ES2291581T3 - Metodo de regulacion para la amortiguacion activa de vibraciones de baja frecuencia en maquinas herramientas controladas numericamente. - Google Patents
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Abstract
Una estructura de regulación para la amortiguación activa de vibraciones de baja frecuencia en máquinas-herramienta controladas numéricamente, con un regulador del número de revoluciones (3) con un componente proporcional (3.1) y un componente integral (3.2), caracterizada porque una señal de corrección (n_corr) de baja frecuencia sin componentes continuos con desplazamiento de fase respecto a la vibración de baja frecuencia perturbadora, que se forma en un elemento de amortiguación activo (5), se conmuta en un sitio de adición (4.3, 4.4) delante o detrás del componente integral (3.2).
Description
Estructura de regulación para la amortiguación
activa de vibraciones de baja frecuencia en
máquinas-herramienta controladas numéricamente.
La invención se refiere a una estructura de
regulación para amortiguación de vibraciones de baja frecuencia en
máquinas-herramienta controladas numéricamente de
acuerdo con los términos generales de la reivindicación 1. Tales
vibraciones influyen considerablemente en la calidad de la
superficie de una pieza procesada.
El control numérico de una
máquina-herramienta controla el procesado de una
pieza de trabajo mediante un programa de piezas, fijando un proceso
exacto de procesado en los ciclos de procesado más diversos. Una
herramienta tiene que seguir una trayectoria predeterminada de la
forma más exacta posible, de manera que la forma de la pieza de
trabajo terminada se corresponda a las premisas. Para ello, los
diferentes ejes de la máquina-herramienta se tienen
que controlar de forma correspondiente con sus respectivos
accionadores rotatorios o lineales. Para poder mantener una
trayectoria de procesado predeterminada se usan estructuras de
regulación, que, en un regulador de posición, calculan, a partir de
la respectiva posición teórica predeterminada y la posición real de
la herramienta, una velocidad teórica (para accionadores lineales)
o un número de revoluciones teórico (para accionadores rotatorios),
con la/el que, en un caso dado, se tiene que corregir una desviación
de la posición. La diferencia entre el número de revoluciones
teórico y el número de revoluciones real se transforma en un
regulador del número de revoluciones en una corriente teórica para
el accionador, que, por la constante del motor del accionador,
también se corresponde a un momento de giro teórico. En un regulador
de corriente, a partir de esta corriente teórica, después de la
comparación con la corriente real, se determina una tensión
teórica, que se transforma en el amplificador del accionador y se
aplica a las fases del motor. Los sistemas de medición adecuados
comprueban la posición real de la herramienta, a partir de la cual
se puede deducir la velocidad real. Los sensores de corriente en
las conexiones de entrada hacia el motor detectan la corriente
real.
La unión entre el accionador y la herramienta
nunca es completamente rígida, sino que tiene más bien componentes
elásticos, es decir, capaces de vibrar. Por lo tanto, se presentan
frecuencias de resonancia mecánicas, que, con una parametrización
no adecuada de la estructura de regulación y/o amortiguación propia
reducida de los componentes elásticos, puede conducir a vibraciones
no deseadas. Debido al requerimiento de anchura de banda cada vez
mayores de las estructuras de regulación, realizadas sobre todo por
grandes factores de amplificación en el circuito regulador de
posición, también se amplifican tales frecuencias de resonancia de
baja frecuencia y se superponen a la trayectoria de la herramienta.
Las vibraciones de baja frecuencia en el intervalo de hasta
aproximadamente 50 Hz son visibles claramente como una ondulación no
deseada de la superficie en la pieza de trabajo procesada.
Un giro de fase negativo se manifiesta
particularmente negativamente en la formación de tales vibraciones
de resonancia, como se genera particularmente por los retardos del
tramo de regulación actuando junto con el componente integral del
regulador del número de revoluciones. Por la disminución del
correspondiente factor de amplificación se puede disminuir la
proporción integral, y por tanto, amortiguar la vibración de
resonancia, simultáneamente, sin embargo, también disminuye la
rigidez de la máquina-herramienta y la calidad de la
regulación de las perturbaciones.
