CN110039325A - 具有主动减振装置的机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有主动减振装置的机床，其包括具有纵壁(11)的悬移部件(10)，在机加工的过程中根据悬移部件(10)的至少主弯曲方向(D1、D2)产生振动；在悬移部件(10)的一个自由端部上布置的头部(20)；用于致动头部(20)的致动器具(30)，其在悬移部件(10)的纵壁(11)之一上布置；以及被配置成产生在悬移部件(10)的主弯曲方向(D1、D2)上的至少力(F1、F2)的减振器具(41、42)，其中减振器具(41、42)在悬移部件(10)的布置有致动器具(30)的纵壁(11)的局部横向区段(12)中布置，局部横向区段(12)位于致动器具(30)与悬移部件(10)的头部(20)布置在其上的自由端部之间。

Description

具有主动减振装置的机床
技术领域
本发明涉及在诸如铣床、镗床的机床中的机加工过程中产生的振动的抑制或衰减，其中所述机床采用悬臂移动元件保持加工工具(RAM)。本发明提出了具有主动惯性减振系统的机床，所述主动惯性系统在切削点附近设置在悬移部件(ram)上占据最小空间并且不会妨碍机床的机加工操作。
背景技术
近年来，机床行业已经朝向允许更大产量、改善生产零件的品质、以及降低成本的技术方案发展。在这种情况下，在机加工过程中自再生振动或颤动的衰减或抑制是非常重要的。
机床的机械结构在机加工操作的过程中振动，并且自再生振动会出现，因其特性而对最终零件的品质以及机床本身的部件的整体性是有害的，并且此外，自再生振动能够导致切削工具上的过早磨损或甚至造成其断裂。
配备悬臂移动元件的机床、例如采用RAM的铣床或钻床具有取决于加工位置的动态响应。质量分布以及在工具的点上测量的灵活度基于组成机床机构的移动元件的位置而改变。因为悬移部件是最灵活的元件，所以其位置基本上决定了机床的特性。这就造成了，当工具在切削加工过程中与零件相互作用时，机床能够以取决于悬移部件的位置的非常不同的方式表现出特性，而强烈的振动能够在机床的切削性能中产生。
针对任何机械结构的动态响应取决于质量分布、振动类型的刚度、以及针对这些类型每一项的固有阻尼，阻尼的增加对于改善动态刚度是特别高效的。
不同的方法是已知的，它们允许阻尼被增加到机械结构，并且在这些方法中，我们发现被动减振和主动减振都使用了。
被动减振器包括悬置质量，其借助于减振式柔性附件而附接至待减振的结构。被动减振器的天然频率被精细地调节成其与待减振的结构的天然频率重合。然而，在待减振的结构的动态参数改变时，这些被动减振器变得低效。针对具有可变动态特性的机床而言，这些被动减振器不是非常高效，这是因为它们需要取决于工作位置的不同的精细调节。此外，为了获得特定的效果，系统的质量通常是很大的，并且由此减振器的体积也很大，使得其在机床中集成很难。
主动减振器由于其适应动态改变环境的能力而可以解决该问题。这些减振器由测量所产生的振动的传感器以及允许与振动相反的力引出因而产生减振效应的致动器组成。在主动惯性减振器的情况中，该力通过以下措施获得，即使得在待减振的结构中悬置的移动质量加速，从而在移动质量沿所需的方向被加速时，产生使得机床中的振幅降低的惯性力。例如，1970年由Cowley和Boyle发表的文章公开了这样一种系统的应用，其借助于加速度计测量振动并且产生引入到惯性致动器中的设定点，所述惯性致动器在机床的结构上产生减振效应。“Cowley,A.；Boyle,A.；Active dampers for machine tools；Annals of theCIRP,vol.18,pp.213-222,1970”。
