振避免频率而对机械主轴的转速进行调整。

专利文献1：日本特开2012-56051号公报

专利文献2：日本特开2014-83674号公报

非专利文献1：社本英二著“切削加工におけるびびり振動の発生機構と抑制”大同特殊鋼株式会社研究開発本部発行、電気製鋼/大同特殊鋼技報第82巻第2号143-155页、2011年12月27日

发明内容

如专利文献1、专利文献2记载的那样，通过对切削刀具的转速(旋转速度)进行控制，从而能够实现对切削加工时的颤振的抑制，特别是实现对再生颤振的抑制。然而，如果减小切削刀具的转速，则切削速度有可能减慢而导致切削效率下降。根据获得高效且高质的精加工面等观点，期望兼顾对颤振的抑制和切削效率的提高。

本发明所要解决的问题在于，提供能够抑制切削加工时的切削刀具的颤振、且能够实现高切削效率的振动抑制装置。

为了解决上述问题，本发明所涉及的颤振抑制装置抑制一边旋转一边进给的切削刀具的振动，具有：振动检测单元，其对所述切削刀具的振动进行检测；振动解析单元，其基于所述振动检测单元检测出的振动而对所述切削刀具的振动进行解析；以及刀具控制单元，其基于所述振动解析单元的解析结果而对所述切削刀具的进给速度进行控制，如果所述振动解析单元检测到所述切削刀具的颤振的大小小于或等于阈值，则所述刀具控制单元使所述切削刀具的进给速度升高。

这里，可以形成为如下结构，即，所述振动解析单元能够识别并检测所述切削刀具的强制颤振，如果所述振动解析单元检测出超过强制颤动阈值的大小的强制颤振，则所述刀具控制单元使所述切削刀具的进给速度在不低于下限阈值的范围内降低。

在该情况下，可以形成为如下结构，即，所述刀具控制单元在所述切削刀具的进给速度的基础上能够对转速进行控制，如果所述振动解析单元在所述切削刀具的进给速度达到所述下限阈值的状态下检测出超过所述强制颤动阈值的大小的强制颤振，则所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更。

并且，可以形成为如下结构，即，在所述振动解析单元检测出超过所述强制颤动阈值的大小的强制颤振而所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更时，避开与共振频率对应的转速而设定所述切削刀具的转速。

另外，可以形成为如下结构，即，所述振动解析单元能够识别并检测所述切削刀具的再生颤振，所述刀具控制单元在所述切削刀具的进给速度的基础上能够对转速进行控制，如果所述振动解析单元检测出超过再生颤动阈值的大小的再生颤振，则所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更。

在该情况下，可以形成为如下结构，即，所述振动抑制装置用于抑制具有多个切削刀刃的切削刀具的振动，如果所述振动解析单元检测出超过所述再生颤动阈值的大小的再生颤振，则所述刀具控制单元在所述切削刀具的转速的同时对进给速度进行变更，将每一个所述切削刀刃的进给速度维持恒定。

而且，可以形成为如下结构，即，在所述振动解析单元检测出超过所述再生颤动阈值的大小的再生颤振而所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更时，将所述切削刀具的转速设定于根据共振频率而规定的稳定区域。

另外，所述振动检测单元可以是与所述切削刀具的旋转主轴结合的加速度传感器。

在该情况下，可以形成为如下结构，即，绝缘体设置于所述切削刀具的旋转主轴与所述振动检测单元之间，使所述振动检测单元相对于所述旋转主轴电绝缘。

发明的效果

在本发明所涉及的振动抑制装置中，在利用振动检测单元对切削刀具的颤振进行检测、且利用振动解析单元对切削刀具的颤振进行解析的基础上，在该颤振的大小小于或等于阈值的情况下，使切削刀具的进给速度升高。由此，在颤振的大小小于或等于阈值、且颤振的影响不大的状况下，能够使切削刀具的进给速度升高并使切削速度升高。其结果，能够避免超过阈值的颤振的产生、且提高切削效率。

这里，振动解析单元能够识别并检测切削刀具的强制颤振，如果振动解析单元检测出超过阈值的大小的强制颤振，则在刀具控制单元使切削刀具的进给速度在不低于下限阈值的范围内降低的情况下，通过使切削刀具的进给速度降低而能够有效地抑制强制颤振。

在该情况下，根据如下结构，即，刀具控制单元在切削刀具的进给速度的基础上还能够对转速进行控制，如果振动解析单元在切削刀具的进给速度达到下限阈值的状态下检测出超过强制颤动阈值的大小的强制颤振，则刀具控制单元对切削刀具的转速进行变更，即使在切削刀具的进给速度达到下限阈值也无法充分抑制强制颤振的情况下，通过在进给速度的基础上对转速进行变更也能够有效地抑制强制颤振。

并且，根据如下结构，即，在振动解析单元检测出超过强制颤动阈值的大小的强制颤振而刀具控制单元对切削刀具的转速进行变更时，避开与共振频率对应的转速而设定切削刀具的转速，能够避免因共振现象导致强制颤振反而增大的状况。

另外，振动解析单元能够识别并检测切削刀具的再生颤振，刀具控制单元在切削刀具的进给速度的基础上还能够对转速进行控制，如果振动解析单元检测出超过再生颤动阈值的大小的再生颤振，则在刀具控制单元对切削刀具的转速进行变更的情况下，通过切削刀具的转速的变更而能够有效地抑制再生颤振。

