CN111203801B - 主动阻尼的无心磨削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于无心磨削机的主动阻尼无心磨削方法，该无心磨削机具有轮(1、2)以及承载轮(1)的头部(5、6)，在该轮之间布置有待磨削的部件(3)，该方法包括：使轮(1、2)彼此靠近移动，以在部件(3)上施加压力以对其进行磨削，从而由于磨削在磨削机中产生振动；测量由于磨削引起的振动；以及，根据所述测量，平行于磨削机的力流并通过使用直接作用在头部(5、6)之一上的惯性致动器(10)引入主动阻尼力(Fact)，使得由于磨削引起的振动被减弱。

Description

主动阻尼的无心磨削方法
技术领域
本发明涉及一种在无心磨削机中磨削部件的方法。所提出的方法使用借助于惯性致动器允许引入主动阻尼力的控制策略，该主动阻尼力减弱了由于磨削过程本身产生的振动，从而提高了无心磨削机的精度。
背景技术
磨削是一种进行研磨加工操作的广泛使用的工艺，其与去料加工操作(stock-removal machining operation)相比，具有更高的尺寸精度和更低的粗糙度。主要由于这个原因，磨削被视为精加工方法，其中磨削过程的力不会太大。
在这个意义上，普通的磨削本质上着重于提高精度，为此，当今使用的技术着重于消除机器的恒定振动。例如，为了提高磨削机的精度，已知有文献JP2005199410A或JP2002254303A，其提出了用于消除由于轮中的不平衡引起的振动的技术。
但是，在无心磨削(这是普通磨削的一种变型)中，机器的这些恒定振动在重要性方面退居次要地位，因为无心磨削被用于表面加工操作，而且不仅用于精加工操作。为此，在无心磨削中，尤其重要的是由于磨削过程本身产生的振动，如自激振动(颤振)的情况。
在无心磨削中，部件在被加工时无需任何固定被放置在机器中。该工艺被广泛用于以高生产率生产精密圆柱部件。这主要是通过消除用于定中心和锚固要磨削的部件的操作来实现的，这将大大减少操作时间，并能够使磨削过程自动化。不需要锚固的事实意味着无心磨削也构成了用于小尺寸圆柱形部件从其表面加工操作开始的加工的一种非常令人关注的方法。
此外，在无心磨削中，与一般的磨削过程相比，所使用的轮的宽度趋于明显更大，从而导致磨削过程的力显著增加。所有这些都意味着，如上所述，无心磨削装置的精度主要取决于由于磨削过程本身产生的振动(特别是颤振)，而机器的典型振动会像在由于轮中的不平衡引起的振动的情况下一样居次要地位。这些过程的振动主要取决于机器的动态刚度和磨削条件。
用于消除由于过程而产生的振动的最有效解决方案之一是通过直接作用于磨削机的动态行为来增加阻尼，而不必知道过程条件的具体数据。一种以被动方式引入阻尼的方法是通过使用具有悬挂质量的被动致动器，该悬挂质量可以根据机器的振动自由地摆动。如果悬挂质量的共振与机器的共振相一致，则机器可以减弱振动。这样的缺点是，悬挂质量相对于振动的模态质量必须具有可量化的值，因此需要会占用机器中的大量空间的笨重的致动器。此外，被动致动器只能在特定的振动模式下工作，而不会适应可能出现的其它不同的振动模式，这使它成为了在无心磨削机中用于阻尼过程振动的一种不合适的解决方案，因为在这种类型的机器中的振动频率可根据切削条件变化。
主动阻尼系统可能是用于适应不同的振动模式并减弱源自磨削过程的振动并无需用于布置它的非常大的空间的一种解决方案。这些系统通常由振动检测装置、计算要施加的力的控制器以及负责引入减弱振动所需的阻尼力的致动器组成。
参见例如文献ES2278496A1，其示出了用于控制无心磨削机中的自激振动的主动控制系统。该系统使用直接作用在磨削机的调节轮的头部的平移装置(螺母-主轴组件)上的压电致动器，而振动由同样布置在该平移装置中的机械应力传感器检测。
在该文献中，压电致动器与磨削机的力流串联布置，即，致动器布置在负责将部件压向磨削轮的调节轮的头部的平移装置中。引入与机器的力流串联的阻尼力意味着致动器着重于改变机器的实际刚度，为此，放置的最佳点是由振动产生的变形能量为最高的点。然而，采用这种布置，致动器必须一直提供刚性，因此在致动器发生故障的情况下，机器将不再能够以合适的方式工作。
