專利名稱：切割工具的減振方法及其減振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用控制裝置來控制減振裝置的減振力的方法，要把該減振裝置與用于金屬碎片清除加工的金屬工具相連接，還可抑制其內(nèi)的反饋振動，包括如下步驟利用與所述控制裝置連接的傳感器檢測工具的振蕩運動，利用該控制裝置識別振蕩運動的頻率、幅度和相位，利用該控制裝置驅(qū)動所述減振裝置，使所述減振裝置產(chǎn)生其頻率與工具振蕩運動的頻率基本上相同的機械減振力。
本發(fā)明還涉及這種減振裝置以及這種機械結(jié)構(gòu)。
以前是采用純機械減振方法對用于碎片清除加工的工具進行減振，其中，軸內(nèi)形成有腔體，該腔體內(nèi)設(shè)有諸如重金屬的抗振蕩配重塊。這樣做時，可調(diào)整配重塊的重量和位置，以便在特定的頻率范圍內(nèi)進行減振。之后，用諸如油之類的粘稠液體填充腔體，再將腔體堵塞。但是，這種技術(shù)只是在下列情況下是可行的，即從固定裝置懸掛的軸的長度大約是其直徑的4-10倍時。還有其它的限制，純機械減振方法的一個明顯缺點是，頻率范圍太大，在這種頻率范圍內(nèi)減振作用非常有限。另外的不便之處是在軸中形成的腔體會導(dǎo)致其強度減弱。
在所有其它技術(shù)領(lǐng)域中，基于應(yīng)用情況所采用的減振技術(shù)，除了其它部件之外，已經(jīng)開始研發(fā)更有效的壓電元件。壓電元件大多數(shù)情況下通常由諸如陶瓷類型的材料組成，這種材料在一特定的方向，即極化方向上壓縮或者拉伸時會在同一方向上產(chǎn)生電場。壓電元件的形狀通常為具有一極化方向的矩形板，該極化方向平行于該板的主軸。通過把壓電元件連接到包括一控制模塊的電路，并在極化方向上壓縮或拉伸壓電元件，就可產(chǎn)生流入該電路的電流，包含在該控制模塊中的電阻元件根據(jù)公知的物理性質(zhì)產(chǎn)生熱量。在這種過程中，振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而被動地進行減振，但是并不對振動產(chǎn)生效果。而且，通過利用電阻和反作用元件的適當(dāng)組合(所謂的分流器)所構(gòu)成控制模塊，可非常有效地選擇頻率進行減振。優(yōu)點是，把這種頻率稱作物體顯式“固有模式”的“固有頻率”，最好是激發(fā)這些模式。
相反，可通過在壓電元件上施加電壓而使壓電元件壓縮或者拉伸，在此期間，可將該壓電元件用做控制或者操作裝置(執(zhí)行器)。在該連接方式中，通過選擇所施加電壓的極性，把這種連接作為主動振動控制，使操作裝置的機械應(yīng)力作為一種外部機械應(yīng)力作用在相反方向上，實際上通過防止另一種慣性能量(如轉(zhuǎn)動能量)轉(zhuǎn)換成振動能量，而抑制振動的出現(xiàn)。在此過程中，利用來自于變形感應(yīng)傳感器的反饋信號產(chǎn)生與應(yīng)當(dāng)受到抑制的外部機械應(yīng)力同步的供電電壓，這種反饋信號提供到一控制裝置，該控制裝置的結(jié)構(gòu)是一種諸如可編程微處理器之類的邏輯控制電路，在該微處理器中對該信號進行處理，以控制在操作裝置上提供的電壓。在這種連接方式中，可將其控制功能(即來自于傳感器的輸入信號和輸出電壓的關(guān)系)設(shè)計得很復(fù)雜。例如，為適應(yīng)情況的變化，可設(shè)計成一種自學(xué)習(xí)系統(tǒng)?？捎芍T如第二壓電元件之類的變形感應(yīng)設(shè)備單獨組成該傳感器，或者與操作裝置共同組成該傳感器。
在1995年11月的機械工程(Mechanical Engineering)的第76-81頁中描述了一些實例，以及為減振目的而應(yīng)用壓電元件的當(dāng)前發(fā)展領(lǐng)域。為了抑制不希望的振動，高山滑雪用的雪橇(美國K2 Four ski，K2Corp.)就安裝了壓電元件，另外還減少與地面的接觸，從而減小了滑雪者對穩(wěn)定性和雪橇控制性的預(yù)期。而且，該文獻(xiàn)中還提及了下列應(yīng)用，即增加飛機機翼的穩(wěn)定性、提高摩托車的舒適性、抑制直升機馬達(dá)葉片和轉(zhuǎn)軸的振動、制造彈性件時控制處理平臺的振動、以及增加軍用武器的準(zhǔn)確度等。根據(jù)美國的Active experts(ACX)公司(壓電元件的制造商)的文獻(xiàn)記載的信息，也提及到滑雪板的振動控制方法。
