BR112016021537B1 - Máquina-ferramenta notadamente de perfuração - Google Patents

Abstract

MÁQUINA-FERRAMENTA NOTADAMENTE DE PERFURAÇÃO. Máquina de usinagem que compreende uma armação na qual uma árvore de acionamento de uma ferramenta é montada para pivotar em torno de um eixo de rotação e se deslocar axialmente ao longo do eixo de rotação. A árvore é ligada a dois motores rotativos, a saber um primeiro motor ligado a um órgão de engrenamento com um segmento canelado da árvore para acionar a árvore em rotação e um segundo motor ligado a uma porca introduzida em um segmento rosqueado da árvore para deslocar axialmente a árvore. Os motores são ligados a pelo menos uma unidade de comando disposta para comandar os motores independentemente um do outro, e o primeiro motor e o segundo motor são coaxiais um ao outro.

Description

DOMÍNO DE APLICAÇÃO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere ao domínio das máquinas-ferramentas em especial portáteis que realizam as operações clássicas em montagem aeronáutica tais como as operações de perfuração e de fresagem (do francês, fraisurage) cônica e notadamente às adaptações que permitem realizar essas operações nas melhores condições tanto do ponto de vista ergonômico, qualitativo e de produtividade.

DESCRIÇÃO DA ARTE ANTERIOR

[0002] Uma máquina de perfuração portátil compreende geralmente uma armação na qual uma árvore de acionamento de uma ferramenta é montada para pivotar em torno de um eixo de rotação e se deslocar axialmente ao longo do eixo de rotação (movimento de avanço ou de mergulho).

[0003] Na maior parte das realizações, a máquina compreende um único motor que assegura a motorização do movimento de rotação e do movimento de avanço da árvore. Órgãos de transmissão com relação variável, que compreendem, por exemplo, engrenagens ou conjuntos polias/correias, permitem colocar em adequação a velocidade de rotação e a velocidade de deslocamento axial da ferramenta.

[0004] Essas máquinas de usinagem estão, portanto, limitadas a torques de velocidade de rotação e velocidade de avanço dos quais as relações são predefinidas. Isso pode se revelar limitador em certas condições de usinagem para atingir os desempenhos ótimos da máquina. Por outro lado, para essas configurações clássicas, a massa a colocar em movimento obriga a recorrer a motores relativamente volumosos.

[0005] Nas máquinas de usinagem destinadas à oficina, a árvore é geralmente montada unicamente para pivotar sobre uma cabeça que é montada sobre a armação para deslizar ao longo da direção de mergulho. A estrutura dessas máquinas é relativamente complexa e volumosa.

[0006] Certas configurações de máquinas desse tipo propõem o acrescentamento de oscilações axiais a um movimento de avanço de velocidade constante, a fim de melhorar a evacuação das rebarbas por uma fragmentação da rebarba. Existem vários sistemas, baseados principalmente em mecanismos de geração diversos, que empregam rolamentos especiais, engrenagens com relação variável em um torno ou acionadores piezelétricos. Os princípios baseados em soluções mecânicas são caracterizados pelo fato de que a amplitude das oscilações é ou fixa (predefinida pela concepção) ou modificável, mas dificilmente, fora do processo de usinagem. De qualquer modo, a frequência dessas oscilações é, no que lhe diz respeito, sempre ligada por uma relação fixa à velocidade de rotação (número de oscilações por volta, fixado na concepção).

[0007] Existe também na arte anterior, o sistema descrito pelo documento GB2218268 que propõe um dispositivo de rosqueamento que compreende dois motores coaxiais que acionam uma árvore rotativa via uma ligação corrediça e em translação via uma ligação helicoidal.

[0008] Um dispositivo quase equivalente é descrito no documento US5649451 que completa um pouco o ensinamento do documento precedente para o que diz respeito à superposição em um mesmo segmento de árvore de meios de realizar uma ligação corrediça e uma ligação helicoidal.

[0009] Esses dispositivos permanecem, no entanto, com razoavelmente pouco desempenho.

OBJETO DA INVENÇÃO

[0010] Partindo desse estado de coisas, a Requerente conduziu pesquisas que visam propor uma máquina-ferramenta, à energia elétrica, suscetível de realizar as operações clássicas de perfuração e fresagem cônica que agrupa para isso os conjuntos funcionais que permitem executá-las ao mesmo tempo em que respeita as restrições de volume, de compacidade, de rigidez e de massa necessária para uma utilização para a realização dessas operações em condições ótimas, de preferência em uma só passagem com o nível de qualidade comumente exigido, por exemplo, na indústria aeronáutica.