另一方面，如上面指出的两个文献JP2005199410A和JP2002254303A所示，消除是用于解决机器的恒定振动(如轮中的不平衡)的最广泛使用的控制策略。
该策略是基于引入产生振动的力，所述振动相对于机器的典型振动具有相同的振幅、频率和相反相位。以这种方式，寻求振动的完全消除，但是这要求致动器具有高的力容量以及要消除的振动的精确知识。为此，需要机器的动力学和待阻尼的方法两者的详细模型。如果在简单的二阶方程(方程1)中观察到消除，则致动器所施加的力(Fact)就必须与要消除的力(F)恰好相反，从而证明致动器的力容量必须很高。
但是，当振动源于磨削过程时，就不可能获得振动的精确知识，因此无法使用消除来减弱这种类型的振动。此外，使用这种控制策略来消除机器中的恒定振动(例如，轮中的不平衡)甚至会导致由于切削过程引起的振动被放大的情况，因为消除可能会引起这些其它的振动模式的激发(参见JP2002254303A)。
根据前述内容，需要一种用于无心磨削机的过程或方法，其通过使用主动阻尼系统来改善由于磨削过程本身引起的振动的减弱。
发明内容
本发明的目的涉及一种无心磨削方法，其中测量在磨削过程中产生的振动并且借助于惯性致动器引入用于减弱在该过程中的振动的主动阻尼力。
该方法应用于无心磨削机中，该磨削机具有轮以及承载轮的头部，在轮之间布置有待磨削的部件。
该磨削方法包括：
·使轮彼此靠近移动，在部件上施加压力以对其进行磨削，从而由于磨削在磨削机中产生振动，
·测量由于磨削引起的振动，以及
·根据所述测量的结果，平行于磨削机的力流并且通过使用直接作用在所述头部之一上的惯性致动器引入主动阻尼力，从而减弱由于磨削引起的振动。
与文献ES2278496A1或JP2005199410A不同，在上述文献中，致动器相对于磨削机的力流串联地布置，本发明提出了与磨削机的力流平行地引入阻尼力。以此方式，当阻尼力平行地被引入时，机器的原始特性没有被改变，并且阻尼力作为外力被引入。由此即使在致动器不运行时也能确保正常的机器运行。当平行地引入阻尼力时，最佳放置点是具有最大振动运动的点。
从而在磨削期间并且借助于惯性致动器检测振动的发生，可以加速布置在头部中的致动器的运动质量，从而引入阻尼所述振动所需的力。在部件的磨削期间在磨削机中产生的振动被实时地且以有效的方式从而被减弱或者消除。
如在无心磨削机的情况，当在高的磨削力下进行表面加工操作时，主要有与头部打开模式相对应的两种关键振动模式，即，用于使承载轮的头部和部件靠近/远离彼此运动的相对运动发生在轮向部件施加压力的方向上。为此，优选将主动阻尼力引入头部中的至少一个头部的上部中，因为它已经通过实验被确认为由于振动引起的最大运动的点。
优选地，在两个头部中测量振动，同时借助于相应的惯性致动器将主动阻尼力引入每个头部中，使得在两个头部中由于磨削引起的振动被减弱。
优选地，主动阻尼力在测量振动位置的机器的的同一点处被引入。
甚至更优选地，在头部的上部中测量振动，并且在头部的该上部中施加主动阻尼力。
因此，使用以共位置方式(in a co-located manner)布置的检测装置和惯性致动器，从而使在机器中产生的振动的减弱更有效。推荐这种共位置分布，其中检测装置和惯性致动器定位在一个同一点处，因为这样理论上可以减弱惯性致动器的带宽中存在的所有振动模式。在非共位置分布的情况下，如在文献JP2005199410A的情况下，当在测量点和在致动器的带宽内的致动点之间存在具有不同相位的振动模式时，可能会妨碍振动控制。
惯性致动器构造成用于根据检测装置测量的振动来产生其运动质量的运动。优选地，所使用的惯性致动器是允许引入受控力的负责加速运动质量的液压致动器、电磁致动器或线性马达。
