CN1185126A - 用于机加工过程中抑制振动的调谐阻尼系统 - Google Patents

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Abstract

本发明所公开的是一种可调谐阻尼系统(26),用于降低与金属切削和工具有关的振动。可调谐阻尼系统(26)可以固定于镗杆、端铣刀、组合式工具部件或金属切削机床的主轴/工具夹持架内,可调谐阻尼系统包括阻尼质量(9)、弹性座(10a,10b)和锁定质量的装置(13,15),以便确定调节参数。一种调谐组件(1)包括传感器(30,31)和能够识别最大动力柔性振动模式的微处理机(35)。调谐组件(1)还能通过信息处理和微处理机控制的算法指挥操作者对可调谐阻尼系统进行适当的调节调整。

Description

用于机加工过程中抑制振动的调谐阻尼系统
本发明涉及用于抑制机加工过程中产生的振动的一种阻尼系统，更具体而言，涉及用于抑制与应用于机加工技术的各种镗孔和切削工具的使用有关的自由振动和过程不稳定性。
现在机加工技术中存在许多型式的阻尼系统，用来抑制与金属切削有关的振动。金属切削工具和机加工系统通常在工作过程中出现有害的振动。这些振动可以分为两类：(1)自激振动，即所谓“颤振”；和(2)切削工具的自由振动，由于施加在切削工具上断续的切削力而引起，例如在间断的切削的情况下。这两类振动通常导致不良的切削性能例如粗糙的工件表面光洁度和加工好的工件超出公差。另外，由于不良的振动切削工具和机床会受到损坏。
整个机加工系统是一种动态系统，在该系统的工作中包含复式振动模式。这些复式振动模式可以按它们的动力刚度来分类。一种机加工系统的动力刚度是机加工系统对变形的抗力的度量和在那种具体的变形模式中阻尼的大小。在机加工技术中，最大动态柔性的模式将主控机加工系统的性能。
在易受颤振的情况下，最大柔性模式的动力刚度决定整个系统的稳定极限。在易受颤振的系统中，稳定极限是系统没有变成不稳定和开始颤振前所能达到的最大切削深度。然而，在自由振动情况下，最大动态柔性的模式成为切削工具位置的大多数不受控制的位移的原因之一。这种不受控制的位移是自由振动情况下产生的表面不平度的主要原因。
某种机加工系统结构典型地出现一种主控的振动模式，该主控振动模式比与该具体系统有关的其他振动模式是有大得多柔性的。这通常是用长外伸工具的情况(大长径比的工具)，例如镗杆、长轴端铣刀，组合式工具和工具伸出部。而且，这些工具常常用于易受因间断镗孔而产生的振动问题的情况中，如在二冲程循环的内燃机气缸镗孔时会遇到的那样。在这些情况下，通过增大主控振动模式的动力刚度能大大提高机加工系统的整体性能。
有若干为增大机加工系统动力刚度的方法，如现有技术中所讲述的。可以减小外伸工具的纵横比，即可以减小长径比，但由于切削几何的要求这种选择不总是可能的。工具体可以用较刚性的材料例如碳化钨或某种其他的重金属制造。此外，系统可以加上动力吸震器，应用或不应用上述补救办法。
动力吸震器的全面论述可见题为“冲击和振动手册”的教科书，其作者是塞瑞M.N.(Cyril M.Harris)和查尔莱斯E.C.(CharlesE.Crede)，由麦格雷-希勒(McGraw-Hill)图书公司出版(1961)，因此其内容引入本文作为参考。动力吸震器能够调节以便以一种希望的频率振动，如在编号为No.3,838,936和4,553,884的美国专利中所讲述的。此外，动力吸震器可设计和调节成减小最小动力刚度，机加工系统将工作于该最小动力刚度下以便避免颤振，如编号为No.3,643,546的美国专利中所讲述的那样。
然而，现有技术中阻尼系统具有许多继续限制机加工技术的不足之处。现在工业中利用的通用动力吸震器(阻尼器)只提供在一特定激发频率上承受强迫振动作用的好处，因而并不能有效地降低自由振动或颤振，能够证明阻尼器的最优调节是不同于每一单独振动情况的。
为了最优地抑制间断切削时的自由振动，对于机加工系统的最大动态柔性振动模式，阻尼器应该调节到使“位移-力”传递函数的绝对值减至最小。当欲提供对颤振的最大抗力时，吸震器应该调节到使与最大动态柔性振动模式有关的“位移-力”传递函数的“实”部的负峰高度减至最小。该“实”部指的是与力同相的位移。
