FI101053B

FI101053B - Vibration compensation system for machining a workpiece

Info

Publication number: FI101053B
Application number: FI922218A
Authority: FI
Inventors: Petri Kuosmanen; Pekka Vaeaenaenen; Joakim Simons
Original assignee: Kuosmanen Petri Olavi; Pekka Vaeaenaenen
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1998-04-15
Also published as: FI922218A; FI922218A0

Description

Värähtelyjen kompensointijärjestelmä työkappaleen työs töön. - Vibrationskompensationssystem för bearbetning av ett arbetsstycke.Vibration compensation system for workpiece work. - Vibrationscompensationss system for the supply of goods.

1 1010531 101053

Keksinnön kohteena on värähtelyjen kompensointijärjestelmä värähtelevän työkappaleen, kuten epätarkasti pyörivän paperikoneen telan työstöön, järjestelmään kuuluessa nopea ja tarkka toimilaite, jonka avulla aikaansaadaan työstävän terän kuten sorvin terän tai hiomakiven lastuamissyvyyden pyörimiskulman suhteen tapahtuva säätö, sekä toimilaitteen ohj ausj ärj estelmä.The present invention relates to a vibration compensation system for machining an oscillating workpiece, such as an inaccurately rotating paper machine roll, the system comprising a fast and accurate actuator for adjusting the cutting depth of a machining blade such as a lathe blade or grindstone, and an actuator control.

On tunnettua mitata ennakolta telan poikkileikkauksen kehän säteiserot ja käyttää näitä mittaustietoja sorvauksen aikana toimilaitteen ohjaamiseen tarkoituksena säteiserojen poistaminen. Kuitenkin sorvattaessa suuria teloja kuten paperikoneen teloja, muodostaa telan ominaisvärähtely suurimman ongelman, jota ei tähän asti ole pystytty tyydyttävästi ratkaisemaan. Tämä värähtelyliike ei tapahdu samassa vaiheessa pyörimiskulman kanssa, mikä merkitsee sitä, että se täytyy mitata reaaliaikaisesti työstön kanssa.It is known to measure in advance the radial differences of the circumference of the cross section of the roll and to use these measurement data during turning to control the actuator in order to eliminate the radial differences. However, when turning large rolls such as paper machine rolls, the characteristic vibration of the roll is the biggest problem that has not been satisfactorily solved so far. This oscillating motion does not occur in phase with the angle of rotation, which means that it must be measured in real time with machining.

. Patenttijulkaisussa DE-2451942 on kysymyksessä halkaisija- virheen korjaus, jota varten mitataan kappaleen keskimääräistä halkaisijamittaa työstön aikana. Tällä tunnetulla järjestelmällä ei pystytä reaaliaikaisesti seuraamaan työ-kappaleen työkalun suuntaista värähtelyä, koska anturijärjestelyssä ei yksikään anturi ole työkalun suunnassa. Järjestelmässä ei ole suoraa mittausta työkalun ja kappaleen välillä.. DE-2451942 relates to the correction of a diameter error for which the average diameter of a part during machining is measured. With this known system, it is not possible to monitor the oscillation of the workpiece in the direction of the tool in real time, because in the sensor arrangement no sensor is in the direction of the tool. There is no direct measurement between the tool and the part in the system.

Patenttijulkaisu DE-2800618 koskee kappaleen tietokoneavusteis ta asettelua sorvin istukkaan ennalta ohjelmoidun ympyrämäi- syysvirheen perusteella. Tässä tunnetussa järjestelmässä ei 2 101053 pyritä seuraamaan terällä kappaleen pyörimisakselin terän suuntaista liikettä. Järjestelmässä ei ole reaaliaikaista suoraa mittausta työkalun ja kappaleen välillä työstön aikana, eikä etukäteen ohjelmoitua ympyrämäisyysprofiilia käytetä referenssipinnan muotovirheen kompensointiin, jotta heittomit-tauksesta saataisiin erotettua pyörimisakselin terän suuntainen liike.DE-2800618 relates to a computer-assisted arrangement of a part on a lathe chuck on the basis of a pre-programmed circularity error. In this known system, no attempt is made to follow with the blade the movement of the axis of rotation of the part in the direction of the blade. The system does not have a real-time direct measurement between the tool and the workpiece during machining, and a pre-programmed circularity profile is not used to compensate for the contour defect of the reference surface to separate the rotational axis blade movement from the throw measurement.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan järjestelmä, jolla työ-kappaleen kuten telan pinnan koneistuksessa värähtelyt voidaan kompensoida niin, että koneistetun pinnan mittatarkkuus on olennaisesti parempi kuin tavanomaisilla menetelmillä koneistetun pinnan mittatarkkuus.The object of the invention is to provide a system by which vibrations in the machining of a workpiece such as a roll surface can be compensated so that the dimensional accuracy of the machined surface is substantially better than the dimensional accuracy of the machined surface by conventional methods.

