CN1478006A - 切割工具的减振方法及其减振装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用控制装置来控制减振装置的减振力的方法，要把该减振装置与一用于金属碎片清除加工的金属工具相连接并抑制其中反馈的振动，包括利用与所述控制装置连接的传感器检测工具的振荡运动，利用该控制装置识别振荡运动的相位，利用该控制装置驱动所述减振装置，使所述减振装置产生其频率与工具振荡运动的频率基本上相同的机械减振力，根据本发明，把该控制装置设置得可产生与工具的速度方向相反的减振力。本发明还涉及一种用于碎片清除加工的金属工具以及一种用于该金属工具的减振装置。

Description

切割工具的减振方法及其减振装置
技术领域
本发明涉及一种利用控制装置来控制减振装置的减振力的方法，要把该减振装置与用于金属碎片清除加工的金属工具相连接，还可抑制其内的反馈振动，包括如下步骤：
利用与所述控制装置连接的传感器检测工具的振荡运动，
利用该控制装置识别振荡运动的频率、幅度和相位，
利用该控制装置驱动所述减振装置，使所述减振装置产生其频率与工具振荡运动的频率基本上相同的机械减振力。
本发明还涉及这种减振装置以及这种机械结构。
背景技术
用于碎片成型加工的金属工具可以受到由作用力产生的振动或者再生振荡(振动)的作用；参见Marcel Dekker出版公司的出版物ISBN：0-8247-9579-2，由Stephenson和Agapiou所著的“金属切割理论与实践(Metal Cutting Theory and Practice)”。根据这篇文献，瞬间的切割力可产生由作用力引起的振动，由于动态切割过程构成了一闭环系统，因此可产生再生的振动。本专利申请仅涉及再生振动(即，称作自发或者反馈振荡或振动)。
以前是采用纯机械减振方法对用于碎片清除加工的工具进行减振，其中，轴内形成有腔体，该腔体内设有诸如重金属的抗振荡配重块。这样做时，可调整配重块的重量和位置，以便在特定的频率范围内进行减振。之后，用诸如油之类的粘稠液体填充腔体，再将腔体堵塞。但是，这种技术只是在下列情况下是可行的，即从固定装置悬挂的轴的长度大约是其直径的4-10倍时。还有其它的限制，纯机械减振方法的一个明显缺点是，频率范围太大，在这种频率范围内减振作用非常有限。另外的不便之处是在轴中形成的腔体会导致其强度减弱。
在所有其它技术领域中，基于应用情况所采用的减振技术，除了其它部件之外，已经开始研发更有效的压电元件。压电元件大多数情况下通常由诸如陶瓷类型的材料组成，这种材料在一特定的方向，即极化方向上压缩或者拉伸时会在同一方向上产生电场。压电元件的形状通常为具有一极化方向的矩形板，该极化方向平行于该板的主轴。通过把压电元件连接到包括一控制模块的电路，并在极化方向上压缩或拉伸压电元件，就可产生流入该电路的电流，包含在该控制模块中的电阻元件根据公知的物理性质产生热量。在这种过程中，振动能量转化为热能，从而被动地进行减振，但是并不对振动产生效果。而且，通过利用电阻和反作用元件的适当组合(所谓的分流器)所构成控制模块，可非常有效地选择频率进行减振。优点是，把这种频率称作物体显式“固有模式”的“固有频率”，最好是激发这些模式。
相反，可通过在压电元件上施加电压而使压电元件压缩或者拉伸，在此期间，可将该压电元件用做控制或者操作装置(执行器)。在该连接方式中，通过选择所施加电压的极性，把这种连接作为主动振动控制，使操作装置的机械应力作为一种外部机械应力作用在相反方向上，实际上通过防止另一种惯性能量(如转动能量)转换成振动能量，而抑制振动的出现。在此过程中，利用来自于变形感应传感器的反馈信号产生与应当受到抑制的外部机械应力同步的供电电压，这种反馈信号提供到一控制装置，该控制装置的结构是一种诸如可编程微处理器之类的逻辑控制电路，在该微处理器中对该信号进行处理，以控制在操作装置上提供的电压。在这种连接方式中，可将其控制功能(即来自于传感器的输入信号和输出电压的关系)设计得很复杂。例如，为适应情况的变化，可设计成一种自学习系统。可由诸如第二压电元件之类的变形感应设备单独组成该传感器，或者与操作装置共同组成该传感器。
