DE60203753T2

DE60203753T2 - Verfahren zur Steuerung eines eliptischen Vibrators

Info

Publication number: DE60203753T2
Application number: DE60203753T
Authority: DE
Inventors: Eiji Kobe-shi Shamoto; Norikazu Suzuki; Toshimichi Kobe-shi Moriwaki; Makoto Kyoto-shi Matsuo
Original assignee: Moriwaki Toshimichi Kobe; Shamoto Eiji Kobe
Current assignee: Moriwaki Toshimichi Kobe; Shamoto Eiji Kobe
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: JP3806603B2; DE60203753D1; US6776563B2; US20020119021A1; EP1234627B1; EP1234627A3; EP1234627A2; JP2002254201A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei einem Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators. Der elliptische Vibrator wird zur Bearbeitung eines Werkstücks wie eines Stahlprodukts verwendet, indem beispielsweise elliptische Schwingungen an einem Werkzeug verursacht werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine elliptische Schwingungs-Bearbeitungsvorrichtung ist verwendet worden, um ein Werkstück zu einer erforderlichen Form zu bearbeiten. Die elliptische Schwingungs-Bearbeitungsvorrichtung weist beispielsweise einen elliptischen Vibrator auf, der aus einem Körper in Form eines achteckigen Prismas und Stufenhörnern besteht, die jeweils an beiden Seiten des Körpers vorgesehen sind. Eines der Stufenhörner ist an seinem Ende mit einem Werkzeug versehen, und dieses Werkzeug schwingt elliptisch, um das Werkstück zu bearbeiten.
Insbesondere sind piezoelektrische Antriebselemente in erforderlicher Zahl an dem elliptischen Vibrator vorgesehen. Eine vorher bestimmte Sinusspannung mit einer vorher bestimmten Phasendifferenz (z. B. 90°) wird individuell auf die piezoelektrischen Antriebselemente aufgebracht. Dementsprechend werden Biegeschwingungen an dem elliptischen Vibrator sowohl in der horizontalen Richtung (X-Richtung) als auch in der vertikalen Richtung (Y-Richtung) verursacht. Die Biegeschwingungen in den zwei Richtungen des elliptischen Vibrators werden auf mechanischem Weg synthetisch erzeugt. Anschließend kann ein Ende (die Schneidkante) des Werkzeugs, das an dem elliptischen Vibrator vorgesehen ist, eine Trajektorie elliptischer Schwingungen ziehen (s. 3).
Für den z. B. in 3 gezeigten Schneidvorgang wird das Schneidwerkzeug 2 dazu gebracht, bezüglich des zu schneidenden Werkstücks 1 elliptisch zu schwingen und sich relativ bezüglich des Werkstücks 1 in eine Schneidrichtung zu bewegen, die mit „A" bezeichnet ist, so dass das Schneidwerkzeug 2 elliptisch schwingen kann, um das Werkstück 1 zu schneiden.
Es wird angenommen, dass der Abstand, um den sich das Schneidwerkzeug 2 in die Schneidrichtung A bewegt, konstant ist. Dann ermöglicht eine größere Gleichmäßigkeit, mit der die Kante des Schneidwerkzeugs 2 eine elliptische Trajektorie 16 in einer erforderlichen Form zieht (vorher bestimmte Zielform), dass das Werkstück 1 mit größerer Präzision durch die elliptischen Schwingungen bearbeitet wird.
Hier interferieren die Biegeschwingungen in den beiden Richtungen wie oben beschrieben miteinander, so dass sie eine Werkzeuginterferenz erzeugen.
Beispielsweise interferieren die horizontalen Biegeschwingungen des elliptischen Vibrators mit den vertikalen Biegeschwingungen (behindern diese). Dann ist es unmöglich, die vertikalen Biegeschwingungen so zu steuern, dass sie eine erforderliche Amplitude haben.
Was die horizontalen Biegeschwingungen betrifft, interferieren die vertikalen Biegeschwingungen des elliptischen Vibrators auch mit den horizontalen Biegeschwingungen, was es unmöglich macht, die horizontalen Biegeschwingungen so zu steuern, dass sie eine erforderliche Amplitude haben.
Mit anderen Worten, es ist unmöglich, die Trajektorie der elliptischen Vibrationen, die von der Kante eines Werkzeugs wie dem Schneidwerkzeug gezogen wird, gleichmäßig zu steuern und zu formen, wie erforderlich.
