BRPI0512549B1 - Method and equipment for the functional control of tools on grinding machines - Google Patents
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Abstract
aparelho e sistema de servocontrole de curso. um aparelho e sistema de servocontrole de curso para brunimento, onde o movimento de controle de curso do carne segue um perfil de carne que produz um pedi! de impulsão finito para reduzir a vibração da máquina e otimizar um ou mais parâmetros de brunimento. o perfil de came pode ser selecionado, por exemplo, a partir de um perfil de carne harmônico simples, um perfil cicloidal, um perfil trapezoidal modificado, um perfil polinomial e um perfil senoidal modificado, ou uma mistura de perfis de carne. o mecanismo controlador de curso servocontrolado pode incluir, por exemplo, um mecanismo de fuso de esferas recirculantes, um motor linear, um cilindro de fluido, um acionamento de corrente ou um acionamento de correia. um ou mais outros aspectos servocontrolados da operação de brunimento podem ser sincronizados com a operação de controle de curso servocontrolada, tal como a rotação da ferramenta de brunimento.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E EQUIPAMENTO PARA O CONTROLE FUNCIONAL DE FERRAMENTAS EM MÁQUINAS DE BRUNIMENTO".
[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido US Provisório Na 60/582.036, depositado em 22 de junho de 2004.
Campo Técnico [002] Esta invenção refere-se geral mente com aparelhos, métodos e sistemas para efetuar e controlar o movimento de curso para brunimento e outras aplicações e, mais particularmente, com um aparelho e sistema de servocontrole de curso adaptado para otimizar um processo de controle de curso e/ou um perfil para uma grande variedade de aplicações, particularmente para brunimento.
Antecedentes da Invenção [003] O principal problema no processo de brunimento está relacionado com a reali mentação de posição e, portanto, com seus derivados (velocidade, aceleração e impulsão). Este problema atualmente está sendo resolvido na maioria das vezes utilizando sistemas mecânicos dedicados; onde o controle é feito por estabelecer limites restritos travando de qualquer resposta de ajuste ou por simplesmente oferecer uma saída de falha como resposta de segurança. Isto é representativo de quatro sistemas de ligação com barras. O rápido movimento recíproco realiza um controle em circuito fechado historicamente difícil e dispendioso.
[004] O presente conceito de aparelho e sistema de servocontrole de curso está relacionado com a informação de realimentação oferecida pelo servossistema e com o processo de otimização relacionado com a saída dinâmica do sistema (posição, velocidade e aceleração) e com a performance da ferramenta. O processo de controle de curso em uma máquina de brunimento é o movimento relativo entre a ferramenta de brunimento e a peça a usinar. A remoção do material é produzida pelo contato da ferramenta de brunimento com a peça a usinar. O presente aparelho e sistema está relacionado com a simplificação significativa por utilizar sistemas atuais de controle digital e vários esquemas para transferir o movimento rotativo dos sistemas mecânicos para movimento linear (mecanismo de manivela, ligação com quatro barras). Este processo de controle não está limitado a uma aplicação de fuso de esferas recirculantes como mecanismo de movimento linear. Ele podería ser implementado em qualquer sistema onde a realimentação de controle oferecesse a informação de saída dinâmica. Exemplos de outras aplicações para este processo são máquinas-ferramenta onde o movimento recíproco é obtido por cilindros hidráulicos controlado por uma servoválvula e a posição é controlada por um codificador linear, e uma ligação do servomotor com uma corrente como um elemento de transferência de movimento.
[005] As listas seguintes são um resumo simplificado de limitações e problemas de outros sistemas de brunimento conhecidos.
[006] Tecnologia de Controle de Curso de Máquina de Brunimento conhecida: 1. Saída do controle de curso limitada pela massa em movimento. 2. Sistema do controle de curso independente do sistema de alimentação ou do fuso (relação de entrada/saída muito limitada para o resto da máquina). 3. Realimentação de posicionamento lenta, erro de posição. 4. "correção de geometria" relativa dependendo da medição da última peça para fazer ajustes no sistema no próximo processo de peça. 5. Operações lentas de pré- e pós-processo. 6. Nenhuma alteração operacional dependendo da usina-gem ou de variáveis externas. 7. Perfil de movimento único. 8. Faixa de controle de curso limitada. 9. Sistema de interrupção lento e complexo. 10. Ângulo de cruzamento relativo. 11. Nenhuma proteção contra falha da ferramenta. 12. Nenhum controle de segurança 13. Sistema mecânico complexo, dois sistemas independentes, um para posicionar e o outro para controle de curso.
