JP4249906B2 - 振動制御の方法および装置ｉｉｉ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、振動制御の方法および装置に、特に穿孔時の振動制御の方法および装置、および穿孔時の振動制御用工具ホルダに関する。
【０００２】
（背景技術）
穿孔では、工具と工作物の間に動的動作が生じる。動作は大部分が、切粉形成プロセス、つまり工作物から概ね比較的硬い材料を除去するプロセスによるものであり、その結果、工具、特に工具ホルダを動的に励振する。動的励振は、例えば工具および工具ホルダの弾性曲げまたは捻れなどの形態の動的動作を招く。切粉形成プロセスは、大部分が確率プロセスであり、励振は工具の振動およびノイズの形態で現れる。このように作業環境に問題を引き起こすことに加え、動的動作は、工作物の表面の平坦性および工具の耐用寿命にも影響を与える。
【０００３】
したがって、可能な限り動的動作を低減することが重要である。振動の問題は、機械の構造および工作物材料の動的剛性に密接に関連することが知られている。したがって、動的剛性を増加させる方法で機械の構造を設計することにより、問題をある程度緩和することが可能であった。さらに、最近、工具の応答を制御する能動的方法によって、工具自体および工具ホルダの動的剛性を上昇させることが可能であった。つまり、工具振動の能動的制御が適用される。
【０００４】
能動的制御は、アクチュエータと呼ばれる２次的な源によって２次振動、または逆振動を工具に導入することを含む。アクチュエータは、逆振動が工具の振動と破壊的に干渉するような方法で作動する。
【０００５】
穿孔では、つまり内部旋削では、工具は切削速度方向、つまり工具の切刃における工作物の回転方向、供給方向、つまり工作物から見て軸方向、および半径方向、つまり工作物から見て半径方向に、励振力の影響を受ける。したがって、半径方向は、切削速度方向に対して垂直である。穿孔中に工具の振動を減少させる解決策は知られていない。しかし、旋削以外で対応する問題を解決しようとする試みがなされてきた。外部旋削の励振力は、穿孔の励振力と対応するが、設計が異なるため、工具ホルダの応答には基本的違いがある。
【０００６】
米国特許第４，４０９，６５９号は、外部旋削の工具振動を能動的に制御する一例を開示している。超音波アクチュエータが、工具ホルダ上に配置され、工具に逆振動を生成する。アクチュエータの作動電流は物理的パラメータに従って制御され、物理的パラメータは測定され、アクチュエータの作業によって規定限界内に維持される。この構造は扱いにくい。というのは、アクチュエータは比較的大きい構成要素で、工具ホルダの適切な表面に装着しなければならない。さらに、方向による効率がそれほど明瞭でない。
【０００７】
日本特許第６３，１８０，４０１号は、旋削インサートを保持する工具ホルダにアクチュエータを内蔵した、外部旋削の非常に異なる解決策を開示する。側方に延在し断面が長方形の通し穴を、工具ホルダに形成する。負荷検出器と直列の圧電性アクチュエータを、工具ホルダの縦方向で穴を画定する壁の間に固定する。負荷検出器は、振動を検出し、制御ユニットがこれを使用して、動的動作を低減する逆振動を、アクチュエータを介して生成する。この構造は、工具ホルダを大幅に改造する必要があり、それと同時に設計者が励振プロセスの本質に気づいていないことを示す。実際、この改造は、最も重要な方向、特に垂直に工具ホルダの剛性を低減させることにより、構造の目的を妨げ、これ自身が振動問題を大きくするか、あるいは剛性を維持するために工具ホルダの寸法を大幅に増大させねばならないことを意味する。外部旋削中、回転する工作物は、切刃に対する下方向の力を生成する。切刃が抵抗を与えると、材料が工作物から剥離する。この状況で、振動の大部分が発生する。日本特許第６３，１８０，４０１号では、工作物の表面が平坦ではなく（波状）、したがって主に縦方向で工具ホルダを励振すると想像される。アクチュエータを介して、波形に向かって反対に振動を生成し、したがって一定の切削深さを獲得する。
【０００８】
したがって、穿孔（またはドリル旋削）に意図される最も基本的な振動を制御し、動的に弱体化する改造による嵩張った突起などのマイナスとなる影響を最小限に抑え、しかも良好な効果を有する解決策が必要である。
【０００９】
（発明の概要）
本発明の目的は、穿孔の振動を制御する機能の優れた方法および機能の優れた装置を提供することである。
この目的は、それぞれ請求項１および請求項７に記載された本発明による装置および方法によって達成される。
【００１０】
本発明の別の目的は、振動制御用に配置された工具ホルダを提供することである。
この目的は、請求項１０による工具ホルダによって達成される。