[0011] A requerente também se esforçou para melhorar o controle das velocidades, das acelerações e dos ritmos de realização das diferentes operações.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0012] Com essa finalidade, é prevista, de acordo com a invenção, uma máquina de usinagem que compreende uma armação na qual uma árvore de acionamento de uma ferramenta é montada para pivotar em torno de um eixo de rotação e se deslocar axialmente ao longo do eixo de rotação. A árvore é ligada a dois motores rotativos, a saber um primeiro motor ligado a um órgão de engrenamento com um segmento canelado da árvore para acionar a árvore em rotação e um segundo motor ligado a uma porca introduzida sobre um segmento rosqueado da árvore para deslocar axialmente a árvore. O primeiro motor e o segundo motor são coaxiais um ao outro e ligados a uma unidade de comando ligada a sensores de posição dos rotores dos motores e disposta para comandar os motores de maneira a gerar um deslocamento axial de velocidade constante da árvore de acionamento e sobrepor a esse deslocamento axial oscilações axiais que têm uma amplitude e uma frequência próprias para fragmentar as rebarbas, a unidade de comando sendo disposta para permitir uma modificação em tempo real da amplitude e da frequência de suas oscilações.

[0013] Essa arquitetura mecânica acoplada a uma unidade de comando ligada a sensores de posição dos rotores dos motores permite determinar, em tempo real e de modo sincronizado, a posição angular e os parâmetros elétricos dos dois motores e isso independentemente um do outro. Isso permite comandar esses dois motores dependentemente um do outro, em especial para sobrepor ao deslocamento axial de velocidade constante da árvore de acionamento, oscilações axiais de amplitude e de frequências capazes de fragmentar as rebarbas com a possibilidade de modificar, em tempo real durante o processo de usinagem, a amplitude e a frequência das oscilações.

[0014] A unidade de comando e os sensores de posição dos rotores dos motores permitem detectar de modo independente, e a cada momento, a posição e a velocidade de cada um desses dois motores e comandar esses últimos em consequência disso. A velocidade de rotação e a velocidade de deslocamento axial são reguláveis independentemente uma da outra por meio de cada motor do qual a disposição coaxial assegura uma compacidade relativa da máquina.

[0015] Outras características e vantagens da invenção se destacarão com a leitura da descrição que se segue de modos de realização especiais não limitativos da invenção.

[0016] Será feito referência aos desenhos anexos, entre os quais: - a figura 1 é uma vista esquemática parcial, em corte axial, de uma máquina de acordo com um primeiro modo de realização da invenção; - a figura 2 é uma vista análoga à figura 1 de uma máquina de acordo com uma variante do primeiro modo de realização; - a figura 3 é uma vista análoga à figura 1 de uma máquina de acordo com um segundo modo de realização da invenção.

[0017] Em referência às figuras, a invenção é aqui descrita em aplicação a uma máquina de usinagem de peças e aqui mais especialmente de perfuração e de fresagem cônica.

[0018] A máquina compreende uma armação 1 que só está parcialmente representada aqui. A armação 1 compreende, de maneira conhecida em si, uma estrutura de sustentação para repousar sobre o solo e uma mesa sobre a qual a peça a usinar é destinada a ser fixada, por exemplo, por meio de uma montagem de usinagem.

[0019] Uma árvore 2 de acionamento de uma ferramenta é montada na armação para ter uma extremidade que se estende na proximidade da mesa e que é provida de meios de fixação da ferramenta. Esses meios de fixação são conhecidos em si. A ferramenta é por exemplo montada em uma extremidade da árvore de acionamento por uma ligação parafuso/porca.

[0020] A árvore 2 é montada para pivotar em torno de um eixo de rotação 3 e se deslocar axialmente ao longo do eixo de rotação 3.

