DE585400T1 - Aktive schwingungskontrollevorrichtung. - Google Patents

Aktive schwingungskontrollevorrichtung.

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DE585400T1
DE585400T1 DE0585400T DE92913988T DE585400T1 DE 585400 T1 DE585400 T1 DE 585400T1 DE 0585400 T DE0585400 T DE 0585400T DE 92913988 T DE92913988 T DE 92913988T DE 585400 T1 DE585400 T1 DE 585400T1
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Keith E. Versailles Ky 40383 Rouch
L. Scott Baton Rouge La 70898 Stephens
Robert W. Columbus Ga 31903 Stephenson
Sanjiv Lexington Ky 40517 Tewani
Bruce L. Lexington Ky 40517 Walcott
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    • G—PHYSICS
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0535 PRINZ & PARTNER Patentanwälte - &Lgr; ' Manzingerweg 7 EUROPEANPATENTATTORNEYS D-81241 München EP 92913988.9-2302 UNIVERSITY OF KENTUCKY RESEARCH FOUNDATION Unser Zeichen: U 1021 DE ST/Hc Patentansprüche
1. Vorrichtung zum aktiven Steuern von Vibrationen in einem auskragenden
Element mit einer Längsachse, enthaltend:
a) einen in der Nähe des freien Endes des Elementes angebrachten Sensor, um die Bewegung des Elementes in einer Querrichtung zu messen und ein entsprechendes Signal zu erzeugen;
b) einen Krafterzeugungsaufbau, der am Element in der Nähe des freien Endes angebracht ist, um der gemessenen Bewegung mit einer Kraft entgegenzuwirken, um dadurch die vibrationsverursachte, folgende Bewegung entlang der Querachse zu minimieren, wobei der Aufbau enthält:
i) eine feste Masse, die am Element in der Nähe des freien Endes befestigt und aus einer Ausgangsposition so verstellbar ist, daß bei einer Verstellung die resultierende Beschleunigung der Masse eine Kraft auf das Element erzeugt;
ii) eine Betätigungsvorrichtung, um auf die Masse einzuwirken und diese aus der Ausgangsposition zu verstellen;
iii) ein Mittel zum Empfangen und Auswerten des Sensorsignals und zum Aktivieren der Betätigungsvorrichtung, um die Masse mit einer Beschleunigung zu verstellen, die vom Sensorsignal abhängt; und
iv) ein Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element in sich eine Längsbohrung mit einem vorderen und einem hinteren Abschnitt besitzt und bei der die Masse am Element bewegbar über eine Basis befestigt ist, die innerhalb der Bohrung des Elementes befestigt ist, und über ein Gelenk mit einem Drehpunkt, dessen Achse senkrecht zu der Ebene ist, die durch die sich mit der Querachse schneidende Längsachse definiert ist, wobei das Gelenk die Masse mit der Basis verbindet und die Masse innerhalb der Bohrung positioniert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Betätigungsvorrichtung eine piezoelektrische Einrichtung ist, die so ausgerichtet ist, daß sie beim Anlegen einer Spannung ihre Länge in der Längsrichtung verändert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Betätigungsvorrichtung zwischen der Basis und der Masse an einer von der Gelenkachse entfernten Stelle positioniert ist, so daß eine Betätigung der Betätigungsvorrichtung ein Schwenken der Masse um die Gelenkachse bewirkt, wodurch eine Beschleunigung und eine zugeordnete Kraft erzeugt werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition wenigstens einen federbelasteten Bolzen enthält, der die Masse an der Basis in einem vom Gelenk entfernten Ort befestigt und entgegen der Ausdehnungsrichtung der Betätigungsvorrichtung beaufschlagt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition eine Feder enthält, die sich innerhalb der Bohrung vom Element zur Masse an einem von der Gelenkachse entfernten Ort erstreckt und die Masse entgegen der Ausdehnungsrichtung der Betätigungsvorrichtung beaufschlagt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition eine Rückstellbetätigungsvorrichtung ist, die eine piezoelektrische Einrichtung enthält, die so ausgerichtet ist, daß sie sich beim Anlegen einer Spannung in der Längsrichtung entgegen der Ausdehnung der die Betätigungsvorrichtung bildenden Ansammlung der piezoelektrischen Elemente ausdehnt, wobei die Rückstellbetätigungsvorrichtung das Element innerhalb der Bohrung des Elementes berührt und die Masse berührt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Betätigungsvorrichtung ein bürstenloser Gleichstrom-Linearmotor ist, der so ausgerichtet ist, daß er sich beim Anlegen einer Spannung in der Längsrichtung verstellt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, zusätzlich enthaltend einen Sensor, der an der Masse angebracht ist, wobei der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Gelenk aus einem elastischen Material besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das auskragende Element eine Bohrwelle mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Bohrwelle befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das auskragende Element