【００１１】
工具ホルダに少なくとも１つの能動素子を本発明により埋め込むという思想は、工具ホルダの改造を最小限に抑え、それと同時に最適の方法で能動組織の寸法変更の迅速性および能力を利用することを意味する。埋め込むことは、装置が実際に使用可能であるという点でも有利である。というのは、切削液および切粉から保護されているからである。先行技術の装置は穿孔用に設計されていないばかりでなく、実験室では使用可能であるが、産業では使用可能でないような方法でも設計されている。
【００１２】
本発明による装置は、さらに、単数または複数の能動素子の構成を通して工具ホルダに回転モーメントを与えるような構造であもある。日本特許第６３，１８０，４０１号の対応するアクチュエータ素子は、寸法変化が工具ホルダの縦軸に沿って生じるよう意図的に配置されているが、これでは回転モーメントが生じない。したがって、もっとも重要な励振力は、工具ホルダの縦軸に平行な方向以外の任意の方向を有することを認識していない。しかし、この知識があっても、日本特許第６３，１８０，４０１号は、指示されているもの以外の種類の装着に容易に調節できない。
【００１３】
次に、本発明およびその追加される利点について、添付図面を参照しながら実施例により、さらに説明する。
【００１４】
（実施形態の詳細な説明）
穿孔では、工作物１を旋盤に配置し、特定の切削速度で回転させる。ここで、回転方向は矢印Ａで図示されている。インサートと呼ばれる回転工具３は、基本的に、穿孔バーと呼ばれる工具ホルダ５にしっかり装着される。材料を工作物１から除去するには、穿孔バー５を、矢印Ｂで示す供給方向に動作させる。７は、穿孔バー５の頭部を指し、頭部は前端に向かって先細になっている。
【００１５】
本発明による装置の好ましい実施形態を図３に示す。これは、制御ユニット３３、２つのアクチュエータ２５、２５７、および２つのセンサまたはセンサ素子２９、３１を包含する。アクチュエータ２５、２７は能動素子を備え、これはここでは圧電セラミック素子で構成される。圧電セラミック素子は、一体として設計することができるか、幾つかの部分的素子のいわゆる積重ねとして構成すると有利である。したがって、素子は一体の物体か、幾つかの個別ではあるが、組み立てて相互作用する物体である。能動素子２５、２７は、電圧が加えられると寸法が変化することを特徴とする。寸法変化は電圧に関連する。能動素子２５、２７は、工具ホルダ５の本体に埋め込まれ、特に本体に鋳込まれる。鋳込みは、能動素子２５、２７ごとに工具ホルダ５の本体に窪みを形成し、その後、能動素子２５、２７をその中に配置し、鋳造で覆うことによって実行される。能動素子２５、２７は、窪みの底面に接着することが好ましい。圧電セラミック素子２５、２７は、工具ホルダ５の表面のすぐ近く、つまりその周縁面の近くに埋め込む。
【００１６】
センサ２９、３１は、力が加わると電圧を発生する圧電結晶で構成される。センサ２９、３１も、能動素子２５、２７と同じ方法で鋳込みにより覆うことが好ましい。制御ユニット３３は、複数の導体を含む導管３５、および穿孔バー５に装着された端子３７を介して、センサ２９、３１およびアクチュエータ２５、２７に接続される。明快さを期して、穿孔バー５には、１つのアクチュエータ２５に接続した導体３９の１つしか図示されていないが、言うまでもなく導体は他のアクチュエータ２７およびセンサ２９、３１にも配置されている。導体３９、４１も工具ホルダ５に鋳込む。
【００１７】
穿孔バーに作用する主な動的力は、捻りの特徴を有する。圧電セラミック素子２５、２７は予め形成され、細長い。これを図３に示すように傾斜した位置、つまりその縦方向が穿孔バー５の中心軸の周囲に螺旋状に延在する状態で配置することにより、穿孔バー５の本体内の捻り力の合力と基本的に平行になる。センサ２９、３１は、それに応じて穿孔バーの頭部７に配置される。
【００１８】
図２に示すような代替実施形態では、対の状態で対向して平行に配置された４つの能動素子９、１１、１３、１５および４つのセンサ１７、１９、２１、２３を、それぞれ２対のセンサ１７、１９および２１、２３、およびそれぞれ２対の能動素子９、１１および１３、１５の形態で配置する。第１対の能動素子９、１１は、穿孔バー５の対向する側部に配置される。第２対の能動素子１３、１５は、それぞれ穿孔バー５の上部および下部に配置される。センサ１７、１９、２１、２３は、それに応じて、穿孔バー５の頭部７内で能動素子９、１１、１３、１５の前方に配置される。
【００１９】
