CN112783088A - 机床中的主轴转速的监视装置及监视方法、机床 - Google Patents

机床中的主轴转速的监视装置及监视方法、机床 Download PDF

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Abstract

本发明提供机床中的主轴转速的监视装置及监视方法、机床。能够在掌握了颤振的抑制效果的基础上选择用于使转速发生变动的设定值以及进行试加工，能够有效地找出最适于抑制颤振的加工条件。监视装置(13)具有：绘图单元，其将表示变动振幅与变动周期之间的关系的变动图显示于监视器(12)；变动位置显示单元，其将当前的变动位置显示在变动图上；以及抑制效果指标显示单元，其将表示颤振的抑制效果的抑制效果指标显示在变动图上，抑制效果指标根据主轴(3)的同一旋转位置处的任意时刻的转速与相对于该时刻的前1圈的转速的比即速度比被计算出。

Description

机床中的主轴转速的监视装置及监视方法、机床
技术领域
本发明涉及监视方法及监视装置、以及具有该监视装置的机床，在具有供刀具或工件安装并进行马达驱动的主轴和使该主轴的转速以任意的模式连续地发生变动的转速变动单元的机床中，利用显示部显示基于转速变动单元的转速的变动状态。
背景技术
在通过具有供刀具或工件安装并进行马达驱动的主轴的机床进行了切削加工的情况下，当刀具或工件的刚性较低时，有时产生所谓“颤振”。当产生颤振时，会产生刀具缺损或使工件的表面精度恶化等问题。该颤振是因为前一圈在加工面上所产生的起伏与当前的切削所引起的振动之间产生相位延迟，使工件的切割厚度发生变动且振动扩大。
作为抑制该颤振的技术，如在专利文献1或专利文献2那样，已知有如下对策：通过使主轴的转速以规定的变动振幅和变动周期发生变动，从而使基于切割厚度的变动所产生的力的输入不规则。特别是，在专利文献2所公开的监视装置中，通过显示马达的输出极限线等，在马达的输出极限范围内容易选择变动条件，实现了便利性的提高。
专利文献1：日本特开昭49-105277号公报
专利文献2：日本特许5507410号公报
但是，在专利文献2的发明中，没能判断出在马达的输出极限范围内能否充分地得到颤振的抑制效果。因此存在如下问题：即使在马达的输出极限范围内不存在能够抑制颤振的变动条件，还是会反复进行试加工进而损害生产率。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种机床中的主轴转速的监视方法和监视装置、以及机床，在具有使主轴转速以任意的模式连续地发生变动的转速变动单元的机床中，能够在掌握了颤振的抑制效果的基础上选择用于使转速发生变动的设定值并进行试加工，能够有效地找出最适于抑制颤振的加工条件。
为了达成上述目的，第1方面的发明是一种监视装置，所述机床中的主轴转速的监视装置在机床中利用显示部显示由所述转速变动单元引起的所述转速的变动状态，该机床具有供刀具或工件安装并进行马达驱动的主轴和使所述主轴的转速以任意的模式连续地变动的转速变动单元，所述机床中的主轴转速的监视装置的特征在于，具有：
绘图单元，其将示出所述转速的变动振幅与变动周期之间的关系的变动图显示于所述显示部；
变动位置显示单元，其将当前的变动位置显示在所述变动图上；以及
抑制效果指标显示单元，其将表示颤振的抑制效果的抑制效果指标显示在所述变动图上，
所述抑制效果指标根据所述主轴的同一旋转位置处的任意时刻的转速与相对于该时刻提前1圈的时刻的转速的比即速度比被计算出来。
第2方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述抑制效果指标是所述速度比与1的差的绝对值。
第3方面的发明的特征在于，在上述结构中，变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期内的平均值。
第4方面的发明的特征在于，在上述结构中，变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期中的最大值。
第5方面的发明的特征在于，在上述结构中，还具有输出极限线显示单元，所述输出极限线显示单元根据如下计算式生成所述马达的输出极限线并显示在所述变动图上，该计算式包含所述变动周期、相对于作为所述转速的基准的基准转速发生变动的所述转速中的时刻相互不同的第1转速与第2转速的差、包含所述刀具和所述主轴或所述工件和所述主轴的旋转体的惯性、对所述主轴进行驱动的马达的最大输出。
第6方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述计算式为以下的式1，
[式1]
Figure BDA0002750500410000021
