ES2278496A1 - System for active control of auto excited vibrations in machine-tool, comprises spindle nut, which is arranged between nuts of displacement assembly, active actuator elements and sensors of mechanical tension - Google Patents
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Abstract
Description
Sistema para el control activo de las vibraciones autoexcitadas en una máquina-herramienta.System for active control of self-excited vibrations in a machine tool.
La presente invención está relacionada con el acondicionamiento de las máquinas-herramientas para compensar el efecto de las vibraciones autoexcitadas que influyen negativamente en el resultado de la mecanización, proponiendo un sistema que desarrolla una metodología de control activo para realizar dicha función.The present invention is related to the conditioning of machine tools for compensate for the effect of self-excited vibrations that influence negatively in the result of mechanization, proposing a system that develops an active control methodology for perform this function.
Los avances tecnológicos aplicados al entorno industrial se caracterizan por tratar de adecuarse al aumento de exigencias en lo referente a la precisión y productividad en campos de fabricación altamente automatizados, para lo cual las vibraciones que se producen en las máquinas durante el mecanizado es uno de los problemas que más limitan el logro de dichas exigencias.Technological advances applied to the environment industrial are characterized by trying to adapt to the increase in requirements regarding accuracy and productivity in fields of highly automated manufacturing, for which the vibrations that occur in machines during machining It is one of the problems that limit the achievement of these requirements.
En ese sentido cabe destacar particularmente las vibraciones autoexcitadas (retemblado o "chatter"), que son consecuencia de oscilaciones periódicas ocasionadas por el propio proceso del mecanizado, de manera que la máquina vibra a una o más frecuencias próximas a las frecuencias naturales de la máquina presentando una naturaleza no lineal, aún sin existir fuerzas externas actuando.In that sense, the self-excited vibrations (reassembled or "chatter"), which are consequence of periodic oscillations caused by the own machining process, so that the machine vibrates at one or more frequencies close to the natural frequencies of the machine presenting a non-linear nature, even without forces external acting.
Por ello, son numerosos los trabajos llevados a cabo con el fin de alcanzar una mayor comprensión de ese problema y desarrollar estrategias y mecanismos que permitan reducir la presencia de vibraciones durante los procesos de mecanizado.Therefore, there are numerous works carried out to out in order to achieve a greater understanding of that problem and develop strategies and mechanisms to reduce the presence of vibrations during machining processes.
Por investigaciones realizadas se han elaborado modelos para definir el problema centrándose en procesos concretos, obteniendo modelos basados en fuerzas regenerativas y la caracterización del comportamiento dinámico de las máquinas.For research carried out they have been prepared models to define the problem focusing on specific processes, obtaining models based on regenerative forces and the characterization of the dynamic behavior of the machines.
Los esfuerzos de las investigaciones se han dirigido fundamentalmente a la búsqueda de técnicas de control que compensen el efecto de las vibraciones "chatter" positivamente, y como consecuencia de ello hoy en día se reconoce que la aplicación de absorbedores dinámicos sobre las estructuras de las máquinas-herramientas es una de las medidas más efectivas para la mejora de la rigidez dinámica del conjunto máquina-proceso de mecanizado.Research efforts have been aimed primarily at the search for control techniques that compensate for the effect of "chatter" vibrations positively, and as a consequence of this today it is recognized that the application of dynamic absorbers on the structures of machine tools is one of the measures more effective for the improvement of the dynamic rigidity of the whole machining machine process.
Hay absorbedores dinámicos de tipo pasivo, que son sistemas que emplean elementos que almacenan y disipan energía, tomando la forma de una masa auxiliar que se incorpora ligada a la estructura a amortiguar, para disipar la energía vibratoria de la máquina de aplicación gracias a las propiedades amortiguadoras de esa masa auxiliar.There are passive type dynamic absorbers, which they are systems that use elements that store and dissipate energy, taking the form of an auxiliary mass that is incorporated linked to the structure to buffer, to dissipate the energy Vibratory application machine thanks to the properties cushions of that auxiliary mass.
