CN105563225A - 动态稳定机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动态稳定机床，包括：在其中产生按照滑枕(4)的至少两个主要的弯曲方向的振动的滑枕(4)；适用于测量滑枕(4)在主要弯曲方向上的振动的幅值的传感器；以及至少两个基本上平面形状的惯性致动器(7)，其中，每个惯性致动器(7)适于在滑枕(4)的一个主要弯曲方向上产生力(F)，每个惯性致动器(7)按照基本上平行于侧面的设置被整体结合到滑枕的所述侧面上，并且其中，由每个惯性致动器(7)产生的力(F)平行于惯性致动器整体结合到的滑枕(4)的侧面，并且基本垂直于滑枕(4)的纵剖面，由所述至少两个惯性致动器(7)产生的力(F)彼此垂直。

Description

动态稳定机床
技术领域
本发明涉及在机械加工过程中在包括支撑工作工具的悬臂的运动元件的机床中产生的振动的抑制和衰减。本发明特别地提出了一种包括整体形成在滑枕中的有源惯性阻尼系统的机床，例如，铣床，镗床或立式车床。
背景技术
机床的机械结构在不同振幅下以特定频率进行机械加工操作中趋向于振动，通常所说的颤动发生的自激振动能够损坏端部零件质量和实际机械加工的完整性，导致切削工具的过早磨损或者甚至损坏以及减少机械的机床部件的使用寿命。
装备有悬臂移动元件的机床，例如铣床、镗床或立式车床，其包括具有高度可变动态响应的滑枕。滑枕的惯性和柔性导致机床响应根据滑枕所处位置而改变，因此机床的质量分布以及静态的和动态的刚度两者都随着滑枕移动而变化。因此，随着工具在切削过程中与零件相互作用，机床行为基于滑枕的位置将会差异巨大，这会对机床切削能力产生大的改变。
为了抑制在机械加工中产生的不希望的振动，有源和无源阻尼器两者的使用是已知的。无源阻尼器包括附连到要通过阻尼柔性附件抑制的结构上的质量。无源阻尼器的固有频率被调谐使其与被抑制的结构的固有频率是相同的。然而，当被抑制的结构的动态参数改变时这些无源阻尼器会失效，因而对于具有移动元件(例如滑枕)的机床反而是无效的。
然而，有源阻尼器能够适用于动态改变的装置。它们由测量产生的振动的传感器和允许引入力的致动器形成。在有源惯性阻尼器中，该力通过加速悬挂在被抑制的结构中的移动质量块来获得，使得当移动质量块在需要的方向上摆动时，产生了减小了机床中产生的机械振动的振幅的惯性力。例如，1970年公布的Cowley和Boyle的文章公开了使用包括加速计的惯性致动器以在机床结构中引入有源阻尼。“Cowley，A.；Boyle，A.；Activedampersformachinetools(用于机床的有源阻尼器)；AnnalsoftheCIRP(国际生产工程学会年鉴)，第18卷，第213-222页，1970年”。
双向惯性致动器是有源阻尼器的一种类型，其能够产生彼此垂直的两个单独的力。由于它们的尺寸，这样的致动器在滑枕中的整体结合是复杂的。在内部容纳一个双向致动器涉及在滑枕中打开大的壳体，这将导致刚度减小，或者涉及增加滑枕的总体尺寸，这将导致成本的增加和机床的重新设计。另外一个选择是将双向致动器容纳在滑枕之外；然而，滑枕和零件之间干涉的可能性大大增加。
西班牙专利ES2425994属于同一申请人，该发明公开了一种在切削头包括惯性致动器的铣床。尽管该解决方案允许改进机床的动态操作特性，然而由于非常靠近振动起源的切削点的振动被抑制以及切削头是相对于滑枕旋转的移动部分，所以对于惯性致动器必要的输入和控制信号的通道是复杂和昂贵的。
