ITMO20060104A1 - Metodo per determinare e compensare lo stato di deformazioni in strutture complesse di macchine utensili a controllo numerico e sistema di sensori ottici compositi - Google Patents
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Description
PAMA S.P.A.
ir Descrizione di invenzione industriale
Depositata i^ 8 MAR 2006
Metodo per determinare e compensare lo stato di deformazione in strutture complesse di macchine utensili a controllo numerico e sistema di sensori ottici compositi
La presente invenzione si riferisce ad un metodo per determinare lo stato di deformazione di strutture complesse in macchine operatrici a controllo numerico, nonché si riferisce ad un sistema di sensori a fibra ottica accoppiati ad una struttura di misura reticolare bidimensionale che si presenta di trascurabile rigidezza. Detta struttura di misura reticolare è resa solidale, come corpo unico, alla struttura complessa della macchina operatrice. Nella descrizione che segue e nelle rivendicazioni, il termine macchina operatrice sta ad indicare qualsiasi tipo di macchina utensile, preferibilmente a controllo numerico e di grandi dimensioni.
Il crescente sviluppo tecnologico e la necessità una analisi delle sollecitazioni più precisa
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accurata in settori d'avanguardia, in particolar modo nei centri di lavoro quali macchine utensili a controllo numerico (CNC), hanno causato, negli ultimi anni, un continuo evolversi delle metodologie e delle possibilità accurate di rilievo e di elaborazione soprattutto nell'ambito delle deformazioni.
Nel campo della determinazione dello stato delle sollecitazioni e del conseguente stato delle deformazioni, solo in casi particolari i metodi analitici permettono di trovare le soluzioni esatte. Soluzioni approssimate possono essere trovate per alcune semplici configurazioni strutturali, ma, in generale, per strutture complicate non possono essere usati i metodi analitici e si deve far ricorso a nuovi metodi di acquisizione e di elaborazione per interventi mirati e precisi sugli organi operativi. Questi ultimi metodi sono quelli che, al momento attuale, appaiono più generali e più utili per determinare lo stato complessivo delle sollecitazioni e delle conseguenti deformazioni.
Per inciso si prestano molto bene a sostituire gran parte delle vecchie metodologie delle soluzioni particolari con un approccio fortemente innovativo, sia nei casi di analisi statica e sia, in particolar
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3 AAJ \J ir modo, nei casi di analisi dinamica.
Dallo stato della tecnica è noto che nel campo della
determinazione sperimentale delle sollecitazioni e le
conseguenti deformazioni il metodo di maggior impiego
pratico è quello basato sull'utilizzo degli
estensimetri elettrici. In alcuni casi particolari si
dimostrano utili anche altri metodi, quali per esempio
quello fotoelastico, oppure dispositivi rivelatori, o
sensori di posizione.
Nel confrontare i risultati operativi con i risultati
sperimentali è essenziale tener presente quali sono le
caratteristiche intrinseche degli strumenti utilizzati
in relazione al campo di sollecitazione in esame ed
alle approssimazioni introdotte nell'ambito della
valutazione numerica e sperimentale.
E' bene inoltre ricordare che in molti casi di pratico
interesse, sia i metodi numerici che quelli
sperimentali di tecnica nota sono in grado di fornire
solo in parte lo stato di deformazione complessivo cui
è soggetta la struttura complessa nelle sue varie
parti .
Sempre maggiore interesse viene, quindi, prestato a
metodologie strettamente ingegneristiche che, partendo
da prescritte condizioni ambientali e di carico Γ
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tipo statico e dinamico o di forze d'inerzia e con certi vincoli, permettono di determinare, elaborare e compensare lo stato di deformazione in strutture complesse in macchine operatrici, in particolare di macchine utensili a controllo numerico di grande interesse industriale, quali macchine alesatrici di consistenti dimensioni. Dallo stato della tecnica e per i tecnici del settore è noto che la precisione di posizionamento di grandi macchine utensili per la fresatura e per l'alesatura con variazioni di posizionamento di utensili o di parti delle medesime macchine utensili, come il bareno o mandrino porta utensile o gli slittoni, movimentati a svariati metri, è notevolmente influenzata da deformazioni strutturali .
Le deformazioni indotte dallo stato termico, la deformazione di lunga durata del basamento e lo stesso processo di lavorazione all'utensile, causano deformazioni strutturali, dipendenti dal tempo, nel corpo macchina, che sono difficili da modellare, da prevedere e da prefissare. Dallo stato della tecnica è noto che in grandi macchine utensili, dove sono installate potenze notevoli, si genera e si sviluppa
innescano sensibili variazioni di temperature durante il funzionamento delle medesime parti in movimento operativo. Tutto ciò comporta dilatazioni termiche di vari organi della macchina utensile e di conseguenza allungamenti e deformazioni strutturali difficilmente rilevabili e controllabili al fine di agire alla loro compensazione .
