ITBO20010560A1 - Metodo e apparecchiatura per l'equilibratura dinamica di una struttura rotante - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:
Metodo e apparecchiatura per l’equilibratura dinamica di una struttura rotante
Depositata il:
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo per l'equilibratura dinamica di una struttura rotante intorno ad un asse longitudinale, mediante un'apparecchiatura comprendente due sensori di vibrazione, due corrispondenti dispositivi di equilibratura, e mezzi di elaborazione e controllo atti ad elaborare segnali in uscita dai due sensori di vibrazione e controllare i dispositivi di equilibratura, il metodo comprendendo i passi di disporre ciascun sensore di vibrazione e il corrispondente dispositivo di equilibratura in prossimità di una sezione di controllo, le due sezioni di controllo essendo distanziate lungo l'asse longitudinale, e di controllare gli azionamenti dei dispositivi di equilibratura in base ai segnali dei due sensori di vibrazione.
L'invenzione riguarda anche un'apparecchiatura per la messa in pratica di tale metodo. Il problema dell’equilibratura, o bilanciamento, delle mole di macchine rettificatrici è noto da tempo.
Infatti, vibrazioni indesiderate sono generalmente presenti in una rettificatrice, a causa di sbilanciamenti della mola dovuti a diversi fattori legati alla mola stessa: imperfezioni relative a forma e costituzione (disomogeneità dei materiali, errori di concentricità fra superficie abrasiva esterna e foro di centraggio interno, ecc.), montaggio non preciso sulla flangia rotante (per cui il baricentro della mola non giace sull'asse di rotazione), e, in generale, alterazioni in seguito ad usure e/o scheggiature nel corso della lavorazione dei pezzi. Tali vibrazioni provocano errori nelle caratteristiche dei pezzi lavorati (quali ovalità e/o lobature di diverso ordine), e l'insorgere di carichi e tensioni che possono danneggiare la macchina utensile stessa.
Dispositivi di equilibratura noti sono connessi alla mola e comprendono masse mobili, azionabili mediante motori elettrici, la cui posizione viene registrata, nel corso della rotazione della mola, lungo traiettorie radiali o, più spesso, angolari, per compensare, i suddetti squilibri. I motori di azionamento sono anch'essi parte del dispositivo, ruotano con esso e con la mola, e sono alimentati e controllati da una unità esterna, fissa, attraverso un collegamento elettrico realizzato ad esempio mediante un collettore e contatti striscianti, o mediante un accoppiamento senza contatto, ad esempio di tipo induttivo.
Caratteristiche delle vibrazioni provocate dallo sbilanciamento (quali ad esempio l’ampiezza) sono rilevate da un apposito sensore, e visualizzate, ovvero elaborate in un'opportuna unità, che generalmente comprende anche la suddetta sorgente di alimentazione, per generare opportuni segnali di equilibratura e comandare ai motori gli spostamenti delle masse mobili.
Un dispositivo di equilibratura che comprende le caratteristiche appena elencate è illustrato e descritto nel brevetto Statunitense No. US-A-3,698,263.
Il bilanciamento automatico delle mole di rettifica avviene generalmente in modo euristico, ovvero basato su cicli di movimentazione delle due masse interne al dispositivo di equilibratura aventi come obiettivo la continua riduzione della vibrazione rilevata dal sensore sino alla completa eliminazione della stessa o in ogni caso alla riduzione a valori accettabili. Vengono ad esempio comandati, nel corso della rotazione, spostamenti angolari delle masse, insieme e/o singolarmente, in un senso e/o nell'altro, in base all’andamento del segnale del sensore di vibrazione, fino a che tale segnale raggiunge lo zero o un valore molto prossimo allo zero.
Bilanciamenti automatici di tipo deterministico - ovvero che, attraverso cicli di prove, portino a individuare la disposizione (ad esempio angolare) delle masse capace di equilibrare il sistema - sono di più difficile e costosa applicazione a rotori di macchine utensili, richiedendo la capacità di controllare con continuità la disposizione (ad esempio angolare) delle masse mobili racchiuse all'interno del dispositivo.