美国专利US6296093公开了具有悬臂移动元件(滑枕)的机床，其包括两个单向惯性致动器，如图3所示。该惯性致动器位于滑枕的最接近切削工具的端部，在滑枕的两个相邻的侧上。每个惯性致动器特别地适于产生垂直于其所设置在的滑枕的侧面的表面的力，由两个致动器产生的两个力彼此垂直。尽管该解决方案允许通过两个单向致动器获得由一个双向惯性致动器获得的相同的效果，然而由于产生的力垂直于滑枕的侧面表面，所以需要将惯性致动器设置在滑枕的外部，使得滑枕的尺寸增加，并且因此在加工期间发生在滑枕和零件之间的干涉的可能性也会增加。
基于上文所述，需要一种具有能够并入到机床的滑枕中的振动阻尼系统的机床，其尽可能少占用空间，因此对现有的解决方案提供一种简单有效的替换。
发明内容
本发明提出了一种包括了整体结合到机床现有的滑枕中的有源惯性阻尼系统的机床，其采用占用最小空间并且没有增加滑枕通常的总体尺寸的阻尼系统实现了对振动的适当地抑制。本发明能够应用到包括悬臂元件(例如滑枕)的任何类型的机床上，例如铣床，镗床，立式车床或加工中心。
本发明的机床包括：
-包括支撑切削工具的加工头的滑枕，在加工过程中按照滑枕的至少两个主要的弯曲方向在滑枕中产生振动；
-适用于测量滑枕在主要弯曲方向上摆动时的振动幅值的传感器，以及；
-至少两个基本上平面形状的惯性致动器，其中，每个惯性致动器适于在滑枕的主要弯曲方向中的一个上产生力，每个惯性致动器按照基本上平行于侧面的设置被整体结合到滑枕的所述侧面上，并且其中，由每个惯性致动器产生的力平行于滑枕的惯性致动器整体结合到其上的侧面，并且基本上垂直于滑枕的纵截面，由上述至少两个惯性致动器产生的力彼此垂直。
惯性致动器的基本上的平面形状和其平行于滑枕的侧面的设置避免致动器伸出滑枕的本体，它们被并入到滑枕的现有侧面上，借此避免了在加工过程中与零件或其它元件的不期望的碰撞。这种构造允许在滑枕中占用最小的空间，将滑枕的内部空出，用于通过切削工具的驱动主轴。
可设想惯性致动器设置在滑枕的最靠近支撑切削工具的加工头的端部处，因为惯性致动器越接近于振动产生的切削点，抑制振动所需要的力就越小，并且因此惯性致动器的尺寸就越小。
根据本发明的一个实施例，滑枕包括两个整体结合到滑枕相邻侧面的惯性致动器，其中，惯性致动器中的一个适于产生在滑枕的主要弯曲方向中的一个上的力，另一个惯性致动器适于产生沿滑枕的另一主要弯曲方向的另一力。
根据本发明的另一个实施例，滑枕包括四个惯性致动器，每一个都整体结合到滑枕的相应的侧面，其中，所述惯性致动器中的两个适于产生在滑枕的主要弯曲方向中的一个上的相应的力，并且另两个惯性致动器适于产生在滑枕的另一主要弯曲方向上的另一相应的力。
根据本发明的另一实施例，滑枕包括三个惯性致动器，每一个都整体结合到滑枕的相应侧面上，并且其中，所述惯性致动器中的两个适于产生在滑枕的主要弯曲方向中的一个上的相应的力，并且另一个惯性致动器适于产生在滑枕的另一主要弯曲方向上的另一力。
每个惯性致动器都由基本上平面形状的顶板和底板形成，顶板和底板配置成使得它们较大的面面向彼此，其中，板通过它们的端部相对于滑枕在滑枕的主要弯曲方向中的一个方向上被悬置。
根据本发明的一个实施例，适于测量滑枕摆动时的振动幅值的传感器是两个单轴加速计，其中的每一个实时测量滑枕在其主要弯曲方向中的一个上摆动时的振动幅值。根据另一实施例，传感器是三轴加速计，其实时地测量滑枕在其至少两个主要弯曲方向上摆动时的振动幅值。
可设想传感器设置在滑枕上靠近惯性致动器。将传感器定位成尽可能靠近惯性致动器是特别重要的，因为惯性致动器的目的是使得它们以与按照滑枕的至少两个主要弯曲方向在滑枕中产生的振动基本上相同并且方向与其相反的力摆动。
此外，可设想每一个惯性致动器在相对于滑枕悬置的板中的一个板上包括加速计，使得由所述的惯性致动器引入的力能够被测量。所述加速计获得的数据能够因此通过获得频率响应函数被用在先进控制技术中或者用在测量动态柔性(敏感性)中。
