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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Unterdrücken
von Schwingungen, die während einer Bearbeitung durch ein
Maschinenwerkzeug zum Durchführen der Bearbeitung erzeugt werden,
während ein Werkzeug oder ein Werkstück gedreht
wird, und auf eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Schwingungen,
die dieses Verfahren durchführen kann.
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Als
herkömmliche Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen,
die bei einem Maschinenwerkzeug erzeugt werden, ist das in der Patentdruckschrift
1 beschriebene Verfahren bekannt. Um regenerative Ratterschwingungen
als selbsterregte Schwingungen zu unterdrücken, die eine
schlechte Rauhigkeit der Werkstückoberfläche verursachen, beinhaltet
dieses Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen die
Schritte zum Messen einer charakteristischen Frequenz eines Systems,
in dem eine Ratterschwingung eines Werkzeugs, eines Werkstücks
oder dergleichen erzeugt wird, und zum Gewinnen der charakteristischen
Frequenz durch Multiplikation mit 60, Dividieren der Frequenz durch
die Anzahl der Werkzeugschneiden und einer vorbestimmten ganzen
Zahl, um auf diese Weise einen Wert zu erhalten, und zum Verwenden
dieses Wertes als eine Drehzahl (eine stabile Drehzahl). Die charakteristische Frequenz
kann durch Impulserregung eines Werkzeugs oder eines Werkstücks
gewonnen werden.
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Als
weitere Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen ist
das in der Patentdruckschrift 2 beschriebene Verfahren bekannt.
Dieses Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen beinhaltet Schritte
zum Messen einer Frequenz der Ratterschwingung während
einer Bearbeitung durch ein System, das die Ratterschwingung erzeugt,
zum Gewinnen der Frequenz der Ratterschwingung durch Multiplikation
mit 60, Dividieren der Frequenz durch die Anzahl der Werkzeugschneiden
und eine vorbestimmte ganze Zahl, um auf diese Weise einen Wert zu
gewinnen, und zum Verwenden dieses Wertes als eine Drehzahl. Die
Frequenz der Ratterschwingung, die während der Bearbeitung
auftritt, wird durch einen Schallsensor gewonnen, der nahe dem Werkzeug
oder dem Werkstück angeordnet ist, und durch Messen einer
durch den Schallsensor während der Bearbeitung erfassten
Oszillationsfrequenz.
- Patentdruckschrift 1: ungeprüfte
japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2003-340627 A
- Patentdruckschrift 2: japanische Übersetzung der WO/01-517557 A .
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Das
in der Patentdruckschrift 1 offenbarte Verfahren zur Schwingungsunterdrückung
erfordert eine kostspielige Impulsvorrichtung und eine komplexe
Technik zur Verwendung dieser Vorrichtung, was Zeit und Mühen
in Anspruch nimmt. Da des Weiteren eine charakteristische Frequenz,
die vor der Bearbeitung gemessen wird, nicht mit einer charakteristischen
Frequenz während der Bearbeitung übereinstimmt,
kann kaum eine genaue, optimale Drehzahl gewonnen werden.
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Bei
einem Verfahren zur Schwingungsunterdrückung, das in der
Patentdruckschrift 2 offenbart ist, kann darüber hinaus
kaum eine genaue, optimale Drehzahl gewonnen werden, da die Ratterfrequenz und
eine charakteristische Frequenz während der Bearbeitung
geringfügig unterschiedlich sind. Um die Genauigkeit zu
verbessern, könnte eine charakteristische Schwingung aus
einer Ratterfrequenz während der Bearbeitung geschätzt
werden. Wenn jedoch das Rattern nach der Unterdrückung
des Ratterns regeneriert wird, kann sich außerdem ein Parameter
(eine Zahl k, die in einem vorbestimmten Stabilitätsdiagramm
angegeben ist), der zum Schätzen der charakteristischen
Frequenz zum Unterdrücken der regenerierten Ratterschwingung
oder zum Berechnen einer stabilen Drehzahl verwendet wird, in vielen
Fällen ändern, da eine Drehzahl von einer Drehzahl
vor der Unterdrückung des Ratterns geändert wird.
Wenn die Zahl k geändert wird, wird die Drehzahl verringert
oder erhöht, und somit wird, wenn die Zahl k wiederholt
geändert wird, die Drehzahl fortlaufend verringert oder
erhöht, sobald das Rattern erzeugt wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung vorzusehen,
die eine optimale Drehzahl gewinnen kann, durch die die Ratterschwingung
in wirksamer Weise unterdrückt werden kann.
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Es
gehört auch zur Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Schwingungsunterdrückungsverfahren sowie eine Vorrichtung
hierfür vorzusehen, die eine genaue und stabile Drehzahl
zum Unterdrücken von Schwingungen gewinnen können,
ohne dass sich die Drehzahl fortlaufend verringert oder erhöht, auch
wenn das Rattern intermittierend erzeugt wird.