從SE-A-9900441-8中可知，在其引言中描述了這類方法，還描述了這種減振裝置及其機械結(jié)構(gòu)。
這種類型的減振裝置并不適用于因作用力而產(chǎn)生的振動，而只能適用于再生振動，即反饋振動，例如當(dāng)工具中機械反饋受到很小的干擾時，工具就會在機械加工時產(chǎn)生振動。這種機械反饋可能使振蕩運動增加，進而在加工的毛坯上產(chǎn)生不希望的不平表面，而且會降低工具的壽命。
在SE-A-9900441-8中，并沒有明確說明是怎樣把減振力施加在機械結(jié)構(gòu)上的。但是迄今為止，抑制振蕩運動的公知方法仍然是給出一個與振蕩運動相位相反的作用力。只要所涉及的頻率很低，這一過程就工作得很好。在較高的頻率時，比如大約500Hz以上時，就很難不產(chǎn)生相差就能提供一反作用力。如果產(chǎn)生了相差，振蕩運動和減振力不平衡消失的危險就會產(chǎn)生，從而會相互部分地放大，進而不能把振蕩運動抑制在理想的程度。因此，可假定這種減振工作就是，使反向作用力很大程度地與振蕩運動的相位對準(zhǔn)。
在SE-A-9803605-6、SE-A-9803606-4、SE-A-9803607-2、US-A-4849668、DE-A-19925193、EP-A-0196502、US-A-5485053以及JP-A-63180401中描述了其它類型的壓電減振裝置。
在碎片清除加工期間，例如轉(zhuǎn)動或者鉆孔期間，發(fā)生振動的問題并不少見，特別是在下列情況下，即固定裝置外面(也稱作懸掛)的軸或者工具的長度至少大于其直徑3倍時。有一種類型的振動是彎曲振動，軸來回彎曲并發(fā)生彎曲變形。這種現(xiàn)象產(chǎn)生一種常見問題，例如轉(zhuǎn)動期間，特別是內(nèi)部轉(zhuǎn)動期間，為了到達(dá)將被加工工件區(qū)域，呈鉆孔棒形狀的軸很長，同時長條的直徑受到在其內(nèi)進行加工的鉆孔尺寸的限制。這種碾磨期間，進行轉(zhuǎn)動和碾磨操作，與工件間的距離很大，要使用延長件，會造成頻繁地彎曲振動，這樣不但會損壞尺寸準(zhǔn)確度并使工件不規(guī)則，還會降低工具和切割插入件或者加工部件的服務(wù)壽命。
上述目的可分別利用根據(jù)介紹部分所述的一種方法和一種減振裝置實現(xiàn)，所設(shè)置的控制裝置可產(chǎn)生與切割工具的速度方向相反的減振力。這就意味著減振力在工具運動速度相反的方向上使工具發(fā)生變形。
以這種方式中，不會產(chǎn)生振蕩在不平衡中結(jié)束的危險，就能對再生運動進行減振，進而不需要很高的準(zhǔn)確性，就能相對于所施加的減振力而產(chǎn)生的相位移動，在振蕩移動中輸送更多的能量，即減振力將穩(wěn)定地抑制速度，并且為了獲得最大的減振效果，總是施加最大的減振力。但是，由于在振蕩運動結(jié)束時的速度很低，所以此刻的最大力是次要的。因此，重要的是減振效果大于切割過程的分布，使再生振蕩漸漸消失，并采用諸如轉(zhuǎn)軸或者鉆孔長條之類的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)平穩(wěn)的切割過程。
最好是，把控制裝置設(shè)置得可施加相對于振蕩運動為60°-120°或者240°-300°的異相相位的減振力。適當(dāng)?shù)?，把控制裝置設(shè)置得可施加相對于振蕩運動為70°-110°或者250-290°的異相相位的減振力。最好是，把控制裝置設(shè)置得可施加相對于振蕩運動為80°-100°或者260°-280°的異相相位的減振力。采用這樣的方式可更快速地對振蕩運動進行減振。當(dāng)把控制裝置設(shè)置得可施加相對于振蕩運動為90°或者270°的異相相位的減振力時，可得到最佳效果。
最好是，所設(shè)置的控制裝置可啟動所述的減振裝置，從而使其可產(chǎn)生與所述振蕩運動的速度方向相反的作用力。當(dāng)施加相對于振蕩運動為60°至120°的異相相位的減振力時，就可產(chǎn)生同方向的力，同時施加相對于振蕩運動為240°或者300°的異相相位的相反方向的作用力。