由此获得了一种机床，该机床由于其结构和功能上的特征，导致产生了允许有效地抑制加工过程中在滑枕中产生的振动的动态稳定机床。
附图说明
图1示出了根据本发明的动态稳定铣床的透视图。
图2示出了整体结合到滑枕最靠近加工头的端部处的惯性致动器的透视图。
图3是图2中描述的惯性致动器中的一个的配置的示意正视图。
图4是图2中描述的另一惯性致动器的配置的示意侧视图。
图5是整体结合到滑枕的两个相邻侧面上的两个惯性致动器的剖视图。
图6是整体结合到滑枕的四个侧面上的四个惯性致动器的剖视图。
图7示出了根据本发明的动态稳定立式车床的透视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的动态稳定机床的实施例。图1所述的机床是铣床，其包括通常在其上放置待加工零件的工作台(1)，在其上设置有立柱(3)的基座(2)，以及滑枕(4)，所述滑枕设置在立柱(3)中，并且在其端部处包括加工头(5)，切削工具(6)位于加工头中用于加工零件。
立柱(3)能够在基座(2)上按照由轴线(X)表示的第一水平方向移动，而滑枕(4)能够相对于立柱(3)按照由轴线(Y)描述的竖直方向和由轴线(Z)描述的第二水平方向移动。为此，滑枕(4)安装在平移载架(未示出)上，滑枕(4)能够沿着轴线(Z)相对于平移架水平移动，而平移载架又能够相对于立柱(3)沿着轴线(Y)移动，滑枕(4)因此能够沿着轴线(Y)竖直地移动。
滑枕(4)因此能够通过沿着三个轴线(X，Y，Z)的内插运动位于任意空间位置。在任何情况下以及在非限制性的方式中，立柱(3)可以被固定到基座(2)上，在这种情况下，放置在工作台(1)上待加工零件按照轴线(X)水平移动。
滑枕(4)是以悬臂方式相对于立柱(3)设置的扁长形元件(长大于宽)；因此并且由于它的惯性和柔性，滑枕是对机床动态响应影响最大的机床零件，使得加工过程基于滑枕(4)相对于立柱(3)所位于的空间位置运行差异大。
实验已经证明，滑枕(4)的临界振动模式响应于它的弯曲模式，使得滑枕(4)趋向于主要在平行于轴线(X)和(Y)的两个方向上摆动，由此施加与滑枕(4)沿其摆动的主要弯曲方向对齐的阻尼力，这对于抑制产生在滑枕(4)上的振动有显著意义。
为了抑制这些振动，至少两个惯性致动器(7)被整体结合到滑枕(4)中，其中的每一个沿着与滑枕(4)沿其摆动的主要弯曲方向相反的方向上施加阻尼力(F)，使得该惯性致动器(7)振动传递惯性力到滑枕(4)上，减小产生的机械振动的振幅。
为了确保适当的振动耗散，惯性致动器(7)被设置在滑枕(4)的最靠近切削工具(6)的端部处。这一因素特别有关，因为惯性致动器(7)距离切削点越远，被施加用于抑制振动的力越大，因此致动器的尺寸越大，用于整体结合它到滑枕(4)中所需要的空间也必须越大。
滑枕(4)具有棱柱形的形状，其具有带有四个侧面(4.1，4.2，4.3，4.4)的矩形截面，使得所述至少两个惯性致动器(7)被整体结合到滑枕(4)的两个侧面(4.1，4.2)上。换句话说，惯性致动器(7)被并入到滑枕的现有侧面(4.1，4.2，4.3，4.4)上，使得惯性致动器(7)的厚度基本上与其所并入的滑枕的侧面厚度是相同的。
因此，如在图2-5中更详细的所见，第一惯性致动器(7.1)被整体结合到滑枕(4)的第一侧面(4.1)上，第二惯性致动器(7.2)被整体结合到滑枕(4)的与第一侧面(4.1)相邻的第二侧面(4.2)上。
惯性致动器(7)具有基本上平面的形状，其允许它到滑枕(4)的侧面(4.1，4.2，4.3，4.4)的整体结合占用最少的空间，并且空出滑枕(4)的内部，用于通过加工头(6)的驱动轴和工作工具(7)以及用于任意其它加工所需的系统。
