FI101053B - Värähtelyjen kompensointijärjestelmä työkappaleen työstöön - Google Patents

Description

Värähtelyjen kompensointijärjestelmä työkappaleen työs töön. - Vibrationskompensationssystem för bearbetning av ett arbetsstycke.

1 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.

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.

. 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.

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.

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.

Tämä tarkoitus saavutetaan oheisessa patenttivaatimuksessa 1 esitettyjen tunnusmerkkien perusteella. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön edullisia sovellutusmuo-toja.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Seuraavassa tarkastellaan ohjaussignaalin muodostumista eri tapauksissa.

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)

Kaavasta 1 nähdään, että mitattava heitto on sekä kappaleen pyörähdyskulman φ että ajan t funktio.

s 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.

Minimoidaan muotovirhe r(<|>) liikuttamalla terää, jonka liikettä merkitään X3(<J>,t):lla.

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)

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).

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.

- lämpölaajenemisvirheet, ellei niitä oteta lisäksi huomioon 6 101053 - anturi ei voi olla täysin terän kohdalla sorvauksen aikana.

Keksinnön koeajossa käytetty pietsotoimilaite 3 liikkuu negatiiviseen x-suuntaan ohjausjännitettä Uinp nostettaessa 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)

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.

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.

7 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.

Näitä voidaan kompensoida edellä esitettyjä periaatteita vastaavilla järjestelyillä lastuavan terän liikkeiden ohjaamiseksi .

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.

Claims (4)

8 101053

1. Värähtelyjen kompensointijärjestelmä värähtelevän työkappa-leen, kuten epätarkasti pyörivän paperikoneen telan työstöön, järjestelmään kuuluessa nopea ja tarkka toimilaite (3), jonka avulla aikaansaadaan työstävän terän (2) kuten sorvin terän tai hiomakiven lastuamissyvyyden (x3) pyörimiskulman suhteen tapahtuva säätö, sekä toimilaitteen ohjausjärjestelmä (4, 5, 6), tunnettu siitä, että terään (2) nähden samalle tai vastakkaiselle puolelle työkappaletta, kuten telaa (1), on sijoitettu etäisyysanturi (7), ja että mainittua nopeaa toimilaitetta (3) ohjataan reaaliaikaisesti työstön kanssa siten, että telan (1) ennakolta mitatut poikkileikkauksen säteiserot (ympyrämäisyysvirhe r) on tallennettu tietokoneen (6) muistiin ja värähtelyjen kompensointikoneistuksen aikana nämä tallennetut ympyrämäisyysvirheen mittaustulokset syötetään toimilaitteen (3) vahvistimelle (4) summattuna reaaliaikaisesti etäi-syysanturilta (7) tulevaan signaaliin etumerkki ja ajoitus huomioonottaen, järjestelmän toiminnallisen tarkoituksen ollessa se, että työstävä terä (2) pidetään oleellisen tarkasti vakiosäteen etäisyydellä värähtelevän telan (1) pyörimisakselista telan pyörähdyksen aikana.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu ' siitä, että toimilaitteen (3) yhteyteen on sijoitettu kiihty vyysanturi (9), joka mittaa toimilaitteen (3) tuennan värähtelyä terän (2) liikkeen (x3) eli lastuamissyvyyden suunnassa ja tämä mittaustieto yhdistetään kaksoisintegroinnin (10) jälkeen toimilaitteen (3) ohjaussignaaliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että etäisyysanturin (7) yhteyteen on sijoitettu kiihtyvyysanturi (11), joka mittaa etäisyysanturin (7) tuennan värähtelyä lastuamissyvyyden, esim. telan (1) säteen suunnassa ja tämä mittaustieto yhdistetään kaksoisintegroinnin 9 101053 (12) jälkeen toimilaitteen (3) ohjaussignaaliin.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että toimilaitteena (3) on pietsotoimi-laite. 101053