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
第7方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述计算式包含所述第1转速与所述第2转速的比率。
第8方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述计算式为以下的式2，
[式2]
Figure BDA0002750500410000031
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
第9方面的发明的特征在于，在上述结构中，将所述第1转速和所述第2转速中的任意一方设为所述转速的最大值，将另一方设为所述转速的最小值。
为了达成上述目的，第10方面的发明是一种机床，所述机床具有：主轴，其供刀具或工件安装并进行马达驱动；以及转速变动单元，其使所述主轴的转速以任意的模式连续地发生变动，其特征在于，
所述机床具有第1方面～第9方面中的任意一方面的主轴转速的监视装置。
为了达成上述目的，第11方面的发明是一种监视方法，所述监视方法在机床中利用显示部显示由所述转速变动单元引起的所述转速的变动状态，所述机床具有：主轴，其供刀具或工件安装并进行马达驱动；以及转速变动单元，其使所述主轴的转速以任意的模式连续地发生变动，所述机床中的主轴转速的监视方法的特征在于，执行以下步骤：
绘图步骤，将示出所述转速的变动振幅与变动周期之间的关系的变动图显示于所述显示部；
变动位置显示步骤，将当前的变动位置显示在所述变动图上；以及
抑制效果指标显示步骤，将表示颤振的抑制效果的抑制效果指标显示在所述变动图上，
所述抑制效果指标根据所述主轴的同一旋转位置处的任意时刻的转速与相对于该时刻提前1圈的时刻的转速的比即速度比被计算出来。
第12方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述抑制效果指标是所述速度比与1的差的绝对值。
第13方面的发明的特征在于，在上述结构中，变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期内的平均值。
第14方面的发明的特征在于，在上述结构中，变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期中的最大值。
第15方面的发明的特征在于，在上述结构中，还执行输出极限线显示步骤，在所述输出极限线显示步骤中，根据如下计算式生成所述马达的输出极限线并显示在所述变动图上，该计算式包含所述变动周期、相对于作为所述转速的基准的基准转速发生变动的所述转速中的时刻相互不同的第1转速与第2转速的差、包含所述刀具和所述主轴或所述工件和所述主轴的旋转体的惯性、对所述主轴进行驱动的马达的最大输出。
第16方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述计算式为以下的式1，
[式1]
Figure BDA0002750500410000041
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
第17方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述计算式包含所述第1转速与所述第2转速的比率。
第18方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述计算式为以下的式2，
[式2]
Figure BDA0002750500410000051
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
第19方面的发明的特征在于，在上述结构中，将所述第1转速和所述第2转速中的任意一方设为所述转速的最大值，将另一方设为所述转速的最小值。
根据本发明，通过显示颤振的抑制效果指标，能够在掌握了颤振的抑制效果的基础上选择用于使转速发生变动的设定值以及进行试加工。因此，能够有效地找出最适于抑制颤振的加工条件。
特别是，根据第5方面～第9方面和第15方面～第19方面的发明，除了上述效果以外，由于是在掌握了马达的输出极限线的基础上搜索变动条件的，因此，能够防止选择超过了马达的输出极限的变动条件。
附图说明
图1是NC车床的概略结构图。
图2是示出主轴转速、速度比和抑制效果指标的变动例的说明图。
图3是监视方法的流程图。
图4是示出变动图的说明图。
标号说明