振動制御は、以下のように実行される。工作物１の回転により、切粉破壊プロセスは、工作物から見て接線方向でインサート３に作用する力を生じる。切刃が穿孔バー５の中心軸から隔置されるので回転モーメントが生成され、これは穿孔バー５内の捻り力として現れる。それと同時に、インサート３および穿孔バー５は、工作物から見てそれぞれ半径方向および軸方向である力に曝され、軸方向に力は、矢印Ｂの方向への供給により生じる。半径方向および軸方向の力は、曲げの力で回転モーメントを引き起こす。切粉破壊プロセスの性質により、前記力は変動し、したがって前記力の結果として生じる穿孔バー５の動作は、機械的振動として認識される。振動は全方向に発生するが、捻り振動が優勢である。
【００２０】
図３の実施形態では、以下が当てはまる。穿孔バー５、特に頭部７の振動が、センサ２９、３１によって検出され、これは引く力と押す力が交互する。圧電センサは、押し引き力に応答して交流電圧の形態でセンサ信号を発生する。制御ユニット２３がセンサ信号を検出し、それに対して、制御電圧の形態で制御信号を発生し、これを制御ユニットがアクチュエータ２５、２７、特に圧電セラミック素子２５、２７の端部に供給する。圧電セラミック素子２５、２７は、制御信号の周波数および振幅に従って縦方向に多少拡張する。圧電セラミック素子２５、２７の縦方向の変化は、圧電セラミック素子２５、２７の配置構成を通して、穿孔バー５に回転モーメントを与え、これは穿孔バー５の本体内に捻り力を生成する。穿孔バー５の本体の材料への力の伝達は、全体として、または基本的に圧電セラミック素子２５、２７の伝動表面を介して生じる。伝動表面は、圧電セラミック素子２５、２７の端面で構成され、これはその端部で穿孔バー５の本体内の表面に直接突き当たる。力の伝達は、この実施形態の圧電セラミック素子２５、２７が、その全ての境界面を穿孔バー５の本体の材料と直接突き当たるような方法で埋め込まれていることにより、良好に機能する。制御ユニット３３は、圧電セラミック素子２５、２７によって導入された捻り振動が旋削作業で発生する捻り振動に対向し、したがってその結果生じる穿孔バー５の捻り振動が減少するような制御電圧を発生する働きをする。
【００２１】
図２に示す実施形態は、図３に示した実施形態に対応する方法で機能する。実施形態同士の違いは、センサおよびアクチュエータの配置である。図２の実施形態では、最初に穿孔バー５の横方向の振動が上下に打ち消される。制御は、全てのセンサ１７、１９、２１、２３およびアクチュエータ９、１１、１３、１５に接続された制御ユニットによって実行される。この実施形態では、回転モーメントは穿孔バー５に与えられ、これは半径方向および軸方向の励振力によって生成された曲げ力を打ち消す。この実施形態および他の実施形態でも、圧電セラミック素子２５、２７は、穿孔バー５の中心軸Ｉ−Ｉから隔置される。「中心軸から隔置」という表現は、概して、圧電セラミック素子２５、２７の中心軸が穿孔バー５の中心軸と一致しない、という意味である。中心軸が一致すると、回転モーメントが得られず、純粋に穿孔バー５の縦方向の変化のみになってしまう。
【００２２】
制御ユニット３３は、アナログ、フィードバック制御ユニット、従来のＰＩＤレギュレータ、適応レギュレータまたは現在の用途に適した他の制御ユニットなど、多くの異なるタイプから選択可能である。制御ユニットは、振動を最適な状態に向かって制御するよう努力することが好ましい。制御は、例えば一方向または全方向で振動を最小限に抑えるよう意味することができ、この場合、最適な状態とは、振動が完全に消滅したものであり得る。知られている多数の制御アルゴリズムが使用可能である。特定の用途には最も効率的なものを発見することが望ましい。
【００２３】
制御ユニット３３、センサ２９、３１および圧電セラミック素子２５、２７が構成する制御システムの好ましい実施形態は、フィードバックされ、いわゆる「フィルタ−Ｘ ＬＭＳ−アルゴリズム」に基づく。このアルゴリズムが当業者に本質的に知られているのは真実である。図４は、フィードバック制御システムの等価ブロック図をディジタルで示す。
【００２４】
ブロック４０１は、Ｃとも呼ばれ、アクチュエータ２５、２７およびセンサ２９、３１を含む被制御動的システムを示す。他のブロックは、前記アルゴリズムの実行を表す。ブロック４０５は、調節可能な係数を有するＦＩＲを表し、ブロック４０７は適応係数調節手段、ブロック４０９は、動的システム４０１のモデル（Ｃ^*）を表す。
【００２５】
機能的な数学的見地から、動的システムは前フィルタを構成し、その出力信号、つまり動的システムの応答はｙ_c（ｎ）である。係数調節手段４０７は、エラー信号ｅ（ｎ）が最小になるよう、ＦＩＲフィルタの係数を最適にしようとする。エラー信号ｅ（ｎ）＝ｄ（ｎ）−ｙ_c（ｎ）であり、ここでｄ（ｎ）は望ましい出力信号である。エラー信号の決定は、加算器４１１によって実行される。係数調節手段がその初期状態とは無関係に毎回確実に収束するため、前フィルタのモデル４０９から基準信号ｒ（ｎ）を供給する。