在1995年11月的机械工程(Mechanical Engineering)的第76-81页中描述了一些实例，以及为减振目的而应用压电元件的当前发展领域。为了抑制不希望的振动，高山滑雪用的雪橇(美国K2 Four ski，K2Corp.)就安装了压电元件，另外还减少与地面的接触，从而减小了滑雪者对稳定性和雪橇控制性的预期。而且，该文献中还提及了下列应用，即增加飞机机翼的稳定性、提高摩托车的舒适性、抑制直升机马达叶片和转轴的振动、制造弹性件时控制处理平台的振动、以及增加军用武器的准确度等。根据美国的Active experts(ACX)公司(压电元件的制造商)的文献记载的信息，也提及到滑雪板的振动控制方法。
从SE-A-9900441-8中可知，在其引言中描述了这类方法，还描述了这种减振装置及其机械结构。
这种类型的减振装置并不适用于因作用力而产生的振动，而只能适用于再生振动，即反馈振动，例如当工具中机械反馈受到很小的干扰时，工具就会在机械加工时产生振动。这种机械反馈可能使振荡运动增加，进而在加工的毛坯上产生不希望的不平表面，而且会降低工具的寿命。
在SE-A-9900441-8中，并没有明确说明是怎样把减振力施加在机械结构上的。但是迄今为止，抑制振荡运动的公知方法仍然是给出一个与振荡运动相位相反的作用力。只要所涉及的频率很低，这一过程就工作得很好。在较高的频率时，比如大约500Hz以上时，就很难不产生相差就能提供一反作用力。如果产生了相差，振荡运动和减振力不平衡消失的危险就会产生，从而会相互部分地放大，进而不能把振荡运动抑制在理想的程度。因此，可假定这种减振工作就是，使反向作用力很大程度地与振荡运动的相位对准。
在SE-A-9803605-6、SE-A-9803606-4、SE-A-9803607-2、US-A-4849668、DE-A-19925193、EP-A-0196502、US-A-5485053以及JP-A-63180401中描述了其它类型的压电减振装置。
在碎片清除加工期间，例如转动或者钻孔期间，发生振动的问题并不少见，特别是在下列情况下，即固定装置外面(也称作悬挂)的轴或者工具的长度至少大于其直径3倍时。有一种类型的振动是弯曲振动，轴来回弯曲并发生弯曲变形。这种现象产生一种常见问题，例如转动期间，特别是内部转动期间，为了到达将被加工工件区域，呈钻孔棒形状的轴很长，同时长条的直径受到在其内进行加工的钻孔尺寸的限制。这种碾磨期间，进行转动和碾磨操作，与工件间的距离很大，要使用延长件，会造成频繁地弯曲振动，这样不但会损坏尺寸准确度并使工件不规则，还会降低工具和切割插入件或者加工部件的服务寿命。
发明概述
本发明的目的就是为了改进对具有再生振荡运动的切割工具的减振装置的控制。
上述目的可分别利用根据介绍部分所述的一种方法和一种减振装置实现，所设置的控制装置可产生与切割工具的速度方向相反的减振力。这就意味着减振力在工具运动速度相反的方向上使工具发生变形。
以这种方式中，不会产生振荡在不平衡中结束的危险，就能对再生运动进行减振，进而不需要很高的准确性，就能相对于所施加的减振力而产生的相位移动，在振荡移动中输送更多的能量，即减振力将稳定地抑制速度，并且为了获得最大的减振效果，总是施加最大的减振力。但是，由于在振荡运动结束时的速度很低，所以此刻的最大力是次要的。因此，重要的是减振效果大于切割过程的分布，使再生振荡渐渐消失，并采用诸如转轴或者钻孔长条之类的机械结构实现平稳的切割过程。
最好是，把控制装置设置得可施加相对于振荡运动为60°-120°或者240°-300°的异相相位的减振力。适当的，把控制装置设置得可施加相对于振荡运动为70°-110°或者250-290°的异相相位的减振力。最好是，把控制装置设置得可施加相对于振荡运动为80°-100°或者260°-280°的异相相位的减振力。采用这样的方式可更快速地对振荡运动进行减振。当把控制装置设置得可施加相对于振荡运动为90°或者270°的异相相位的减振力时，可得到最佳效果。