此外，必须认识到机加工系统和附加的阻尼器结合而形成强的整体动力相关系统。换言之，在机加工系统中增加阻尼器起着强烈影响系统动力特性的作用。其影响不单是由于机加工系统中增加了阻尼器而也是由于阻尼器本身与机加工系统有效模态质量比较的有效质量(然而，阻尼器必须具有较大的质量以便对机加工系统有充分的阻尼效应)。因此，机加工系统和阻尼器不能单独对待。换言之，阻尼器不能离开机加工系统单独调节然后加上去。简单地把阻尼器加到机加工系统中将影响要被阻尼的模式的频率，因此将导致非最优调节的阻尼器。
再者，对系统的任何改变将强烈影响阻尼器的最优调节，例如，把受阻尼的工具放置在不同的机床上；改变工具的长度；改变受阻尼的工具在定型工具系统中的结构；或把动力阻尼器放置在机加工系统的不同位置。实质上，机加工系统与附加的阻尼器的特别配置起形成最优调节的具体结构的作用。因此，调好的阻尼器只是对该具体结构是最优的。
此外，因为机加工系统和附加的阻尼器是高度相关的和阻尼器将要求定期重调，所以阻尼器应该在机加工系统内的适当位置时调节。由于负责操纵工具或机加工工作的某些人员可能不熟悉结构的动力调节，有必要通过使用很简单的说明书而有很少的或没有关于结构动力试验和调节方法的现有经验就能够容易地在机加工系统内的适当位置调节阻尼器。
因此，本发明的一项目的是提供改进措施以克服上述现有技术中阻尼系统的不足并提供对机加工技术进步具有重要贡献的改进。
本发明的另一目的是提供一种具有可调节的阻尼装置和调谐组件的可调谐阻尼系统，调谐组件自动识别具有附加阻尼装置形成的机加工系统的最大动态柔性振动模式，然后在程序上指挥调节以便增大最大动态柔性模式的动力刚度。
本发明的又一目的是提供一种可调谐的阻尼系统，该系统的调节及其操作需要很少的或不需要关于结构动力试验和调谐方法的现有经验。
本发明再一项目的是提供一种可调谐的阻尼系统，由此实际调节受电子控制并指示使用者怎样调整阻尼装置以便按以下一种或两种情况进行最优调节：(1)应付自由振动的最小响应情况，和(2)最大稳定性和对颤振的抗力情况。
本发明另一目的是提供一种具有调节能力和调谐程序的可调谐的阻尼系统，调节能力和调谐程序不受可调谐阻尼装置的位置、阻尼装置的有效模态质量和因改变机加工系统的结构所产生的后果的影响。因此阻尼装置可以安放在工具、工具伸出部或工具锥部内任何方便的部位，同时还允许工具在振动模式中充分地运动以使可调谐的阻尼装置能够有效地工作，此外还提供改变工具结构的能力，例如在组合式工具中，而勿需改变调谐程序。
本发明又一目的是提供一种可调谐的阻尼系统，该系统可方便地用于生产环境从而由机床操作者或其他人员就地对可调节的阻尼装置进行调节。
本发明再一项目的是提供一种可调谐的阻尼系统，该系统要被用在固定的或转动的工具上或工具内，例如镗杆、端铣刀、组合式工具、工具伸出部、主轴、工具夹具或固定的机床结构。
这些目的应被看作仅仅是对本预期的发明的某些较重要的特征和应用的说明。通过以不同的方式应用本公开的发明或通过在公开内容范围内修改本发明能够获得许多其他有益的成果。参阅发明概述和除了由与附图结合的权利要求限定的本发明范围外，对优选实施方案的详述可以获得其他目的和对本发明的更广泛的了解。
本发明通过附属的权利要求书与示于附图的具体实施方案来描述。为了概述本发明的目的，所公开的是适于安装在金属切削工具例如镗杆、端铣刀、组合式工具或工具伸出部内的可调节的阻尼装置和具有所述调谐程序的相关的调谐组件。调谐组件用于通过增大或减小机加工系统在其最大柔性的振动模式时的整体动力刚度来控制可调谐阻尼装置的调节。
可调谐阻尼装置设计成使其阻尼质量可以拆卸地固定于机加工系统上，该可调谐阻尼装置的自然频率可单独提高到比机加工系统最大动态柔性模式的频率高得多的一个频率。该可调谐阻尼装置能被锁定，从而使其不起作用以便能够确定机加工系统的最大动态柔性的振动模式，必须首先确定最大柔性振动模式以便能够对可调谐阻尼装置进行适当的调节。
调谐组件也用于确定最大柔性的振动模式，而后它指挥可调谐阻尼装置的调节。调谐组件包括振动传感器和微处理机，该微处理机用于获取由振动传感器检测的数据而后处理这些数据以便识别为正确指挥调谐程序所需要的振动信息。
可调谐阻尼装置包括用弹性座支持于系统的阻尼质量(优选地，用高密度的材料例如钨或其他重金属制成)，当安装于例如镗杆或端铣刀那样的工具内部时，阻尼质量可简便地为圆柱形，在质量的任一端有弹性座，对圆柱形阻尼质量可使用环形弹性座且通常使用易于更换的普通O形圈，当用于非转动用途时，阻尼质量和弹性座可以是任何简便的形状。