【００２６】
図２の実施形態の制御システムについても、同じことが言える。
数学的な語句では、本発明の効果を、工具ホルダの伝達を変化させる、特に１つまたは複数の前チャネルの特性を変化させ、各前チャネルが励振方向に関連することを言うことにより説明することが可能である。この物の見方は、工具ホルダの振動に影響を与える制御信号を発生するという本発明の効果についても、同じである。したがって、多くの場合、前チャネルは時間に独立していると見なすことができない。つまり、多くの場合、従来の線形系の理論が適用できない。システムは、通常、非線形である。
【００２７】
代替実施形態
以上の詳細な説明は、本発明の装置を設計できる方法の非制限的な例を構成する。多くの変形が、添付の請求の範囲で規定される本発明の範囲内で実行可能である。以下は、このような変形の幾つかの例である。
【００２８】
センサおよびアクチュエータの上述した構成は、構成の幾つかの例であり、それの組合せまたは他の多くのアクチュエータなど、多くの変形が可能である。例えば、方向ごとに２対のアクチュエータを配置するか、示したものに隣接して複数のアクチュエータを配置する。最も単純な実施形態では、本発明の装置は、１つの能動素子を備えるアクチュエータを１つだけ備える。しかし、その結果、それほど非線形ではない制御システムとなり、制御に不必要な技術的困難が生じる。したがって、図示の実施形態のように、相互に対向する対になった能動素子、つまり図２の素子９と１１または図３の素子２５と２７など、工具ホルダの中心軸の各側に相互に対向して能動素子を配置することによって、システムのバランスをとると有利である。各アクチュエータを、例えば２つの能動素子を接着などで相互に大きい面と大きい面を接合して二重素子に形成すると、さらに大きい線形性が達成される。素子を二重にすると、確かに１つの素子の２倍の厚さになるが、より動的効果が得られ、この方が好ましいこともある。
【００２９】
また、センサは様々なタイプでよい。上述したものに加えて、例えば加速度計および歪みゲージを想定することができる。しかし、環境的見地から、後者は圧電センサほど適切ではない。
しかし、振動を迅速かつ正確に検出するために、上述した埋め込み圧電素子が好ましい。
【００３０】
能動素子も、本発明の範囲内で様々なタイプでよい。今後、例えばピエゾフィルム（ＰＺＴ）の形態など、今日使用されているものよりさらに薄い素子が恐らく想像できる。しかし、現在好まれているタイプは、圧電セラミック素子である。
【００３１】
能動素子は、形状が、図示の素子のように直方体および板状の形状に限定されず、用途に応じて形状が変化してもよい。しかし、素子の体積を最小に抑えることに寄与するので、板形が有利である。さらに、細長い形状は、これも素子に小さい体積を与えるのに寄与する良好な性状である。寸法変化は、素子の縦方向に生じることが好ましい。
【００３２】
工具ホルダ内の能動素子の配置は様々であり、確かに形状にも影響を与える。素子を確かに窪みの基部に接着するが、２つの対向する伝動表面が基本的に回転モーメントを生成する、上述した好ましい装着に加え、他の代替装着も可能である。１つの代替法は、接着接合部を介して寸法変化を完全に伝達するものであり、これは基本的に今日の最強の接着剤で可能である。他の変形も本発明の範囲に含まれる。
【００３３】
能動素子は、適切な材料を使用した鋳造で覆われる。一例としてプラスチック材料が言及される。しかし、金属のカバーを頂部の、残りの工具ホルダ表面と同じレベルに配置することが好ましい。
【００３４】
工具ホルダの設計は様々であり、例えばＴ字形にして、工具をＴ字の横木の一方端に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 工作物および工具を装着した工具ホルダの配置構成の概略斜視図である。
【図２】 本発明による工具を装着した工具ホルダの実施形態の概略斜視図である。
【図３】 本発明による工具を装着した工具ホルダの別の実施形態の概略斜視図である。
【図４】 本発明によるフィードバック制御の実施形態のブロック図である。

Claims (17)

1. 穿孔旋削用機械の振動制御装置であって、前記機械は、工具ホルダ（５）に支持された切削工具（３）を備え、前記装置は制御ユニット（３３）、該制御ユニットに接続可能な振動センサ（２９、３１）および制御ユニットに接続可能なアクチュエータ（２５、２７）を備え、該アクチュエータは、制御ユニットからアクチュエータに供給された交流電圧を寸法変化に変換する能動素子（２５、２７）を備える装置であって、前記能動素子が、工具ホルダの本体に埋め込まれるようにされ、前記能動素子は、前記寸法変化が工具ホルダの本体に回転モーメントを与えるような態様で埋め込まれるようにされ、少なくとも１つの能動素子（２５、２７）が、工具ホルダ（５）の中心軸の周囲に螺旋状に配置されることを特徴とする装置。