最好是，所设置的控制装置可启动所述的减振装置，从而使其可产生与所述振荡运动的速度方向相反的作用力。当施加相对于振荡运动为60°至120°的异相相位的减振力时，就可产生同方向的力，同时施加相对于振荡运动为240°或者300°的异相相位的相反方向的作用力。
所设置的控制装置最好在50-1500Hz范围之内产生减振力。
适当地，在减振装置中至少包括一个压电元件。可供选择地，减振装置可以是一种液压缸或者气压缸、或者一种电磁装置。
所述机械结构最好包括一用于碎片清除加工的工具。
附图简要说明
下面参照附图更详细地说明所述机械结构。
图1是示意性侧视图，示出振荡(第一谐振频率)时发生弯曲变形期间一种工具轴结构的狭长本体。
图2的曲线图表示本体的弯曲扭矩。
图3是与固定端连接的本体的切割端部的侧视图，用于表示弯曲变形期间本体应力与拉伸长度成正比。
图4是一工具轴的透视图。
图5是带有圆形横截面的碾磨工具的长条拉伸杆的透视图。
图6-8是不同的实施例中带有正方形横截面的工具的透视图。
图9是安装在一托架中的用于主动减振的工具的透视图。
图10是用于被动减振的一可替代实施例的类似透视图。
图11简要表示与振荡相位相反的作用力对振荡运动进行减振的过程。
图12-13简要根据本发明所述对振荡运动进行减振的过程。
具体实施方式
在图1中示出了一种工具中呈杆形或者长条形的狭长本体1，在旋转或者碾磨期间，可使这种本体夹住一个或多个插入件。该本体1设有一固定端2以及一自由的外端3。该本体设有一外表面4，如果该本体呈圆柱形，则可以组成一封闭的表面。如果该本体呈多边形，例如横截面呈正方形，则该本体还可包括多个平面。本体1的横截面可以是任意形状的，但是，大多数情况下通常呈圆形或者正方形。在图1中，数字5表示这样一种部件，即在该部件中，可固定住从固定部件延伸出的悬臂式的本体1。在图1中，所示的本体1处于一种在第一种弯曲的“固有模式”下发生变形的状态。
进一步地，图2的曲线图表示在此情况下弯曲力矩M是怎样沿本体发生变化的。从该曲线图中可以看出，在固定端2处或者固定端附近产生最大弯曲力矩，进而也产生一最大拉伸。对所有较低级的模式来说，这种情况很正常，在用于碎片清除加工的工具弯曲振动期间，较低级模式的正常能量方式占有优势。
图3示出了在固定端区域中，通过弯曲使其发生变形的图1所示的部分本体1。在这种连接方式中，示出了在本体的横向方向中弯曲变形处是怎样发生拉伸的(鉴于图示的原因，非常夸大了拉伸部分)。如图所示，可在本体的封闭表面或者外表面4处产生最大拉伸。
图4中，简要示出了一长条或者一长杆的基本结构，图中两个板式矩形的压电元件8固定在长杆的相对纵向平表面4上，长杆的横截面为正方形。压电元件8设置在长杆固定端2的附近区域。在长杆的外端3上设有一呈切割插入件9结构的加工部件。因此，把压电元件8设置在发生弯曲变形期间产生最大拉伸的区域中。尽管这一位置是最佳的，但是其他位置也是可行的。进一步地，压电元件8的主要表面的取向基本平行于长条或者长杆1的平表面4，而且其主轴基本平行于长杆或者长条1的拉伸长度，在此状态下，弯曲振动时的压电元件8将发生变形，同时还保持矩形形状。
图5中示出了一实施例，其本体1包括一用于设有圆形横截面碾磨工具的长条延伸杆。在此结构中，在长条延伸杆的自由端3处，靠近碎片凹陷10设置一呈切割边缘结构的碎片形成加工部件9。压电元件8固定在位于固定端2附近区域中的长条延伸杆的封闭表面4上。压电元件8的主轴平行于长条延伸杆的拉伸长度。因此，采用这种取向，压电元件8也可在此处最有效地减少弯曲振动。
为了同时减少弯曲振动和扭曲振动，最好由多个压电元件构成该工具的轴，一些这种压电元件长侧面的取向基本上平行于该轴的拉伸长度，而其他压电元件的取向与该拉伸长度大约成45度的角度。可供选择地，一个或多个压电元件在所述方向之间还有其他取向。
