BR112017004340B1

BR112017004340B1 - Sistema de alimentação para uma alimentação e aplicação de uma força de alimentação a um elemento abrasivo de uma ferramenta de acabamento de furo e método de controle de uma força de alimentação aplicada a um elemento abrasivo de uma ferramenta de acabamento de furo

Info

Publication number: BR112017004340B1
Application number: BR112017004340-8A
Authority: BR
Inventors: John Harte; Daniel R. Cloutier; Mark Maichel
Original assignee: Sunnen Products Company
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2022-11-16
Also published as: EP3188865A4; US10695888B2; WO2016037143A1; US20170282330A1; BR112017004340A2; EP3188865B1; EP3188865A1

Abstract

ELEMENTO DE ORIENTAÇÃO ELÁSTICO E ARRANJO DE CODIFICADOR PARA CONTROLE PRECISO DE FORÇA OU TORQUE. A presente invenção refere-se a um aparelho, sistema e método usando um elemento de orientação elástico em combinação com um arranjo de codificador para um controle preciso de força ou torque aplicado a um objeto móvel, que é aplicado para o controle de uma força de alimentação aplicada a um elemento abrasivo de uma ferramenta de acabamento de furo, para responder a mudanças na força de alimentação, tal como pode surgir a partir de um contato com uma superfície de furo de peça de trabalho e variações ali, tais como afunilamentos, formatos de ampulheta, formatos de cilindro e similares. O elemento de orientação elástico pode incluir uma única mola ou múltiplas molas em um ou mais conjuntos, e a força de alimentação pode ser selecionada para ter um valor constante ou variar como uma função do tempo, da posição ou de outras variáveis ou condições.

Description

[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório U.S. N° 62/045.872, depositado em 4 de setembro de 2014.

Campo Técnico

[002] A presente invenção refere-se geralmente a um aparelho, sistema e método usando um elemento de orientação elástico em combinação com um arranjo de codificador para um controle preciso de força ou torque aplicado a um objeto móvel, e, mais particularmente, para controle de forma precisa de força ou torque aplicado para controle da força de alimentação de uma ferramenta de acabamento de furo, tal como uma ferramenta de brunidura.

Técnica Antecedente

[003] O Pedido Provisório U.S. N° 62/045.872, depositado em 4 de setembro de 2014, é incorporado aqui como referência em sua totalidade.

[004] Há muitos dispositivos e métodos de impressão de uma força (ou um torque) a um objeto móvel. Em alguns casos, é benéfico controlar aquela força de forma muito precisa e, ao mesmo tempo, monitorar dinamicamente a posição do objeto, de novo com algum grau de precisão. Vários servomotores, sistemas de fluido servocontro- lados, combinações de motor / codificador podem realizar essa tarefa adequadamente para muitas aplicações. Contudo, se a velocidade de movimento for lenta, ou se a força controlada precisar ser selecionável a partir de um valor relativamente baixo para um valor muito maior, então, sistemas convencionais poderão falhar em manter a força de saída desejada em um valor preciso ou consistente. Também, alguns sistemas podem estar se movendo de forma suficientemente rápida, mas estão sujeitos a encontrarem uma resistência que varia de forma súbita ou ampla, tal como quando o objeto se choca com algum objeto fixo. Naquelas aplicações, os sistemas convencionais, tais como aqueles mencionados acima, podem carecer do tempo de resposta rápido requerido para se evitar um pico no nível de força imprimida.

[005] Também, a natureza de sistemas de controle de movimento é que mudanças na posição do motor não podem ser instantâneas, e, embora apropriadamente sintonizadas, ainda pode haver excesso ou insuficiência na força ou no torque aplicado resultante, o que, em um sistema puramente rígido resultaria em breves flutuações na força ou no torque entregue ao objeto móvel.

[006] No contexto de acabamento de furo, tal como, mas não li mitando, uma brunidura, um conjunto de ferramenta de acabamento será rodado em um furo ou outra cavidade de uma peça de trabalho, em torno de um eixo geométrico e movido ou tendo um curso de forma alternativa ao longo do eixo geométrico, enquanto uma força de alimentação é aplicada de forma radial ou lateral a um elemento abrasivo ou elementos, por exemplo, a uma pedra ou a pedras de brunidura, para a abrasão de material da superfície da peça de trabalho no interior do furo ou da cavidade. Esta força de alimentação é aplicada por um mecanismo de alimentação ou sistema, o qual, tipicamente, inclui um ou mais elementos de alimentação dentro da ferramenta, por exemplo, uma cunha ou cunhas do conjunto de ferramenta de acabamento. A força de alimentação é aplicada por uma haste de saída do mecanismo de alimentação axialmente contra a cunha ou as cunhas, as quais traduzem a força axial em uma força radial para fora aplicada à pedra ou às pedras de brunidura. A força aplicada tipicamente é pre- cisa, mas pode ser variada intencionalmente, conforme requerido, para impressão de certas características precisas à superfície do furo ou da cavidade da peça de trabalho. Como um exemplo, o furo ou a cavidade de peça de trabalho pode ter originalmente um formato tal como de um barril, uma ampulheta ou um afunilamento, e pode ser buscado remover esse formato original e imprimir um formato cilíndrico muito preciso à superfície. O furo original também pode se enviesar ou ter outras más formações que é requerido que sejam removidas pela bru- nidura ou por outra operação de acabamento de furo. Inversamente, pode ser desejado imprimir um formato preciso de afunilamento, ampulheta ou de barril. Em alguns casos, pode ser necessário variar precisamente a força de alimentação aplicada à pedra ou às pedras de brunidura, e também variar a ação de curso, para causar abrasão na superfície do furo ou da cavidade de uma maneira a obter as pós- características buscadas. Assim, a força de alimentação pode ser de-sejavelmente buscada para ser uma força constante precisamente controlada, ou uma força variável precisamente controlada, por exemplo, controlada para virtualmente qualquer função requerida ou algoritmo, por exemplo, com base no tempo, na posição ou em outras variáveis que sejam monitoradas pelo sistema de controle controlando a operação do mecanismo de alimentação.

