Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta.

Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta,

comprendiendo una carcasa externa (1) que puede ser fijada a la estructura de la máquina herramienta a amortiguar, alojándose en el interior de dicha carcasa externa (1) una masa inercial (2) suspendida cuya rigidez y amortiguación se sintonizan en base a la frecuencia de vibración de la estructura de la máquina herramienta a amortiguar, disponiéndose asociados a la masa inercial (2) unos pares de imanes (6), estando los imanes (6) de cada par separados entre sí por medio de una placa (7) conductora eléctrica que va fijada a la carcasa externa (1) y que no establece contacto mecánico con los imanes (6), de manera que entre los imanes (6) de cada par se genera un campo magnético que genera amortiguamiento respecto a la placa (7) conductora eléctrica; caracterizado porque en el interior de la masa inercial (2) se dispone un elemento elástico (3) que es accionado en giro por un motor (4) asociado a un encoder (5), controlándose la rigidez de la masa inercial (2) mediante la variación de la posición angular del eje del motor (4); y porque un primer acelerómetro (10) se sitúa en la carcasa externa (1) y un segundo acelerómetro (9) se sitúa en la masa inercial (2) móvil

Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con la supresión o atenuación de las vibraciones producidas en las máquinas herramientas durante los procesos de mecanizado, tales como por ejemplo torneado, fresado, taladrado o rectificado, proponiendo para ello un amortiguador inercial sintonizable que se acopla a la máquina herramienta para modificar la dinámica de uno de sus concretos modos de vibración.

Estado de la técnica

Uno de los principales problemas relacionados con los procesos de mecanizado, como torneado, fresado, taladrado y rectificado, es el fenómeno conocido como chatter regenerativo.

El chatter regenerativo es una vibración autoexcitada propia de los procesos de corte en donde el filo de la herramienta debe pasar por una superficie que ha sido previamente mecanizada. Cuando la herramienta entra a mecanizar una zona de la pieza no deja una superficie lisa, sino que se crea una superficie con ondulaciones debido a la vibración de la máquina. Así, cuando se mecaniza sobre una zona previamente mecanizada, la herramienta se encuentra con una superficie variable generada en la pasada anterior, que afecta al espesor teórico de viruta. Este espesor también se ve alterado por la vibración que sufre la herramienta en el instante del corte. Por lo tanto, la vibración que tiene en el instante actual y la que ha tenido la máquina en el anterior periodo, afectan al espesor teórico de la viruta, y con ello, a la fuerza de corte, ya que esta es proporcional al espesor de viruta. Se genera un bucle en el que la fuerza de corte es función de la vibración actual y anterior de la máquina. Para ciertas condiciones de corte, este bucle hace aumentar la amplitud de la vibración y la fuerza de corte de forma inestable, generando grandes vibraciones, denominadas 'chatter', que afectan en general a la máquina, a la pieza y a la herramienta.

Para suprimir las vibraciones no deseadas en las operaciones de mecanizado y, especialmente, para la supresión del chatter, se emplean amortiguadores inerciales, los cuales son absorbedores dinámicos formados por una masa móvil que está suspendida de la estructura a amortiguar, por medio de un elemento elástico que proporciona rigidez y capacidad de disipar energía, de manera que la masa móvil dispuesta en el interior del amortiguador vibra transmitiendo a la máquina una fuerza inercial que reduce la amplitud de las vibraciones mecánicas producidas en la máquina herramienta. No obstante, es sabido que, para funcionar eficazmente, los amortiguadores de vibraciones deben sintonizar con precisión su rigidez y amortiguación en relación a la frecuencia natural de la estructura a amortiguar.

Existen diferentes tipos de amortiguadores para eliminar las vibraciones producidas en las máquinas herramientas durante el mecanizado, distinguiéndose los amortiguadores pasivos, los amortiguadores semi-activos y los amortiguadores activos. Los amortiguadores pasivos presentan una rigidez y una amortiguación fijas, las cuales no se pueden variar durante el proceso de mecanizado, por lo que su rendimiento se ve disminuido en caso de que la frecuencia de vibración de la estructura a amortiguar varíe durante dicho proceso de mecanizado debido a variaciones en la posición de corte, o reducciones de masa relacionados con el proceso de corte.