E',altresì, noto che l'aumento della precisione di posizionamento degli utensili in macchine a controllo numerico - CNC - è di grande interesse industriale, particolarmente nel caso di grandi macchine fresatrici e alesatrici. Infatti, errori geometrici e deformazioni termico strutturali sono particolarmente dannosi quando la movimentazione dell'utensile su assi lineari è nell'ordine di cinque metri ed oltre, poiché si riflettono sulla precisione complessiva di posizionamento, che è raramente inferiore a 0,1 mm.
(un decimo di millimetro).
E', altresì, noto l'impiego di una macchina utensile di sensori di posizione di tecnica nota, le cui misure vengono elaborate mediante un algoritmo caricato nel controllo numerico - CNC - della stessa macchina utensile per determinare la correzione della quota di posizionamento, che compensa le deformazioni termiche-
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strutturali dei dispositivi, o degli organi operativi. Per inciso, come è ben noto ai tecnici del ramo, le due principali fonti di errori possono essere descritte come:
- errori geometrici, che possono essere espressi come errore di forma e che possono essere considerati come indipendenti dal tempo rispetto alla durata del ciclo di lavorazione;
- deformazioni termico-strutturali che sono effetti di carichi termici, strutturali e inerziali che agiscono sulla struttura della macchina e che sono intrinsecamente dipendenti dal tempo.
Con riferimento a tale campo della tecnica relativo alla precisione di lavorazione in grandi macchine utensili, i tecnici del settore sanno che il problema è nelle deformazioni termico-strutturali, cioè la misurazione e la compensazione degli errori dipendenti dal tempo.
Vari accorgimenti proposti dalla tecnica e sopra in parte accennati hanno portato ultimamente dei miglioramenti nel campo della precisione complessiva delle lavorazioni meccaniche alle macchine utensili, ciononostante detti accorgimenti non assicurano lavorazioni di precisione dell'ordine del centesimo
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millimetro, che si riscontra il valore di precisione
sempre più richiesto nella pratica attuazione delle
lavorazioni nelle grandi macchine fresatrici e
alesatrici .
Gli accorgimenti proposti, inoltre, dalla tecnica
nota, per soddisfare all'aumento richiesto della
precisione di posizionamento degli utensili e, quindi,
la precisione complessiva di posizionamento dei vari
organi della macchina, sono risultati non
perfettamente efficaci dando luogo, infatti, a
precisioni complessive di lavorazione non di rado
precarie e a risultati di lavorazioni non sempre
ripetibili nell'ambito dei valori prefissati di
precisione nella pratica attuazione.
Scopo della presente invenzione è quello di eliminare
i sopramenzionati inconvenienti escogitando un metodo
ed una struttura di misura reticolare per un sensore
composito diretto di deformata -SDD-, i quali diano
luogo a un risultato irreprensibile di elevata
precisione di posizionamento degli utensili e di
sicuro affidamento nella reperibilità sulla posizione
complessiva di posizionamento consistente
essenzialmente nella necessità di ottenere una
precisione sostanzialmente dell'ordine del centesimo
✓V/
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di millimetro (0,01 mm) sulle lavorazioni di superfici
di pezzi meccanici di qualsivoglia dimensione.
Questi ed altri scopi ancora vengono tutti raggiunti
tramite il metodo della presente invenzione che
consente di :
acquisire la deformata della struttura della
macchina utensile mediante il rilevamento della
deformata di una struttura di misura reticolare
bidimensionale formata da più aste connesse tra loro,
che si presentano rettilinee e di trascurabile
rigidezza e dette aste confluiscono in più nodicerniere che vengono fissati rigidamente alla
struttura della macchina utensile;
misurare in continuo le deformazioni termicostrutturali della macchina utensile per mezzo di un
sistema di sensori a fibra ottica compositi accoppiati
alle aste rettilinee connesse tra di loro per formare
la struttura di misura reticolare;
- rilevare le deformate delle strutture della macchina
utensile con frequenza a valore alto di esecuzione per
mezzo dei sensori a fibra ottica compositi su una
scala temporale paragonabile con i valori delle
frequenze di pilotaggio delle fasi di esecuzione del
processo di lavorazione all'utensile in macchine
fa
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9 i/w Η operatrici a controllo numerico - CNC - ;
- elaborare lo stato complessivo di deformazioni per intervenire, a frequenze elevate, a generare le correzioni nell'unità di governo a controllo numerico che pilota i punti di posizionamento degli utensili nei processi di lavorazione in macchine utensili, particolarmente in grandi macchine fresatrici ed alesatrici ;
- integrare i segnali generati dal sistema dei sensori a fibra ottica compositi attraverso una unità di filtraggio adatta a compensare i rilevamenti senza causare instabilità all'anello funzionale del controllo numerico della macchina utensile;
fornire una misurazione in tempo reale della posizione deformata di qualunque punto della struttura di macchina monitorata per interpolazione della posizione deformata dei nodi dei sensori a fibra ottica che coincidono con i nodi-cerniera degli elementi connessi alla struttura di misura reticolare bidimensionale ;
- misurare i livelli di deformazione complessivi privi di deviazione su scala temporale e compensati agli effetti delle temperature di esercizio delle strutture monitorate della macchina utensile.