El documento WO 01/23967 A1 describe, por lo
tanto, la parametrización de un sistema de regulación en el que la
retroalimentación del número de revoluciones real al número de
revoluciones teórico antes del regulador del número de revoluciones
se separa en dos sitios de adición, y en el que, en la rama delante
del elemento de integración del regulador del número de
revoluciones, se conmuta un modelo de referencia en forma de un
componente proporcional con retardo de segundo orden (Elemento PT2).
Este modelo de referencia se adapta al comportamiento del circuito
de regulación cerrado sin componente integral en el regulador del
número de revoluciones, de manera que no se presenta la influencia
negativa del componente integral en el comportamiento de guía del
regulador del número de revoluciones. Debido al desplazamiento de
fase de 90º negativo que se presenta en el componente integral,
esta influencia negativa es particularmente elevada. Sin embargo,
con esta disposición solamente se pueden amortiguar frecuencias de
resonancia superiores a aproximadamente 20 Hz, y en máquinas
grandes con varias resonancias, este circuito solamente puede actuar
positivamente sobre la respectiva mayor frecuencia de resonancia,
mientras que frecuencias de resonancia menores, en determinadas
circunstancias, son incluso influidas negativamente.
Por lo tanto, es objetivo de la invención
proporcionar una estructura de regulación que pueda amortiguar
activamente particularmente frecuencias bajas en una
máquina-herramienta controlada numéricamente.
Este objetivo se resuelve mediante un
dispositivo con las características de la reivindicación 1. Se
deducen realizaciones ventajosas a partir de las características
indicadas en las reivindicaciones dependientes de la reivindicación
1.
Se propone una estructura de regulación para la
amortiguación activa de vibraciones de bajas frecuencias
perturbadoras en una máquina-herramienta controlada
numéricamente, en la que en una estructura de regulación con
regulador del número de revoluciones con componente proporcional y
componente integral de un sitio de adición se intercala, delante o
detrás del componente integral, una señal de corrección sin
componentes continuos y con desplazamiento de fase respecto a la
vibración de baja frecuencia perturbadora. Esta señal de corrección
se forma en un elemento de amortiguación activo.
Una posible realización de la invención parte de
que la vibración de baja frecuencia perturbadora también se
superpone al número de revoluciones teórico en la salida del
regulador de posición, ya que al regulador de posición se le
suministra la diferencia a partir del valor teórico de la posición y
del valor real de la posición, y una vibración perturbadora se
manifiesta precisamente en un valor teórico de la posición de
vibración.
Por lo tanto, si se libera el número de
revoluciones teórico de su parte igual y se ajusta de manera
correcta la posición de fase, la señal de corrección que se obtiene
de este modo es adecuada para la intercalación en el componente
integral del regulador del número de revoluciones para la
amortiguación activa o extinción de la vibración de baja frecuencia
perturbadora.
Una ventaja de la invención consiste en que un
elemento de amortiguación activo y parametrizado actúa de forma muy
estable, incluso cuando se produce, por ejemplo, debido a
modificaciones de la carga, un desplazamiento de la frecuencia de
resonancia perturbadora. Evidentemente, esto también significa que
la propia parametrización se puede realizar de forma sencilla.
Otras ventajas y detalles de la presente
invención se deducen a partir de la siguiente descripción de
realizaciones preferidas mediante las figuras. En ellas se
muestra:
En la Figura 1, una estructura de regulación con
amortiguación activa de vibraciones de baja frecuencia,
en la Figura 2, una modificación de igual valor
de la estructura de regulación de acuerdo con la Figura 1
correspondiente al álgebra de conmutación de bloques,
en la Figura 3, una realización especial de una
estructura de regulación con amortiguación activa de vibraciones de
baja frecuencia.