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Um
die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, ist ein erster
Aspekt der Erfindung eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung,
die eine Ratterschwingung unterdrückt, die während
einer Drehung einer Drehwelle bei einem Maschinenwerkzeug erzeugt
wird, das die Drehwelle zum Drehen eines Werkzeugs oder eines Werkstücks
aufweist. Die Vorrichtung hat eine Erfassungseinheit, eine erste
Berechnungseinheit, eine Speichereinheit, eine zweite Berechnungseinheit
und eine Drehzahlsteuereinheit. Die Erfassungseinheit erfasst eine
Zeitbereichsschwingung einer sich drehenden Drehwelle. Die erste
Berechnungseinheit berechnet eine Frequenz der Ratterschwingung
und eine Frequenzbereichsschwingung mit der Frequenz der Ratterschwingung auf
der Grundlage der Zeitbereichsschwingung, die durch die Erfassungseinheit
erfasst wird. Die Speichereinheit speichert die Frequenzbereichsschwingung,
die Frequenz der Ratterschwingung und die Drehwellendrehzahl als
Bearbeitungsinformationen. Wenn die durch die erste Berechnungseinheit
berechnete Frequenzbereichsschwingung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet,
speichert die zweite Berechnungseinheit die Frequenzbereichsschwingung,
die Frequenz der Ratterschwingung und die Drehwellendrehzahl in
der Speichereinheit als gegenwärtige Bearbeitungsinformationen,
und sie berechnet eine optimale Drehwellendrehzahl, durch die die
Ratterschwingung unterdrückt werden kann, auf der Grundlage
der vorherigen Bearbeitungsinformationen, die in der Speichereinheit
gespeichert sind. Die Drehzahlsteuereinheit dreht die Drehwelle
mit der optimalen Drehzahl, die durch die zweite Berechnungseinheit
berechnet ist. Es ist zu beachten, dass die bei dem ersten Aspekt
beschriebene "Schwingung" nicht nur eine Schwingungsbeschleunigung,
eine Versetzung aufgrund der Schwingung, einen Schalldruck aufgrund
der Schwingung und die Schwingung selbst beinhaltet, sondern auch eine
physikalische Änderung, die n der Drehwelle aufgrund der Schwingung
erzeugt wird und einen indirekten Bezug zu der Schwingung haben
kann.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung mit dem folgenden
Merkmal zusätzlich zu dem ersten Aspekt. Die zweite Berechnungseinheit berechnet
nämlich Phaseninformationen auf der Grundlage der Formeln
(1) bis (3), und sie berechnet die optimale Drehzahl auf der Grundlage
der Phaseninformationen und der vorherigen Bearbeitungsinformationen,
die in der Speichereinheit gespeichert sind. Zahl k' = 60 × Frequenz der Ratterschwingung/(Anzahl
der Werkzeugschneiden × Drehwellendrehzahl) (1) Zahl k = ganzzahliger Anteil der Zahl k' (2) Phaseninformationen = Zahl k' – Zahl
k (3)
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Unterdrücken
von Ratterschwingungen, die während einer Drehung einer
Drehwelle bei einem Maschinenwerkzeug erzeugt werden, das die Drehwelle
zum Drehen eines Werkzeugs oder eines Werkstücks aufweist.
Das Verfahren beinhaltet einen Erfassungsschritt, einen Berechnungsschritt
und einen Drehzahlsteuerschritt. Bei dem Erfassungsschritt wird
die Zeitbereichsschwingung aufgrund der sich drehenden Drehwelle
erfasst. Bei dem Berechnungsschritt werden die Ratterfrequenz und
die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung der Ratterfrequenz
auf der Grundlage der Zeitbereichsschwingung berechnet, die bei
dem Erfassungsschritt erfasst wird. Wenn die berechnete Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung
einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, werden Bearbeitungsinformationen
zumindest unter Verwendung der Ratterfrequenz berechnet und gespeichert. Wenn
die vorherigen Bearbeitungsinformationen nicht gespeichert sind,
wird eine stabile Drehzahl, die die Ratterschwingungen der Drehwelle
unterdrücken kann, unter Verwendung der berechneten Bearbeitungsinformationen
berechnet. Wenn andererseits die vorherigen Bearbeitungsinformationen
gespeichert sind, wird die stabile Drehzahl unter Verwendung der
vorherigen Bearbeitungsinformationen berechnet. Die Drehwelle wird
mit der bei dem Berechnungsschritt berechneten stabilen Drehzahl
durch den Drehzahlsteuerschritt gedreht.
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Ein
vierter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Unterdrücken
von Ratterschwingungen bei dem dritten Aspekt, bei dem die Bearbeitungsinformationen
auf einem gewissen Niveau gehalten werden, so dass das fortlaufende
Erhöhen oder Verringern der stabilen Drehzahl in einfacher
Weise und wirksam verhindert wird. Wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen
gespeichert sind, wird die stabile Drehzahl nur unter Verwendung
der gespeicherten Bearbeitungsinformationen berechnet.
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Ein
fünfter Aspekt der Erfindung ist eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung
zum Unterdrücken von Ratterschwingungen, die während
einer Drehung einer Drehwelle bei einem Maschinenwerkzeug erzeugt
werden, das die Drehwelle zum Drehen eines Werkzeugs oder eines
Werkstücks aufweist. Die Vorrichtung hat eine Erfassungseinheit,
eine Berechnungseinheit und eine Drehzahlsteuereinheit. Die Erfassungseinheit
erfasst die Zeitbereichsschwingung aufgrund der sich drehenden Drehwelle. Die
Berechnungseinheit berechnet die Ratterfrequenz und die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung
der Ratterfrequenz auf der Grundlage der durch die Erfassungseinheit
erfassten Zeitbereichsschwingung. Bei diesem Aspekt berechnet die Berechnungs einheit
die Bearbeitungsinformationen zumindest unter Verwendung der Ratterfrequenz, wenn
die berechnete Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung einen vorbestimmten
Schwellwert überschreitet, und sie speichert die berechneten Informationen.
Wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen nicht gespeichert
sind, berechnet die Berechnungseinheit eine stabile Drehzahl, die
die Ratterschwingung der Drehwelle unterdrücken kann, indem
die berechneten Bearbeitungsinformationen verwendet werden. Wenn
die vorherigen Bearbeitungsinformationen gespeichert sind, berechnet
die Berechnungseinheit die stabile Drehzahl zumindest unter Verwendung
der vorherigen Bearbeitungsinformationen. Die Drehzahlsteuereinheit
dreht die Drehwelle mit der stabilen Drehzahl, die durch die Berechnungseinheit
berechnet wird.
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Ein
sechster Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung des fünften
Aspekts, wobei das fortlaufende Erhöhen oder Verringern
der stabilen Drehzahl in einfacher Weise und wirksam dadurch verhindert
wird, dass die Bearbeitungsinformationen auf einem gewissen Niveau
gehalten werden. Wenn die vorherigen Bearbeitungsinformationen gespeichert
sind, berechnet die Berechnungseinheit die stabile Drehzahl nur
unter Verwendung der gespeicherten Bearbeitungsinformationen.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann eine noch genauere, optimale Drehzahl
unmittelbar berechnet werden, da eine "Ratterschwingung", die bei
der tatsächlichen Drehung einer Drehwelle erzeugt wird,
zum Berechnen einer optimalen Drehzahl erfasst wird. Daher kann
eine Verstärkung einer "Ratterschwingung" genau unterdrückt
werden, und somit verbleiben keine Rattermarken an der bearbeiteten Fläche.
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Sobald
eine Frequenzbereichsschwingung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet,
werden des Weiteren die Schwingung, die Frequenz der Ratterschwingung
und die Drehzahl der Drehwelle in der Speichereinheit als Bearbeitungsinformationen gespeichert.
Wenn eine Schwingung den Schwellwert überschreitet, nachdem
die Informationen gespeichert wurden, wird die optimale Drehzahl
unter Verwendung der vorherigen Bearbeitungsinformationen berechnet,
die in der Speichereinheit gespeichert sind. Daher kann eine optimale
Drehzahl, mit der eine regenerative Ratterschwingung zumindest erzeugt
wird, was in einem vorgegebenen Stabilitätsdiagramm angegeben
ist, in einfacher Weise berechnet werden. Somit kann die Bearbeitung
der Rauhigkeit der Werkstückoberfläche auf einem
hohen Niveau gehalten werden.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung werden darüber hinaus die Bearbeitungsinformationen
gespeichert, und eine stabile Drehzahl wird berechnet, durch die
die Ratterschwingung einer Drehwelle unterdrückt werden
kann, und zwar auf der Grundlage der vorherigen Bearbeitungsinformationen.
Daher unterscheidet sich die berechnete, stabile Drehzahl nicht
stark von der vorherigen, stabilen Drehzahl. Auch wenn das Rattern
intermittierend erzeugt wird, kann somit ein fortlaufendes Verringern
oder Erhöhen der Drehzahl verhindert werden.
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1 zeigt
eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines Drehwellengehäuses als ein Objekt
der Schwingungsunterdrückung;
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3 zeigt
eine Ansicht eines Drehwellengehäuses in einer axialen
Richtung;
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4 zeigt
eine Ansicht eines Beispieles eines Ergebnisses einer Fourier-Analyse
einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung;
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5 zeigt
ein Flussdiagramm zum Unterdrücken und Steuern der Ratterschwingung;
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6 zeigt
eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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7 zeigt
ein Flussdiagramm eines Schwingungsunterdrückungsverfahrens,
das bei der Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß der 6 ausgeführt
wird.
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Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden Erfindung werden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben. Außerdem
wird die vorliegende Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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[Erstes Ausführungsbeispiel]
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Eine
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Die 1 zeigt
eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10.
Die 2 zeigt eine Seitenansicht eines Drehwellengehäuses 1 als
ein Objekt der Schwingungsunterdrü ckung. Die 3 zeigt
eine Ansicht eines Drehwellengehäuses 1 in einer
axialen Richtung.
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Die
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 ist eine
Vorrichtung zum Unterdrücken einer "Ratterschwingung",
die in einer Drehwelle 3 erzeugt wird, die an dem Drehwellengehäuse 1 so
vorgesehen ist, dass sie um eine Achse C drehbar ist. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 hat Schwingungssensoren
(eine Erfassungseinheit) 2a bis 2c zum Erfassen
einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung (was eine Schwingungsbeschleunigung
an einer Zeitachse bedeutet), die in der sich drehenden Drehwelle 3 erzeugt
wird, und eine Steuervorrichtung 5 zum Steuern einer Drehzahl
der Drehwelle 3 auf der Grundlage eines durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfassten
Wertes.