[0021] A árvore 2 é ligada a dois motores elétricos rotativos, a saber um primeiro motor 10 para o acionamento em rotação e um segundo motor 20 para o deslocamento axial. Mais precisamente, o motor 10 tem um rotor solidário em rotação de um órgão de acoplamento 11 disposto para estar em ligação corrediça com um segmento canelado 2.1 da árvore 2 para acionar a árvore em rotação. O órgão de acoplamento 11 é, por exemplo, uma luva interiormente canelada. O motor 20 tem um rotor solidário em rotação de uma porca 21 introduzida em um segmento rosqueado 2.2 da árvore 2 formando assim uma ligação helicoidal para deslocar axialmente a árvore 2 quando é imposta uma velocidade relativa entre o órgão de acoplamento 11 e a porca 21, quer dizer que se faz os dois elementos girarem com velocidades diferentes. Vantajosamente, a ferramenta, aqui uma broca, a ligação helicoidal e a ferramenta têm passos de mesmo sentido.

[0022] O motor 10 e o motor 20 são coaxiais um ao outro, o que permite obter uma estrutura mais compacta do que as configurações existentes e minimizar as inércias, e são ligados a pelo menos uma unidade de comando, simbolizada em 4, disposta para comandar os motores.

[0023] Em referência mais especialmente à figura 1 e de acordo com o primeiro modo de realização da invenção, a árvore é disposta de tal maneira que o segmento canelado 2.1 e o segmento rosqueado 2.2 sejam distintos e se sucedam ao longo do eixo de rotação. Os dois segmentos são aqui ligados um ao outro por uma bucha de ligação fixada nas extremidades adjacentes respectivas do segmento canelado 2.1 e do segmento rosqueado 2.2. O trajeto da ferramenta é, portanto, limitado a um comprimento igual à distância entre o órgão de acoplamento 11 e a porca 21, menos o comprimento da bucha de ligação.

[0024] O motor 10 e o motor 20 são coaxiais à árvore 2 e são atravessados por essa última: o motor 10, e mais especialmente seu rotor, se estende em torno de uma porção do segmento canelado 2.1 e o motor 20, e mais especialmente seu rotor, se estende em torno de uma porção do segmento rosqueado 2.2.

[0025] A utilização de dois motores independentes permite que se tenha uma máquina que apresenta um volume e uma massa menores. A máquina pode, portanto, ser projetada para ser portátil ou embarcada em um braço de robô.

[0026] A máquina compreende também dois sensores de posição dos rotores dos motores 10, 20. Esses sensores são aqui codificadores angulares, mais especialmente magnéticos, compostos por duas partes distintas, a saber um anel magnético de alta precisão associado a uma cabeça de leitura de tipo sem contato. Os anéis são ligados em rotação aos rotores dos motores e as cabeças de leitura são solidárias dos estatores. Os sensores são ligados à unidade de comando 4. Os anéis magnéticos e as cabeças de leitura são, por exemplo, aqueles das séries LM e MR comercializados pela empresa RLS.

[0027] A disposição mecânica bastante rígida das árvores e dos motores com os dois sensores de posições permite interagir precisamente e em tempo real sobre o comando dos motores. Com essa finalidade, a unidade de comando emprega um circuito de antecipação de trajetória, ou um circuito de contrarreação, ou ainda ambos. A unidade de comando é disposta para comandar os motores 10 e 20 para adaptar, de preferência em tempo real, o deslocamento axial e/ou o movimento de rotação em função das condições de usinagem.

[0028] As condições de usinagem (velocidade de rotação e avanço) são determinadas em tempo real e em permanência pela medição das posições e velocidades dos dois eixos: em caso de decalagem com instruções de usinagem, a unidade de comando compensa em um dos eixos ou então nos dois eixos para atingir as instruções de usinagem.

[0029] A unidade de comando pode vantajosamente ser programada para comandar os motores 10 e 20 de maneira a provocar uma oscilação da ferramenta notadamente ao longo da direção axial dessa última. Daí resulta a criação de vibrações que melhoram a eficácia da perfuração. A unidade de comando é vantajosamente disposta de maneira a permitir uma modificação em tempo real dos parâmetros das oscilações (amplitude e frequência das oscilações). De acordo com um primeiro exemplo de usinagem de uma peça de um mesmo material, as condições de usinagem (amplitude e frequência das oscilações) são determinadas em tempo real e em permanência pela medição das posições e velocidades da árvore em relação aos dois eixos (posição e velocidade angulares, posição e velocidade lineares): em caso de decalagem com instruções de usinagem favoráveis à fragmentação das rebarbas no material, a unidade de comando compensa em um dos eixos ou então nos dois para atingir as instruções. Em um segundo exemplo de usinagem de uma peça constituída sucessivamente por dois materiais que têm comportamentos diferentes em matéria de formação de rebarbas, é desejado modificar as condições de usinagem por ocasião da mudança de material para continuar a fragmentar as rebarbas. Para fazer isso, a unidade de comando modifica os parâmetros de comando dos motores para adaptar os mesmos da melhor maneira possível ao material considerado. Essa modificação é feita ou por programação levando para isso em consideração a posição linear da árvore sobre o eixo de avanço (a partir da posição dos dois eixos em tempo real durante todo o processo e levar em consideração a posição relativa dos dois materiais na peça a usinar) ou por detecção e tratamento das correntes dos motores (aumento ou diminuição do esforço de corte em função das propriedades físicas dos dois materiais) que vão determinar a modificação das condições de usinagem.

