ITBO20010385A1 - Metodo e apparecchiatura per il controllo della posizione operativa di un utensile - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

Metodo e apparecchiatura per il controllo della posizione operativa di un utensile

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un metodo per controllare la posizione operativa di un utensile, connesso ad un portautensili, rispetto ad un supporto rotante, ad esempio un mandrino di una macchina utensile, cui il portautensili è rigidamente connesso in modo rimovibile e che definisce una sede, la sede e il portautensili definendo un asse longitudinale di accoppiamento e rotazione e avendo superfici coniche simmetriche rispetto all’asse longitudinale atte a cooperare l'una con l'altra in detta posizione operativa dell'utensile, il portautensili definendo una superficie piana di riferimento atta a disporsi sostanzialmente perpendicolare a detto asse longitudinale, il metodo comprendendo il controllo della posizione di detta superficie piana di riferimento rispetto ad una seconda superficie piana di riferimento, pure perpendicolare all’asse longitudinale, definita da detto supporto rotante.

L’invenzione riguarda anche un'apparecchiatura per la messa in pratica di tale metodo. Nelle macchine utensili con almeno un mandrino rotante, ad esempio fresatrici e centri di lavoro, è importante che gli utensili siano connessi ai mandrino con grande precisione, in modo che l’asse del mandrino e quello dell'utensile risultino sostanzialmente sovrapposti e che la posizione del tagliente dell’utensile rispetto al mandrino lungo l'asse di rotazione sia nota con esattezza. Esistono diversi tipi di portautensili con attacco di precisione fra utensile e mandrino, fra questi il più comune prevede un gambo con superficie conica solidale all’utensile (o “cono”) ed una relativa sede conica solidale al mandrino. La cooperazione fra le superfici coniche consente il preciso posizionamento dell’utensile, con l’allineamento fra gli assi di utensile e mandrino. Il portautensili - cui l’utensile è integralmente connesso -presenta inoltre una flangia anulare trasversale, che presenta in alcuni casi una scanalatura sulla superficie cilindrica esterna mediante la quale il portautensili può essere afferrato da manipolatori, per le operazioni automatiche di prelevamento da magazzino e montaggio nel mandrino, e viceversa. Tale flangia presenta superfici piane trasversali, una delle quali si viene a trovare, nella posizione operativa dell'utensile, affacciata al mandrino. In alcuni casi, quando il cono ha raggiunto il corretto accoppiamento nella rispettiva sede, tale superficie piana resta ad una certa distanza da una superficie del mandrino. In altri casi, la realizzazione dell'attacco - ad esempio le caratteristiche geometriche e/o costruttive del cono e della flangia - prevedono che nella posizione operativa dell'utensile la superficie piana della flangia sia a contatto con una superficie piana del mandrino, e che questo ulteriore contatto fra utensile e mandrino contribuisca a definire e rendere più stabile tale posizione operativa. Questo si verifica ad esempio quando il cono è cavo (come nei portautensili del tipo “HSK”, particolarmente adatti per applicazioni nelle quali il mandrino ruota ad elevate velocità) ed è sottoposto a deformazioni nella fase di serraggio nella rispettiva sede.

La precisione della posizione operativa dell’utensile può essere alterata dalla presenza di polvere, sporco o altro materiale estraneo fra le superfici coniche e/o piane di accoppiamento.

E’ noto controllare il corretto posizionamento dell’utensile nel mandrino mediante sensori che rilevano la posizione mutua fra le superfici piane affacciate o a contatto della flangia (solidale all’utensile) e del mandrino.

La domanda di brevetto tedesca DE-A-4201013 mostra alcune realizzazioni nelle quali la posizione della superficie della flangia è controllata da una coppia di interruttori meccanici o di sensori di posizione elettromagnetici connessi al mandrino rotante. L'informazione circa lo stato degli interruttori (o dei sensori di posizione) è trasmessa attraverso un accoppiamento induttivo rotante fra mandrino e parte fissa.

