ES2278496A1 - Sistema para el control activo de las vibraciones autoexcitadas en una maquina-herramienta. - Google Patents
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Abstract
Sistema para el control activo de las vibraciones autoexcitadas en una máquina-herramienta, de aplicación en un conjunto husillo-tuerca, disponiendo entre la tuerca (13) de dicho conjunto y el cuerpo (14) que se mueve mediante el mismo un conjunto de control formado por elementos actuadores activos (15) y sensores de tensión mecánica (16), con una relación entre unos y otros elementos que genera una respuesta de variación de extensión/fuerza en función de la fuerza de empuje de la tuerca (13), para compensar las vibraciones que repercuten en el conjunto de desplazamiento.
Description
Sistema para el control activo de las
vibraciones autoexcitadas en una
máquina-herramienta.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Se obtiene con ello un sistema de control que
ofrece ventajas funcionales muy notables, como:
- 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.
- 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.
- 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.
- Generación de grandes fuerzas, permitiendo
alinear partes de maquinaria pesada con la exactitud de
micrómetros.
- Expansión rápida, ya que los actuadores
piezoeléctricos son los elementos de posicionamiento que más rápida
respuesta ofrecen.
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.
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.
La figura 1 muestra un esquema en bloques del
sistema de control activo que se aplica en el objeto de la
invención.
La figura 2 es un esquema en bloques del
principio de funcionamiento del sistema de control mencionado.
La figura 3 es un esquema de la disposición
funcional de una máquina rectificadora sin centros
convencional.
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.
La figura 5 es un detalle ampliado de la zona
donde va incorporado el sistema de control de las vibraciones en la
máquina anterior.
La figura 6 es una representación en perspectiva
de una máquina rectificadora sin centros con el sistema de control
de vibraciones según la invención.
La figura 7 es un detalle ampliado de la zona
donde va el sistema de control de las vibraciones en la máquina
anterior.
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.
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.
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.
ciones.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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).
Claims (5)
1. Sistema para el control activo de las
vibraciones autoexcitadas en una
máquina-herramienta, para el tipo de máquinas que
incorporan al menos un conjunto de husillo-tuerca
para actuar el desplazamiento de alguna de sus partes,
caracterizado porque en relación con la tuerca (13) del
conjunto husillo-tuerca se dispone un conjunto de
control formado por elementos actuadores activos (15) y sensores
de tensión mecánica (16), con relación de influencia de los
sensores (16) respecto de los actuadores activos (15) para
compensar las vibraciones que repercuten en el conjunto de
desplazamiento, mediante una respuesta de variación de
extensión/fuerza de los actuadores (16) en función de la fuerza de
empuje de la tuerca (13) sobre el cuerpo (14) de la parte de
máquina sometida al empuje.
2. Sistema para el control activo de las
vibraciones autoexcitadas en una
máquina-herramienta, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque los actuadores activos
(15) que se utilizan son elementos piezoeléctricos, los cuales
reaccionan con una variación de extensión/fuerza en función de una
señal eléctrica proporcionada por los sensores (16) en
correspondencia con la tensión mecánica detectada por éstos.
3. Sistema para el control activo de las
vibraciones autoexcitadas en una
máquina-herramienta, de acuerdo con las
reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque la
relación de influencia entre los sensores (16) y los actuadores
activos (15) se determina mediante una realimentación de
comparación entre una señal de salida del sistema y una señal de
referencia cero o de un valor preestablecido, en función de cuya
diferencia se genera una señal de error que es compensada para su
aplicación al sistema junto con la perturbación que ocasionan las
vibraciones.
4. Sistema para el control activo de las
vibraciones autoexcitadas en una
máquina-herramienta, que se establece mediante
incorporación de actuadores activos piezoeléctricos en un conjunto
de husillo-tuerca, caracterizado porque según
una realización de montaje los elementos piezoeléctricos
constitutivos de los actuadores activos (15) se disponen entre
sendos anillos enfrentados (25 y 26), formando un paquete axial
que se incorpora entre la tuerca (13) del conjunto
husillo-tuerca correspondiente y una pieza anular
(27) de tope contra el cuerpo (14) de la parte de máquina sometida
a empuje, incluyéndose unos sensores de tensión mecánica (16) a
través de los mencionados anillos (25 y 26), con apoyo de sus
extremos sobre la tuerca (13) y la pieza anular de tope (27).
5. Sistema para el control activo de las
vibraciones autoexcitadas en una
máquina-herramienta, caracterizado porque en
la aplicación del sistema a una máquina rectificadora sin centros
el sistema de control se establece en el conjunto
tuerca-husillo (24) de desplazamiento del cuerpo
(14) que comporta a la regleta (19) de apoyo de la pieza que se
mecaniza.
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|---|---|---|---|
| ES200501099A ES2278496B1 (es) | 2005-05-09 | 2005-05-09 | Sistema para el control activo de las vibraciones autoexcitadas en una maquina-herramienta. |
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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 |
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-
2005
- 2005-05-09 ES ES200501099A patent/ES2278496B1/es not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20070801 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2278496B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20180809 |