Die EP 0 979 700 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines elliptischen Vibrators, bei dem versucht wird, die Interferenz zu eliminieren, die durch die Vibrationen verursacht wird. Es wird jedoch nicht die gesamte Interferenz aufgehoben. Daher entsteht der Nachteil, dass das Werkstück nicht mit hoher Präzision durch elliptische Schwingungen bearbeitet werden kann, aufgrund der Tatsache, dass die von der Werkzeug kante gezogene elliptische Schwingungstrajektorie nicht wie erforderlich geformt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators zum Bearbeiten eines Werkstücks durch elliptische Schwingungen eines Werkzeugs zur Verfügung zu stellen, wie es in Anspruch 1 charakterisiert ist. Eine elliptische Schwingungstrajektorie, die von einer Kante des Werkzeugs gezogen wird, kann gleichmäßig gesteuert werden, um der Trajektorie die erforderliche Form zu geben, und so kann das Werkstück mit hoher Präzision durch die elliptischen Schwingungen bearbeitet werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators wird zum Bearbeiten eines Werkstücks durch ein Werkzeug durch dessen elliptische Schwingungen verwendet, wobei Schwingungen in zwei Richtungen durch eine elliptische Schwingungs-Bearbeitungsvorrichtung synthetisch erzeugt werden, die elliptische Schwingungen erzeugt und die elliptischen Schwingungen an das Werkzeug überträgt. Eine Menge an Interferenz durch Schwingungen in einer der beiden Richtungen mit Schwingungen in der anderen Richtung wird korrigierend aus den Schwingungen in dieser anderen Richtung eliminiert.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators sind die Vibrationen in den beiden Richtungen Vibrationen in einem beliebigen der folgenden Modi: Biegeschwingungsmodus, Längsschwingungsmodus, Torsionsschwingungsmodus, Scherungsschwingungsmodus und Radialschwingungsmodus.
Das Vorhergehende und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Vorderansicht einer elliptischen Schwingungs-Schneidvorrichtung, an der ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators angewandt wird.
2 ist eine schematische Seitenansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung.
3 ist eine vergrößerte schematische perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung, die einen vergrößerten Hauptabschnitt der Vorrichtung zeigt, um darzustellen, dass ein Werkstück durch ein Schneidwerkzeug der Vorrichtung geschnitten wird.
4A und 4B stellen Vibrationskennlinien des Schneidwerkzeugs und ein Steuerungsverfahren zur automatischen Verfolgung der Resonanzfrequenz dar, wobei 4A den Zuwachs bezüglich der Frequenz darstellt, während 4B die Phasenverzögerung bezüglich der Frequenz darstellt.
5 stellt ein Verfahren zur Eliminierung der Interferenz für das Verfahren zur Steuerung des erfindungsgemäßen elliptischen Vibrators dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erfindungsgemäß wird eine elliptische Vibratorvorrichtung mit einem Werkzeug zum Verarbeiten eines Werkstücks mittels des Werkzeugs durch elliptische Vibrationen verwendet. Die Vorrichtung umfasst einen Steuerungsmechanismus, von dem Antriebssignale bezüglich einer X- und einer Y-Richtung jeweils an piezoelektrische Antriebselemente übertragen werden, um Biegeschwingungen in X- und Y-Richtung eines elliptischen Vibrators zu erzeugen. Da Schwingungen in einer Richtung mit Schwingungen in der anderen Richtung interferieren, wird diese Interferenz hier auf folgende Art korrigierend eliminiert.
Für die Werkzeuginterferenz, die durch Biegeschwingungen in X-Richtung auf Biegeschwingungen in Y-Richtung erzeugt wird, überträgt der Steuerungsmechanismus ei nen Befehl, d. h. ein Korrektursignal zum Eliminieren der Interferenz, die durch die Schwingungen in Y-Richtung auftritt, auf einen Abschnitt zur Erzeugung von Schwingungen in Y-Richtung. Anschließend kann eine Komponente der Interferenz, die durch die Schwingungen in Y-Richtung auftritt, aus den Biegeschwingungen in Y-Richtung korrigierend eliminiert werden.