Existen también absorbedores dinámicos de tipo activo, que son sistemas que introducen fuentes secundarias de energía para reducir la energía vibratoria de la máquina de aplicación, utilizando un elemento generador de fuerza que puede ser colocado entre la estructura de la máquina y una masa auxiliar o entre dos partes distintas de la propia máquina.There are also dynamic type absorbers active, which are systems that introduce secondary sources of energy to reduce the vibratory energy of the machine application, using a force generating element that can be placed between the structure of the machine and an auxiliary mass or between two different parts of the machine itself.
Tradicionalmente se han empleado técnicas de absorbedores pasivos para abordar los problemas dinámicos de las estructuras de máquinas, basándose en aumentar la rigidez de las estructuras o añadir amortiguamiento, lo cual tiene el inconveniente de que para mantener las vibraciones dentro de un límite razonable es necesario un gran incremento de la masa de la estructura, con lo que aumenta el coste.Traditionally, techniques of passive absorbers to address the dynamic problems of machine structures, based on increasing the stiffness of structures or add damping, which has the drawback that to keep the vibrations within a reasonable limit a large increase in the mass of the structure, which increases the cost.
Debido a ese inconveniente, basándose en los recientes desarrollos del campo de la electrónica y sistemas de control, los problemas dinámicos se abordan actualmente mediante el control activo de las vibraciones, utilizando actuadores y sensores acoplados respecto de la estructura de aplicación y relacionados entre sí por un controlador.Because of that inconvenience, based on the Recent developments in the field of electronics and systems control, dynamic problems are currently addressed by active vibration control, using actuators and sensors coupled with respect to the application structure and related each other by a controller.
Los actuadores que se emplean para ese fin se constituyen por los denominados "materiales inteligentes", de los que se conocen diferentes tipos, entre los cuales, para la aplicación por ejemplo en una máquina rectificadora sin centros, en donde por las características del funcionamiento se producen con especial incidencia vibraciones autoexcitadas, se ha comprobado que el tipo de actuadores más adecuados son los piezoeléctricos, que permiten deformaciones dimensionales de hasta el 0,1% ante variaciones de un campo eléctrico aplicado, con una señal de respuesta muy rápida ante la señal de entrada aplicada.The actuators used for this purpose are they constitute by the denominated "intelligent materials", of those known different types, among which, for the application for example in a grinding machine without centers, in where due to the characteristics of the operation they occur with special incidence of self-excited vibrations, it has been proven that the most suitable type of actuators are piezoelectric, which allow dimensional deformations of up to 0.1% before variations of an applied electric field, with a signal of Very fast response to the input signal applied.
De acuerdo con la invención se propone un sistema para el control activo de las vibraciones autoexcitadas que se producen en las máquinas-herramientas por la acción del proceso del mecanizado, desarrollando una aplicación particularmente ventajosa para máquinas provistas con carros cuyos desplazamientos se actúan mediante sistemas de husillo-tuerca, como por ejemplo en las rectificadoras sin centros.According to the invention, a system for active control of self-excited vibrations that occur in machine tools by the machining process action, developing an application particularly advantageous for machines provided with cars whose displacements are acted upon by systems of spindle-nut, as for example in grinders without centers.
Este sistema objeto de la invención consiste en la incorporación de unos actuadores activos en el propio sistema de tuerca-husillo actuador del movimiento en el lugar donde mayor repercusión tengan las vibraciones autoexcitadas en la máquina de aplicación por la acción del mecanizado, incorporándose dichos actuadores activos entre la tuerca del sistema de movimiento y la masa del carro correspondiente.This system object of the invention consists of the incorporation of active actuators in the system itself nut-spindle motion actuator in the place where the self-excited vibrations have the greatest impact in the application machine by the machining action, said active actuators being incorporated between the nut of the movement system and the corresponding carriage mass.
Se obtiene así una disposición con la que los actuadores activos detectan las vibraciones que se producen, reaccionando en función de dichas vibraciones con una respuesta en contra de las mismas, con lo que se consigue compensar el efecto de tales vibraciones y por lo tanto evitar la repercusión de las mismas en el proceso de mecanizado.A provision is thus obtained with which the active actuators detect the vibrations that occur, reacting based on these vibrations with an answer in against them, thereby compensating the effect of such vibrations and therefore avoid the impact of same in the machining process.