1：NC车床；2：主轴台；3：主轴；4：卡盘；5：爪；6：马达；7：编码器；8：主轴制御部；9：NC装置；10：存储部；11：变动值设定部；12：监视器；13：监视装置；W：工件；L：输出极限线。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是作为机床的一例的NC车床1的概略结构图。在NC车床1中，在主轴台2上，通过卡盘4和爪5来固定工件W的主轴3被轴支承为旋转自如，在主轴台2的内部内置有对主轴3进行旋转驱动的马达6和固定在主轴台2上并检测主轴3的转速的编码器7。8是与马达6及编码器7连接的主轴控制部，9是向主轴控制部8指示转速的NC装置，主轴控制部8在始终监视着由编码器7检测到的主轴3的转速的同时，调整向马达6供给的输入电力，以使主轴3以NC装置9所指示的转速旋转。
此外，在NC装置9连接有存储加工程序等的存储部10和具有作为显示部的监视器12的变动值设定部11。NC装置9在按照存储部10所存储的加工程序使主轴3旋转的同时，使未图示的刀具沿工件W的旋转轴方向及径向进给移动，由此进行切削加工。
并且，在此，通过从具有输入单元的监视器12向变动值设定部11输入主轴3的转速及其变动振幅和变动周期，能够经由NC装置9和主轴控制部8而如图2的上段的曲线图所示那样使主轴3的转速以所指定的变动振幅Q和变动周期R进行变动。因此，NC装置9成为转速变动单元，变动值设定部11成为变动值设定单元，在其中除了存储部10和监视器12以外还形成有监视装置13。监视装置13作为本发明的绘图单元、变动位置显示单元、抑制效果指标显示单元、输出极限线显示单元发挥功能。
在图3的流程图中说明基于该监视装置13的主轴转速的监视方法。
首先，当在S10中向变动值设定部11输入变动振幅和变动周期时，在S2中，生成图4所示的变动图并显示于监视器12(绘图步骤)。在此，显示出以用于使转速发生变动的变动振幅为纵轴、以变动周期为横轴的变动振幅-变动周期的曲线图。
同时，在该曲线图中，当前的变动振幅-变动周期的设定值(当前的变动位置)被作为第1点用黑圈的标记显示(变动位置显示步骤)。操作者通过直接指向该曲线图上的任意位置或者通过未图示的数字键等分别输入变动振幅和变动周期的数值，来变更变动振幅和变动周期的各设定值。
接着，在S30中，在曲线图上显示抑制效果指标(抑制效果指标显示步骤)。颤振的抑制效果指标与下述的式3所示的速度比α有关，该速度比α是主轴3的同一旋转位置处的任意时刻的转速与相对于该时刻的提前一圈的时刻的转速之比即下式3。
[式3]
Figure BDA0002750500410000071
α：速度比
SA：任意时刻tA的转速，
SB：相对于tA的提前一圈的时刻的转速，
此外，如图2的中段的曲线图所示，速度比α与转速的变动同步地发生变动，在1左右发生增减。速度比α与1的差越大，则颤振的抑制效果越大。因此，例如、如果在下述的式4中对抑制效果指标β进行定义，则意味着β越大，颤振的抑制效果越大。
[式4]
β＝|α-1|
因此，例如，在S30中，按照显示在变动图内的各变动振幅与变动周期的每个组合计算图2的下段的曲线图所示的作为抑制效果指标β的、速度变动1个周期的平均值，用与该平均值的大小对应的颜色显示在曲线图的各坐标点上。在图4中，用暗色表示抑制效果指标较大的坐标点，用亮色表示抑制效果指标较小的坐标点。
另外，在加工时间相对于变动周期非常短的加工中，如果在抑制效果指标β增大的时刻进行加工，则是有效的。在该情况下，在S30中，可以将图2的下段的曲线图所示的作为抑制效果指标β的、速度变动的1个周期中的最大值显示在曲线图上。
在S40中，在曲线图上显示输出极限线L(输出极限线显示步骤)。马达6在流过过大电流时会发热而损坏，因此规定了输入功率的上限。即，马达输出受到限制。因此，即使将转速的变动振幅设定得较大并将变动周期设定得较小，有时也无法以设定的值进行变动。
输出极限线L例如根据下述的式5进行计算，作为可变动的变动振幅和变动周期的极限线显示在曲线图上。另外，如式6和式7所示那样，在式5中被使用的主轴3的最大转速Smax和主轴3的最小转速Smin能够通过变动的转速的基准即基准转速和变动振幅来计算。示出了能够在比该输出极限线L靠右侧的范围内，按照设定值使转速发生变动的情况。即，在变动值设定部11中，优先在该范围中选择最暗的颜色的变动条件。另外，式5表示能够将从马达6的最大输出减去因切削和主轴旋转的摩擦等引起的损耗(PC)所得的输出用于主轴转速的变动。
[式5]
Figure BDA0002750500410000081
R：变动周期
J：包含工件和主轴在内的旋转体的惯性
P：马达的最大输出
Pc：切削输出和损耗输出的合计
Smax：主轴的最大转速
Smin：主轴的最小转速
[式6]
Figure BDA0002750500410000082
S0：基准转速
Q：变动振幅
[式7]
Figure BDA0002750500410000083
另外，与以固定的角加速度进行转速的变动相比，以伴随着转速的增减而进行了增减的角加速度进行转速的变动能够得到更大的颤振抑制效果。在该情况下，替代上述式5，通过使用了最大转速和最小转速的比率的下述式8计算变动振幅和变动周期的输出极限线L。