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Secondo una forma di attuazione il metodo consente di
acquisire la deformata della struttura della macchina
utensile per interpolazione delle posizioni assunte
dai nodi dopo la deformazione della struttura di
misura reticolare che si presenta come un insieme di
elementi, o di aste disposte in modo da formare una
struttura bidimensionale, in cui ogni asta è dotata di
un sensore di deformazione lungo la direzione assiale
e le deformazioni longitudinali dei sensori-asta sono
usate per ricostruire, per triangolazioni, lo
spostamento sul piano dei sensori-nodo che sono
fissati rigidamente alla struttura sottostante della
macchina utensile.
Secondo una ulteriore forma di attuazione il metodo
presenta almeno due strutture di misura reticolari
bidimensionali, ciascuna fissata rigidamente con i
propri nodi-cerniera a piani diversi, o a piani
cartesiani della struttura di macchina sottostante da
monitorare al rilevamento della deformazione su scala
temporale .
Secondo una ulteriore forma di attuazione il metodo
presenta le aste della struttura di misura reticolare
equipaggiate con almeno un sensore di deformazione a
fibra ottica, che include almeno un reticolo di Bragg
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-FBG - per permettere la rilevazione e la misurazione di deformazioni sulle strutture di macchina utensile date da fenomeni dinamici e da carichi strutturali dipendenti dal tempo.
Secondo una ulteriore forma di attuazione il metodo consente di misurare, con i sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg - FBG - i valori di deformazione che non includono nessuna deviazione nei valori rilevati, permettendo un paragone diretto tra i livelli di deformazione istantanea e quelli di riferimento, dopo un lungo periodo di tempo e dopo ripetute sospensioni operative .
La struttura di misura reticolare con più sensori compositi per la pratica realizzazione del metodo della presente invenzione comprende:
un sistema di aste rettilinee caricate monoassialmente e disposte in modo da formare una struttura reticolare bidimensionale;
- sensori compositi di rilievo deformazioni associati e assemblati lungo la direzione assiale di ciascuna asta della struttura di misura reticolare;
- nodi-cerniere ciascuno formato dalla confluenza di più aste e ciascuno vincolato rigidamente alla struttura sottostante della macchina utensile.
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Secondo una forma di attuazione la struttura di misura
reticolare della presente invenzione include che ogni
asta è pretensionata per mezzo di dadi di fissaggio, o
elementi consimili, posizionati nei nodi-cerniere
della struttura reticolare.
Secondo una ulteriore forma di attuazione la struttura
di misura reticolare della presente invenzione include
che le aste che confluiscono nei nodi -cerniere
presentano profili sostanzialmente curvilinei per
adattarsi ai contorni curvi della struttura della
macchina utensile da monitorare nel rilevamento della
deformata complessiva.
Secondo un ulteriore forma di attuazione la struttura
di misura reticolare della presente invenzione include
che i sensori compositi di rilievo deformazioni sono
sensori a fibre ottiche integrate da almeno un
reticolo di Bragg vantaggiosamente sottoposto al
drogaggio dell'elemento cristallino Germanio, o
composti dal germanio stesso.
Secondo una ulteriore forma di attuazione la struttura
di misura reticolare della presente invenzione include
che le fibre ottiche integrate con i reticoli di Bragg
sono sufficientemente pretensionate nell'ancoraggio
sulle aste supporto della stessa struttura di misura
I
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reticolare .
Secondo una ulteriore forma di attuazione la struttura
di misura reticolare della presente invenzione si
concretizza nel presentare almeno due sensori a fibre
ottiche integrate con i reticoli di Bragg montati
liberi alle due estremità della struttura della
macchina utensile per monitorare e per compensare le
deformazioni originate dalle variazioni di
temperatura .
Secondo una ulteriore forma di attuazione la struttura
di misura reticolare della presente invenzione si
concretizza nel presentare per ciascun piano
cartesiano relativo ad uno dei tre assi cartesiani
della struttura della macchina utensile da monitorare
al rilievo delle deformazioni, almeno un sistema di
aste rettilinee e/o curvilinee a struttura reticolare
bidimensionale associate ai sensori compositi a fibra
ottica e ai nodi-cerniere formati dalla confluenza
delle aste stesse e vincolati rigidamente alla
struttura sottostante nel rilievo temporale delle
deformazioni .
L'invenzione sarà descritta dettagliatamente in
appresso in base all'esempio di realizzazione
presentato schematicamente nei disegni delle tavole
/
.MODEN 7A% P »I .