Los amortiguadores semi-activos presentan una rigidez y una amortiguación controlada, debiéndose sintonizar el amortiguador en la cercanía de la frecuencia de vibración de la estructura a amortiguar. En este caso la adaptación se realiza manualmente por parte del operario, antes de proceder al mecanizado.

Los amortiguadores activos sustituyen el principio de funcionamiento de rigidez y amortiguación, por un actuador controlado que permite generar fuerzas arbitrarias en cualquier instante, consiguiendo de esta manera optimizar la disipación de energía. Estos amortiguadores activos son, por lo tanto, más efectivos que los amortiguadores pasivos y semi-activos pero, sin embargo, su solución es más cara, compleja y menos robusta.

Se hace por tanto necesario un amortiguador inercial sintonizable que pueda adaptar automáticamente y de forma continua su rigidez y amortiguación durante el proceso de mecanizado, detectando también durante el proceso si se está produciendo chatter y la frecuencia óptima de sintonía, para así garantizar en todo momento un funcionamiento óptimo. US-20007/0051576 da a conocer un amortiguador inercial de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Objeto de la invención

De acuerdo con la presente invención se propone un amortiguador inercial sintonizable para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, que permite controlar de forma independiente la rigidez y la amortiguación, para adaptarse a la frecuencia de vibración de la estructura a amortiguar, durante el proceso de mecanizado, de manera que se consiguen mecanizados de alta precisión tanto en dimensiones como en acabado superficial. El

objetivo principal es mejorar la productividad, ya que al aumentar la estabilidad del proceso de corte se permiten mayores profundidades de pasada, y por lo tanto eliminar material más rápido. La mayor precisión es la segunda ventaja.

La presente invención permite ajustar independientemente tanto la rigidez como el amortiguamiento del amortiguador pasivo, gracias a un elemento elástico de rigidez ajustable y a la utilización de corrientes inducidas (eddy currents). La invención es definida en la reivindicación 1.

El amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, según la invención, comprende una carcasa externa que se fija a la estructura de la máquina herramienta a amortiguar, disponiéndose en el interior de dicha carcasa externa una masa inercial suspendida, la cual debe ser sintonizada en base a la frecuencia de vibración de la estructura de la máquina herramienta a amortiguar.

En el interior de la masa inercial se dispone un elemento elástico de rigidez ajustable que es accionado en giro por un motor asociado a un encoder, controlándose la rigidez de la masa inercial mediante la variación de la posición angular del eje del motor que acciona en giro al elemento elástico. Asociada a la masa inercial se disponen unos pares de ¡manes que generan un campo magnético variable en el espacio. En el hueco disponible entre los pares de ¡manes se disponen unas placas conductoras de electricidad, fijadas a la carcasa externa y sin contacto mecánico con los ¡manes. El movimiento relativo entre el campo magnético generado por los imanes y las placas conductoras, genera una fuerza de frenado o amortiguación debida a las pérdidas asociadas a las corrientes eléctricas que se inducen (eddy currents). Asimismo, un primer acelerómetro se dispone acoplado a la masa inercial y un segundo acelerómetro se dispone acoplado a la carcasa externa que va fija a la estructura a amortiguar.

En una posible realización práctica, para la variación de la rigidez se ha previsto que el elemento elástico de rigidez ajustable que va dispuesto en el interior de la masa inercial sea un muelle que presente una configuración en forma de H, con dos paredes transversales de diferente grosor. En otro posible ejemplo de realización, para la variación de la rigidez se ha previsto que el elemento elástico sea una viga en voladizo que mediante un husillo a bolas accionado por el motor varía la posición del punto de apoyo de la viga. En cualquier caso, el control independiente de la rigidez del amortiguador inercial se consigue variando la posición angular del eje del motor que acciona al elemento elástico, conociéndose en todo momento la posición angular del eje del motor por medio de las lecturas dadas por el encoder que va asociado al mismo.

Para controlar de manera independiente el amortiguamiento del amortiguador inercial, se han previsto dos posibles realizaciones: según un ejemplo de realización, los imanes asociados a la masa inercial presentan unos medios de desplazamiento para moverse transversalmente respecto de unas placas y variar así el campo magnético que se establece entre ellos; y según otro ejemplo de realización, cada imán está constituido por un conjunto de placas contiguas, estando el conjunto de placas formado por una primera placa de acero, una segunda placa de acero que incluye un bobinado eléctrico y una tercera placa imantada que se dispone paralela a la placa metálica, de manera que variando la corriente eléctrica que circula por el bobinado se consigue variar el campo magnético.