La Figura 1 muestra una sección de la estructura
de regulación de una máquina-herramienta controlada
numéricamente. A partir de los datos de un programa de piezas, un
interpolador 1 calcula trozos de segmento cortos, cuyos puntos
finales se tienen que dar como valor teórico de posición l_teórico.
En un sitio de adición 4.1 se le resta a este valor teórico de
posición l_teórico el valor real de posición l_real. La diferencia
de posición obtenida de este modo se suministra al regulador de
posición 2, que, dependiendo del tamaño de la diferencia de
posición y de la amplificación del regulador de posición ajustado,
forma un número de revoluciones teórico n_teórico, con el que se
tiene que igualar la diferencia de posición. El regulador de
posición 2, por ejemplo, se puede configurar como un regulador
proporcional sencillo, que multiplica la diferencia de posición con
un factor y la emite como número de revoluciones teórico
n_teórico.
En sitios de adición separados 4.2 y 4.3 se
forman respectivamente la diferencia entre el número de revoluciones
teórico n_teórico y el número de revoluciones real n_real, y se
suministra esta desviación del número de revoluciones
respectivamente al componente proporcional 3.1 o al componente
integral 3.2 del regulador del número de revoluciones 3. En la
salida del regulador del número de revoluciones 3 se dispone de una
corriente teórica i_teórica, que se compone de la suma de las
salidas del componente proporcional 3.1 y del componente integral
3.2 del regulador del número de revoluciones 3. La corriente
teórica i_teórica se corresponde, multiplicada con la constante del
motor, a un momento de giro teórico, y, en un regulador de corriente
(en lo sucesivo el circuito de regulación ya no se representa en la
Figura) se transforma en una tensión teórica. Para esto sirve de
nuevo un circuito regulador, al que se le suministra un valor de
corriente real, que se detecta mediante sensores de corriente en el
motor. Un amplificador de la potencia genera la tensión requerida
mediante un control de las fases del motor mediante modulación de
la amplitud de onda (PWM). El movimiento resultante se detecta
después con sistemas de medición de posición, que suministran el
valor real de posición l_real, y, deducido del mismo, también el
número de revoluciones real
n_real.
n_real.
Si a continuación se induce una frecuencia de
resonancia mecánica de baja frecuencia de la
máquina-herramienta, la
máquina-herramienta comienza a vibrar. Esta
vibración se propaga mediante el valor real de posición l_real en
el circuito de regulación. En los diferentes elementos del circuito
de regulación se presentan diferentes desplazamientos de fase y
amortiguaciones o amplificaciones dependientes de la frecuencia. Una
contribución particularmente elevada al desplazamiento de fase
negativo se suministra por el componente integral 3.2 del regulador
del número de revoluciones 3. Una amortiguación activa de una
vibración de baja frecuencia perturbadora es, por lo tanto,
particularmente eficaz. La idea en la que se fundamenta la invención
se basa en suministrar al componente integral 3.2 del regulador del
número de revoluciones 3 una señal de corrección n_corr, que
amortigüe o incluso elimine la vibración no deseada. Se representa,
de forma simplificada, que en la entrada del componente integral
3.2 del regulador del número de revoluciones 3 se necesita para ello
una señal sin componentes continuos con la frecuencia de la
vibración no deseada, que, sin embargo, tiene un desplazamiento de
fase respecto a la misma de aproximadamente 180º. El desplazamiento
de fase se refiere a la posición de fase de la vibración, que, por
el número de revoluciones teórico n_teórico se acopla en el sitio de
adición 4.3 del componente integral 3.2 del regulador del número de
revoluciones 3. El desplazamiento de fase real necesario para la
amortiguación o eliminación óptima, sin embargo, se desviará
ligeramente de 180º, ya que también se produce por el componente
proporcional 3.1 un aumento de la vibración no deseada. Estas y
otras interacciones en el circuito regulador se tienen que tener en
cuenta en la parametrización del elemento de amortiguación activo
5.