eine Vertikal-Drehbearbeitungsmaschine mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Drehbearbeitungsmaschine befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das auskragende Element ein Horizontalbohrwerk mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende des Bohrwerks befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element außerdem eine Buchse mit einer Wand enthält und bei der die Masse verschiebbar innerhalb der Buchse angebracht ist, um sich entlang der Querachse zu bewegen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Betätigungsvorrichtung entlang der Querachse innerhalb der Buchse zwischen der Buchsenwand und der Masse so angeordnet ist, daß eine Betätigung der Betätigungsvorrichtung eine Verstel-
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lung der Masse entlang der Querachse bewirkt, wodurch eine Beschleunigung und eine zugeordnete Kraft erzeugt werden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Betätigungsvorrichtung eine piezoelektrische Einrichtung ist, die so ausgerichtet ist, daß sie sich beim Anlegen einer Spannung in der Querrichtung ausdehnt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition wenigstens eine entlang der Querachse angeordnete Feder enthält, die zwischen der Masse und der Buchsenwand angeordnet ist und die Masse und die Buchsenwand berührt und die entgegen der Ausdehnungsrichtung der Betätigungsvorrichtung vorgespannt ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition wenigstens einen federbelasteten Bolzen enthält, der die Masse an der Buchse befestigt und entgegen der Ausdehnungsrichtung der Betätigungsvorrichtung beaufschlagt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition eine Rückstellbetätigungsvorrichtung ist, die eine piezoelektrische Einrichtung enthält, die so ausgerichtet ist, daß sie sich in der Querrichtung entgegen der Ausdehnung der Betätigungsvorrichtung ausdehnt, wobei die Ansammlung der Rückstellelemente die Buchse und die Masse berührt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Betätigungsvorrichtung ein bürstenloser Gleichstrom-Linearmotor ist, der so ausgerichtet ist, daß er sich beim Anlegen einer Spannung in der Querrichtung ausdehnt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, zusätzlich enthaltend einen Sensor, der an der Masse angebracht ist, wobei der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das auskragende Element eine Bohrwelle mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Bohrwelle befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und
-5-einem Werkstück hervorgerufen werden.
25. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das auskragende Element eine Vertikal-Drehbearbeitungsmaschine mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Drehbearbeitungsmaschine befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
26. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das auskragende Element ein Horizontalbohrwerk mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende des Bohrwerks befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
27. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element zusätzlich eine Buchse mit einer Wand besitzt und bei der die Masse bewegbar an der Buchse befestigt ist, wobei die Buchse einen Hebel mit einem kurzen Arm auf der einen Seite eines Hebeldrehpunktes und einem langen Arm auf der anderen Seite des Hebeldrehpunktes besitzt, wobei der Hebel schwenkbar über den Hebeldrehpunkt an der Buchsenwand befestigt ist, und bei der Masse so am langen Arm des Hebels befestigt ist, daß eine geringe Verstellung am kurzen Arm zu einer verstärkten Bewegung am langen Arm führt.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der die Betätigungsvorrichtung eine piezoelektrische Einrichtung ist, die so ausgerichtet ist, daß sie sich beim Anlegen einer Spannung in der Querrichtung ausdehnt.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Betätigungsvorrichtung entlang der Querachse innerhalb der Buchse zwischen der Buchsenwand und der Masse so positioniert ist, daß eine Betätigung der Betätigungsvorrichtung eine Verstellung der Masse entlang der Querachse bewirkt, wodurch eine Beschleunigung und eine zugeordnete Kraft erzeugt werden.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition wenigstens eine entlang der Querachse ausgerichtete Feder enthält, die zwischen dem Hebel am langen Arm und der Wand angeordnet ist und den Hebel am langen Arm und die Wand berührt und die entgegen der Ausdehnungsrichtung der Betätigungsvorrichtung vorgespannt ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition wenigstens einen federbelasteten Bolzen enthält, der den Hebel zum langen Arm hin an der Buchse befestigt und diesen entgegen der Ausdehnungsrichtung der Betätigungsvorrichtung beaufschlagt.
32. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition eine Rückstellbetätigungsvorrichtung ist, die eine piezoelektrische Einrichtung enthält, die so ausgerichtet ist, daß sie sich beim Anlegen einer Spannung in der Querrichtung entgegen der Ausdehnung der Betätigungsvorrichtung ausdehnt, wobei die Rückstellbetätigungsvorrichtung die Buchse und den Hebel an seinem langen Arm berührt.
33. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der die Betätigungsvorrichtung ein bürstenloser Gleichstrom-Linearmotor ist, der so ausgerichtet ist, daß er sich beim Anlegen einer Spannung in der Längsrichtung verstellt.
34. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, zusätzlich enthaltend einen Sensor, der an der Masse angebracht ist, wobei der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
36. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der das auskragende Element eine Bohrwelle mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Bohrwelle befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
37. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der das auskragende Element eine Vertikal-Drehbearbeitungsmaschine mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Drehbearbeitungsmaschine befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
38. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der das auskragende Element ein Horizontalbohrwerk mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am. freien Ende des Bohrwerks befestigt ist, und bei der Vibrationen
von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
39. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element zusätzlich eine Buchse mit einer Wand enthält und bei der die Masse bewegbar an der Buchse befestigt ist und wenigstens eine in Querrichtung doppelt wirkende Betätigungsvorrichtung entlang der Längsachse der Buchse so angebracht ist, daß bei einer Betätigung der Betätigungsvorrichtung durch eine Spannung die Masse entlang der Querachse verstellt wird, wodurch eine Beschleunigung und eine zugeordnete Kraft erzeugt werden, und daß die Masse in einer entgegengesetzten Richtung verstellt wird, wenn die Betätigungsvorrichtung von einer entgegengesetzten Spannung betätigt wird.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, bei der die wenigstens einmal vorhandene, in Querrichtung doppelt wirkende Betätigungsvorrichtung eine zweite Betätigungsvorrichtung enthält, die an der Buchse mittels eines in der Buchse befestigten Stopfens angebracht und an der Masse angebracht ist.
41. Vorrichtung nach Anspruch 40, bei der die Betätigungsvorrichtung eine piezoelektrische Einrichtung ist, die so ausgerichtet ist, daß sie sich beim Anlegen einer Spannung in der Querrichtung ausdehnt.
42. Vorrichtung nach Anspruch 40, bei der das Mittel zum Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition wenigstens eine in Querrichtung doppelt wirkende Betätigungsvorrichtung ist.
43. Vorrichtung nach Anspruch 39, bei der der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, zusätzlich enthaltend einen an der Masse angebrachten Sensor, wobei der Sensor ein Beschleunigungssensor ist.
45. Vorrichtung nach Anspruch 39, bei der das auskragende Element eine Bohrwelle mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Bohrwelle befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
46. Vorrichtung nach Anspruch 39, bei der das auskragende Element eine Vertikal-Drehbearbeitungsmaschine mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende der Drehbank befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
47. Vorrichtung nach Anspruch 39, bei der das auskragende Element ein Horizontalbohrwerk mit einem Schneidelement ist, das in einem Werkzeugkopf angebracht ist, der am freien Ende des Bohrwerks befestigt ist, und bei der Vibrationen von den oszillierenden Wechselwirkungskräften zwischen dem Schneidelement und einem Werkstück hervorgerufen werden.
48. Verfahren zum aktiven Kontrollieren der Vibrationen in einem auskragenden Element mit einer Längsachse, enthaltend die folgenden Schritte:
a) Erfassen einer Bewegung in einer Querrichtung in der Nähe des freien Endes des Elementes und Erzeugen eines entsprechenden Signals;
b) Erzeugen einer Kraft entlang der Querachse in der Nähe des freien Endes, um der gemessenen Bewegung entgegenzuwirken, wobei das Erzeugen einer Kraft die folgenden Schritte enthält:
i) Befestigen einer Masse am Element in der Nähe des freien Endes, wobei die Masse entlang der Querachse aus einer Ausgangsstellung heraus so verstellbar ist, daß die resultierende Beschleunigung bei einer Verstellung der Masse eine Kraft auf das Element erzeugt;
ii) Empfangen und Auswerten des entsprechenden Signals;
iii) Verstellen der Masse um einen gewünschten Betrag mit einer gewünschten Rate; und
iv) Zurückstellen der Masse zur Ausgangsposition.
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