在可调谐的阻尼装置的调节过程中，使弹性座与之互相配合以便改变可调谐的阻尼装置的刚度。通过弹性座的压缩达到增大可调谐的阻尼装置的刚度的目的，而且，阻尼质量可被锁定于适当位置，从而实际上将它固定于装置上。这是这样实现的，或通过将质量刚性地夹紧于基础装置上或通过充分地增大弹性座的刚度以便提供基本上刚性的联结。
本发明的一项重要特征是可调谐的阻尼系统包括可调谐的阻尼装置和调谐组件，调谐组件能够自动识别机加工系统的最大动态柔性的振动模式而后在程序上指挥其调节以便为降低切削刀架的振动而增大最大动态柔性模式的最小动力刚度。
本发明的另一重要特征是可调谐阻尼装置的调节受电子控制并指示使用者怎样调整阻尼装置以便按以下一种或两种情况进行最优调节：(1)应付自由振动的最小响应情况，和(2)最大稳定性和对颤振的抗力情况。
本发明的又一重要特征是可调谐的阻尼装置具有调节能力和调谐程序，它们不受其在切削工具上的位置、阻尼装置的有效模态质量和因改变机加工系统的结构所产生的后果的影响。因此可调谐的阻尼装置可以安放在工具、工具伸出部、或工具锥部内任何方便的部位同时还允许工具在振动模式中充分地运动以使其能够有效地工作。改变工具结构的能力，例如在组合式工具中，而勿需改变调节程序是本发明提供的一项重要特征。
上文已相当概括地描述了本发明较贴切的和重要的特征。随后对本发明给以详述以便可以更充分地理解本发明对该领域的贡献。本发明的更多的特征将在下文描述。这些形成本发明权利要求的主题，本领域中那些技术熟练的人员应该理解其构思和公开的具体实施方案可容易地用作为修改或设计其他方法和结构的基础而实现本发明同样的目的。本领域中那些技术熟练的人员应该理解这些等价的方法和结构并不背离本发明的精神和范围如附属的权利要求中所陈述的。
为了更简明地理解本发明的特征和目的，应该参阅与附图结合的下列描述。附图中：
图1是组合式工具头内所用的调谐阻尼装置的局部横剖视图，示出构成阻尼装置的阻尼质量和其他各种零件相互的相对位置；
图2是端铣刀内所用的调谐阻尼装置的局部横剖视图，示出构成阻尼装置的阻尼质量和其他各种零件相互的相对位置；
图3是系统图，示出机床结构、含有阻尼装置的切削工具、振动传感器、冲力锤和在它们的调谐设备内的调谐装置；
图4是流程图，说明根据调谐装置的指令在调谐程序中执行的步骤；
图5a是对没有可调谐的阻尼装置的典型系统在自由振动模式下测定的幅值传递函数的图示；
图5b和5c是对与图5a中测量的同一系统在加上最优调谐的可调谐阻尼装置以后的图示；
图6a是在自激模式(颤振模式)下没有装任何可调谐阻尼装置时测定的典型系统的实传递函数的图示；
图6b和6c是与图6a中测量的同一系统在装有最优调谐的可调谐阻尼装置以后的图示。
同样的附图标记表示遍及若干图上的同样部分。
参照图1，该图示出组合式工具头2内所用的本发明可调谐阻尼装置的局部横剖视图，组合式工具头2包括含有开口内螺纹端3a和第二端3b的第一部分3。从第一部分3的第二端3b在中心向外伸出一整体的安装短轴4。安装短轴4具有外螺纹4a，以与组合式工具的机座系统螺纹接合。
含有一端5a和外螺纹开口端5b的第二部分5连接于第一部分3上。第二部分5通过外螺纹开口端5b与第一部分3的开口内螺纹端3b的螺纹接合被连接，含有凹面封闭端6a的中心腔6位于第二部分5的内部，第一部分3，当与第二部分接合时，起封闭中心腔6的作用。此外，第二部分5具有联接在其一端5a的工具夹持架7，它夹持一个切削刀片8。
可调谐的阻尼装置1包括具有第一圆锥端9a和第二圆锥端9b的阻尼质量9。阻尼质量9优选地用密实的重金属材料例如钨等制造且通常是圆柱形的，阻尼质量9通常其阻尼质量与有效的系统模态质量之比值在10-60％范围内。阻尼质量9在第一和第二圆锥端9a和9b每一端处通过相应的第一和第二弹性座10a和10b支承在中心腔6内部。第一和第二弹性座10a和10b优选地是以通常可买到的O形圈的形式。特别是，这些O形圈优选用高阻尼聚合物例如丁苯橡胶(SBR)或维顿(Viton)橡胶(聚偏氟乙烯·氟丙烯)制造。第一和第二弹性座10a和10b的外径比中心腔6的内径稍小以便于轻易地将其装入中心腔内。