Tämä tarkoitus saavutetaan oheisessa patenttivaatimuksessa 1 esitettyjen tunnusmerkkien perusteella. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön edullisia sovellutusmuo-toja.This object is achieved on the basis of the features set out in the appended claim 1. Preferred embodiments of the invention are set out in the dependent claims.

Seuraavassa keksinnön eräitä suoritusesimerkkejä selostetaan lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää kaaviollisena poikkileikkauksena mittatarkkuutta pienentävät eli mittavirheitä synnyttävät tekijät x1-x4 sekä poikkileikkauksen ympyrämäisyysvirheen r.In the following, some embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows in schematic cross-section the factors x1-x4 which reduce dimensional accuracy, i.e., cause dimensional errors, and the circularity error r of the cross section.

Kuvio 2 esittää keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaista järjestelmää, jolla telan pinta voidaan koneistaa esim. lastuavalla terällä niin, että samalla suoritetaan reaaliaikainen ympyrämäisyysvirheen kompensointi. On-* line-mittaus etäisyysanturilla 7A suoritetaan terän 2 puolelta.Fig. 2 shows a system according to a first embodiment of the invention, with which the surface of the roll can be machined, e.g. with a cutting blade, so that at the same time real-time compensation of circularity error is performed. On-line measurement with the distance sensor 7A is performed on the blade 2 side.

Kuvio 3 esittää keksinnön toisen suoritusmuodon mukaista järjestelmää, joka eroaa kuvion 2 mukaisesta järjestel- 3 101053 mästä siinä, että on-line-mittaus kompensointia varten suoritetaan terään 2 nähden vastakkaisella puolella telaa 1 olevalla etäisyysanturilla 7B ja lisäksi käytetään kiihtyvyysantureita 9 ja 12 pietsotoimilaitteen 3 tuennan ja etäisyysanturin 7B tuennan värähtelyjen kompensoimiseksi.Fig. 3 shows a system according to a second embodiment of the invention, which differs from the system according to Fig. 2 in that the on-line measurement for compensation is performed by a distance sensor 7B on the side opposite the blade 2 and further using accelerometers 9 and 12 to support the piezo actuator 3. and a distance sensor 7B for compensating for vibrations in the support.

Kuviossa 1 merkityt heittoa synnyttävät tekijät ovat seuraavat: r = poikkileikkauksen säteiserot (ympyrämäisyysvirhe), x^ = telan värähtelystä aiheutuva keskipisteen liikkeen komponentti etäisyysanturin 7A suuntaan (tai etäisyysanturista 7B poispäin), x2 = anturin tuennan siirtymä terän suuntaan, X3 = terän liike ja X4 = etäisyysanturin 7B tuennan (teräkelkan) siirtymä terän suunnassa.The emission factors indicated in Figure 1 are as follows: r = radial differences in cross-section (circularity error), x ^ = component of center motion due to roll vibration in the direction of the distance sensor 7A (or away from the distance sensor 7B), x2 = displacement of the sensor support in the blade direction, = displacement of the distance sensor 7B support (blade carriage) in the direction of the blade.