Λ/ ai
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allegate, che illustrano sommariamente le
caratteristiche dell'invenzione, dovendosi segnalare
che tutti i disegni allegati, così come la descrizione
che si farà degli stessi, corrispondono ad una forma
preferita di esecuzione per rendere più comprensibile
il suo modo di attuazione, però si ritengono compresi
nella protezione, che si richiede, le eventuali
variazioni di posizioni reciproche degli elementi
così, pure, le conseguenti semplificazioni, che ne
potrebbero derivare a tutte le varianti costruttive
incluse nell'idea generale, che viene esposta nei
disegni allegati di cui:
- la figura 1 è una vista schematica in prospettiva
assonometrica di strutture portanti di una macchina
utensile e in particolare una slitta longitudinale ed
un montante verticale porta mandrino di alesatura con
barra alesatrice o bareno e, detta vista mostra, pure,
le strutture di misura reticolari bidimensionali
vantaggiosamente vincolate alle strutture sottostanti
da monitorare appartenenti alla macchina utensile
preferibilmente una alesatrice con incastellature
molto rilevanti;
- La figura 2 è una vista schematica in prospettiva
assonometrica di un nodo-cerniera su cui confluiscono
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15 [ÀAJ V più aste della struttura di misura reticolare e dette aste sono assemblate e vincolate ai nodi-cerniera per mezzo di dadi fissaggio o elementi di collegamento consimili e, detta vista mostra, pure, l'ancoraggio rigido tra il nodo-cerniera e il piano della struttura sottostante da monitorare appartenente alla macchina utensile preferibilmente una alesatrice a controllo numerico;
- La figura 3 è una vista schematica della struttura di misura reticolare bidimensionale nella configurazione di non sollecitazione e, quindi in condizione 16 scarica.
- La figura 4 è una vista schematica della struttura di misura reticolare bidimensionale nella configurazione di sollecitazione 16a con carico puntale 15 applicato alla struttura.
Nelle figure parti corrispondenti, o con funzioni uguali, sono munite per semplicità di identici caratteri di riferimento. Nelle figure, altresì, a scopo di chiarezza dell'insieme, i meccanismi, gli utensili, il pezzo da lavorare, le slitte e le incastellature, che costituiscono in reciproca cooperazione la macchina utensile alesatrice, non sono illustrati e non vengono, quindi, descritti nel loro
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16
funzionamento in quanto già noti, ed anche perché non sono necessari per la comprensione del funzionamento della presente invenzione. Così, ad esempio, non vengono rappresentate le motorizzazioni di azionamento del mandrino, delle slitte di avanzamento, delle varie tavole e dei vari montanti e così, pure, non vengono rappresentati e descritti i particolari circuitali dell'unità di governo del controllo numerico -CNC -tutti di tecnica nota.
Nelle tavole allegate:
1 è una slitta longitudinale per consentire una traslazione orizzontale della struttura di supporto 2, che sostiene il montante verticale 5 del mandrino 4 e della barra alesatrice o bareno 3; 6 e 7 sono strutture di misura reticolari vincolate e posizionate ai piani verticali tra loro ortogonali del montante 5 porta mandrino 4; 8 è una struttura di misura reticolare vincolata orizzontalmente lungo il fianco longitudinale della slitta 1; 10 è il piano generico di struttura della macchina utensile da monitorare e su detto piano 10 è vincolato rigidamente, per mezzo dell'elemento meccanico di fissaggio 12, il nodocerniera 13 formato dalla confluenza di più aste 14 sostanzialmente rettilinee e sufficientemente
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pensionate monoassialmente dai dadi 11. Dette aste 14
sono disposte in modo da formare la struttura di misura reticolare 6 o 7 o 8; 9 è il sensore composto
di deformazione associato lungo la direzione assiale
di ciascuna asta 14 delle dette strutture reticolari bidimensionali 6, 7 e 8 di figura 1. Per inciso i sensori compositi di rilievo deformazioni 9 sono vantaggiosamente associati lungo la direzione assiale
di ciascuna asta 14 della struttura di misura reticolare bidimensionale e su dette aste 14 rettilinee e/o sostanzialmente curvilinee i sensori compositi 9 sono leggermente pretensionati nell'ancoraggio alle aste stesse 14. I sensori compositi 9 di rilievo deformazioni sono sensori a
fibre ottiche integrate da almeno un reticolo di Bragg preferibilmente sottoposto al drogaggio dell'elemento cristallino di germanio, o composti di germanio stesso
di tecnica nota. Le fibre ottiche, infatti, si sono affermate negli ultimi anni come vettori di informazione altamente efficaci dal punto di vista
della velocità di trasmissione, della durata, dell'affidabilità nel tempo e nella ridotta dispersione del segnale. Le informazioni transitano
nella fibra ottica sottoforma di raggio luminoso, che
MOD
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18 ΛΑΧ viene trasmesso a distanze anche rilevanti grazie a
riflessioni multiple fatte avvenire all'interno della
fibra. Inserendo, come è ben noto, nella fibra degli
elementi ottici passivi a comportamento noto è
possibile fare in modo che il raggio luminoso in
transito sia modulato in modo coerente con la
deformazione assiale della fibra in corrispondenza
dell'elemento ottico stesso. A seconda dell'elemento
ottico utilizzato, la modulazione può essere più
sensibile alla deformazione, oppure può seguire con