Procedimenti deterministici sono più frequentemente applicati in caso di equilibratura manuale, ad esempio per ruote di autoveicoli, dove masse di bilanciamento sono applicate da un operatore - in posizioni angolari suggerite da indicatori visivi - per minimizzare lo squilibrio statico. Un procedimento deterministico di questo tipo è descritto nel brevetto US-A-4854168.
Qualora la mola abbia un'estensione longitudinale superiore, o anche solo paragonabile al diametro (come nel caso di mole di rettificatrici senza centri), o qualora la macchina utensile presenti due mole connesse allo stesso albero, in posizioni longitudinalmente separate, un unico dispositivo di equilibratura, che agisce in sostanza su un piano trasversale, è insufficiente per ottenere l’opportuno bilanciamento. Infatti, oltre allo sbilanciamento cosiddetto "statico” in corrispondenza di una determinata sezione, non è possibile trascurare il bilanciamento dinamico di coppia, provocato dal fatto che l'asse di rotazione non coincide, in generale, con l’asse di inerzia del sistema rotante. E' noto in tali casi prevedere la presenza di due dispositivi di equilibratura, sostanzialmente fra loro uguali, e disposti in posizioni longitudinalmente separate, per effettuare un bilanciamento dinamico della mola, o del sistema mole/albero.
La domanda di brevetto DE-B-2345664, cui si riferisce il preambolo delle rivendicazioni 1 e 8 della presente domanda di brevetto, descrive un metodo ed una relativa apparecchiatura per il bilanciamento dinamico di una mola allungata per rettificatrice senza centri, su due piani trasversali rispetto all’asse longitudinale, mediante due dispositivi comprendenti ciascuno un sensore di vibrazione e una rispettiva unità con masse mobili, ciascun dispositivo essendo disposto in corrispondenza di una delle due sezioni. Unità di elaborazione, alimentazione e controllo sono connesse prima a uno, poi all'altro dei dispositivi di equilibratura, per comandare in sequenza spostamenti delle masse di ciascuno dei dispositivi in base al segnale ricevuto dal rispettivo sensore di vibrazione.
L’apparecchiatura ed il metodo descritti nella domanda di brevetto tedesca ottengono in generale risultati poco soddisfacenti. Infatti, si è notato che se è vero che ciascuna operazione di bilanciamento su ognuna delle due sezioni provoca spostamenti delle rispettive masse tali da annullare o minimizzare le vibrazioni rilevate dal rispettivo sensore, è anche vero che lo spostamento delle masse su una sezione modifica, in generale, le vibrazioni rilevate sull’altra sezione, in un modo che dipende direttamente dall’elasticità della struttura di supporto della massa rotante, in particolare dall’elasticità trasversale a rotazione. Per questo, l’apparecchiatura ed il metodo secondo la domanda di brevetto DE-B-2345664, possono ottenere risultati accettabili solo se applicati a strutture con caratteristiche molto particolari, non consentendo, in generale, di risolvere il problema della corretta bilanciatura dinamica di sistemi rotanti.
Scopo della presente invenzione è realizzare un metodo ed un’apparecchiatura per l'equilibratura dinamica di sistemi rotanti, in particolare di strutture allungate comprendenti utensili quali mole da rettifica, che consentano di eliminare o ridurre al minimo le vibrazioni indesiderate in modo rapido, sicuro e sostanzialmente indipendente dalle caratteristiche strutturali del sistema rotante.
Questo ed altri scopi sono raggiunti da un metodo secondo la rivendicazione 1 , e da una apparecchiatura secondo la rivendicazione 8.
Uno dei vantaggi di un metodo secondo l'invenzione e, di conseguenza, di una relativa apparecchiatura, consiste nella semplicità applicativa, che contribuisce alla flessibilità di impiego a sistemi rotanti con utensili di varie forme e disposizioni.
