ITMI961459A1 - Metodo e dispositivo di prova per avvitatori - Google Patents

Description

"Metodo e dispositivo di prova per avvitatori"

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la prova di avvitatori e a dispositivi applicanti tale metodo.

Gli avvitatori motorizzati (elettromeccanici, pneumatici, ecc.) devono fornire durante l'uso una precisa coppia di serraggio. E ' quindi necessario disporre di dispositivi di prova che consentano di verificare periodicamente la coppia di serraggio espressa da un avvitatore, cosi da potere rilevare la necessità di regolazione, riparazione o sostituzione di quegli avvitatori che dovessero risultare non più conformi alle specifiche.

Esistono precise norme che forniscono le prescrizioni per la misura delle prestazioni degli avvitatori. Ad esempio, la norma ISO 5393-81 descrive il metodo di prova per la valutazione delle prestazioni di avvitatori pneumatici e fornisce istruzioni sulla valutazione statistica delle misure .

Ovviamente, poiché nel normale uso di un avvitatore la coppia si incrementa durante la rotazione, qualsiasi prova delle prestazioni di coppia di un avvitatore deve essere condotta utilizzando simulatori aventi gradiente di coppia controllato, in modo da simulare l'effettiva avvitatura di una vite e permettere di misurare la coppia erogata dall'avvitatore in una condizione significativa.

Ad esempio, la norma ISO 5393 richiede attualmente che l'utensile venga provato in due condizioni estreme, nelle quali l'incremento di coppia dal 50% al 100% della coppia nominale si sviluppi, rispettivamente, in 360° di rotazione e in 30° di rotazione. In tali intervalli di valori (che possono comunque essere soggetti a variazioni) le norme ISO impongono che la coppia opposta dal simulatore si incrementi con legge sostanzialmente lineare rispetto alla rotazione.

I simulatori di più semplice concezione sono dei semplici simulatori di giunto meccanici. Poiché la taratura dell'avvitatore può essere impostata su una varietà di valori, risulta però che, in linea teorica, si dovrebbe avere una varietà di simulatori,_ oppure avere la possibilità di variare le caratteristiche del simulatore, cosa generalmente complessa: pertanto, i simulatori meccanici trovano applicazione in casi nei quali sono accettabili condizioni mediate, ma non rispecchiano esattamente le caratteristiche richieste dalla norma. L'uso di simulatori di giunto meccanici ha, inoltre, lo svantaggio di richiedere di svitare la vite dopo ogni taratura per potere eseguire una nuova prova.

Per ovviare a tali svantaggi, sono stati realizzati, come descritto in DE 3305 457, sistemi di prova che utilizzano freni elettromagnetici di vario tipo per simulare gli andamenti coppia-angolo richiesti dalla norma ISO, per mezzo di una modulazione della corrente di alimentazione della bobina del freno.

Il principale difetto di questi sistemi è dovuto al fatto che la frenatura avviene mediante elementi di attrito che per loro natura subiscono variazioni delle caratteristiche a causa del riscaldamento e dell'usura delle superfici di attrito. Non è perciò garantita una costanza di affidabilità nel tempo.

Per ovviare a ciò, è anche stato accennato all’uso di mezzi di frenatura non ad attrito, quali, ad esempio, quelli impieganti generatori di corrente trascinati in rotazione dall'avvitatore, i quali generalmente non hanno caratteristiche elettromeccaniche adeguate.

Comunque, difetto di tutti questi dispositivi, sia con freni tradizionali che con generatori di corrente, è l'elevato momento di inerzia del gruppo frenante che può rivelarsi troppo alto per avvitatori veloci tarati a bassa coppia. In questo caso, non è possibile eseguire la prova in quanto la coppia di spunto per mettere in rotazione il sistema supera la coppia massima per la quale è tarato l’avvitatore che cosi si disinnesta.

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo metodo e dispositivi di prova di avvitatori che permettano di seguire fedelmente le indicazioni delle norme internazionali, con costanza di risultati e anche nel caso di avvitatori con particolari caratteristiche di bassa coppia e/o alta velocità.