一具有凹面接合面11a和平的平面后部11b的滑动颚11也包容于中心腔6内。第一弹性座10a安放在阻尼质量9的第一圆锥端9a和滑动颚11的凹面接合面11a之间。第二弹性座10b安放在中心腔6的凹面封闭端6a和阻尼质量9的第二圆锥端6a之间，滑动颚11的凹面接合面11a和中心腔6的凹面封闭端6a都具有大于阻尼质量9的第一和第二圆锥端9a和9b的锥角的夹角。滑动颚11用于通过增大或减小作用在第一和第二弹性座10a和11b上的压力实现可调谐的阻尼装置1的调节，增减作用在两弹性座上的压力导致被支承在它们之间的阻尼质量9或变刚挺或变松。
该具体结构通过滑动颚11沿阻尼质量9的纵轴线移动给予第一和第二弹性座10a和10b以径向压缩，该结构还提供自动定心作用从而将阻尼质量9保持于中心腔6的中心。
此外，滑动颚11的凹面接合面11a和中心腔6的凹面封闭端6a分别具有在中心外伸的第一和第二止动部分12a和12b。这些止动部分12a和12b的尺寸应这样确定，使当可调谐的阻尼装置1被很紧地调节在第一和第二弹性座10a和10b受很大压缩的位置时阻尼质量9被固定地夹持和锁定在机座系统上。
如果需要辅助的阻尼，中心腔6可以部分地填充以呈现热稳定性和具有高粘度的阻尼流体。阻尼流体将提供任何辅助的阻尼，为了补充由第一和第二弹性座10a和10b所提供的阻尼这可能是需要的。部分填充中心腔6用于减小中心腔6的容积正如当第一和第二弹性座10a和10b被压缩时会有的情况。
可调谐阻尼装置1的调谐通过滑动颚11沿阻尼质量9纵轴线的移动来实现。该滑动通过调谐螺钉13有效地产生，螺钉13与第一部分3的侧孔13a螺纹联接。调谐螺钉13，当以顺时针或反时针转动被调节时，对调谐凸轮14施加一力，该凸轮14可滑动地装入侧孔13a内。调谐凸轮14通常是圆柱形的并具有楔部分14a。该调谐凸轮14又对推球15施加一力使其能最终通过位于第一部分3开口内螺纹端3a内的中心孔15a移动。推球15始终与楔部分14a接触从而与它协同运动。推球15同时与滑动颚11平的平面后部11b接触。因而，随着调整调谐螺钉13，滑动颚11可有效地沿阻尼质量9的纵轴线移动。
现在，参照图2，图中示出端铣刀16内所用的可调谐的阻尼装置1的另一种实施方案。端铣刀16包括含有一端16b的刀杆部分16a。端铣刀16优选地用刚性的金属材料例如碳化钨等制造。直径减小的部分16C是与刀杆部分16a成一体的并由刀杆部分16a的一端16b向外延伸。直径减小的部分16c包括在刀杆部分16a的对面的凹面端16d，圆柱形空心部分17，其内径略大于直径减小的部分16c的外径，被压配在直径减小的部分16c上。必要时可补加环氧树脂结构粘结剂。圆柱形空心部分17包括内螺纹开口端17a，圆柱形空心部分17与直径减小的部分16c的凹面端16d组合限定阻尼器腔18。
所定的阻尼器腔18包含阻尼质量19，阻尼质量19优选地用密实的重金属材料例如钨等制造。阻尼质量19通常是圆柱形的，具有第一和第二圆锥端20a和20b。阻尼质量19通过第一和第二弹性座21a和21b分别在第一和第二圆锥端20a和20b支承在阻尼器腔18内。第一弹性座21a置入阻尼质量19的第一圆锥端20a和直径减小的部分16c的凹面端16d之间。具有凹面接合表面22a和平的平面后部22b的滑动颚22把第二弹性座21b面对阻尼质量19的第二圆锥端20b夹持起来。滑动颚22的凹面接合表面22a保持与第二弹性座21b接触。第一和第二弹性座21a和21b优选地为通常可买到的O形圈形式并用高阻尼聚合物例如丁苯橡胶(SBR)或维顿(Viton)橡胶制造。与第一种实施方案一样，这样的结构通过端铣滑动颚22沿阻尼质量19的纵轴线移动也给予第一和第二弹性座21a和21b以径向压缩。此外，这样的结构还提供自动定心作用从而将阻尼质量19保持于阻尼器腔18的中心。
滑动颚22安置于阻尼器腔18的内部并用来实现可调谐的阻尼装置1的调节，在该端铣刀16的实施方案中，滑动颚22在调节完后用一夹紧装置固定在适当位置。该夹紧装置最优选地由夹紧螺钉23提供，夹紧螺钉23以螺纹连接直通邻近滑动颚22的圆柱形空心部分17。夹紧螺钉23接触滑动颚22并被拧紧以把滑动颚22固定于阻尼器腔18内从而防止滑动颚22移动。
作为把阻尼质量锁定在机座系统上并从而使可调谐阻尼装置1不起作用以便确定最大动态柔性振动模式的一种装置，滑动颚22的凹面接合表面22a和直径减小的部分16c的凹面端16d分别具有第一和第二止动部分24和25，用于在很紧的9调节时夹紧阻尼质量19。
