IT9022421A1 - Dispositivo di posizionamento con divisione differenziale tra due corpi rotanti reciprocamente - Google Patents

Description

Descrizione del trovato.

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di posizionamento che permette una divisione differenziale tra due corpi rotanti reciprocamente, ad esempio le parti di una macchina utensile o gruppi meccanici in genere, che devono essere posizionati tra di loro con precisione angolare.

Queste necessità si presentano ad esempio nelle macchine utensili per tavole portapezzo, dove una tavola girevole deve essere posizionata con precisione rispetto alla base fissa della macchina o dove una testa di fresatura con il relativo utensile deve essere posizionata rispetto alla struttura fissa della macchina utensile e cioè rispetto al pezzo da lavorare.

Ovviamente, le necessità di posizionamento con divisione differenziale non sono limitate a questi campi di impiego specifici, i quali devono essere considerati nel modo più ampio possibile, anche se la seguente descrizione si riferirà alla testa movibile di una macchina utensile, ad esempio di una fresatrice.

E' noto dallo stato anteriore della tecnica di posizionare una testa portautensile ad esempio in due posizioni definite, consentendo così di utilizzare il mandrino in posizione verticale oppure, dopo una rotazione di 180', in posizione orizzontale.

Per le operazioni di posizionamento sono noti dispositivi di posizionamento e di orientamento della testa. Uno di questi mezzi può essere costituito, per esempio, da un trasduttore di posizione ad elevata precisione e risoluzione, dispositivo che viene generalmente montato o posizionato in modo da non essere influenzato da errori meccanici.

Di conseguenza, per l'esecuzione di un movimento di posizionamento con la precisione richiesta, è indispensabile disporre anche di mezzi di azionamento elettrici, operanti con elevata precisione ed inoltre, è indispensabile una meccanica di precisione, onde ridurre i giochi manifestentisi nella catena cinematica, costituita ad esempio da una serie di ruote dentate, impegnantisi reciprocamente. Detta catena cinematica deve essere eseguita inoltre con elevata rigidezza.

Inoltre, è necessario mantenere per un tempo prestabilito la posizione assunta dalla testa della fresatrice, posizione che deve essere mantenuta con precisione anche sotto l'azione di forze esterne perturbatrici, ad esempio vibrazioni o sforzi meccanici.

Dallo stato della tecnica sono diventati noti a tale scopo, organi di bloccaggio, i quali con elevate forze, bloccano per attrito e nella posizione desiderata la testa movibile della macchina utensile. Per evitare indesiderati spostamenti della testa, queste forze devono essere molto elevate ed in rapporto alle forze a cui la testa ed il relativo utensile sono sottoposti.

Non volendo usare dispositivi di bloccaggio per attrito, è diventato noto di avvalersi di un dispositivo di bloccaggio operante con accoppiamento geometrico. Questo dispositivo consente di definire due o quattro posizioni angolari, permettendo ad esempio di posizionare la testa con 180‘, rispettivamente con 90* di rotazione. ;Detti dispositivi noti sono costituiti generalmente da un meccanismo, comprendente un piolo o perno sporgente, il quale si impegna con apposite sedi, determinanti le posizioni che possono essere assunte dalla testa girevole della macchina utensile. ;Volendo definire un numero di posizioni più elevato per una testa di una macchina utensile, ad esempio 360 posizioni angolari, che corrispondono a passi pari ad 1’, trovano maggiormente utilizzo dentature ad innesto frontale, note anche come dentature Hirth. ;In caso di impiego di corone Hirth, una di queste corone a dentatura frontale risulta solidale con la parte fissa della macchina utensile, mentre la seconda corona è solidale con la parte movibile della macchina e cioè con la testa girevole. Le corone sono montate in modo da presentare le dentature affacciate tra di loro e quindi, con adeguato accoppiamento reciproco, diventa possibile realizzare un posizionamento della testa girevole, pari ad un valore angolare di 1'. ;Sono note anche dentature Hirth a 720 denti che permettono divisioni pari a spostamenti angolari di 0,5‘. Questo tipo di corona ha però l'inconveniente che dovranno essere previste dimensioni costruttive notevoli, onde garantire che le dimensioni dei singoli denti siano ancora tali da resistere alle diverse sollecitazioni meccaniche. ;L' uso di corone Hirth come mezzo di posizionamento preciso, si è dimostrato generalmente vantaggioso, sia per la notevole precisione che viene offerta dalle corone Hirth, sia per il loro facile montaggio e soprattutto per la semplicità del servomeccanismo, necessario per distanziare le dentature delle corone Hirth, nonché per far ruotare in modo comandato la parte movibile della testa, rispetto alla parte fissa della macchina. ;Tenendo presente che per il posizionamento preciso tra corone a dentatura frontale è semplicemente necessario realizzare un impegno tra i denti di una corona e gli spazi tra i denti della corona opposta e, tenendo conto che i fianchi determinanti detti spazi formano usualmente un invito a V, inclinato per 60*, è facilmente comprensibile che il posizionamento, realizzato tramite i servomeccanismi della testa, deve avere una precisione poco superiore ad 1/4 del passo di divisione della dentatura, per garantire un sicuro e reciproco innesto iniziale, determinando solo in seguito all'accoppiamento finale delle corone Hirth il posizionamento di precisione.