2. 前記能動素子（２５、２７）は、その中心軸が工具ホルダ（５）の中心軸から隔置された状態で埋め込まれるようにされていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記能動素子（２５、２７）が、工具ホルダ（５）の表面付近に埋め込まれるようにされていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記能動素子（２５、２７）が板形であることを特徴とする、請求項１から請求項３いずれか１項に記載の装置。
5. 前記アクチュエータ（２５、２７）が、それぞれ大きい面を介して相互に接続された２つの能動素子で構成された二重素子を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置。
6. 前記能動素子（２６、２７、４５、４７）が圧電セラミック素子であることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。
7. 作業中に工具ホルダの振動を検出するステップと、検出された振動に応じて、寸法変化するよう電気的に制御可能である少なくとも１つの能動素子によって、工具ホルダ内に制御振動を生成するステップとを含む、穿孔旋削の振動を制御する方法であって、制御振動を生成するために、少なくとも１つの能動素子（２５、２７）が、工具ホルダ（５）の中心軸の周囲に螺旋状に配置されて、前記能動素子を工具ホルダの本体に埋め込むステップと、少なくとも１つの制御電圧を生成し、前記能動素子を介して制御電圧を印加して、検出された振動に従って制御電圧を変化させることにより、工具ホルダの本体に回転モーメントを与えるステップとを特徴とする方法。
8. 振動の検出を圧電効果的に実行することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 制御電圧を生成するための制御アルゴリズムとしてフィルタＸ ＬＭＳアルゴリズムを使用することを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の方法。
10. 穿孔旋削の工具ホルダであって、該工具ホルダ（５）がアクチュエータ（２５、２７）を備え、前記アクチュエータが、寸法変化するよう電気的に制御可能な能動素子（２５、２７）を備える工具ホルダであって、能動素子（２５、２７）が工具ホルダの本体に埋め込まれ、少なくとも１つの能動素子（２５、２７）が、工具ホルダ（５）の中心軸の周囲に螺旋状に配置され、前記寸法変化を通して、工具ホルダの本体に回転モーメントを与えるようにされていることを特徴とする工具ホルダ。
11. 前記能動素子（２５、２７）は、その中心軸が工具ホルダ（５）の中心軸から隔置された状態で埋め込まれることを特徴とする、請求項１０に記載の工具ホルダ。
12. 前記能動素子（２５、２７）が、工具ホルダ（５）の表面付近に埋め込まれることを特徴とする、請求項１０または請求項１１に記載の工具ホルダ。
13. 少なくとも１対の素子が、対の状態で含まれる能動素子が工具ホルダ（３、２３、４１）の中心軸の各側に対向して配置されるような態様で配置されることを特徴とする、請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれかの１項に記載の工具ホルダ。
14. 埋め込まれた圧電センサ要素（２９、３１）を備えることを特徴と する、請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載の工具ホルダ。
15. 前記埋め込まれた要素（２５、２７、２９、３１）を工具ホルダ（５）の本体に鋳込むことを特徴とする、請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載の工具ホルダ。
16. 少なくとも１つのアクチュエータ（２５、２７）が、大きい面を介して相互に接続され、それぞれ二重素子を形成する２つの能動素子を備えることを特徴とする、請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の工具ホルダ。
17. 前記能動素子（２５、２７）が圧電セラミック素子であることを特徴とする、請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載の工具ホルダ。

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