第一和第二止动部分24和25分别从直径减小的部分16c的凹面端16d和滑动颚22的凹面接合表面22a在中心向外伸出。这些第一和第二止动部分24和25的尺寸应这样确定，使在可调谐阻尼装置1的很紧的调节时阻尼质量19被有效刚性地夹紧在机座系统上。
如果需要辅助的阻尼，包含阻尼质量19的阻尼器腔18可以部分地填充以呈现热稳定性和具有高粘度的阻尼流体。阻尼流体将提供任何辅助的阻尼，为了补充由第一和第二弹性座21a和21b所提供的阻力这可能是需要的。部分填充阻尼器腔18用于减小阻尼器腔18的容积正如当第一和第二弹性座21a和21b被压缩时会有的情况。
可调谐阻尼装置1的调谐通过滑动颚22沿阻尼质量19的纵轴线的移动来实现。该移动通过调谐螺钉26产生，调谐螺钉26以螺纹轴向直通可拆卸的调谐固定件27。调谐固定件27与圆柱形空心部分17的内螺纹开口端17a用螺纹联接从而确定调节螺钉26对滑动颚22的位置。调谐螺钉26当其在调谐过程中被调整时沿阻尼质量19的纵轴线移动。调谐螺钉26保持与滑动颚22平的平面后部22b接触直到夹紧螺钉被拧紧从而把滑动颚22固定于调好的位置为止，并接着将调节固定件27拆除，用切削头替换调节固定件27以进行各种切削工作。调谐固定件的尺寸最好应这样确定，使其质量非常接近切削头的质量以便在调谐过程中模拟切削头的存在。
参照图3，该图示出系统图，它显示出机床结构28、含有切削端部30a的切削工具29、振动传感器30、冲力锤31、调谐装置33和调谐装置结构上的各种电缆32。装有可调谐阻尼装置1切削工具29安装于机床结构28上，其次，振动传感器30靠近切削端部30a安装于切削工具29上以便检测切削工具29的振动运动。该振动传感器30可以是许多通常知道的传感器形式例如压电晶体基冲击锤、电容式位移传感器、电感/电涡流位移传感器、光反射传感器和加速度计。然而，最优选地，采用加速度计。
振动传感器30可利用螺钉、粘结剂或磁力装置连接于切削工具29上。另一方面，振动传感器30可以永久地埋入切削工具29内并装有用于电缆32的可拆卸的电接头。冲力锤31用于通过打击切削工具29给系统一个力输入。振动传感器30和冲力锤31利用电缆32连接于调谐装置33并可以经信号放大器或其他合适的信号处理硬件预处理。
调谐装置33包括模数转换器34(A/D)以便将检测的任何信号从它们的模拟形式转换为数字数据形式。转换的数据的处理和计算由微处理机35进行。调谐装置33可以是专用的基于微处理机的系统或可以在更一般用途的系统例如个人计算机来实现。调谐装置33还包括一个用户界面36，该用户界面36使操作者能够与系统进行交互式的交流。操作者与系统之间的交流通常包括向调谐装置33的输入量，该输入量决定要进行哪类调节以避免自由振动或颤振，以及求平均值的测定值的数目以改善测量值中的信噪比。
此外，用户界面36由调谐装置33向操作者传送信息例如在检测到主导振动模式(最大动态柔性模式)时，以及传送需要去完成的适当调节操作。因而，用户界面36包括操作者用来输入数据的装置例如键盘或触敏屏幕，以及将信息传回到操作者的装置例如光系统或，按优选的，字母/数字显示器。
微处理机35有能力同步采集两传感器信号并对那些信号进行傅里叶变换数字处理。微处理机35还控制为确定装有切削工具29的系统的最大动态柔性振动模式的动态模式识别程序。这些处理可以在专用系统的硬件上完成或，按优选的，通过工作于更一般用途的微处理机35的软件来完成。
现参照图4，所示为流程图，说明按调谐装置所指挥的调谐程序中完成的步骤。为清楚起见，流程图再分成几个不同的区域。流程图垂直分成三列：“操作者任务”、“用户界面任务”和“微处理机任务”。操作者任务是必须由调节可调谐的阻尼装置1的操作者完成的那些操作。用户界面任务到把发生于操作者、振动传感器30和调谐装置33之间的通信编列成表。微处理机任务列把在微处理机内部完成的任务编列成表。流程图又再分成主控模式任务37和调谐任务38，主控模式任务37中是涉及识别系统的主控振动模式(最大动态柔性模式)的那些任务，而调谐任务38中包括与可调谐阻尼装置的调谐有关的那些任务以便抑制识别出的主控振动模式。