尽管主动减振器是一种使得在具有诸如悬移部件的悬臂移动元件的机床中的振动衰减的合适的技术方案，但是问题存在于减振系统在机床中的集成。已知的是，减振系统为了高效必须尽可能地靠近切削点，换句话说，减振系统必须尽可能地靠近容纳加工工具的头部。然而，在机床的该区域中存在多种空间限制。
在专利文献ES2425994B1中描述了将减振系统集成在机床中的一个技术方案，其公开了一种加工工具，其在切削头部中采用惯性致动器。尽管该技术方案允许改善机床的动态工作特性，但是因为振动的衰减是非常靠近振动起源的切削点被实现的(假定切削头是相对于悬移部件旋转的移动部件)，所以对于惯性致动器必须的功率和控制信号的传输是复杂且昂贵的。
专利文献EP3017911B1公开了一种具有悬臂移动元件(悬移部件)的机床，悬臂移动元件采用两个单向惯性致动器。惯性致动器位于悬移部件的端部上，所述端部在悬移部件的两个连续侧面上位于最靠近切削工具的位置。每个惯性致动器特别适合产生与其所布置于上的悬移部件的侧面表面平行的力，由两个致动器所产生的这两个力彼此垂直。该技术方案并不需要复杂的系统以输送功率和控制信号至头部，这是因为减振器在悬移部件中集成，并且此外，减振器不会伸出悬移部件外，并且因此在加工的过程中在悬移部件与零件之间不会产生干涉，悬移部件的路径相对于机床在其出口处也不会被限制。
专利文献EP3017911B1中描述的技术方案被设计用于具有相对大尺寸的机床，其尽管空间约束但允许多个元件在悬移部件内侧上布置，例如头部的致动系统、冷却软管、或者功率缆线以及信号缆线，减振器被集成在悬移部件的侧面上，从而减振器不会与悬移部件内侧上的元件接触。然而，存在尺寸相对小的机床，其中空间的约束甚至很大，从而甚至头部的致动系统必须位于悬移部件外，并且因此在这些类型的小机床中，为了实现减振功能而将合适的致动器集成在悬移部件内是特别复杂的，即使悬移部件的侧面被使用的话。
因此，需要提供一种技术方案，其允许主动减振系统在这些小类型的机床中采用，所述机床占据尽量小的空间，从而主动减振系统不会影响加工操作并且位置尽可能靠近切削点从而改善其效率。
发明内容
根据本发明，提出了一种机床，其配备有悬移部件，所述机床例如是铣床或钻床，并且在所述机床中于切削点附近集成有主动惯性减振系统。
本发明的机床包括：
悬移部件，其中在机加工的过程中根据所述悬移部件的至少一个主弯曲方向产生振动，所述悬移部件具有纵壁；
头部，所述头部在所述悬移部件的自由端部上布置；
用于使得所述头部致动的致动器具，所述致动器具在所述悬移部件的纵壁中的一个纵壁上布置；以及
减振器具，所述减振器具被配置成至少产生在所述悬移部件的主弯曲方向上的力，
根据本发明，所述减振器具在所述悬移部件的所述头部的致动器具所布置在其上的纵壁的局部横向区段(partial cross section)上布置，所述纵壁的局部横向区段位于所述致动器具与所述悬移部件的布置有所述头部的自由端部之间。
采用该技术方案，减振器具在悬移部件的单个纵壁上布置，利用了在切削点附近紧邻致动器具的自由空间，并且仍在覆盖致动器具的壳体的内部上。这样，减振效果被优化，假定减振器具靠近切削点，并且此外，由于减振器具的这种布置结构，基本上防止了在悬移部件与待机加工的零件之间会产生的可能的干涉，并且悬移部件相对于机床其出口的路径不受限制。
优选地，所述减振器具被配置成在所述悬移部件的两个主弯曲方向上产生两个力。
甚至更加优选地，所述减振器具是两个单向主动减振器，每一个被配置成在所述悬移部件的两个主弯曲方向中的一个弯曲方向上产生所述两个力中的一个力。