在该情况下，根据如下结构，即，振动抑制装置用于抑制具有多个切削刀刃的切削刀具的振动，如果振动解析单元检测出超过再生颤动阈值的大小的再生颤振，则刀具控制单元在切削刀具的转速的同时对进给速度进行变更，将每1个切削刀刃的进给速度维持恒定，能够将根据每1个切削刀刃的进给速度规定的切削效率保持恒定，并能够抑制再生颤振。

而且，根据如下结构，即，在振动解析单元检测出超过再生颤动阈值的大小的再生颤振而刀具控制单元对切削刀具的转速进行变更时，将切削刀具的转速设定于根据共振频率而规定的稳定区域，能够特别有效地抑制因共振引起的再生颤振的增大。

另外，在振动检测单元是与切削刀具的旋转主轴结合的加速度传感器的情况下，能够灵敏地检测到切削刀具的振动。

在该情况下，根据如下结构，即，绝缘体设置于切削刀具的旋转主轴与振动检测单元之间、且振动检测单元相对于旋转主轴而电绝缘，由绝缘体将从旋转主轴向振动检测单元的电噪声的传递切断。由此，能够高精度地进行由振动检测单元对切削刀具的振动的检测。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的振动抑制装置的概略结构的框图。

图2是表示上述振动抑制装置的振动检测单元附近的结构例的图，图2(a)是斜视图，图2(b)是放大侧视图。

图3是对上述振动抑制装置的控制进行说明的流程图。

图4是对振动的解析进行说明的图，图4(a)表示利用振动检测单元获得的信号，图4(b)表示傅里叶变换后的信号，图4(c)表示各颤振的时间变化。

图5是对稳定加工时的控制进行说明的图，图5(a)表示最大振动加速度，图5(b)表示进给速度的时间变化。

图6是对强制颤动抑制的控制进行说明的图，图6(a)表示最大振动加速度，图6(b)表示进给速度，图6(c)表示转速的时间变化。

图7是对再生颤动抑制的控制进行说明的图，图7(a)表示最大振动加速度，图7(b)表示转速，图7(c)表示进给速度的时间变化。

图8是振动检测单元的绝缘效果的试验结果，关于进行绝缘的情况和未进行绝缘的情况，图8(a)表示加速度的时间变化，图8(b)表示傅里叶变换矢量。

图9是对再生颤振抑制试验的方法进行说明的图。

图10是表示再生颤振抑制试验的结果的图，图10(a)是傅里叶变换矢量，图10(b)是转速的时间变化，图10(c)是振动位移的时间变化。

图11是表示强制颤振抑制试验的结果的图，图11(a)是傅里叶变换矢量，图11(b)是进给速度的时间变化，图11(c)是振动位移的时间变化。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的振动抑制装置进行详细说明。

[振动抑制装置的概略]

图1中示出了本发明的一个实施方式所涉及的振动抑制装置1的概略结构。本振动抑制装置1与具有切削刀具91的加工装置90一起使用，发挥抑制切削刀具91的振动的作用。

切削刀具91是以旋转轴为中心而旋转、且沿旋转轴向前方进给而对金属材料等的被削物进行切削的刀具。优选切削刀具91以旋转轴为中心而具有多个切削刀刃。作为这种切削刀具91的例子，能举出立铣刀、刀具。

振动抑制装置1具有振动检测单元11、刀具控制单元12以及振动解析单元13。振动检测单元11对切削刀具91的振动进行检测。作为具体的振动检测单元11，能够举例示出对通过振动而施加于切削刀具91的加速度进行检测的加速度传感器、对因切削刀具91的振动而产生的声压进行检测的麦克风等。在能够灵敏且高精度地检测切削刀具91的振动这一点上，优选使用加速度传感器。

刀具控制单元12对切削刀具91的进给速度以及转速进行控制。具体而言，可以采用附设于加工装置90、且能够对基于切削刀具91的切削条件进行控制的控制装置。

振动解析单元13包含计算机等运算控制装置。振动解析单元13与振动检测单元11连接，输入有与振动检测单元11检测出的振动相关的信号S1。而且，基于该振动信息而对切削刀具91的颤振进行解析。另外，振动解析单元13还与刀具控制单元12连接。振动解析单元13基于针对切削刀具91的振动的解析结果而确定切削刀具91的进给速度以及转速，并利用控制信号S2而传递至刀具控制单元12。而且，刀具控制单元12基于控制信号S2而对切削刀具91的进给速度以及转速进行实际控制。后文中对振动解析单元13的振动的解析、以及基于该结果的进给速度以及转速的确定详情进行叙述。

利用本实施方式所涉及的振动抑制装置1并利用切削刀具91进行切削的被削物的种类是任意的。然而，针对每个个体、每个部位而适当的切削条件容易变化的产品适合作为一边利用振动抑制装置1抑制颤振一边进行加工的对象。作为这种产品，能举出铸造产品等针对每个个体而厚度等的精加工的偏差较大的产品、具有复杂的形状且针对每个部位而厚度等形状大幅变化的产品等。这是因为，即使颤振的产生条件根据切削条件的变化而大幅变化，也能够利用本振动抑制装置1有效地抑制颤振且高效地进行切削。

[振动检测单元的安装构造]

关于作为振动检测单元11而使用加速度传感器的情况，图2中示出了安装构造的一个例子。振动检测单元11在加工装置90中与切削刀具91的旋转主轴92结合。而且，对因经由旋转主轴92而传递的切削刀具91的振动产生的加速度进行检测。对于检测出的加速度的方向，可以任意地从沿着旋转主轴92的z方向、作为旋转主轴92的旋转面内的方向的x方向以及y方向等中选择。