El dispositivo permite calcular durante el proceso de mecanizado los valores óptimos de rigidez y amortiguamiento,... [Seguir leyendo]

1Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, comprendiendo una carcasa externa (1) que puede ser fijada a la estructura de la máquina herramienta a amortiguar, alojándose en el interior de dicha carcasa externa (1) una masa inercial (2) suspendida cuya rigidez y amortiguación se sintonizan en base a la frecuencia de vibración de la estructura de la máquina herramienta a amortiguar, disponiéndose asociados a la masa inercial (2) unos pares de imanes (6), estando los imanes (6) de cada par separados entre sí por medio de una placa (7) conductora eléctrica que va fijada a la carcasa externa (1) y que no establece contacto mecánico con los imanes (6), de manera que entre los imanes (6) de cada par se genera un campo magnético que genera amortiguamiento respecto a la placa (7) conductora eléctrica; caracterizado porque en el interior de la masa inercial (2) se dispone un elemento elástico (3) que es accionado en giro por un motor (4) asociado a un encoder (5), controlándose la rigidez de la masa inercial (2) mediante la variación de la posición angular del eje del motor (4); y porque un primer acelerómetro (10) se sitúa en la carcasa externa (1) y un segundo acelerómetro (9) se sitúa en la masa inercial (2) móvil.

2.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado porque el elemento elástico (3) dispuesto en el interior de la masa inercial (2) es un muelle que presenta una configuración en forma de H con dos paredes transversales (3.1, 3.2) de diferente grosor.

3.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado porque los ¡manes (6) asociados a la masa inercial (2) presentan unos medios de desplazamiento (8) para moverse transversalmente respecto de la placa (7) conductora eléctrica y variar el campo magnético que se establece entre ellos, y con ello el amortiguamiento.

4.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado porque cada imán (6) está constituido por un conjunto de placas contiguas, comprendiendo una primera placa de acero (6.1), una segunda placa de acero (6.2) que incluye un bobinado en su interior y una tercera placa imantada (6.3), disponiéndose esta tercera placa imantada (6.3) contigua a la placa (7) conductora eléctrica, permitiendo vahar el amortiguamiento mediante la variación de la corriente eléctrica en el bobinado de la placa de acero (6.2).

5.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado porque la placa (7) conductora eléctrica es de cobre.

6.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado porque el elemento elástico (3) está compuesto por una viga en voladizo (3.3) sobre la que desliza un carro (3.4), de manera que la rigidez de la masa inercial (2) se ajusta mediante desplazamiento del carro (3.4) sobre la viga en voladizo (3.3).

7.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado por medios para el procesamiento de la señal de los dos acelerómetros (9,10), durante el proceso de mecanizado, para el cálculo de la rigidez y amortiguamiento real de la unión entre la masa inercial (2) y la estructura de la máquina herramienta.

8.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado por medios que usan la señal de los dos acelerómetros (9,10) para el cálculo de la masa modal asociada al modo principal de vibración de forma continua durante el proceso de mecanizado, y de esta forma calcular la frecuencia óptima a la que sintonizar el amortiguador por medio del motor (4) que controla la posición del elemento elástico (3).

9.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera

reivindicación, caracterizado por medios que usan la señal del acelerómetro (10) acoplado a la carcasa externa (2) para la detección, de forma continua durante el proceso de mecanizado, de la frecuencia principal de vibración de la máquina, la evaluación de si se corresponde a un caso de chatter, y, en caso afirmativo, se define esta frecuencia como referencia para ajustar la rigidez del elemento elástico (3) controlado por el motor (4).

10.- Amortiguador inercial para la supresión de vibraciones en máquina herramienta, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado por medios para la variación de la frecuencia propia del amortiguador en función de la posición de los ejes de la máquina durante el proceso de mecanizado, de acuerdo a una caracterización dinámica previa de la máquina en la que se calcula la frecuencia de sintonía óptima del amortiguador para cada posición de los ejes de la máquina.