ITMI20012804A1 - Sistema di regolazione della portata di abrasivo di un sistema di taglio a getto d'acqua - Google Patents

Description

DESCRIZIO

dell’ invenzione industriale avente per titolo:

“Sistema di regolazione della portata di abrasivo di un sistema di taglio a getto d'acqua”

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di taglio a getto di acqua (Water Jet -WJ). Più in particolare si riferisce ad un sistema di regolazione della portata di abrasivo di un sistema di taglio a getto d'acqua.

Il taglio a getto d’acqua nasce all’ inizio degli anni Settanta e si sviluppa commercialmente solo nel decennio successivo, trovando applicazione in un buon numero di campi.

Inizialmente con un getto di sola acqua espulso ad elevatissime velocità (fino a 900 m/s) da un ugello di piccolo diametro (0,1 - 0,5 mm) era possibile tagliare una vasta gamma di materiali (cartone, stoffe, nylon, compensato, polietilene e prodotti alimentari) ma per diventare competitiva nei confronti delle tradizionali tecnologie di taglio, alla nuova tecnologia era richiesta la capacità di tagliare anche i metalli.

Nei primi anni Ottanta vennero aggiunti al getto di sola acqua dei grani di abrasivo (tipicamente granato o sabbie silicee), ottenendo un incremento enorme della capacità di taglio (Abrasive Water Jet - AWJ).

Questo fatto, unito all’ integrazione con impianti robotizzati e sistemi computerizzati, ha permesso la realizzazione di tagli complessi, tridimensionali e sui materiali più duri e difficilmente lavorabili con le tradizionali tecnologie di taglio (ad esempio titanio, acciaio inossidabile, marmo, vetro e materiali compositi) ottenendo prestazioni spesso irraggiungibili dagli altri sistemi di taglio.

Le variazioni della portata di abrasivo possono causare degli effetti sulla qualità del taglio che sono notevoli. Essa infatti influenza tutti i parametri normalmente utilizzati per la valutazione della qualità del taglio AWJ, in particolare la profondità massima del solco di taglio, la rugosità media delle superfici ottenute e la conicità del solco.

Sono noti sistemi di controllo della portata dell'abrasivo del tipo basati su sensori laser e fotorivelatori che si sono rivelati difficili da realizzare, da mettere a punto e da gestire. Questa tecnologia non appare essere compatibile con l’ambiente aggressivo e polveroso degli impianti a getto idroabrasivo. Inoltre prevede l’introduzione di un componente (misuratore) a valle della camera di miscelazione, tale configurazione complica in maniera non indifferente il sistema complessivo.

Sono noti sistemi di controllo della portata dell'abrasivo del tipo basati sulla introduzione di particelle traccianti. Le particelle traccianti inserite devono avere caratteristiche il più possibile simili alle particelle di abrasivo (massa, dimensione, coefficiente di attrito, etc.). Inoltre il sistema traccia solamente una particella senza conoscere la posizione della stessa all’interno del getto idroabrasivo e senza conoscere la distribuzione delle particelle all’ interno del getto stesso. Per tali motivi non è sicuro che la particella tracciante rappresenti l’intera popolazione di particelle all’interno del getto idroabrasivo. Il sistema di misura presenta inoltre delle dimensioni non trascurabili, difficilmente compatibili con le dimensioni geometriche caratteristiche della tecnologia AWJ.

Sono noti sistemi di controllo della portata dell'abrasivo che utilizzano sensori di tipo “meccanico”, sono sistemi di misura indiretta, cioè sistemi che si basano sull’osservazione e la misura di un fenomeno fisico introdotto per essere messo in relazione (in maniera diretta o indiretta) con la grandezza di cui si vuole conoscere la misura. Ad esempio si usano sensori di depressione o sensori di forza. Oltre ai problemi connessi alla misura del fenomeno fisico, usando questo tipo di sistemi, si introduce una relazione fra la grandezza misurata e la variabile di cui si vuole conoscere il valore.