Ennen kuin esitetään keksinnön mukaisella järjestelmällä suoritettava kompensointimenetelmä, selostetaan lyhyesti kuvioissa 2 ja 3 esitetyn järjestelmän rakennetta. Telaa 1 sorvataan terällä 2 samalla kun telaa 1 pyöritetään suurehkolla nopeudella. Terää 2 siirretään aksiaalisuunnassa nopeudella, joka riippuu terän 2 lastuamisleveydestä ja telan 1 pyöritysnopeudesta.Before showing the compensation method to be performed with the system according to the invention, the structure of the system shown in Figs. 2 and 3 will be briefly described. The roller 1 is turned with a blade 2 while the roller 1 is rotated at a relatively higher speed. The blade 2 is moved in the axial direction at a speed which depends on the cutting width of the blade 2 and the rotation speed of the roll 1.

Terän 2 säteittäistä liikettä ohjataan pietsotoimilaitteella 3, jonka toiminta perustuu pietsokeraamisen materiaalin kykyyn . laajentua, kun se asetetaan sähkökenttään. Laajenemisen maksi- misuuruus on noin promille keraamisen materiaalin pituudesta. Käytetyn pietsotoimilaitteen laajenemisalue voi olla esim. 60 mikrometriä, joka aikaansaadaan vaihtelemalla syöttöjännitettä 0:sta 100 V:iin. Jännite syötetään vahvistimelta 4 sille tulevien ohjaussignaalien perusteella.The radial movement of the blade 2 is controlled by a piezo actuator 3, the operation of which is based on the ability of the piezoceramic material. expand when placed in an electric field. The maximum amount of expansion is about a per cent of the length of the ceramic material. The expansion range of the piezo actuator used can be, for example, 60 micrometers, which is obtained by varying the supply voltage from 0 to 100 V. The voltage is supplied from the amplifier 4 on the basis of the control signals coming to it.

Telan 1 poikkileikkauksen säteiserot r voidaan mitata etukäteen ja tallettaa mikrotietokoneen 6 muistiin. Pulssianturilla 5 seurataan telan 1 pyörimiskulmaa koneistuksen aikana. Tämän kulmatiedon perusteella (huomioonottaen terän 2 aksiaalinen 4 101053 siirtomatka) mikrotietokone 6 antaa ohjaussignaalin, joka summataan summaimessa 8 etäisyysanturilta 7A saatavaan signaaliin. Etäisyysanturi 7A mittaa siis telan pinnan hetkellistä sijaintia, johon vaikuttavat sekä telan poikkileikkauksen säteiserot että sen pyörimisakselin värähtelyt. Tämän summasignaalin perusteella syötetään ohjausjännite pietsotoimilaitteelle 3 kuten myöhemmin vielä tarkemmin esitetään.The radial differences r of the cross section of the roll 1 can be measured in advance and stored in the memory of the microcomputer 6. The pulse sensor 5 monitors the angle of rotation of the roll 1 during machining. On the basis of this angular information (taking into account the axial travel 4 of the blade 2 101053), the microcomputer 6 outputs a control signal which is summed in the adder 8 by the signal from the distance sensor 7A. The distance sensor 7A thus measures the instantaneous position of the surface of the roll, which is affected by both the radial differences in the cross-section of the roll and the vibrations of its axis of rotation. Based on this sum signal, a control voltage is applied to the piezo actuator 3 as will be described in more detail later.

Kuvio 3 eroaa edellisestä vain siinä, että etäisyysanturi 7B on sijoitettu terään 2 nähden vastakkaiselle puolelle telaa 1 ja lisäksi kiihtyvyysanturit 9 ja 11 on sijoitettu vastaavasti pietsotoimilaitteen 3 ja etäisyysanturin 7B yhteyteen. Näillä kiihtyvyysantureilla mitataan pietsotoimilaitteen 3 ja etäisyysanturin 7B tuennan värähtelyjä, jotka yksiköissä 10 ja 12 suoritettavien kaksoisintegrointien jälkeen voidaan summata summausyksikössä 8 vahvistimelle 4 menevään ohjaussignaaliin.Figure 3 differs from the previous one only in that the distance sensor 7B is placed on the side of the roll 1 opposite to the blade 2 and furthermore the acceleration sensors 9 and 11 are placed in connection with the piezo actuator 3 and the distance sensor 7B, respectively. These acceleration sensors measure the oscillations of the support of the piezo actuator 3 and the distance sensor 7B, which, after double integrations in units 10 and 12, can be summed in the summing unit 8 to the control signal to the amplifier 4.