[007] Uma análise das patentes conhecidas ilustra como o uso da tecnologia eletrônica/de realimentação é bem difundido na indústria de máquinas-ferramenta. Os pormenores das reivindicações destas patentes estão relacionados com o controle e a transmissão de força mecânica desta tecnologia para aperfeiçoar ou criar novos processos. A linha do tempo destas reivindicações não está relacionada com novas invenções mecânicas, mas sim com os aperfeiçoamentos digitais e de controle produzidos no controle dos sistemas e, portanto, na indústria de máquinas-ferramenta. O uso de subsistemas mecânicos já existentes e sua implementação produziram aperfeiçoamentos na saída final. A técnica anterior é apresentada nas seguintes patentes US ilustrativas: C. Tuckfield. 755.416 por volta de 1904 "Mechanism for converting re- ciprocating into rotary motion and vice versa" National Automatic Tool Company Inc. 3.126.672 por volta de 1964 "Vertical Honing Machine" Barnes Drill Co. 3.404.490 por volta de 1968 "Honing Machine with automat- ic force control" Siemens Aktiengesellschaft 3.664.217 por volta de 1972 "Method and system for digital subdivision of the tool feed travei of a numerically con-trolled machine tool" Sunnen Products Company 4.035.959 por volta de 1977 "Cam operated automatic con- trol for a honing machine" Hitachi Ltd. 4.143.310 por volta de 1979 "Apparatus for positioning" Rottler Boring Bar Co. 4.189.871 por volta de 1980 "Honing machine" Hitachi Ltd. 4.418.305 por volta de 1983 "Velocity Feedback Circuit" Alfred J. Raven III. 4.423.567 por volta de 1984 "Power stroking honing ma- chine and control apparatus" Maschinenfabrik Gehring GmbH 4.455.789 por volta de 1984 "Self-controlled honing ma- chine" Textron Inc. 4.534.093 por volta de 1985 "Beo-type Machining System" Maschinenfabrik Gehring GmbH 4.679.357 por volta de 1987 "Method and apparatus for dis- placing a honing tool" Delapana Honing Equipment Limited 4.816.731 por volta de 1989 "Honing Machine" Caterpillar Inc. 5.426.352 por volta de 1995 "Automatic honing apparatus" HMR GmbH 5.479.354 por volta de 1995 "Method for the Computer- assisted control of a machine or process" [008] Cada uma das patentes supracitadas representa aperfeiçoamentos no sistema de controle de máquina. A mais ilustrativa dos sistemas antigos é a Patente N- 755.416 C. Tuckfield "Mechanism for converting reciprocating into rotary motion and vice versa", a qual apresenta a repetição de movimento de ciclo produzida pelo perfil de carne. Além disso, as patentes 4.143.310 e 4.418.305, "Apparatus for positioning" e "Velocity Feedback Circuit" de Hitachi são de igual importância; onde o aperfeiçoamento principal está relacionado com a posição e velocidade de realimentação, oferecendo controle e informações totalmente dinâmicas sobre o sistema.
[009] A Patente N- 4.816.73 "Honing Machine" de Delapena Ho-ning Equipment Limited, representou claramente o uso de tecnologia de controle digital em uma máquina de brunimento. O mesmo controle é representativo do processo de usinagem em outro equipamento onde as limitações foram estabelecidas pelo desenvolvimento de controle e não pelo processo. A patente mencionada claramente aborda todos os problemas atuais da tecnologia de brunimento, exceto os pontos 7 e 11 mencionados acima. Estes dois pontos são limitados em seu conceito. O próprio conceito completo é limitado pela tecnologia utilizada, sendo a princípio tão lento quanto seu circuito de controle. Cada uma das patentes N- 4.816.731, 4.621.455, 4.455.789 e 4.423.567 representa uma máquina de brunimento onde existe um movimento relativo entre a ferramenta de brunimento e a peça a usinar. Além disso, a ferramenta de brunimento se expande radialmente ao mesmo tempo em que gira. Portanto, a remoção do material é produzida pelas superfícies da ferramenta de brunimento sendo mais rígidas do que a peça a usinar.
[010] Na Patente Ns 4.816.731, coluna 7, linhas 17 a 44, um perfil de movimento único é descrito. Este perfil de movimento é dividido em 6 sub-ciclos: aceleração para frente, velocidade constante para frente, desaceleração para frente, aceleração para trás, velocidade constante para trás e desaceleração para trás. Este perfil de aceleração por ciclo produz incertezas na saída da impulsão. Estas incertezas se refletem no perfil de posição com inconsistência e vibrações ao longo de todos os componentes mecânicos. Este erro de posição é claramente encontrado pela máquina de brunimento da Patente N2 4.816.731 (coluna 8, linhas 1 a 14). O problema de vibrações também é controlado por reduzir a saída possível. Isto é descrito na coluna 6, linhas 15 a 22. O problema é salientado na página 25, parágrafo 2.5 da "Cam Design and Manufacturing Handbook" de Robert L. Norton. Ele diz: "Se queremos minimizar o valor teórico máximo da magnitude da função de aceleração para um dado problema, a função que satisfaria esta restrição da melhor maneira é a onda quadrada ..." Esta função também é denominada aceleração constante. Esta função não é contínua. Ela possui descontinuidades no começo, meio e fim do intervalo. Então, sozinha, ela é inaceitável como uma função de aceleração do carne".
[011] Uma representação esquemática deste perfil de movimento é apresentada na figura 1 dos desenhos. Como representado na figura 1, as descontinuidades da função de aceleração produzem uma saída de impulsão infinita que viola o corolário do projeto do carne. No movimento cíclico, J1 e J6 são removidos, dado que o movimento está se ligando de ciclo em ciclo. As outras quatro descontinuidades fazem com que o uso deste perfil de movimento seja muito limitado.
[012] Assim, o que se busca é um aparelho e sistema que superem grande parte dos problemas e deficiências expostos anteriormente.
Sumário da Invenção [013] A tecnologia do sistema de servocontrole de curso da pre- sente invenção é pretendida para superar grande parte dos problemas e deficiências expostos acima por proporcionar uma ou mais das seguintes vantagens e capacidades. 1. O sistema é projetado para maximizar a saída. 2. O perfil de movimento está relacionado com a saída de aceleração e não a posição. 3. As decisões de movimento do sistema de controle de curso são feitas de forma modular no acionamento do sistema, criando um sistema paralelo, economizando tempo de processamento independentemente do número de colunas de brunimento. 4. As otimizações do projeto foram estabelecidas como parte de cada limitação do componente (aceleração máxima, velocidade de rotação máxima, impulsão máxima, resposta de segurança). 5. Uso de potência de saída para controlar a performance do sistema e corresponder da melhor maneira a performance da ferramenta. 6. Processo de automação simplificado. 7. A transmissão de força mecânica não está limitada a um fuso de esferas recirculantes, podería ser uma corrente ou um cilindro hidráulico, etc. 8. Sincronização entre o sistema controlador de curso e qualquer outro servossistema na máquina. Aumento substancial da precisão para ângulo de cruzamento e brunimento de perfil (posicionamento com interrupção, ângulo de cruzamento em todos os pontos no furo). 9. Otimização do sistema independentemente do movimento relativo à ferramenta/peça a usinar (ferramenta móvel/peça a usinar fixa, ferramenta fixa/peça a usinar móvel).
