CN1874864A - 用于抑制工具架震动和偏差的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在加工中减震和/或控制物体(2，10)弯曲的装置，所述装置包括至少一个可作为力施加装置或减震装置的力交换装置(7)。这种力施加装置(7)用于施加一个力，该力的一个分力成直角方向作用于物体表面；和/或用于施加一个作用于物体(2，10)的力矩。此种减震装置(7)用于吸收物体(2，10)产生的震动并能够削弱直角方向作用于物体表面的分力或吸收该物体产生的力矩。

Description

用于抑制工具架震动和偏差的装置
技术领域
本发明涉及一种在机械加工时用于衰减震动、以及用于抑制工具和工件弯曲的方法和设备。
背景技术
机械加工，如车削、钻孔或铣，经常会引起震动和弯曲的问题，特别是当工具未固定部分或悬臂部分的长度超过其直径的4-5倍时。
震动和弯曲是紧密相联的。当将刀齿(tooth)作用于工件时，首先会产生一个施加到刀齿上的切削力所造成的中度弯曲(medium flexion)。当工具在震动时，在该中度弯曲上下出现往复的运动(见图1)。如果由切削力产生的频率接近工具的共振频率，这种往复运动将会增强。
震动问题通常发生在内部切削，此时需要深度切削并且不太可能增加工具架的直径。弯曲震动和扭转震动这两类震动尤其容易产生问题。这些震动将导致生产率低、表面光洁度差、减少工具工作寿命，并且它们常常妨碍加工。
由于工具弯曲，在该切削操作下将无法获得期望的尺寸或形状。通过调节中度弯曲，工件能够接近期望的尺寸或形状。操作者也能通过控制中度弯曲以得到最终产品的形状，否则该产品需要一个特殊的工具来加工。
工件，特别是有薄壁横截面的工件，它们也容易遭受到类似的中度弯曲和震动的问题。通常工件弯曲而工具静止不动。
机械加工中的减震迄今通常通过使用被动机械减震器来实现，该减震器中大量重型材料由弹簧和减震元件(双质量系统)在工具中轮流支撑(例如见美国专利5.413.318号)。与机械减震器相关的问题是如(i.a.)重型材料是昂贵的，每个工具限定了特定的悬壁长度，并且减震器在工具架中占有空间，因而使工具稳定性削弱。润滑油(materials oil)和橡胶经常被使用，但它们可能性质不稳定，并随温度和工作寿命的改变而变化。另外，该减震系统对于可获得多低的频率是有局限性的。同样，在双质量减震器中额外增加的质量将破坏旋转于较高转速的工具的平衡。
工具架可以主动减震，例如，通过使用压电致动器。这样的力致动器先前被用于(i.a.)被动式电动减震器，如在滑雪橇、网球拍、高尔夫球棍中的分路式致动器(shunted force actuator)。在主动系统中有代表性的压电致动器是与工具架浑然一体或连接于工具架内部或外部。然后该致动器通过剪切力向工具传递力。一个控制系统，典型的如一个自适应调节系统，依靠传感器的信息控制致动力，典型的传感器是加速度计。为了能够以尽可能好的方法衰减工具中的震动，致动器应置于接近工具架夹具的位置。与所述致动器位置有关的问题是，事实上该致动器不允许沿突出物方向上的挠性。而且，为了克服在刃尖最远处的运动，由于所需要的剪切力很大，传向工具的力将无效。
在先技术包括将致动器直接置于工具架上或凹进工具架袋中，然后将致动器产生的力通过剪切力传递给工具架。利用致动器的这种夹具，致动器相应于突出物的长度和力向将被锁定。
发明内容
本发明解决或至少减轻了上述现有技术中的问题。
本发明提供了一个用于在加工时减震和/或控制物体弯曲的装置，区别在于该装置包括至少一个力交换装置，用于交换一个含有分力的作用力，该分力成直角方向直接作用于物体表面，和/或该力交换装置用于直接的或通过一个机械杠杆来交换物体和该装置间的力矩。
在一个实施例中，该装置包括一个挠矩(bending moment)传递装置，用于在至少一个力交换装置和物体之间传递挠矩。该挠矩传递装置可以包括一个环绕物体的力传递装置。在进一步的实施例中，该力交换装置安装于物体的固定支点和力传递装置之间，并且该力交换装置连接在该固定支点上或凹于固定支点内。进一步地，所述挠矩传递装置包括一个用于固定力交换装置的调位装置，该调位装置环绕物体，并且该力交换装置可以被置于力传递装置和调位装置之间。一种弹性材料可以置于力传递装置和调位装置之间。该弹性材料可以被置于至少一个力交换装置和物体之间，或置于至少一个力交换装置和调位装置之间。该弹性材料可由橡胶制成。该力交换装置可以配置于施加一个作用力，该力的一个分力成直角方向作用于力传递装置，同时与物体表面平行。
在一个可选实施例中，该装置提供有一个用于至少一个力交换装置的调位或定位装置，该调位或定位装置用于固定和排列与物体相关的力交换装置。力传递装置可以环绕物体并置于力交换装置和物体之间。该力传递装置和力交换装置定位于调位装置内。