In vista di tale scopo si è pensato di realizzare secondo l'invenzione un metodo per la prova di un avvitatore, comprendente le fasi di connettere l’avvitatore ad un elemento ruotabile di attacco, avviare l'avvitatore, misurare la velocità dell'elemento di attacco, alimentare un motore elettrico per portarlo ad una velocità prossima a tale velocità misurata, collegare l'albero del motore elettrico all'elemento di attacco, fare seguire al motore una rampa di frenata mentre viene misurata la coppia trasmessa dall'avvitatore all'albero motore. Per applicare tale metodo, si è anche pensato di realizzare un dispositivo per la prova di un avvitatore, comprendente un elemento ruotabile di attacco al quale viene applicato l'avvitatore da provare, un elemento di frenata connesso all'elemento di attacco per la sua frenata controllata secondo una legge prefissata e mezzi di misura della coppia connessi per la misura della coppia trasmessa fra elemento di attacco ed elemento di frenata, caratterizzato dal fatto che l'elemento di frenata è un motore elettrico connesso all'attacco attraverso mezzi di accoppiamento rilasciabile che 'connettono il motore all'attacco al raggiungimento di una velocità del motore prossima a quella dell'elemento di attacco.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, possibili realizzazioni esemplificative applicanti tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica, parzialmente sezionata, di una prima realizzazione di un dispositivo di prova secondo l'invenzione;

-figura 2 rappresenta una vista, simile a quella di figura 1, di una seconda realizzazione applicante i principi dell 'invenzione.

Con riferimento alle figure, in figura 1 è mostrato un dispositivo di prova, indicato genericamente con 10, comprendente un'elemento ruotabile di attacco 11, sporgente dal piano 12 di un banco di prova per il resto non mostrato. L'attacco 11 è destinato ad accoppiarsi con la testa di un avvitatore 13 da provare e avrà perciò una nota forma adatta al particolare avvitatore. Ad esempio, nei disegni l'attacco 11 è mostrato come un innesto maschio quadro, ma può assumere qualsiasi altra forma, ^maschio o femmina, poligonale o di altro profilo. L'attacco può essere rimuovibile da un mandrino 14, cosi da essere sostituibile con facilità.

Inferiormente al piano del banco, l'attacco 14 è connesso, attraverso mezzi di misura 15 e di innesto a comando 20, ad un motore elettrico 16, che può essere, ad esempio, un motore asincrono, vantaggiosamente un motore di tipo detto brushless. I mezzi di misura 15 comprendono un noto trasduttore di coppia rotante 17, per la misura della coppia trasmessa fra motore 16 e attacco 11 (e quindi avvitatore) e un encoder 18 per la misura della rotazione angolare dell'attacco e della sua velocità di rotazione. L'encoder 18 può essere un elemento separato, connesso, come in figura, attraverso cinghie e pulegge 19, oppure essere integrato nel trasduttore di coppia. I mezzi di innesto 20, disposti fra il gruppo di misura comprendente l'encoder e il motore, sono di un noto tipo comandabile per potere connettere e sconnettere a comando l'albero motore dall'innesto 11. Ad esempio, è stato trovato vantaggioso l'utilizzo di un noto innesto elettromagnetico a dentini 21, cosi da avere un momento di inerzia ridotto rispetto, ad esempio, ad un innesto a frizione di pari coppia trasmissibile. La possibilità di utilizzare un innesto a dentini nasce dal particolare funzionamento del dispositivo di prova secondo l'invenzione, come sarà descritto nel seguito.

Un sistema elettronico di controllo 23, ad esempio un sistema computerizzato, di per sé sostanzialmente di tecnica nota, riceve segnali dal sensore di coppia, dall’encoder e da un sensore di velocità o resolver 24 del motore 16, ed emette segnali di comando per il dispositivo di innesto' 20 e, attraverso un opportuno noto dispositivo di potenza 25, per il motore 16, come sarà spiegato in seguito. Il dispositivo 23 può comprendere uno schermo ed una tastiera per visualizzare informazioni sull'andamento delle prove e per ricevere comandi dall’operatore.

Nell'uso, inizialmente i mezzi di innesto 20 sono disinseriti e il motore 16 è perciò sconnesso dall'attacco. L'operatore innesta nell'attacco 11 un avviatore da provare e lo avvia. La massa in rotazione connessa all'attacco 11 è al momento molto bassa e tale da produrre una coppia di spunto inferiore alla coppia per cui l'avvitatore è regolato. L'avvitatore gira sostanzialmente libero e, quindi, a piena velocità.

L’encoder 18 misura la velocità di rotazione dell'avvitatore e trasmette l'informazione al sistema di controllo 23 che, a sua volta, provvede ad avviare la rotazione del motore 16 fino a portarlo ad una velocità prossima a quella dell'avvitatore (ad esempio, con differenza non superiore al 5% e comunque tale da non fare superare all'avvitatore, quando viene connesso al motore) la coppia per cui è regolato. Vantaggiosamente, la velocità del motore (misurata dal sensore 24} pud essere portata ad uguagliare la velocità dell'avvitatore, cosi che l'innesto a dentini può essere azionato senza strisciamenti per rendere solidale motore e avvitatore attraverso il trasduttore di coppia 17.