[007] Geralmente, em uma máquina de acabamento de furo, a for ça de alimentação é gerada usando-se um aparelho de acionamento do sistema de alimentação, tal como um servomotor, controlado por um sistema de controle de movimento capaz de responder a sinais digitais medidos ou computados externamente. Algum mecanismo é usado para a conversão da rotação do motor em um movimento linear. Como exemplos, o mecanismo pode ser um fuso de esferas e uma porca esférica, uma cremalheira e um pinhão, ou qualquer outro dispositivo capaz de converter um movimento rotativo em um movimento linear. A porca esférica, movendo-se linearmente, empurra contra uma mola, a qual, por sua vez, apoia-se contra a haste de saída. Uma alternativa é um atuador linear, um cilindro ou similar, que pode ser usado.

[008] Referências: Cloutier et al., Patente U.S. N° 7.575.502, inti tulada Method Of Operating Honing Feed System Having Full Control Of Feed Force, Rate, And Position; e Cloutier et al., Patente U.S. N° 8.277.280, intitulada Honing Feed System And Method Employing Rapid Tool Advancement And Feed Force Signal Conditioning, as quais discutem vários princípios e aparelhos de controle de alimentação, cujas exposições são incorporadas aqui como referência em suas totalidades. Embora estes sistemas e métodos provejam uma performance satisfatória, eles são complexos e dispendiosos de implementar.

[009] Um problema que pode ocorrer quando operando sistemas de alimentação menos complexos e dispendiosos, quando se tenta aplicar uma força de alimentação precisa, seja constante ou variada de uma maneira controlada, é que, conforme a ferramenta encontra obstáculos, irregularidades, variâncias de tamanho de furo, tal como uma seção de furo mais estreita, um enviesamento de superfície ou similar, a rigidez do mecanismo de alimentação pode causar um pico de força de alimentação, se a força de alimentação não for ajustada ou atenuada de forma suficientemente rápida. Isto é problemático, já que os sistemas de controle de alimentação e movimento sempre requerem alguma quantidade de tempo para reagirem a mudanças súbitas e pelo fato de uma quantidade de tempo em que a força continuará a aumentar, o que pode resultar em variações, tempos de processo mais longos, e outros inconvenientes ou problemas.

[0010] Também, a natureza de sistemas de controle de movimen to, tais como sistemas de alimentação é que mudanças na posição do motor não podem ser instantâneas, e, embora apropriadamente sintonizadas, ainda pode haver um excesso e uma insuficiência, o que, em um sistema puramente rígido, resultaria em breve flutuações na força entregue pela haste de saída.

[0011] Assim, o que é buscado é uma maneira de forçar um mo vimento controlado para se reduzirem ou eliminarem substancialmente os problemas referenciados acima, com complexidade mínima e custo comparado com sistemas de controle de alimentação conhecidos mais sofisticados.

Sumário da Invenção

[0012] O que é exposto é um aparelho, um sistema e um método usando um elemento de orientação elástico em combinação com um arranjo de codificador para controle preciso de força ou torque aplicado a um objeto móvel, e, mais particularmente, incorporado em um sistema de controle de alimentação para acabamento de furo, tal como brunidura, para controle de forma precisa de força ou torque, por exemplo, aplicado para controle da força de alimentação de ferramenta de acabamento de furo, tal como uma ferramenta de brunidura, para se reduzirem ou eliminarem substancialmente os problemas e inconvenientes referenciados acima, com complexidade e custo mínimos, se comparados com sistemas conhecidos mais sofisticados.