Inoltre l’inserimento di un fenomeno fisico, utilizzato per ricondursi alla misura della portata, introduce molte variabili nel modello, tali variabili non sempre possono essere tenute in considerazione nel modello e non sempre è possibile effettuarne una misura o un controllo.

La Richiedente ha notato che alcuni problemi dell'arte nota risiedono nel fatto che si è cercato di valutare la portata del getto idroabrasivo all’uscita dal focalizzatore, incontrando non poche difficoltà quali ad esempio la velocità del getto di sola acqua è circa tre volte quella del suono in aria; nel getto idroabrasivo, sebbene la velocità risulti molto minore (circa 1/3), rimane comunque molto elevata e quindi misurabile solo per mezzo di apparecchiature sofisticate e costose. Inoltre, studi condotti in passato hanno dimostrato che la distribuzione delle velocità delle particelle nel getto è assimilabile ad una distribuzione normale attorno all’asse del getto stesso, ma le misure effettive di questa distribuzione non sono agevoli.

In generale il sistema deve compiere la misura in un tempo molto breve ed avere dei tempi di risposta e di adattamento molto ridotti, per rispondere rapidamente alla richiesta di variazione della portata, non sempre le soluzioni fino ad oggi proposte rispondevano a queste caratteristiche fondamentali. Un altro ostacolo alla realizzazione di sistemi di controllo della portata di abrasivo è stato l’aspetto tecnico-economico. Le soluzioni fino ad ora individuate si sono rivelate difficilmente realizzabili in pratica a causa della loro complessità e/o del loro non trascurabile costo (soprattutto se rapportato a quello deH’intero sistema AWJ).

La Richiedente ha quindi percepito che notevoli vantaggi potevano derivare se si cercava di valutare la portata dell’abrasivo a monte e cioè all'uscita del contenitore della polvere abrasiva. Ed altri vantaggi ne potevano derivare se la valutazione della portata dell'abrasivo poteva essere inserita in un anello di retroazione ad anello chiuso.

In vista dello stato della tecnica descritto, uno scopo della presente invenzione è quello di provvedere ad un sistema di controllo della portata dell'abrasivo che non abbia gli inconvenienti dell'arte nota.

In accordo con la presente invenzione, questi ed altri scopi vengono raggiunti mediante un sistema di regolazione della portata di abrasivo di un sistema di taglio a getto d'acqua comprendente: mezzi atti a fornire acqua sotto pressione; mezzi atti a fornire polvere abrasiva; mezzi di trasformazione di energia atti a fornire acqua ad alta velocità; mezzi miscelatori di detta acqua ad alta velocità e detta polvere abrasiva; mezzi atti a dirigere detta miscela contro un oggetto; caratterizzato dal fatto che detti mezzi atti a fornire polvere abrasiva comprendono un sistema di misura del peso di detta polvere abrasiva, atto a fornire un segnale elettrico proporzionale a detto peso; mezzi di elaborazione di detto segnale elettrico proporzionale a detto peso atti a generare un segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso di detta polvere abrasiva in una unità di tempo, e atti a fornire un segnale elettrico proporzionale alla differenza tra il segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso e il segnale prefissato di portata voluta; che detti mezzi atti a fornire polvere abrasiva comprendono un sistema di dosatura di detta polvere abrasiva comandato da detto segnale proporzionale alla differenza tra il segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso e il segnale prefissato di portata voluta.

Grazie alla presente invenzione è possibile realizzare un sistema avente una retroazione continua del segnale di controllo della portata. Infatti misurando continuamente la variazione della massa della polvere abrasiva è possibile conoscere in ogni momento la portata di abrasivo che è stata erogata e di conseguenza, se essa si discosta dal valore desiderato, operare una correzione continua per mantenere la portata di abrasivo entro un intervallo di valori adeguato.