[0030] Mais precisamente, a unidade de comando é disposta para comandar o deslocamento axial da árvore de acionamento de acordo com pelo menos um dos modos seguintes: - deslocamento axial com velocidade constante; - deslocamento axial com oscilações sobrepostas com um valor constante.

[0031] As oscilações são, por exemplo, de forma sinusoidal ou outra, definida para favorecer uma fragmentação das rebarbas.

[0032] A unidade de comando é também disposta para determinar parâmetros elétricos dos motores e determinar condições de usinagem a partir desses parâmetros. A determinação é por exemplo efetuada por medição ou cálculo. As condições de usinagem são por exemplo deduzidas do torque fornecido pelos motores a partir da corrente de alimentação desse último. Não é, portanto, necessário recorrer a sensores exteriores mesmo se isso pode ser considerado para aumentar as funcionalidades da máquina.

[0033] A unidade de comando é por outro lado disposta para determinar e comparar velocidades dos motores: se em decorrer de usinagem, quando um avanço da ferramenta é comandado, os dois motores começam a girar com a mesma velocidade, a unidade de comando assinala uma quebra da ferramenta (pois nesse caso, a ferramenta não pode mais avançar).

[0034] A unidade de comando é disposta para determinar parâmetros elétricos dos motores e deduzir daí a posição efetiva da peça a usinar. Para fazer isso, as correntes dos dois motores são medidas e tratadas matematicamente em tempo real para associar a elevação dessas correntes à posição axial da ferramenta de corte. De fato, quando a ferramenta de corte encontra a peça a usinar o esforço que resiste ao movimento da ferramenta aumenta e gera um aumento da corrente necessária para a alimentação dos motores tendo em vista manter o movimento da ferramenta de corte.

[0035] Quando a ferramenta é montada em uma extremidade da árvore de acionamento por uma ligação parafuso/porca, a unidade de comando é disposta para comandar os motores por ocasião das mudanças de ferramenta para assegurar a montagem ou a desmontagem da ferramenta em relação à árvore de acionamento 2. \

[0036] Na variante da figura 2, o segmento canelado e o segmento rosqueado se estende pelo menos em parte em um comprimento comum da árvore e mais precisamente aqui em todo o comprimento da árvore 2.

[0037] O resto da máquina é idêntico ao que foi precedentemente descrito em relação com a figura 1.

[0038] O trajeto da ferramenta é, portanto, limitado aqui ao comprimento da árvore 2 menos a distância entre as extremidades opostas do órgão de acoplamento 11 e da porca 21. Os elementos idênticos ou análogos àqueles precedentemente descritos levarão a mesma referência numérica que esses últimos na descrição que se segue do segundo modo de realização em referência à figura 3.

[0039] Nesse modo de realização, os motores 10 e 20 não são mais coaxiais à árvore 2 mas permanecem coaxiais um ao outro ao longo de um eixo 30 inclinado em relação ao eixo de rotação 3. O eixo 30 é aqui mais precisamente perpendicular ao eixo 3 no modo de realização especial apresentado.

[0040] O rotor do motor 10 aciona uma árvore de saída 12 que aciona uma roda dentada cônica 13 que engrena com uma roda dentada cônica 14 da qual é solidário em rotação o órgão de acoplamento 11 introduzido sobre as caneluras da árvore 2.

[0041] O rotor do motor 10 tem aqui a forma de uma árvore tubular 22 que se estende coaxialmente em torno da árvore de saída 12. O rotor do motor 10 aciona uma roda dentada cônica 23 que engrena com uma roda dentada cônica 24 da qual é solidária em rotação a porca 21 introduzida sobre o rosqueamento da árvore 2.