[014] Em um aspecto preferido da presente invenção, o movimento recíproco de uma ferramenta de brunimento é baseado em um perfil de movimento digitalizado que representa um ciclo. Este perfil é otimizado para maximizar a força mecânica aplicada pela ferramenta de brunimento, minimizando a reação nos componentes estruturais da máquina. Este processo de otimização não está relacionado com a orientação do processo de usinagem. Isto é, o mesmo processo de otimização pode ser utilizado para um processo vertical ou horizontal. A principal diferença será representada na adição da força de gravidade como entrada no caso vertical. A otimização é baseada na lei fundamental do Cam Design. "A função de impulsão deve ser finita ao longo de todo o intervalo". Este princípio tem sido utilizado nas máquinas de brunimento de Sunnen durante os últimos 50 anos. Nestas máquinas, o principal é implementado principalmente por um desvio central predeterminado dentro de uma ligação com quatro barras. Portanto, a freqüência de reciprocação é estabelecida pela velocidade de rotação do ponto de desvio; e o deslocamento de reciprocação da corre-diça é determinado pela localização do ponto pivotante. Este controle de esquema é muito eficiente, dado que os perfis dinâmicos são otimizados pelo uso do perfil de carne harmônico simples. Este perfil oferece uma saída excelente para deslocamentos curtos.
[015] O controle de movimento da presente invenção será limitado pelas variáveis de sistemas a serem otimizadas (tempo de ciclo, aceleração de perfil, performance da ferramenta, remoção de material, vibrações do sistema). Da mesma forma, o protocolo de controle será modificado para representar com maior precisão as restrições do sistema (características físicas da peça a usinar, características da máquina de brunimento e do movimento recíproco). Para aperfeiçoar a performance, o processo de brunimento será dividido em subconjuntos, onde cada subconjunto poderia requerer um processo ou perfil otimizado. Exemplos disto incluem o seguinte: [016] Dividir o ciclo de brunimento de peças a usinar em etapas de processo: desbaste e acabamento. O processo de desbaste será concentrado na remoção total do material e no formato do furo e o acabamento será concentrado no acabamento da superfície, no ângulo de cruzamento e no tamanho final e formato do furo. Este esquema de controle não é novo, mas a implementação será novo por utilizar o perfil de movimento que corresponda de forma mais adequada à aplicação. Como exemplo, no período de desbaste, poderíam ser utilizados perfis com alta velocidade radial e alta aceleração controlada. No período de acabamento, poderíam ser utilizados perfis de impulsão e aceleração uniformes e minimizados.
[017] Como outro exemplo, em aplicações verticais o perfil de aceleração podería ser não-simétrico para garantir que a ferramenta de brunimento e os componentes de máquina encontrem uma entrada de força simétrica em ambas as direções, portanto compensando a entrada de gravidade.
[018] Outro exemplo são peças em tandem (Fig. 2). Cada uma das seções de furo possui um tamanho diferente ou requerimentos de acabamento (ângulo de cruzamento, tamanho, tolerância...) e com a presente invenção, o processo de brunimento ou perfil pode ser otimizado para cada seção de furo.
[019] Ainda outro exemplo é o brunimento com múltiplas peças, onde cada peça possui requerimentos diferentes. A presente invenção pode ser utilizada para aperfeiçoar a saída total da máquina por remover o tempo de preparação para cada peça a usinar. Em vez disso, é selecionado um perfil de brunimento desejado para uma peça para obter as características desejadas.
[020] O controle de curso por servossistema da invenção é baseado em uma curva de perfil paramétrico; esta curva de perfil de movimento será dimensionada dependendo do tamanho específico do curso. O movimento recíproco é baseado em um perfil de movimento digi- talizado que representa um ciclo de brunimento. Ou seja, um curso em uma primeira direção e um curso de retorno na direção oposta. Este perfil pode ser otimizado para maximizar a força mecânica aplicada pela ferramenta de brunimento, minimizando a reação nos componentes estruturais da máquina. O mesmo processo de otimização será feito para um processo vertical ou horizontal. A principal diferença será representada na adição da força de gravidade como entrada no caso vertical. A otimização é baseada na lei fundamental de Cam Design "A função de impulsão deve ser finita ao longo de todo o intervalo".
[021] De preferência, o presente servossistema utiliza um sistema diretamente acoplado para reduzir o número de variáveis e incertezas. Portanto, a incerteza do perfil de movimento é reduzida a uma junção, uma porca esférica no caso em que o servo é um fuso de esferas recirculantes. Portanto, a precisão da posição é aumentada de forma substancial.
[022] O perfil de movimento produz uma posição variável, velocidade radial e curva de aceleração por todo o perfil. O único fator limi-tante necessário é estabelecido como um controle de segurança para a integridade da estrutura da máquina. Portanto, a decisão de processo está limitada a um tamanho de curso, taxa de curso e velocidade do fuso para obter o ângulo de cruzamento e a taxa de remoção desejados. O ângulo de cruzamento pode ser otimizado por sincronizar o movimento do fuso com o controlador de curso. Esta relação pode aplicada da mesma forma à alimentação da ferramenta ou a qualquer outro servossistema de máquina. O esquemático seguinte representa esta inter-relação.
[023] O presente servocontrolador de curso relaciona o esquema de controle do controlador de curso com uma unidade controladora/de acionamento independente, onde as entradas são relacionadas com o tamanho do curso, posição do curso, início do processo de controle de curso e pausa do processo de controle de curso. Portanto, o esquema de posicionamento é simplificado, deste modo reduzindo o tempo de operação. Esta alteração aumenta de forma significativa o tempo de reação. A curva do perfil de movimento é verificada e controlada de forma independente do restante da operação da máquina, aumentando a produtividade total. Este aperfeiçoamento se reflete na performance do sistema por aumentar a saída da taxa de curso. Foram testados dois sistemas diferentes nos quais a taxa do controlador de curso (dadas as limitações mecânicas do sistema) chegou a 10 ciclos por segundo para um curso de 25,4 mm. Portanto, o tempo de renovação da posição do controlador de curso é de 0,2 ms. com um sistema de verificação de posição de 400 ciclos de tempo e 0,09 ms. com um sistema de verificação de posição de 1024 ciclos. A tabela de verificação de posição está relacionada com uma série de perfis de movimento otimizados diferentes. Estes perfis são explicados em maiores detalhe nos parágrafos seguintes. Cada um destes perfis é parametrizado e relacionado com uma posição absoluta.