所設(shè)置的控制裝置最好在50-1500Hz范圍之內(nèi)產(chǎn)生減振力。
適當(dāng)?shù)?，在減振裝置中至少包括一個壓電元件。可供選擇地，減振裝置可以是一種液壓缸或者氣壓缸、或者一種電磁裝置。
所述機械結(jié)構(gòu)最好包括一用于碎片清除加工的工具。


圖1是示意性側(cè)視圖，示出振蕩(第一諧振頻率)時發(fā)生彎曲變形期間一種工具軸結(jié)構(gòu)的狹長本體。
圖2的曲線圖表示本體的彎曲扭矩。
圖3是與固定端連接的本體的切割端部的側(cè)視圖，用于表示彎曲變形期間本體應(yīng)力與拉伸長度成正比。
圖4是一工具軸的透視圖。
圖5是帶有圓形橫截面的碾磨工具的長條拉伸桿的透視圖。
圖6-8是不同的實施例中帶有正方形橫截面的工具的透視圖。
圖9是安裝在一托架中的用于主動減振的工具的透視圖。
圖10是用于被動減振的一可替代實施例的類似透視圖。
圖11簡要表示與振蕩相位相反的作用力對振蕩運動進行減振的過程。
圖12-13簡要根據(jù)本發(fā)明所述對振蕩運動進行減振的過程。
進一步地，圖2的曲線圖表示在此情況下彎曲力矩M是怎樣沿本體發(fā)生變化的。從該曲線圖中可以看出，在固定端2處或者固定端附近產(chǎn)生最大彎曲力矩，進而也產(chǎn)生一最大拉伸。對所有較低級的模式來說，這種情況很正常，在用于碎片清除加工的工具彎曲振動期間，較低級模式的正常能量方式占有優(yōu)勢。
圖3示出了在固定端區(qū)域中，通過彎曲使其發(fā)生變形的圖1所示的部分本體1。在這種連接方式中，示出了在本體的橫向方向中彎曲變形處是怎樣發(fā)生拉伸的(鑒于圖示的原因，非?？浯罅死觳糠?。如圖所示，可在本體的封閉表面或者外表面4處產(chǎn)生最大拉伸。
圖4中，簡要示出了一長條或者一長桿的基本結(jié)構(gòu)，圖中兩個板式矩形的壓電元件8固定在長桿的相對縱向平表面4上，長桿的橫截面為正方形。壓電元件8設(shè)置在長桿固定端2的附近區(qū)域。在長桿的外端3上設(shè)有一呈切割插入件9結(jié)構(gòu)的加工部件。因此，把壓電元件8設(shè)置在發(fā)生彎曲變形期間產(chǎn)生最大拉伸的區(qū)域中。盡管這一位置是最佳的，但是其他位置也是可行的。進一步地，壓電元件8的主要表面的取向基本平行于長條或者長桿1的平表面4，而且其主軸基本平行于長桿或者長條1的拉伸長度，在此狀態(tài)下，彎曲振動時的壓電元件8將發(fā)生變形，同時還保持矩形形狀。
圖5中示出了一實施例，其本體1包括一用于設(shè)有圓形橫截面碾磨工具的長條延伸桿。在此結(jié)構(gòu)中，在長條延伸桿的自由端3處，靠近碎片凹陷10設(shè)置一呈切割邊緣結(jié)構(gòu)的碎片形成加工部件9。壓電元件8固定在位于固定端2附近區(qū)域中的長條延伸桿的封閉表面4上。壓電元件8的主軸平行于長條延伸桿的拉伸長度。因此，采用這種取向，壓電元件8也可在此處最有效地減少彎曲振動。
為了同時減少彎曲振動和扭曲振動，最好由多個壓電元件構(gòu)成該工具的軸，一些這種壓電元件長側(cè)面的取向基本上平行于該軸的拉伸長度，而其他壓電元件的取向與該拉伸長度大約成45度的角度?？晒┻x擇地，一個或多個壓電元件在所述方向之間還有其他取向。
壓電元件通常是易碎的，特別是這種陶瓷型的壓電元件。因此，為了適應(yīng)環(huán)境的要求，要對壓電元件采取某些形式的保護，以便使其服務(wù)壽命滿足要求。
在圖6-8中，示出了橫截面為正方形的工具軸，采用可選擇的方法固定并保護壓電元件8。在所有結(jié)構(gòu)中，壓電元件設(shè)置在固定部件5的附近區(qū)域(同樣的方法包括一傳統(tǒng)的夾持裝置，其中的工具是可拆卸安裝的)。
圖6中，壓電元件安裝在埋頭孔1中，并且最好覆蓋一層諸如環(huán)氧類的保護層。
圖7中，假設(shè)把壓電元件安裝在埋頭孔11中，并覆蓋一堅硬的蓋12。
圖8中，例如采用粘貼方式把壓電元件8安裝在軸的外部。這些選擇方式只能在實例中見到，圖6和7中所示的結(jié)構(gòu)是最佳的。可以理解，針對壓電元件的同種保護方法與工具軸的橫截面形狀無關(guān)。