Ähnlich überträgt für eine Werkzeuginterferenz, die durch die Biegeschwingungen in Y-Richtung an den Biegeschwingungen in X-Richtung erzeugt werden, der Steuerungsmechanismus ein Korrektursignal zum Eliminieren der Interferenz, die durch die Schwingungen in X-Richtung auftreten, an einen Abschnitt, der Schwingungen in X-Richtung erzeugt. Dementsprechend kann eine Komponente der Interferenz, die durch die Schwingungen in X-Richtung auftritt, korrigierend aus den Biegeschwingungen in X-Richtung eliminiert werden.
Auf diese Art kann die Werkzeuginterferenz in X- und Y-Richtung korrigierend beseitigt werden. Daher ist es möglich, eine Trajektorie von elliptischen Schwingungen, die von einer Kante des Werkzeugs gezogen wird, das an dem elliptischen Vibrator befestigt ist, gleichmäßig zu steuern und zu formen, und das Werkstück entsprechend mit hoher Präzision durch elliptische Schwingungen zu bearbeiten.
Die Erfindung wird nun im Einzelnen im Zusammenhang mit Zeichnungen einer Ausführungsform beschrieben.
1 und 2 zeigen eine Schneidvorrichtung, an der ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators angewandt wird.
3 zeigt einen Hauptteil der in 1 und 2 gezeigten Vorrichtung.
4A und 4B stellen Schwingungskennlinien eines Schneidwerkzeugs und ein Steuerungsverfahren für die automatische Verfolgung der Resonanzfrequenz dar.
5 stellt ein Verfahren zur Eliminierung der Interferenz für das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des elliptischen Vibrators dar.
Die in 1 und 2 gezeigte elliptische Schwingungs-Schneidvorrichtung umfasst ein Schneidwerkzeug 2, z. B. eine Schneide zum Schneiden eines Werkstücks 1, beispielsweise eines Stahlprodukts, einen elliptischen Vibrator 3 zum Erzeugen von elliptischen Schwingungen an dem Schneidwerkzeug 2, zwei Stützglieder 4 zum Stützen des elliptischen Vibrators 3 mit einem vorher bestimmten Abstand zwischen ihnen, und eine Basis 5, an der die Stützglieder 4 angeordnet sind.
Der mittlere Teil des Vibrators 3 ist aus einem Körper 6 in Form eines achteckigen Prismas gebildet. Stufenhörner 7 stehen jeweils von beiden Enden des Körpers 6 in der Form des achteckigen Prismas vor, um elliptische Schwingungen zu verstärken. Die Stufenhörner 7 sind jeweils aus einem größeren zylindrischen Horn 8 und einem kleineren zylindrischen Horn 9 gebildet, das an dem größeren Horn 8 vorgesehen ist.
Das Ende (des kleineren Horns 9) eines der Stufenhörner 7 des elliptischen Vibrators 3 ist mit einer Halterung 10 versehen, an der das Schneidwerkzeug 2 befestigt ist. Die Stufenhörner 7 (die größeren Hörner 8) können jeweils durch Stützglieder 4 gestützt werden.
Der achteckige Prismenkörper 6 umfasst eine vertikale Seite 11, an der ein piezoelektrisches (Antriebs-)Element 12 vorgesehen ist, um elliptische Schwingungen zu erzeugen, und eine horizontale Seite 13, an der ebenfalls ein piezoelektrisches Element 14 vorgesehen ist, um elliptische Schwingungen zu erzeugen.
Die vertikale Seite 11 und die horizontale Seite 13, die entsprechende Seiten des achteckigen Prismenkörpers 6 bilden, sind rechtwinklig zueinander. Die vertikale und die horizontale Seite dienen jeweils als Halterungen, an denen die piezoelektrischen Elemente befestigt sind. Hier werden die piezoelektrischen Elemente 12 und 14 nicht notwendigerweise jeweils an der vertikalen Seite 11 und der horizontalen Seite 13 angeordnet, und daher können die piezoelektrischen Elemente an entsprechenden Seiten rechtwinklig zueinander angeordnet werden, so dass Biegeschwingungen in Richtungen erzeugt werden, die zueinander rechtwinklig sind. Außerdem werden die Biegeschwingungen nicht notwendigerweise in den rechtwinkligen Richtungen erzeugt und können jeweils Richtungen haben, die einen Winkel außer 0° und 180° bilden.
Die oben beschriebene Vorrichtung umfasst weiterhin einen Steuerungsmechanismus 15 für den Einzelantrieb und die Einzelsteuerung der piezoelektrischen Elemente 12 und 14. Durch diesen Steuerungsmechanismus 15 kann eine Sinusspannung mit einer vorher bestimmten Frequenz, einer vorher bestimmten Amplitude und einer vorher bestimmten Phase (vorher bestimmte Phasendifferenz) auf jedes der piezoelektrischen Elemente 12 und 14 aufgebracht werden.