[0013] De acordo com um aspecto preferido da invenção, um sis tema de alimentação para uma alimentação e aplicação de uma força de alimentação a um elemento abrasivo de uma ferramenta de acabamento de furo em uma direção lateral em relação a um eixo geométrico de rotação do mesmo compreende: um aparelho de acionamento operável de forma controlável para movimento de um elemento de acionamento em uma primeira direção e em uma segunda direção oposta dentro uma faixa predeterminada; um elemento de orientação elástico que tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade dis- posta em uma relação predeterminada com o elemento de acionamento, de modo a ser deslocado pelo movimento do mesmo para se fazer com que o elemento de orientação armazene de forma elástica uma quantidade de energia proporcional ao deslocamento e representativo da força de alimentação, e a segunda extremidade sendo disposta em uma relação predeterminada com um elemento de saída disposto para se mover geralmente de forma axial em cooperação com um elemento de alimentação da ferramenta de acabamento de furo, para a transferência e a aplicação da força de alimentação lateralmente para o elemento abrasivo e para deslocamento conjuntamente com o elemento de saída em resposta a mudanças na força aplicada; e um primeiro sensor posicionado e operável para a determinação de um valor representativo do deslocamento da segunda extremidade do elemento de orientação e extração de um sinal representativo do mesmo, um segundo sensor posicionado e operável para a determinação de um valor representativo do deslocamento da primeira extremidade do elemento de orientação e extração de um sinal representativo do mesmo, e um processador conectado ao primeiro sensor e ao segundo sensor para o recebimento dos sinais extraídos desse modo e para a determinação de um valor de resposta para movimento do elemento de acionamento do aparelho de acionamento para aplicação de uma força de alimentação selecionada.

[0014] De acordo com um outro aspecto preferido, a força de ali mentação selecionada pode ter um valor constante preciso. De acordo com outros aspectos da invenção, a força de alimentação pode ser controlada para qualquer função requerida, com base no tempo, na posição ou outras variáveis que sejam monitoradas pelo sistema de controle.

[0015] De acordo com um outro aspecto preferido, o aparelho de acionamento compreende um servomotor ou tal controlado por um sis- tema de controle de movimento capaz de responder a sinais digitais medidos ou computados externamente. Algum meio é usado para converter a rotação do motor em um movimento linear. Isto pode ser realizado em um exemplo adequado e não limitante usando-se um fuso de esferas e uma porca esférica, uma cremalheira e um pinhão, ou qualquer outro dispositivo capaz de converter um movimento rotativo em um movimento linear. A porca esférica, movendo-se linearmente, empurra contra um elemento de orientação elástico, o qual, preferencialmente, mas não limitando, é uma mola ou molas, as quais, por sua vez, apoiam-se contra um elemento de saída, tal como uma haste de saída. De acordo com um aspecto opcional, o aparelho / elemento de acionamento pode compreender um cilindro de fluido, tal como um cilindro hidráulico, ou um motor ou atuador linear, de modo que a conversão de movimento rotativo em linear não seja requerida.

[0016] Como um exemplo representativo não limitante, a ferramen ta de acabamento de furo pode ser uma ferramenta de brunidura, em que o elemento de saída tipicamente é uma haste configurada para acionamento de um elemento de alimentação da ferramenta, por exemplo, uma cunha, para transladar e aplicar a força de alimentação lateralmente a um elemento(s) abrasivo(s) ou pedra(s), conforme o conjunto de ferramenta for rodado e batido pela máquina de brunidura em relação a alguma peça de trabalho que tenha um furo a ser acabado.

[0017] Como outros aspectos opcionais da invenção, o elemento de orientação elástico ou elementos podem ser molas lineares ou não lineares ou outros componentes elásticos, e combinações de molas lineares e não lineares e molas tendo constantes de mola diferentes, desde que sua função de força versus compressão ou tração seja conhecida e possa ser computada digitalmente.

[0018] Como um outro aspecto preferido da invenção, o primeiro sensor pode ser um codificador linear e é considerado como sendo a entrada primária. Este codificador é considerado primário porque mede a posição da segunda extremidade do elemento de orientação diretamente ou através da medição da posição do elemento de saída, por exemplo, da haste de saída e/ou outros componentes rígidos conectados a ele. Esta posição pode ser exibida e/ou usada para outras funções de controle de máquina. No exemplo da máquina de brunidura, o ciclo de brunidura pode ser parado quando a posição atingir um valor conhecido como correspondendo a um tamanho de furo desejado.

[0019] Como um outro aspecto preferido da invenção, o segundo sensor pode ser um codificador linear secundário que poderia ser posicionado diretamente sobre o elemento de acionamento, por exemplo, uma porca esférica, cremalheira e pinhão, etc. (ou naquela vizinhança), para medição de sua posição, o que é representativo do deslocamento da primeira extremidade do elemento de orientação. Contudo, os servomotores comumente serão equipados com codificadores rotativos internos, de modo que possa ser mais simples, ao invés disso, usar aquele codificador como o codificador secundário.

[0020] Como um outro aspecto preferido da invenção, para contro le da força de saída, por exemplo, da força de alimentação, o sistema de controle de movimento continuamente amostrará as saídas dos codificadores primário e secundário ou de outros sensores e computará suas diferenças. Esta diferença é comparada com uma diferença desejada que corresponde a um nível líquido desejado de força resultante do deslocamento geral, por exemplo, uma compressão do elemento ou dos elementos de orientação. Esta diferença computada então se torna a variável de retorno controlando o movimento do aparelho de acionamento. Se a diferença for grande demais, então, o aparelho de acionamento será operado de forma controlável na direção que reduzir aquela diferença; se a diferença for pequena demais, então, o aparelho será operado de forma controlável na direção que aumentar a dife- rença. Desta maneira, o elemento ou a haste de saída pode ser movido através de uma faixa de movimento continuamente imprimindo o nível desejado (programado) de força.