L'invenzione verrà ora descritta in dettaglio, con riferimento agli annessi disegni - dati a puro titolo esemplificativo e non limitativo - in cui:
la figura 1 è una rappresentazione schematica di un’apparecchiatura secondo l’invenzione, in una particolare applicazione,
la figura 2 è un diagramma a blocchi funzionali che illustra un metodo di bilanciamento secondo la presente invenzione,
la figura 3a mostra graficamente l'andamento dei segnali forniti dai sensori di vibrazione nel corso di un ciclo di equilibratura noto, e
la figura 3b mostra graficamente l’andamento dei segnali forniti dai sensori di vibrazione nel corso di un ciclo di equilibratura secondo la presente invenzione.
L'applicazione mostrata in modo estremamente schematico e parziale nella figura 1 , riguarda una struttura allungata rotante 1 che definisce un asse longitudinale e comprende un albero o mandrino 3 e due mole 5 e 6, fissate alle estremità dell’albero 3 e distanziate lungo l’asse longitudinale.
Un sostegno 2 della rettificatrice, ad esempio il carro-mola, definisce un asse di rotazione, e sostiene la struttura rotante 1 in modo tale che l’asse longitudinale risulta sostanzialmente sovrapposto all.’asse di rotazione, e il mandrino 3, azionato in un modo noto e non mostrato in figura, può ruotare intorno a tale asse.
Due sensori di vibrazione 7 e 8, ad esempio di tipo piezoelettrico, sono connessi alla parte fissa 2 in prossimità di sezioni trasversali di controllo SÌ e S2 vicino alle estremità dell'albero 3.
Dispositivi di equilibratura 9 e 10 sono ad esempio alloggiati in apposite aperture alle estremità del mandrino 3 presso le sezioni trasversali SÌ e S2, e comprendono, ciascuno, una coppia di masse di bilanciamento eccentriche - schematizzate con i riferimenti 11, 13 e 12, 14, rispettivamente - angolarmente mobili intorno all’asse longitudinale mediante rispettivi motori, non visibili in figura. L’alimentazione dei motori e le informazioni circa i movimenti angolari cui sottoporre le masse sono trasmesse ai dispositivi di equilibratura 9 e 10 da unità di trasmissione 15 e 16 mediante accoppiamenti senza contatto, ad esempio di tipo induttivo, di per sé noti e non mostrati in figura.
Mezzi di elaborazione e controllo 20 sono connessi alla logica 40 della macchina. In figura 1 sono schematicamente evidenziati alcuni circuiti ed unità dei mezzi di elaborazione e controllo 20, ed in particolare circuiti di filtraggio e rivelazione 21 e 22 connessi, rispettivamente, ai sensori di vibrazione 7 e 8, due unità di elaborazione e comando 23 e 24 connesse, rispettivamente, ai dispositivi di equilibratura 9 e 10, e circuiti combinatori 25. Le uscite di ciascuno dei circuiti di filtraggio e rivelazione 21 e 22 sono connesse ai circuiti combinatori 25, a sua volta connessi ad entrambe le unità di elaborazione 23 e 24.
I blocchi dello schema di figura 2, illustrano i passi di un metodo di equilibratura secondo la presente invenzione:
30: inizio del ciclo di equilibratura dinamica;
31: filtraggio e rivelazione del segnale del sensore di vibrazione 7, per ottenere il modulo della vibrazione rilevata presso la sezione Si;
32: filtraggio e rivelazione del segnale del sensore di vibrazione 8, per ottenere il modulo della vibrazione rilevata presso la sezione S2;
33: combinazione dei moduli ottenuti;
34: confronto fra la combinazione calcolata ed un valore di soglia predeterminato;
35: comando di movimentazione delle masse 11 e 13 del dispositivo di equilibratura 9; 36: comando di movimentazione delle masse 12 e 14 del dispositivo di equilibratura 10; 37: fine del ciclo di equilibratura.
11 funzionamento dell'apparecchiatura di figura 1 secondo il metodo di figura 2 è il seguente.