La regolazione così realizzata può inoltre tenere in considerazione l’influenza di altri parametri tecnologici legati alla lavorazione, quali ad esempio la velocità di avanzamento della testa di taglio ed anche eventuali variabili di disturbo (ad esempio umidità, vibrazioni etc).

Con quest’ultima opportunità, fornita dal sistema di regolazione proposto, si è in grado, infatti, di ottenere le stesse qualità del solco di taglio per differenti velocità di avanzamento, permettendo quindi di realizzare profili con geometria qualunque aventi qualità del solco di taglio uniforme.

Infatti, tenendo fisso il livello di pressione dell'acqua e la distanza tra l'ugello ed il pezzo, l’energia specifica trasferita dal getto idro-abrasivo al materiale in lavorazione risulta direttamente proporzionale alla portata di abrasivo ed inversamente alla velocità di avanzamento della testa.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo in figura 1 che rappresenta schematicamente un sistema di taglio a getto di acqua in accordo alla presente invenzione.

L’acqua posta nel contenitore 10, eventualmente additi vaia con un polimero a catena lunga per migliorare la coerenza del getto, viene aspirata in un intensificatore di pressione e portata alla pressione desiderata; successivamente viene spinta in un accumulatore che funge da attenuatore della pulsazione di pressione, così da arrivare all’ugello con una pressione abbastanza uniforme. L'intensificatore e l'accumulatore sono rappresentati schematicamente in figura 1 con il blocco 11.

L’ugello primario 12 è il punto nel quale avviene la trasformazione dell’energia di pressione in energia cinetica del getto. Questo componente ha un foro di uscita delle dimensioni che variano da 0,1 a 0,5 mm, e la velocità dell’acqua in questo punto può raggiungere i 900 m/s, ovvero circa tre volte la velocità del suono in aria.

Lo spessore del materiale che si può tagliare aumenta col crescere del diametro dell’ugello primario 12 e della pressione imposta dall’ intensificatore, mentre diminuisce con l’aumentare della velocità relativa fra testa e pezzo. Generalmente la qualità del taglio è tanto maggiore quanto maggiore è l’energia spesa per unità di lunghezza tagliata.

Seguendo il flusso del getto, dopo l’ugello primario 12 si trova la camera di miscelazione 13, dove il getto d’acqua incontra l’abrasivo e lo trascina con sé attraverso un ugello focalizzatore 14 che mantiene collimato il getto dirigendolo contro il pezzo in lavorazione.

L’aggiunta di abrasivo al getto di sola acqua rende possibile il taglio dei metalli; inoltre, a parità di spessore tagliato, aumentando la quantità di abrasivo miscelata si possono realizzare tagli con velocità di avanzamento della testa maggiori e quindi ciò consente un notevole miglioramento della produttività del sistema.

Un contenitore 20 (esempio una tramoggia) ospita il quantitativo di abrasivo da erogare. Il contenitore 20 comunica, alla estremità inferiore con un dispositivo 21 di regolazione della sezione di passaggio del prodotto da erogare (gruppo valvolare). La sezione del dispositivo 21 è preferibilmente, azionabile tramite un segnale elettrico proveniente da un sistema di controllo 23. In particolare, in un esempio preferito di realizzazione, la sezione è regolabile in modo continuo da una sezione minima ad una sezione massima tramite un segnale proporzionale al diametro della sezione voluto.

Il contenitore 20 ed il dispositivo 21 si appoggiano su una cella di carico 22 la quale preferibilmente, pesa il contenitore 20, il dispositivo 21 e la polvere abrasiva, e fornisce un segnale relativo al peso misurato al sistema di controllo 23.

Il sistema di controllo 23 (o mezzi di elaborazione) ha il compito elaborare il segnale ricevuto dalla cella di carico 22 e fornire di conseguenza il segnale di comando al dispositivo 21.