根据图4中流程图与随后的讨论一起，调谐可调谐阻尼装置1的程序会更易理解。为了描述操作过程，将利用端铣刀16。操作者置调谐模式，步39，为了避免自由振动或颤振利用用户界面36，步40。然后操作者置需要平均的测定值的数目，这是为剔除噪声所希望的，步41，通过在内部置微信息处理机35以需要求平均的测定值的数目或通过置微信息处理机35根本不求平均值可以排除步41。然后，操作者把振动传感器30连接在切削工具29的切削端部3a附近同时把切削工具29安装在机床结构28内，步42。操作者然后通过把可调谐阻尼装置调谐到其最刚性的位置后锁定阻尼质量19，步43。这将把阻尼质量19锁定在第一和第二止动部分24和25之间或只是压缩第一和第二弹性座21a和21b到足以迫使可调谐阻尼装置1的振动模式达到比系统的主控振动模式的频率高得多的一个频率。
随着阻尼质量19现在被锁定，操作者通过用冲力锤31靠近工具切削端部30a打击切削工具29给切削工具29以激振力，步44。现在出现在切削工具29上，由激振力引起并由振动传感器30检测的振动因而变成相应的模拟信号并随后转换为数字数据，步45，数字数据然后由微处理机35记录，步46。优选地，信号被同时采样且采样是由冲力锤31的输入触发的，微处理机35然后检验记录的数据的合格性，步47。
检验合格性可以采用几种不同的方法进行，例如估计表现冲力锤31对切削工具29的冲击的时域信号以便观察是否有多重影响，或者最好是，通过在频域内考察检测的切削工具29的振动响应并检验在所有关心的频率方面有否足够的频谱含量。如果确定记录的数据是不合格的，用户界面36将指示操作者需要重新施加激振力，步48。如果确定记录的数据是合格的，则计算振动的位移-冲击力的传递函数，步49。
该传递函数可以利用加速度、速度或位移表示。任何这些形式在数学上能容易地变为其他形式。计算传递函数最好通过对冲力锤31对切削工具29打击所产生的冲力和对振动传感器30所检测到的振动响应进行的傅里叶变换分析来完成，进行对冲力和振动响应的傅里叶变换分析以后，就形成它们的比值。
不论要按实部或幅值计算的传递函数是哪种形式，将由希望的振动状态来决定，这种振动状态正是系统为自由振动或颤振调谐的状态，如果选择了求平均值，微处理机35计算与任何以前计算的传递函数相结合的当前的传递函数的平均值，步50。然后将求平均的测定值的数目与选定的数目比较。如果求平均的信号的数目小于要被平均的给定的数目，指示操作者重新施加激振力，并告知操作者当前的求平均的数目，步51。重复这样的过程直到获得了选定的求平均的数目。微处理机35然后利用动态模式评估技术和算法确定最大动态柔性振动模式，步52。该最大动态柔性振动模式最终是被锁定系统的基于复频率的传递函数的形式。
当已经确定了最大动态柔性振动模式时，用户界面36指示操作者可以开始调谐程序，步53，调谐程序以操作者把阻尼质量19从锁定的位置再放松开始，步54。然后操作者再对切削工具29施加激振力，步55。然后检测到的振动响应数据被变换为数字形式，步56，并且数字数据由微处理机35记录，步57。数据的合格性按以上讨论的同样方式来决定，步58。
然后操作者或被提醒再度施加激振力，步59，或数据已被决定是合格的并按照系统正要调谐的希望的振动状态建立传递函数，步60。然后根据选定的求平均值的数目求传递函数的平均值，步61，并且重复这个过程直到达到选定的求平均值的数目，步62，然后微处理机35比较传感函数在最大动态柔性振动模式的区域的峰值高度以确定将需要完成什么样的具体调谐，步63。
比较峰值高度的具体方式由系统正要调节的振动状态来决定。如果峰值高度开始不在由系统正要调节的振动状态所决定的适当调谐容差内，则相互比较各峰值高度和微处理机35据此指挥调谐，步65。在指挥调谐调整时，微处理机35指示操作者如果较高频率是主控的就拧紧调谐螺钉26，步66。如果较低频率是主控的，指示操作者放松调谐螺钉26，步67。操作者然后按照调谐装置33内微处理机35的指示进行调谐操作，步68。这些调节过程反复进行，直到可调节阻尼装置被最优地调节在适当调谐容差内。
当在图表格式上观察振动响应时，通常是观察到单振动模式，该振动模式比其他振动模式具有大得多柔性(基本上所有采用可调节阻尼装置1的那些系统都被证实了)，原因是系统的表现就象单自度系统一样。然而，加上含有阻尼质量19的可调谐阻尼装置1，系统将表现出两自由度振动系统的响应。因而对于自由振动情况，在最大动态柔性模式的区域内的复位移-力传递函数的绝对值的峰将分成两个峰。当可调谐阻尼装置1被最优调节时，这两峰的高度将相等。此外，当可调节阻尼装置1被下调时较低频率峰值高度将小于较高频率峰值高度而在可调谐阻尼装置1上调时正好与这种模式相反。