[0021] Como uma vantagem operacional associada da invenção, se o elemento de saída encontrar uma resistência súbita (no exemplo de brunidura, quando a pedra contata o furo de peça de trabalho), então, haverá um pico de força no impacto. O sistema de controle de movimento sempre requer alguma quantidade de tempo para reagir a mudanças súbitas e em que quantidade de tempo a força continuará a aumentar. Se o(s) elemento(s) de orientação, por exemplo, a(s) mo- la(s), for(em) razoavelmente “macio(s)” (baixo valor de constante de mola), então, a força aumentará apenas minimamente no breve momento em que o sistema de controle de movimento pode responder à mudança de posição. Portanto, este sistema pode ser projetado para ter uma mola(s) com uma constante(s) de mola que mantenha(m) aquelas mudanças de força súbitas em uma faixa de tolerância muito pequena, conforme requerido pela aplicação em particular.

[0022] De acordo com um método preferido da invenção para con trole de uma força de alimentação aplicada a um elemento abrasivo de uma ferramenta de acabamento de furo lateralmente em relação a um eixo geométrico de rotação da ferramenta, as etapas a seguir são usadas: provisão de um aparelho de acionamento operável de forma controlável para movimento de um elemento de acionamento em uma primeira direção e em uma segunda direção oposta dentro uma faixa predeterminada; provisão de um elemento de orientação elástico que tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade disposta em uma relação predeterminada com o elemento de acionamento, de modo a ser deslocado pelo movimento do mesmo, para se fazer com que o elemento de orientação armazene elastica- mente uma quantidade de energia proporcional ao deslocamento e representativo da força de alimentação, e a segunda extremidade sendo disposta em uma relação predeterminada com um elemento de saída disposto para se mover axialmente em geral em cooperação com um elemento de alimentação de acabamento de furo para transferência e aplicação da força de alimentação lateralmente ao elemento abrasivo e para transferência de mudanças na força aplicada a partir do elemento abrasivo para a segunda extremidade do elemento de orientação, de modo a causar um deslocamento do mesmo representativo das mudanças; e durante uma rotação da ferramenta em um furo com o elemento abrasivo em contato com uma superfície delimitando o furo, o controle do aparelho de acionamento para movimento do elemento de acionamento conforme requerido, para se deslocar de forma variável a primeira extremidade do elemento de orientação em resposta a mudanças na força de alimentação aplicada, conforme representado pelos deslocamentos da segunda extremidade do mesmo, para aplicação de uma força de alimentação predeterminada ao elemento abrasivo.

Breve Descrição dos Desenhos

[0023] A figura 1 é uma vista lateral simplificada de uma modalida de representativa de um sistema de controle de movimento da invenção, usado para controle da alimentação de uma ferramenta de acabamento de furo;

[0024] a figura 2 é uma vista lateral simplificada de uma outra mo dalidade de um sistema de controle de movimento da invenção, usado para controle da alimentação de uma ferramenta de acabamento de furo;

[0025] a figura 3 é uma vista lateral simplificada de uma outra mo dalidade de um sistema de controle de movimento da invenção, usado para controle da alimentação de uma ferramenta de acabamento de furo;

[0026] a figura 4 é uma outra vista lateral simplificada do sistema de controle de movimento da figura 3, mostrado em um outro modo de operação;

[0027] a figura 5 é uma representação gráfica que mostra uma re lação entre uma diferença de codificador e uma força de saída para o sistema de controle de movimento das figuras 3 e 4;

[0028] a figura 6 é uma vista em perspectiva de uma máquina de acabamento de furo representativa que incorpora a invenção, mostrando um controlador de máquina operável para a execução de aspectos de controle da invenção;

[0029] a figura 7 é uma vista em perspectiva de aspectos da má quina da figura 6, incluindo um fuso rotativo que porta um mantenedor de ferramenta no qual é montada uma ferramenta de acabamento de furo representativa, a qual é uma ferramenta de brunidura, juntamente com um aparelho de manutenção de peça de trabalho associado da máquina; e

[0030] a figura 8 é uma outra vista em perspectiva da máquina, mostrando o fuso e o mantenedor de ferramenta.

Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas da Invenção

[0031] Com referência, agora, aos desenhos, um sistema de ali mentação de acabamento de furo 18 que incorpora um aparelho, um sistema e método de controle de movimento adaptados para a impressão de uma força de alimentação precisa a um elemento abrasivo de uma ferramenta da ferramenta de acabamento de furo é mostrado. O sistema de alimentação 18 é operável para o controle da força de alimentação aplicada como uma força constante, ou uma força controlada a qualquer função requerida, com base no tempo, na posição ou em outras variáveis que são monitoradas pelo sistema, conforme de- sejado ou requerido para uma aplicação em particular.