In una forma preferita di realizzazione il sistema di controllo 23 controlla anche tutti gli altri parametri tecnologici di interesse (ad esempio la velocità di avanzamento della testa di taglio) e fornisce il segnale di azionamento del g M ttler

dispositivo 21 di regolazione della sezione di passaggio.

Preferibilmente, il sistema di controllo 23 comprende anche mezzi di controllo di tutto il sistema di taglio a getto di acqua e consiste in un calcolatore opportunamente programmato.

Preferibilmente un sensore 24 di intasamento della polvere abrasiva è installato nelle immediate vicinanze della camera di miscelazione 13 sulla tubazione di trasferimento dell’abrasivo erogato ed avrà il compito di rilevare in tempi molto brevi l’intasamento di abrasivo presso la testa di taglio, in modo che sistema di controllo 23 possa prima arrestare l’erogazione di abrasivo e successivamente avviare un ciclo automatico prestabilito per far defluire l’abrasivo dalla testa di taglio, liberare le zone intasate e consentire la ripresa della lavorazione.

Il sistema di controllo 23 riceve un segnale in modo continuo dalla cella di carico 22 che rappresenta il peso del contenitore 20, del dispositivo 21 e della polvere abrasiva, esso calcola la variazione di peso in una unità di tempo prefissata. Tale segnale viene confrontato con un segnale prefissato di portata voluta, impostato dall'utente sul sistema di controllo 23. Se i due segnali confrontati sono differenti verrà azionato il dispositivo 21 di regolazione della sezione di passaggio per variare la sezione di passaggio dell’abrasivo e modificare la portata di erogazione. In particolare, viene generato un segnale preferibilmente elettrico correlato alla differenza tra il segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso e il segnale prefissato di portata voluta.

Preferibilmente, il sistema di controllo 23 riceve un segnale proporzionale alla velocità di avanzamento dell’ugello focalizzatore 14 e viene utilizzato per correggere il valore della portata di abrasivo da erogare in modo da tenere conto degli effetti della velocità di avanzamento dell’ugello focalizzatore 14 sulla qualità del taglio richiesta.

Con un sistema in accordo alla presente invenzione si hanno i seguenti vantaggi.

Maggiore livello qualitativo della lavorazione, in termini di uniformità delle superfici, rugosità superficiale, conicità del solco di taglio, profondità di lavorazione.

Semplicità di realizzazione e messa a punto.

Possibilità di variare il valore desiderato di portata dell'abrasivo anche durante la lavorazione.

Possibilità di essere applicato anche agli impianti AWJ esistenti.

Flessibilità: intesa come capacità del sistema di adattarsi a differenti condizioni ambientali (temperatura, umidità, etc.), ed intesa come capacità di controllare la portata per differenti granulometrie di abrasivo.

Taratura in condizioni operative.

Rispetto ad altri sistemi presenta il vantaggio di poter effettuare un continuo adattamento dinamico delle condizioni di erogazione, diminuendo i tempi di non funzionamento della macchina ed aumentando quindi la produttività.

Il sistema è in grado di considerare anche disturbi e variabili che non sono collegati al processo, per esempio la variazione della quantità di abrasivo presente nella tramoggia che può influenzare la portata di erogazione.

Il massimo livello di integrazione con i mezzi di elaborazione, il sistema può essere controllato direttamente dal CNC (Controllo Numerico Computerizzato) che governa la macchina, in modo da garantire la gestione dell'erogazione dell'abrasivo in ogni lavorazione.

Il controllo della portata dell’abrasivo, in anello chiuso può essere applicato ad una tramoggia esterna (sistema a bordo macchina) oppure ad una tramoggia posizionata nei pressi della testa di taglio; la soluzione che offre prestazioni migliori è quella che prevede l’installazione del sistema nelle immediate vicinanze della testa di taglio, in tal modo si realizza un percorso del tubo di adduzione dell’abrasivo minimo, ciò determina evidenti vantaggi nella regolarità della portata di abrasivo e nei tempi di risposta del sistema alle richieste di variazione della portata ed in caso di eventuale intasamento nella testa di taglio.