Por lo tanto, el objetivo del elemento de
amortiguación activo 5 no explicado con más detalle en la Figura 1
consiste en primer lugar en proporcionar una señal de corrección
adecuada n_corr, con la que se pueda combatir el efecto negativo
que se ha descrito anteriormente del componente integral 3.2 sobre
el comportamiento de vibración. La distribución de la formación de
la diferencia a partir del número de revoluciones teórico n_teórico
y el número de revoluciones real n_real en los sitios de adición 4.2
y 4.3 permite de manera elegante la influencia adecuada sobre el
componente integral 3.2.
Una alternativa equivalente en la técnica de
regulación, sin embargo, más compleja del circuito de acuerdo con
la Figura 1, se representa en la Figura 2. La señal de corrección
n_corr ahora no se acopla delante del componente integral 3.2, sino
detrás del componente integral 3.2 en el sitio de adición 4.4. Esto,
de acuerdo con las reglas de la álgebra de la conmutación de
bloques, es completamente equivalente a la disposición de acuerdo
con la Figura 1 cuando se conmuta un componente integral 3.2'
adicional entre el elemento de amortiguación activo 5 y el sitio de
adición 4.4. El componente integral 3.2 y el componente integral
adicional 3.2' tienen que ser completamente correspondientes, lo
que significa una considerable complejidad al menos en una
realización análoga. La formación de diferencia a partir del número
de revoluciones teórico n_teórico y el número de revoluciones real
n_real ahora se puede realizar en un único sitio de adición 4.7. Es
decir, hay dos posibilidades completamente equivalentes (y, en el
sentido de la álgebra de conmutación de bloques, realmente
idénticas) de conmutar la señal de corrección n_corr.
La Figura 3 muestra una posible realización de
la invención. Los elementos correspondientes entre sí se indican
como en la Figura 1 o en la Figura 2, de manera que las mismas y su
correspondencia no se tienen que explicar de nuevo. La presente
realización se basa en el conocimiento de que la vibración de baja
frecuencia perturbadora también se presenta en el número de
revoluciones teórico n_teórico del regulador de posición 2. Este
hecho se puede usar para la formación de la señal de corrección
n_corr.
Para eliminar los componentes continuos del
número de revoluciones teórico n_teórico, en un sitio de adición
4.5 se forma la diferencia a partir de un número de revoluciones
deducido n_ipo y el número de revoluciones teórico n_teórico. El
número de revoluciones deducido n_ipo se forma en un diferenciador 6
que diferencia los valores teóricos de posición l_teórico del
interpolador 1. Este número de revoluciones deducido n_ipo no
contiene vibraciones de resonancia perturbadoras y también se puede
usar para el control previo del número de revoluciones. Si se forma
la diferencia en el sitio de adición 4.5 de tal modo que el número
de revoluciones deducido n_ipo se conmuta con un signo de polaridad
negativo, se obtiene una señal considerablemente sin componentes
continuos, cuya posición de fase se corresponde a la vibración del
número de revoluciones teórico.
En el elemento de amortiguación activo 5 se
encuentra un amplificador con un factor de amplificación ajustable
M. Esto se representa en la Figura 3 mediante un sitio de
multiplicación 5.4, en el que la diferencia a partir del número de
revoluciones deducido n_ipo y el número de revoluciones teórico
n_teórico se multiplica con el factor M. Esto permite regular de
forma continua la amortiguación activa de la vibración de baja
frecuencia. Para M=0, el elemento de amortiguación activo 5 está
completamente desactivado.