壓電元件可以和其電控裝置或者導(dǎo)向裝置結(jié)合在一起。在圖9和10中示出了怎樣把工具1與這種控制裝置安裝在一起。在這些結(jié)構(gòu)中，把工具安裝在托架13中。圖10中，示出了采用控制模塊14形式的用于減振的控制裝置，該控制模塊14設(shè)置在固定端2和電連接件15附近，一個或多個壓電元件8通過這些電連接件15與控制模塊14連接，以便單獨或者共同控制各自的壓電元件。該模塊14包括至少一個電阻元件。最好是，控制模塊14還包括一個或多個分流器，采用分流器可使所選擇的頻率特別有效地進行減振。
圖9表示用于主動減振的控制裝置，其結(jié)構(gòu)為獨立式的邏輯控制電路16，例如可編程微處理器，用于單獨或者共同控制(通過簡易示出的電連接件15)提供到壓電元件8上的電壓。實際上，在此情況下，電連接件15包括集電靴等。
還有，如果在圖10所示的實例性實施例中，用于主動減振的壓電元件可同時作為操作裝置和傳感器，分別利用操作裝置和傳感器實現(xiàn)兩種同樣的功能是可行的，其中，該傳感器不需要包括壓電元件。盡管分別示例性示出的控制模塊14和邏輯控制電路16的位置是最佳的，但是其他設(shè)置位置也是可行的。例如，就象邏輯控制電路16一樣，構(gòu)成與工具獨立的控制模塊14也是可行的。把控制模塊14設(shè)置在固定端附近的優(yōu)點是，把模塊與壓電元件連接起來很簡單，同時很易容易保護處于獨立位置的壓電元件不受到機械作用的破壞。
盡管把壓電元件用做減振器，仍然可以獲得一用于碎片清除加工的堅固工具，能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)對彎曲振動產(chǎn)生主動減振。而且，一方面，所提供的工具對于其本身的工具以及它的其它切割部件或者機械部件來說具有較長的服務(wù)壽命，另一方面，還可提高機械加工件的表面質(zhì)量。另外，與先前公知的工具相比較，通過降低高頻噪聲，可改進工作環(huán)境。
圖11簡要表示在一機械結(jié)構(gòu)中，那些不期望的振蕩運動是怎樣衰減的。與振蕩運動22的方向相反的相同相位作用力20快速平息了振蕩運動22。但是，考慮到相位的準(zhǔn)確性，這樣做需要有非常大的準(zhǔn)確度。如果產(chǎn)生了相位誤差，反向作用力就會與振蕩運動具有部分相同的方向，這樣就有可能不能理想地平息振蕩運動。
圖12簡要表示根據(jù)本發(fā)明所述機械結(jié)構(gòu)的振蕩運動的衰減過程。
傳感器檢測到振蕩運動。把信號傳輸?shù)娇刂蒲b置，該控制裝置對信號進行處理，并通過分別定義跨過零值的正負(fù)指，確定振蕩運動的相位。該控制裝置還可計算振蕩幅度和頻率。
之后，控制裝置向減振裝置(執(zhí)行器)發(fā)出一控制信號，該減振裝置產(chǎn)生與工具的速度方向相反的作用力。該相位相對于振蕩運動來說移動四分之一、或者四分之三波長。
圖13中示出了在降低振蕩幅度以避免產(chǎn)生新的振動時，減小的反向作用力是怎樣施加的，因此很容易進行控制。
權(quán)利要求
1.一種利用控制裝置來控制減振裝置的減振力的方法，該減振裝置與用于金屬碎片清除加工的金屬工具相連接，還可抑制其內(nèi)的反饋振動，該方法包括如下步驟利用與所述控制裝置連接的傳感器檢測工具的振蕩運動；利用該控制裝置識別振蕩運動的相位；利用該控制裝置驅(qū)動所述減振裝置，使所述減振裝置產(chǎn)生其頻率與工具振蕩運動的頻率基本上相同的機械減振力，其特征在于把該控制裝置設(shè)置成可產(chǎn)生與工具的速度方向相反的減振力。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為60°-120°或者240°-300°的異相相位的減振力。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為70°-110°或者250-290°的異相相位的減振力。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為80°-100°或者260°-280°的異相相位的減振力。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為90°或者270°的異相相位的減振力。