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Wie
dies in den 2 und 3 dargestellt ist,
sind die Schwingungssensoren 2a bis 2c an Positionen
nahe der Drehwelle 3 des Drehwellengehäuses 1 angebracht,
und einer der Schwingungssensoren erfasst eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung
in einer Richtung senkrecht zu den anderen Sensoren (zum Beispiel
eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung in der X-, Y- und Z-Axialrichtung
wird erfasst, die zueinander jeweils im rechten Winkel stehen).
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Andererseits
hat die Steuervorrichtung 5 eine FFT-Berechnungseinheit
(eine erste Berechnungseinheit) 6 zum Durchführen
einer Analyse auf der Grundlage einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung,
die durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfasst
wird, eine Berechnungseinheit (eine zweite Berechnungseinheit) 7 zum
Berechnen einer optimalen Drehzahl auf der Grundlage des Wertes, der
durch die FFT-Berechnungseinheit 6 berechnet wird, eine
Speichervorrichtung (Speichereinheit) 9 zum Spei chern eines
berechneten Wertes oder dergleichen, der durch die Berechnungseinheit 7 berechnet
wird, und eine NC-Vorrichtung (Drehzahlsteuereinheit) 8 zum
Steuern einer Bearbeitung des Drehwellengehäuses 1.
Die Steuervorrichtung 5 steuert die Drehzahl der Drehwelle 3 gemäß der nachfolgenden
Beschreibung derart, dass eine Ratterschwingung unterdrückt
wird, die in der Drehwelle 3 erzeugt wird.
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Nun
wird das Unterdrücken und Steuern der "Ratterschwingung"
durch die Steuervorrichtung 5 unter Bezugnahme auf ein
Flussdiagramm in der 5 beschrieben.
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Zunächst
führt die FFT-Berechnungseinheit 6 eine Fourier-Transformation
einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durch, die während
der Drehung der Drehwelle 3 durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c konstant
erfasst wird (S1), und sie berechnet eine maximale Beschleunigung
(eine Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung) und deren Frequenz
(eine Frequenz der Ratterschwingung), wie dies durch ein Bezugszeichen 4 in
der 4 bezeichnet ist (S2).
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Dann
vergleicht die Berechnungseinheit 7 die bei S2 berechnete,
maximale Beschleunigung mit einem voreingestellten, vorbestimmten
Schwellwert (S3). Wenn die maximale Beschleunigung den Schwellwert überschreitet,
bestimmt die Berechnungseinheit 7, dass eine zu unterdrückende
"Ratterschwingung" in der Drehwelle 3 erzeugt wird, sie
berechnet eine Zahl k', eine Zahl k und Phaseninformationen durch
die folgenden arithmetischen Ausdrücke (1) bis (3) unter
Verwendung einer Frequenz der Ratterschwingung, der Anzahl der Werkzeugschneiden und
einer Drehzahl der Drehwelle 3. Dann speichert die Berechnungseinheit 7 die
maximale Beschleunigung und die Frequenz der Ratterschwingung, die bei S2
berechnet sind, und eine gegenwärtige Drehzahl der Drehwelle 3 zusätzlich
zu der Zahl k', der Zahl K und den Phaseninformationen in der Speichervorrichtung 9 als
gegenwärtige Bearbeitungsinformationen (S4). Zahl k' = 60 × Frequenz der Ratterschwingung/(Anzahl
der Werkzeugschneiden × Drehzahl der Drehwelle) (1) Zahl k = ganzzahliger Anteil der Zahl k' (2) Phaseninformationen = Zahl k' – Zahl
k (3)
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Hierbei
wird angenommen, dass die "Anzahl der Werkzeugschneiden" in dem
arithmetischen Ausdruck (1) im Voraus eingegeben und in der Berechnungseinheit 7 eingestellt
wurde. Die Drehzahl der Drehwelle in dem arithmetischen Ausdruck
(1) ist eine gegenwärtige Drehzahl (die im voraus auf die optimale
Drehzahl festgelegt wurde).
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Dann
werden von den Bearbeitungsinformationen, die in der Speichervorrichtung 9 gespeichert sind,
Phaseninformationen und eine Drehzahl der Drehwelle zur Zeit des Überschreitens
eines Schwellwertes beim letzten Mal (vorherige (Überarbeitungsinformationen)
sowie Phaseninformationen und eine Drehzahl der Drehwelle zur Zeit
eines Überschreitens des Schwellwertes bei dem vorletzten
Mal (vorherige Bearbeitungsinformationen) gelesen, und eine optimale
Drehzahl wird unter Verwendung der folgenden arithmetischen Ausdrücke
(4) und (5) berechnet (S5). Betrag
der Drehzahländerung = (1 – Phaseninformationen
beim vorletzten Mal) × (Drehzahl der Drehweile beim vorletzten
Mal – Drehzahl der Drehwelle beim letzten Mal)/(Phaseninformationen
beim letzten Mal – Phaseninformationen beim vorletzten
Mal) (4) Optimale Drehzahl = Drehzahl der Drehwelle beim vorletzten
Mal – Betrag der Drehzahländerung (5)
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Dann ändert
die NC-Vorrichtung 8 die Drehzahl der Drehwelle 3 derart,
dass sie zu der berechneten, optimalen Drehzahl wird, und somit
wird eine Verstärkung der "Ratterschwingung" verhindert,
das heißt unterdrückt (S6).
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Wie
dies beschrieben wurde, unterdrückt und steuert die Steuervorrichtung 5 eine
Ratterschwingung.