Breve Descrição dos Desenhos [024] A figura 1 é uma representação gráfica dos perfis de deslocamento, velocidade, aceleração e impulsão para um sistema de controle de alimentação da técnica anterior;
[025] A figura 2 é uma representação em seção fragmentária de uma peça a usinar representativa possuindo superfícies em tandem a serem brunidas;
[026] A figura 3 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de deslocamento para um perfil de carne harmônico simples;
[027] A figura 4 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de velocidade para um perfil de carne harmônico simples;
[028] A figura 5 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de velocidade para um perfil de carne harmônico simples;
[029] A figura 6 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de impulsão para um perfil de carne harmônico simples;
[030] A figura 7 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de posição para perfis de carne senoidal e cicloidal modificados;
[031] A figura 8 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de velocidade para perfis de carne senoidal e cicloidal modificados;
[032] A figura 9 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de aceleração para perfis de carne senoidal e cicloidal modificados;
[033] A figura 10 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de impulsão para perfis de carne senoidal e cicloidal modificados;
[034] A figura 11 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de posição para um perfil de carne trapezoidal modificado;
[035] A figura 12 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de velocidade para um perfil de carne trapezoidal modificado;
[036] A figura 13 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de aceleração para um perfil de carne trapezoidal modificado;
[037] A figura 14 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de impulsão para um perfil de carne trapezoidal modificado;
[038] A figura 15 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de posição para os perfis de carne polinomial 345 e 4567;
[039] A figura 16 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de velocidade para os perfis de carne polinomial 345 e 4567;
[040] A figura 17 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de aceleração para os perfis de carne polinomial 345 e 4567;
[041] A figura 18 é uma representação gráfica simplificada dos perfis de impulsão para os perfis de carne polinomial 345 e 4567;
[042] A figura 19 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de posição para harmônico simples misturado e perfis de carne polinomial 4567;
[043] A figura 20 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de velocidade para harmônico simples misturado e perfis de carne polinomial 4567;
[044] A figura 21 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de aceleração para harmônico simples misturado e perfis de carne polinomial 4567;
[045] A figura 22 é uma representação gráfica simplificada de um perfil de impulsão para harmônico simples misturado e perfis de carne polinomial 4567;
[046] A figura 23 é uma representação gráfica tridimensional simplificada de um caminho de um grão abrasivo como resultado do controle de curso e da rotação durante uma operação de brunimento;
[047] A figura 24 é um par de representações gráficas bidimensionais de caminhos helicoidais de grão para diferentes taxas de controlador de curso;
[048] A figura 25 é um par de representações esquemáticas simplificadas de um grão abrasivo, ilustrando efeitos de diferentes ângulos de caminho de grão;
[049] A figura 26 é uma vista em perspectiva simplificada de uma máquina de brunimento de acordo com a invenção;
[050] A figura 27 é uma representação simplificada explodida do aparelho de controle de curso da máquina da figura 26;
[051] A figura 28 é uma vista lateral esquemática simplificada do aparelho de controle de curso da máquina de brunimento da figura 26;
[052] A figura 29 é uma representação diagramática simplificada dos elementos da máquina de brunimento da figura 26;
[053] A figura 30 é uma vista em perspectiva simplificada do aparelho de controle de curso alternativo para uma máquina de brunimen- to de acordo com a invenção, o aparelho incluindo um cilindro de fluido servocontrolado;
[054] A figura 31 é uma representação diagramática simplificada dos elementos para controlar o aparelho da figura 30;
[055] A figura 32 é uma representação em perspectiva simplificada de outro aparelho de controle de curso alternativo para uma máquina de brunimento de acordo com a invenção, o aparelho incluindo um acionamento de corrente servocontrolado;
[056] A figura 33 é uma representação diagramática simplificada dos elementos de um controle para o aparelho da figura 32;
[057] A figura 34 é uma representação em perspectiva simplificada de ainda outro aparelho de controle de curso alternativo para uma máquina de brunimento de acordo com a invenção, o aparelho incluindo um motor linear servocontrolado; e [058] A figura 35 é uma representação diagramática simplificada dos elementos para controlar o aparelho da figura 34.
Descricão Detalhada das Modalidades Preferidas da Invenção [059] Referindo-se agora mais particularmente aos desenhos, os aspectos das modalidades preferidas da invenção serão discutidos em maiores detalhes. De acordo com a presente invenção, existe um número ilimitado de perfis de carne a serem utilizados como perfis de operação para o controle de um curso de brunimento. Por exemplo, os seguintes perfis de carne serão comparados: Harmônico Simplificado, Cicloidal, Senoidal Modificado, Trapezoidal Modificado, Polínomial 345 e Polinomial 4567, Referindo-se às figuras 3, 4, 5 e 6, são apresentados perfis de deslocamento, velocidade, aceleração e impulsão versus posição do carne para o perfil de carne Harmônico Simples já utilizado como um perfil de movimento nas máquinas de brunimento acionadas por ligação da Sunnen. Como apresentado nas figuras 4, 5 e 6, o perfil Harmônico Simples produz aceleração mínima com perfis de velocida- de, aceleração e impulsão uniformes. Portanto, ele é recomendado para pequenas configurações de curso onde os ciclos de reciprocação por minuto serão altos. Dado o perfil de impulsão uniforme, as vibrações produzidas pelo movimento são muito pequenas. No movimento cíclico curto, este perfil oferece as saídas mais controláveis. A entrada de inércia será consistente para aplicações horizontais.