致动器的选择取决于致动器所需的力和频率带宽。在无心磨削操作中，具有小于300Hz的低频，特别是10-300Hz之间的低频的结构模式非常关键，其要求惯性致动器的质量的一定运动。在文献ES2278496A1和JP2005199410A中，使用与磨削机的力流串联布置的压电致动器。压电致动器构成了与机器的力流串联布置的最广泛使用的致动器，在此它们必须具有高能量的变形能量。然而，已经观察到，由于压电致动器的高度脆弱性，因此它们不适于形成需要相当程度的运动(如在无心磨削的情况下)的低频惯性致动器。
是惯性致动器的质量的运动的惯性在机器中引入主动阻尼力，所述力的幅度、频率和相位取决于所使用的控制策略。
优选地，本发明所使用的控制策略是基于测量由于磨削引起的振动的速度，优选地在头部中测量，并且借助于惯性致动器施加力，该力与所述速度的幅度(amplitude)成比例、具有相同的频率，但具有相反的相位。通过以这种方式引入阻尼力，可以引入阻尼，其与所引入力的幅度成比例，从而可提高机器的动态刚度。
可以基于简单的运动方程(方程1-3)以简单的方式用数学方式解释该控制策略，其中x是机器的振动运动，并且m，c和k分别是机器的质量、阻尼和模态刚度。F是指在磨削过程中要被减弱或消除的机器经受的力，而Fact是由惯性致动器施加的力。
这是一种反馈策略，因此不需要了解机器的动态参数或使用的切削条件。此外，与消除策略(如文献JP2005199410A和JP2002254303A中所述的策略)所发生的情况相反，惯性致动器所需的力容量(force capacity)不那么大，因为不需要施加等于要减弱的振动力的力。
或者，可以开发一种机器的动力学的简单模型，以便控制策略基于使惯性致动器行为如同被动阻尼器(调谐质量阻尼器)。被动阻尼器的主要缺点是它们被局限于降低单个振动频率，并且所需的质量非常高。但是，通过模拟这种行为的主动控制策略，可以减弱不同的频率，并且它可以被设计用于模拟不同的质量量级(mass magnitude)。因此，如上面所提出的策略，不需要了解切削条件或要产生的振动。
从数学上讲，该策略建议引入主动阻尼力(Fact)，其是频率(ωa)和在虚拟被动质量中的所需相对阻尼(ξa)的函数，其中μ是虚拟被动质量与机器的质量之间的比(μ＝ma/m)。据此，采用这种替代控制策略，根据以下公式引入主动阻尼力(Fact)：
其中：
m是磨削机的质量
μ是致动器的虚拟被动质量与机器质量之间的比(μ＝ma/m)
x是由于振动测得的运动
ωa是虚拟被动质量中的所需振荡频率
ξa是虚拟被动质量中的所需相对阻尼
根据前述内容，获得了一种用于在无心磨削机中磨削部件的方法，该方法通过减弱由于磨削过程本身在机器中产生的振动来提高磨削精度。
附图说明
图1示出了其中可以应用本发明的磨削方法的无心磨削机的一个示例。
图2示出了图1的机器的两种主要振动模式的示意图。
图3示出了与磨削机的力流串联布置的致动器的示意图。
图4示出了如前一图的视图，但是如本发明提出的惯性致动器布置成平行于磨削机的力流。
图5示出了根据现有技术的状态在消除控制策略中使用的阻尼力的比较。
图6示出了如由本发明提出的在主动阻尼控制策略中使用的阻尼力的比较。
具体实施方式
图1示出了无心磨削机的一个示例，其中可以应用本发明的磨削方法。磨削机包括两个轮(1、2)：磨削轮(1)和调节轮(2)，在它们之间布置有被支撑在保持装置(4)上的要被磨削的部件(3)。每个轮(1、2)布置在头部(5、6)中，并且每个头部(5、6)布置在平移装置(8、9)上。
图1中所示的机器配置并不限制本发明，对于本领域的技术人员显而易见的是，该磨削方法可以应用于具有不同机器配置的无心磨削机。
通过头部(5、6)的运动，轮(1、2)在垂直于部件(3)的方向上彼此靠近/远离运动。因此，在操作中，轮(1、2)沿着轮(1、2)彼此靠近的方向在部件(3)上施加压力，使得部件(3)被保持在轮(1、2)之间，被支撑，使得它围绕保持装置(4)自由地旋转，因此，部件(3)通过轮(1、2)的旋转而被磨削。
磨削过程本身产生力，所述力激发机器的不同部件(例如头部(5、6))的振动模式，该磨削过程本身产生振动，振动会被传递到在部件(3)和轮(1、2)之间的接触区域中的加工点。除其它因素外，这导致加工工具的几何缺陷或过度磨损，或部件(3)的表面光洁度差。从图2可以看出，无心磨削机具有两种主要的振动模式，其导致头部(5、6)弯曲，致使它们彼此远离或靠近运动。