在一个可选实施例中，该装置可以包括一个力矩传递装置，用于在至少一个力交换装置和物体之间传递力矩，其中，该力矩传递装置是物体的一个连接件，用于将物体固定于该物体的夹具上。然后该力交换装置可以置于物体的夹具内。
根据另一个实施例，该装置相对于物体是可移动的。进一步地，该至少一个力交换装置可以作为至少一个致动机构。该至少一个力交换装置作为至少一个致动机构，并且该装置可以包括一个控制单元，该控制单元用于调节到该至少一个致动机构的输入。一个传感器可以被置于物体上或物体内，用于检测物体中的震动和/或物体的弯曲，并且该控制单元接收传感器发出的信号，用于根据所述信号调节该输入。该传感器可以是一个加速度计。
该致动机构是一个振动机、一个气动液压致动器、一个压电致动器或其他力、压力或扭转致动器。进一步地，该致动机构可以采用被动控制，例如以气动减震器(pneumatic damper)或分路致动器(shunted actuator)的形式，和/或主动控制，例如通过运用减震算法(damping algorithm)。
进一步地，本发明的装置可以是模块式的，可用于不同尺寸和几何构型的物体。同样，该装置适用于工具、工具架或者工件这样的物体。
最后，注意两个重要的和基本的实施例，即
-该至少一个力交换装置是以至少一个力施加装置(force applyingdevice)的形式，用于对物体施加力和/或力矩，和
-该至少一个力交换装置是以至少一个减震装置(damping device)的形式，用于吸收物体产生的震动，所述减震装置适用于吸收该分力和/或吸收该物体产生的力矩。
本发明将力交换装置用作力施加装置和减震装置。力施加装置致动机构最好采用一个灵活的固定装置(支撑)，以使该致动机构可以移动，并使其产生的力能够直接或通过杠杆或力传递套管作用于工具架上。好处在于在机械加工过程中可根据切削力调节工具的突出物和作用力的方向，或理想状况是可以施加一个具有明确要求方向的作用力。本发明也可以用于在相同的支架中有不同形状和尺寸的工具架。如前所述，使用本发明，施加于工具的能量(力和运动)通过由直接置于工具架袋上或凹进工具架袋内的致动机构产生的剪切力充分增加。
附图说明
参照附图对本发明实施例做详细描述，其中
图1为在加工中几个中度加工力的图解及其变化；
图2a示出由力矩传递引起的工具弯曲；
图2b示出由直接施加的作用力引起的工具弯曲；
图3a示出根据本发明不同实施例中的相对于物体的力方向和着力点的致动器局部；
图4为根据本发明一个实施例的力矩传递工具原理图；
图5为根据本发明一个实施例的直接力传递工具原理图；
图6为根据本发明一个实施例的力矩传递工件减震原理图；和
图7是本发明的一个实施例，说明致动器如何直接施压于连接件或法兰。
具体实施方式
以下将详细解释在下面的描述中用到的一些概念：
工具架(tool holder)：本文中是指固定刀齿的部件。这可以是齿锁、铣齿、带有完整刀齿的搂齿梁(tooth bar)或是齿形样板/铣刀头和转换接头(adapter)的结合物。
刀齿(tooth)：由坚硬材料制成，带有可切削材料的刀刃的装夹式刀头(clamped bit)。
工具(tool)：工具架和刀齿的组合件。
工具夹(tool clamping)：固定工具的构件。例如可以是弹簧刀杆、capto工具架、HSK工具架、Steilkon。
主动减震(active damping)：是可控制的并由外部信源提供能量的减震，例如，可以是由外部微控制器控制并由外部功率放大器提供能量的致动器。使用主动减震的优点主要在于以较少的损耗将尽可能多的能量提供给系统，并且可以根据自适应算法控制输入。
被动减震(passive damping)：是非控的或由外部信源提供能量的减震。如美国专利5,413,318号中描述的，该减震器可以是针对并联系统中电损的减震或是机械式双质量减震器。
模块化(modular)：将带有适合工具架形状插入件的可弯曲装置做成多种模块。带有圆形空腔谐振器的插入件套管组成的模块能够固定某个直径的圆车刀，而带有矩形空腔谐振器的模块能够固定一个矩形工具。模块也能适用于工具的连接件。
机械平衡的一条古老法则是力矩法则(杠杆)。使用长杠杆臂不需要与使用短臂相同大小的作用力即可获得相同的力矩。在同类悬臂梁上挠曲力产生的挠度由公式u＝SL3/3EI给出，而由挠矩产生的挠度公式为u＝ML2/2EI，此处，S是偏转力，L是到中心的距离，M是力矩，E是弹力模数，而I是区域的第二力矩。正如叠加这些方程所体现的，如果为了保持杆末端静止而相应增加特定的切削力，则该力矩被放大。通过增加作用力或挠矩的力臂可以放大这个力矩。相对地，为了阻止由切削力造成的扭矩，扭转时的作用力或转矩或扭矩的力臂不得不被增加。
当直接径向施加作用力时，相应的挠度为u＝FL3/3EI，此处F是致动力。
比较力传递的不同法则可以看出，直接作用力和通过杠杆原理传递比通过剪切力传递使工具实现更佳的能量传递(更大的作用力和运动)。