[060] Referindo-se também às figuras 7, 8, 9 e 10, são apresentados perfis de deslocamento, velocidade, aceleração e impulsão versus posição do carne para perfis de carne Cicloidal e Senoidal Modificado. Estes perfis possuem perfis de velocidade bem uniformes. Os perfis de aceleração e impulsão são consistentes e seus picos são de pequena magnitude. Eles oferecem um ótimo compromisso para substituir o perfil Harmônico Simples.
[061] Referindo-se também às figuras 11, 12, 13 e 14, são apresentados perfis de deslocamento, velocidade, aceleração e impulsão para um perfil de carne Trapezoidal Modificado. Aqui, deve ser observado que o perfil Trapezoidal Modificado possui uma faixa limitada na aceleração e na impulsão. Os benefícios deste perfil estão relacionados com limites paramétricos restritos (a velocidade máxima e a aceleração são estabelecidas pelo sistema mecânico e as restrições de saída máxima pelos limites mecânicos). O esquema de controle é simplificado já que a única variável possível é o tamanho do curso. A taxa possível será determinada pelos limites restritos da velocidade e aceleração. Ele também oferece um esquema de controle rápido por reduzir o conjunto de variáveis.
[062] Referindo-se também às figuras 15, 16, 17 e 18, são apresentados perfis de deslocamento, velocidade, aceleração e impulsão para dois perfis de carne polinomial representativos, os quais são um perfil polinomial 345 e um perfil polinomial 4567. Aqui, pode-se observar que a vantagem do perfil polinomial é que ele pode ser controlado com as condições limites (condições inicial e final, aceleração inicial = 0, aceleração final = 0 Este sistema é bem adequado para otimizar restrições relacionais, tal como a performance da ferramenta sob velocidade específica ou limites de aceleração. Um exemplo disto é a correspondência dos perfis de aceleração para uma aplicação vertical, onde a influência da gravidade pode ser significativa. Nos casos onde os furos em tandem estão sendo brunidos, o perfil pode ser modificado para otimizar a remoção do material nas áreas de brunimento de furo ao mesmo tempo em que o tempo de ciclo é reduzido.
[063] Referindo-se também às figuras 19, 20, 21 e 22, são apresentadas curvas de amostra que representam perfis de carne misturados que podem ser utilizados para aperfeiçoar a performance dos componentes de ferramenta ou de máquina. Aqui, a mistura é um perfil harmônico simples e um perfil polinomial 4567. Como uma aplicação ilustrativa, este perfil misturado pode ser utilizado para uma ferramenta de brunimento com uma razão muito grande entre o diâmetro do furo e o tamanho da ferramenta, a qual estará fraca sob cargas de compressão. Portanto, a saída será limitada pelas cargas máximas de encur-vamento acrescentadas aos limites de cisalhamento.
[064] O presente Sistema de Servocontrole de Curso é baseado na otimização do processo de controle de curso no brunimento, utilizando os componentes de máquina-ferramenta já existentes. Estas ferramentas são as seguintes: Servocontrole, Controle Digital e sistema de movimento linear (fuso de esferas recirculantes, parafuso de esferas, servomotor linear, cremalheíra e pinhão, cilindro hidráulico, corrente, correia). A otimização está relacionada com três grupos principais: saída do brunimento (acabamento de superfície, geometria do furo, ciclo da peça), ferramenta de brunimento (geometria da ferramenta, cargas de trabalho), componentes da máquina de brunimento (cargas de trabalho, ciclos de vida).
[065] A produtividade total em uma máquina de brunimento é controlada pelos seguintes elementos: • Controlador de curso (taxa do controlador de curso, perfil de movimento) • taxa do Fuso (RPM) • Taxa de Alimentação (taxa de expansão da ferramenta, taxa de expansão de força mecânica) • Seleção de agente refrigerante • Seleção abrasiva [066] Estes elementos estão totalmente relacionados com o processo de brunimento e com o resultado desejado. A performance ideal do processo não é estabelecida e será diferente para cada peça específica a ser brunida. As variáveis do sistema são subagrupadas em componentes de controle da máquina: controlador de curso, fuso e um sistema de alimentação e componentes da ferramenta: agente refrigerante e abrasivos. Esta subdivisão estabelece uma dependência do sistema, relacionando as variáveis da ferramenta como restrições (definindo abrasivos e o agente refrigerante como delimitadores da peça de brunimento, relacionados com o acabamento de superfície e interações de remoção de material). Estas relações só oferecem os componentes de controle de movimento como parâmetros de otimização possíveis. Para várias aplicações, o ponto de otimização principal é a minimização do uso abrasivo em relação à remoção máxima de material, produzindo um tempo de ciclo de produção mínimo. Este processo é independente do ângulo de cruzamento. O ângulo de cruzamento desejado está relacionado com a seção final do processo de brunimento. O deslocamento físico de um grão abrasivo ao longo do furo produz uma espiral, conforme apresentado na figura 23.
[067] A figura 24 apresenta duas representações dimensionais de uma espiral para ilustrar a diferença no produto do caminho de grão por variar a taxa do controlador de curso e manter constante a taxa do fuso. A representação do lado esquerdo é de uma taxa de controlador de curso mais rápida. A representação do lado direito é de uma taxa de controlador de curso mais lenta.
[068] Aqui, deve-se observar que a rotação de uma ferramenta de brunimento também pode ser controlada de modo a também seguir qualquer perfil de carne, tal como qualquer um dos listados anteriormente, a saber, um harmônico simplificado, senoidal modificado, tra-pezoidal, polinomial e/ou perfil de carne misturado. Além disso, o perfil ou perfis de carne da rotação podem ser coordenados com este do movimento de controle de curso da ferramenta, por exemplo, para produzir um padrão de cruzamento desejado. Nesse aspecto, descobriu-se que a utilização do mesmo perfil de carne tanto para o controle de curso como para a rotação de uma ferramenta, sincronizados para coincidirem, produz um padrão de cruzamento que é mais uniforme ao longo da extensão de uma superfície brunida.