[式8]
Figure BDA0002750500410000084
这样，本实施方式的主轴转速的监视装置13能够作为将表示转速的变动振幅与变动周期之间的关系的曲线图显示于监视器12的绘图单元、将当前的变动位置(第1点)显示在曲线图上的变动位置显示单元和根据式4来将每个变动条件的颤振抑制效果指标显示在曲线图上的抑制效果指标显示单元来执行上述S20～S40的监视方法。
因此，能够在掌握了颤振的抑制效果的基础上选择用于使转速发生变动的设定值以及进行试加工，能够有效地找出最适于抑制颤振的加工条件。
特别是，在此，由于能够根据式5生成马达6的变动振幅和变动周期的输出极限线L并显示在曲线图上，因此是在还掌握了马达6的输出极限线L的基础上搜索变动条件的，因此能够防止选择超过了马达6的极限的变动条件。
另外，在本实施方式中，在比输出极限线L靠左侧的范围内也示出了抑制效果指标，但由于是无法按照设定值使转速发生变动的变动条件区域，因此也可以不显示抑制效果指标以提示该情况。
此外，虽然在监视器上显示曲线图时，还自动计算并显示了抑制效果指标或输出极限线，但也可以通过设置在变动值设定部中的输入单元分别在任意的时刻显示抑制效果指标或输出极限线。当然，曲线图的形式也不限于上述内容，也可以进行使轴反向或进行三维显示等变更。也可以省略输出极限线的显示。
此外，变动位置的显示不限于圆形，当然也可以选择其他形状的标记或者在当前的变动位置和新变动位置处改变标记的形状。
另一方面，在本实施方式中，是从最开始起以使转速发生变动的方式进行加工的，但在搭载有将振动传感器检测主轴的振动而得到的振动与规定的阈值进行比较来检测颤振的产生的公知检测单元的机床中，可以最开始以设定出的等速度使主轴旋转，当由检测单元检测出颤振的产生时，通过在变动值设定部中输入转速的变动振幅和变动周期来使转速发生变动，并且使监视器显示曲线图等变动图。
此外，操作者能够通过变动值设定部任意地设定变动振幅和变动周期，但在通过程序自动地设定变动值的情况下，还能够显示抑制效果指标。
并且，在上述方式中，在式5和式8中，分别使用了最大转速与最小转速之差，但不限于此，也可以分别在任意的时刻取得与最大转速和最小转速接近的值来计算变动振幅与变动周期之间的关系。在使用比率的情况下也同样如此。
并且，本发明不限于NC车床，只要是使转速发生变动而进行切削加工的机床即可，例如还包含加工中心等。因此，本发明同样还能够应用于仅具有刀具主轴的机床。
此外，在具有供刀具安装并进行马达驱动的刀具主轴并使该刀具主轴的转速与工件主轴的转速一起发生变动的机床的情况下也同样，只要通过上述的式3、式4一并显示与刀具主轴相关的颤振的抑制效果指标即可。
此外，也可以将构成监视装置的存储部、变动值设定部、监视器与NC装置分开，以有线或无线的方式与机床连接。在该情况下，能够通过一个监视装置集中管理多个机床而显示变动振幅和变动周期的设定、以及抑制效果指标。

Claims (19)

1.一种机床中的主轴转速的监视装置，所述机床中的主轴转速的监视装置在机床中利用显示部显示由转速变动单元引起的所述转速的变动状态，该机床具有供刀具或工件安装并进行马达驱动的主轴和使所述主轴的转速以任意的模式连续地发生变动的所述转速变动单元，所述机床中的主轴转速的监视装置的特征在于，具有：
绘图单元，其将示出所述转速的变动振幅与变动周期之间的关系的变动图显示于所述显示部；
变动位置显示单元，其将当前的变动位置显示在所述变动图上；以及
抑制效果指标显示单元，其将表示颤振的抑制效果的抑制效果指标显示在所述变动图上，
所述抑制效果指标是根据所述主轴的同一旋转位置处的任意时刻的转速与相对于该时刻提前1圈的时刻的转速的比即速度比被计算出来的。
2.根据权利要求1所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
所述抑制效果指标是所述速度比与1的差的绝对值。
3.根据权利要求1所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期内的平均值。
4.根据权利要求1所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期中的最大值。
5.根据权利要求1所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
还具有输出极限线显示单元，所述输出极限线显示单元根据如下计算式生成所述马达的输出极限线并显示在所述变动图上，该计算式包含所述变动周期、相对于作为所述转速的基准的基准转速发生变动的所述转速中的时刻相互不同的第1转速与第2转速的差、包含所述刀具和所述主轴或所述工件和所述主轴的旋转体的惯性、对所述主轴进行驱动的马达的最大输出。