Los actuadores activos que se utilizan son elementos piezoeléctricos asociados a sensores de tensión mecánica, de modo que los sensores acusan las variaciones de tensión que ocasionan las vibraciones entre la tuerca del sistema husillo-tuerca y el carro a mover, provocando una reacción del elemento piezoeléctrico, el cual mediante una variación de extensión/fuerza compensa el efecto de las vibraciones evitando que éstas repercutan en el carro, manteniendo éste así una perfecta estabilidad de su movimiento y posición.The active actuators that are used are piezoelectric elements associated with mechanical tension sensors, so that the sensors accuse the voltage variations that cause vibrations between the system nut spindle-nut and carriage to move, causing a piezoelectric element reaction, which by means of a extension / force variation compensates for the effect of vibrations preventing them from impacting on the car, keeping it like this a perfect stability of its movement and position.
La operatividad del control se realiza mediante un sistema de realimentación entre los elementos piezoeléctricos y los sensores, utilizando un controlador electrónico para aplicar una señal eléctrica a los elementos piezoeléctricos en función de la señal que proporcionan los sensores.The operability of the control is carried out by a feedback system between the piezoelectric elements and the sensors, using an electronic controller to apply a electrical signal to the piezoelectric elements depending on the signal provided by the sensors.
El principio de funcionamiento para ello establece una comparación de la señal que proporcionan los sensores con una señal de referencia, aplicándose el error o diferencia entre ambas señales a un compensador, el cual suministra en función de ello una señal de compensación a los elementos piezoeléctricos, produciéndose la reacción de éstos para compensar la desviación detectada entre la señal de los sensores y la señal de referencia. Dado que la pretensión es una nula influencia de las vibraciones en el sistema bajo control, puede establecerse una señal de referencia cero, a partir de la cual cualquier desviación superior o inferior se traducirá en error que ha de compensarse mediante excitación de los elementos piezoeléctricos.The principle of operation for it establishes a comparison of the signal provided by the sensors with a reference signal, applying the error or difference between both signals to a compensator, which supplies as a result a compensation signal to the elements piezoelectric, producing their reaction to compensate the deviation detected between the sensor signal and the signal reference. Since the claim is a null influence of the vibrations in the system under control, a zero reference signal, from which any deviation higher or lower will result in error to be compensated by excitation of the piezoelectric elements.
Se obtiene con ello un sistema de control que ofrece ventajas funcionales muy notables, como:This results in a control system that It offers very notable functional advantages, such as:
- Resolución sin límites, ya que los elementos piezoeléctricos permiten cambios de dimensión extremadamente pequeños, en el orden de los nanómetros, mediante la variación del voltaje eléctrico aplicado sobre ellos.- Resolution without limits, since the elements piezoelectric allow extremely dimension changes small, in the order of nanometers, by varying the electric voltage applied to them.
- No tiene partes móviles, ya que los elementos piezoeléctricos no tienen engranajes ni ejes rotativos, estando basada la expansión de los mismos en una deformación pura de estado sólido, que no presenta signos de envejecimiento.- It has no moving parts, since the elements piezoelectric do not have gears or rotating shafts, being based on their expansion in a pure state deformation solid, which shows no signs of aging.
- Alta eficacia, ya que el efecto piezoeléctrico convierte directamente la energía eléctrica en un movimiento lineal, absorbiendo energía solo durante el proceso de expansión, mientras que para mantener la expansión no hace falta la aportación de corriente y por tanto no hay consumo de energía.- High efficiency, since the piezoelectric effect directly converts electrical energy into a movement linear, absorbing energy only during the expansion process, while to maintain the expansion it is not necessary the contribution of current and therefore there is no energy consumption.
- Generación de grandes fuerzas, permitiendo alinear partes de maquinaria pesada con la exactitud de micrómetros.- Generation of great forces, allowing align parts of heavy machinery with the accuracy of micrometers
- Expansión rápida, ya que los actuadores piezoeléctricos son los elementos de posicionamiento que más rápida respuesta ofrecen.- Fast expansion, since the actuators piezoelectric are the fastest positioning elements answer offer.