Il reintegro dell’abrasivo nella tramoggia può essere realizzato anche in continuo; in ogni caso è possibile reintegrare abrasivo senza arrestare la lavorazione ed in maniera facilmente automatizzabile.

Possibilità di gestire la regolazione della portata di abrasivo in abbinamento ad altri parametri tecnologici, come la velocità di avanzamento della testa di taglio, ottenendo qualità, della lavorazione e del solco di taglio, uniformi anche in corrispondenza di rallentamenti della testa di taglio. Ciò permette la realizzazione di profili di taglio e lavorazione di geometria qualsiasi con caratteristiche di qualità uniformi.

Costi contenuti a livello di produzione industriale del sistema in quanto gli oneri aggiuntivi rispetto alla situazione attuale sono legati alla presenza della cella di carico (che è un componente molto diffuso ed economico) ed alla necessità di aggiornare il software e l’hardware di gestione della macchina (interventi da effettuare una tantum).

Possibilità di isolamento del sistema di dosaggio dall’ambiente aggressivo ed umido della macchina AWJ.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di regolazione della portata di abrasivo di un sistema di taglio a getto d'acqua comprendente: mezzi (11) atti a fornire acqua sotto pressione; mezzi (20, 21) atti a fornire polvere abrasiva; mezzi di trasformazione di energia (12) atti a fornire acqua ad alta velocità; mezzi miscelatori (13, 14) di detta acqua ad alta velocità e detta polvere abrasiva; mezzi (14) atti a dirigere detta miscela contro un oggetto; caratterizzato dal fatto che detti mezzi (20, 21) atti a fornire polvere abrasiva comprendono un sistema di misura (22) del peso di detta polvere abrasiva, atto a fornire un segnale elettrico proporzionale a detto peso; mezzi di elaborazione (23) di detto segnale elettrico proporzionale a detto peso atti a generare un segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso di detta polvere abrasiva in una unità di tempo, e atti a fornire un segnale elettrico proporzionale alla differenza tra il segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso e il segnale prefissato di portata voluta; che detti mezzi (20, 21) atti a fornire polvere abrasiva comprendono un sistema di dosatura (21) di detta polvere abrasiva comandato da detto segnale proporzionale alla differenza tra il segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso e il segnale prefissato di portata voluta.
2. 2. Sistema di regolazione della portata di abrasivo in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (23) comprendono mezzi di controllo di detto sistema di taglio a getto di acqua e consistono in un calcolatore.
3. 3. Sistema di regolazione della portata di abrasivo in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere condotti di trasporto di detta polvere abrasiva e un sensore di intasamento (24) di detti condotti posto nei pressi di detti mezzi miscelatori (13) e atto a fornire un segnale di intasamento di detta polvere abrasiva a detti mezzi di elaborazione (23).
4. 4. Sistema di regolazione della portata di abrasivo in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (23) ricevono in ingresso un segnale prefissato di portata voluta di detta polvere abrasiva che viene confrontato con detto segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso di detta polvere abrasiva in una unità di tempo e viene generato un segnale elettrico correlato alla differenza tra detto segnale elettrico proporzionale alla variazione di peso e detto segnale prefissato di portata voluta.
5. 5. Sistema di regolazione della portata di abrasivo in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi (20, 21) atti a fornire polvere abrasiva comprendono un contenitore (20) di polvere abrasiva posto nelle immediate vicinanze di detti mezzi miscelatori (13).
6. 6. Sistema di regolazione della portata di abrasivo in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (23) ricevono in ingresso un segnale proporzionale alla velocità di avanzamento di detti mezzi atti a dirigere detta miscela contro un oggetto e correggono il valore della portata di abrasivo da erogare in modo da tenere conto degli effetti della velocità di avanzamento dell’ugello focalizzatore 14 sulla qualità del taglio richiesta.