Insbesondere wird die Sinusspannung mit einer vorher bestimmten Phasendifferenz jeweils auf die piezoelektrischen Elemente 12 und 14 aufgebracht, um die piezoelektrischen Elemente 12 und 14 einzeln anzutreiben. Dann können Biegeschwingungen an dem elliptischen Vibrator 3 erzeugt werden. Die Biegeschwingungen werden entsprechend der Sinusspannung an den Stützgliedern 4 als ihrem Zentrum erzeugt. Die Biegeschwingungen des elliptischen Vibrators 3 werden mechanisch in Resonation gebracht und synthetisch erzeugt. Daher kann eine Trajektorie der elliptischen Schwingungen in einer gewünschten Form an der Halterung 10 am Ende des Stufenhorns 7 erzeugt werden.
Auf diese Weise können durch den elliptischen Vibrator 3 elliptische Schwingungen synthetisch erzeugt und an das Schneidwerkzeug 2 (die Halterung 10) übertragen werden, damit das Ende (die Schneidkante) des Schneidwerkzeugs 2 die Trajektorie 16 (s. 3) der elliptischen Schwingungen in einer gewünschten Form ziehen und somit periodisch elliptisch schwingen (entlang der elliptischen Trajektorie rotieren) kann.
Die Trajektorie 16 der elliptischen Schwingungen kann willkürlich geformt sein, wie es die elliptische Schwingungs-Schneidvorrichtung erfordert. Weiterhin kann die Sinusspannung, die auf die piezoelektrischen Elemente 12 und 14 des elliptischen Vibrators 3 aufgebracht wird, beispielsweise eine Frequenz von 20 KHz, eine Amplitude (Spannung) von 200 V und eine Phasendifferenz von 90° haben.
Um, wie in 3 gezeigt, das Werkstück 1 durch das Schneidwerkzeug 2 zu schneiden, wird dementsprechend das Schneidwerkzeug 2 (dessen Schneidkante) elliptisch zum Schwingen gebracht, während das Werkstück 1 bei vorher bestimmter Schneidgeschwindigkeit (m/min) relativ in die Schneidrichtung A bewegt wird (Y-Richtung in 2), um in das Werkstück 1 in einer Einschnittrichtung einzuschneiden, die durch D bezeichnet ist (X-Richtung in 2).
In 3 ist die durch B bezeichnete Richtung, die gleich der Schneidrichtung A ist, die Richtung einer Hauptschneidkraft, und die durch C bezeichnete Richtung ist die Richtung einer Vorschubkraft.
An vorher bestimmten Positionen des elliptischen Vibrators 3 der in den Zeichnungen gezeigten Vorrichtung sind Erfassungseinrichtungen (Sensoren) 17 vorgesehen, um Biegeschwingungen in X- bzw. Y-Richtung zu erfassen. Die Erfassungseinrichtungen 17 erfassen Biegeschwingungen (elliptische Schwingungen) des elliptischen Vibrators 3, um ein Erfassungssignal zu übertragen, das dem Steuerungsmechanismus 15 den Schwingungsstatus anzeigt.
Anschließend kann die Menge der oben beschriebenen Interferenz durch Schwingungen in X-(Y)-Richtung mit Schwingungen in Y-(X-)-Richtung mittels der Erfassungseinrichtungen 17 gemessen werden.
Gemäß dieser Ausführungsform können z. B. piezoelektrische Elemente zum Messen oder optische Verschiebungsmesser (Fotosensoren) als Erfassungseinrichtungen 17 wie oben beschrieben verwendet werden.
Wenn eine vorher bestimmte Spannung an das piezoelektrische Element 12 für den Antrieb in X-Richtung angelegt wird, biegen sich die Stufenhörner 7 nicht nur in X-Richtung, sondern auch in Y-Richtung. Wenn die piezoelektrischen Elemente als Erfassungseinrichtungen 17 verwendet werden, verformt die Biegung der Stufenhörner sowohl die Erfassungseinrichtung 17 zum Erfassen von Biegeschwingungen in X-Richtung als auch die Erfassungseinrichtung 17 zum Erfassen von Biegeschwingungen in Y-Richtung, und entsprechend werden Spannungen von den Erfassungseinrichtungen erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt kann die Spannung der Erfassungseinrichtung 17 zum Erfassen von Biegeschwingungen in Y-Richtung erfasst werden, um die Menge der Interferenz mit Schwingungen in Y-Richtung zu erfassen.