Le soluzioni secondo la domanda di brevetto tedesca, consentono di rilevare scostamenti di una certa entità della posizione dell’utensile, segnalati, ad esempio, dalla chiusura di uno solo dei due interruttori. Inoltre, essendo i sensori o interruttori ed i relativi circuiti di trasmissione rotanti con il mandrino, questi sono sottoposti ad alte accelerazioni conseguenti alle elevate velocità cui ruota il mandrino, e rischiano di essere danneggiati. In sostanza le soluzioni mostrate in DE-A-4201013 non sono in generale adatte ad applicazioni su mandrini che ruotano ad alte velocità (anche superiori a 15.000 rpm per mandrini di centri di lavoro) e non sono in grado di rilevare errori di posizionamento relativamente piccoli (in alcuni casi errori di pochi centesimi di millimetro o anche dell'ordine dei micron possono avere conseguenze negative nella lavorazione su centri di lavoro di alta precisione).

Scopo della presente invenzione è ottenere un metodo per controllare la posizione operativa di un utensile rotante, che risulti particolarmente preciso ed affidabile, e non presenti i limiti delle soluzioni note, e realizzare un'apparecchiatura per l’attuazione di tale metodo.

Questo ed altri scopi sono raggiunti da un metodo secondo la rivendicazione 1 e da un'apparecchiatura secondo la rivendicazione 14.

Fra i vantaggi dell’invenzione, la particolare semplicità delle operazioni di controllo, la possibilità di evitare complesse e delicate lavorazioni per il preciso posizionamento di sensori e circuiti nella parte rotante, e la conseguente possibilità di prescindere da dispositivi di trasmissione (senza contatto) fra la parte mobile (il mandrino rotante) e quella fissa.

L'invenzione verrà ora descritta in dettaglio, con riferimento agli annessi disegni - dati a puro titolo esemplificativo e non limitativo - in cui:

la figura 1 è una sezione trasversale, schematica e parziale, di un’apparecchiatura secondo la presente invenzione in una fase di controllo, con alcuni particolari in vista;

la figura 2 è una vista laterale parziale dell'apparecchiatura di figura 1, secondo la freccia II di figura 1, con alcune parti sezionate ed altre omesse;

la figura 3 è un diagramma a blocchi funzionali che illustra un procedimento di controllo secondo la presente invenzione, e

la figura 4 è una rappresentazione grafica dell'andamento di un segnale elettrico acquisito ed utilizzato durante il procedimento di figura 3.

Nell'applicazione mostrata in modo estremamente schematico e parziale nelle figure 1 e 2, un supporto rotante 1 , in particolare un mandrino di una macchina utensile (ad esempio un centro di lavoro) è connesso ad una parte fissa 3 della macchina mediante cuscinetti 5 (uno solo è visibile in figura 1), e può ruotare rispetto alla parte fìssa 3 intorno ad un asse longitudinale 7 di accoppiamento. Il mandrino 1 presenta una sede 9 con una superfìcie conica 11 centrata intorno all’asse longitudinale di rotazione 7.

Un utensile 13, mostrato nelle figure 1 e 2 in posizione operativa nel mandrino 1, comprende una porzione tagliente destinata ad effettuare la lavorazione di un pezzo meccanico, ed è rìgidamente fissato ad un portautensili 15. Il portautensili 15 comprende un gambo 17 ed una flangia 19, il gambo definendo una superfìcie conica 21 e la flangia una superfìcie anulare piana 23 di riferimento e battuta per il fissaggio, in modo rimovibile, al mandrino 1 lungo l'asse longitudinale 7 di accoppiamento. Il portautensili 15 schematicamente mostrato nella sezione di figura 1 è del tipo “HSK”, nel quale il gambo 17 è cavo ed ha lunghezza limitata e conicità poco accentuata.

La posizione del gambo 17 all'interno della sede 9 è fissata da dispositivi di bloccaggio di tipo noto schematizzati con il riferimento 25 che provocano anche il contatto fra la superficie anulare piana 23 della flangia 19 e una superficie piana di battuta 27 del mandrino 1 in prossimità della sede 9. La posizione operativa del’utensile 13 è definita dalla cooperazione fra la superficie conica 21 del gambo 17 e quella 11 della sede 9, che vengono a trovarsi centrate sull’asse di longitudinale di rotazione 7, e dal contatto fra le superfici anulari piane di battuta 23 e 27. Una seconda superficie anulare piana di riferimento 29 è presente nel mandrino 1, definita da un incavo anulare presente nel bordo del mandrino stesso, e, nella posizione operativa dell'utensile 13, si trova affacciata alla superficie 23 della flangia 19, a una predeterminata distanza da essa. La superficie 29, con la porzione affacciata della superficie 23 ed una superficie cilindrica del mandrino realizzano una gola 31.