对于自激振动(颤振)情况，可调谐阻尼装置1被最优调节到位移-力传递函数的实部负峰高度被减至最小时。为了调节到这种状态，由于第二振动模式的正实峰被用来抵消第一振动模式的负实峰。这也导致在最大柔性振动模式区域内负实传递函数内的两峰。当可调谐阻尼装置1被最优调节到抑制自激振动时，这两负峰将具有相同的高度。此外，当可调谐阻尼装置1下调时较低频率峰高度小于较高频率峰高度而在上调时正好与这种模式相反。因而，除了对不同的数据操作外，调谐可调谐阻尼装置1的算法对两种调谐模式可以是同样的；在自由振动模式中，采用在最大动态柔性模式的区域内相应于复传递函数绝对值的数据，而在自激模式(颤振)中采用在具有最大负实峰的模式区域内相应于复传递函数负实部的数据。
现参照图5a、5b和5c，这些是在自由振动模式下测定的幅值传递函数的有关图解，用来说明没有可调谐阻尼装置1的一典型系统和加上经最优调谐的可调谐阻尼后的同一系统的情况。图5a示出呈现两不同振动模式的典型系统的幅值传递函数。次级模式69位于大致320Hz处而主控模式70位于大致100Hz处。在这次级和主控模式69和70每一处的幅值传递函数的峰值高度是在那个具体模式中柔性的指标。图5b中，将最优调好的可调谐阻尼装置1加到系统上，可以看出已把主控模式70分成适合于两自由度系统的第一和第二模式71和72。
图5c示出同一系统以更大规模加上通过上述降低自由振动响应的过程最优调好的可调谐阻尼装置1以后的幅值传递函数。其合成的第一和第二模式71和72已被调节到大致具有同样的动力刚度，即同样的峰值高度。
现参照图6a，6b和6c，这些图所示为一典型系统的实传递函数的有关图解，这些图解是按在自激模式(颤振模式)而没有加上任何可调谐阻尼装置1和对同一系统加上最优调好的可调节阻尼装置1所测定的。图6a示出系统具有大致320Hz的次级模式73和大致100Hz的主控模式74的实传递函数。图6b中，同一系统的实传递函数示出加上最优调好的可调谐阻尼装置1的影响，它使主控模式74分成了第一和第二主控模式峰75和76。
图6c示出以更大规模通过上述提高系统对颤振的抗力的过程最优调好的同一系统的实传递函数。可调谐阻尼装置1用于降低传递函数最大负实部的高度，产生两主控模式峰75和76，它们在调谐后被调节到大致有同样的幅值以便获得对颤振的最大系统抗力。
本公开内容包括附属的权利要求中包含的内容以及以上描述的内容。虽然本发明以具有一定程度的特殊性的优选形式作了描述，应该理解：本优选形式的公开内容仅是例示性的，可以采取的在结构和组合的细节以及零件的安排方面的许多变化而不背离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于机加工设备的可调谐阻尼系统，该可调谐阻尼系统包括：
a)切削工具夹持架装置，包括阻尼质量和弹性支承该阻尼质量的可调支承装置；
b)用于调整该支承装置的弹性的调谐装置；
c)用于暂时锁定阻尼质量以便于确定阻尼模式参数的锁定装置；
d)调谐辅助组件，包括微处理机与该微处理机电连接的模数转换器、安装在切削工具夹持架装置上并与A/D转换器电连接的振动传感器、使切削工具夹持架装置振动并电连接模数转换器的冲击、以及编程装置；
e)该编程装置使微处理机在阻尼质量被锁定时评估在由冲击传递给切削工具夹持架的力与由模数转换器来的代表由冲击装置引起的切削工具夹持架振动的信号之间的关系，并根据该评估值确定该切削工具装置的最大动态柔性振动模式；
f)该编程装置还使微处理机在阻尼质量未被锁定时评估在由冲击器械传递给切削工具夹持架的力与由模数转换器来的代表由冲击装置引起的切削工具夹持架振动的信号之间的关系，并根据该两评估值确定需要对上述调谐装置作什么样的修正调整以使切削工具夹持架装置的振动减至最小，由此上述调谐组件便于控制调谐程序。
2.按权利要求1所述的可调谐阻尼系统，其特征在于上述调谐装置包括一滑动件。
3.按权利要求2所述的可调谐阻尼系统，其特征在于：上述调谐装置还包括调谐螺钉、处于可滑动地与该调谐螺钉接触的调谐凸轮、和置入调谐凸轮和上述滑动件之间并与它们接触的推球，由此调谐螺钉对调谐凸轮施加力，调谐凸轮又将力传给推球而使上述滑动件易于与推球协同移动从而调整上述支承装置的弹性。
4.按权利要求2所述可调谐阻尼系统，其特征在于：上述调谐装置包括可拆卸地连接于阻尼装置上的调谐固定件，该调谐固定件具有与其螺纹接合的调谐螺钉，由此该调谐螺钉处于与上述滑动件接触的位置从而便于该滑动件移动以便容易调整上述支承装置的弹性。