Da queste più modeste esigenze di posizionamento grossolano iniziale per corone Hirth, deriva il vantaggio che il trasduttore di posizione, indispensabile per il comando dei servomeccanismi, può essere posizionato direttamente sulla catena cinematica di comando, costituita da una serie di alberi e ruote dentate e cioè in posizione molto comoda dal punto di vista costruttivo, evitando così di dover portare in modo non del tutto facile, segnali elettrici dalla testa rotante verso la struttura fissa della macchina.

Il grande inconveniente che è caratterizzante per l'utilizzo di due corone Hirth per il posizionamento di un corpo movibile rispetto ad una struttura fissa è da ravvisare però nel fatto che tale posizionamento corrisponderà sempre ad un posizionamento a numero intero, mentre non è possibile una divisione differenziata del movimento della testa, ad esempio pari ad un angolo di 37, 04", 89,17' oppure 107,32". Scopo del presente trovato è di realizzare un dispositivo di posizionamento, il quale con l'ausilio di corone a dentatura frontale, consenta di realizzare una divisione differenziale di alta precisione. Detto scopo viene raggiunto secondo la presente invenzione con un dispositivo di posizionamento, previsto tra due corpi rotanti reciprocamente, comprendente una prima corona con dentatura frontale, solidale con un corpo girevole ed una seconda corona con dentatura frontale, solidale con un corpo fisso, dispositivo caratterizzato dal fatto che tra dette corone a dentatura frontale è prevista una ulteriore corona, presentante su ambedue le facciate delle dentature frontali, accoppiabili in modo selezionabile e alternativamente con la dentatura della corona solidale con la parte fissa oppure con la dentatura della corona, solidale con la parte ruotabile e che il numero di denti dell'accoppiamento formato con la corona solidale con la parte ruotabile è differente dal numero di denti dell'accoppiamento formato con la corona solidale con la parte fissa.

Con particolare vantaggio il numero di denti dell'accoppiamento relativo alla corona solidale con la parte fissa della macchina ed il numero di denti dell'accoppiamento con la corona soliale con la parte movibile del dispositivo, corrisponde a

L'oggetto, concepito secondo il trovato, sarà ora meglio descritto tramite una forma di esecuzione data solo a titolo di esempio ed illustrato nei disegni allegati, nei quali:

la figura 1 mostra schematicamente una testa portamandrino di una fresatrice, ruotatale e posizionatale rispetto alla struttura fissa della macchina,

la figura 2 mostra in vista e su scala maggiore il particolare II della figura 1,

la figura 3 mostra in vista e su scala maggiore il particolare III della figura 1,

le figure 4, 5 e 6 mostrano le corone a dentatura frontale secondo il particolare II della figura 1 in diverse posizioni di lavoro.

Come si può rilevare dalla figura 1, il gruppo 1, ad esempio di una macchina fresatrice, è costituito da una struttura 2 fissa, nonché da una testa 3 movibile. La testa 3 accoglie in modo azionabile un mandrino 4, accogliente un utensile 5, indicato solo schematicamente. Il mandrino 4, tramite una coppia di ruote coniche 6 e 7 risulta collegato operativamente con un albero 8, supportato nella struttura 2 fissa della macchina e azionabile tramite una coppia di ruote coniche 9 e 10 in modo comandato.

Con l'azionamento comandato del rotismo 10, 9, 8, 7, al mandrino 5 può essere conferito un movimento rotatorio ed inoltre, bloccando il mandrino 4, diventa possibile far ruotare la testa 3 rispetto alla struttura 2 fissa. In tal caso, l'albero 8 costituisce l'asse di rotazione.

Gruppi di azionamento e di rotazione di questo genere, comandabile dalla unità a controllo numero della macchina sono noti dallo stato anteriore della tecnica, è anche noto disporre tra una testa 3 movibile e una parte 2 fissa di una macchina utensile due corone Hirth con dentature frontali affacciate tra di loro, permettendo cosi, con l'ausilio di mezzi noti, come per esempio mezzi di controllo, di distanziamento e di rotazione, di effettuare un posizionamento preciso della testa 3 e del mandrino 4, rispettivamente dell'utensile 5, rispetto al pezzo da lavorare.