Si noti che la distanza fra le superfici 23 e 29, ovvero la larghezza della gola 31, è mostrata nelle figure 1 e 2 esageratamente più grande rispetto alla realtà, per motivi di chiarezza e semplicità. Tale distanza può assumere nella realtà dimensioni di pochi decimi di millimetro (ad esempio 0,3 mm).

Un dispositivo emettitore laser, schematicamente mostrato nella sola figura 1 con il riferimento 33, è disposto su una parte fissa della macchina utensile, è parte di un’apparecchiatura secondo la presente invenzione, ed emette un fascio luminoso collimato 35, di larghezza superiore a quella della gola 31, in una direzione perpendicolare all’asse longitudinale. Il fascio 35 attraversa la gola 31 e raggiunge un ricevitore 37 (pure mostrato solo in figura 1) che comprende ad esempio un fotodiodo, ed invia ad un'unità di memorizzazione, elaborazione e controllo 39 un segnale sostanzialmente continuo, ad esempio una tensione V indicativa dell'intensità luminosa del fascio ricevuto. Anche il fascio 35 è mostrato nelle figure con dimensioni esagerate per motivi di chiarezza (un valore tipico della larghezza massima del fascio è 1 mm circa).

Un procedimento di controllo secondo l’invenzione viene ora descritto con riferimento al diagramma a blocchi funzionali di figura 3.

Dopo che il portautensili 15, recante l'utensile 13, è stato inserito e bloccato nella sede 9, il mandrino 1 è posto in rotazione e il dispositivo 33 emette il fascio 35 che è parzialmente interrotto da parti della flangia 19 e del mandrino 1 e, attraverso la gola 31, raggiunge il fotodiodo 37 (blocco 40). L’unità 39 riceve di conseguenza un segnale di misura V(a) che, opportunamente filtrato in modo noto, è indicativo dell’andamento, nel corso della rotazione (angolo a), dell'intensità luminosa del fascio 35 in uscita dalla gola 31 che raggiunge il fotodiodo 37 (blocco 42). Il valore di un segnale di zero Vz precedentemente rilevato in fase di calibrazione, memorizzato nell’unità 39, viene confrontato con il suddetto segnale di misura V(a) (blocco 44): se quest'ultimo assume un valore superiore al primo di una entità prefissata t- ovvero se V(a) >Vz + t- l’errato posizionamento del portautensili 15 viene segnalato (blocco 46) ed il procedimento è terminato (blocco 52). Se invece il segnale di misura V(a) non supera il valore Vz + 1 e il mandrino ha compiuto una rotazione completa (a = 360°) rispetto alla parte fissa 3 della macchina (blocco 48), la corretta posizione operativa del portautensili 15, e quindi dell’utensile 13, è segnalata (blocco 50) alla terminazione del procedimento (blocco 52).

Si noti che l'entità prefissata t in precedenza citata rappresenta il valore di tolleranza corrispondente all'errore di posizione che si ritiene ammissibile. Un metodo secondo la presente invenzione consente di rilevare errori di posizione molto piccoli (valori di t corrispondenti a distanze di pochi micron fra le superfici di riferimento 23 e 29).

Per quanto riguarda il segnale di zero Vz, questo è rilevato in un procedimento di calibrazione effettuato in una predeterminata condizione di corretto posizionamento del portautensili 15 nel mandrino 1, condizione ottenuta ad esempio mediante montaggio manuale del primo (15) nel secondo (1) dopo che le superfici coniche (21 e 11) e piane (23 e 27) destinate ad accoppiarsi sono state accuratamente ripulite da polvere e altro sporco eventualmente presente.

Il grafico di figura 4 illustra l'andamento del segnale di misura V(a) relativo ad un controllo nel corso del quale viene rilevato un errore nella posizione operativa dell’utensile 15.

Dalla descrizione di cui sopra risulta evidente la semplicità ed affidabilità dell'apparecchiatura e del metodo di controllo secondo la presente invenzione, dove non è necessario installare sensori e relativi circuiti nel mandrino rotante, con operazioni complesse e delicate, e dove non è di conseguenza necessario realizzare altrettanto complessi accoppiamenti (con o senza contatto) fra parte rotante e parte fissa per acquisire il segnale dei sensori. L’assenza di sensori e circuiti nella parte mobile consente anche di evitare problemi dovuti a danneggiamenti degli stessi per alte velocità di rotazione del mandrino, e conseguenti elevate accelerazioni.