Der Schwingungsstatus (z. B. die Amplitude, die Interferenzmenge) kann indirekt gemessen werden, indem mittels einer Verstärkungseinheit 23 die Menge an Strom gemessen wird, wenn Schwingungen erzeugt werden.
Der Steuerungsmechanismus 15 umfasst eine Steuerungseinheit 21 für die Ausführung von drei Steuerungssystemen, d. h. der Steuerung der Amplitudenkonstanz, der Steuerung der Konstanz der Phasendifferenz und der automatischen Verfolgung der Resonanzfrequenz, um die Trajektorie 16 der elliptischen Schwingungen zu steuern.
Anschließend werden ein vorher bestimmter Amplitudenbefehl und ein vorher bestimmter Phasenbefehl an die Steuerungseinheit 21 gegeben, während die Resonanzerfassung automatisch durch die Steuerungseinheit 21 erfolgen kann. Durch die drei Steuerungssysteme, die durch den Steuerungsmechanismus 15 ausgeführt werden, kann die Trajektorie 16 der elliptischen Schwingungen stabil gebildet werden, wie erforderlich.
Als Erstes wird die Steuerung der Amplitudenkonstanz beschrieben.
Die Steuerung der Amplitudenkonstanz betrifft beispielsweise die Steuerung zur stabilen Aufrechterhaltung einer erforderlichen Amplitude (gesetzte Zielamplitude) der Schwingungen in X-Richtung (Einschnittrichtung D) und in Y-Richtung (Schneidrichtung A).
Auf diese Art kann durch diese Steuerung durch den Steuerungsmechanismus 15 die Amplitude der Wellenform der Schwingungen, die durch die Erfassungseinrichtungen 17 gemessen werden, auf die Zielamplitude gesetzt werden.
Als Zweites wird die Steuerung der Konstanz der Phasendifferenz beschrieben.
Die Steuerung der Konstanz der Phasendifferenz betrifft beispielsweise die Steuerung zur stabilen Aufrechterhaltung einer erforderlichen Phasendifferenz (gesetzte Zielphasendifferenz) der Schwingungen in X- und Y-Richtung.
So kann durch diese Steuerung durch den Steuerungsmechanismus 15 die Phasendifferenz der durch die Erfassungseinrichtungen 17 gemessenen Schwingungen auf die Zielphasendifferenz gesetzt werden.
Als Drittes wird die automatische Verfolgung der Resonanzfrequenz beschrieben.
Der Schneidvorgang durch die elliptische Schwingungs-Schneidvorrichtung wird wie oben beschrieben durch elliptische Schwingungen durchgeführt, die durch mechanische Resonation und synthetische Erzeugung der Biegeschwingungen erzeugt werden, um die Trajektorie 16 der elliptischen Schwingungen zu erlangen, die durch die Schneidkante des Schneidwerkzeugs 2 gezogen wird. Um das Schneidwerkzeug effizient schwingen zu lassen, ist die Frequenz einer angelegten Spannung wünschenswerterweise immer gleich der Resonanzfrequenz. Jedoch kann die Resonanzfrequenz nicht spezifiziert werden, da eine geringe Differenz zwischen entsprechenden Resonanzfrequenzen des Schneidwerkzeugs bezüglich der beiden Richtungen besteht.
Im Folgenden werden die Schwingungskennlinien des Schneidwerkzeugs unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben. 4A und 4B zeigen Messungen der Schwingungskennlinien des Schneidwerkzeugs, die von den Erfassungseinrichtungen 17 (piezoelektrische Messelemente) genommen werden. 4A zeigt den Zuwachs bezüglich der Schneidrichtung (Y-Richtung) und der Einschnittrichtung (X-Richtung), und 4B zeigt die Phasenverzögerung bezüglich der Schneidrichtung (Y-Richtung) und der Einschnittrichtung (X-Richtung).