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Falls
das Überschreiten des Schwellwertes durch die maximale
Beschleunigung zum ersten Mal erfasst wird und nach dem Starten
des Drehens der Drehwelle 3 zum zweiten Mal erfasst wird,
kann zusätzlich der arithmetische Ausdruck (4) nicht verwendet
werden. In diesen Fällen werden daher die durch den arithmetischen
Ausdruck (3) erhaltenen Phaseninformationen mit einer festgelegten
Konstante nach S3 verglichen. Wenn die Phaseninformationen gleich oder
größer sind als die festgelegte Konstante, wird eine
Zahl k1 durch einen arithmetischen Ausdruck (6) berechnet. Wenn
die Phaseninformationen kleiner sind als die festgelegte Konstante,
wird eine Zahl k1 durch einen arithmetischen Ausdruck (7) berechnet. Zahl k1 = Zahl k + 1 (6) Zahl k1 = Zahl k (7)
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Wenn
die Konstante auf 0,5 festgelegt wird, kann im allgemeinen hierbei
für die festgelegte Konstante ein Änderungsbetrag
der Drehzahl minimiert werden. Wenn jedoch ein Betrag einer Änderungsrate
der Drehzahl klein ist, kann eine Schneidgeschwindigkeit kleiner
als ein minimaler Wert sein, der durch eine vorbestimmte Stabilitätstabelle
bestimmt wird, und zwar in Abhängigkeit vom einer Richtung
der Änderung der Drehzahl, so dass eine regenerative Ratterschwingung
erzeugt werden kann. Somit ist es wünschenswert, dass der
minimale Wert der Schneidgeschwindigkeit auf die festgelegte Konstante
eingestellt wird und mit den Phaseninformationen verglichen wird.
In diesem Fall beträgt die festgelegte Konstante in wünschenswerter
Weise 0,75.
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Die
optimale Drehzahl kann durch einen arithmetischen Ausdruck (8) unter
Verwendung der Zahl k1 berechnet werden, die durch den vorstehend beschriebenen,
arithmetischen Ausdruck (6) oder (7) erhalten wird, und die Drehzahl
der Drehwelle 3 kann so geändert werden, dass
sie zu der optimalen Drehzahl wird. Optimale
Drehzahl = 60 × Frequenz der Ratterschwingung/(Anzahl der
Werkzeugschneiden × Zahl k1) (8)
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Die
vorstehend beschriebene Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 überwacht
die während der Drehung der Drehwelle 3 erzeugte
"Ratterschwingung" in Echtzeit durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c,
die FFT-Berechnungseinheit 6 und die Berechnungseinheit 7.
Wenn eine Erzeugung der "Ratterschwingung" erfasst wird, berechnet
die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 die
optimale Drehzahl unmittelbar unter Verwendung der arithmetischen
Ausdrücke (1) bis (5), und sie ändert die Drehzahl
der Drehwelle 3 zu der optimalen Drehzahl. Da dementsprechend
eine Ratterschwingung, die in der sich tatsächlich drehenden
Drehwelle 3 erzeugt wird, erfasst wird und eine optimale
Drehzahl berechnet wird, kann eine noch genauere, optimale Drehzahl
unmittelbar berechnet werden. Daher kann eine Verstärkung
einer "Ratterschwingung" exakt unterdrückt werden, und
an einer bearbeiteten Fläche verbleiben keine Rattermarken.
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Wann
immer eine maximale Beschleunigung einer Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung einen
Schwellwert überschreitet, speichert die Speichervorrichtung 9 des
Weiteren die Zahl k', die Zahl k und die Phaseninformationen, die
durch die arithmetischen Ausdrücke (1) bis (3) als gegenwärtige
Bearbeitungsinformationen berechnet sind, und zwar zusätzlich
zu der maximalen Beschleunigung, deren Frequenz (die Frequenz der
Ratterschwingung) und der Drehzahl der Drehwelle. Wenn die maximale
Beschleunigung den Schwellwert beim nächsten Mal und darauf
folgend überschreitet, wird eine optimale Drehzahl unter
Verwendung der vorherigen Bearbeitungsinformationen berechnet, die
in der Speichervorrichtung 9 gespeichert sind. Daher kann
in einfacher Weise eine optimale Drehzahl berechnet werden, bei
der eine regenerative Ratterschwingung kaum erzeugt wird und die
in einer vorgegebenen Stabilitätstabelle angegeben ist,
und das Finish der Werkstückberflächenrauigkeit
kann auf einem hohen Niveau gehalten werden.
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Wenn
des Weiteren "Ratterschwingungen" beim ersten Mal und beim zweiten
Mal erfasst werden, bei denen keine ausreichenden Bearbeitungsinformationen
in der Speichervorrichtung 9 gespeichert sind, werden die
Phaseninformationen mit festgelegten Informationen verglichen, und
eine optimale Drehzahl wird jeweils auf der Grundlage der Zahl k1 berechnet,
die entsprechend dem Vergleichsergebnis geändert wird.
Daher können "Ratterschwingungen" in einer kurzen Zeit
unterdrückt werden, und es kann erwartet werden, dass das
Finish der Werkstückoberflächenrauigkeit ver bessert
wird, dass der Werkzeugverschleiß beschränkt wird
und dass eine Beschädigung eines Werkzeugs verhindert wird.