maggiore prontezza la deformazione nel tempo, oppure
ancora essere sensibile alle vibrazioni. Per quanto
concerne la proponente, dopo lunghe sperimentazioni,
l'elemento ottico scelto è il reticolo di Bragg
"scritto" su fibra ottica e drogato tipicamente con
germanio o composti del germanio stesso -FBG (Fibre
Bragg Gratings) . Quando il reticolo è soggetto a
deformazioni o variazione di temperatura, il periodo
dello stesso reticolo varia. Ciò determina la
variazione della lunghezza d'onda riflessa, e detta
variazione provoca in definitiva lo spostamento della
lunghezza d'onda caratteristica del reticolo. Tale
meccanismo noto consente la misurazione diretta di
deformazione e temperatura. Lungo una fibra, come
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19 VAA/
guida ottica, è possibile inserire più reticoli di Bragg, in modo da poter misurare la deformazione assiale della fibra in più punti. Chiaramente la fibra ottica 9 può vantaggiosamente essere avvolta attorno all'asta 14 per una lunghezza adeguata alle esigenze di posizione dei reticoli di Bragg come è ben noto agli esperti del ramo. Così pure è noto che le fibre ottiche 9 vengono quasi sempre incollate alle aste 14 che si presentano come sensori-supporto. Per quanto concerne i limiti di impiego, le fibre ottiche 9 possono sopportare deformazioni del 2% (due per cento)e proprio per questo vengono di solito pretensionate del 1% (uno per cento) al momento dell'incollaggio sul supporto dell'asta 14. La proponente nella lunga sperimentazione per stabilire l'innovazione in oggetto ha notato che siccome il passo del reticolo varia al variare della temperatura, vanno previste alcune fibre ottiche con reticoli di Bragg di riferimento, cioè non tensionate e lasciate libere in modo da rilevare solamente le variazioni di passo del reticolo dovute a variazioni di temperatura della fibra stessa 9. Il sensore composto 9 con le
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misurazione della deformata delle principali componenti strutturali di una macchina utensile per fresatura, o alesatura a tre assi cartesiani, come quella mostrata in Fig.l.
Dal punto di vista della prestazione, l'originalità della soluzione proposta è la frequenza operativa elevata del sensore composito 9 (di circa 1000 Hz), che permette una misurazione delle deformazioni su una scala temporale compatibile con il processo di lavorazione all'utensile. Il sensore composito -SDD- è realizzato da un sistema di aste 14 monotorizzate, disposte in modo da formare una struttura bidimensionale, nel quale ogni asta 14 è dotata di un sensore 9 di deformazione lungo la direzione assiale delle aste stesse 14. Quando la struttura reticolare 16 è vincolata, nodo per nodo 13, ad un componente strutturale 10 di una macchina utensile di grandi dimensioni, la deformazione longitudinale di ogni sensore-asta 9-14 può essere usato per ricostruire, per triangolazione, lo spostamento sul piano 10 di ogni nodo 13. Fino a quando i nodi-cerniera 13 sono fissati rigidamente alla struttura sottostante 10, si può ottenere la deformata della struttura 5, o della struttura 1, per interpolazione, dalla posizione
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21 l/w assunta dai nodi-cerniera 13 dopo la deformazione. Per esempio, i tre sensori SDD1, SDD2 e SDD3 mostrati schematicamente in figura 1 possono essere utilizzati per misurare la deformata della struttura banco 1 (SDD1) e della struttura del montante verticale 5 in corrispondenza dei due piani ortogonali verticali (SDD2 e SDD3). Il potenziale del semplice concetto qui sopra espresso nella previsione dell'errore e nella compensazione diventa anche più interessante se le aste 14 sono equipaggiate con sensori di deformazione FBG ottici (Fiber-optic Bragg Gratings FBG, di tecnica nota: "Y-J RAO, in fibre bragg grating sensor" Meas Sci Technol, voi.8 pp.335-375,1997.)
Infatti, oltre ai livelli di risoluzione e precisione appropriati per l'applicazione, i sensori FBG 9 sono particolarmente interessanti poiché hanno un range dinamico nominale da DC fino a 250 Hz ed oltre, che permette la rilevazione e la misurazione di deformazioni strutturali che si sviluppano sia in tempi lunghi (come le deformazioni termiche) sia in tempi più brevi (come deformazioni date da fenomeni dinamici e da carichi strutturali). In aggiunta ancora più importante per l'applicazione sperimentata dalla proponente, i sensori FBG non mostrano nessuna
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deviazione nei valori misurati di deformazione, permettendo un paragone diretto tra i livelli di deformazione istantanea e quelli di riferimento, anche dopo un lungo periodo di tempo e dopo ripetute sospensioni.
La proponente della presente invenzione ha sviluppato nella sperimentazione un modello agli elementi finiti di un basamento a slitta longitudinale 1 semplificato di una macchina utensile, caricata con carichi termici e strutturali, allo scopo di verificare la fattibilità nell'ambito della precisione del sensore composito 9. L'intensità dei carichi è stata determinata in modo da ottenere spostamenti comparabili con quelli di solito presenti su grandi macchine utensili fresatrici ed alesatrici. I segnali di "output" di un sensore ottico composito -SDD- con una struttura di misura reticolare 16 di figura 3 di circa dodici nodi-cerniera 13 sono stati derivati per interpolazione degli spostamenti della soluzione agli elementi finiti di una macchina utensile a ogni posizione di un nodo del sensore composito SDD.