Aus 4A und 4B ist zu ersehen, dass sowohl für die vertikale als auch für die horizontale Richtung die maximale Amplitude erzielt wird, wenn die Phasenverzögerung ungefähr –90° beträgt. Dann wird durch Steuerung durch das oben erwähnte Steuerungssystem die durchschnittliche Phasenverzögerung bezüglich der beiden Richtungen auf –90° gesetzt, um eine ausreichende Schwingungsamplitude für beide Richtungen zu erzielen. Insbesondere wird für jede Richtung die Phasendifferenz zwischen einer Ausgangs-Wellenform von der Erfassungseinrichtung 17 und einer Eingangs-Wellenform von der Steuerungseinheit 21 gemessen, und der Durchschnitt entsprechender Phasenverzögerungen bezüglich der beiden Richtungen wird auf einem willkürlichen Zielwert gehalten (z. B. –90°), indem die Frequenz der Spannung, die an die piezoelektrischen Antriebselemente angelegt wird, eingestellt wird. Hier kann die durchschnittliche Phasenverzögerung ein gewichtetes Mittel sein. In diesem Fall kann eine willkürliche Form der Gewichtung angewandt werden.
Auf diese Art wird eine Steuerung ausgeübt, um die durchschnittliche Phasenverzögerung der beiden Richtungen, d. h. der X- und der Y-Richtung, auf ungefähr –90° zu halten. Diese Steuerung wird als automatisches Verfolgen der Resonanzfrequenz bezeichnet.
Der Steuerungsmechanismus 15 umfasst weiterhin eine Interferenz-Eliminierungseinheit 22, um eine Menge an Interferenz bei Biegeschwingungen in X- und Y-Richtung korrigierend zu eliminieren. Dann kann die Menge der Interferenz bei den Biegeschwingungen in X- und Y-Richtung durch die Interferenz-Eliminierungseinheit 22 korrigierend beseitigt werden.
Insbesondere wird die Menge der Interferenz durch Biegeschwingungen in X-Richtung mit Biegeschwingungen in Y-Richtung eliminiert, indem die Spannung gesteuert wird, die auf das piezoelektrische Element 14 für den Antrieb in Y-Richtung aufgebracht wird, um die Menge der Interferenz aufzuheben. Die Menge der Interferenz kann damit korrigierend eliminiert werden.
In die Steuerungseinheit 21 und die Interferenz-Eliminierungseinheit 22 des oben beschriebenen Steuerungsmechanismus 15 können Erfassungssignale von den Erfassungseinrichtungen 17 eingegeben werden.
Es folgt die Beschreibung von 5.
5 stellt einen Interferenzmechanismus (Werkzeuginterferenz) mit Schwingungen in X- und Y-Richtung sowie ein Interferenz-Eliminierungssystem (Interferenz-Eliminierungseinheit 22) der in 1–3 gezeigten Vorrichtung dar.
Insbesondere wird die Werkzeuginterferenz durch Biegeschwingungen in X-Richtung beschrieben. Hierbei wird angenommen, dass die Schwingungsspannung V₁, die durch E₁·cos(ωt + α₁) dargestellt ist, nur auf das piezoelektrische Element 12 für den Antrieb in X-Richtung aufgebracht wird.
Die piezoelektrische Wirkung verursacht an dem piezoelektrischen Element 12 eine Schwingungskraft, die durch F₁·cos(ωt + α₁) dargestellt ist, und diese Schwingungskraft verursacht an dem elliptischen Vibrator 3 eine Verschiebung in X-Richtung, λ₁·cos(ωt + α₁ – ϕ).
Andererseits verursacht diese Verschiebung eine Schwingungskraft (Werkzeuginterferenz), die durch K₂₁·λ₁·cos(ωt + α₁ – ϕ) dargestellt ist, in der Y-Richtung senkrecht zur X-Richtung.
Diese Verschiebung, mit anderen Worten, die Verschiebung in X-Richtung, die die Schwingungskraft in Y-Richtung verursacht, hat eine Wellenform, die von der Erfassungseinrichtung 17 erfasst werden kann.
Um die Verschiebung korrigierend zu eliminieren, wird eine Schwingungsspannung P₂₁·λ₁·cos(ωt + α₁ – ϕ) auf das piezoelektrische Element 14 für den Antrieb in Y-Richtung aufgebracht. Dann verursacht diese Schwingungsspannung eine Schwingungskraft von P₂₁·F₂/E₂·λ₁·cos(ωt + α₁ – ϕ) in Y-Richtung.
Zu diesem Zeitpunkt werden Einstellungen vorgenommen, um P₂₁·F₂/E₂ = –K₂₁ zu erzielen, um die Werkzeuginterferenz aufzuheben.