A questo punto il sistema provvede ad alimentare il motore per fornire una rampa di frenatura prestabilita, ad esempio per seguire le già citate norme di prova degli avvitatori.

Come ovvio al tecnico, la rampa di frenatura può essere con facilità realizzata per produrre una relazione lineare fra coppia generata e rotazione angolare della testa dell'avvitatore come prescritto dalle norme ISO.

A tale scopo, è possibile esprimere praticamente la rampa di frenatura in coppia-tempo. Per fare ciò, è necessario eseguire una prima prova di identificazione della caratteristica coppia-tempo del particolare avvitatore. In questa fase, l’encoder 18 viene utilizzato per misurare il rapporto coppia-angolo corrispondente a un certo tempo impostato in modo tale che sia possibile ottenere poi una frenata, regolata in funzione del tempo, che avvenga nell'angolo voluto. Il sistema 23 memorizzerà la curva ottenuta, associandola al particolare avvitatore.

Dopo di ciò è possibile eseguire, sia immediatamente che a distanza di tempo, la prova effettiva come sopra descritta, in occasione della quale il sistema provvederà a fornire al motore una curva di frenatura caratteristica, basata sul rapporto coppia-tempo del particolare avvitatore e tale da mantenere lineare il rapporto coppia-angolo.

In altre parole, la rampa di frenatura è effettuata con un gradiente di coppia controllato in tempo, sulla base di parametri precedentemente determinati in fase di mappatura delle caratteristiche dell'avvitatore, che sono stati memorizzati nel sistema e vengono utilizzati per quello specifico avvitatore. Durante la fase di frenata di prova viene misurata istante per istante la coppia in funzione dell'angolo in modo da rilevare la curva caratteristica predeterminata.

Nel caso di prove a distanza di tempo, il sistema sarà cosi in grado di determinare se la curva caratteristica coppia-tempo di quell'avvitatore ha subito delle variazioni rispetto alla curva coppia-angolo desiderata e qualora l'angolo di frenata non fosse quello desiderato provvederà a variare la rampa in funzione del tempo automaticamente per ripristinare le condizioni volute. Al termine della prova il sistema potrà quindi segnalare la corrispondenza dell'avvitatore alle specifiche iniziali.

La rampa di frenatura è anche esprimibile in coppia-angolo, eliminando la prova iniziale ed eseguendo direttamente la prova con il sensore di coppia e l'encoder che forniscono retroazione per il comando della frenatura del motore al fine di mantenere lineare la relazione fra coppia e angolo di rotazione, applicando cosi alla lettera il metodo di prova previsto nelle norme 1505393.

Sia nel caso di rampa di frenatura espressa in coppia-tempo, sia nel caso di rampa di frenatura espressa in coppia-angolo, il risl'tato della prova rimane comunque fedele alle prescrizioni normative.

Al termine della prova l 'innesto 20 sconnette il motore dall’avvitatore e il sistema 6 pronto per la prova successiva. Naturalmente il sistema di controllo pud elaborare il risultato della prova, o di più prove, e fornire risultati statistici, grafici, ecc. come facilmente immaginabile dal tecnico.

Nell'uso di un motore elettrico come elemento di frenatura può nascere un problema pratico. Infatti, la rotazione del motore impiegato come freno può divenire instabile in prossimità della velocità zero. In altre parole, il motore potrebbe tendere ad oscillare attorno alla velocità zero, invertendo continuamente la marcia fino a che non è completamente fermo. Il grafico coppia-tempo (o coppia-angolo) non sarebbe perciò più lineare in prossimità del punto di fermata (cioè di coppia massima). Per risolvere con semplicità il problema, fra motore e innesto 21 è inserito, vantaggiosamente, un dispositivo a ruota libera 22 che consente la rotazione dell'albero motore solo in un senso (quello concorde con la normale rotazione dell'avvitatore) e funge da dispositivo antiritorno nel senso di rotazione opposto.

E' cosi possibile fornire una rampa di frenata con una coppia decisamente superiore a quella erogata dall'avvitatore ottenendo cosi un andamento lineare fino all'arresto. L'eccedenza di coppia che supera quella necessaria ad arrestare l'avvitatore viene assorbita dalla ruota libera, la quale impedisce la rotazione del motore in senso opposto a causa dell'eccesso di coppia. La ruota libera ha anche una funzione antinfortunistica, impedendo la rotazione inversa del motore e quindi la possibilità che il motore trascini in rotazione contraria l'intero avvitatore.