[0042] Evidentemente, a invenção não está limitada aos modos de realização descritos mas sim engloba qualquer variante que entra no campo da invenção tal como definida pelas reivindicações.

[0043] Em especial a árvore pode ter uma estrutura diferente daquela descrita: o segmento rosqueado e o segmento canelado podem ser moldados solidariamente ou ser adaptados um no outro.

[0044] A ligação corrediça pode ser obtida por outros meios diferentes daqueles descritos e notadamente uma árvore prismática recebida com deslizamento em um alojamento de forma complementar feito no elemento de acoplamento.

[0045] A árvore pode ser ligada à ferramenta de maneira indireta, em uma ou outra de suas extremidades.

[0046] Somente as partes da máquina concernidas pela invenção foram descritas: a máquina pode por outro lado compreender notadamente meios de lubrificação no centro da ferramenta, meios de mudança de ferramenta, meios de carregamento e de descarregamento das peças a usinar...

[0047] A invenção é aplicável a outro tipo de máquina de usinagem diferente das máquinas de perfuração e por exemplo máquinas de fresagem.

[0048] Em variante, a ligação helicoidal e a ferramenta têm passos de sentido contrário, de maneira a facilitar a realização de um ciclo de retorno rápido da ferramenta.

[0049] Outros sensores ou meios de detecção diferentes daqueles mencionados podem ser utilizados e notadamente codificadores ópticos.

Claims (10)

1. Máquina de usinagem que compreende uma armação na qual uma árvore de acionamento de uma ferramenta é montada para pivotar em torno de um eixo de rotação e se deslocar axialmente ao longo do eixo de rotação, em que a árvore é ligada a dois motores rotativos, a saber um primeiro motor ligado a um órgão de acoplamento em ligação corrediça com um primeiro segmento da árvore para acionar a árvore em rotação e um segundo motor ligado a uma porca em ligação helicoidal com um segundo segmento da árvore para deslocar axialmente a árvore, em que o primeiro motor e o segundo motor são coaxiais um ao outro e ligados a uma unidade de comando caracterizada pelo fato de ser ligada a sensores de posição dos rotores dos motores e disposta para comandar os motores de maneira a gerar um deslocamento axial de velocidade constante da árvore de acionamento e sobrepor a esse deslocamento axial oscilações axiais que têm uma amplitude e uma frequência próprias para fragmentar as rebarbas, a unidade de comando sendo disposta para permitir uma modificação em tempo real da amplitude e da frequência de suas oscilações.

2. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as oscilações têm uma forma de onda sinusoidal, trapezoidal, em dentes de serra.

3. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a unidade de comando é disposta para determinar parâmetros elétricos dos motores e determinar condições de usinagem a partir desses parâmetros.

4. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a unidade de comando é disposta para determinar parâmetros elétricos dos motores e deduzir daí a posição efetiva da peça a usinar.

5. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a unidade de comando é disposta para determinar e comparar velocidades dos motores para detectar uma falha da máquina ou da ferramenta de corte.

6. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a ferramenta sendo de forma pelo menos parcialmente helicoidal, a ligação helicoidal e a ferramenta têm passos de sentido contrário, de maneira a facilitar a realização de um ciclo de retorno rápido da ferramenta.

7. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a unidade de comando é disposta para modificar as oscilações em função das condições de usinagem determinadas em tempo real e em permanência por medição das posições e velocidades da árvore em relação aos dois eixos: em caso de decalagem com instruções predeterminadas de usinagem favoráveis à fragmentação das rebarbas, a unidade de comando comanda os motores para compensar a decalagem.

8. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de ser para a usinagem de uma peça constituída sucessivamente por dois materiais que têm comportamentos diferentes em matéria de formação de rebarbas, em que a unidade de comando é disposta para modificar as oscilações por ocasião da mudança de material para continuar a fragmentar as rebarbas modificando para isso os parâmetros de comando dos motores para adaptar os mesmos da melhor maneira possível ao material usinado.

9. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a modificação é feita por programação levando para isso em consideração a posição da árvore em relação aos dois eixos e a posição relativa dos dois materiais na peça a usinar.

10. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a modificação é feita pode detecção e tratamento das correntes dos motores para provocar a modificação dos parâmetros de comando em função de um aumento ou uma diminuição das correntes dos motores representativo de um aumento ou uma diminuição do esforço de corte.