本发明提出了一种用于无心磨削机的磨削方法，由此能减弱或者甚至消除由于磨削过程本身引起的那些振动。
因此，本发明提出的磨削方法包括：使轮(1、2)彼此靠近运动，施加压力在要对其磨削的部件(3)上，测量由于磨削产生的振动，并根据所述测量引入主动阻尼力(Fact)，其平行于磨削机的力流并通过使用作用在头部(5、6)之一上的惯性致动器(10)被引入，从而由于磨削产生的振动被减弱。
例如，使用检测装置(9)(例如加速度计)来测量由于磨削引起的振动。检测装置(9)被特别配置用于测量小于300Hz的低频率，并且优选地测量10-300Hz之间的频率范围。为此，已经设想使用滤波器，其区分由于频率超出上述优选范围的噪声。
如图1的示例所示，已经设想惯性致动器布置在头部(5、6)的上部，其是机器的由于磨削过程的振动引起的最大运动产生的位置的部分。
为了提高机器精度，惯性致动器(10)布置在每个头部中，使得主动阻尼力(Fact)被引入每个头部(5、6)中。
检测装置(9)布置在头部(5、6)中，使得检测装置(9)和引入力的惯性致动器(10)共同位于同一点处。
在图1的示例中，在两个头部(5、6)中测量振动，同时通过相应的惯性致动器(10)在每个头部(5、6)中引入主动阻尼力(Fact)，使得两个头部(5、6)中由于磨削而产生的振动被减弱。
图3示出了如现有技术状态的文献ES2278496A1或JP2005199410A所提出的与磨削机的力流串联布置的致动器(9)的示意图，而图4示出了如本发明所提出的平行于磨削机的力流布置的惯性致动器(9)的另一示意图。
磨削机的力流，也称为“路径力”，在图中用带箭头的线表示。该流是指在机器内部遵循的用于磨削部件所需的力的传递路径。
如文献ES2278496A1或JP2005199410A所提出的，当致动器被串联地布置时，因为力流通过该致动器，所以致动器可以改变机器的原始动态特性，从而阻尼所产生的振动，而同时必须承受磨削力。为此，串联地布置的致动器必须提供非常高的刚度，并且如果致动器发生故障，则机器将无法进行正确的磨削。
相反，如果惯性致动器平行地布置，如本发明所提出的，则阻尼力如同它是外力一样被引入，并且它对机器的原始刚度没有任何影响。为此，甚至在致动器发生故障的情况下，机器仍将具有其原始刚度并进行正确的磨削。
根据本发明的一个实施例，使用一种控制策略进行主动阻尼，该控制策略是基于测量头部(5、6)的振动速度，并借助于惯性致动器(10)施加与该速度的幅度成比例的力。
从这种意义上讲，致动器所需的力不会像消除的情况那样大，并且不需要了解机器的动态特性或待阻尼的方法。
如本发明所提出的，借助于反馈来使用主动阻尼，其目的是根据所测量的振动提供具有更高的动态刚度的机器，这对于消除过程振动高度有效。这种反馈策略对于强制恒定振动无效，例如由于轮中的不平衡而引起的振动的情况，但是它确实非常有效地抵抗过程振动，因为使用小于振动力的力机器的动态刚度的增加使得这些振动被完全地减弱。
根据本发明的另一实施例，为了进行主动阻尼，使用基于机器的动态模型的控制策略来使惯性致动器表现得像被动阻尼器(调谐质量阻尼器)。这种虚拟被动阻尼器可以减弱不同的频率，并且能被设计为用于模拟不同的质量量级，从而消除被动阻尼器的缺点。此外，致动器所需的力也将比消除中所需的力小得多，因为它也是基于振动参数的反馈。尽管与简单反馈相比，动态模型的需求使其吸引力降低，但是动态行为不会根据其部件的位置而变化的事实意味着无需在每个过程中都调整模型，因为该控制策略不需要了解磨削过程的条件。
下面示出了一个表，其比较了如文献JP2005199410A或JP2002254303A的情况下的基于消除的控制策略和如本发明所提出的两种策略的情况下的基于主动阻尼的控制策略。
可以看出，在其它有利方面中，在主动阻尼的情况下，惯性致动器所需的力远小于消除时所需的力，此外，消除是需要精确了解要被消除的振动的一种预控制策略，而主动阻尼是不需要精确了解振动就能使其减弱的一种反馈策略。