Oltre a semplicità ed affidabilità, il metodo e l’apparecchiatura descritti si distinguono per l'elevata risoluzione che, come in precedenza accennato, consente di rilevare errori di posizionamento anche di piccolissima entità (pochi micron di distanza fra le superfici anulari piane).

Il procedimento secondo il diagramma di figura 3 è naturalmente descritto solo a titolo di esempio, le possibili varianti nei singoli passi essendo molteplici.

Il fascio laser collimato 35 è descritto come realizzazione preferita, dal punto di vista della semplicità applicativa, dei costi e delle prestazioni, del fascio luminoso che consente di realizzare un metodo secondo l’invenzione. Altre alternative sono possibili, quali l'impiego di un fascio laser non collimato (focalizzato) o di un fascio luminoso di diversa natura. In generale, il dispositivo optoelettronico che, nell’esempio illustrato, comprende l’emettitore 33 e il ricevitore 37, può avere una diversa realizzazione, e prevedere, ad esempio un LED che emette radiazioni nel campo dell’infrarosso, componenti ottici di collimazione per generare il fascio luminoso, e un ricevitore con una schiera lineare di fotodiodi (CCD). Tale dispositivo optoelettronico ha campo decisamente superiore a quello del dispositivo illustrato e in precedenza descritto, ovvero il fascio luminoso ha larghezza decisamente maggiore rispetto al fascio laser 35 (ad esempio alcune decine di millimetri). In questo caso, la caratteristica che viene controllata nel fascio in uscita dalla gola 31 non è l’intensità luminosa - come per la realizzazione illustrata - ma la larghezza del fascio stesso rilevata mediante il ricevitore CCD, secondo la tecnica nota come “proiezione d’ombra”.

Anche la disposizione del fascio 35 su un piano perpendicolare all 'asse longitudinale, pur essendo preferibile in considerazione del sostanziale parallelismo fra la direzione di propagazione del fascio stesso e le superfici piane 23 e 29 che delimitano la gola 31 , non è vincolante per la realizzazione dell’invenzione. Il fascio 35 può infatti essere disposto in direzione obliqua rispetto alle superfici piane 23 e 29 ed essere conseguentemente sottoposto a fenomeni di riflessione sulle superfici stesse, fenomeni di cui è possibile tenere conto nella fase di calibrazione.

Un metodo ed un’apparecchiatura secondo la presente invenzione possono chiaramente essere utilizzati anche per effettuare controlli della posizione di portautensili in applicazioni che prevedono la presenza di gole definite in modo diverso rispetto alla gola 31 descritta ed illustrata. Una analoga gola può ad esempio essere definita dalla superficie 27 di battuta del mandrino 1 e da una diversa superficie di riferimento presente in un incavo del portautensili, a piccola distanza (pochi decimi di millimetro) dalla superficie di battuta 23. La gola può ancora essere definita da due superfici piane di riferimento, nel portautensili e nel mandrino, entrambe distinte dalle rispettive superfici di battuta 23 e 27 e a poca distanza da esse.