振动检测单元11经由固定于旋转主轴92的安装部件21而与旋转主轴92结合。安装部件21可以由金属材料构成。振动检测单元11经由作为由绝缘体构成的板材的树脂垫片22而配置于安装部件21的面。而且，在振动检测单元11设置有螺孔，利用作为由绝缘体构成的紧固连结部件的树脂螺钉23而固定于安装部件21。如上所述，安装部件21由金属材料构成，旋转主轴92也通常由金属材料构成。另一方面，振动检测单元11处于仅隔着树脂垫片22以及树脂螺钉23而与安装部件21接触的状态，并未直接接触。因而，振动检测单元11处于相对于旋转主轴92以及安装部件21而电绝缘的状态。

在加工装置90中，因放电等而产生各种各样的电噪声。如果振动检测单元11直接接触安装于安装部件21而实现了与旋转主轴92之间的导通，则上述电噪声有可能传递至振动检测单元11，并经由信号线缆11a而传递至振动解析单元13。于是，上述电噪声与传递至振动解析单元13的切削刀具91的振动的信号S1重叠，有可能使导致振动解析单元13的振动解析的精度下降。与此相对，如上所述，使得振动检测单元11相对于旋转主轴92而电绝缘，从而如后文中实施例所示，将加工装置90中产生的电噪声向振动检测单元11的传递切断。由此，在振动解析单元13中能够进行高精度的振动的解析。

[基于振动解析单元的振动的解析和切削条件的确定]

下面，对振动解析单元13的振动的解析、以及切削条件即切削刀具91的进给速度以及转速的确定进行说明。

图3中作为流程图而示出了振动解析单元13的信息处理工序。振动解析单元13在步骤101～103以及步骤106～108中对颤振的有无以及颤振的种类进行解析。而且，振动解析单元13基于其解析结果而选择、执行稳定加工时(步骤104～105)、强制颤动抑制(步骤109～111)、再生颤动抑制(步骤112)这3种控制。振动解析单元13在某个切削对象部位反复进行这种控制直至达到规定的切削量为止之后(步骤113中为No)，进行向其他切削对象部位的变更(步骤114)。而且，振动解析单元13在变更后的切削对象部位反复进行同样的控制。

根据颤振的有无以及种类的解析而执行直至伴随着3种中的任意控制的切削的执行为止的工艺(从步骤101至步骤113的工艺)的1种所需的时间，例如可以设为0.1秒～1秒左右。另外，本实施方式所涉及的振动抑制装置1可以应用于各种加工装置90，可以用于具有各种大小、形状的被削物的加工。因此，在多个切削对象部位反复实施上述工艺，完成1个被削物的加工所需的时间显著取决于被削物的大小、形状。然而，如果以1～5分钟左右而完成1个被削物个体的加工，则容易将随时间的切削条件的变化的影响排除而实现振动抑制装置1的颤振的抑制和切削效率的提高的效果。

(颤振的有无以及种类的解析)

在步骤101中，振动解析单元13从振动检测单元11根据信号S1而输入有切削刀具91的振动的信息。图4(a)中示出了输入的信号S1的一个例子。横轴表示时间，纵轴表示施加于切削刀具91的加速度，加速度的绝对值越大，振动越大。此外，这里，通过使用加速度传感器作为振动检测单元11，从而利用加速度作为表示振动的大小的指标。然而，根据所使用的振动检测单元11的种类等，表示振动的大小的指标可以是除了加速度以外的指标，例如可以利用振动位移量。

在步骤102中，振动解析单元13针对输入的信号而进行傅里叶变换(FFT解析)。由此，能够对切削刀具91的振动的频率(振动频率)特性进行解析。图4(b)中示出了通过傅里叶变换而获得的结果(傅里叶变换矢量)的一个例子。对于矢量而观察到多个离散的峰值，分别与切削刀具91的颤振对应。

在傅里叶变换矢量中，能够根据观测到的峰值的频率而对强制颤振和再生颤振进行识别。图4(b)中由实线所示的等间隔的峰值与强制颤振对应。如前所述，强制颤振的主要原因是切削刀具91的切削刀刃与被削物接触而产生的切削力。因此，强制颤振的频率与切削刀具91的旋转的频率对应。即，对于傅里叶变换矢量，强制颤振的峰值在与切削刀具91的旋转的频率对应的切削基本频率Ro的整数倍(1倍、2倍、3倍、…)的位置出现。R设为切削刀具91的转速(单位：rpm)，B设为切削刀具91的刀刃数，切削基本频率Ro可以表示为Ro＝R·B/60(1)。Ro是已知的参数，因此如果对于傅里叶变换矢量以Ro的整数倍的频率而观察到峰值，则可以判定为产生了强制颤振。

图4(b)中由虚线所示的峰值与再生颤振对应。如前所述，再生颤振是因加工装置90中形成的闭循环而以共鸣的方式产生的振动，与切削基本频率Ro不具有直接的关联性。因而，如果对于傅里叶变换矢量而以与切削基本频率Ro的整数倍不同的频率观测到峰值，则能够判定为是因再生颤振产生的峰值。通常，在由切削刀具91、加工装置90的材质、机械构造而规定的共振频率的附近观测到再生颤振。

振动解析单元13基于通过步骤102获得的傅里叶变换矢量，在步骤103中判定是否产生颤振。即，在对于傅里叶变换矢量而未观察到与颤振对应的峰值的情况下，或者即使观察到峰值而颤振的大小(峰值的高低)也小于或等于规定阈值的情况下，振动解析单元13判定为未产生颤振(步骤103中为No)。另一方面，在对于傅里叶变换矢量而观测到超过阈值的大小的颤振的情况下，振动解析单元13判定为产生了颤振(步骤103中为Yes)。