惯性致动器(7)中的每一个特别适于产生平行于其所设置在其上的滑枕(4)的侧面的力(F)，使得第一惯性致动器(7.1)产生平行于滑枕(4)的第一侧面(4.1)的第一力(F1)，并且第二惯性致动器(7.2)产生平行于滑枕(4)的第二侧面(4.2)的第二力(F2)。第一力(F1)平行于轴线(X)，第二力(F2)平行于轴线(Y)，并且它们两者都垂直于滑枕(4)沿着轴线(Z)延伸的纵截面。第一力(F1)和第二力(F2)因此彼此垂直。
根据图6所示的实施例，滑枕(4)包括四个惯性致动器(7)，它们中的每一个被嵌入到滑枕(4)的一个相应侧面(4.1，4.2，4.3，4.4)中。因此，除了第一和第二惯性致动器(7.1，7.2)以外，还设置有产生平行于滑枕(4)的第三侧面(4.3)的第三力(F3)的第三惯性致动器(7.3)和产生平行于滑枕(4)的第四侧面(4.4)的第四力(F4)的第四惯性致动器(7.4)，在此第三力(F3)平行于轴线(X)，第四力(F4)平行于轴线(Y)，并且它们两者都垂直于滑枕(4)的纵截面。因此，通过使用四个惯性致动器(7)，抑制振动所需要的力比仅使用两个惯性致动器(7)的情况要小；所需的力被减小到大约一半，惯性致动器(7)的尺寸和整体结合到滑枕(4)中所需要的空间也因此更小。
另一个可能的构造是基于使用三个惯性致动器(7)，它们位于滑枕(4)的三个侧面上，例如，第一和第三惯性致动器(7.1，7.3)施加平行于轴线(X)的力(F1，F3)，第二惯性致动器(7.2)施加平行于轴线(Y)的力(F2)。
每个惯性致动器(7)所需的力的量取决于滑枕(4)的质量、刚度以及固有阻尼，因此力的量将会基于每个机床的设计特性以及为了获得所需的阻尼的目的来选择。
机床具有用来测量产生在滑枕(4)中的振动幅值的传感器。具体地，滑枕(4)振动的速度通过一个或者多个加速计被间接测量。设想使用两个单轴加速计用于测量滑枕(4)的平行于轴线(X)和轴线(Y)的振动，但是可以使用单个三轴加速计，来测量滑枕(4)沿三个轴线(X，Y，Z)的振动。将传感器与惯性致动器(7)一起定位在滑枕(4)的固定部分，也就是，传感器和惯性致动器(7)位于基本上相同的点处，这是特别有意义的，因为惯性致动器(7)的目的是使得它们以基本上与产生在滑枕(4)中的振动相同并且方向相反的力摆动。
可设想每个惯性致动器(7)能够具有与之相连的加速计，使得由惯性致动器(7)引入的力能够被确定。因此由所述加速计获得的数据能够被用在先进控制技术中或者通过获得频率响应函数用在测量动态柔性(敏感性)中。
在这种情况下，当切削工具(6)正在加工零件时，滑枕(4)趋向于主要按照两个主要的弯曲方向振动，这两个弯曲方向平行于轴线(X)和轴线(Y)。滑枕(4)在每个它的主要弯曲方向上的振动的速度通过传感器被实时检测，使得一旦检测到振动，就使得惯性致动器(7)以与在滑枕(4)中产生的振动基本上相同的并且方向相反的力摆动，抑制它们并且改进机床的动态响应，而惯性致动器摆动的力能够通过与惯性致动器(7)相连的加速计被控制。
已经通过铣床的滑枕(4)的例子描述本发明，但是如图7所见，本发明也能够被应用到立式车床的滑枕(4)中。该立式车床具有放置待加工零件于其上的基座(1)，其上安装有载架(9)的框架(8)，载架(9)又保持包括加工头(5)和切削工具(6)的滑枕(4)。
载架(9)能够由通过轴线(X)描述的水平方向移动，而滑枕(4)相对于载架(9)在由轴线(Z)描述的竖直方向上移动。因此，滑枕(4)能够按照两个轴线(X和Z)移动，并且滑枕(4)也能够进行沿着轴线(Y)的第三水平平移运动。
