ES2314603T3 - Dispositivo de posicionamiento con dos motores lineales in-clinados uno respecto al otro. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de posicionamiento, que incluye los siguientes componentes: al menos, un carro (10) desplazable; guías de deslizamiento apoyadas sobre líquido (12a, 16a; 12b, 16b), sobre las que puede desplazarse el carro, y que comprenden carriles de guía (16a, 16b) así como piezas de guía (12a, 12b) apoyadas sobre carriles de guía, y un accionamiento de carro que comprende un primer motor lineal con una parte primaria (20a) y una parte secundaria (21a) opuesta a la misma, dispuesto en un primer plano (19a), caracterizado porque el accionamiento de carro incluye al menos un segundo motor lineal con otra parte primaria (20b) y otra parte secundaria (21b), opuesta a la misma, que se encuentra en un segundo plano (19b), estando los dos motores lineales dispuestos inclinados, de modo que ambos planos (19a, 19b) son diferentes y presentan un ángulo de intersección (2'').

Description

Dispositivo de posicionamiento con dos motores lineales inclinados uno respecto al otro.

El presente invento trata de un dispositivo de posicionamiento, comprendiendo al menos un carro desplazable y como mínimo un motor lineal, según el término genérico de la reivindicación 1 [véase, por ejemplo, "Hydrostatische Führungen für Linealmotoren" de Jochen Schönfeld, Werkstatt und Betrieb, 03-1999].

Dispositivos de posicionamiento de este tipo se utilizan, por ejemplo, en máquinas herramienta, para el posicionamiento continuo de la herramienta en relación a la pieza a mecanizar. La utilización de un accionamiento por motor lineal tiene la ventaja de que funciona sin contacto y permite producir altas velocidades y aceleraciones, de modo que son posibles movimientos rápidos del carro. Sin embargo, una desventaja es que se produce una elevada fuerza de atracción entre la parte primaria y secundaria del motor lineal, que puede ser tan grande, que el carro sea sometido a deformaciones y ya no pueda ser posicionado con la precisión suficiente. En el amolado cilíndrico, por ejemplo, se requiere un posicionamiento de alta precisión de la herramienta, con exactitudes del rango submicrométrico (véase, por ejemplo, DE 199 48 490 A1).

Por el documento DE 196 43 518 A1 se conoce un dispositivo de posicionamiento con un accionamiento lineal, que comprende una unidad activa alineada de forma horizontal y una de forma vertical. Las unidades pasivas del accionamiento lineal están fijadas a un cuerpo de sección transversal rectangular, montado desplazable mediante un cojinete neumático. Este tipo de apoyo requiere, sin embargo, una estructura relativamente complicada y costosa, debido a que debe disponerse una pluralidad de toberas sobre toda la superficie de las unidades activas. Además, la fuerza portante del cojinete neumático es limitada.

Basado en dicho estado de la técnica actual, el presente invento tiene el objetivo de crear un dispositivo de posicionamiento del tipo mencionado en la introducción, cuyo carro pueda posicionarse rápidamente y con precisión, de modo optimizado.

Un dispositivo de posicionamiento que consigue dicho objetivo se indica en la reivindicación 1. Las demás reivindicaciones indican modelos de fabricación preferentes, así como una máquina rectificadora con un dispositivo de posicionamiento.

A continuación, el invento se describe en base a un ejemplo de fabricación preferente, con referencia a figuras.

Se muestra en la:

figura 1, una vista en perspectiva del dispositivo de posicionamiento, según el invento;

figura 2, un despiece de la figura 1;

figura 3, un despiece parcialmente seccionado de la figura 1, en una vista frontal; y

figura 4, un accionamiento de carro y el dispositivo de medición de desplazamiento, del dispositivo de posicionamiento, según la figura 1.

La figura 1 muestra una vista en perspectiva del dispositivo de posicionamiento, donde para una mayor claridad se ha omitido la parte frontal del soporte de base 15. Como puede verse, el dispositivo de posicionamiento comprende un carro 10, desplazable en dirección X a lo largo del soporte de base 15. El carro 10 contiene una placa de base 11, cuya parte inferior está dotada de componentes de guía proyectados 12a y 12b, que se extienden en la dirección de desplazamiento X. El soporte de base 15 comprende carriles de guía 16a y 16b, en los que son desplazables la pieza de guía 12a ó 12b respectiva.