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Es
ist zu beachten, dass die Schwingungsunterdrückung gemäß der
vorliegenden Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt ist. Konfigurationen der Erfassungseinheit,
der Steuervorrichtung und der Steuerung der Schwingungsbegrenzung
der Steuervorrichtung können je nach Bedarf angemessen
geändert werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden
Erfindung verlassen wird.
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Wenn
zum Beispiel die Zahl k', die Zahl k, die Phaseninformationen, ein
Betrag der Drehzahländerung oder dergleichen sowie ihre
Beziehungen, die in den arithmetischen Ausdrücken (1) bis
(8) beschrieben sind, gemäß der Art eines Maschinenwerkzeugs korrekt
geprüft und bestimmt werden, kann die Genauigkeit weiter
verbessert werden.
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Wenn
des Weiteren ein Betrag der Drehzahländerung berechnet
wird, werden die Phaseninformationen beim vorletzten Mal von der
Konstanten "1" in dem arithmetischen Ausdruck (4) subtrahiert. Auch wenn
die Konstante theoretisch "1" beträgt, kann jedoch ein
geringfügig von "1" abweichender Wert wie zum Beispiel
"1,05", zum Erhalten eines Betrags der Drehzahländerung
verwendet werden.
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Wenn
bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Weiteren eine Fourier-Transformation
der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durchgeführt wird,
die durch die Erfassungseinheit erfasst wird, wird eine "Ratterschwingung"
unter Verwendung eines Spitzenwerts gesteuert und unterdrückt,
bei dem eine Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung das Maximum
zeigt. Jedoch kann die Unterdrü ckungswirkung für
eine "Ratterschwingung" dadurch weiter verbessert werden, dass eine
optimale Drehzahl unter Verwendung von mehreren Spitzenwerden (zum
Beispiel drei Spitzenwerten) berechnet wird, bei denen die Werte
der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigungen eine höhere
Ordnung haben.
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Des
Weiteren wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine Erfassung
einer Schwingungsbeschleunigung der Drehwelle unter Verwendung der Schwingungssensoren übernommen.
Jedoch ist es auch möglich, eine Konfiguration zu nutzen,
bei der die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung eine Versetzung
oder einen Schalldruck aufgrund der Schwingungen erfasst und eine
optimale Drehzahl auf der Grundlage der erfassten Versetzung oder
des erfassten Schalldrucks berechnet.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich
eine Erfassung einer Schwingung der Drehwelle eines Maschinenwerkzeugs übernommen.
Jedoch ist es auch möglich, eine Konfiguration zu nutzen,
bei der die Vorrichtung eine Schwingung eines Werkstücks
erfasst, das sich an einer sich nicht drehenden Seite (an einer
ortsfesten Seite) befindet, und bei der eine optimale Drehzahl berechnet
wird. Außerdem kann die vorliegende Erfindung nicht nur
auf ein Bearbeitungszentrum der Drehung des Werkzeugs angewendet
werden, sondern auch auf ein Maschinenwerkzeug zum Drehen eines
Werkstücks, wie zum Beispiel eine Drehbank. Selbstverständlich können
zusätzlich eine Anbringungsposition und eine Anzahl der
angebrachten Erfassungseinrichtungen in Abhängigkeit von
einer Art oder einer Größe eines Maschinenwerkzeugs
angemessen geändert werden.
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[Zweites Ausführungsbeispiel]
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Die 6 zeigt
eine Blockdarstellung einer Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 hat
ein Drehwellengehäuse 1 (s. 2 und 3)
als ein Objekt der Schwingungsunterdrückung wie bei dem
ersten Ausführungsbeispiel. Das Drehwellengehäuse 1 hat
eine Drehwelle 3, die um eine Achse mit einer Achse C drehbar
ist. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 unterdrückt
eine Ratterschwingung, die in der sich drehenden Drehwelle 3 erzeugt
wird. Die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 hat
Schwingungssensoren 2a bis 2c als eine Erfassungseinheit,
die zum Erfassen einer Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung geeignet
ist, die in der sich drehenden Drehwelle 3 erzeugt wird,
und eine Steuervorrichtung 105 zum Steuern der Drehzahl
der Drehwelle 3 auf der Grundlage des Werts, der durch
die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfasst wird.
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Wie
dies in den 2 und 3 dargestellt ist,
sind die Schwingungssensoren 2a bis 2c an dem Drehwellengehäuse 1 so
angebracht, dass sie die Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung in
der X-, Y- und Z-Axialrichtung erfassen, die sich gegenseitig orthogonal
schneiden, um eine Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung (eine Schwingungsbeschleunigung über
eine Zeitachse) zu erfassen.
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Des
Weiteren hat die Steuervorrichtung 105 eine FFT-Berechnungseinheit 106 zum
Durchführen einer Fourier-Analyse auf der Grundlage der
Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung, die durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfasst
wird, eine Einheit 107 zum Berechnen einer stabilen Drehzahl, um
eine stabile Drehzahl auf der Grundlage des durch die FFT-Berechnungseinheit 106 berechneten Wertes
zu berechnen, und eine NC-Vorrichtung 108 als eine Drehzahlsteuereinrichtung,
die für eine Steuerverarbeitung in dem Drehwellengehäuse 1 eingerichtet
ist. Die NC-Vorrichtung 108 in der Steuervorrichtung 105 überwacht
die Drehzahl der Drehwelle 3. Zusätzlich entsprechen
die FFT-Berechnungseinheit 106 und die Einheit 107 zum
Berechnen der stabilen Drehzahl der Berechnungseinheit.