[069] Referindo-se à figura 25, são apresentadas duas ilustrações de um grão abrasivo representativo. As setas são apresentadas de forma sobreposta em cada uma das representações para representar o caminho de grão para movimentos de controle de curso para cima e para baixo, respectivamente. Os caminhos de grão são normais aos planos de corte no grão para os movimentos de controle de curso para cima e para baixo. Estes planos estão dependendo da direção de controle de curso. Portanto, haverá dois planos de corte para o mesmo grão abrasivo. O tamanho total da borda de corte em uma representação bidimensional é diretamente proporcional ao ângulo do caminho entre as duas direções de controle de curso, representado pelo símbolo a.
[070] O benefício mais significativo observado em um ângulo de caminho α maior é a superfície aumentada no plano de corte do grão abrasivo. Portanto, uma força de alimentação mais agressiva é admissível dada a distribuição homogênea ao longo da superfície do grão. Os resultados são ciclos mais curtos e eficiência ou performance abrasiva aperfeiçoada. Se a força de alimentação for mantida constante, o aumento da taxa de curso irá modificar a orientação do plano de corte até um ângulo ideal α ser encontrado no grão abrasivo. Este ângulo irá produzir o melhor resultado quando o grão estiver se tornando afiado pelo processo de brunimento, [071] Na figura 26, uma máquina de brunimento 30 é apresentada incluindo os aspectos de um aparelho e sistema de controle de curso servocontrolado de acordo com a presente invenção. A máquina de brunimento 30 geralmente inclui um carro do fuso 32 que pode ser movido em uma ação de controle de curso em movimento recíproco, indicada pela seta A, de acordo com a presente invenção por um sistema de movimento linear tal como o fuso de esferas recirculantes, parafuso de esferas, servomotor linear, cremalheira e pinhão, cilindro hidráulico, corrente ou coroa mencionados anteriormente. Aqui, o carro 32 é apresentado suportado para ação de controle de curso recíproco em uma direção vertical, mas deve ser entendido que o controle de curso em outras direções também é contemplado pela presente invenção. O carro do fuso 32 inclui uma ferramenta de brunimento 34, que pode ser de construção e operação convencional ou nova, geralmente incluindo um mandril transportando uma ou mais pedras ou varetas abrasivas que podem ser movidas radialmente para fora e para dentro em relação ao mandril, e que esmerilha ou brune uma superfície de uma peça a usinar na qual a ferramenta 34 está inserida, à medida que a ferramenta 34 é girada, como indicado pela seta B. Em uma aplicação típica, à medida que o carro do fuso 32 tem o curso controlado de forma recíproca para cima e para baixo, como indicado pela seta A, a ferramenta de brunimento 34 irá girar em uma direção ou na outra, como indicada pela seta B, dentro de um orifício ou furo em uma peça a usinar, para proporcionar um acabamento de superfície e formato desejado para uma ou mais superfícies definindo o furo ou orifício.
[072] A figura 27 apresenta um aparelho de controle de curso servocontrolado preferido para o carro do fuso 32 da máquina de bru-nimento 30, incluindo um sistema de movimento linear servocontrolado ou mecanismo de acionamento preferido para o mesmo, que inclui um fuso de esferas recirculantes 36 que é suportado em um alojamento de fuso de esferas recirculantes 38 para rotação, conforme indicado pela seta C. O fuso de esferas recirculantes 36 pode ser girado de forma precisa, de acordo com os ensinamentos da presente invenção, por um servomotor 40, com seu número de rotações e posição rotacional podendo ser detectados de forma precisa por um codificador (não apresentado) ou por outro sensor. Uma porca esférica 42 é movida longitudinalmente ao longo do fuso de esferas recirculantes 36 pela rotação do mesmo, como indicado pela seta A, e com base na contagem de rotação do fuso de esferas recirculantes 36, a posição longitudinal da porca esférica 42 é determinada. Um suporte de fuso 44 pode ser montado junto à porca esférica 42 e suporte o carro do fuso 32 para movimento com a porca 42 na direção A para produzir a ação de controle de curso de acordo com a invenção. Referindo-se novamente à figura 26, o servomotor 40 pode ser controlado por um controlador baseado em processador 46 para controlar o curso do carro do fuso 32 e a ferramenta de brunimento 34 de acordo com qualquer uma das curvas apresentadas nas figuras 3 a 22 neste documento. Referindo-se também à figura 28, é apresentada uma representação esquemáti-ca simplificada do aparelho de controle de curso da máquina de brunimento 30. Aqui, a ferramenta 34 é apresentada inserida em um furo 48 de uma peça a usinar 50 segura em uma fixação 52 da máquina 30, para brunir uma superfície interna 54 da peça a usinar 50 definindo o furo 48. A ferramenta de brunimento 34 é suportada por um fuso giratório 56 para o movimento recíproco indicado pela seta A e a rotação indicada pela seta C, para efetuar o brunimento desejado da superfície 54 da peça a usinar 50. O fuso 56 é acionado de forma giratória por um acionamento 58 de forma bem conhecida. A ferramenta de brunimento 34 é expandida e retraída radialmente por um acionamento 60, também de forma bem conhecida. O fuso 56 suportando a ferramenta de suporte 34, bem como os acionamentos 58 e 60, são suportados no suporte de fuso 44 conectado à porca esférica 42, de modo a poderem ser movidos longitudinalmente ao longo do fuso de esferas recirculan-tes 36, como efetuado pela rotação do servomotor 40 em conexão com o mesmo.