Adicionalmente, se recomienda seguir
disminuyendo el componente de baja frecuencia de la diferencia a
partir del número de revoluciones teórico n_teórico y el número de
revoluciones deducido n_ipo. Esto se puede producir mediante un
elemento diferencial con retardo de primer orden (elemento DT1) 5.1,
por el que se conduce la diferencia a partir del número de
revoluciones deducido n_ipo y el número de revoluciones teórico
n_teórico. La señal sin componentes continuos se suministra
finalmente a un elemento de retardo de segundo orden (elemento PT2)
5.2, que se ajusta a la frecuencia de resonancia perturbadora. Para
la estabilización, la salida del elemento DT1 5.1 se suministra en
una rama transversal por un elemento de retardo (elemento PT1) 5.3 y
un sitio de adición 4.6 también a la rama del número de
revoluciones teórico n_teórico conducido al componente integral 3.2
del regulador del número de revoluciones 3.
La señal de corrección n_corr generada en el
elemento de amortiguación activo 5, por lo tanto, es una señal sin
componentes continuos, con desplazamiento de fase respecto a una
vibración de baja frecuencia perturbadora, y, en el sitio de
adición 4.3, se conmuta adicionalmente delante del componente
integral 3.2 del regulador del número de revoluciones. De este
modo, la resonancia perturbadora se puede reprimir de forma
eficaz.
Para la parametrización del elemento de
amortiguación activo 5 se selecciona la constante temporal de la
amortiguación T2 del elemento PT2 5.2 de forma correspondiente a la
frecuencia de resonancia Fres que se tiene que amortiguar:
T2 = k / (2 *
\pi *
Fres)
con un factor de desplazamiento de
constante temporal k, que en la práctica oscila entre 0,8 y 1,0. El
factor de desplazamiento de constante temporal k permite una
desintonización del elemento PT2 5.2, lo que puede producir
ventajas en la parametrización de la estructura de regulación. Para
una frecuencia de resonancia de 10 Hz, por lo tanto, se obtiene,
por ejemplo (para k = 1) una constante temporal T2 de 0,016 seg.
Para una amortiguación óptima de D=0,35, se obtiene (a partir de la
relación D=T2/(2*T1) válida para los elementos PT2), por ejemplo,
una constante temporal T1
de
T1=T2/0,7
para el elemento PT2 5.2. La
constante temporal del elemento DT1 5.3 se tiene que situar
claramente por encima, por ejemplo, comprender aproximadamente diez
veces T2, la constante temporal del elemento PT1 por debajo, por
ejemplo, aproximadamente tres cuarto de T2. Los valores numéricos
indicados, evidentemente, suministran solamente un orden de
magnitudes aproximado para un caso de aplicación especial, la
parametrización exacta del elemento de amortiguación activo 5 se
diferenciará de caso a
caso.
Se puede obtener una estructura de regulación
particularmente estable cuando el elemento de amortiguación activo
5 se combine con un modelo de referencia 7 que se ha descrito en la
introducción, que es poco adecuado para resonancias particularmente
bajas, que sin embargo, está justificado para resonancias de mayor
frecuencia. El modelo de referencia 7 se conmuta directamente
delante del sitio de adición 4.3 delante del componente integral
3.2 del regulador del número de revoluciones 3. Este modelo de
referencia 7 se adapta al comportamiento del circuito regulador
cerrado con componente integral 3.2 desactivado en el regulador del
número de revoluciones, de manera que la influencia negativa del
componente integral 3.2 sobre el comportamiento de guía del
regulador de número de revoluciones 3 se puede eliminar o
minimizar. El modelo de referencia 7 y el elemento de amortiguación
activo 5 no se perturban entre sí, sino que se complementan de forma
ventajosa.
En esta descripción se ha partido de un
accionador rotatorio. En la práctica también se usan cada vez más
accionadores lineales, en los que se usan de forma más adecuada, en
vez de número de revoluciones, velocidad, y en vez de momento de
giro, fuerza. Evidentemente, la estructura de regulación de acuerdo
con la invención también se puede usar exactamente del mismo modo
en accionadores lineales, por lo que los términos usados en este
documento de número de revoluciones y momento de giro son sinónimos
de velocidad y fuerza. En las máquinas-herramienta
de varios ejes, la invención también se puede usar de forma separada
para cada eje. La estructura de regulación se puede realizar de
forma análoga y digital, la invención, evidentemente, no depende
del tipo de realización.