Außerdem wird, wie in dem Interferenzmechanismusmodell in 5 gezeigt, die Menge der für dieses System spezifischen Interferenz, die von der Verschiebung umfasst wird, die von der Schwingungskraft in X-Richtung verursacht wird, als Störkomponente in die Schwingungskraft in der Y-Richtung eingefügt und wird dementsprechend in Transferfunktion G₂ (S) im Hinblick auf die Interferenzbeseitigung berücksichtigt.
Werkzeuginterferenz, die verursacht wird, wenn die durch E₂·cos(ωt + α₂) dargestellte Schwingungsspannung V₂ nur auf das piezoelektrische Element 14 für den Antrieb in Y-Richtung aufgebracht wird, kann ebenfalls korrigierend eliminiert werden, indem die Interferenz aufgehoben wird, wie es bezüglich der X-Richtung durchgeführt wurde, wie oben beschrieben.
Auf diese Art kann die elliptische Schwingungs-Schneidvorrichtung (die Interferenz-Eliminierungseinheit 22 des Steuerungsmechanismus 15) effizient und korrigierend die Werkzeuginterferenz bezüglich beider Richtungen, der X- und der Y-Richtung, beseitigen und so das Werkstück 1 mittels des Schneidwerkzeugs 2 durch dessen elliptische Schwingungen stabil schneiden.
Dementsprechend wird eine Sinusspannung mit vorher bestimmter Phasendifferenz von dem Steuerungsmechanismus 15 jeweils auf die piezoelektrischen Elemente 12 und 14 aufgebracht, um diese anzutreiben. Dann werden Schwingungsspannungen des elliptischen Vibrators 3 entsprechend den piezoelektrischen Elementen 12 und 14 in X- bzw. Y-Richtung erzeugt. Die Schwingungsspannungen werden synthetisch erzeugt, um elliptische Schwingungen des Schneidwerkzeugs 2 an der Halterung 10 des elliptischen Vibrators 3 zu verursachen. Dadurch kann das Werkstück 1 durch das Schneidwerkzeug 2 durch dessen elliptische Vibrationen geschnitten werden.
Zu diesem Zeitpunkt interferieren die Biegeschwingungen in den beiden Richtungen miteinander, und die Menge dieser Werkzeuginterferenz kann durch die Interferenz-Eliminierungseinheit 22 des Steuerungsmechanismus 15 wie oben beschrieben aufgehoben und entsprechend korrigierend eliminiert werden.
Auf diese Art wird das Werkstück mittels des Schneidwerkzeugs durch elliptische Schwingungen geschnitten. Zu diesem Zeitpunkt kann die Trajektorie der elliptischen Schwingungen, die von der Kante des Schneidwerkzeugs gezogen wird, stabil gesteuert werden, so dass die Trajektorie eine erforderliche Form hat. Dementsprechend kann das Werkstück mit hoher Präzision durch den elliptischen Schwingungs-Schneidvorgang bearbeitet werden.
Die Verstärkungseinheit (der Verstärker) 23 des oben beschriebenen Steuerungsmechanismus 15 verstärkt die Spannung von der Interferenz-Eliminierungseinheit 22, um die verstärkte Spannung den piezoelektrischen Elementen 12 und 14 zuzuführen.
Die elliptische Schwingungs-Schneidvorrichtung ist oben als eine elliptische Schwingungs-Bearbeitungsvorrichtung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch bei jeder Bearbeitungsvorrichtung z. B. zum Schleifen, Anrauhen, Schneiden und Schweißen anwendbar. Außerdem können beliebige Werkzeuge, die für diese Bearbeitungsvorgänge verwendet werden, elliptisch vibriert werden. Beispielsweise können eine Schneide für den Schneidvorgang und eine Polierscheibe oder ein Anrauhkissen für den Anrauhungsvorgang elliptisch vibriert werden. Außerdem kann ein zu bearbeitendes Werkstück elliptisch vibriert werden. Alternativ kann die Erfindung als Verfahren zum Steuern eines Resonanz-Ultraschall-Motors verwendet werden.
