Sistemi per pattini pneumatici ad alte prestazioni

L’articolo illustra i metodi e i dispositivi sviluppati per migliorare le performance statiche e dinamiche dei supporti pneumatici. Oltre ad una buona conoscenza degli aspetti statici di un cuscinetto pneumatico, per sviluppare un’applicazione è necessario completare lo studio considerando anche gli aspetti dinamici. Occorre infatti ovviare ai problemi di instabilità (air hammer) e verificare la prontezza dei dispositivi attivi che consentono di migliorare le performance dei pattini passivi.

I cuscinetti ad aria offrono importanti vantaggi rispetto ai cuscinetti tradizionali con corpi volventi. Tali vantaggi sono dovuti alla bassa viscosità del mezzo usato per supportare i cuscinetti (l’aria) e all’assenza di parti striscianti o con contatti volventi. Ne conseguono attrito e usura limitati e la possibilità di ottenere velocità relative molto alte fra le parti in moto relativo. Per tali caratteristiche i cuscinetti ad aria sono utilizzati sia nelle applicazioni ad alta velocità sia nei sistemi di misura (figura 1), grazie all’accuratezza di movimento che permettono di ottenere.

Fig. 1 – Macchina di misura che utilizza pattini pneumatici nelle guide lineari (cortesia www.dea.it).

Tuttavia i cuscinetti ad aria presentano una rigidezza per unità di superficie più bassa rispetto ai cuscinetti volventi e possono anche incorrere in fenomeni di instabilità (il cosiddetto pneumatic hammer) caratterizzati da smorzamento negativo. Per una buona progettazione di un cuscinetto ad aria occorre innanzitutto conoscerne o prevederne le caratteristiche statiche, espresse in termini di capacità di carico e rigidezza. La capacità di carico è maggiore se si aumentano la pressione di alimentazione o le dimensioni del cuscinetto. A parità di tali parametri è comunque possibile ottimizzare la geometria del cuscinetto agendo su una serie di fattori che influiscono sulla capacità di carico e sulla rigidezza, quali il numero e la posizione dei fori di alimentazione, il loro diametro, la presenza di una resistenza all’ingresso o di eventuali micro-scanalature sulla superficie del pattino.

Oltre agli aspetti statici, occorre studiare anche gli aspetti dinamici di un cuscinetto ad aria per completarne il quadro di conoscenza. Questo permette di capire se il cuscinetto è soggetto a vibrazioni autoeccitate, quali il cosiddetto pneumatic hammer, e consente di ovviare a tale fenomeno introducendo modifiche o sul cuscinetto stesso, o sulla struttura di supporto.

Negli ultimi anni in alcuni centri di ricerca ed università, compreso il Politecnico di Torino, si è iniziato lo studio di cuscinetti ad aria attivi per ovviare ai limiti dei cuscinetti passivi. Nel presente articolo vengono illustrati i metodi per rendere attivi i pattini ad aria, nonché alcune soluzioni realizzate presso il Politecnico o descritte in letteratura.

I metodi per rendere attivo un pattino ad aria

Il controllo attivo dei cuscinetti ad aria consente di far fronte alle carenze dei cuscinetti ad aria tradizionali, ovvero passivi, quali ad esempio la bassa rigidezza e il basso smorzamento. L’obiettivo del controllo ha un duplice scopo: da un lato ridurre l’effetto dei disturbi sul cuscinetto mantenendo la distanza fra le parti in movimento (il cosiddetto meato d’aria) entro un certo campo di valori desiderato; dall’altro compensare gli errori di forma che inevitabilmente si hanno quando i supporti hanno dimensioni importanti (è il caso delle guide lineari) e le precisioni di movimentazione richieste sono elevate.

I metodi per rendere attivo un pattino ad aria si basano sulla possibilità di modificare durante il suo funzionamento uno o più parametri da cui dipende la capacità di carico del pattino.

Fig. 2 – Parametri su cui poter agire per realizzare un controllo attivo di un pattino pneumostatico [1].

Come schematizzato in figura 2, è possibile agire sui seguenti fattori:

la pressione di alimentazione

il valor medio del meato d’aria

la forma del meato d’aria.

Nel seguito vengono descritte alcune soluzioni realizzative che intervengono sulla rigidezza di pattini pneumatici agendo secondo questi metodi.

Controllo della pressione di alimentazione

Il controllo della pressione di alimentazione di un cuscinetto ad aria consente di variare le performance del pattino senza modificarne la geometria. La capacità di carico di un cuscinetto ad aria è proporzionale alla pressione media al di sotto del cuscinetto; se si aumenta la pressione di alimentazione, anche la pressione media aumenta.

Fig. 3 – Distribuzione di pressione al di sotto di un pattino alimentato con tasca.

In figura 3 è rappresentato un pattino con una tasca di alimentazione a pressione pr regolata mediante un dispositivo di controllo posto fra la pressione di rete ps ed il pattino. Nella figura si osserva che la pressione regolata è costante nella tasca e decresce nel meato d’aria fino al valore ambiente alle estremità del cuscinetto. La distribuzione di pressione cambia in seguito all’intervento del controllore. Nella figura è rappresentata una seconda distribuzione di pressione che corrisponde ad una maggiore capacità di carico e ad un meato inferiore.