Claims (11)
1. Una estructura de regulación para la
amortiguación activa de vibraciones de baja frecuencia en
máquinas-herramienta controladas numéricamente, con
un regulador del número de revoluciones (3) con un componente
proporcional (3.1) y un componente integral (3.2),
caracterizada porque una señal de corrección (n_corr) de baja
frecuencia sin componentes continuos con desplazamiento de fase
respecto a la vibración de baja frecuencia perturbadora, que se
forma en un elemento de amortiguación activo (5), se conmuta en un
sitio de adición (4.3, 4.4) delante o detrás del componente
integral (3.2).
2. La estructura de regulación de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizada porque una desviación del
número de revoluciones real (n_real) del número de revoluciones
teórico (n_teórico) se forma en dos sitios de adición separados
(4.2, 4.3) para el componente proporcional (3.1) y el componente
integral (3.2), y porque la señal de corrección n_corr se conmuta
en el sitio de adición (4.3) delante del componente integral
(3.2).
3. La estructura de regulación de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizada porque la señal de corrección
(n_corr) en primer lugar se conmuta en un componente integral
adicional (3.2'), que se corresponde al componente integral (3.2)
del regulador del número de revoluciones, y porque la salida del
componente integral adicional (3.2') del sitio de adición (4.4) se
conmuta después del componente integral (3.2).
4. La estructura de regulación de acuerdo con la
reivindicación 2 ó 3, caracterizada porque en el elemento de
amortiguación (5), para la generación de la señal de corrección
(n_corr), en un sitio de adición (4.5), se forma una diferencia a
partir del número de revoluciones teórico (n_teórico) del regulador
de posición (2) superpuesto con la vibración de baja frecuencia
perturbadora y un número de revoluciones (n_ipo) deducido a partir
de un valor teórico de posición (l_teórico).
5. La estructura de regulación de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizada porque en el elemento de
amortiguación (5), la diferencia a partir del número de revoluciones
teórico (n_teórico) y el número de revoluciones deducido (n_ipo) se
conduce por un elemento DT1 (5.1).
6. La estructura de regulación de acuerdo con la
reivindicación 5, caracterizada porque la salida del elemento
DT1 (5.1) se suministra a un elemento PT2 (5.2).
7. La estructura de regulación de acuerdo con la
reivindicación 5 ó 6, caracterizada porque la salida del
elemento DT1 (5.1), se suministra por un elemento PT1 (5.3) a la
rama del número de revoluciones teórico (n_teórico) conducido sobre
el componente integral (3.2) del regulador del número de
revoluciones (3).
8. La estructura de regulación de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizada porque la constante temporal
de amortiguación (T2) del elemento PT2 (5.2) se selecciona de forma
correspondiente a una frecuencia de resonancia (Fres) que se tiene
amortiguar.
9. La estructura de regulación de acuerdo con
una de las reivindicaciones 4-8,
caracterizada porque la diferencia del número de
revoluciones teórico (n_teórico) y el número de revoluciones
deducido (n_ipo) se multiplica con un factor de amplificación
(M).
10. La estructura de regulación de acuerdo con
una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque
el número de revoluciones teórico (n_teórico), incluso antes de la
formación de la diferencia con el número de revoluciones real
(n_real), se conduce en el sitio de adición (4.3) del componente de
interpolación (3.2) del regulador del número de regulaciones (3)
por un modelo de referencia (7) de un tramo de regulación.
11. La estructura de regulación de acuerdo con
la reivindicación 10, caracterizada porque el modelo de
referencia (7) del tramo de regulación se configura como un
elemento PT2 que imita el tramo de regulación, que actúa con
desplazamiento de fase.
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