压电元件通常是易碎的，特别是这种陶瓷型的压电元件。因此，为了适应环境的要求，要对压电元件采取某些形式的保护，以便使其服务寿命满足要求。
在图6-8中，示出了横截面为正方形的工具轴，采用可选择的方法固定并保护压电元件8。在所有结构中，压电元件设置在固定部件5的附近区域(同样的方法包括一传统的夹持装置，其中的工具是可拆卸安装的)。
图6中，压电元件安装在埋头孔1中，并且最好覆盖一层诸如环氧类的保护层。
图7中，假设把压电元件安装在埋头孔11中，并覆盖一坚硬的盖12。
图8中，例如采用粘贴方式把压电元件8安装在轴的外部。这些选择方式只能在实例中见到，图6和7中所示的结构是最佳的。可以理解，针对压电元件的同种保护方法与工具轴的横截面形状无关。
压电元件可以和其电控装置或者导向装置结合在一起。在图9和10中示出了怎样把工具1与这种控制装置安装在一起。在这些结构中，把工具安装在托架13中。图10中，示出了采用控制模块14形式的用于减振的控制装置，该控制模块14设置在固定端2和电连接件15附近，一个或多个压电元件8通过这些电连接件15与控制模块14连接，以便单独或者共同控制各自的压电元件。该模块14包括至少一个电阻元件。最好是，控制模块14还包括一个或多个分流器，采用分流器可使所选择的频率特别有效地进行减振。
图9表示用于主动减振的控制装置，其结构为独立式的逻辑控制电路16，例如可编程微处理器，用于单独或者共同控制(通过简易示出的电连接件15)提供到压电元件8上的电压。实际上，在此情况下，电连接件15包括集电靴等。
还有，如果在图10所示的实例性实施例中，用于主动减振的压电元件可同时作为操作装置和传感器，分别利用操作装置和传感器实现两种同样的功能是可行的，其中，该传感器不需要包括压电元件。尽管分别示例性示出的控制模块14和逻辑控制电路16的位置是最佳的，但是其他设置位置也是可行的。例如，就象逻辑控制电路16一样，构成与工具独立的控制模块14也是可行的。把控制模块14设置在固定端附近的优点是，把模块与压电元件连接起来很简单，同时很易容易保护处于独立位置的压电元件不受到机械作用的破坏。
尽管把压电元件用做减振器，仍然可以获得一用于碎片清除加工的坚固工具，能够在很宽的频率范围内对弯曲振动产生主动减振。而且，一方面，所提供的工具对于其本身的工具以及它的其它切割部件或者机械部件来说具有较长的服务寿命，另一方面，还可提高机械加工件的表面质量。另外，与先前公知的工具相比较，通过降低高频噪声，可改进工作环境。
图11简要表示在一机械结构中，那些不期望的振荡运动是怎样衰减的。与振荡运动22的方向相反的相同相位作用力20快速平息了振荡运动22。但是，考虑到相位的准确性，这样做需要有非常大的准确度。如果产生了相位误差，反向作用力就会与振荡运动具有部分相同的方向，这样就有可能不能理想地平息振荡运动。
图12简要表示根据本发明所述机械结构的振荡运动的衰减过程。
传感器检测到振荡运动。把信号传输到控制装置，该控制装置对信号进行处理，并通过分别定义跨过零值的正负指，确定振荡运动的相位。该控制装置还可计算振荡幅度和频率。
之后，控制装置向减振装置(执行器)发出一控制信号，该减振装置产生与工具的速度方向相反的作用力。该相位相对于振荡运动来说移动四分之一、或者四分之三波长。
图13中示出了在降低振荡幅度以避免产生新的振动时，减小的反向作用力是怎样施加的，因此很容易进行控制。

Claims (21)

1.一种利用控制装置来控制减振装置的减振力的方法，该减振装置与用于金属碎片清除加工的金属工具相连接，还可抑制其内的反馈振动，该方法包括如下步骤：
利用与所述控制装置连接的传感器检测工具的振荡运动；
利用该控制装置识别振荡运动的相位；
利用该控制装置驱动所述减振装置，使所述减振装置产生其频率与工具振荡运动的频率基本上相同的机械减振力，其特征在于把该控制装置设置成可产生与工具的速度方向相反的减振力。
