SE515157C2 - Metod och anordning för styrning av svarvoperation - Google Patents

Description

l5 20 25 30 35 » | . - u . n no 515 157 2 fig 2 i en schematisk perspektivvy visar en ut- föringsform av en skärhållare enligt uppfinningen; och fig 3 i en schematiskt vy ovanifrån visar anord- ningen enligt fig l.

Beskrivning av en utföringsform I fig l visas principiellt en utföringsform av an- ordningen, samt även av skärhållaren enligt uppfinningen.

Hänvisningsbeteckningen l anger ett arbetsstycke som är uppsatt i en svarv och roterar i den riktning som visas av en pil Pl. Arbetsstycket l bearbetas med ett verktyg 3, som benämnes skär, som är styvt förbundet med en verk- tygshàllare 5, som benämnes skärhållare. Anordningen innefattar ett styrsystem med en styrenhet 7 och två aktuatorer 9, ll, varav den ena antyds med streckade linjer i fig 1 och båda visas i fig 2, som visar själva skärhållaren 5 i en annan vy.

Varje aktuator 9, ll innefattar ett aktivt element 9, ll, vilket här utgörs av piezokeramelement. Ett piezo- keramelement kan i sin tur vara utfört som en enhet eller med fördel vara uppbyggt som en så kallad stack och/eller av flera delelement. Således kan elementet vara en solid kropp eller flera individuella men sammansatta och sam- verkande kroppar. De aktiva elementen 9, ll är inbäddade i skärhållarens 5 kropp, som även benämnes skaft. Närmare bestämt är de ingjutna. Ingjutningen utförs genom att för varje aktivt element 9, ll utformas en urtagning i verk- tygshållarens kropp, varefter det aktiva elementet 9, ll placeras däri och gjuts över. Det aktiva elementet 25, 27 limmas företrädesvis mot urtagningens bottenyta. De akti- va elementen 9, ll är inbäddade tämligen grunt, eller yt- nära, i skärhållaren 5, dvs nära dess sidoytor 5d, 5e.

Vidare är de aktiva elementen 9, ll plattformiga och är parallellt, motstående anordnade. De aktiva elementen 9, ll är därvid anordnade på var sin sida om skärhållarens 5 geometriska centrumaxel, vilken är markerad med I-I i fig 2. Ett aktivt element 9, ll karaktäriseras av att det ändrar dimension när en elektrisk spänning anbringas över nu 10 15 20 25 30 35 det. Dimensionsförändringen står i ett förhållande till spänningen. Vidare är verktyget 3 monterat på hållarens 5 ovansida 5c.

Styrenheten 7 är via en ledning 15 och en kontakt 17 ansluten till skärhållaren 5. Inuti, dvs inbäddade i, skärhållaren 5 löper till/från kontakten 17 ledare 30-33 till de aktiva elementen, eller piezokeramelementen, 9, ll, se fig 3. Piezokeramelementen 9, 11 är långsträckta i skärhållarens 5 längdled och ledarna 30-33, som två och två är anslutna till var sitt piezokeramelement 9, ll, är anslutna till deras framändar lla respektive 9a och bak- ändar llb respektive 9b.