Per rendere ancora più chiari i principi dell'invenzione, sarà ora descritta, con riferimento alla figura 2, una seconda realizzazione di un dispositivo di prova applicante tali principi.

Elementi simili, per struttura o funzione, a quelli della realizzazione di figura 1 saranno indicati nel seguito con la stessa numerazione usata in figura 1 incrementata di cento. Si ha, quindi, un dispositivo di prova, indicato genericamente con 110, comprendente un attacco di innesto 111, sporgente dal piano 112 di un banco di prova e adatto per 1'impegno con la testa di un avvitatore da provare. L'attacco può essere rimuovibile da un mandrino 114, cosi da essere sostituibile con facilità.

Inferiormente al piano del banco, l'attacco 114 è connesso, attraverso mezzi di misura 115 e di innesto 120 disposti in serie, ad un motore elettrico 116, che può essere, ad esempio, un motore asincrono, vantaggiosamente un motore di tipo detto brushless.

I mezzi di misura 115 comprendono un noto trasduttore di coppia rotante 117, per la misura della coppia trasmessa fra motore 116 e attacco 111 e un encoder 118, connesso all'elemento di attacco attraverso una trasmissione 119,' per la misura della rotazione angolare e della velocità di rotazione dell'attacco. In alternativa, l'encoder può essere integrato nel misuratore di coppia.

A differenza della realizzazione di figura 1, i mezzi di innesto 120 sono realizzati con un semplice dispositivo a ruota libera 121, di capacità adeguata a trasmettere la massima coppia richiesta, calettato sull'albero del motore per disinnestarlo dall'attacco 111 quando la velocità di rotazione del motore è superiore a quella dell'innesto.

Un sistema elettronico di controllo 123, ad esempio un sistema computerizzato, di per sé sostanzialmente di tecnica nota, riceve segnali dal sensore di coppia, dall'encoder e da un sensore di velocità o resolver 124 del motore 116, e comanda, attraverso un opportuno noto dispositivo di potenza 125, il motore 116 come sarà spiegato in seguito. Il dispositivo 123 pud comprendere uno schermo ed una tastiera per visualizzare informazioni sull'andamento delle prove e per ricevere comandi dall'operatore. Sull'albero del motore è anche è presente una seconda ruota libera 122 che connette 1'albero del motore al telaio del dispositivo per fornire gli stessi effetti decritti per la ruota libera 22.

Durante il funzionamento del dispositivo, il motore 116 viene dapprima posto in rotazione ad una velocità superiore a quella massima dell’avvitatore da provare (tipicamente 2000 giri/minuto). Ad esempio, può essere scelta una unica velocità maggiore del più veloce avvitatore che potrebbe essere necessario provare. In tali condizioni, l'attacco 111 non ruota grazie all'azione della ruota libera 121.

A questo punto, l'avvitatore può essere connesso all'attacco 111 e azionato. La ruota libera continua ad essere disinnestata poiché la velocità a vuoto dell'avvitatore è sicuramente inferiore a quella del motore 116.

L’encoder 118 misura la velocità di rotazione dell'avvitatore e trasmette l'informazione al sistema 123, che a sua volta provvede a diminuire la velocità di rotazione del motore 116 fino ad una velocità leggermente superiore a quella dell'avvitatore (ad esempio, superiore non più del 3-5%).

Raggiunta tale condizione, il sistema provvede ad alimentare il motore per avere una rampa di frenatura come già descritto per la realizzazione precedente. Durante la frenatura la ruota libera 121 viene sottoposta ad un senso di rotazione opposto a quello iniziale e perciò rende solidale il motore 116 e l'innesto 111 attraverso il trasduttore di coppia 117.

Al termine del ciclo di prova il motore riprende a ruotare alla elevata velocità iniziale, liberando la ruota libera 121 e predisponendo cosi il dispositivo per la prova successiva.

Grazie all'utilizzo di una ruota libera, anziché di un innesto comandato come nella precedente realizzazione, il momento di inerzia che grava sull'attacco 111 prima dell'innesto dei mezzi di innesto 120 è ulteriormente ridotto. La seconda realizzazione à perciò vantaggiosamente impiegabile per la prova di avvitatori a bassa coppia ed elevato numero di giri (tipicamente nella gamma 0.5-10Nm con velocità superiori ai 1500 giri/minuto).