En la aplicación a una máquina rectificadora sin centros, el sistema de control se aplica en el sistema de desplazamiento del carro portador de la regleta de apoyo de la pieza a mecanizar, que es el punto donde se ha comprobado que mayor incidencia tiene la compensación de las vibraciones autoexcitadas, para la perfección del mecanizado.In the application to a grinding machine without centers, the control system is applied in the system of displacement of the carriage of the support strip of the piece to be machined, which is the point where it has been proven that greater incidence has the compensation of self-excited vibrations, for the perfection of machining.
De acuerdo con todo ello, el sistema objeto de la invención resulta ciertamente de unas características muy ventajosas, adquiriendo vida propia y carácter preferente para la función a la que se halla destinado.According to all this, the system subject to the invention certainly results from very characteristic advantageous, acquiring own life and preferential character for the function to which it is intended.
La figura 1 muestra un esquema en bloques del sistema de control activo que se aplica en el objeto de la invención.Figure 1 shows a block diagram of the active control system that is applied to the object of the invention.
La figura 2 es un esquema en bloques del principio de funcionamiento del sistema de control mencionado.Figure 2 is a block diagram of the Operating principle of the control system mentioned.
La figura 3 es un esquema de la disposición funcional de una máquina rectificadora sin centros convencional.Figure 3 is a schematic of the arrangement Functional of a centerless grinding machine conventional.
La figura 4 es un esquema de la disposición funcional de una máquina rectificadora sin centros con el sistema de control de vibraciones objeto de la invención.Figure 4 is a schematic of the arrangement Functional of a grinding machine without centers with the system of vibration control object of the invention.
La figura 5 es un detalle ampliado de la zona donde va incorporado el sistema de control de las vibraciones en la máquina anterior.Figure 5 is an enlarged detail of the area where the vibration control system is incorporated in the previous machine
La figura 6 es una representación en perspectiva de una máquina rectificadora sin centros con el sistema de control de vibraciones según la invención.Figure 6 is a perspective representation of a centerless grinding machine with the control system of vibrations according to the invention.
La figura 7 es un detalle ampliado de la zona donde va el sistema de control de las vibraciones en la máquina anterior.Figure 7 is an enlarged detail of the area where the vibration control system in the machine goes previous.
La figura 8 es una perspectiva del sistema de control que se aplica en una máquina rectificadora sin centros, según la invención, con los elementos componentes separados en una disposición explosionada.Figure 8 is a perspective of the system of control that is applied in a grinding machine without centers, according to the invention, with the component elements separated in a exploded arrangement.
El objeto de la invención se refiere a un sistema para controlar de modo activo las vibraciones autoexcitadas en una máquina-herramienta, para compensar dichas vibraciones de forma que su efecto no influya en el proceso de mecanizado.The object of the invention relates to a system to actively control vibrations self-excited in a machine tool, to compensate for these vibrations so that their effect does not influence the machining process
El control activo se basa, según el esquema
representado en la figura 1, en la disposición de unos actuadores
activos (1) y sensores (2) de tensión mecánica, en relación con la
estructura (3) de la máquina de aplicación, estableciéndose
relacionados a su vez los sensores (2) y los actuadores (1) por
medio de un sistema de control (4), de forma que los sensores (2)
detectan las vibraciones que se producen en la estructura (3),
generando una señal que es procesada por el sistema de control (4),
para aplicar una señal a los actuadores (1), los cuales reaccionan
aplicando una acción sobre la estructura (3) que compensa las
vibra-
ciones.The active control is based, according to the scheme represented in Figure 1, on the arrangement of active actuators (1) and sensors (2) of mechanical tension, in relation to the structure (3) of the application machine, establishing related in turn the sensors (2) and the actuators (1) by means of a control system (4), so that the sensors (2) detect the vibrations that occur in the structure (3), generating a signal that it is processed by the control system (4), to apply a signal to the actuators (1), which react by applying an action on the structure (3) that compensates for vibrations.