Las piezas de guía 12a, 12b y los carriles de guía 16a, 16b están separados por medio de un líquido dispuesto en forma intermedia, típicamente aceite. Las guías 12a, 16a, 12b, 16b están diseñadas como guías deslizantes hidrostáticas, para lo que durante la operación, en forma continua, es suministrado líquido bajo presión, a la ranura entre las piezas de guía 12a, 12b y los carriles de guía 16a, 16b, a través de taladros de alimentación en las piezas de guía 12a, 12b, formándose de este modo, un film sobre la que "flota" el carro 10. La presión se genera por medios adecuados fuera de las guías 12a, 16a, 12b, 16b y es regulada de modo que el espesor del film es, en lo esencial,
constante.

La utilización de guías hidrostáticas ofrece la ventaja de trabajar sin contacto y, de este modo, sin desgaste y los desplazamientos pueden conseguirse como de alta precisión, incluso en el caso de un rápido cambio de dirección y/o de un peso elevado actuante sobre el carro. De manera típica, son posibles desplazamientos menores a 1/10 de micrómetro. Es concebible utilizar guías hidrodinámicas como guías deslizantes apoyadas sobre líquido, constituyéndose una película separadora de líquido debido a los movimientos relativos entre la pieza de guía 12a, 12b respectivo y el carril de guía 16a, 16b correspondiente.

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Las guías 12a, 16a, 12b, 16b están configuradas como guías soportadas libremente, es decir, se encuentran libres de envolventes, en forma de una guía rectilínea en forma de V como se muestra, por ejemplo, en la figura 2. También es posible diseñar ambas guías 12a, 16a, 12b, 16b como guías en V o guías rectilíneas.

Como puede verse en las figuras 1 y 2, el soporte de base 15 incluye entre los carriles de guía 16a, 16b un receso 17 extendido en la dirección de desplazamiento X y en el que se encuentra dispuesto un accionamiento del carro. El mismo comprende un cuerpo de base 18 y dos motores lineales, cada uno con una parte primaria 20a ó 20b, respectivamente, que contiene los bobinados eléctricos y, cada uno, una parte secundaria 21a ó 21b, dotada de imanes permanentes. Mediante una adecuada excitación de los bobinados puede generarse un campo de ondas progresivas que produce un empuje de la parte primaria 20a ó 20b sobre la parte secundaria 21a ó 21b.

Como también muestran las figures 2 a 4, el cuerpo de base 18 presenta dos superficies inclinadas 19a y 19b, extendidos en la dirección de desplazamiento X, en los que se encuentran montadas las partes secundarias 21a y 21b. Las partes primarias 20a y 20b son montadas al carro 10 opuestas a las partes secundarias 21a y 21b mediante cuerpos de montaje 22a y 22b y, por lo tanto, a la pieza móvil del accionamiento del carro, de modo que las partes primarias 20a, 20b y las partes secundarias 21a, 21b forman, respectivamente, un así denominado motor lineal de estator corto. Los motores lineales 20a y 21a, así como 20b y 21b trabajan sin contacto, estando la respectiva parte primaria 20a ó 20b y parte secundaria 21a ó 21b separada una de la otra por medio de un entrehierro definido, que típicamente se encuentra en el rango milimétrico o tiene menos de 1 mm.

En la alineación del carro 10 mostrada en la figura 1, las guías 12a, 16a, 12b, 16b se encuentran en el plano XY. La normal a dicho plano (en adelante denominado normal del carro) coincide con la dirección Z. La inclinación de las superficies 19a y 19b es elegida de modo que el ángulo \alpha entre la normal del carro y el plano en el que se encuentra dispuesta la parte secundaria 21a ó 21b respectiva, se encuentra entre los 35 y los 55 grados, preferentemente en \alpha = 45 grados. De esta forma, ambos planos 19a y 19b presentan un ángulo de intersección de 2\alpha. La parte primaria 20a ó 20b actuante junto con la parte secundaria 21a ó 21b respectiva está dispuesta del mismo modo inclinada en un ángulo \alpha respecto de la normal del carro.

Durante el funcionamiento, los motores lineales 20a, 21a, 20b, 21b generan calor, que debe ser disipado de forma apropiada para evitar que el carro 10 y el soporte de base 15 sean sometidos a un calentamiento adicional y, consecuentemente, a deformaciones. Para el enfriamiento, las partes primarias 20a, 20b comprenden un sistema integrado de enfriamiento, y las partes secundarias 21a, 21b están dotadas de canales internos, a través de los que puede conducirse un líquido refrigerante. Además, los cuerpos de base 18 y el cuerpo de montaje 22a, 22b sirven como dispositivo de enfriamiento, para cuyo propósito están dotados de canales internos a través de los cuales puede conducirse un líquido refrigerante. Por medio de conexiones 23a, 23b, 24 en los cuerpos 22a, 22b ó 18 pueden conectarse conductos para la alimentación de líquido refrigerante a los canales internos. Como líquido refrigerante son apropiados, por ejemplo, líquidos acuosos con aditivos anticorrosivos, como los usados en máquinas-herramienta. Si el dispositivo de posicionamiento es utilizado en una máquina, por ejemplo, en una máquina rectificadora ya está dotada de un circuito refrigerante, el dispositivo de enfriamiento 18, 22a, 22b es conectado, ventajosamente, a dicho circuito refrigerante.