6.如權(quán)利要求1-5中的任一項所述的方法，其中把該控制裝置設(shè)置成可驅(qū)動所述減振裝置，使該減振裝置產(chǎn)生與所述振蕩運動的速度方向相反的力。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中將控制裝置設(shè)置成可在50-1500Hz范圍之內(nèi)產(chǎn)生減振力。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，包括在減振裝置中設(shè)置至少一個壓電元件。
9.如權(quán)利要求1-7中的任一項所述的方法，包括在該減振裝置中設(shè)置至少一個液壓缸或者氣壓缸。
10.如權(quán)利要求1-7中的任一項所述的方法，包括在該減振裝置中設(shè)置至少一個電磁裝置。
11.一種減振器，包括減振裝置，把該減振裝置設(shè)置成與用于金屬碎片清除加工的金屬工具相連接；控制裝置，與所述減振裝置連接，以控制所述減振裝置的減振力；傳感器，與所述控制裝置連接，以檢測工具的振蕩情況；把該控制裝置設(shè)置成可識別振蕩的幅度、頻率和相位，并驅(qū)動所述減振裝置，從而使該減振裝置產(chǎn)生其頻率與工具振蕩運動的頻率基本上相同的機械減振力，其特征在于，把該控制裝置設(shè)置成可產(chǎn)生與工具的速度方向相反的減振力。
12.如權(quán)利要求11所述的減振器，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為60°-120°或者240°-300°的異相相位的減振力。
13.如權(quán)利要求11所述的減振器，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為70°-110°或者250-290°的異相相位的減振力。
14.如權(quán)利要求11所述的減振器，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為80°-100°或者260°-280°的異相相位的減振力。
15.如權(quán)利要求11所述的減振器，其中把控制裝置設(shè)置成可施加相對于振蕩運動為90°或者270°的異相相位的減振力。
16.如權(quán)利要求11-15中的任一項所述的減振器，其中把該控制裝置設(shè)置成可驅(qū)動所述減振裝置，使該減振裝置產(chǎn)生與所述振蕩運動的速度方向相反的力。
17.如權(quán)利要求11-16中的任一項所述的減振器，其中把控制裝置設(shè)置成可在50-1500Hz范圍之內(nèi)產(chǎn)生減振力。
18.如權(quán)利要求11-17中的任一項所述的減振器，其中該減振裝置包括至少一個壓電元件。
19.如權(quán)利要求11-17中的任一項所述的減振器，其中該減振裝置包括至少一個液壓缸或者氣壓缸。
20.如權(quán)利要求11-17中的任一項所述的減振器，其中該減振裝置包括至少一個電磁裝置。
21.一種金屬工具，包括根據(jù)權(quán)利要求11-20中的任一項所述的減振器。
全文摘要
一種利用控制裝置來控制減振裝置的減振力的方法，要把該減振裝置與一用于金屬碎片清除加工的金屬工具相連接并抑制其中反饋的振動，包括利用與所述控制裝置連接的傳感器檢測工具的振蕩運動，利用該控制裝置識別振蕩運動的相位，利用該控制裝置驅(qū)動所述減振裝置，使所述減振裝置產(chǎn)生其頻率與工具振蕩運動的頻率基本上相同的機械減振力，根據(jù)本發(fā)明，把該控制裝置設(shè)置得可產(chǎn)生與工具的速度方向相反的減振力。本發(fā)明還涉及一種用于碎片清除加工的金屬工具以及一種用于該金屬工具的減振裝置。
文檔編號B23Q11/00GK1478006SQ0181986
公開日2004年2月25日 申請日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月8日
發(fā)明者米卡埃爾·倫德布拉德, 米卡埃爾 倫德布拉德 申請人:山特維克公司