作为阈值，可以不根据颤振的种类而使用单值，也可以使用根据颤振的种类而不同的值。例如，可以对于强制颤振和再生颤振而使用不同的阈值。

图4(c)中与针对各颤振而设定为阈值的再生颤动阈值C1以及强制颤动阈值C2一起，示出了根据傅里叶变换矢量而获得的再生颤振和强制颤振的时间变化的一个例子。这里，在纵轴，作为最大振动加速度而示出了规定的短时间内观测到的加速度的最大值。在图示的例子中，在整个时间区域，对于再生颤振以及强制颤振均能够判定为其最大振动加速度未超过再生颤动阈值C1以及强制颤动阈值C2而未产生颤振。此外，在图4(c)中，相对于时间轴在多个数据点示出了颤振的最大振动加速度，容易理解该时间变化。然而，在实际的信息处理流程中，执行1次步骤103时获得的数据点相对于时间轴仅为1点。通过反复执行图3中由虚线所示的循环而相对于时间轴获得多个数据点。

对于用于颤振的有无的判定的阈值的具体值，只要根据各颤振的影响在切削中成为问题的程度等而适当地规定即可。例如，利用与作为对象的被削物相同形状、且由相同材质构成的试验试料而预先进行切削试验，可以以对试验试料进行切削时产生的颤振的加速度的最大值为基准而规定阈值。确认到强制颤振主要产生在这种试验的初期。可以以与这样产生的强制颤振对应的加速度的最大值的40～90％的水平规定强制颤动阈值C2。例如，只要将强制颤动阈值C2设定为最大值的90％即可。另一方面，确认到再生颤振主要产生在试验的中期至末期。可以以与这样产生的再生颤振对应的加速度的最大值的60～90％的水平而规定再生颤动阈值C1。例如，只要将再生颤动阈值C1设定为最大值的85％即可。通常，对于再生颤振，大多实现比强制颤振更大的加速度以及位移。因此，只要将再生颤动阈值C1设定为高于强制颤动阈值C2即可。图4(c)中也以该方式设定再生颤动阈值C1和强制颤动阈值C2。

(稳定加工时的控制)

在步骤103中，如果判定为未产生颤振(步骤103中为No)，则进行基于稳定加工时的控制法的切削条件的确定。振动解析单元13在稳定加工时进行使切削刀具91的进给速度升高的控制。即，振动解析单元13在步骤104以及步骤105中反复执行如下控制，即，在未超过预先设定的上限阈值的范围内使进给速度的设定值升高，将该设定值作为信号S2传递至刀具控制单元12。这里，进给速度的升高可以以恒定的增加量ΔF1的间隔进行。只要基于事前的试验而将增加量ΔF1的具体值规定为有效地提高切削效率的量即可。作为步骤105的上限阈值，可以使用振动的加速度的阈值和/或切削刀具91的进给速度的阈值。作为振动的加速度的阈值，可以使用上述的用于颤振的有无的判定的阈值(再生颤动阈值C1以及强制颤动阈值C2)。作为进给速度的阈值，例如只要规定能够稳定地进行切削的上限阈值(F1)即可。

图5中示出了稳定加工时的控制例。这里，对强制颤振进行了图示，但对于再生颤振也可以同样地进行处理。如图5(a)那样，在时间t1，最大振动加速度小于或等于强制颤动阈值C2(再生颤振的情况下为再生颤动阈值C1，下同)，因此如果在步骤103中判定为未产生颤振，则在步骤104中如图5(b)那样使得进给速度以增加量ΔF1而升高。于是，作为进给速度升高的结果，如图5(a)那样，强制颤振的加速度升高。在步骤105中，如果判定为最大振动加速度未达到作为上限阈值的强制颤动阈值C2、且切削刀具91的进给速度未达到上限阈值F1，则在时间t2，再次在步骤104中使进给速度以增加量ΔF1而升高。在时间t3、t4，也反复进行同样的判定和进给速度的升高。在时间t4之后，如果使进给速度以增加量ΔF1进一步升高，则进给速度达到上限阈值F1。因此，在接下来执行步骤105的判定时，判定为进给速度超过上限阈值(步骤105中为Yes)，稳定加工时的控制结束。

此外，图5(a)中示出了再生颤振的下限阈值C3以及强制颤振的下限阈值C4。在再生颤振以及强制颤振的最大振动加速度小于上述下限阈值C3以及C4的情况下，振动解析单元13判断为切削刀具91未对被削物进行切削，而是空转。而且，在步骤104(以及下面说明的步骤109、111、112)中，振动解析单元13不进行切削刀具91的进给速度(以及转速)的变更。同样地，在图5(b)中，下限阈值F2设定为切削刀具91的进给速度。在进给速度小于下限阈值F2的情况下，振动解析单元13在步骤104(以及下面说明的步骤109、111、112)中不进行进给速度(以及转速)的变更。即，振动解析单元13进行切削刀具91的进给速度以及转速的控制，以使得再生颤振的加速度收敛于再生颤动阈值C1与下限阈值C3之间、使得强制颤振的加速度收敛于强制颤动阈值C2与下限阈值C4之间、且使得切削刀具91的进给速度收敛于上限阈值F1与下限阈值F2之间。