Entre los motores lineales 20a, 21a, 20b, 21b se encuentra dispuesto un dispositivo de medición de desplazamiento 30a y 30b, que sirve para el registro de la posición del carro. La parte estacionaria 30a del dispositivo de medición de desplazamiento se encuentra montado encima del cuerpo de base 18, entre las dos superficies inclinadas 19a y 19b, mientras la parte móvil 30b del dispositivo de medición de desplazamiento está fijada al carro 10. El dispositivo de medición de desplazamiento 30a, 30b es elegido de modo que la posición del carro pueda ser determinada, preferentemente, con una precisión en el margen nanométrico. Como dispositivo de medición de desplazamiento 30a, 30b es apropiada, entre otros, un dispositivo de medición de desplazamiento optoelectrónico en el que pueden detectarse ópticamente divisiones sobre un sistema de escalas, por ejemplo, una regla graduada de vidrio, y generar las señales eléctricas de medición de desplazamiento correspondientes.

Está previsto un dispositivo de regulación apropiado (no mostrado), que evalúa las señales del dispositivo de medición de desplazamiento 30a, 30b y entrega señales a los motores lineales 20a, 21a, 20b, 21b, para mover el carro 10 conforme a la especificación deseada.

En otro ejemplo de fabricación está previsto un segundo carro con accionamiento por motor lineal y dispositivo de medición de desplazamiento, montado sobre el carro 10 para la formación de dos ejes de accionamiento (no mostrado en las figuras). La construcción del accionamiento por motor lineal y del dispositivo de medición de desplazamiento del segundo carro es análoga de la de los dispositivos correspondientes del primer carro. Para posicionar, por ejemplo, una herramienta sobre un plano, los dispositivos de desplazamiento de ambos carros no necesariamente deben ser ortogonales entre sí, sino que también pueden estar dispuestos entre sí en un ángulo obtuso o agudo.

El dispositivo de posicionamiento, según el invento, puede utilizarse, por ejemplo, en máquinas amoladoras, especialmente en amoladoras cilíndricas. En aplicaciones típicas, la masa a mover puede ser de varios cientos de kilogramos, típicamente en el intervalo de 500 kg a 1.500 kg. Los motores lineales 20a, 20b, 21a, 21b permiten aceleraciones de hasta 10 m/s^{2} o más y velocidades de hasta 30 m/s. En este caso, la precisión de posicionamiento se encuentra en el rango submicrométrico. El calor disipado por medio del dispositivo de enfriamiento 18, 22a, 22b es, típicamente, del orden de 1 kilovatio-hora o más.

El dispositivo de posicionamiento descrito hasta ahora tiene, entre otras, las siguientes ventajas:

la disposición inclinada de los motores lineales 20a, 21a, 20b, 21b (a continuación también denominada disposición en V) ofrece la ventaja de que las fuerzas de atracción generadas entre las partes primarias 20a, 20b, y las partes secundarias 21a, 21b actúan sobre el carro 10 de manera reducida. A \alpha = 45 grados, dicha reducción es máxima: la fuerza de atracción resultante, actuante en la dirección de la normal del carro, es reducida en un factor \surd2 respecto a una disposición con motores lineales no inclinados (\alpha = 90 grados). Debido a que las fuerzas de atracción actúan en medida reducida sobre el carro 10, pueden usarse motores lineales 20a, 21a, 20b, 21b más potentes y/o el carro 10 puede construirse más ligero, sin que el mismo sea sometido a deformaciones.

Además, las fuerzas de atracción generadas por los motores lineales 20a, 21a, 20b, 21b pueden utilizarse para pretensar las guías hidrostáticas 12a, 16a, 12b, 16b, de modo que las piezas de guía 12a, 12b actúan con una fuerza definida sobre los carriles de guía 16a, 16b. Ello permite utilizar solamente guías libremente soportadas, que son más sencillas y menos costosas que, por ejemplo, las guías envolventes, existiendo la pretensión necesaria actuando también sobre el carro un peso pequeño o variable.