tion
El principio de funcionamiento se basa, según la figura 2, en un concepto de realimentación, de forma que la salida (5) del sistema operativo (6) formado por los actuadores y sensores se compara con una señal de referencia (7) en un comparador (8), generando una señal de error (9) que se pasa por un compensador (10), desde el cual la señal compensada (11) se aplica al sistema operativo (6) junto con la perturbación (12) qué ocasionan las vibraciones. El sistema se puede aplicar respecto de una referencia cero, de manera que no es necesario ninguna señal de referencia (7) ni establecer comparación (8), sino que aplicando la señal de la salida (5) directamente al compensador (10) oportunamente programado, cualquier desviación de la mencionada señal de la salida (5), respecto del valor previsto, genera la señal de error (9) que se ha de compensar.The principle of operation is based, according to the Figure 2, in a feedback concept, so that the output (5) of the operating system (6) formed by the actuators and sensors it is compared with a reference signal (7) in a comparator (8), generating an error signal (9) that is passed through a compensator (10), from which the compensated signal (11) is applied to the system operational (6) together with the disturbance (12) what causes the vibrations The system can be applied with respect to a reference zero, so that no reference signal is necessary (7) nor establish comparison (8), but by applying the signal of the output (5) directly to the compensator (10) in a timely manner programmed, any deviation from the mentioned signal from the output (5), with respect to the expected value, generates the error signal (9) to be compensated.
El objeto de la invención se refiere a un sistema de control activo según lo indicado, para la aplicación en sistemas de movimiento actuados mediante un conjunto de husillo-tuerca, en donde entre la tuerca (13) correspondiente y el cuerpo (14) a mover se disponen unos actuadores (15) formados por elementos piezoeléctricos, junto con unos sensores de tensión mecánica (16), con relación entre ellos según el principio funcional de las figuras 1 y 2.The object of the invention relates to a active control system as indicated, for application in motion systems operated by a set of spindle-nut, where between the nut (13) corresponding and the body (14) to move are arranged about actuators (15) formed by piezoelectric elements, together with mechanical tension sensors (16), in relation to each other according to the functional principle of figures 1 and 2.
En esas condiciones, el empuje de la tuerca (13), mediante su desplazamiento sobre el correspondiente husillo (17), para mover el cuerpo (14), hace que los actuadores (15) adquieran una carga de compresión, siendo medida la fuerza del empuje por los sensores (16), de tal modo que cuando dicha fuerza del empuje coincide con una señal de referencia prefijada, o una señal cero, el sistema no ejecuta ninguna actuación, pero cuando la fuerza del empuje no coincide con la señal prevista, se origina una señal de error que aplica a los actuadores (15) una carga eléctrica, con lo cual dichos actuadores (15) ejecutan una variación de extensión/fuerza, por la cual el empuje se ajusta a la fuerza adecuada.Under those conditions, the thrust of the nut (13), by moving on the corresponding spindle (17), to move the body (14), makes the actuators (15) acquire a compression load, the force of the push through the sensors (16), so that when said force of the thrust matches a preset reference signal, or a zero signal, the system does not perform any action, but when the thrust force does not match the expected signal, a error signal that applies to the actuators (15) a load electric, whereby said actuators (15) execute a extension / force variation, by which the thrust is adjusted to the right force
En el montaje funcional del desplazamiento de un cuerpo (14), las vibraciones que repercuten en dicho montaje alteran la fuerza instantánea de la tuerca de empuje (13) sobre el cuerpo (14), con lo cual el desplazamiento y posicionamiento de dicho cuerpo (14) resultan inestables, operando el sistema activo, mediante los actuadores (15) y los sensores (16), de forma que corrige el efecto de las vibraciones, con lo que se evita la inestabilidad mencionada.In the functional assembly of the displacement of a body (14), the vibrations that affect said assembly alter the instantaneous force of the thrust nut (13) on the body (14), whereby the displacement and positioning of said body (14) are unstable, operating the active system, by means of the actuators (15) and the sensors (16), so that corrects the effect of vibrations, thereby avoiding mentioned instability.
Dicho sistema de control permite compensar las alteraciones que ocasionan las vibraciones autoexcitadas que se producen en las máquinas-herramientas por el propio proceso del mecanizado, permitiendo con ello obtener mecanizados mucho más perfectos.Said control system allows compensation of alterations that cause the self-excited vibrations that are produce in machine tools by itself machining process, thereby allowing to obtain machining much more perfect.