所述单向主动减振器具有平坦矩形的形状，其具有四个小面以及两个大面，其中所述减振器通过其大面被彼此支承和朝向，由所述减振器所产生的力平行于所述单向主动减振器的大面并且由所述减振器所产生的力彼此垂直。这样，减振器的布置结构以及由减振器所占据的空间被优化。
因此，获得了容易且高效的技术方案，以便为具有悬移部件的机床提供了主动减振系统，其中所述悬移部件由于其尺寸的约束而并不允许减振系统集成在所述悬移部件本身内。
附图说明
图1示出了根据本发明的铣床类型的机床的非限制性示意性实施例。
图2示出了具有上壳体的悬移部件的立体图，其中头部的致动器具以及减振器具被采用。
图3示出了前图的悬移部件的立体图，其中，壳体已经被去除从而示出致动器具以及减振器具的布置结构。
图4示出了与前图类似的立体图，但是减振器具处于它们在悬移部件的纵壁的局部横向区段中安装的结构中。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的铣床类型的机床的非限制性示意性实施例。机床包括悬移部件10，所述悬移部件适于相对于机床以悬臂的方式伸出，并且在所述悬移部件的一个自由端部上具有容纳加工工具的头部20。
悬移部件10是长方形(长度比宽度长)元件，其是机床的一部分，由于以悬臂的方式伸出并且由于其惯性以及灵活性而对机床的动态响应有最大的影响，从而在机加工过程中其特性能够基于悬移部件10相对于机床的空间位置而不同地改变。
通过实验已经证明，在机加工过程中悬移部件10的关键振动对应于其弯曲模态，从而悬移部件10倾向于在主要两个方向D1、D2上振动，这两个主要方向在图2中由虚线箭头表示。据此，为了使得悬移部件10中的振动衰减，特别相关的是施加减振力，所述减振力与悬移部件10振动的主弯曲方向D1、D2对正。
如图可见，悬移部件10具有棱柱形状，其具有矩形横截面，带有四个纵壁11。在所述纵壁11中的一个上布置致动器具30，通过合适的传导，所述致动器具致动位于所述悬移部件10的自由端部上的头部20。具体地，致动器具30在悬移部件10的上纵壁11上布置，并且由壳体31覆盖。
采用致动器具30的悬移部件10和壳体31的组件适于相对于机床竖直地移动，并且以悬臂的方式水平伸出，从而头部20可以实现机加工操作，这就是没有元件从所述组件伸出限制悬移部件10的路径以及机加工操作不受干涉是重要的原因。
致动器具30所布置在其上的悬移部件10的纵壁11具有位于致动器具30与头部20之间的局部横向区段12。本发明提出了在由所述局部横向区段12产生的空间中布置减振器具41、42，它们允许沿着悬移部件10的两个主弯曲方向D1、D2的振动衰减。这样，减振器具41、42位于致动器具30的壳体31内，而不会从悬移部件-壳体组件伸出，并且处于尽可能靠近头部20的切削点的区域中。
优选地，减振器具41、42是两个单向主动减振器，它们中的每一个被配置成在悬移部件10的两个主弯曲方向D1、D2中的一个中产生力F1、F2。然而，减振器具可以是单个双向主动减振器，其在悬移部件10的两个主弯曲方向D1、D2中产生两个力，或者可以使用甚至单个减振器，其在悬移部件10的两个主弯曲方向D1、D2中的一个中产生仅一个力。
单向主动减振器之一41在悬移部件10的两个主弯曲方向中的一个D1中产生第一力F1，第一力F1垂直于悬移部件10的上纵壁11，并且另一个单向主动减振器42在悬移部件10的另一个主弯曲方向D2中产生第二力F2，第二力F2平行于悬移部件10的上纵壁11，从而第一力F1和第二力F2彼此垂直。