La utilización de una disposición en V de motores lineales en combinación con guías de deslizamiento suspendidos hidráulicamente conduce a un dispositivo de posicionamiento, cuyo carro sin contacto es de alta precisión y desplazable rápidamente, asegurando también en desplazamientos cortos un movimiento casi exento de sacudidas.

Además, a una altura dada del dispositivo de posicionamiento, la disposición en V de los motores lineales 20a, 21a, 20b, 21b genera espacio suficiente para un dispositivo refrigerante 18, 22a, 22b relativamente grande y, consecuentemente, efectivo. La bipartición del accionamiento por motor lineal facilita, igualmente, la evacuación del calor generado por el mismo.

El dispositivo refrigerante compuesto de cuerpo de base 18 y cuerpos de montaje 22a, 22b sirve como barrera térmica efectiva que permite prevenir la transferencia de calor al soporte de base 15 y al carro 10, o bien, regular la misma de modo que éstos presenten una temperatura constante. De esta forma, durante el funcionamiento se impiden variaciones en las dimensiones del carro 10 y del soporte 15, de modo que siempre son posibles movimientos rápidos y altamente precisos.

La disposición en V también permite disponer el dispositivo de medición de desplazamiento 30a, 30b entre los motores lineales 20a, 20b, 21a, 21b, resultando una disposición simétrica compacta. Esto garantiza un buen control de la posición del carro, aún en aplicaciones altamente dinámicas en las que el carro 10 está sometido a altas velocidades y aceleraciones, debido a que, entre otros, en el caso de una inversión de sentido del carro, el error angular en el registro de la posición es reducido.

Claims (10)

1. Dispositivo de posicionamiento, que incluye los siguientes componentes: al menos, un carro (10) desplazable; guías de deslizamiento apoyadas sobre líquido (12a, 16a; 12b, 16b), sobre las que puede desplazarse el carro, y que comprenden carriles de guía (16a, 16b) así como piezas de guía (12a, 12b) apoyadas sobre carriles de guía, y un accionamiento de carro que comprende un primer motor lineal con una parte primaria (20a) y una parte secundaria (21a) opuesta a la misma, dispuesto en un primer plano (19a), caracterizado porque el accionamiento de carro incluye al menos un segundo motor lineal con otra parte primaria (20b) y otra parte secundaria (21b), opuesta a la misma, que se encuentra en un segundo plano (19b), estando los dos motores lineales dispuestos inclinados, de modo que ambos planos (19a, 19b) son diferentes y presentan un ángulo de intersección (2\alpha).

2. Dispositivo de posicionamiento, según la reivindicación 1, en el que las guías deslizantes (12a, 16a: 12b, 16b) son guías hidrostáticas o hidrodinámicas.

3. Dispositivo de posicionamiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el carro (10) contiene una placa básica (11), de cuya parte inferior se proyectan las piezas de guía (12a, 12b).

4. Dispositivo de posicionamiento, según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las guías deslizantes (12a, 16a; 12b; 16b) forman dos guías dispuestas esencialmente paralelas, entre las cuales se encuentran dispuestos los dos motores lineales (20a, 21a; 20b, 21b).

5. Dispositivo de posicionamiento, según una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende un dispositivo refrigerante (18, 22a, 22b) para el enfriamiento de las partes primarias (20a, 20b) y partes secundarias (21a, 21b).

6. Dispositivo de posicionamiento, según la reivindicación 5, en el que el dispositivo refrigerante comprende un cuerpo de base (18), en el que se encuentran montadas las partes secundarias (21a, 21b), así como cuerpos de montaje (22a, 22b) mediante los que se encuentran fijadas las partes primarias (20a, 20b) al carro (10), presentando los cuerpos (18, 22a, 22b), canales internos para recibir el líquido refrigerante.

7. Dispositivo de posicionamiento, según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que un dispositivo de medición de desplazamiento (30a, 30b) para el registro de la posición del carro se encuentra dispuesto entre los motores lineales (20a, 21a; 20b, 21b).

8. Dispositivo de posicionamiento, según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el ángulo de intersección (2\alpha) entre los planos (19a, 19b) está comprendido en el intervalo de 70 grados a 110 grados y es, preferentemente, de 90 grados.

9. Dispositivo de posicionamiento, según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que un segundo carro se encuentra dispuesto sobre el primer carro (10).

10. Máquina amoladora, especialmente rectificadora cilíndrica, con un dispositivo de posicionamiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 9.