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Ein
Beispiel eines Schwingungsunterdrückungsverfahrens der
Ratterschwingung durch die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 mit
der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird hauptsächlich
unter Bezugnahme auf die 7 beschrieben. Die 7 zeigt
ein Flussdiagramm der Begrenzungssteuerung.
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Die
FFT-Berechnungseinheit 106 führt eine Fourier-Analyse
der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durch, die während
der Drehung durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c konstant
erfasst wird, und sie berechnet fortlaufend eine maximale Beschleunigung
und deren Frequenz 4 (Frequenz der Ratterschwingung), wie
dies in der 4 dargestellt ist (Schritt S10
in der 7, der Erfassungsschritt), und zwar wie bei dem
ersten Ausführungsbeispiel. Wenn zusätzlich die
Fourier-Analyse der Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung durchgeführt
wird, werden viele Spitzenwertmuster gewonnen, die eine Korrelation
zwischen der Frequenz und der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung angeben,
wie dies in der 4 dargestellt ist. Jedoch verwendet
dieses Ausführungsbeispiel einen Spitzenwert mit einem
maximalen Wert der Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung.
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Dann
vergleicht die Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl
die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung, die durch die FFT-Berechnungseinheit 106 berechnet
wird, mit einem im voraus festgelegten Schwellwert. Wenn die Frequenzbereichsschwin gungsbeschleunigung
einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet (zum Beispiel
wird die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung mit der Frequenz 4 in
der 4 erfasst), bestimmt die Einheit 107 zum
Berechnen der stabilen Drehzahl, dass die zu unterdrückende
Ratterschwingung in der Drehwelle 3 erzeugt wird. Dann berechnet
die Einheit 107 zum Berechnen der stabilen Drehzahl eine
Zahl k durch die folgenden Formeln (101) und (102) und speichert
sie als Bearbeitungsinformationen, berechnet eine stabile Drehzahl
durch die folgende Formel (103) und gibt diese zu der NC-Vorrichtung 108 ab
(Schritt S102, ein Berechnungsschritt, falls die vorherigen Bearbeitungsinformationen
nicht gespeichert sind). Hierbei geben die Bearbeitungsinformationen
eine Zahl k und eine Zahl k' an. Des Weiteren wird eine Anzahl der
Werkzeugschneiden im voraus in die Einheit 107 zum Berechnen
der stabilen Drehzahl eingestellt. Darüber hinaus ist die
Drehwellendrehzahl eine gegenwärtige Drehzahl der Drehwelle 3 vor
einer Änderung zu einer stabilen Drehzahl. Zusätzlich
ist die Ratterfrequenz die Frequenz 4, wenn die Ratterschwingung
erzeugt wird. Zahl k' = 60 × Ratterfrequenz/(die
Anzahl der Werkzeugschneiden × Drehwellendrehzahl) (101) Zahl k = ganzzahliger Anteil der Zahl k' (102) stabile Drehzahl = 60 × Ratterfrequenz/{die
Anzahl der Werkzeugschneiden × (Zahl k + 1)} (103)
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Wenn
die Abgabe der stabilen Drehzahl von der Einheit 107 zum
Berechnen der stabilen Drehzahl bei dem Schritt S102 aufgenommen
wird, ändert die NC-Vorrichtung 108 die Drehzahl
der Drehwelle 3 auf eine stabile Drehzahl (Schritt S103,
ein Drehzahlsteuerschritt). Wenn die Drehzahl der Drehwelle 3 auf
die stabile Drehzahl geändert wird, wird die Ratterschwingung
unterdrückt, so dass ein stabiler Bearbeitungszustand erhalten
werden kann.
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Auch
wenn ein stabiler Bearbeitungszustand erhalten wird, bei dem die
Ratterschwingung unterdrückt wird, erfassen die Schwingungssensoren 2a bis 2c weiterhin
die Zeitbereichsschwingungsbeschleunigung (ein Erfassungsschritt).
Wenn des Weiteren die Ratterschwingung regeneriert wird und die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung
den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, berechnet die
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 die Bearbeitungsinformationen
erneut, um so eine stabile Drehzahl abzugeben, und zwar durch einen ähnlichen
Prozess wie bei dem Schritt S102. Wenn jedoch die berechnete Zahl
k nicht mit der Zahl k übereinstimmt, die im voraus gespeichert
wurde, (bei dem Schritt S102), wird die gespeicherte Zahl k durch
die neu berechnete Zahl k ersetzt, um so eine stabile Drehzahl zu
berechnen (Schritt S104, ein Berechnungsschritt, falls die Bearbeitungsinformationen vorhanden
sind, die in der Vergangenheit gespeichert wurden). Bei dem Schritt
S104 kann zusätzlich eine stabile Drehzahl auf der Grundlage
der gespeicherten Zahl k berechnet werden, ohne dass die Bearbeitungsinformationen
berechnet werden.