Prevedendo nei dispositivi noti, per esempio, delle corone a dentatura frontale con 360 denti, diventa possibile posizionare il mandrino 4 rispettivamente l'utensile 5 con passi pari ad uno spostamento angolare di 1°.

Qui ha inizio l'invenzione, il cui scopo è quello di permettere, sempre con l'ausilio di corone a dentatura frontale, un posizionamento a divisione differenziale, e cioè di permettere un posizionamento angolare non solamente a gradi interi ma anche a gradi decimali e centesimali.

A tale scopo, come risulta più chiaramente dalla figura 2, tra la parte 2 fissa del gruppo 1 e la testa 3 movibile, sono montate tre corone 11, 12 e 13 con dentatura frontale.

La corona dentata 11 è solidale con la struttura 2 fissa della macchina e presenta una dentatura frontale unica, indicata con Ila e avente un numero di N2 denti.

Una seconda corona dentata 13 è solidale con la testa 3 movibile e presenta una unica dentatura frontale 13a, con un numero NI di denti.

Fra le corone 11 e 13 è inoltre prevista una terza corona 12, la quale sul lato rivolto verso la corona dentata 11 presenta una dentatura 12a e sul lato rivolto verso la corona 13, presenta una dentatura 12b.

Nella struttura 2 fissa della macchina è praticata una serie di sedi, formanti cilindri 14. Ogni cilindro 14 accoglie un pistone 15, il cui prolungamento 16 è eseguito a guisa di gancio o di sporgenza 17. Ogni sporgenza 17 si impegna con una sede o scanalatura 18, prevista in corrispondenza della circonferenza esterna della corona dentata 12 intermedia.

Ogni asta 16 presenta inoltre un foro 19 accogliente una molla 20, la quale appoggia sia sul fondo del foro cieco 19, sia sul fondo di una parte 21 della struttura 2 fissa della macchina.

Come si può rilevare dalla figura 3, con la scanalatura 18 si impegna anche una sporgenza 23, che fa parte di uno stelo di comando 24, munito di camme 25 e 26 di azionamento che agiscono su degli attuatori 27 e 28 che fanno parte di commutatori elettrici 29-e 30 collegati operativamente con l'unità a controllo numerico della macchina. Il funzionamento dei commutatori 29, 30 sarà descritto più dettagliatamente in seguito.

Dalle figure 4, 5 e 6 è possibile, rilevare diverse posizioni operative che possono essere assunte dalle corone dentate 11, 12, 13.

Quando le corone 11, 12 e 13 risultano in accoppiamento operativo reciproco con tutte le dentature Ila, 12a, 12b e 13a, la testa 3 risulta bloccata in posizione di lavoro. Per poter variare l'accoppiamento tra le singole dentature Ila, 12a, 12b e 13b, rispettivamente disattivare questo accoppiamento geometrico in modo comandato, si prevede che con la corona dentata 12 centrale sia sempre collegata operativamente con la corrispondente sporgenza 17 dell'asta 16 che fa parte del pistone 15 allogato nel cilindro 14, praticato nella struttura 22 fissa della macchina. Ogni unità cilindro pistone 14, 15 è vantaggiosamente ad effetto semplice e l'asta 16, 17 viene sollecitata da una molla 20 che ha la tendenza di mantenere sempre in impegno le dentature Ila e 12a.

Con particolare vantaggio è prevista una pluralità di queste unità cilindro-pistone 14, 15, 16, 17, 20, unità che sono distribuite intorno alla circonferenza della corona dentata 12.

Come risulta dalla figura 5, nonostante un distacco della testa 3 dalla struttura 2 fissa della macchina, grazie alla previsione dei mezzi a molla 20, si mantiene un saldo collegamento operativo tra le dentature Ila e 12a delle corone dentate 11 e 12, mentre un movimento di distacco consente una inostacolata separazione tra le dentature 12b e 13a e cioè tra la corona 12 intermedia e la corona 13 solidale con la testa 3, permettendo così che la corona 13 e quindi la testa 3, con l'azionamento dell'albero 8 vengano fatte ruotare liberamente rispetto alla corona 12. Quindi ha luogo un primo posizionamento a passi interi di divisione.