A questo punto è chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati. Grazie al metodo descritto di avviare preventivamente un motore destinato all'azione frenante controllata, per portarlo ad una velocità prossima a quella a vuoto dell'avvitatore, e solo in seguito innestare ad esso l'avvitatore, è possibile, senza problemi, anche la prova di avvitatori con i quali un eccesso di momento di inerzia potrebbe impedire l'avvio in rotazione dell'avvitatore.

E' da notare che la frenatura avviene senza attrito meccanico e, quindi, senza usura, garantendo pertanto, oltre alla precisione e ripetibilità delle misure, una durata prolungata nel tempo.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di realizzazioni applicanti i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato.

Ad esempio, l'esatta struttura meccanica e il dimensionamento dei vari elementi del dispositivo di prova varieranno a seconda delle specifiche esigenze pratiche I mezzi di innesto fra motore e avvitatore possono essere realizzati diversamente da come mostrati ed essere azionati elettricamente, pneumaticamente, ecc. Il misuratore della velocità di rotazione dell'attacco può essere differente da un encoder con segnale opportunamente elaborato. Il sensore di angolo e il sensore di velocità possono anche essere due dispositivi separati, come ovvio al tecnico. Inoltre, anche il trasduttore di coppia pud essere realizzato con altri mezzi noti ed essere diversamente posizionato.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la prova di un avvitatore, comprendente le fasi di: -connettere l'avvitatore ad un elemento ruotabile di attacco; -avviare l’avvitatore; -misurare la velocità dell'elemento di attacco; -alimentare un motore elettrico per portarlo ad una velocità prossima a tale velocità misurata; -collegare l'albero del motore elettrico all'elemento di attacco; -fare seguire al motore una rampa di frenata mentre viene misurata la coppia trasmessa dall'avvitatore all'albero motore.
2. 2. Metodo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la rampa di frenata è controllata per avere una variazione di coppia lineare con l'angolo di rotazione dell'avvitatore.
3. 3. Metodo secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la rampa di frenata è effettuata con un gradiente di coppia controllato nel tempo in base ad una 'predeterminata curva caratteristica coppia-tempo in funzione dell’angolo di frenata voluto per il particolare avvitatore in prova.
4. 4. Metodo secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di misurare anche l'angolo di rotazione dell'avvitatore e di variare la rampa di frenata per mantenere lineare la relazione fra coppia misurata e angolo misurato.
5. 5. Dispositivo per la prova di un avvitatore, comprendente un elemento ruotabile di attacco (11, 111) al quale viene applicato l’avvitatore da provare, un elemento di frenata (16, 116) connesso all’elemento di attacco per la sua frenata controllata secondo una legge prefissata e mezzi (17, 117) di misura della coppia connessi per la misura della coppia trasmessa fra elemento di attacco ed elemento di frenata, caratterizzato dal fatto che l'elemento di frenata è un motore elettrico (16, 116) connesso all'elemento di attacco (11, 111) attraverso mezzi di accoppiamento rilasciabile (20, 120) che connettono il motore all’elemento di attacco al raggiungimento di una velocità del motore prossima a quella dell'elemento di attacco.
6. 6. Dispositivo secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore di velocità (16, 118) connesso all'elemento di attacco per rilevarne la velocità, un dispositivo (25, 125) di controllo del motore ricevendo segnale di velocità dal sensore e alimentando il motore per portarlo alla detta velocità prossima a quella dell'elemento di attacco.
7. 7. Dispositivo secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere anche un sensore (18, 118) di misura della rotazione angolare dell'elemento di attacco.
8. 8. Dispositivo secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i mezzi di misura della coppia comprendono un trasduttore di coppia (17, 117) disposto fra elemento di attacco (11, 111) e mezzi rilasciabili (20, 120).
9. 9. Dispositivo secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i mezzi rilasciabili comprendono un meccanismo a ruota libera (121) disposto fra elemento di attacco e albero del motore.
10. 10. Dispositivo secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che i mezzi rilasciabili comprendono un giunto di innesto (21) comandato elettricamente dal dispositivo di controllo per innestare albero motore ed elemento di attacco.
11. 11. Dispositivo secondo rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che il giunto di innesto (21) comandato elettricamente è un innesto elettromagnetico a denti.
12. 12. Dispositivo secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che sull'albero motore è presente una ruota libera (22, 122) di blocco di una rotazione dell’albero opposta alla normale rotazione dell'elemento di attacco.
13. 13. Dispositivo secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il motore è un motore brushless.