5.按权利要求3所述可调谐阻尼系统，其特征在于支承装置包括至少一个O形圈。
6.按权利要求5所述可调谐阻尼系统，其特征在于阻尼质量用高密度金属制造。
7.按权利要求6所述可调谐阻尼系统，其特征在于阻尼系统的阻尼质量与有效的系统质量之比在10-60％范围内。
8.按权利要求7所述可调谐阻尼系统，其特征在于；阻尼系统包括一个内腔，内腔至少部分地填充以具有在系统工作温度上相对稳定的热性能的高粘度油。
9.按权利要求2所述可调谐阻尼装置，其特征在于：锁定装置包括从滑动件和内腔外伸的第一和第二止动部分，由此第一和第二止动部分在支承装置被压缩至最大时将阻尼质量刚性地夹紧在它们之间。
10.一种用于调节可调谐阻尼系统的方法，包括以下步骤：
a)选择调谐模式；
b)锁定阻力质量；
c)确定最大柔性振动模式；
d)放松阻尼质量
e)以传递函数-频率关系的形式记录振动响应测定值以确定主控模式的峰值；和
f)调整调谐装置以便使主控模式各峰高度相等而为选定的调谐模式获得最优调节。
11.按权利要求1的可调谐阻尼系统，其特征在于振动传感器是加速度计。
12.按权利要求10所述可调谐阻尼系统的调节方法，其特征在于该调谐装置的调整还包括把最大柔性振动模式与预置的调节容差限比较的一步。
13.按权利要求1所述可调谐阻尼系统，其特征在于调谐辅助组件还包括用户界面，上述编程装置使微处理机将修正的调整传送给用户界面从而告知其使用者。
14.按权利要求1的可调谐阻尼系统，其特征在于：编程装置为用户界面在要被调节的至少两种振动形式之间提供一种选择，用户界面包括为使用者选出该选择的一种形式的方法，编程装置使微处理机根据作出的选择确定不同的修正调整。
15.一种调谐辅助组件，包括微信息处理机、电连接于微处理机的模数转换器，适于安装在切削工具夹持架装置上并电连接于A/D转换器的振动传感器、使切削工具夹持架装置振动并电连接于A/D转换器的冲击装置、和编程装置；
上述编程装置使微处理机在阻尼质量被锁定时评估在由冲击装置传递给切削工具夹持架的力与由模数转换器来的代表由冲击装置引起的切削工具夹持架振动的信号之间的关系，并根据该评估值确定该切削工具装置的最大动态柔性振动模式；
上述编程装置还使微处理机在阻尼质量未被锁定时评估在由冲击装置传递给切削工具夹持架的力与由A/D转换器来的代表由冲击装置引起的切削工具夹持架振动的信号之间的关系，并根据该两评估值确定需要什么样的修正调节调整以使切削工具夹持架装置的振动减至最小，由此上述调谐组件便于控制切削工具的调谐程序。
16.按权利要求15的调谐辅助组件，其特征在于，还包括用户界面，并且编程装置使微处理机将修正的调整传送给用户界面从而告知其使用者。
17.按权利要求16的调谐辅助组件，其特征在于：编程装置为用户界面在要被调节的至少两种振动形式之间提供一种选择用户界面包括为使用者选出该选择的一种形式的方法，编程装置使微处理机根据作出的选择确定不同的修正调整。
18.按权利要求16的调谐辅助组件，其特征在于，编程装置使微处理机在为包括可锁定和不锁定阻尼质量的可调谐阻尼装置确定修正调整时执行以下步骤：
通过用户界面指示使用者锁定阻尼质量；
确定该可调谐阻尼装置的最大柔性振动模式；
通过用户界面指示使用者放松阻尼质量；
以传递函数-频率关系的形式记录振动响应测定值以确定主控模式的峰值；和
通过用户界面指示使用者调整可调谐阻尼装置以便使主控模式各峰高度相等而达到最优调节。
19.按权利要求17的调谐辅助组件，其特征在于编程装置使微处理机在为包括可锁定和不锁定阻尼质量和含至少两种不同的振动模式的可调谐阻尼装置确定修正调整时执行以下步骤：
通过用户界面指示使用者为调节该装置选择一种振动形式；
通过用户界面指示使用者锁定阻尼质量；
确定在选定的振动形式下可调谐阻尼装置的最大柔性振动模式；
通过用户界面指示使用者放松阻尼质量；
以传递函数-频率关系的形式记录振动响应测定值以确定主控模式的峰值；和
通过用户界面指示使用者调整可调谐阻尼装置以便使主控模式各峰高度相等而达到为选定的振动模式的最优调节。
20.按权利要求19的调谐辅助组件，其特征在于两可选择的不同振动形式是自由振动和自激振动。
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