[0032] Um movimento de entrada é realizado com um aparelho de acionamento 20, tal como um servomotor 30 ou tal, tendo um elemento de acionamento 22, e capaz de responder a sinais digitais medidos ou computados externamente. Quando um servomotor rotativo é usado, algum aparelho para conversão da rotação do motor em movimento linear 24 é requerido. Nesta modalidade, isto é realizado usando-se um fuso com esferas 26 e uma porca esférica 28, mas poderia ser uma cremalheira e um pinhão ou qualquer outro dispositivo capaz de converter um movimento rotativo em um movimento linear. A porca esférica 28, movendo-se linearmente, empurra contra uma primeira extremidade 34 de um elemento de orientação elástico 32, o qual, nesta modalidade, é uma mola, e o qual tem uma segunda extremidade 36 que, por sua vez, apoia-se contra um elemento de saída 38, o qual pode compreender, por exemplo, uma haste de saída da máquina de acabamento ou brunidura de furo.

[0033] Na máquina de acabamento ou brunidura de furo, o ele mento de saída 38 acionará uma cunha 42 de uma ferramenta de bru- nidura 40. A cunha 42 imprime força e movimento a um elemento abrasivo ou a elementos 44, tal como uma pedra de brunidura ou pedras. Este conjunto de ferramenta de brunidura é rodado e batido pela máquina de brunidura (fuso não mostrado) em relação a uma peça de trabalho 48 que tem uma superfície de furo 46 em um furo a ser acabado.

[0034] A força sendo entregue pelo aparelho descrito acima fará com que o elemento de orientação elástico 32 (mola) se comprima por uma quantidade que é uma função da força sendo aplicada. Se x e y representarem as posições lineares de componentes rígidos conectados às extremidades 34 e 36 do elemento de orientação 32, e se x0 e y0 forem algum par de posições em que o elemento de orientação 32 está não comprimido, então, a força no elemento 32 será uma função das diferenças nestas posições: F = f [(y-yo) — (x-xo)] em que F é a força entregue. Para molas convencionais, esta função é uma relação proporcional simples, de modo que F = k[(y-yo) - (x-xo)] em que k é a constante de mola.

[0035] Contudo, molas não lineares ou outros componentes elásti cos podem ser usados como o elemento de orientação 32, desde que sua função de força versus compressão seja conhecida e possa ser computada digitalmente.

[0036] A posição x é medida continuamente por um codificador primário 50, o qual aqui é um codificador linear conectado a um controlador de processo 76 do sistema para a extração de sinais de posição para ele. Este codificador 50 é considerado primário porque mede a posição do elemento de saída 38 ou de outros componentes rígidos conectados a ele em relação a uma localização fixa, tal como um quadro 52 da máquina na qual o sistema é usado. Frequentemente é útil ou necessário exibir esta posição ou usá-la para outras funções de controle. No exemplo da máquina de brunidura, o ciclo de brunidura pode ser parado, quando a posição x atingir um valor conhecido como correspondendo ao tamanho de furo desejado.

[0037] Um codificador secundário 54 também conectado ao con trolador 76 para extração de sinais de posição para ele pode ser posto diretamente na porca esférica 28 (ou naquela vizinhança) para a medição da posição y. Contudo, os servomotores comumente serão equipados com codificadores rotativos internos, de modo que se torne mais simples, ao invés de se usar um codificador como o codificador secundário 54. Uma conversão matemática será necessária: y = rθ em que r é a relação de um incremento de movimento line ar para o incremento correspondente de rotação, conforme determinado pelo parâmetro específico do fuso com esferas ou outro dispositivo de conversão de rotativo para linear. θ representa o número de incrementos de movimento rotativo (contagens).

[0038] Para controle da força de saída, o sistema 18 continuamen te amostrará os codificadores primário e secundário 50 e 54 e computará as diferenças. Esta diferença é comparada com uma diferença desejada, a qual, pelas funções mostradas acima, corresponde a um nível desejado de força de alimentação. Esta diferença computada então se torna a variável de retorno controlando o movimento do aparelho de acionamento 20. Se a diferença for grande demais, então, o aparelho de acionamento 20 será operado na direção que reduzirá aquela diferença; se a diferença for pequena demais, então, o aparelho 20 será operado na direção que aumentará a diferença.

[0039] Desta maneira, o elemento de saída 38 pode ser movido através de uma faixa de movimento continuamente imprimindo o nível desejado (programado) de força de alimentação.

[0040] O uso de um elemento elástico (tal como uma mola), em oposição a conexões mais rígidas, serve para a manutenção da constância da força de alimentação entregue conforme se segue.

[0041] Se o elemento de saída 38 encontrar uma resistência súbita (no exemplo de brunidura, quando o elemento abrasivo ou a pedra de brunidura contata a superfície de furo de peça de trabalho 46), então, haverá um pico de força no impacto. O sistema 18 sempre requer alguma quantidade de tempo para reagir a mudanças súbitas e naquela quantidade de tempo a força continuará a aumentar. Se o elemento de orientação elástico 32 for razoavelmente “macio” (baixo valor de k), então, a força aumentará apenas minimamente no breve tempo em que o sistema pode responder à mudança de posição x. Portanto, este sistema pode ser projetado para ter uma mola com uma constante de mola que mantenha aquelas mudanças de força súbitas em uma faixa de tolerância muito pequena, conforme requerido pela aplicação em particular.