为了利用力矩法则或直接作用力传递，要求使用一个或多个力致动器，例如压电致动器、堆叠致动器、液压或气动致动器。以满足作用力充分传递的方式定位这些致动器，以获得所期望的运动。在力矩传递的情况下，在越靠近工具架的地方，由于力致动器的作用，工具架的运动将会增加，但是所需的作用力也将相应增加(见图2a)。在直接作用力传递的情况下，力致动器的作用点距工具架夹具越近，工具架的运动将会相应增加(见图2b)。在上述两个法则中是依据工具架尺寸、致动器运动、致动器的硬度和致动力来完成定位。
由致动器所引起的运动能够抑制或放大在定位致动器作用的最佳方向时所产生的震动/扭转/弯曲。两个或两个以上的致动器能产生一个力偶。
该致动器可以被固定在一个置于工具架上的定位套管上，在工具架连接件上(例如在抓取装置的法兰盘上)，在工具架夹具上或与机器结合成一个整体(例如旋转式装置或轴/夹盘)。
在力矩传递法则的情况下，用于从致动器传递作用力的杠杆被固定在致动器前面的工具架上。为了以最好的方式从致动器传递力矩，该杠杆应该尽可能刚硬，并且为了尽可能少的增加可改变工具固有频率的质量，该杠杆应该具有较低的重量。另外，为了避免额外的支点应力，该杠杆应有一定的宽度。在另外一种实施方案中，可以用工具架的连接件(见图7)，而非杠杆，来完成向工具传递力矩。
杠杆和致动器的定位器套管均可以沿着工具架移动到一个期望的位置。同样，在工具没有固定在突出物上(非模块化工具)的情况下，该工具可以在工具架内外自由移入移出。这将导致一个不可忽视的关于突出物长度的挠性问题。在许多不同的实施例中，无论是否使用嵌入套管，系统还可以包括许多其它种类的工具。
使用直接作用力传递法则，该致动器将通过直接作用于工具架上或作用在固定于工具架上的力传递套管来增加压力。
还可以用其它类型的力传递装置代替力传递套管或杠杆，例如凸缘、托架、叉子或其他类似物。
用减震算法可以主动地控制该致动器，例如，和/或被动的(分路)，和使用或不使用传感器，以加速度计的形式。该系统也能与其他主动系统结合使用，例如自适应机械，或被动系统例如机械减震器。除了代替或辅助致动器外，本发明还可以利用被动减震器减震，例如橡胶或液压/气动减震器。
实施例
根据力矩法则的力传递
图4给出了根据本发明的减震装置的一个实施例。工具架2置于工具夹(tool clamp)5内。用于加工工件10的刀齿1固定于工具架2上。工具夹5可模块化并适用于不同的直径和几何构型(例如三角形、椭圆形、正方形)的工具架。致动器7固定于工具夹5或特殊的定位套管4和杠杆14之间，在外与工具架2的表面隔开。致动器7固定在或凹进工具夹5朝向刀齿1的一侧。或者，致动器7可以固定于致动器的定位套管4上。该定位套管4能与工具架5隔开，以使该减震装置能够沿着杆体滑动。致动器7产生的力可以直接使工具架2变形，或者工具架2和/或工具夹5能以某种方式支撑使其允许致动器7产生的运动，但不会使其产生变形。
杠杆14环绕工具架2，从致动器7向工具架2传递力矩。为了进一步减震，弹性材料11(例如橡胶)作为填充材料置于工具架和杠杆14之间。在本实施例中，其包括一个用于致动器7的定位套管4，可置于杠杆14和定位套管4之间的弹性材料。该弹性材料可以置于致动器7和工具架2之间，或置于致动器7的外部。
该致动器7利用控制单元8来主动控制。传感器6用于测量挠曲和/或震动，例如一个加速度计，该传感器能接近刀齿1放置于工具架2上或工具架2内。来自加速度计6的信号经过原理图上的线9被发送到控制单元8，并且该控制单元8根据传感器的信号可以调整到致动器7的输入。来自传感器6的信号也可以通过无线传输方式发送到控制单元。
该致动器可以被主动控制，例如使用减震算法，或被动控制，例如使用气动减震器或分路致动器，且有或没有传感器，例如加速度计的形式。该系统也可与其他主动控制系统组合使用，如自适应机械式主动系统，或与被动控制系统组合使用，如机械式减震器。该致动器可以是振荡器、一个气动或液压致动器，一个压电致动器或其他任何作用力、压力或扭转致动器。
当使用被动致动器7时，该装置将作为一个减震装置，其中该震动被物体吸收，而不是主动地将力施加给物体。各种减震系统的各结构部分是相同的，但是作用力都将直接的或通过力矩法则从物体2传递到致动器7。
直接力传递
图5示出了根据本发明的减震装置的一个实施例。本实施例与力矩传递实施例有许多相似之处。与根据力矩法则的力传递相反，该作用力通常直接且径向地作用于工具。如果该作用力施加于固定在工具上的力传递套管3，并且该作用力大都沿工具的纵向方向作用，那么本实施例的操作原理与力矩传递实施例非常相似。
致动器7固定于工具夹5或特定的定位套管4与工具架2的表面之间。该致动器7能够通过环绕于工具架2的力传递套管3给工具架2传递作用力。该致动器7在工具夹5面向与其有间隔的刀齿1的一侧被固定于定位套管4。来自致动器7的作用力能够直接使工具架2变形，或是工具架2和/或工具夹5以某种方式支撑使其允许致动器7产生的运动，但不会使其产生变形。