只要根据使得再生颤振以及强制颤振的影响在切削中不成为问题的程度而适当地规定切削刀具91的进给速度的下限阈值F2即可。即，在即使各颤振较小也不会在切削中产生较大问题的情况下，只要预先将下限阈值F2规定为较大的值即可。在即使是某种程度大小的颤振也不会造成较大问题的情况下，只要预先将下限阈值F2规定为较小的值即可。例如，设定切削刀具91的进给速度的基准值Fc，将该基准值Fc设为100％的指标。而且，只要预先根据切削对象而将进给速度的下限阈值F2设定为基准值Fc的0％～100％的范围内的任意值即可。优选地，只要从基准值Fc的100％～5％的区域选择下限阈值F2即可，更优选只要从80％～30％的区域选择即可。

如以上说明，在稳定加工时，进行使切削刀具91的进给速度升高的控制。在颤振的影响并不深刻的稳定加工时，通过使切削刀具91的进给速度升高，从而能够提高切削速度并提高切削效率。能够通过提高切削效率，缩短针对被削物而完成规定的加工所需的时间即加工时间。另外，通过在未超过颤振的大小的上限阈值(再生颤动阈值C1、强制颤动阈值C2)的范围进行进给速度的升高，能够避免因切削速度的过度升高而产生颤振、以及由此反而使得切削效率降低的状况。

(强制颤动的抑制)

在步骤103中，如果判定为产生了颤振(步骤103中为Yes)，则振动解析单元13在步骤106中判定该颤振是强制颤振还是再生颤振。即，在根据图4(b)这样的傅里叶变换矢量而观测到与切削基本频率Ro的整数倍一致、且超过强制颤动阈值C2的大小的峰值的情况下(步骤106中为Yes)，振动解析单元13在步骤107中判定为产生了强制颤振。这里，与切削基本频率Ro的整数倍一致不仅是指频率完全一致的情况，还包含能够近似为一致的误差的范围。此外，在与强制颤振一并产生了再生颤振的情况下，振动解析单元13优先执行超过阈值(再生颤动阈值C1或者强制颤动阈值C2)的量较大的颤振的抑制。

如果在步骤107中判定为产生了强制颤振，则振动解析单元13在步骤109～111中进行强制颤动抑制的控制。首先，振动解析单元13在步骤109中进行切削刀具91的进给速度的变更。速度的变更既可以在使进给速度升高的方向上进行，也可以在使进给速度降低的方向上进行。这里，对使进给速度降低的情况进行处理。在该情况下，振动解析单元13在步骤109以及步骤110中反复执行如下控制，即，在不低于预先设定的下限阈值F2的范围，使进给速度的设定值降低，将该设定值作为信号S2而传递至刀具控制单元12。这里，进给速度的降低可以以恒定的减小量ΔF2的间隔而进行。只要预先基于事前的试验将减小量ΔF2的具体值规定为能够有效地抑制强制颤振的量即可。只要强制颤振的最大振动加速度超过强制颤动阈值C2、且进给速度不低于下限阈值F2，则步骤109中的进给速度持续降低。在此期间不对切削刀具91的转速进行变更。

在步骤110中，振动解析单元13进行切削刀具91的进给速度是否达到下限阈值F2的判定，在切削刀具91的进给速度未达到下限阈值F2的情况下，反复进行步骤109中的进给速度的降低。在判定为进给速度达到下限阈值F2、且该状态下的强制颤振的最大振动加速度大于强制颤动阈值C2的情况下，进入步骤111。在步骤111中，振动解析单元13进行变更切削刀具91的转速的控制。转速的变更也是既可以在使转速升高的方向上进行，也可以在使转速降低的方向上进行。这里，对使转速降低的情况进行处理。能够以规定的变化量阶梯式地进行转速的降低。只要强制颤振的最大振动加速度超过强制颤动阈值C2、且转速存在于预先规定的规定范围内，则使转速持续降低。例如可以以如下方式考虑共振频率而设定对转速进行变更的规定范围。

在步骤111中对转速进行变更时，优选避开与切削刀具91的共振频率(固有振动频率)Rc对应的转速Pn而设定转速。这里，切削刀具91的共振频率Rc是根据切削刀具91、加工装置90的材质、机械构造而确定的固有频率，在该频率下产生共振。可以由下式(2)表示与共振频率Rc对应的切削刀具91的转速Pn。

Pn＝Rc·60/B/n (2)

这里，B为切削刀具91的刀刃数，n为整数(n＝1，2，3…)。

即，在步骤111中使转速减小时，只要振动解析单元13在Pn与P(n+1)之间的范围内设定转速即可。此外，在使转速增大的情况下，只要在Pn与P(n-1)之间的范围内设定转速即可。

图6中示出了强制颤动抑制的控制例。在检测出强制颤振之前的状态下的时间t5，如图6(a)那样，强制颤振的最大振动加速度未超过强制颤动阈值C2。因而，不进行切削刀具91的进给速度的降低、转速的降低。

在时间t6，如果在步骤106、107中判定为存在超过强制颤动阈值C2的强制颤振，则在步骤109中如图6(b)那样，以减小量ΔF2使切削刀具91的进给速度降低。这里，强制颤振的最大振动加速度依然维持超过强制颤动阈值C2的状态，但如果以减小量ΔF2使进给速度减小，则进给速度下降至低于下限阈值F2的水平。因此，在步骤110中，判断为进给速度达到下限阈值F2。于是，在步骤111中，执行切削刀具91的转速的降低。将与通过式(2)计算出的共振频率对应的转速P2作为下限值而进行转速的降低。