[0042] Em uma operação, durante uma rotação da ferramenta 40 em um furo com o elemento abrasivo 44 em contato com uma superfície 46 delimitando o furo, o aparelho de acionamento 20 pode ser automaticamente controlado pelo controlador 76 para mover o elemento de acionamento 22 conforme requerido para deslocar de forma variável a primeira extremidade 34 do elemento de orientação 32 em resposta a mudanças na força de alimentação aplicada, conforme representado pelo deslocamento da segunda extremidade 36, para aplicação de uma força de alimentação predeterminada ao elemento abrasivo 44. Assim, deve ser evidente que o sistema pode responder de forma eficiente e rápida a variações na força de alimentação aplicada resultante de variações de diâmetro de furo e similares, incluindo ações de batida rápidas concorrentes da ferramenta.

[0043] É sabido que, devido à natureza de sistemas de controle de movimento, as mudanças na posição do motor ou outro acionador não podem ser instantâneas, e, embora apropriadamente sintonizados, ainda pode haver excesso e insuficiência, o que, em um sistema puramente rígido, resultaria em breves flutuações na força entregue pelo elemento de saída. Ter um membro elástico no trem de acionamento, conforme assegurado pela presente invenção, permite que erros na posição de servomotor e outro acionador causem apenas erros muito mínimos na força entregue. De novo, o grau de precisão de força pode ser projetado para o sistema pela seleção apropriada da constante de mola.

Variações

[0044] As figuras 1 e 2 mostram uma modalidade simples do sis tema e do aparelho da invenção, mas muitas outras variações são divisadas: • Conforme descrito acima, um codificador rotativo não é requerido, se o codificador secundário for um codificador linear localizado perto da entrada da mola. Em um caso como esse, o acionador poderia ser um acionador linear 56, tal como um motor linear ou um cilindro de fluido, tal como um cilindro hidráulico controlado por uma servoválvula, o que frequentemente pode ser suprido com codificadores lineares embutidos. Esta variação é mostrada na figura 2. • O mesmo princípio de operação pode ser usado para o controle de um torque de saída. Nesse caso, não há um fuso com esferas para conversão de movimento rotativo em movimento linear, e a mola é uma mola de torção. O codificador primário então é um codificador rotativo. De novo, a diferença entre os dois codificadores rotativos representa algum nível de torque, conforme determinado pela constante de mola da mola de torção. • A mola não precisa ser uma mola em espiral convencional. Pode ser qualquer componente que seja significativamente menos rígido do que o restante do trem de acionamento. • A mola pode ser uma capaz de tração, de modo que uma força de puxar possa ser controlada, ou ambas molas de compressão e tração podem ser usadas em combinação, para se ter um sistema capaz de empurrar e puxar. Da mesma forma, este componente elástico pode ser múltiplas molas dispostas em um conjunto, de modo que as forças de empurrar e puxar possam ser controladas com o mesmo dispositivo. • O componente elástico pode ser um conjunto de múltiplas molas com várias constantes de mola, para a provisão de um controle de força mais fino para níveis mais baixos de força do que para níveis mais altos de força, desse modo se mantendo o comprimento geral do dispositivo em um mínimo. Da mesma forma, molas não lineares podem ser usadas para a obtenção do mesmo efeito.

[0045] Estas duas últimas variações são empregadas em uma modalidade em particular para uma máquina de brunidura, conforme mostrado nas figuras 3 e 4.

[0046] Nesta modalidade, um conjunto de várias molas é usado como o elemento de orientação elástico 32. Cada conjunto é compreendido por um subconjunto de molas de várias resistências, cada subconjunto atuando em série, mas alojadas em conjunto para a otimização da utilização de espaço. Cada subconjunto é compreendido por múltiplas molas em paralelo, o que permite a obtenção da taxa de mola baixa (para melhor controle) também em um espaço relativamente pequeno.

[0047] Dois conjuntos de mola como esses podem ser dispostos em um alojamento que é empurrado ou puxado por um fuso com esferas 26 e uma porca esférica 28 e pelo servomotor 30, conforme descrito previamente. A figura 3 mostra um conjunto que está sendo empurrado pelo fuso com esferas e pelo motor. Por meio deste movimento, um conjunto de mola de lado de empurrar 64 é parcialmente comprimido para a entrega de uma força de empurrar F através de uma haste de alimentação central que compreende o elemento de saída 38 (em relação com o elemento de alimentação da ferramenta, tal como a cunha 42 (figuras 1 e 2). Neste modo, o outro conjunto de molas é um conjunto de lado de puxar 62 que é relaxado e não usado.

[0048] A figura 4 mostra um conjunto que está sendo puxado pelo arranjo de fuso com esferas e motor. Por meio deste movimento, o conjunto de mola de lado de puxar 62 é parcialmente comprimido, entregando uma força para o lado oposto de um flange na haste de alimentação, de modo que proveja uma força de empurrar F na outra extremidade da haste de alimentação atuando como um elemento de saída 38 em relação com a cunha ou outro elemento de alimentação da ferramenta associada (veja as figuras 1 e 2), a força F compreendendo a força de alimentação em ambos os casos.