6.根据权利要求5所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
所述计算式为以下的式1，
[式1]
Figure FDA0002750500400000011
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
7.根据权利要求5所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
所述计算式包含所述第1转速与所述第2转速的比率。
8.根据权利要求5所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
所述计算式为以下的式2，
[式2]
Figure FDA0002750500400000021
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
9.根据权利要求5所述的机床中的主轴转速的监视装置，其特征在于，
将所述第1转速和所述第2转速中的任意一方设为所述转速的最大值，将另一方设为所述转速的最小值。
10.一种机床，其具有：主轴，其供刀具或工件安装并进行马达驱动；以及转速变动单元，其使所述主轴的转速以任意的模式连续地发生变动，所述机床的特征在于，
所述机床具有权利要求1～9中的任意一项所述的主轴转速的监视装置。
11.一种机床中的主轴转速的监视方法，所述机床中的主轴转速的监视方法在机床中利用显示部显示由转速变动单元引起的所述转速的变动状态，所述机床具有：主轴，其供刀具或工件安装并进行马达驱动；以及所述转速变动单元，其使所述主轴的转速以任意的模式连续地发生变动，所述机床中的主轴转速的监视方法的特征在于，执行以下步骤：
绘图步骤，将示出所述转速的变动振幅与变动周期之间的关系的变动图显示于所述显示部；
变动位置显示步骤，将当前的变动位置显示在所述变动图上；以及
抑制效果指标显示步骤，将表示颤振的抑制效果的抑制效果指标显示在所述变动图上，
所述抑制效果指标是根据所述主轴的同一旋转位置处的任意时刻的转速与相对于该时刻提前1圈的时刻的转速的比即速度比被计算出来的。
12.根据权利要求11所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
所述抑制效果指标是所述速度比与1的差的绝对值。
13.根据权利要求11所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期内的平均值。
14.根据权利要求11所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
变动的所述抑制效果指标是所述转速的变动在一个周期中的最大值。
15.根据权利要求11所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
还执行输出极限线显示步骤，在所述输出极限线显示步骤中，根据如下计算式生成所述马达的输出极限线并显示在所述变动图上，该计算式包含所述变动周期、相对于作为所述转速的基准的基准转速发生变动的所述转速中的时刻相互不同的第1转速与第2转速的差、包含所述刀具和所述主轴或所述工件和所述主轴的旋转体的惯性、对所述主轴进行驱动的马达的最大输出。
16.根据权利要求15所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
所述计算式为以下的式1，
[式1]
Figure FDA0002750500400000031
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
17.根据权利要求15所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
所述计算式包含所述第1转速与所述第2转速的比率。
18.根据权利要求15所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
所述计算式为以下的式2，
[式2]
Figure FDA0002750500400000041
R：变动周期，
S1：任意时刻t1的转速，即第1转速，
S2：任意时刻t2的转速，即第2转速，
J：旋转体的惯性，
P：马达的最大输出，
Pc：切削输出和损耗输出的合计。
19.根据权利要求15～18中的任意一项所述的机床中的主轴转速的监视方法，其特征在于，
将所述第1转速和所述第2转速中的任意一方设为所述转速的最大值，将另一方设为所述转速的最小值。
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