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Wenn
eine Abgabe der stabilen Drehzahl von der Einheit 107 zum
Berechnen der stabilen Drehzahl bei dem Schritt S104 aufgenommen
wird, ändert die NC-Vorrichtung 108 die Drehzahl
der Drehwelle 3 auf eine stabile Drehzahl (Schritt S5,
ein Drehzahlsteuerschritt). Wenn die Drehzahl der Drehwelle 3 auf
die stabile Drehzahl geändert wird, werden die Ratterschwingungen
unterdrückt, um so erneut einen stabilen Verarbeitungszustand
zu erhalten. Des Weiteren wird diese stabile Drehzahl auf der Grundlage
derselben Zahl k wie in der Vergangenheit berechnet (Schritt S102).
Somit ist diese stabile Drehzahl ungefähr gleich der vergangenen
stabilen Drehzahl, und sie unterscheidet sich nicht stark von der
vergangenen stabilen Drehzahl.
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Wenn
des Weiteren die Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung den vorbestimmten Schwellwert über
den stabilen Bearbeitungszustand erneut überschreitet (falls
die Ratterschwingung intermittierend erzeugt wird), wiederholt die
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 die Erfassung durch
die Schwingungssensoren 2a bis 2c und die Schritte
S104 und S105, und sie setzt die Drehzahl der Drehwelle 3 auf
eine neue Drehzahl, um einen stabilen Bearbeitungszustand herzustellen.
Die neue stabile Drehzahl wird auf der Grundlage der Zahl k wie
bei dem Schritt S104 berechnet. Somit ist die neue stabile Drehzahl ähnlich
der vergangenen stabilen Drehzahl, und sie unterscheidet sich nicht
stark von der vergangenen stabilen Drehzahl. Auch wenn die Ratterschwingung
intermittierend erzeugt wird, wird die stabile Drehzahl nicht kontinuierlich
verringert oder erhöht.
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Die
vorstehend beschriebene Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 110 berechnet
eine stabile Drehzahl mit einer festen Zahl k auf der Grundlage der
Zahl k, die aus dem vergangenen Bearbeitungsergebnis berechnet und
gespeichert wird. Wenn die Ratterschwingung intermittierend erzeugt
wird, unterscheidet sich somit eine stabile Drehzahl nicht stark von
der vergangenen Drehzahl, und ein aufeinander folgendes Verringern
oder Erhöhen der Drehzahl der Drehwelle 3 kann
verhindert werden. Daher kann die bearbeitete Fläche auf
eine hohe Qualität mit hoher Effizienz gehalten werden.
Da des Weiteren eine Änderung der Drehzahl der Drehwelle 3 gering
ist, kann ein Problem verhindert werden, dass eine übermäßige
Last auf ein Werkzeug oder auf eine Hauptachse aufgebracht wird.
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Zusätzlich
wird ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
geschaffen, indem hauptsächlich das vorstehend beschriebene
Ausführungsbeispiel geändert wird. Verschiedene
vorherige Zahlen k (zum Beispiel fünf Zahlen k) werden
kollektiv gespeichert, und eine neue Zahl k kann dadurch erhalten
werden, dass ein Durchschnittswert der vorbestimmten Anzahl der
vergangenen Zahlen k (zum Beispiel fünf Zahlen k) gerundet
wird. Es kann auch eine neue Zahl k dadurch gebildet werden, dass
die Zahl k durch einen Wert ersetzt wird, der am häufigsten
in der vorbestimmten Anzahl der vergangenen Zahlen k (zum Beispiel
fünf Zahlen k) auftritt. In diesen Fällen kann
ein darauf folgendes Erhöhen oder Verringern der Drehzahl
verhindert werden. Des Weiteren kann bei einer Fourier-Analyse durch
die Steuervorrichtung eine Vielzahl von Schwingungsfrequenzen höherer
Ordnung in einer Frequenzbereichsschwingungsbeschleunigung so extrahiert
werden, dass eine stabile Drehzahl unter Verwendung von diesen Schwingungsfrequenzen
berechnet wird. Darüber hinaus kann ein Schalldruck, der
durch eine Versetzung oder durch eine Drehung aufgrund einer Schwingung
erzeugt wird, anstelle oder zusammen mit der Schwingungsbeschleunigung
der Drehwelle erfasst werden, um so eine stabile Drehzahl zu berechnen.
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Zusätzlich
dazu kann die Erfassungseinrichtung an einer Befestigungsseite (ein
Werkstück und/oder ein Ort nahe dem Werkstück)
anstelle oder zusammen mit der Drehwellenseite angeordnet sein. Des
Weiteren kann die vorliegende Erfindung auf andere Bearbeitungswerkzeuge
einschließlich einer Drehbank zum Drehen eines Werkstücks
angewendet werden. Bei dem Maschinenwerkzeug, das ein Werkstück
dreht, kann eine Schwingung an einer Seite einer Hauptachse, die
ein Werkstück hält, erfasst werden, und eine Schwingung
an einer Werkzeugseite als die befestigte Seite kann erfasst werden.
Des Weiteren können die Anzahl der Erfassungseinheiten
sowie deren Anordnung in angemessener Weise entsprechend einer Art
oder einer Größe eines Maschinenwerkzeugs geändert
werden. Darüber hinaus können verschiedene Arten
von Berechnungseinheiten integriert oder getrennt werden, und eine
getrennte Speichervorrichtung kann neben einer Berechnungsvorrichtung
vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-340627
A [0003]
- - WO 01-517557 A [0003]