Nel corso delle operazioni di rettifica, un ciclo di equilibratura si rende ad esempio necessario in seguito alla sostituzione o alla ravvivatura delle mole 5 e/o 6. La decisione sull'effettuazione del ciclo di equilibratura spetta comunque ad un operatore manuale, o, nell’esempio di figura 1, alla logica di macchina 40 che ne comanda l'avvio (blocco 30). Durante la rotazione del mandrino 3 che reca le mole 5 e 6, i sensori 7 e 8 rilevano le vibrazioni presenti, rispettivamente, in corrispondenza delle sezioni S1 e S2 e inviano relativi segnali ai mezzi di elaborazione e controllo 20. In particolare, i segnali dei sensori 7 e 8 sono rispettivamente trasmessi ai circuiti 21 e 22, dove, secondo un procedimento noto (blocchi 31 e 32) sono filtrati e rivelati per ottenere, ad esempio, tensioni continue V0i e V02 indicative dei moduli delle due vibrazioni rilevate.
Le uscite dei circuiti 21 e 22 sono inviate ai circuiti combinatori 25 (blocco 33), che inviano a loro volta ad entrambe le unità 23 e 24 un segnale combinato Vc indicativo di una combinazione dei moduli delle vibrazioni rilevate dai sensori 7 e 8. La combinazione può essere la semplice somma dei segnali in uscita dai circuiti 21 e 22:
o, come citato nel seguito della presente descrizione, possono essere previste combinazioni di tipo diverso.
Il segnale combinato Vc è confrontato, nelle unità 23 e 24, con un valore di soglia predeterminato VT (blocco 34), indicativo della vibrazione complessiva considerata accettabile per il sistema rotante (nel caso ideale VT = 0): quando il segnale combinato Vc risulta non superiore al valore di soglia VT, il ciclo di equilibratura ha termine (blocco 37). Se Vc > VT, le unità 23 e 24 comandano, attraverso le rispettive unità di trasmissione 15 e 16, movimenti delle masse 11, 13 e 12, 14 dei dispositivi di equilibratura 9 e 10 (blocchi 35 e 36). Gli azionamenti dei dispositivi di equilibratura 9 e 10 vengono controllati dalle rispettive unità 23 e 24, che comandano movimenti delle masse 11, 13 e 12, 14 finché il valore del segnale combinato Vc - che varia al variare delle vibrazioni nelle sezioni Si e S2 in conseguenza delle diverse posizioni assunte dalle masse 11-14 - raggiunge o diventa inferiore del valore di soglia VT.
Secondo la soluzione preferita della presente invenzione, il metodo prevede che i dispositivi di equilibratura. 9 e 10 vengano controllati in parallelo dalle rispettive unità 23 e 24. In altre parole, ciascuna delle unità 23 e 24 comanda movimenti delle masse dei rispettivi dispositivi di equilibratura 9 e 10 in modo simultaneo e indipendente rispetto all’altra, entrambe con l'obiettivo di minimizzare il valore del segnale combinato Vc.
Una diversa soluzione secondo la presente invenzione prevede un metodo secondo il quale i movimenti delle masse 11, 13 e, rispettivamente, 12, 14 sono comandati in modo alternativo e sequenziale dalle rispettive unità 23 e 24, sempre finché il valore del segnale combinato Vc non raggiunge il valore di soglia VT.
La prima soluzione si è tuttavia dimostrata preferibile poiché consente di ottenere l’equilibratura desiderata in tempi più rapidi rispetto alla seconda.
La figura 3b illustra graficamente un possibile andamento nel tempo dei moduli V0i e V02 delle vibrazioni rilevate dai sensori 7 e 8 , e del segnale combinato Vc (in questo caso, ottenuto dalla somma dei moduli V0i e V02) in un tipico ciclo di equilibratura secondo il metodo della presente invenzione in una applicazione quale quella mostrata in figura 1. La figura 3a mostra invece il possibile andamento degli stessi valori dei moduli relativi alle di vibrazioni nelle sezioni Si ed S2, (denominati V01’ e V02’) in una analoga applicazione, in cui il metodo applicato è sostanzialmente simile a quello descritto nella domanda DE-B-2345664, ovvero nel quale ogni dispositivo di equilibratura 9 (e 10) è comandato dalla rispettiva unità di elaborazione e comando 23 (e 24) sequenzialmente ed in base al segnale del solo sensore 7 (o 8) applicato alla relativa sezione S1 (o S2).