致动器7直接向工具架2或力传递套管3施加作用力。为进一步减震，在致动器7和定位套管4之间安置弹性材料11如橡胶作为填充材料。
致动器7可由控制单元8主动控制。用于测量弯曲和/或震动的传感器6(例如加速度计)置于接近刀齿1的工具架2上或工具架2内。来自加速度计6的信号通过在原理图上的线9被传输给控制单元8，由此该控制单元8可以基于传感器的信号调节致动器7的输入。来自传感器6的信号也可以以无线方式传递给控制单元。
该致动器可以被主动控制，例如使用减震算法来，或被动控制(例如，使用气动减震器或分路致动器)，且有或无传感器，例如加速度计的形式。该系统也可与其他主动系统联合使用，例如自适应机械式主动系统或被动系统(例如机械式减震器)。该致动器可以是振动机、气动或液压致动器、压电力致动器或任何其他力致动器、压力致动器或扭转致动器。
来自致动器的力和运动可能有不同的方向，而且作用点如图3所示。箭头表明了致动器的朝向和力矢量如何以力矩传递和直接力传递方式作用于工具和工件上的例子。数个致动器可以联合使用，可以获得更大的作用力并且实现不同方向的确定。
对于图4所示的减震系统，按上述方法使用被动致动器7使该装置作为一个减震装置，其中物体发出的震动被吸收而不是主动作用于物体。不同减震系统各部分结构是相同的，但是作用力都将直接或通过力矩法则从物体2传递给致动器7。
旋转和非旋转工具
直接力传递和力矩原理可以被用于旋转的(铣，钻孔)和非旋转的(车床)工具。在非旋转工具的情况下，工具2，致动器7，套管3、4、14和工具架5保持静止，此时工件10正处于旋转状态。在旋转工具的情况下，工件10保持静止，同时工具2和工具架5处于旋转状态。致动器7和套管3、4、14与工具一同旋转，但是它们也可以保持静止状态。如果致动器与工具一起旋转，那么信号和能量可以通过无线传递或可以通过拖曳电缆传递。
减震与工件的弯曲
图6为根据本发明的用于工件的减震装置实施例。在工件减震时既用到力矩传递原理也用到了直接力传递原理。图6所示为使用力矩传递的实施例。
例如，工件可被夹盘(chuck)13和圆盘或防震台(rest)12夹紧。本发明的减震装置是基于力矩法则或直接施加环绕工件10的力。附在工件10上或制于工件10内的传感器用于检测震动。相对于弹性材料11、致动器7和力传递套管2或杠杆14的局部化，本减震装置的实施例与图4中所示的实施例有相同的结构。然而，图6中所示的整个减震装置是可移动地排列于工件上，因此定位套管4固定于弹性材料和致动器7上。该致动器也可以经由线9通过与减震器相联的控制单元8进行主动控制。
同样在本实施例中可以使用被动致动器。用于吸收从工件产生的震动，而不是主动向其施加力。
通常，当处理薄壁工件或长型工件突出物时，工件震动的结果导致在加工时会遇到一些问题。由于所遇到的问题在加工工件内部外部时均出现，因而减震装置必须满足既可以安装在工件内部也可以安装在其外部。
图7示出该减震装置的实施例，其中通过工具架2的连接件产生力矩传递。该连接件将工具架2连接于用于工具架的夹具5上。致动器7产生的力作用于连接件最远处边缘，通过力矩传递法则该连接件将力传递给工具架。通过将着力点至超过工具表面的位置而获得力矩。通过移动致动器至远离工具的位置，工具很有可能使突出物改变。
本发明实施方式描述如上。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见本发明还包括其他实施方式，详细说明于权利要求。

Claims (26)

1.一种用于在加工中减震和/或控制物体(2，10)弯曲的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个力交换装置(7)，用于交换力和/或用于直接的或通过机械杠杆(14)交换物体(2，10)与所述装置间的力矩，所述力的一个分力成直角方向作用于物体(2，10)表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括一个力矩传递装置，用于传递在至少一个力交换装置(7)与物体(2，10)之间的力矩。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述力矩传递装置包括一个环绕物体(2，10)的力传递装置(3)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述力交换装置(7)位于用于物体(2)的夹具(5)和所述力传递装置(3)之间，并固定于所述夹具(5)或凹进所述夹具(5)内。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述力矩传递装置包括一个用于所述力交换装置(7)的定位装置(4)，所述定位装置(4)环绕于物体(2，10)，并且所述力交换装置(7)位于所述力传递装置(3)和所述定位装置(4)之间。