Seuraavassa tarkastellaan ohjaussignaalin muodostumista eri tapauksissa.In the following, the formation of the control signal in different cases is considered.

Pyörivästä kappaleesta 1 terän 2 kohdalta etäisyysanturilla 7A mitattava siirtymäerosignaali voidaan jakaa kolmeen komponenttiin : Α(ΦΛ) = - τ(φ) - χ^φ,Μ + x2(t) (1) , missä τ(φ) on kappaleen poikkileikkauksen säteisero [pm] (r(0)=0) χ^φ,ί) on kappaleen keskipisteen liikkeen komponentti anturin suuntaan [pm] (x1(0,0)=0) x2(t) on anturin tuennan (teräkelkan) siirtymä terän suuntaan [pm](x2(0)=0)The displacement difference signal measured from the rotating body 1 at the blade 2 by the distance sensor 7A can be divided into three components: Α (ΦΛ) = - τ (φ) - χ ^ φ, Μ + x2 (t) (1), where τ (φ) is the radial difference of the body cross section [ pm] (r (0) = 0) χ ^ φ, ί) is the component of the movement of the center of the part in the direction of the sensor [pm] (x1 (0,0) = 0) x2 (t) is the displacement of the sensor support (blade carriage) in the direction of the blade [ pm] (x2 (0) = 0)

Kaavasta 1 nähdään, että mitattava heitto on sekä kappaleen pyörähdyskulman φ että ajan t funktio.It can be seen from Equation 1 that the throw to be measured is a function of both the angle of rotation φ of the body and the time t.

s 101053s 101053

Sorvauksessa syntyvä ympyrämäisyysvirhe on pääosin seurausta lastuavan terän 2 ja työkappaleen 1 pyörimisakselin välimatkan vaihtelusta. Mikäli terä 2 pystytään pitämään vakiosäteen etäisyydellä kappaleen 1 pyörimisakselista, saadaan suurella tarkkuudella ympyrämäinen poikkileikkausmuoto. Johdetaan kompen-sointiyhtälö aktiiviselle toimilaitteelle 3, 4 terän 2 liikkeiden ohjaamiseksi.The circularity error caused by turning is mainly due to the variation in the distance between the axis of rotation of the cutting blade 2 and the workpiece 1. If the blade 2 can be kept at a constant radius from the axis of rotation of the body 1, a circular cross-sectional shape is obtained with high accuracy. A compensation equation is applied to the active actuator 3, 4 to control the movements of the blade 2.

Minimoidaan muotovirhe r(<|>) liikuttamalla terää, jonka liikettä merkitään X3(<J>,t):lla.Minimize the shape error r (<|>) by moving the blade, the movement of which is denoted by X3 (<J>, t).

r(φ) = - x1(φ,t) + x2(t) + x3(φ,t) = 0 (2) = > x3^,t) = χ^φ,Μ - x2(t) (3)r (φ) = - x1 (φ, t) + x2 (t) + x3 (φ, t) = 0 (2) => x3 ^, t) = χ ^ φ, Μ - x2 (t) (3)

Sijoitetaan kaava 3 kaavaan 1 ja ratkaistaan terän kompensoin-tiliike: = > x3(Φft) = - Α(φ,t) - r(φ) (4)Place formula 3 in formula 1 and solve the compensation movement of the blade: => x3 (Φft) = - Α (φ, t) - r (φ) (4)

Summaamalla etukäteen referenssipinnasta mitattu ympyrämäisyysvirhe reaaliaikaisesti mitattavaan heittoon terän puolella ja syöttämällä saatu signaali nopealle terää liikuttavalle toimilaitteelle, sekä kappaleen että terän tuennan virheliikkeistä syntyvä ympyrämäisyysvirhe voidaan eliminoida sorvauksen aikana (Kuva 2).By summing the circularity error measured from the reference surface in advance to the real-time measured throw on the blade side and feeding the resulting signal to a fast blade actuator, the circularity error due to both workpiece and blade support errors can be eliminated during turning (Figure 2).