根据从时间t6开始执行切削刀具91的进给速度以及转速的降低的效果，从时间t7起强制颤振的最大振动加速度开始降低，不久变得小于或等于强制颤动阈值C2。此时，如果进一步使得再生颤振的最大振动加速度小于或等于再生颤动阈值C1，则转换为稳定加工时的控制，切削刀具91的进给速度升高。另外，降低的转速也再次升高。

如上所述，在强制颤动抑制的控制中，首先对切削刀具91的进给速度进行变更，由此能够有效地抑制因强制颤振而产生的振动加速度以及位移。可以认为这是因为，如上所述，因切削刀具91在切削刀刃与被削物之间产生的切削力而引起强制颤振，通过使切削刀具91的进给速度变化而能够有效地使产生的切削力的状态变化。特别是如上所述，通过在使进给速度降低的方向上进行变更，能够有效地使切削力降低而抑制强制颤振。在该意义上，优选使进给速度降低，但即使使进给速度升高，也能够在某种程度上获得抑制强制颤振的效果。在使进给速度升高的情况下，能够避免在使进给速度降低的情况下有可能产生的切削效率的降低，并能够进行强制颤振的抑制。

在仅使切削刀具91的进给速度在不低于下限阈值F2的范围内、且不超过上限阈值F1的范围内进行变更而无法充分抑制强制颤振的情况下，通过对切削刀具91的转速进行变更，从而能够强力地抑制强制颤振。通过在使转速降低的方向上进行变更，能够特别有效地抑制强制颤振。在该意义上，优选使转速降低，但即使使转速升高，也能够在某种程度上获得抑制强制颤振的效果。在使转速升高的情况下，能够避免在使转速降低的情况下有可能产生的切削效率的降低，并能够进行强制颤振的抑制。在对转速进行变更时，避免基于共振频率并通过式(2)计算出的转速Pn而设定转速，从而能够避免由于共振现象而避免强制颤振反而增大的状况。

(再生颤振抑制)

在步骤103中判定为产生了颤振(步骤103中为Yes)且在步骤106中判定为该颤振并非强制颤振的情况下，即，在以图4(b)那样的傅里叶变换矢量而观测到颤振的频率与切削基本频率Ro的整数倍(以及该误差范围)不一致的情况下(步骤106中为No)，振动解析单元13在步骤108中判定为产生了再生颤振。

而且，执行步骤112中的再生颤动抑制控制。即，如果在步骤108中判定为产生了再生颤振，则振动解析单元13在步骤112中对切削刀具91的转速进行变更。转速的变更既可以在使转速升高的方向上进行，也可以在使转速降低的方向上进行。这里，对使转速降低的情况进行处理。此时，只要趋向目标转速以规定的变化量而阶梯式地进行转速的降低即可。

这里，优选将目标转速设定于根据共振频率而规定的稳定区域。如非专利文献1中记载的那样，已知能够抑制再生颤振并稳定地推进切削的稳定的频率存在于共振频率Rc的附近。即，可以将能够抑制再生颤振并稳定地推进切削的稳定的频率设为Rc’，将通过下面的式(3)规定的转速P’n设为稳定区域，将转速的目标设定于该稳定区域。此外，稳定的频率Rc’可以设定为与共振频率Rc一致。

P’n＝Rc’·60/B/n (3)

这里，B为切削刀具91的刀刃数，n为整数(n＝1，2，3…)。

在对切削刀具91的转速进行变更时，可以单独地仅对转速进行变更，但优选与转速同时地对切削刀具91的进给速度也进行变更。具体而言，在对转速进行变更时，可以对所有切削刀具91的进给速度进行变更，以使得每1个切削刀刃的进给速度实质上未发生变化。在使转速降低的情况下，只要使进给速度以反比例升高即可。

图7中示出了再生颤动抑制的控制例。在检测出再生颤振之前的状态下的时间t9，如图7(a)那样，再生颤振的最大振动加速度未超过再生颤动阈值C1。因而，不进行切削刀具91的转速的降低。

在时间t10，如果在步骤106、108中检测出超过再生颤动阈值C1的再生颤振，则在步骤112中如图7(b)那样，使切削刀具91的转速朝向基于上述式(3)设定的目标转速P2’而阶梯式地减小。与此同时，如图7(c)那样切削刀具91的进给速度阶梯式地增大，维持为每1个切削刀刃的进给速度实质上不变化。此外，进给速度的变更在预先设定的上限阈值F1与下限阈值F2之间的范围进行。

根据从时间t10开始执行切削刀具91的转速的降低的效果，最大振动加速度从时间t11起开始降低，不久变为小于或等于再生颤动阈值C1。

如上所述，在再生颤动抑制的控制中，通过对切削刀具91的转速进行变更，从而能够有效地抑制因再生颤振而产生的加速度以及位移。这是因为，如上所述，再生颤振与作为切削刀具91、加工装置90的固有频率的共振频率具有较强的关联性，强烈依赖于切削刀具91的转速。特别是如上所述，通过在使转速降低的方向上进行变更，能够有效地抑制再生颤振。在该意义上，优选使转速降低，但即使使转速升高，也能够获得在某种程度上抑制再生颤振的效果。在使转速升高的情况下，能够避免有可能因转速降低而产生的切削效率的降低，并能够进行再生颤振的抑制。在使切削刀具91的转速降低或者升高而进行变更时，通过将处于基于稳定的频率Rc’而通过式(3)规定的稳定区域的转速P’n设为目标，能够避免因共振现象而引起的再生颤振增大，并能够特别有效地抑制再生颤振。