Anordningen fungerar enligt följande. Verktyget 3 och skärhållaren 5 matas i riktningen av pilen P2 med en viss matningshastighet M. Arbetsstycket roterar i pilens Pl riktning med en viss skärhastighet. Kombinationen av att M>O, och verktygets 3 egg har en radie ger upphov till kvarstående, skruvformigt förlöpande åsar på den be- arbetade ytan. Åsarna framstår närmast som ränder. Styr- enheten 7 matar aktutatorerna och närmare bestämt piezo- keramelementen 9, 11 med styrspänningar. När piezokeram- elementen 9, ll spänningssätts förlängs de således i högre eller mindre grad beroende på spänningarnas ampli- tuder. Med andra ord erhåller varje piezokeramelement 9, ll en dimensionsförändring i sin längdled, vilken även är skärhållarens 5 längdled. Piezokeramelementen 9, ll är företrädesvis inbäddade i skärhållaren 5 så att deras begränsningsytor anligger direkt mot materialet i skär- hållarens 5 kropp. Piezokeramelementen 9, 11 har mot- stående kraftförmedlande ytor i form av sina ändytor vid ändarna 9a, 9b, lla och llb. Dessa ändytor överför piezo- keramelementens 9, 11 längdförändringar i skärhållarens 5 kropp. Eftersom piezokeramelementen 9, 11 är belägna på avstånd från verktygshållarens 5 centrumaxel I-I skapar längdförändringarna vridande moment, vilka med den visade placeringen av piezokeramelementen 9, ll yttrar sig som böjning. Med uttrycket ”på avstånd från centrumaxeln” lO 15 20 25 30 35 515,15? 4 avses att piezokeramelementens 9, ll geometriska centrum- axlar inte sammanfaller med skärhållarens 5 geometriska centrumaxel. Om centrumaxlarna skulle sammanfalla så skulle inget böjande moment åstadkommas utan enbart en ren längdförändring av skärhållaren 23. Detsamma skulle gälla om båda piezokeramelementen 9, ll skulle längdför- ändras i fas och lika mycket. De krafter som induceras med hjälp av piezokeramelementen 9, ll böjer skärhàlla- rens 5 framände 5a i sidled, från sida till sida, tack vare att styrspänningarna till respektive piezokeramele- ment 9, ll anbringas så att piezokeramelementen 9, ll längdförändras i motfas mot varandra. Skärhållaren 5 bringas således att vibrationsartat röra sig omväxlande med och mot matningsriktningen.

De vridande momenten verkar således kring en axel som är vinkelrät mot centrumaxeln I-I och skapar en vibrationsrörelse i sidled, såsom anges med pilen P3.

Genom sidovibrationerna breddas det spår som verktyget skapar i arbetsstyckets l yta och ränderna arbetas bort.

Styrspänningarnas utseende är dock av betydelse för resultatet. I ett föredraget utförande av anordningen alstrar styrenheten 7 sammansatta styrspänningar med ett brett, brusliknande frekvensinnehåll. En faktor i detta sammanhang är dock matningshastigheten M, som kan variera tämligen kraftigt mellan olika svarvoperationer. Mat- ningshastigheten har främst betydelse för styrspänningar- nas amplitud. En föredragen utföringsform av anordningen enligt uppfinningen innefattar därför en styrenhet som är inställbar med avseende på styrspänningarnas amplitud.

Därigenom kan olika amplituder alstras.

Alternativa utföringsformer Ovanstående beskrivning utgör väsentligen ett ej be- gränsande exempel på hur anordningen enligt uppfinningen kan vara utformad. Många modifieringar är möjliga inom ramen för uppfinningen såsom den definieras i de åtföl- jande patentkraven. Nedan följer några exempel på sådana modifieringar. nu u 10 15 20 25 30 35 ~sy1s 1-57 5 I en alternativ utföringsform innefattar styrenheten även ett organ för inställning av frekvensinnehållet i styrspänningarna.

I en annan alternativ utföringsform har styrenheten förinställda värden på frekvens och amplitud för styr- spänningarna.

I ytterligare en alternativ utföringsform av anord- ningen enligt uppfinningen arbetar styrenheten 7 med återkopplad styrning, vilket innebär att den strävar efter att ställa in vibrationernas amplitud på en lämplig nivå med hjälp av återkoppling från sensorer. Styrenheten 7 är Valbar bland många olika typer, exempelvis analog àterkopplad styrenhet, konventionell PID-regulator, adap- tiv regulator eller någon annan lämplig typ av styrenhet.

För åstadkommande av nämnda återkopplade styrning är sen- sorer 13, 15 anordnade i skärhållaren 5, såsom åskådlig- görs i figurerna. Sensorer 13, 15 är anordnade framför aktuatorerna 9, 11. Med framför avses närmre den ände av skärhållaren 5 där verktyget 3 är monterat, vilken ände naturligt betraktas som skärhållarens 5 främre ände 5a.

Motstående ände 5b är således skärhållarens 5 bakre ände.