Un metodo ed un'apparecchiatura secondo la presente invenzione possono inoltre essere impiegati per effettuare controlli nel caso di accoppiamenti nei quali superfici piane della flangia 19 e del mandrino 1 non vengano a contatto fra loro, ma restino affacciate a distanza ridotta l'una dall'altra (dell'ordine ad esempio di 1 mm). Questo avviene ad esempio in portautensili di tipo noto con gambo conico sostanzialmente pieno e non deformabile (portautensili di tipo BΤ”). In questo caso, in considerazione della maggiore distanza fra le superfici piane di riferimento, che può anche essere maggiore della larghezza del fascio luminoso 35, un procedimento che utilizza l’apparecchiatura illustrata nelle figure 1 e 2 prevede di effettuare due verifiche in successione nelle quali il fascio luminoso risulti parzialmente intercettato una volta dalla flangia del portautensili, l'altra dal bordo del mandrino, e di elaborare insieme i segnali così ottenuti. L’effettuazione di due verifiche non è invece necessaria qualora si impieghi il diverso dispositivo optoelettronico comprendente ricevitori con CCD, cui si è accennato in precedenza, che ha campo decisamente maggiore.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per controllare la posizione operativa di un utensile (13), connesso ad un portautensili (15), rispetto ad un supporto rotante (1), ad esempio un mandrino di una macchina utensile, cui il portautensili (15) è rigidamente connesso in modo rimovibile e che definisce una sede (9), la sede (9) e il portautensili (15) definendo un asse longitudinale (7) di accoppiamento e rotazione e avendo superfici coniche (11,21) simmetriche rispetto all'asse longitudinale (7) atte a cooperare l’una con l'altra in detta posizione operativa dell'utensile (13), il portautensili (15) definendo una superficie piana di riferimento (23) atta a disporsi sostanzialmente perpendicolare a detto asse longitudinale (7), il metodo comprendendo il controllo della posizione di detta superficie piana di riferimento (23) rispetto ad una seconda superficie piana di riferimento (29), pure perpendicolare all'asse longitudinale (7), definita da detto supporto rotante (1), caratterizzato dal fatto che detto controllo della posizione della superficie piana di riferimento (23) comprende i passi di • individuare una gola (31) definita da dette superfici piane di riferimento (23,29) che, nella posizione operativa dell’utensile (13), si trovano ad una predeterminata distanza mutua, • inviare attraverso detta gola (31) un fascio luminoso (35) lungo una direzione trasversale aN’asse longitudinale (7), • controllare almeno una caratteristica del fascio (35) in uscita dalla gola (31), e • rilevare variazioni di detta almeno una caratteristica, indicative di variazioni di detta posizione della superficie piana di riferimento (23).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale detto controllo della posizione della superficie piana di riferimento (23) è effettuato durante la rotazione, intorno all’asse longitudinale (7) e rispetto al fascio luminoso (35), del supporto rotante (1) e del portautensili (15) ad esso rigidamente connesso.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, nel quale detto fascio luminoso (35) è inviato lungo una direzione perpendicolare all’asse longitudinale (7).
4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale detto fascio luminoso (35) ha larghezza maggiore della distanza mutua fra la superfici piane di riferimento (23,29).
5. 5. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nei quale detta almeno una caratteristica del fascio (35) in uscita dalla gola (31) è l'intensità luminosa.
6. 6. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, dove detta superficie piana di riferimento (23) e detta seconda superficie piana di riferimento (29) hanno forma sostanzialmente anulare simmetrica rispetto all'asse longitudinale (7).
7. 7. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, dove nella posizione operativa da controllare superfici anulari piane di battuta (23,27) del portautensili (15) e del supporto rotante (1), perpendicolari all'esse longitudinale (7), sono a mutuo contatto, almeno una (29) di dette superfici piane di riferimento essendo ricavata in uno di detti portautensili (15) e supporto rotante (1) sostanzialmente a detta predeterminata distanza mutua dalla rispettiva superficie piana di battuta (27).
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, nel quale detta superficie di riferimento (23) coincide con la superficie anulare di battuta (23) definita dal portautensili (15), e il supporto rotante (1) comprende un incavo anulare che definisce la seconda superficie di riferimento (29) e detta gola (31).
9. 9. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale detta predeterminata distanza mutua è inferiore ad 1 mm.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, nel quale detta predeterminata distanza mutua è uguale o superiore a 0,3 mm.
11. 11. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale il fascio luminoso (35) è un fascio laser.
12. 12. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale il fascio luminoso (35) è un fascio di luce collimata.
13. 13. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale il passo di rilevare variazioni di detta almeno una caratteristica del fascio luminoso (35) comprende il confronto (44) fra valori (V(a)) indicativi della posizione della superficie di riferimento (23) nella posizione operativa da controllare e un valore di zero (Vz) rilevato e memorizzato in una fase di calibrazione.
14. 14. Apparecchiatura per il controllo della posizione operativa di un utensile (13) connesso ad un portautensili (15), rispetto ad un mandrino (1) di una macchina utensile, mediante un metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, comprendente un dispositivo emettitore (33) ed un dispositivo ricevitore (37) di detto fascio luminoso (35), connessi ad una parte fissa della macchina utensile, ed un’unità di memorizzazione, elaborazione e controllo (39), il dispositivo ricevitore (37) essendo atto a fornire all’unità di memorizzazione, elaborazione e controllo (39) un segnale di misura (V(a)) indicativo di detta almeno una caratteristica del fascio ricevuto (35).
15. 15. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 14, nella quale detto dispositivo emettitore (33) comprende un generatore laser ed è atto ad emettere un fascio di luce collimata.