Tralasciando le equazioni e i sistemi di due o più equazioni e le espressioni esplicitate tra le varie grandezze per brevità di esposizione i risultati
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provano che la risoluzione dei sensori FBG sulle deformazioni è sufficiente a misurare accuratamente deformazioni della stessa entità di quelle solitamente presenti in grandi macchine fresatrici ed alesatrici. Sulla base dei buoni risultati ottenuti dalla proponente con il modello agli elementi finiti, è stato realizzato un prototipo di sensore al fine di verificare l'effetto del progetto dalle prestazioni del sensore composito SDD. Per esempio per quanto ora detto viene considerato che la struttura di misura reticolare 16 con più sensori 9 sia fatta da nodicerniere 13 ideali (tramite le quali non vengono trasmessi i momenti) e aste 14 dal comportamento lineare ideale precaricate monoassialmente. Infatti, solo sotto questa ipotesi si può mantenere l'assunzione che la lunghezza della i-esima asta 14 è linearmente legata alla deformazione misurata dal suo sensore 9 che rileva la deformazione assiale.
Il modello di prototipo sperimentato dalla proponente è, precisamente, una struttura a trave reticolare con il sensore diretto di deformata (SDD) costituita con una serie di aste cilindriche 14 attaccate con i nodicerniera 13 ad una faccia laterale della struttura d banco 1. Ogni asta 14 ha un sensore FBG incollato pe
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metà della sua lunghezza, e l'asta 14 è pretensionata grazie ai dadi di fissaggio 11, così che non possono essere presenti inversioni di carico che determinerebbero errori di misurazione. Due sensori FBG addizionali liberi montati alle due estremità della struttura sono usati per le compensazioni di temperatura della struttura di macchina monitorata. La serie di sensori FBG costituenti con la struttura di misura reticolare il sensore diretto di deformata -SDD- è stata connessa con WDM interrogatori (Micronoptics SI 425, multiplexing frequency 250 Hz), che ha comunicato i dati sulle deformazioni a un personal computer via protocollo TCP/IP. E' stato sviluppato inoltre un software specializzato che permette il calcolo e la visualizzazione della struttura deformata amplificata (v.figura 4) in tempo reale. La relazione, inoltre, tra il carico applicato sul prototipo e i valori di deformazione risulta essere lineare. Il prototipo sperimentato è così adatto a descrivere la deformazione della struttura collegata con una precisione di circa un micron il che supera la precisione tipica di grandi macchine utensili a controllo numerico CNC
Il sensore composito -SDD- (sensore diretto
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deformata) , o struttura di misura reticolare con sensori FBG, di tecnica nota, nello sviluppo della sperimentazione attuata ha confermato i seguenti aspetti :
- comportamento statico a lungo termine : i sensori 9 di deformazione FBG non mostrano spostamenti (drift) del segnale e non richiedono nessuna ricalibrazione dopo gli spegnimenti della macchina. Di conseguenza l'SDD fornisce una misura di deformazione della struttura collegata rispetto ad uno stato di riferimento, che può eventualmente essere lo stato della macchina all'installazione. La precisione a lungo termine e la ripetibilità delle misure ottenute con l'SDD sono state testate dalla proponente durante la fase di sperimentazione;
- comportamento dinamico : la frequenza relativamente alta del segnale dei sensori FBG 9 suggerisce la possibilità di utilizzare l'output dell'SDD come segnale di compensazione anche durante le operazioni effettuate dalla macchina utensile. Per esempio, le deformazioni della colonna 5 causate dai carichi che si generano durante le lavorazioni così come dai carichi inerziali durante il massimo movimento percentuale di mandata possono essere eventualmente
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26 AA / compensate con una movimentazione opportuna del
basamento 1. Il controllo numerico -CNC - sarà
programmato per compensare la posizione orizzontale
del basamento 1 con la deviazione orizzontale,
calcolata dal sensore composito SDD, di un punto di
riferimento preso sulla colonna 5. L'errore di
posizionamento del punto di riferimento sulla colonna
5 sarà poi misurato per mezzo di un vibrometro doppler
laser, in diverse condizioni di prova. Per esempio con
una deformazione della colonna 5 imposta come
risultato di carichi interni, gradienti termici, o
carichi inerziali. Per inciso questo aspetto è stato
approfondito durante la sperimentazione utilizzando la
colonna verticale 5 sopra al basamento 1 di un asse
lineare orizzontale;
deformazioni tridimensionali: grazie al sensore
composito - SDD - si possono accuratamente misurare le
deformazioni su un piano della struttura di macchina
monitorata; deformazioni più complesse hanno bisogno
di più sensori compositi -SDD- come strutture di
misure reticolari tridimensionali, come viene
mostrato schematicamente in figura 1 (SDD1, SDD2,
SDD3) . Quest' ultima applicazione è la più
impegnativa nel rilevamento e nell'elaborazione delle
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27 ΙΛΑΛ configurazioni di deformate strutturali che si sviluppano sia in tempi brevi e sia in tempi lunghi;
integrazione con il controllo numerico -CNC- che sovrintende operativamente la macchina utensile: diverse applicazioni sperimentali per l'integrazione dell'output del sensore composito SDD con l'unità CNC della alesatrice sono state studiate e verificate con risultati positivi di notevole interesse pratico. Per esempio il segnale generato dal sensore composito SDD, considerando 1'effettive capacità dinamiche dell'SDD collegato alle strutture di una macchina utensile, è sottoposto ad un gruppo di filtraggio, di tecnica nota, e quindi non mostrato e non descritto, adatto a compensare le deformazioni senza causare instabilità all'anello (loop) di controllo dell'unità a controllo numerico -CNC-.