如图3和4所示，单向主动减振器41、42具有平坦矩形结构，其具有两个大面以及四个小面。减振器41、42彼此相向，并且借助于其大面中的一个彼此支承，它们所产生的力F1、F2平行于它们的大面并且它们所产生的力彼此相对垂直，从而减振器41、42处于竖直的布置结构并且在它们的大面上重叠，因而优化了在致动器具30所布置其中的悬移部件10的纵壁11的局部横向区段12中占据的空间。此外，减振器41、42在其振动时作用为组合质量，这是因为它们通过其大面彼此支承。
可以想到，两个单向主动减振器41、42具有相同的结构，从而它们以一个相对于另一个旋转90°的方式布置，以便在悬移部件10的主弯曲方向D1、D2上产生力F1、F2。
优选地，减振器41、42附接至致动器具30，从而由减振器41、42产生的力F1、F2通过致动器具30的结构传递至悬移部件10。替代地，减振器41、42能够直接地附接至悬移部件10的上纵壁11。在任何情况中，减振器41、42的附接并不是本发明的正确操作的限制特征，只要在减振器41、42与悬移部件10之间存在足够刚度的直接或间接连接即可。
机床具有测量悬移部件10中的振动幅度的传感器。具体地，借助于共同位于减振器41、42所处位置的加速度计的使用，进行了悬移部件10沿着两个主弯曲方向D1、D2振动的加速度的直接测量。所述信号的处理允许在减振器中引入的设定点产生减振力F1、F2，所述减振力允许在机加工过程中的颤动的特征再生效应得到抑制。
减振器41、42在悬移部件10的自由端部上最靠近加工工具的布置是一个非常相关的因素，这是因为减振器41、42距切削点越远，则为了使得振动衰减施加的力就越大并且因此减振器的尺寸以及容纳其所需的空间就必须越大。

Claims (6)

1.一种具有主动减振装置的机床，包括：
悬移部件(10)，其中在机加工的过程中根据所述悬移部件(10)的至少一个主弯曲方向(D1、D2)产生振动，所述悬移部件(10)具有纵壁(11)；
头部(20)，所述头部在所述悬移部件(10)的自由端部上布置；
用于使得所述头部(20)致动的致动器具(30)，所述致动器具在所述悬移部件(10)的纵壁(11)中的一个纵壁上布置；以及
减振器具(41、42)，所述减振器具被配置成至少产生在所述悬移部件(10)的主弯曲方向(D1、D2)上的力(F1、F2)，
其特征在于，所述减振器具(41、42)在所述悬移部件(10)的所述致动器具(30)所布置在其上的纵壁(11)的局部横向区段(12)上布置，所述局部横向区段(12)位于所述致动器具(30)与所述悬移部件(10)的布置有所述头部(20)的自由端部之间。
2.权利要求1所述的具有主动减振装置的机床，其特征在于，所述减振器具(41、42)被配置成在所述悬移部件(10)的两个主弯曲方向(D1、D2)上产生两个力(F1、F2)。
3.根据前述权利要求所述的具有主动减振装置的机床，其特征在于，所述减振器具(41、42)是两个单向主动减振器，每一个被配置成在所述悬移部件(10)的两个主弯曲方向(D1、D2)中的一个弯曲方向上产生所述两个力(F1、F2)中的一个力。
4.根据前述权利要求所述的具有主动减振装置的机床，其特征在于，所述单向主动减振器(41、42)具有平坦矩形的形状，其具有四个小面以及两个大面，其中所述减振器(41、42)通过其大面被彼此支承和朝向，由所述减振器(41、42)所产生的力(F1、F2)平行于所述单向主动减振器的大面并且由所述减振器所产生的力彼此垂直。
5.根据权利要求3或4所述的具有主动减振装置的机床，其特征在于，所述减振器(41、42)彼此相同。
6.根据权利要求3至5任一所述的具有主动减振装置的机床，其特征在于，所述减振器(41、42)附接至所述致动器具(30)。
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