图5示出了用于根据现有技术状态的消除控制策略的比较图，其中，由线描绘的阻尼力(Fact)相对于要消除的力(F)具有相同的幅度和相反的相位，而图6示出了用于主动阻尼控制策略的比较图，其中清楚地看到所需的阻尼力(Fact)小于用于消除的阻尼力(Fact)。

Claims (11)

1.一种主动阻尼无心磨削方法，其用于无心磨削机，所述无心磨削机具有轮(1、2)以及承载所述轮(1、2)的头部(5、6)，在所述轮(1、2)之间布置有待磨削的部件(3)，所述磨削方法包括：
·使所述轮(1、2)彼此靠近移动，在所述部件(3)上施加压力用于对其进行磨削，由此由于磨削在所述磨削机中会产生振动，
·使用测量小于300Hz的低频率的检测装置(9)测量由于磨削引起的振动，以及
·根据所述测量，平行于所述磨削机的力流并且通过使用直接作用在所述头部(5、6)之一上的惯性致动器(10)引入主动阻尼力(Fact)，使得由于磨削引起的振动被减弱。
2.根据权利要求1所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，所述主动阻尼力(Fact)被引入所述头部(5、6)的上部。
3.根据权利要求1或2所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，在所述头部(5、6)中测量振动，同时主动阻尼力(Fact)通过相应的惯性致动器(10)被引入每个头部(5、6)中，使得在所述头部(5、6)中由于磨削引起的振动被减弱。
4.根据权利要求中1或2所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，所述主动阻尼力(Fact)在机器的测量振动的位置的同一点处被引入。
5.根据权利要求4所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，在所述头部(5、6)的上部测量振动，并且在所述头部(5、6)的所述上部施加所述主动阻尼力(Fact)。
6.根据权利要求1、2或5所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，所使用的惯性致动器(10)是负责加速运动质量的液压致动器、电磁致动器或线性马达。
7.根据权利要求1所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，在10-300Hz的频率范围内测量振动。
8.根据权利要求1、2、5或7所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，所述主动阻尼力(Fact)沿所述轮(1、2)在所述部件(3)上施加压力的方向被引入。
9.根据权利要求1、2、5或7所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，所引入的主动阻尼力(Fact)与已经测量的由于磨削引起的振动的速度成比例，并且它相对于所测量的振动的速度以相同的频率和以相反的相位被引入。
10.根据权利要求1、2、5或7所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，所引入的主动阻尼力(Fact)是虚拟被动质量中的频率(ωa)和所需相对阻尼(ξa)的函数，使得被动阻尼器的行为被虚拟地模拟。
11.根据权利要求10所述的主动阻尼无心磨削方法，其特征在于，所述主动阻尼力(Fact)是以下方程的函数：
其中：
m是磨削机的质量，
μ是惯性致动器的虚拟被动质量ma与机器的质量m之间的比(μ＝ma/m)，
x是由于振动测得的运动，
ωa是虚拟被动质量中的所需振荡频率，
ξa是虚拟被动质量中的所需相对阻尼。
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