Per tutto quanto sopra descritto la proponente ha intuito e sperimentato un nuovo ed innovativo sensore composito a struttura di misura reticolare con Fibre ottiche -FBG-, chiamato SDD (sensore diretto di deformata), per la compensazione attiva, in tempo reale, degli errori derivanti dalla deformazione di parti strutturali in grandi macchine utensili
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controllo numerico -CNC- in particolare fresatrici
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alesatrici. Sebbene siano state sperimentate e proposte varie differenti tecniche di equipaggiamenti per misurare e compensare l'errore di posizionamento, i sensori 9 proposti dalla proponente mostrano le seguenti caratteristiche peculiari:
l'SDD, o struttura di misura reticolare bidimensionali con più sensori ottici FBG, fornisce una misurazione in tempo reale e istantanea della deformata della struttura di macchina collegata, cioè fornisce la posizione deformata di qualunque punto per interpolazione della posizione deformata dei nodicerniera 13 dell'SDD;
I sensori di deformazione che costituiscono il sensore composito -SDD- sono fibre ottiche Bragg Gratings 9-FBG- (Fiber-optic Bragg Gratings), rapportate e interrogate da uno spettrometro Waveleught-Division-Multiplexing, che fornisce una misurazione di livelli di deformazione nei vari piani della struttura di macchina, e detto sensore SDD non soffre né di deviazioni né di slittamenti su scala temporale anche molto lunga, e compensa facilmente gli effetti delle temperature di esercizio dell'alesatrice e della fresatrice, o di qualsivoglia altra macchina utensile di grandi dimensioni.
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In definitiva per quanto sopra esposto il progetto di un sensore composito innovativo applicato a macchine utensili a CNC, e i risultati dei test sperimentali effettuati nell'ottica di stimare la precisione del sensore composito SDD, risulta essere nell'ordine di un micron nel misurare la deviazione della struttura reticolare ad aste 8, o 7, o 6 collegata con i nodicerniera 13 ai piani 10 di macchina utensile su campate di alcuni metri.
Ovviamente, l'invenzione, qui proposta mediante una soluzione originale, non è limitata alla sola forma di costruzione e di applicazione di questa struttura di misura reticolare bidimensionale associata con fibre ottiche specifiche, che è stata sopra descritta a titolo di esempio; essa ne include, al contrario tutte le varianti che derivano dallo stesso principio e che possono differire in varie ed equivalenti forme costruttive, ed è evidente che tutte le soluzioni tecnicamente equivalenti, in particolare per la realizzazione dei vincoli nodi-cerniere e delle aste, rientrano nell'ambito della presente invenzione.
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Claims (14)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per determinare una configurazione di deformata in una prefissata struttura, più o meno complessa, di una macchina operatrice, in particolare di una macchina utensile a controllo numerico, caratterizzato dal fatto di : acquisire la deformata della struttura della macchina operatrice mediante il rilevamento della deformata di una struttura di misura reticolare formata da un numero qualsivoglia di aste connesse tra loro, che si presentano rettilinee e di trascurabile rigidezza e detta struttura di misura reticolare è vincolata come corpo unico nei suoi punti nodali alla stessa struttura della macchina operatrice; - misurare sostanzialmente in continuo le deformazioni termico-strutturali delle strutture monitorate della macchina operatrice per mezzo di un sistema di sensori a fibra ottica, che agiscono come vettori di informazioni e che vengono accoppiati alle aste connesse tra di loro per formare la struttura di misura reticolare; rilevare le misurazioni delle deformate delle strutture monitorate della macchina operatrice con una frequenza di esecuzione elevata originata dai sensori -</Λ 1060133IN 31 [AAJ V a fibra ottica, che permettono di compiere misurazioni delle deformazioni su una scala temporale compatibile e paragonabile con le frequenze di pilotaggio delle fasi di esecuzione del processo di lavorazione all'utensile in macchine operatrici a controllo numerico - CNC -; modellare ed elaborare lo stato complessivo di deformazioni per eseguire, istante per istante, attraverso frequenze elevate, le correzioni e compensazioni nell'unità di governo che pilota correggendo i punti di posizionamento degli utensili nei processi di lavorazione in macchine operatrici a controllo numerico; - integrare i segnali generati dal sistema dei sensori a fibra ottica attraverso una unità di filtraggio adatta a compensare i rilevamenti senza causare instabilità all'anello funzionale del controllo numerico della macchina operatrice; fornire una misurazione in tempo reale della posizione deformata di qualunque punto della struttura complessa monitorata per interpolazione delle posizioni deformate dei nodi dei sensori a fibra ottica che coincidono con i nodi degli elementi connessi della struttura reticolare di misura; 1060133IN - misurare i livelli di deformazione complessivi privi di deviazioni su scala temporale e compensati agli effetti delle temperature di esercizio delle strutture monitorate della macchina operatrice.