Käytännössä kompensoinnin lopputulosta rajoittavat seuraavat seikat: - toimilaitteen ja sen vahvistimen dynamiikka-alue - anturin mittaustarkkuus, kohina, dynamiikka ja sen tuennan jäykkyys - lastuamistapahtuman satunnaisvirheet, esim. irtosärmä, kuluminen, murtumat jne.In practice, the result of compensation is limited by the following factors: - dynamic range of the actuator and its amplifier - sensor measurement accuracy, noise, dynamics and its support stiffness - random errors in the cutting operation, eg loose edge, wear, fractures, etc.

- lämpölaajenemisvirheet, ellei niitä oteta lisäksi huomioon 6 101053 - anturi ei voi olla täysin terän kohdalla sorvauksen aikana.- thermal expansion errors, if they are not taken into account 6 101053 - the sensor cannot be completely at the blade during turning.

Keksinnön koeajossa käytetty pietsotoimilaite 3 liikkuu negatiiviseen x-suuntaan ohjausjännitettä Uinp nostettaessa X3(Φ»t) = - 6·ϋίηρ(φ, t) ·μιη/ν (5)The piezo actuator 3 used in the test run of the invention moves in the negative x-direction when the control voltage Uinp is increased X3 (Φ »t) = - 6 · ϋίηρ (φ, t) · μιη / ν (5)

Mikäli on-line-anturia ei ole mahdollista sijoittaa terän puolelle rikkoutumisvaaran vuoksi, se voidaan asentaa myös kappaleen toiselle puolelle terän kohdalle (Kuvio 3). Tällöin anturin 7B mittaama siirtymäerosignaali on seuraava: B(<J>,t) = - r (φ+1 80° ) + X1 (φ, t) - x4(t) (6) , missä x4(t) on anturin 7B tuennan liike. Kaava 2 pätee edelleen. Ratkaistaan χ^φ,ί) kaavasta 6 ja sijoitetaan se kaavaan 3: χ3(φ,υ = Β(φ, t) + r(φ+180°) + x4(t) - x2(t) (7)If it is not possible to place the on-line sensor on the blade side due to the risk of breakage, it can also be mounted on the other side of the part at the blade (Figure 3). Then the displacement difference signal measured by the sensor 7B is as follows: B (<J>, t) = - r (φ + 1 80 °) + X1 (φ, t) - x4 (t) (6), where x4 (t) is the value of the sensor 7B support business. Formula 2 still applies. Solve χ ^ φ, ί) from formula 6 and place it in formula 3: χ3 (φ, υ = Β (φ, t) + r (φ + 180 °) + x4 (t) - x2 (t) (7)

Toimilaitteen kompensointiyhtälö sisältää termit x4(t) ja x2(t), jotka pitää ratkaista. Mikäli sekä anturin tuennan värähtely että kelkan virheliike saadaan amplitudiltaan riittävän pieniksi, kaava yksinkertaistuu. Päinvastaisessa tapauk-. sessa, jos liiketermejä ei. oteta huomioon, em. liikkeet kopioi tuvat kappaleen pintaan.The actuator compensation equation contains the terms x4 (t) and x2 (t) that need to be solved. If both the oscillation of the sensor support and the error movement of the carriage are made sufficiently small in amplitude, the formula is simplified. In the opposite case-. if there are no business terms. take into account, the above movements are copied to the surface of the part.

Harmoonista värähdysliikettä on suhteellisen helppo mitata kiihtyvyysanturilla. Tässä tapauksessa anturin 7B ja pietso-toimilaitteen 3 tuentojen liikettä seuraamaan voidaan asentaa *. kiihtyvyysanturit 11 ja 9. Kiihtyvyysanturien 9 ja 11 signaalit integroidaan siirtymiksi omilla vahvistimillaan 10 ja 12 ja lähtösignaalit U2 ja U4 summataan kaavan 7 mukaisesti toimilaitteen syöttösignaaliin.Harmonic oscillation motion is relatively easy to measure with an accelerometer. In this case, it is possible to install * to monitor the movement of the supports of the sensor 7B and the piezo actuator 3. accelerometers 11 and 9. The signals of the accelerometers 9 and 11 are integrated into transitions by their own amplifiers 10 and 12 and the output signals U2 and U4 are summed according to formula 7 to the input signal of the actuator.