[073] Como observado anteriormente, um codificador ou outro dispositivo pode ser utilizado para contar as rotações do fuso de esferas recirculantes 36 para determinar uma posição longitudinal da porca esférica 42 ao longo do mesmo e assim a posição longitudinal da ferramenta de brunimento 34 em uma peça a usinar, tal como a peça a usinar 50. Com base nesta informação de que a posição longitudinal da ferramenta 34 é determinada e com a informação relacionando-se com a temporização das alterações na posição longitudinal, a velocidade, aceleração e impulsão da porca esférica 42 e da ferramenta 34 podem ser controladas de forma precisa de modo a seguir um perfil de carne desejado, tal como qualquer um destes ilustrados nas figuras recém-discutidas, como controlados de forma precisa pelo controlador 46. Aqui, o controlador 46 é apresentado conectado pelos caminhos condutores 62 ao servomotor 40 e também aos acionamentos 58 e 60, para controlar os perfis de posição linear, velocidade, aceleração e impulsão da ferramenta 34, e também a direção e velocidade de rotação da ferramenta 34 através do acionamento 58, bem como a expansão e contração radial da mesma, como efetuado através do acionamento 60.
[074] Referindo-se também à figura 29, é apresentada uma representação diagramática 64 de um esquema para controlar a operação da máquina de brunimento 30. No diagrama 64, o bloco 66 representa funções do controlador 46, incluindo o controle do operador e a entrada de parâmetros de brunimento, como efetuada pelas entradas recebidas através de um dispositivo de entrada 68 do controlador 46, o qual pode ser uma tela de toque e/ou um teclado e/ou qualquer outro dispositivo de entrada comum, comercialmente disponível e que possa ser controlado pelo operador. As funções do servomotor 40 são representadas pelo bloco 70 e incluem saídas de posição para controlar e determinar a posição, velocidade, aceleração e impulsão da ferramenta de brunimento 34 da forma descrita anteriormente. O bloco 72 representa funções do acionamento do fuso 58, incluindo posição e saídas de tempo, e saídas do motor incluindo torque do motor, posição de alcance e tempo, em relação aos parâmetros operacionais do fuso 56. O bloco 74 ilustra funções em relação ao acionamento 60 para efetuar a expansão e contração ou alimentação dos elementos de brunimento da ferramenta 34, como efetuados pelo acionamento 60, incluindo saídas de posição e tempo e saídas do motor incluindo torque do motor, posição de alcance e tempo. O bloco 76 representa funções de um ou mais acionamentos opcionais da máquina 30.
[075] Referindo-se também à figura 30, é apresentado o aparelho de controle de curso servocontrolado alternativo 78 para o carro do fuso 32 de uma máquina de brunimento, tal como a máquina de brunimento 30. O aparelho 78 inclui um sistema de movimento linear servocontrolado que utiliza um cilindro hidráulico como o acionamento de movimento linear para o carro 32, como controlado por uma servovál-vula. A posição longitudinal do carro 32 é determinada por uma escala linear ou codificador e o movimento linear é controlado por uma guia linear.
[076] Referindo-se também à figura 31, é apresentada uma representação diagramática dos elementos de um esquema de servo-controle para o aparelho 78. Basicamente, os parâmetros de bruni-mento são informados, por exemplo, utilizando um controlador, tal como o controlador 46 da máquina 30, como antes, para efetuar a operação de um servoacionamento que controla a servoválvula para efetuar a transferência do fluido para o cilindro para causar os movimentos de extensão e retração linear do mesmo. A realimentação da posição é proporcionada por um codificador linear que informa dados posicionais para o servoacionamento para uso no controle da servoválvula. O aparelho da figura 30 e o esquema de controle da figura 31 podem ser utilizados para efetuar movimentos de controle de curso possuindo perfis de carne e perfis de velocidade, aceleração e impulsão, como ilustrado e discutido acima.
[077] Referindo-se também à figura 32, é apresentado outro aparelho de controle de curso alternativo 82 para o carro do fuso 32 de uma máquina de brunimento, tal como a máquina de brunimento 30. O aparelho 82 é ilustrativo de um acionamento de corrente servocontro-lado em conexão entre um servomotor e o carro 32 para efetuar os movimentos linear do carro 32, como guiados por uma guia linear.
[078] A figura 33 é uma representação diagramática dos elementos de um esquema de controle para o aparelho de controle de curso 82, como controlado por um controlador, tal como o controlador 46 da máquina de brunimento 30. Basicamente, um servoacionamento recebe a partir de um codificador informações sobre a posição do carro 32 e emite força e a posição desejada e os parâmetros de tempo para o servomotor, o qual transfere o movimento para a corrente, deste modo girando o codificador, o qual emite os sinais representados da posição do carro. Novamente, o aparelho de controle de curso servocontrolado 82 pode ser operado para efetuar ações de controle de curso do carro 32 possuindo qualquer um dos perfis de carne discutidos anteriormente.
[079] Referindo-se também à figura 34, é apresentado ainda outro aparelho de controle de curso servocontrolado alternativo 84 para o carro do fuso 32 de uma máquina de brunimento, tal como a máquina de brunimento 30. O aparelho 84 inclui um sistema de movimento linear incluindo um motor linear síncrono em conexão com o carro 32, para efetuar o movimento linear controlado do mesmo.
[080] A figura 35 é uma representação diagramática dos elementos de um esquema de controle para o aparelho de controle de curso 84, como controlado por um controlador, tal como um controlador 46 da máquina de brunimento 30. Novamente, basicamente, um servoa-cionamento recebe informações, a partir de um decodificador, sobre a posição do carro 32 e emite força mecânica e a posição desejada e os parâmetros de tempo para o motor linear para efetuar alterações na posição do carro. Novamente, o aparelho de controle de curso servocontrolado 84 pode ser operado para efetuar ações de controle de curso do carro 32 possuindo qualquer um dos perfis de carne discutidos acima.
[081] Assim, foi apresentado e descrito um aparelho e sistema de servocontrole de curso que superam grande parte dos problemas expostos anteriormente. Entretanto, será aparente para os que possuem familiaridade na técnica que são possíveis várias alterações, variações, modificações e outros usos e aplicações para o dispositivo em questão. Todas tais alterações, variações, modificações e outros usos e aplicações que não se divergem do espírito e escopo da invenção são considerados como sendo abrangidos pela invenção, a qual é limitada somente pelas reivindicações seguintes.