Sempre con la testa 3 ancora staccata dalla struttura fissa 2, tramite l 'azionamento delle unità cilindro-pistone 14, 15, 16, 17 contro l'effetto della corrispondente molla 20, si realizza un impegno reciproco fra le dentature 12b e 13a delle corone dentate 12 e 13 e conseguentemente ha luogo una separazione dell'accoppiamento tra le dentature Ila e 12a delle corone dentate 11 e 12, permettendo così di eseguire una rotazione di posizionamento del gruppo di corone dentate 12 e 13, insieme alla testa 3, rispetto alla corona dentata 11, solidale con la struttura 2 fissa della macchina utensile.

Secondo l'invenzione, le dentature 13a e 12b previste tra le corone 13 e 12 e cioè tra la corona 13 (solidale con la testa 3) e la corona 12 intermedia, presentano un numero di denti N1 corrispondente ad esempio a N1 = 360 denti.

La seconda dentatura 12a della corona dentata 12 intermedia e la dentatura Ila della corona dentata 11 (solidale con la struttura fissa 2 della macchina) presentano un differente numero N2 di denti, ad esempio pari a N2 = 361 denti.

L'inventore ha accertato che combinando il movimento di rotazione tra le tre corone dentate 11, 12, 13, aventi dentature differenti, diventa possibile effettuare (con l'utilizzo delle dentature 13a e 12b previste tra le corone 13 e 12) un posizionamento angolare della testa 3 a valori angolari interi, ad esempio pari a 6°, 128° oppure 342°.

Con l'ausilio delle dentature 12a della corona dentata 12 e le dentature Ila della corona dentata 11, diventa invece possibile realizzare dei posizionamenti differenziati e cioè valori angolari costituiti da numeri decimali oppure da numeri centesimali. Infatti, si può dimostrare che combinando fra di loro le rotazioni tra le tre corone 11, 12, 13 dentate, diventa possibile realizzare un numero di posizioni angolari pari al minimo comune multiplo fra il numero di denti N1 e N2. derivante dal numero di denti dell' accoppiamento delle dentature 12b e 13a e dell' accoppiamento corrispondente alle dentature 12a e 1la.

In particolare, se il numero di denti NI e N2 sono numeri primi fra di loro e cioè, se non contengono divisori comuni tra di loro, il loro minimo comune multiplo è pari al loro prodotto.

Per sfruttare al meglio il dispositivo, è stato accertato che la situazione più conveniente viene a crearsi quando:

Utilizzando ad esempio NI = 144 denti e N2 = 145 denti diventa possibile realizzare 144. 145 = 2088 posizioni, valore che corrisponde ad 1/58 di grado (pari ad 1,03'). Con NI = 360 denti e N2 = 361 denti, le posizioni realizzabili sono 129960 che corrisponde ad una divisione di 1/361 di grado (pari a circa 10").

Con NI = 720 denti e N2 = 721 denti le posizioni sono addirittura 519120, pari ad una divisione di 1/1442 di grado (pari a 0,4").

Una divisione di questo genere è superiore alla precisione dei divisori meccanici attualmente sul mercato e addirittura più precisa dei divisori elettrici o elettronici. E' quindi superfluo andare oltre i 360 denti, perchè si ottiene una risoluzione superiore alla precisione delle stesse dentature HIRTH, che è di 3". Soprattutto, sfruttando i noti pregi delle corone dentate Hirth, si ottiene una elevata velocità di divisione, una elevata precisione di posizionamento, nonché un elevato grado di ripetibilità dell'operazione di posizionamento.

Il concetto dell'invenzione sia ancora una volta chiarito con alcuni esempi.

Per calcolare le rotazioni necessarie per una situazione

si esegue, con i valori indicati in seguito, il calcolo necessario per le rotazioni da eseguire mediante le corone dentate 11, 12 e 13, considerando che:

NI = numero di denti dell'accoppiamento tra dentatura 12b e 13a;

N2 = numero di denti dell'accoppiamento tra dentature Ila e 12a;

Alfa = posizionamento angolare desiderato;

RI = rotazione da eseguire con accoppiamento dentature 12b, 13a;

R2 - rotazione da eseguire con accoppiamento dentature Ila, 12a;

Z = numero di passi angolari per divisione Ni

Y = numero di passi angolari con divisione N2

Beta = posizionamento angolare ottenuto.

Si calcolano dapprima i valori X e Y:

X = Alfa ' NI / 360 (troncato alla parte intera!

Y = (-Alfa ' NI / 360 X) ' N2 (arrotondato all1intero più vicino)

X e Y rappresentano il numero di passi angolari rispettivamente con divisione NI e N2.