Zusätzlich werden gemäß der oben stehenden Beschreibung die Biegeschwingungen zur Steuerung des elliptischen Vibrators verwendet. Alternativ können zwei Betätigungssysteme wie piezoelektrische Elemente verwendet werden, um es jedem piezoelektrischen Element zu ermöglichen, direkt eine Verschiebung des elliptischen Vibrators zu bewirken. In diesem Fall verschieben die piezoelektrischen Elemente, von denen jedes eine konstante Phasendifferenz hat, den elliptischen Vibrator in entsprechende Richtungen, die rechtwinklig zueinander sind, und lassen ihn entsprechend schwingen, so dass so genannte Längsschwingungen erzeugt werden. Statt dessen können so genannte Torsionsschwingungen durch eine Torsionsverformung erzeugt werden, die durch Betätigungseinrichtungen verursacht wird. Weiterhin kann abgesehen von den oben erwähnten Schwingungsmodi ein beliebiger Schwingungsmodus wie Scherungsschwingungen und Radialschwingungen verwendet werden. Mit anderen Worten, eine beliebige Verformung kann erzeugt werden, um eine Verschiebung zu bewirken, durch die diese Schwingungen erzeugt werden. Die Erfindung ist auf eine beliebige Kombination dieser Schwingungsmodi anwendbar. In jedem Fall wird die Menge der Interferenz durch Schwingungen in einer Richtung mit Schwingungen in einer anderen Richtung korrigierend aus den Schwingungen in dieser anderen Richtung eliminiert.
Außerdem sind bei jedem der oben beschriebenen Schwingungsmodi die eine Richtung und die andere Richtung, in denen Schwingungen erzeugt werden, nicht notwendigerweise rechtwinklig zueinander, und der durch diese Richtungen gebildete Winkel kann ein beliebiger Winkel außer 0° und 180° sein.
Erfindungsgemäß wird ein Werkstück mittels eines Werkzeugs durch elliptische Schwingungen bearbeitet, und die Trajektorie der elliptischen Schwingungen, die von einer Kante des Werkzeugs gezogen wird, kann stabil gesteuert werden, so dass die Trajektorie eine erforderliche Form hat. Dadurch ist die Erfindung hoch effektiv, da das Werkstück mit hoher Präzision durch elliptische Schwingungen bearbeitet werden kann.
Obgleich die Erfindung im Einzelnen beschrieben und dargestellt wurde, wird darauf hingewiesen, dass dies nur als Illustration und Beispiel dient und nicht als Einschränkung zu verstehen ist, da der Gedanke und der Schutzbereich der Erfindung nur durch die beigefügten Patentansprüche begrenzt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators, der zum Schneiden eines Werkstücks (1) durch ein Werkzeug (2) verwendet wird, wobei Schwingungen in zwei Richtungen synthetisch erzeugt werden, um elliptische Schwingungen des elliptischen Vibrators (3) zu erzeugen und die elliptischen Schwingungen an das Werkzeug (2) zu übertragen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Aufbringen eines elektrischen Signals zum Antreiben des elliptischen Vibrators (3) in einer ersten und einer zweiten Richtung auf piezoelektrische Elemente (12, 14), die zum Antreiben des elliptischen Vibrators (3) in der ersten bzw. zweiten Richtung verwendet werden; – Erfassen einer ersten Menge von Schwingungen des elliptischen Vibrators (3), die in der ersten Richtung erzeugt werden, und einer zweiten Menge von Schwingungen des elliptischen Vibrators (3), die in der zweiten Richtung erzeugt werden; und gekennzeichnet durch – Umwandeln der ersten Menge von Schwingungen in ein elektrisches Signal, um eine erste Schwingungskraft aufzuheben, die durch Schwingungen des elliptischen Vibrators (3) in der zweiten Richtung verursacht wird; – Umwandeln der zweiten Menge von Schwingungen in ein elektrisches Signal, um eine zweite Schwingungskraft aufzuheben, die durch Schwingungen des elliptischen Vibrators (3) in der ersten Richtung verursacht wird; – Aufbringen eines weiteren elektrischen Signals auf der Basis des genannten elektrischen Signals auf die piezoelektrischen Elemente (12, 14) zusätzlich zu einem elektrischen Antriebssignal des elliptischen Vibrators (3), um den elliptischen Vibrator (3) in der zweiten bzw. der ersten Richtung anzutreiben.
Verfahren zur Steuerung eines elliptischen Vibrators nach Anspruch 1, wobei die Schwingungen in den zwei Richtungen Schwingungen in einem beliebigen der folgenden Modi sind: Biegeschwingungsmodus, Längsschwingungsmodus, Torsionsschwingungsmodus, Scherungsschwingungsmodus und Radialschwingungsmodus.