REIVINDICAÇÕES
Claims (30)
1. Método para o controle funcional de ferramentas em máquinas de brunimento compreendendo as etapas de: proporcionar uma máquina de brunimento (30) incluindo um elemento de brunimento (32) que pode ser movido em um movimento de controle de curso recíproco para brunir uma peça a usinar (50); proporcionar um servo (36,78,82,84) em ligação com o elemento de brunimento controlavelmente operável para controlar de forma recíproca o curso do elemento de brunimento (32); e proporcionar um servoacionamento (40) em ligação com o servo (36,78,82,84) operável para operar controlavelmente o servo (36.78.82.84) ; caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: operar o servoacionamento (40) para controlar o servo (36.78.82.84) para controlar axialmente de forma recíproca o curso do elemento de brunimento (32), de modo que durante pelo menos uma parte do movimento recíproco, a aceleração e a desaceleração do elemento de brunimento (32) possuam um perfil combinado selecionado a partir de um grupo consistindo em perfil harmônico simplificado, perfil cicloidal, perfil trapezoidal modificado, perfil polinomial e um perfil senoidal modificado.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de brunimento (32) compreende uma ferramenta de brunimento.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o servo (36) compreende um mecanismo de fuso de esferas recirculantes.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o servo (84) compreende um motor linear.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o servo (78) compreende um cilindro de fluido.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o servo (82) compreende um acionamento de corrente.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a aceleração e a desaceleração do elemento de bru-nimento (32) possuirão um perfil selecionado a partir do grupo ao longo de toda a extensão do movimento de controle de curso do mesmo.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a aceleração e a desaceleração do elemento de bru-nimento (32) possuirão um perfil selecionado a partir do grupo ao longo de somente uma parte da extensão do movimento de controle de curso do mesmo.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o movimento de controle de curso inclui pelo menos um segmento possuindo uma aceleração diferente e perfil de desaceleração.
10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a aceleração e a desaceleração do elemento de brunimento (32) possuirão um perfil que é uma mistura de pelo menos dois dos perfis do grupo.
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que como resultado do perfil selecionado da aceleração e desaceleração do elemento de brunimento (32), o elemento de brunimento (32) possuirá um perfil de impulsão finito ao longo da uma extensão do movimento de controle de curso para reduzir as vibrações da máquina (30).
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o perfil polinomial é selecionado a partir de um grupo consistindo em um polinomial 345 e um polinomial 4567.
13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa adicional de girar o elemento de brunimento (32) durante o movimento de controle de curso recíproco do mesmo de modo que a aceleração e a desaceleração da rotação possuam um perfil combinado selecionado a partir de um grupo consistindo em um perfil harmônico simplificado, um perfil cicloidal, um perfil trapezoidal modificado, um perfil polinomial e um perfil senoi-dal modificado.
14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa adicional de variar uma velocidade da rotação do elemento de brunimento (32) durante o movimento de controle de curso para transmitir um padrão de cruzamento desejado em uma peça a usinar sendo brunida.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a rotação do elemento de brunimento (32) é controlada para possuir perfis de aceleração e desaceleração combinados correspondendo aos perfis de aceleração e desaceleração selecionados do movimento de controle de curso.
16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o movimento de controle de curso é um movimento vertical.
17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o movimento de controle de curso é um movimento horizontal.
18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o perfil da aceleração e desaceleração do elemento de brunimento (32) será assimétrico.
19. Equipamento para o controle funcional de ferramentas em máquinas de brunimento (30) compreendendo: um elemento de brunimento {32) que pode ser movido em um movimento de controle de curso recíproco para brunir uma peça a usinar (50); um servo (36,78,82,84) em ligação com o elemento de bruni mento (32) controlável mente operável para mover de forma recíproca o elemento de bruni mento (32) no movimento de controle de curso; um se rvoaci ona mento (40) em ligação com o servo (36.78.82.84) , operável para operar controlavelmente o servo (36.78.82.84) ; e um controle (46) em ligação com o servoacionamento (40) para operar o servoacionamento (40) para controlar o servo (36.78.82.84) para controlar axialmente de forma recíproca o curso do elemento de brunimento (32), caracterizado pelo fato que durante pelo menos uma parte do movimento recíproco, a aceleração e a desaceleração do elemento de brunimento (32) possuam um perfil selecionado a partir de um grupo consistindo em um perfil harmônico simplificado, um perfil cicloidal, um perfil trapezoidal modificado, um perfil polinomial e um perfil senoidal modificado,
20. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que o elemento de brunimento (32) compreende uma ferramenta de brunimento.
21. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que o servo (36) compreende um mecanismo de fuso de esferas recirculantes.
22. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que o servo (84) compreende um motor linear.
23. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que o servo (78) compreende um cilindro de fluido.
24. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, carac- terizado pelo fato que o servo (82) compreende um acionamento de corrente.
25. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que a aceleração e a desaceleração do elemento de brunimento (32) possuirão um perfil selecionado a partir do grupo ao longo de toda uma extensão do movimento de controle de curso do mesmo.
26. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que a aceleração e a desaceleração do elemento de brunimento (32) possuirão um perfil selecionado a partir do grupo somente ao longo de uma parte de uma extensão do movimento de controle de curso do mesmo.
27. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que como resultado do perfil selecionado da aceleração e desaceleração do elemento de brunimento (32), o elemento de brunimento (32) possuirá um perfil de impulsão finito ao longo de uma extensão do movimento de controle de curso.
28. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que o perfil polinomial é selecionado a partir de um grupo consistindo em um polinomial 345 e um polinomial 4567.
29. Equipamento, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato que compreende um passo adicional de variar uma velocidade de rotação do elemento de brunimento (32) durante o movimento de controle de curso para transmitir um padrão de cruzamento desejado para uma peça a usinar (50) sendo brunida.
30. Equipamento, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato que a rotação do elemento de brunimento (32) é controlada para possuir perfis de aceleração e desaceleração combinados correspondendo aos perfis de aceleração e desaceleração selecionados do movimento de controle de curso.
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