- 2. Metodo per determinare la deformata di una struttura di macchina operatrice secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di acquisire la deformata della struttura della macchina operatrice per interpolazione delle posizioni assunte dai nodi dopo la deformazione della struttura di misura reticolare che si presenta come un insieme di elementi, o di aste monitorizzate disposte in modo da formare una struttura bidimensionale, in cui ogni asta è dotata di un sensore di deformazione lungo la direzione assiale e le deformazioni longitudinali dei sensori- asta sono usate per ricostruire, per triangolazioni, lo spostamento sul piano dei sensorinodo che sono fissati rigidamente alla struttura sottostante della macchina utensile.
- 3. Metodo per determinare la deformata di una struttura di macchina operatrice secondo rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto 1060133IN presentare almeno due strutture di misura reticolari bidimensionali, ciascuna fissata rigidamente con i propri nodi-cerniere a piani diversi della struttura sottostante da monitorare al rilevamento delle deformazioni su scala temporale.
- 4. Metodo per determinare la deformata di una struttura di macchina operatrice secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che le strutture di misura reticolari bidimensionali sono fissate rigidamente con i propri nodi-cerniere a piani cartesiani sostanzialmente ortogonali della struttura sottostante da monitorare al rilevamento delle deformazioni su scala temporale.
- 5. Metodo per determinare la deformata di una struttura di macchina operatrice secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto di presentare le aste della struttura di misura reticolare equipaggiata con almeno un sensore di deformazione a fibra ottica che include almeno un reticolo di Bragg (FBG) per permettere la rilevazione e la misurazione di deformazioni strutturali che si sviluppano sia in tempi lunghi, come le deformazioni1060133INtermiche sia in tempi più brevi, come deformazioni date da fenomeni dinamici e da carichi strutturali.
- 6. Metodo per determinare la deformata di una struttura di macchina operativa secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di misurare con i sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg-FBG- i valori di deformazione che non mostrano nessuna deviazione nei valori rilevati, permettendo un paragone diretto tra i livelli di deformazione istantanea e quelli di riferimento, anche dopo un lungo periodo di tempo e dopo ripetute sospensioni operative.
- 7. Struttura di misura reticolare con più sensori compositi per realizzare il metodo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere : un sistema di aste rettilinee (14) caricate monoassialmente e disposte in modo da formare una struttura reticolare bidimensionale; sensori compositi di deformazione (9) associati lungo la direzione assiale di ciascuna asta (14) della detta struttura reticolare bidimensionale; V£ V 1060133IN 35 l/W - nodi-cerniere (13) ciascuno formato dalla confluenza di più aste (14) e ciascuno vincolato rigidamente alla struttura sottostante (10) da monitorare appartenente alla macchina utensile preferibilmente di rilevante dimensioni.
- 8. Struttura di misura reticolare con più sensori compositi secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che ogni asta (14) è pretensionata per mezzo di dadi di fissaggio (11) posizionati nei nodicerniere (13) della struttura reticolare.
- 9. Struttura di misura reticolare con più sensori compositi secondo le rivendicazioni 7 e 8,caratterizzata dal fatto che le aste (14) che confluiscono nei nodi- cerniere (13) presentano profili sostanzialmente curvilinei per adattarsi ai contorni curvi della struttura della macchina utensile da monitorare nel rilevamento della deformata.
- 10. Struttura di misura reticolare con più sensori compositi secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che i sensori compositi di deformazione sono sensori a fibre ottiche integrate da almeno 1060133IN reticolo di Bragg vantaggiosamente sottoposto al drogaggio dell'elemento cristallino germanio, o composti del germanio stesso.
- 11. Struttura di misura reticolare con più sensori compositi secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che le fibre ottiche integrate con i reticoli di Bragg (9) sono leggermente pretensionate nell'ancoraggio sulle aste (14) supporto della struttura di misura reticolare.
- 12. Struttura di misura reticolare con più sensori compositi secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di presentare almeno due sensori a fibre ottiche integrate con i reticoli di Bragg montati liberi alle due estremità della struttura di macchina utensile per monitorare e per compensare le deformazioni originate dalle variazioni di temperatura.
- 13. Struttura di misura reticolare con più sensori compositi secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di presentare, per ciascun piano cartesiano relativo a uno dei tre assi msm 1060133IN cartesiani della struttura della macchina da monitorare al rilievo delle deformazioni strutturali, almeno un sistema di aste a struttura reticolare bidimensionale associate ai sensori compositi a fibra ottica (9) e ai nodi-cerniere (13) formati dalla confluenza delle aste (14) stesse e vincolati rigidamente alla struttura sottostante (10) nel rilievo delle deformazioni.
- 14. Macchina utensile per la fresatura e per l'alesatura preferibilmente a controllo numerico corredata da almeno una struttura di misura reticolare a più aste (14) e a più sensori compositi a fibra ottica (13) come da rivendicazioni da 1 a 13. Verona, 2 8 MAR. 2006 Per Incarico
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