6.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的装置，其特征在于，一弹性材料(11)位于所述力传递装置(3)和所述定位装置(4)之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述弹性材料(11)位于所述至少一个力传递装置(7)和物体(2，10)之间或在所述至少一个力交换装置(7)和所述定位装置(4)之间。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述弹性材料(11)由橡胶制成。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述力交换装置(7)被设置为提供其分力成直角作用于所述力传递装置(3)同时平行于物体表面一个作用力。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于所述至少一个力传递装置(7)的定位装置(4)用于相对于物体(2，10)固定和定位所述力交换装置(7)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，力传递装置(3)环绕物体(2，10)，并定位于所述力交换装置(7)和物体(2，10)之间。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述力传递装置(3)和所述力交换装置(7)置于所述定位装置(4)内。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括力矩传递装置，用于传递在至少一个力交换装置(7)和物体(2)之间的力矩，所述力矩传递装置作为物体(2)的一个连接件用于将物体(2)固定在用于物体的夹具(5)上。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述力交换装置(7)位于用于物体(2)的夹具(5)内。
15.根据权利要求1-14中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置随物体(2，10)可移动地定位。
16.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述至少一个力交换装置是至少一个致动器(7)。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述装置包括一个控制单元(8)，用于调节到至少一个致动器(7)的输入。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，一个传感器(6)置于物体(2，10)上或其内，用于检测物体(2，10)中的震动和/或物体的弯曲，所述控制单元(8)接收来自所述传感器(6)的信号，用于基于所述信号调节所述输入。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述传感器是一个加速度计。
20.根据权利要求16-18中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述致动器是振动机、气动液压致动器、压电力致动器或其他力、压力或扭转致动器。
21.根据权利要求16-20中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述致动器采用被动控制，如所述致动器为气动减震器或分路致动器，和/或主动控制，如使用减震算法。
22.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置是模块化的，并适用于不同尺寸和几何构型的物体(2，10)。
23.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置适用的物体是一个工具或一个工具架(2)。
24.根据权利要求1-23中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置适用的物体是一个工件(10)。
25.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个力交换装置是至少一个力施加装置(7)，用于施加所述力和/或用于向物体(2，10)施加所述力矩。
26.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个力交换装置是至少一个减震装置(7)，用于吸收物体(2，10)产生的震动，所述减震装置(7)用于吸收所述分力和/或吸收自物体(2，10)的所述力矩。
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