在这种情况下，当加工零件时，振动也会按照滑枕的至少两个主要弯曲方向产生在滑枕(4)中，这两个主要弯曲方向分别平行于轴线(X)和轴线(Y)。因此产生平行于滑枕(4)的侧面以及基本上垂直于滑枕(4)的由轴线(Z)描述的纵截面的力(F)的惯性致动器(7)也被整体结合到滑枕(4)的侧面上用于抑制这些振动，产生的力(F)的幅值基本等于按照滑枕(4)的主要弯曲方向在滑枕(4)中的振动并且方向与其相反。
尽管图中所示的实施例描述了具有矩形截面的滑枕(4)，但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明也能够被应用到具有不同棱柱形状的滑枕(4)中，例如具有六角形截面的棱柱形状。

Claims (9)

1.一种动态稳定机床，其特征在于，它包括：
滑枕(4)，其包括支撑切削工具(6)的加工头(5)，在加工过程中按照滑枕(4)的至少两个主要弯曲方向在滑枕(4)中产生振动；
传感器，其适用于测量滑枕(4)在主要弯曲方向上摆动时所具有的振动的幅值，以及；
至少两个基本上平面形状的惯性致动器(7)，其中，每个惯性致动器(7)适于产生在滑枕(4)的一个主要弯曲方向上的力(F)，每个惯性致动器(7)按照基本平行于侧面的设置被整体结合到滑枕(4)的所述侧面上，并且其中，由每个惯性致动器(7)产生的力(F)平行于滑枕(4)的在其上整体结合该惯性致动器(7)的侧面，并且基本垂直于滑枕(4)的纵截面，由所述至少两个惯性致动器(7)产生的力(F)彼此垂直。
2.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，惯性致动器(7)被整体结合到滑枕(4)的相邻侧面上。
3.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，惯性致动器(7)被设置在滑枕(4)的最靠近支撑切削工具(6)的加工头(5)的端部处。
4.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，滑枕(4)包括四个惯性致动器(7)，每个惯性致动器(7)整体结合到滑枕(4)的相应的侧面上，并且其中，所述惯性致动器(7)中的两个适于产生在滑枕(4)的主要弯曲方向中的一个上的相应的力(F)，并且另外两个惯性致动器(7)适于产生在滑枕(4)的主要弯曲方向中的另一个上的另一相应的力(F)。
5.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，滑枕(4)包括三个惯性致动器(7)，每个惯性致动器(7)整体结合到滑枕(4)的相应的侧面上，并且其中，所述惯性致动器(7)中的两个适于产生在滑枕(4)的主要弯曲方向中的一个上的相应的力(F)，并且另一个惯性致动器(7)适于产生在滑枕(4)的主要弯曲方向中的另一个上的另一力(F)。
6.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，传感器是两个单轴加速计，它们中的每个实时地测量滑枕(4)在主要弯曲方向中的一个上摆动时所具有的振动的幅值。
7.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，传感器是三轴加速计，其实时地测量滑枕(4)在主要弯曲方向上的摆动时所具有的振动的幅值。
8.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，传感器设置在滑枕(4)中靠近惯性致动器(7)。
9.根据权利要求1所述的动态稳定机床，其特征在于，每个惯性致动器(7)均包括加速计。
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