L'andamento dei grafici della figura 3a (tecnica nota) mostra come, mentre il valore del segnale V01’ di un primo sensore di vibrazione cala fino ad un minimo grazie all'azione del relativo dispositivo di equilibratura nel tempo t1, il valore del segnale V02’ del secondo sensore viene contemporaneamente alterato, e generalmente aumenta. Simmetricamente, il successivo azionamento dell'altro dispositivo di equilibratura fa diminuire le vibrazioni rilevate dal secondo sensore (V02) ma incrementa il valore del primo segnale (V01 ) nell’intervallo di tempo da t1 a t2. Per questo, in seguito all’attivazione alternativa dei due dispositivi di equilibratura, anche qualora sia effettuata ripetutamente (e non una sola volta, come descritto in DE-B-2345664), i segnali dei due sensori di vibrazione in generale non convergono verso lo zero, o comunque verso un valore minimo corrispondente alle specifiche richieste.
I grafici della figura 3b mostrano come invece, applicando un metodo secondo la presente invenzione, l'azione di equilibratura di entrambi i dispositivi 9 e 10 che tendono ciascuno e contemporaneamente a minimizzare il valore del segnale combinato Vc porti ad una convergenza dei segnali V01 e V02 dei singoli sensori 7 e 8 verso il valore minimo richiesto. Per quanto riguarda il segnale combinato Vc e l’elaborazione effettuata nei circuiti combinatori 25, come accennato in precedenza possono essere previste alternative alla semplice somma dei segnali in uscita dai circuiti di filtraggio e rivelazione 21 e 22. In particolare, possono essere previste combinazioni lineari dei segnali nelle quali viene dato peso diverso alle vibrazioni rilevate dai due sensori 7 e 8, mediante coefficienti che diano più rilevanza al valore più alto di vibrazione - e quindi allo sbilanciamento maggiore - fra i due rilevati in corrispondenza delle sezioni Si e S2:
Un’altra combinazione ottenibile mediante i circuiti 25, nella quale è attribuito un maggior peso alla vibrazione maggiore, è data dalla radice quadrata della somma dei quadrati dei valori dei due segnali:
Una ulteriore soluzione, prevede che due diversi segnali combinati Vc e Vc' siano inviati alle unità 23 e 24, ad esempio due combinazioni lineari come la (2), con diversi coefficienti. In questo caso il metodo è leggermente modificato rispetto a quanto mostrato in figura 2, poiché i passi corrispondenti ai blocchi 33 e 34 risultano sdoppiati (due distinte combinazioni, due distinti test). Le combinazioni Vc e Vc’ sono comunque entrambe ottenute sulla base di entrambi i segnali forniti dai sensori di vibrazione 7 e 8.
I metodi e l'apparecchiatura descritti consentono di ottenere la desiderata equilibratura dinamica su due piani in modo semplice ed efficace, e sono applicabili a strutture allungate rotanti di vario tipo, comprendenti ad esempio due mole fissate ad uno stesso mandrino (come nell’esempio di figura 1), o una sola mola allungata (come quella, per rettificatrici senza centri, mostrata nella citata domanda di brevetto DE-B-2345664), o una sola mola fissata nei pressi di un'estremità di un mandrino rotante, o utensili rotanti di altre forme e disposizioni.
I mezzi di elaborazione e controllo 20, possono avere diversa realizzazione rispetto a quanto schematicamente mostrato in figura 1. Ad esempio, il filtraggio e la rivelazione dei segnali dei sensori 7 e 8 possono essere effettuati da circuiti compresi nelle unità di elaborazione e comando 23 e 24, e queste ultime possono essere mutuamente collegate per realizzare ciascuna la combinazione dei due segnali ottenuti, senza la necessità dei circuiti combinatori 25.