在对切削刀具91的转速进行变更时，如果同时对切削刀具91的进给速度进行变更、且将每1个切削刀刃1的进给速度维持为实质上恒定，则即使对切削刀具91的转速进行变更，也能够维持切削效率。特别是在使转速降低的方向上进行变更的情况下，在不使切削效率降低这一点上具有意义。

实施例

下面，利用实施例对本发明进行更具体的说明。

[振动检测单元的绝缘的效果]

在上述说明的实施方式中，如图2所示，在固定于切削刀具91的旋转主轴92的安装部件21与作为振动检测单元11的加速度传感器之间设置树脂垫片22，使切削刀具91与振动检测单元11之间电绝缘。关于该绝缘效果，进行检验试验。

在试验中，如图2所示，经由金属制的安装部件21将由加速度传感器构成的振动检测单元11与作为切削刀具91而具有立铣刀的加工装置90的旋转主轴92结合。此时，对于利用树脂垫片22和树脂螺钉23使振动检测单元11相对于旋转主轴92以及安装部件21电绝缘的情况、以及不使用树脂垫片22而使振动检测单元11直接接触固定于安装部件21，不将振动检测单元11和旋转主轴92之间电绝缘的情况这2种情况，进行了试验。

图8(a)中对于进行绝缘的情况(具有绝缘体：由黑线表示)、以及未进行绝缘的情况(无绝缘体：由灰线表示)而将由振动检测单元检测出的加速度的信号表示为时间的函数。由此，在未进行绝缘的情况下，作为加速度的信号而检测出较大的噪声，与此相对，通过进行绝缘而大幅削减噪声。在未进行绝缘的情况下观测到的噪声等级，比进行绝缘的情况下的信号等级大2个数量级以上。

如果观察图8(b)的傅里叶变换矢量，则在未进行绝缘的情况下在60Hz附近观察到较大的峰值。可知在进行绝缘的情况下，该峰值完全消失，通过进行绝缘而能有效地将周期性的噪声去除。另外，观察图8(a)，在未进行绝缘的情况下，显然，不仅频繁产生60Hz的周期性的噪声，还频繁产生不规则的噪声，但这些噪声也因绝缘而去除。这样，将由加速度传感器构成的振动检测单元设置为相对于切削刀具的旋转主轴电绝缘，能够确认可有效地将电噪声去除，能够高精度地对因切削刀具的振动而产生的加速度的信号进行检测。

[再生颤振抑制的检验]

下面，通过上述实施方式中说明的再生颤动抑制的控制方法而进行检验能否实际抑制再生颤振的试验。

图9中简单地示出了用于试验的被削物和试验方法。对于试验，作为具有容易产生再生颤振的简单形状的被削物200，使用在平板201的表面离散地形成有圆柱状的凸起202的结构。被削物200和平板201、凸起202一起由SUS630(硬度：HRC33)构成。作为切削刀具203，利用φ6的方形端铣刀(刀刃数：4刃)沿图中箭头所示的加工方向以向下切割的方式进行凸起202的切削。作为切削条件，将初始的切削刀具203的转速设为7740rpm，将进给速度设为774mm/min。另外，进刀量在径向上设为1mm、且在轴向上设为3mm。

在以上述条件进行切削时，图10(a)中示出了初期观测到的振动位移的傅里叶变换矢量。此外，在该试验以及接下来的强制颤振抑制的检验试验中，利用对由加速度传感器测量的振动的加速度进行双重积分所得的振动位移作为振动大小的指标。

在图10(a)中，在比1000Hz略低的频率的位置处观测到尖锐的峰值。图中由“■”的符号表示切削基本频率Ro以及其整数倍的频率，观测到的峰值的位置与上述频率不一致。因而，在本试验中，能够判定为未产生强制颤振，而是产生再生颤振。

在切削中，以0.1秒的间隔对切削刀具的转速的变更、以及再生颤振的峰值顶部的振动位移量进行了监视。图10(b)、(c)中示出了上述时间变化。这里，对转速进行如下控制，即，使其在从7740rpm降低的方向上变化，在0.5秒至2.0秒之间的时间区间每隔0.5秒而使转速降低。另外，省略了图示，但与转速的降低同时地，使进给速度升高，将每一个切削刀刃的进给速度维持恒定。

随着如图10(b)那样减小切削刀具的转速，如图10(c)那样大幅抑制振动位移。在约1.0秒的时间内，振动位移达到由虚线所示的下限阈值。

并且，在加工后的被削物200的平板201的表面，对精加工面的平滑性进行了评价。利用表面粗糙计对精加工面的表面粗糙度(Ra)进行了评价，在未进行减小切削刀具的转速的控制、且维持为初期的7740rpm的情况下，Ra＝6.2。与此相对，在如上所述进行减小转速的控制的情况下，Ra＝0.54，表面粗糙度大幅减小,精加工面的平滑性得到提高。

这样，通过试验检验了如下内容，即，通过对切削刀具的转速进行变更，从而能够有效地抑制再生颤振。另外，由此能够确认到精加工面的平滑性得到了提高。

[强制颤振抑制以及稳定加工时控制的效果的检验]

然后，进行了对能否通过上述实施方式中说明的强制颤动抑制的控制方法而实际抑制强制颤振、或者能否通过稳定加工时的控制而提高加工效率的检验的试验。

在该试验中，使用容易产生强制颤振的具有复杂的凹凸面形状的由SUS304构成的被削物。作为切削刀具，使用φ63、7个刃的刀具。作为切削条件，将转速设为455rpm。在未进行控制的情况下，进给速度设为430mm/min，在进行控制的情况下，进给速度在215～645mm/min之间变化。进刀量设为0.5mm。