Sensorerna 13, 15 utgörs av piezoelektriska kristaller som alstrar en elektrisk spänning när de utsätts för kraftpåverkan. Sensorerna 13, 15 är företrädesvis, i lik- het med aktuatorerna 9, 11 inbäddade i skärhållarens 5 kropp och är elektriskt förbundna med styrenheten 7 via ledare som är anslutna på motsvarande sätt som aktuato- rernas ledare 30-33, men som av tydlighetsskäl ej visas.

Sensorerna 13, 15 utsätts för omväxlande drag- och tryckkrafter. Varje sensor 13, 15 alstrar då en sensor- spänning som varierar i takt med kraftvariationerna. Sen- sorspänningarna detekteras och analyseras av styrenheten 7, som styr aktuatorerna 9, 11 i enlighet med önskad amplitud hos sensorspänningarna. Den reglering som detta innebär utförs med hjälp av en regleralgoritm. Det finns många kända regleralgoritmer att välja bland. oss: an: .co nano n u 10 15 20 25 30 35 . ~ - n < Q ~ go I ännu en alternativ utföringsform av anordningen enligt uppfinningen tar styrenheten hänsyn till vilken matningshastighet som är aktuell, dvs den har ett organ för angivelse av vilken matningshastighet som är aktuell för den svarvoperation som skall påbörjas. I en NC-styrd svarv kan organet till och med automatiskt hämta denna information direkt från NC-styrsystemet.

En annan möjlig modifiering är att ändra antalet aktuatorer. I det enklaste fallet är en aktuator anordnad i verktygshållaren. För att man skall uppnå en mer sym- metrisk kraftpåverkan på verktygshållaren är det dock en fördel att anordna åtminstone det ovan beskrivna aktua- torparet med den beskrivna motstående placeringen. Det finns inget som hindrar att man anordnar fler aktuatorer, som är parvis och motstående monterade i verktygshålla- ren. Av praktiska skäl och med tanke på produktionskost- nader är det dock en nackdel att bädda in många aktua- torer.

Sättet att montera de aktiva elementen kan varieras.

Utöver ovannämnda monteringssätt kan de till exempel för- monteras i en gjutform i vilken verktygshållaren gjuts.

Om de gjuts in i efterhand, såsom har beskrivits ovan kan de antingen täckas med samma material som verktygshålla- ren är tillverkat av eller något annat lämpligt material.

Vidare är alternativ till den ovan beskrivna, föredragna monteringen där elementen visserligen limmas mot urtag- ningens botten men två motstående kraftförmedlingsytor väsentligen alstrar de vridande momenten är andra alter- nativ möjliga. Ett sådant innebär att dimensionsföränd- ringen helt överförs via limförbandet, vilket i princip är möjligt med dagens mest hållfasta lim. I det fallet kan ovannämnda kraftförmeslingsyotors anliggning uteläm- nas, vilket minskar kraven på passning. Även andra varianter ryms inom ramen för uppfinningen.

De aktiva elementen är formmässigt inte bundna till att vara rätblocksformiga och plattformiga som de visade elementen, utan formen kan variera. Plattformigheten är om aan: co I» v c o 10 -šu du G sfs 1s7 7 dock en fördel, eftersom den bidrar till att minimera elementets volym. Vidare är långsträckthet en god form- egenskap som också bidrar till att elementet får en liten volym. Det är därvid att föredra att dimensionsföränd- ringarna sker i elementets längdled.

Principiellt ryms andra aktuatortyper och -monte- ringar än de ovan beskrivna inom ramen för uppfinningen.

Inbäddade, aktiva element uppvisar dock tydliga fördelar.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 515 1 -= -' fr; f, -uf -e 8 PATENTKRAV

1. Anordning för ökning av ytjämnheten hos en svar- vad yta, vilken anordning innefattar ett styrsystem inne- fattande en styrenhet (7) och en till styrenheten anslut- bar och med en verktygshàllare (5) förbindbar aktuator (9, 11) är inrättad att bibringa verktygshàllaren en vibrations- k ä n n e t e c k n a d av att nämnda aktuator rörelse i sidled, varvid verktygshàllaren bringas att vibrationsartat röra sig omväxlande med och mot matningsriktningen när anordningen är monterad i en svarv.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda aktuator (9, ll) innefattar ett aktivt element (9, ll) hàllarens (5)

3. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, som är inbäddbart i verktygs- kropp. k ä n n e t e c k n a d av att styrsystemet innefattar en till styrenheten (7) anslutbar och med verktygshålla- (13, 15), vibrationssensor är anordnad för avkänning av verktygs- ren (5) förbindbar vibrationssensor att nämnda hàllarens vibrationer i sidled och att styrenheten är an- ordnad för styrning av vibrationsrörelsen genom styrning av aktuatorn i beroende av sensorsignaler från vibra- tionssensorn. k ä n n e t e c k n a d 11). nad att bibringa svarvverktygshàllaren (5) en vibrations-

4. Svarvverktygshällare, av att den innefattar en aktuator (9, som är anord- rörelse i sidled, , varvid verktygshàllaren bringas att vibrationsartat röra sig omväxlande med och mot matningsriktningen när den är monterad i en svarv.

5. Svarvverktygshàllare enligt patentkrav 4, av att nämnda aktuator (9, 11) ll), k ä n n e t e c k n a d innefattar ett aktivt element (9, som är inbäddat i svarvverktygshàllarens (5) kropp.

6. Svarvverktygshàllare enligt patentkrav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar minst ett l999-lC-28 11:19 g:\pat\sat\ansïdinferse k~anderäl998\p298lll3.doc 10 15 20 25 30 35 515 1 9 par aktiva element, varvid de i paret ingående aktiva elementen är motstàende anordnade på var sin sida om svarvverktygshàllarens (5) centrumaxel.

7. Svarvverktygshàllare enligt patentkrav 4, 5 eller 6, k ä n n e t e c kun a d av att den innefattar en vib- 15), hàllarens (5) kropp. rationssensor (13, som är inbäddad i svarvverktygs-

8. Svarv innefattande en verktygshàllare (5) och en med verktygshàllaren förbunden aktuator (9, ll), k ä n n e t e c k n a d av att aktuatorn är anordnad att bibringa verktygshàllaren en vibrationsrörelse i sidled, för att bringa verktygshállaren att vibrationsartat röra sig omväxlande med och mot matningsriktningen.

9. Svarv enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k - n a d av att den innefattar ett styrsystem, varvid styr- systemet innefattar en styrenhet (7) och en till styr- enheten ansluten och med verktygshàllaren förbunden vib- 15), att nämnda vibrationssensor är anordnad rationssensor (13, att nämnda aktuator är ansluten till styrenheten, för avkänning av verktygets vibrationer i sidled och att styrenheten är anordnad för styrning av vibrationsrörel- sen genom styrning av aktuatorn i beroende av sensorsig- naler från vibrationssensorn.

10. Svarv enligt patentkrav 8 eller 9, k ä n n e - t e c k n a d ett aktivt element (9, ll) av att nämnda aktuator (9, ll) innefattar som är inbäddat i verktygshàl- larens (5) kropp.

11. ll. Svarv enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k - n a d av att nämnda aktiva element (9, ll) utgörs av ett piezokeramelement (9, 11).

12. Metod för ökning av ytjâmnheten hos en svarvad yta, innefattande att styra en verktygshàllares vibra- tioner under svarvning, k ä n n e t e c k n a d av att bibringa verktygshàllaren en vibrationsrörelse i sidled, för att bringa verktygshàllaren att vibrationsartat röra sig omväxlande med och mot en matningsriktning. 1999-10-28 11:19 g:\pat\sat\ans\di'eerse kunder\l998\_p29âlll3.doc 10 u « . . . .n 515 1 10

13. Metod enligt patentkrav 12, k ä n n e t e c k - n a d av att bibringa verktygshàllaren nämnda vibra- tionsrörelse med hjälp av en aktuator innefattande ett i verktygshàllarens kropp inbäddat aktivt element.

14. Metod enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k - n a d av att återkopplat styra nämnda vibrationsrörelse genom att avkänna verktygshàllarens sidovibration och styra nämnda aktuator i beroende av nämnda sidovibration.

15. Metod enligt något av patentkraven 12-14, k ä n n e t e c k n a d av att anpassa nämnda vibra- tionsrörelse med hänsyn tagen till matningshastigheten. 1999--lC-2â 11:19 g:\pat\saf:\ans\diverse k1znder*~\l99â\p298ll13.doc