Anche i dispositivi di equilibratura - uno o entrambi - possono avere forma e struttura diversi rispetto a quelli (9 e 10) mostrati in figura 1, ed essere, ad esempio, fissati esternamente alla rispettiva mola 5 e/o 6 anziché all’interno del mandrino 3, o comprendere masse traslanti in direzioni trasversali anziché rotanti, o avere altre caratteristiche, di per sé note.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per l’equilibratura dinamica di una struttura rotante (1) intorno ad un asse longitudinale, mediante un'apparecchiatura comprendente due sensori di vibrazione (7, 8), due corrispondenti dispositivi di equilibratura (9, 10), e mezzi di elaborazione e controllo (20) atti ad elaborare segnali in uscita da detti due sensori di vibrazione (7, 8) e controllare detti dispositivi di equilibratura (9, 10), il metodo comprendendo i seguenti passi: • disporre ciascun sensore di vibrazione e il corrispondente dispositivo di equilibratura in prossimità di una sezione di controllo, le due sezioni di controllo (Si, S2) essendo distanziate lungo detto asse longitudinale, e • controllare gli azionamenti dei dispositivi di equilibratura (9, 10) in base ai segnali dei due sensori di vibrazione (7, 8), dove i segnali dei due sensori di vibrazione (7, 8) sono elaborati insieme (33) per ottenere almeno un segnale combinato (Vc), e gli azionamenti (35, 36) di detti due dispositivi di equilibratura (9, 10) sono controllati in base (34) a valori di almeno un segnale combinato (Vc).
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale l'azionamento (35, 36) di ciascuno dei due dispositivi di equilibratura (9, 10) è controllato in modo simultaneo e indipendente rispetto all’altro.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, nel quale l'azionamento (35, 36) di ciascuno dei due dispositivi di equilibratura (9, 10) è controllato in base (34) a valori dello stesso segnale combinato (Vc).
- 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale i segnali dei due sensori di vibrazione (7, 8) sono elaborati (33) per ottenere detto almeno un segnale combinato (Vc) come combinazione dei moduli (V01, V02) di segnali indicativi delle vibrazioni in corrispondenza di dette due sezioni di controllo (S1 S2).
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, nel quale detto almeno un segnale combinato (Vc) è ottenuto - elaborando segnali indicativi dell’andamento di detti moduli (V0i, V02) - come somma di detti moduli (V01, V02).
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 4, nel quale detto almeno un segnale combinato (Vc) è ottenuto - elaborando segnali indicativi dell'andamento di detti moduli (V0i, V02) - come radice quadrata della somma dei quadrati di detti moduli (V01, V02).
- 7. Metodo secondo la rivendicazione 4, nel quale detto almeno un segnale combinato (Vc) è ottenuto - elaborando segnali indicativi dell’andamento di detti moduli (V01, V02) - come combinazione lineare di detti moduli (V01, V02).
- 8. Apparecchiatura per l'equilibratura dinamica di una struttura rotante (1) intorno ad un asse longitudinale, mediante un metodo secondo la rivendicazione 1, nella quale detti mezzi di elaborazione e controllo (20) comprendono due unità di elaborazione e comando (23, 24), ciascuna unità di elaborazione e comando essendo atta a controllare uno di detti dispositivi di equilibratura (9, 10).
- 9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 8, nella quale ciascuno di detti dispositivi di equilibratura comprende masse di bilanciamento (11, 13; 12, 14) mobili sotto- il controllo della rispettiva unità di elaborazione e comando (23, 24).
- 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, nella quale ciascuno di detti dispositivi di equilibratura (9, 10) comprende una coppia di dette masse di bilanciamento (11, 13; 12, 14), le masse essendo eccentriche rispetto all'asse longitudinale .e angolarmente mobili intorno ad esso.
- 1 1. Apparecchiatura secondo una delle rivendicazioni da 8 a 10, comprendente circuiti di filtraggio e rivelazione (21, 22), atti a ricevere segnali provenienti dai sensori di vibrazione (7, 8) e a fornire segnali (V01, V02) indicativi dell'andamento dei relativi moduli.
- 12. Apparecchiatura secondo una delle rivendicazioni da 8 a 11 , per l'equilibratura dinamica di una struttura rotante (1) di una rettificatrice comprendente un mandrino (3) e due mole (5, 6) fissate al mandrino in posizioni distanziate lungo l’asse longitudinale, nella quale detti dispositivi di equilibratura (9, 10) sono connessi alle mole (5, 6) e rotanti con esse.
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