En el caso del rectificado sin centros, la precisión del mecanizado tiene especial importancia, debido a las aplicaciones para las que generalmente se utiliza dicho rectificado, pero sin embargo, como consecuencia de las características de trabajo de las máquinas con las que se efectúa ese rectificado, las vibraciones autoexcitadas se producen de un modo relevante.In the case of centerless grinding, the machining accuracy is especially important, due to the applications for which said is generally used rectified, but nevertheless, as a result of working characteristics of the machines with which it is made that rectified, self-excited vibrations occur in a relevant mode
En efecto, como representa la figura 3, en una máquina rectificadora sin centros la pieza (18) a mecanizar se sujeta mediante simple apoyo sobre una regleta (19), quedando oprimida entre una muela de trabajo (20) que se mantiene en posición fija y una muela de aprieto (21) que va incorporada en un cabezal móvil (22) actuado por un conjunto de tuerca-husillo (23), mientras que la regleta (19) va incorporada a su vez en montaje móvil con posibilidad de desplazamiento mediante otro conjunto de tuerca-husillo (24).Indeed, as shown in Figure 3, in a centerless grinding machine the part (18) to be machined is held by simple support on a strip (19), remaining pressed between a working wheel (20) that remains in fixed position and a grinding wheel (21) that is incorporated in a moving head (22) operated by a set of spindle nut (23), while the strip (19) It is incorporated in turn in mobile assembly with the possibility of offset by another set of spindle nut (24).
Mediante pruebas y estudios realizados, se ha comprobado que en la disposición estructural de las máquinas rectificadoras sin centros las vibraciones autoexcitadas repercuten con mayor incidencia en la sustentación de la regleta (19) que soporta a la pieza (18) que se mecaniza, de modo que la aplicación del control activo según la invención se incorpora en dichas máquinas respecto del conjunto husillo-tuerca (24) de actuación del desplazamiento del cuerpo (14) al que va asociada la regleta (19), según las figuras 4, 5 y 6.Through tests and studies, it has been verified that in the structural arrangement of the machines centerless grinding machines self-excited vibrations impact with greater incidence in the support of the strip (19) that supports the piece (18) that is machined, so that the application of the active control according to the invention is incorporated in said machines with respect to the spindle-nut assembly (24) of action of the displacement of the body (14) to which it is associated the strip (19), according to figures 4, 5 and 6.
En una realización práctica el montaje del control activo según la invención se establece, según las figuras 7 y 8, incorporando los elementos piezoeléctricos (15) constitutivos de los actuadores activos entre unos anillos enfrentados (25 y 26), formando un paquete axial que se dispone entre la tuerca (13) del conjunto husillo-tuerca correspondiente y una pieza anular (27) de tope contra el cuerpo (14) portador de la regleta (19) en la máquina de aplicación.In a practical embodiment the assembly of the active control according to the invention is established, according to the figures 7 and 8, incorporating the piezoelectric elements (15) constitutive of active actuators between rings facing each other (25 and 26), forming an axial package that is arranged between the nut (13) of the spindle-nut assembly corresponding and an annular piece (27) of stop against the body (14) bearer of the strip (19) in the application machine.
En el conjunto mencionado se incluyen a su vez los sensores de tensión mecánica (16), los cuales se disponen pasando a través de los anillos (25 y 26), con apoyo por sus extremos sobre la tuerca (13) y la pieza de tope (27).In the mentioned set they are included the mechanical tension sensors (16), which are arranged passing through the rings (25 and 26), with support for their ends on the nut (13) and the stop piece (27).
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| ES (1) | ES2278496B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3653336A1 (en) | 2018-11-19 | 2020-05-20 | Ideko, S. Coop | Actively dampened centerless grinding process |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63216110A (en) * | 1987-03-05 | 1988-09-08 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | High speed moving table |
| JPH0230452A (en) * | 1988-07-18 | 1990-01-31 | Mitsubishi Electric Corp | Piezoelectric driving device |
-
2005
- 2005-05-09 ES ES200501099A patent/ES2278496B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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| CN111203801A (en) * | 2018-11-19 | 2020-05-29 | 伊代科公司 | Active damping centerless grinding method |
| CN111203801B (en) * | 2018-11-19 | 2023-10-03 | 伊代科公司 | Active damping centerless grinding method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2278496B1 (en) | 2008-06-16 |
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