7 1010537 101053

Keksintöä voidaan luonnollisesti soveltaa myös onton telan tai sylinterin sisäsorvaukseen. Ongelmana suuren lieriömäisen telan tai sylinterin sisäsorvauksessa on erityisesti teräpalkin värähtely. Terä on pitkän joustavan, toisesta päästään tuetun palkin päässä. Lisäksi työstettävä tela on rullien päällä, mistä syntyy muotovirhettä ja pinnan laadun heikkenemistä.The invention can, of course, also be applied to the internal turning of a hollow roll or cylinder. The problem with the internal turning of a large cylindrical roller or cylinder is especially the vibration of the cutter bar. The blade is at the end of a long flexible beam supported at one end. In addition, the roll to be machined is on rollers, which results in a shape defect and a deterioration in surface quality.

Näitä voidaan kompensoida edellä esitettyjä periaatteita vastaavilla järjestelyillä lastuavan terän liikkeiden ohjaamiseksi .These can be compensated by arrangements corresponding to the above principles for controlling the movements of the cutting blade.

On selvää, että keksintö ei ole rajoittunut edellä esitettyihin suoritusmuotoesimerkkeihin. Lastuavan työstön ohella järjestelmä soveltuu myös muunlaiseen koneistukseen, esim. hiontaan. Terän liikkeitä ohjaavana toimilaitteena pietsotoimilaite on vain eräs edullinen mahdollisuus, jota on käytetty keksinnön-mukaisen järjestelmän koeajossa. Keksintöä voidaan soveltaa myös esim. tasopinnan jyrsintään. Tällöin vastaava kiihtyvyysanturin ja toimilaitteen lisäys voidaan tehdä jyrsimen karalaa-kerin tuentaan, mikä parantaa saavutettavaa tasomaisuutta.It is clear that the invention is not limited to the embodiments presented above. In addition to machining, the system is also suitable for other types of machining, eg grinding. As an actuator controlling the movement of the blade, the piezo actuator is only one advantageous option used in the test run of the system according to the invention. The invention can also be applied, for example, to surface milling. In this case, a corresponding addition of the accelerometer and the actuator can be made to the support of the cutter spindle, which improves the levelness to be achieved.

Claims

1. Vibration compensation system for machining vibrating workpieces, such as inaccurate rotary paper machine rolls, which system comprises a fast and precise functional device (3) by means of which the adjustment of the machining bit (2), such as the turning bed or the grinding stone, cutting depth (x3) in relation to the angle of rotation is provided, and the control system (4, 5, 6) of the functional device, characterized in that in relation to the bite (2) on the same or opposite side of the workpiece, such as the roller (1) ), a spacer (7) is arranged, and said rapid operating device (3) is controlled in real time with the processing such that the radial differences (circular defect r) of the roller (1) are stored in the memory of a computer (6) and during vibration compensation processing its stored measurement result of the circular defect is fed to the amplifier (4) of the function device (3) summed in real time with the signal coming from the spacer (7) considering the signs and timing, the functional intention of the system being that the processing bite (2) is poured at a substantially exactly constant distance from the axis of rotation of the vibrating bite (1) during the rotation of the roller.

2. A system according to claim 1, characterized by; - by providing an acceleration sensor (9) in conjunction with the functional device (3), which measures vibrations in the supporting structure of the functional device (3) in the direction of movement (x3) of the bite (2), i.e. in the direction of the cutting depth and this measurement information is combined after double integration (10) with the control signal of the functional device (3).

3. A system according to claim 1 or 2, characterized in that an acceleration sensor (11) is measured in conjunction with the spacer (11), which measures vibrations in the spacer (7) support structure in the direction of the cutting depth, e.g. in the radial direction of the roller (1) and this measurement information is combined after double integration (12) with the control signal of the functional device (3). ,, 101053

4. A system according to any of claims 1-3, characterized in that the functional device (3) is a pietofunctional device. ♦ «