2.如权利要求1所述的方法，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为60°-120°或者240°-300°的异相相位的减振力。
3.如权利要求1所述的方法，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为70°-110°或者250-290°的异相相位的减振力。
4.如权利要求1所述的方法，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为80°-100°或者260°-280°的异相相位的减振力。
5.如权利要求1所述的方法，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为90°或者270°的异相相位的减振力。
6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中把该控制装置设置成可驱动所述减振装置，使该减振装置产生与所述振荡运动的速度方向相反的力。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其中将控制装置设置成可在50-1500Hz范围之内产生减振力。
8.如前述任一权利要求所述的方法，包括在减振装置中设置至少一个压电元件。
9.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，包括在该减振装置中设置至少一个液压缸或者气压缸。
10.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，包括在该减振装置中设置至少一个电磁装置。
11.一种减振器，包括：减振装置，把该减振装置设置成与用于金属碎片清除加工的金属工具相连接；控制装置，与所述减振装置连接，以控制所述减振装置的减振力；传感器，与所述控制装置连接，以检测工具的振荡情况；把该控制装置设置成可识别振荡的幅度、频率和相位，并驱动所述减振装置，从而使该减振装置产生其频率与工具振荡运动的频率基本上相同的机械减振力，其特征在于，把该控制装置设置成可产生与工具的速度方向相反的减振力。
12.如权利要求11所述的减振器，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为60°-120°或者240°-300°的异相相位的减振力。
13.如权利要求11所述的减振器，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为70°-110°或者250-290°的异相相位的减振力。
14.如权利要求11所述的减振器，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为80°-100°或者260°-280°的异相相位的减振力。
15.如权利要求11所述的减振器，其中把控制装置设置成可施加相对于振荡运动为90°或者270°的异相相位的减振力。
16.如权利要求11-15中的任一项所述的减振器，其中把该控制装置设置成可驱动所述减振装置，使该减振装置产生与所述振荡运动的速度方向相反的力。
17.如权利要求11-16中的任一项所述的减振器，其中把控制装置设置成可在50-1500Hz范围之内产生减振力。
18.如权利要求11-17中的任一项所述的减振器，其中该减振装置包括至少一个压电元件。
19.如权利要求11-17中的任一项所述的减振器，其中该减振装置包括至少一个液压缸或者气压缸。
20.如权利要求11-17中的任一项所述的减振器，其中该减振装置包括至少一个电磁装置。
21.一种金属工具，包括根据权利要求11-20中的任一项所述的减振器。
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