[0049] A figura 4 também ilustra um cilindro ou mecanismo de tra- vamento 72 (pneumático ou hidráulico) que pode se encaixar em um entalhe de travamento 74 na haste de alimentação. Se o sistema estiver posicionado em uma posição neutra (ambos os conjuntos de mola relaxados), então, este mecanismo 72 poderá travar no entalhe 74, que travará o sistema de alimentação inteiro. Quando travado, nem o conjunto de molas é usado, nem o movimento do servomotor 30 resultará em um movimento direto da haste de alimentação sem nenhum controle de força de alimentação. Este recurso imita o comportamento de sistemas mais antigos de alimentação de máquina de brunidura e ainda é útil para algumas aplicações de brunidura.

[0050] Os conjuntos de mola mostrados nas figuras 3 e 4 empre gam molas de várias resistências em série para a criação de uma relação não linear (ou uma relação pedaço a pedaço) entre a diferença medida em posições de codificador e a força sendo aplicada. A figura 5 é um gráfico que mostra esta relação entre diferença de codificador e força de saída.

[0051] Esta relação entre a diferença de codificador e a força de alimentação permite que o sistema de alimentação de brunidura ou outro de acabamento de furo produza uma faixa muito ampla de forças de alimentação e ainda tenha um controle muito preciso dos níveis mais baixos de força de alimentação. Isto é necessário para pequenas aplicações de ferramenta, em que forças de alimentação muito leves devem ser aplicadas com precisão.

[0052] Como uma alternativa ao uso de conjuntos de molas de vá rios tamanhos, uma mola não linear poderia ser projetada e empregada como um elemento de orientação elástico 32. Uma forma bem conhecida de obtenção disto é com uma mola em espiral enrolada para ter um passo que varie continuamente. Uma mola especial daquele tipo poderia ser produzida para se proporcionar aproximadamente a mesma curva que aquela mostrada, conforme mostrado na figura 5, e, daí, o mesmo benefício.

[0053] Para a modalidade em particular de um sistema de alimen tação de máquina de brunidura, este aparelho descrito acima e o sistema podem manter a força de alimentação muito próxima da força de alimentação desejada regulada pelo sistema ou introduzida pelo operador. Em muitas aplicações, um controle mais próximo de força de alimentação melhora o controle de tamanho de furo da operação de brunidura e otimiza a vida e a performance do elemento abrasivo ou pedra de brunidura.

[0054] À luz de todo o precedente, assim, deve ser evidente para aqueles versados na técnica que foram mostrados e descritos um aparelho, um sistema e um método usando um elemento de orientação elástico em combinação com um arranjo de codificador para um controle preciso de força ou torque aplicado a um objeto móvel, especificamente, para controle da força de alimentação de uma ferramenta de acabamento de furo, tal como uma ferramenta de brunidura. Contudo, também deve ser evidente que, nos princípios e escopo da invenção, muitas mudanças são possíveis e contempladas, incluindo nos detalhes, materiais e arranjos de partes que foram descritos e ilustrados para explicação da natureza da invenção. Assim, embora a descrição precedente e a discussão se dirijam a certas modalidades preferidas ou elementos da invenção, deve ser adicionalmente entendido que os conceitos da invenção, como com base na descrição precedente e na discussão, podem ser prontamente incorporados ou empregados em outras modalidades e construções, sem se desviar do escopo da invenção. Assim sendo, pretende-se que as reivindicações protejam a invenção amplamente, bem como na forma específica mostrada, e todas as mudanças, modificações, variações e outros usos e aplicações que não se desviem do espírito e do escopo da invenção são julgados como estando cobertos pela invenção, a qual é limitada apenas pelas reivindicações que se seguem.

Claims

1. Sistema de alimentação (18) para uma alimentação e aplicação de uma força de alimentação a um elemento abrasivo (44) de uma ferramenta de acabamento de furo (40) em uma direção lateral em relação a um eixo geométrico de rotação do mesmo, compreendendo: um elemento de acionamento (22) suportado para movimento em uma primeira direção e uma segunda direção oposta e um aparelho de acionamento (20) conectado a um elemento de acionamento (22) operável de modo controlável para mover o elemento de acionamento na primeira direção e a segunda direção oposta dentro de uma faixa predeterminada para gerar a força de alimentação; ao menos um elemento de orientação elástico (32) que tem uma primeira extremidade (34) e uma segunda extremidade (36), a primeira extremidade (34) disposta em uma relação predeterminada com o elemento de acionamento (22), de modo a ser deslocado pelo movimento do mesmo para fazer com que o elemento de orientação (32) armazene de forma elástica uma quantidade de energia proporcional ao deslocamento e representativo da força de alimentação, e a segunda extremidade (36) sendo disposta em uma relação predeterminada com um elemento de saída (38) disposto para se mover ge-ralmente de forma axial em cooperação com um elemento de alimentação (42) da ferramenta de acabamento de furo (40), quando o elemento de saída é posicionado para suportar contra este, para a transferência e a aplicação da força de alimentação lateralmente para o elemento abrasivo (44) e para deslocamento conjuntamente com o elemento de saída (38) em resposta a mudanças na força aplicada; e caracterizado pelo fato de que um primeiro sensor (50) posicionado e operável para a de-terminação de um valor representativo do deslocamento da segunda extremidade (36) do elemento de orientação (32) e extração de um sinal representativo do mesmo, um segundo sensor (54) posicionado e operável para a determinação de um valor representativo do deslocamento da primeira extremidade (34) do elemento de orientação (32) e extração de um sinal representativo do mesmo, e um processador (72) conectado ao primeiro sensor (50) e ao segundo sensor (54) para o recebimento dos sinais extraídos desse modo e para a determinação de um valor de resposta para movimento do elemento de acionamento (22) do aparelho de acionamento (20) para aplicação de uma força de alimentação selecionada.

2. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o processador (76) ser conectado em um controle operativo do aparelho de acionamento (20).

3. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o aparelho de acionamento (20) compreender um servomotor (30) e um aparelho (24) para a tradução de um movimento rotativo do mesmo em um movimento linear.

4. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o primeiro sensor (50) e o segundo sensor (54) compreenderem codificadores, respectivamente.

5. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o segundo sensor (54) compreender um codificador incorporado no aparelho de acionamento (20).

6. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos dois dos elementos de orientação elásticos (32).

7. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de os elementos de orientação (32) terem valores diferentes de constante de mola.

8. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de orientação elástico (32) compreender múltiplos elementos de orientação (32) dispostos em conjuntos.

9. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de orientação (32) compreender uma mola (66).

10. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de orientação elástico (32) ser selecionado a partir do grupo que compreende pelo menos um elemento de orientação elasticamente compressível (64), pelo menos um elemento de orientação elasticamente tracionável (62), e uma combinação de menos um elemento de orientação elasticamente compressível (64) e pelo menos um elemento de orientação elastica- mente tracionável (62).

11. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o elemento de orientação elástico (32) compreender pelo menos um elemento de orientação (32) que tem uma variável de propriedade elástica como uma função do deslocamento de uma ou ambas as extremidades (34, 36) do mesmo.

12. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o elemento de orientação elástico (32) compreender pelo menos uma mola de passo variável.

13. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um mecanismo de travamento (72) posicionado e operável, de modo que o deslocamento da primeira extremidade (34) do elemento de orientação (32) mova diretamente o elemento de saída (38) para aplicação da força de alimentação.

14. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o aparelho de acionamento (20) compreender um acionamento linear (56).

15. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de o acionamento linear (56) compreender um cilindro de fluido.

16. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de o acionamento linear (56) compreender um motor linear.

17. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a força de alimentação selecionada ser controlada, pelo menos em parte, usando-se uma função baseada em pelo menos uma variável selecionada a partir de um grupo que consiste em pelo menos tempo e posição.

18. Sistema de alimentação (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a ferramenta de acabamento de furo (40) e em que o elemento de saída (38) suporta contra o elemento de alimentação (42) da ferramenta de acabamento de furo (40).

19. Método de controle de uma força de alimentação aplicada a um elemento abrasivo (44) de uma ferramenta de acabamento de furo (40) lateralmente em relação a um eixo geométrico de rotação da ferramenta, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: prover um aparelho de acionamento (20) operável de forma controlável para movimento de um elemento de acionamento (22) em uma primeira direção e em uma segunda direção oposta dentro de uma faixa predeterminada; prover um elemento de orientação elástico (32) que tem uma primeira extremidade (34) e uma segunda extremidade (36), a primeira extremidade (34) disposta em uma relação predeterminada com o elemento de acionamento (22), de modo a ser deslocado pelo movimento do mesmo, para fazer com que o elemento de orientação (22) armazene elasticamente uma quantidade de energia proporcional ao deslocamento e representativo da força de alimentação, e a segunda extremidade (36) sendo disposta em uma relação predeterminada com um elemento de saída (38) disposto para se mover axialmente em geral em cooperação com um elemento (42) da ferramenta de acabamento de furo (40) para transferência e aplicação da força de alimentação lateralmente ao elemento abrasivo (44) e para transferência de mudanças na força aplicada a partir do elemento abrasivo (44) para a segunda extremidade (36) do elemento de orientação (32), de modo a causar um deslocamento do mesmo representativo das mudanças; e durante uma rotação da ferramenta (40) em um furo com o elemento abrasivo (44) em contato com uma superfície delimitando o furo, as posições de medição do elemento de saída (38) ou a segunda extremidade (36) do elemento de orientação (32) e determinando de maneira responsiva os deslocamentos da segunda extremidade (36) do elemento de orientação (32), e o controle do aparelho de acionamento (20) para movimento do elemento de acionamento (22) conforme requerido, para se deslocar de forma variável a primeira extremidade (34) do elemento de orientação (32) em resposta a mudanças na força de alimentação aplicada, conforme representado pelos deslocamentos da segunda extremidade (36) do mesmo, para aplicação de uma força de alimentação predeterminada ao elemento abrasivo (44).

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que durante a rotação da ferramenta (40) no furo, as posições do elemento de acionamento (22) ou a primeira extremidade (34) do elemento de orientação (32) são medidos.