图11(a)中示出了在以上述条件进行切削时初期观测到的振动位移的傅里叶变换矢量。这里，以等间隔观测到了3个尖锐的峰值。上述峰值的频率与切削基本频率Ro以及其整数倍完全一致。因而，在该试验中，能够判定为未产生再生颤振，而是产生强制颤振。

图11(b)中示出了进行切削刀具的进给速度的控制的情况下和未进行的情况下的进给速度的时间变化。另外，图11(c)中示出了各情况下的振动位移的时间变化。

在未进行控制的情况下，将进给速度始终维持恒定。另一方面，在进行控制的情况下，作为直至22秒的时间左右为止而振动位移未超过上限阈值的结果，进行稳定加工时的控制，使进给速度阶梯式地升高。而且，如果振动位移以22秒左右的时间超过上限阈值，则此时从稳定加工时的控制切换为强制颤动抑制的控制，进给速度急剧降低。使进给速度降低，从而至此为止，在存在控制的情况下(由实线表示)，振动位移与无控制的情况下(由虚线表示)的振动位移大致相同或者大于或等于无控制的情况下(由虚线表示)的振动位移，与此相对，此后的存在控制的情况下的振动位移达到低于无控制的情况的水平。即，通过使进给速度降低而能够抑制强制颤振。

另外，图10(b)、(c)中，数据的长时间侧的终端点表示完成了规定的加工的时间，但在存在控制的情况下，与无控制的情况相比，在缩短了20％左右的时间内完成加工。这表示通过在稳定加工时进行使进给速度升高的控制，从而能够提高切削效率并缩短加工时间。

这样，通过试验而检验了如下内容，即，通过对切削刀具的进给速度进行变更，从而能够有效地抑制强制颤振。另外，在稳定加工时，能够确认，通过使进给速度升高，能够在强制颤振不深刻的范围内提高切削效率。

以上对本发明的实施方式、实施例进行了说明。本发明并不特别限定于上述实施方式、实施例，可以进行各种改变。

工业实用性

根据本发明，能够提供一种振动抑制装置，能够抑制切削加工时的切削刀具的颤振，并且能够实现较高的切削效率。

本申请以2016年7月25日申请的日本特许申请(特愿2016-145023)、以及2017年5月17日申请的日本特许申请(特愿2017-098329)为基础，这里并入其内容。

标号的说明

1 振动抑制装置

11 振动检测单元

12 刀具控制单元

13 振动解析单元

21 安装部件

22 树脂垫片

23 树脂螺钉

90 加工装置

91 切削刀具

92 旋转主轴

Claims (9)

1.一种振动抑制装置，其抑制一边旋转一边进给的切削刀具的振动，其中，

所述振动抑制装置具有：

振动检测单元，其对所述切削刀具的振动进行检测；

振动解析单元，其基于所述振动检测单元检测出的振动而对所述切削刀具的振动进行解析；以及

刀具控制单元，其基于所述振动解析单元的解析结果而对所述切削刀具的进给速度进行控制，

如果所述振动解析单元检测到所述切削刀具的颤振的大小小于或等于阈值，则所述刀具控制单元使所述切削刀具的进给速度升高。

2.根据权利要求1所述的振动抑制装置，其中，

所述振动解析单元能够识别并检测所述切削刀具的强制颤振，

如果所述振动解析单元检测出超过强制颤动阈值的大小的强制颤振，则所述刀具控制单元使所述切削刀具的进给速度在不低于下限阈值的范围内降低。

3.根据权利要求2所述的振动抑制装置，其中，

所述刀具控制单元在所述切削刀具的进给速度的基础上，能够对转速进行控制，

如果所述振动解析单元在所述切削刀具的进给速度达到所述下限阈值的状态下检测出超过所述强制颤动阈值的大小的强制颤振，则所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更。

4.根据权利要求3所述的振动抑制装置，其中，

在所述振动解析单元检测出超过所述强制颤动阈值的大小的强制颤振而所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更时，避开与共振频率对应的转速而设定所述切削刀具的转速。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的振动抑制装置，其中，

所述振动解析单元能够识别并检测所述切削刀具的再生颤振，

所述刀具控制单元在所述切削刀具的进给速度的基础上，能够对转速进行控制，

如果所述振动解析单元检测出超过再生颤动阈值的大小的再生颤振，则所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更。

6.根据权利要求5所述的振动抑制装置，其中，

所述振动抑制装置用于抑制具有多个切削刀刃的切削刀具的振动，

如果所述振动解析单元检测出超过所述再生颤动阈值的大小的再生颤振，则所述刀具控制单元在所述切削刀具的转速的同时对进给速度进行变更，将每一个所述切削刀刃的进给速度维持恒定。

7.根据权利要求5或6所述的振动抑制装置，其中，

在所述振动解析单元检测出超过所述再生颤动阈值的大小的再生颤振而所述刀具控制单元对所述切削刀具的转速进行变更时，将所述切削刀具的转速设定于根据共振频率而规定的稳定区域。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的振动抑制装置，其中，

所述振动检测单元是与所述切削刀具的旋转主轴结合的加速度传感器。

9.根据权利要求8所述的振动抑制装置，其中，

绝缘体设置于所述切削刀具的旋转主轴与所述振动检测单元之间，使所述振动检测单元相对于所述旋转主轴电绝缘。