Le rotazioni da effettuare (in gradi) sono pertanto:

La rotazione risultante per la testa 3 è quindi:

Beta = RI R2

Siano indicati in seguito alcuni esempi di calcolo:

Esempio 1

Alfa = 36,89°

NI = 144

N2 = 145

(troncato ad un numero intero = 14)

(arrotondato a -110)

Esempio 2

Alfa -47,32

NI = 360

N2 = 361

(troncato ad un numero intero = - 47)

Il funzionamento del dispositivo sia descritto ancora una volta con l'ausilio dell'Esempio 1:

Prima dell'inizio delle operazioni di posizionamento, tutte le corone 11, 12, 13 dentate risultano in impegno reciproco come illustrato in figura 4 e cioè tutte le dentature Ila, 12a, 12b e 13a risultano in accoppiamento tra di loro.

Non attivando le unità cilindri -pistone 17, 16, 15, per effetto della o delle molle 20, le dentature Ila e 12a restano in reciproco impegno anche quando con noti meccanismi si realizza una separazione tra le dentature 12b e 13a, permettendo una rotazione e quindi un primo posizionamento della testa 3. Per l'esempio qui esaminato, questa rotazione indicata con RI corrisponde ad un avanzamento rotatorio della testa 3 di 310 denti in un senso.

Successivamente, con l'azionamento del pistone 15, le dentature 12b e 13a vengono nuovamente accoppiate con uno spostamento assiale della corona dentata 12 intermedia, provocando contemporaneamente la separazione tra le dentature Ila e 12a. Quindi, per ottenere una divisione differenziale si provoca una rotazione della corona 12 (insieme alla corona 13) e quindi una rotazione della testa 3 per 110 passi in senso opposto, giungendo ad un valore R2 pari a -273,103’. Defalcando questo valore dallo spostamento angolare precedentemente eseguito si giunge al desiderato spostamento angolare:

Dato che con la corona dentata 11 centrale risulta collegato operativamente lo stelo 24, con le relative camme di comando 25 e 26 che agiscono sugli attuatori elettrici 30, 29, si può facilmente accertare la posizione reciproca tra corona 11, corona intermedia 12 e corona 13, permettendo così un sicuro comando delle rotazioni sotto il controllo della unità NC.

La funzione dei finecorsa elettrici 24-30 che controllano la posizione della corona 12 è integrata da altri due finecorsa elettrici (non illustrati) che controllano la posizione del corpo mobile 3, consentendo un controllo completo mediante l'unità NC.

Claims (5)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo di posizionamento, previsto tra due corpi rotanti reciprocamente, comprendente una prima corona (13) con dentatura frontale, solidale con un corpo (3) girevole ed una seconda corona (11) con dentatura frontale, solidale con un corpo (2) fisso, caratterizzato dal fatto che tra dette corone (13, 11) con dentatura frontale (13a, 11a), è prevista un'ulteriore corona (12), presentante su ambedue le facciate delle dentature (12a, 12b) frontali, accoppiabili in modo selezionabile ed alternativamente con la dentatura (11a) della corona (11), solidale con la parte (2) fissa, nonché con la dentatura (13a) della corona (13), solidale con la parte (3) ruotabile e che il numero di denti (NI) dell'accoppiamento (12b, 13a) formato con la corona (13) solidale con la parte (3) movibile è differente dal numero (N2) di denti dell'accoppiamento formato con la corona (11), solidale con la parte (2) fissa.
2. 2. Dispositivo di posizionamento, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il numero (N2) di denti dell'accoppiamento (11a, 12a) con la corona (11), solidale con la parte (2) fissa, ed il numero di detni (NI) dell'accoppiamento (12b, 13a) con la corona (13) solidale con la parte (3) movibile, corrisponde a N2 = NI 1.
3. 3. Dispositivo di posizionamento, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la struttura fissa della macchina presenta sedi (14) formanti cilindri che accolgono pistoni (15) attivabile da un fluido sotto pressione, che il prolungamento (16) di ogni pistone (15) è eseguito a guisa di gancio o di sporgenza (17) impegnantesi con una sede o scanalatura (18), prevista in corrispondenza della circonferenza esterna della corona (12) dentata intermedia.
4. 4. Dispositivo di posizionamento, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il pistone (15) viene azionato contro l'effetto di una molla (20) che agisce sull' asta (16).
5. 5. Dispositivo di posizionamento, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la corona (12) presenta una rientranza o scanalatura (22), con la quale si impegna la sporgenza (23) di uno stelo di comando (24), che detto stelo è munito di camme (25, 26) di azionamento, che agiscono su attuatori (27, 28) che fanno parte di commutatori elettrici (29 e 30), collegati operativamente con l'unità di controllo numerico (NC) della macchina utensile.