La regolazione della pressione di alimentazione può quindi essere ottenuta sia mediante regolatori di pressione che agiscono a monte del pattino, sia mediante opportuni attuatori integrati nel pattino stesso che variano la resistenza di ingresso al pattino [2]. Nel primo caso i regolatori possono essere sistemi passivi, provvisti di una retroazione interna, oppure sistemi attivi dotati di un sensore esterno e di un controllore. Un primo importante esempio è la valvola di Royle [3], sviluppata in applicazioni oleodinamiche per ottenere un pattino con rigidezza infinita (figura 4).

Fig. 4 – Valvola di Royle [3].

Si tratta di un sistema passivo che consente di alimentare il pattino ad una pressione pr costante, indipendentemente dal meato al di sotto del pattino. Grazie all’equilibrio di forze che si crea sul cassetto mobile, la pressione pr è la metà rispetto alla pressione pv della valvola. In questo modo il flusso d’olio nella valvola aumenta al diminuire del meato (ovvero all’aumentare di pr) invece di diminuire, come nel caso di assenza di tale valvola. Questa è la condizione per ottenere rigidezza infinita.

Fig. 5 – Valvola a diaframma [3].

Un secondo esempio di sistema passivo è la valvola a diaframma [3] rappresentata in figura 5. Il condotto di uscita della valvola è collegato al cuscinetto idraulico. Il diaframma è soggetto a due forze: da un lato la forza della molla, che può essere precaricata con una certa forza, dall’altro la pressione nella camera di alimentazione. Lo spessore del diaframma è scelto opportunamente in modo che uno squilibrio di forze ne consenta una certa deformazione. La valvola presenta una resistenza al flusso che diminuisce all’aumentare della pressione pr al pattino in quanto il diaframma si allontana dal condotto di alimentazione riducendone la resistenza all’imbocco. Questo consente una maggiore rigidezza del pattino poiché al diminuire del meato la pressione pr aumenta di più rispetto al caso senza la valvola.

Fig. 6 – Schema di una boccola pneumatica a controllo attivo sviluppato presso il Politecnico di Torino [4].

Un terzo esempio è visibile in figura 6. Si tratta di un sistema realizzato presso il Politecnico di Torino per il controllo attivo di una boccola pneumatica flottante rispetto ad un albero fisso [4, 5]. L’elemento di retroazione è un trasduttore di posizione che legge lo spostamento della boccola. L’errore fra il riferimento (posizione desiderata) e la retroazione viene elaborato da un controllore di tipo proporzionale-integrativo che regola i valori di pressione nelle camere superiore ed inferiore della boccola. Ad uno spostamento x della stessa verso il basso si ha un aumento della pressione nella camera inferiore ed una diminuzione nella camera opposta. Ne risulta una boccola con rigidezza infinita in quanto l’integratore del controllo consente un azzeramento dell’errore statico. Uno schema di un pattino a controllo attivo studiato presso il Politecnico di Torino è mostrato in figura 7.

Fig. 7 – Pattino attivo con lamina piezoelettrica studiato presso il Politecnico di Torino.

Si tratta di un pattino pneumatico dotato di una resistenza variabile sull’alimentazione. Tale resistenza è realizzata mediante una lamina piezoelettrica a flessione che modifica la luce di passaggio sull’alimentazione.

Fig. 8 – Sezione del pattino attivo con lamina piezoelettrica studiato presso il Politecnico di Torino.

Nella figura 8 è mostrata la sezione del pattino con integrata la lamina piezoelettrica. E’ visibile il foro di alimentazione affacciato alla lamina piezoelettrica che, flettendosi, realizza una luce di passaggio variabile fra l’alimentazione e la camera interna. Nella parte sottostante si trovano invece i forellini di alimentazione del meato d’aria. La pressione che si crea nella camera interna al pattino varia con la resistenza di ingresso, dunque controllando la luce di passaggio è possibile controllare, a parità di meato d’aria, la capacità di carico del pattino. Un limite di tale soluzione, nonostante l’attuatore piezoelettrico abbia una banda passante elevata, è rappresentato dal volume della camera interna al pattino, che ne limita la dinamica. Occorre dunque in sede progettuale ridurre al minimo tale volume per evitare un ritardo di fase eccessivo fra la posizione della lamina e la capacità di carico.

Controllo del valor medio del meato d’aria

Siccome la rigidezza e la capacità di carico di un pattino ad aria dipendono dall’entità del meato d’aria esistente fra il pattino ed il riscontro, è possibile ottenere la rigidezza voluta variando il valor medio del meato durante il funzionamento del pattino. Questo può essere fatto modificando il precarico sul pattino mediante magneti o mediante la tecnologia del vuoto [6].

Fig. 9 – Schema di pattini pneumatici controllati mediante magneti [6].

Nel primo caso (si veda la figura 9) alcuni magneti attivi, posti in prossimità dei pattini, forniscono una forza di attrazione che contrasta quella repulsiva dei pattini pneumatici determinandone un precarico variabile.

Fig. 10 – Schema di pattini pneumatici controllati mediante depressione [6].

Nel secondo caso (figura 10) regolando la depressione in camere poste in prossimità dei pattini se ne varia il precarico. In genere in queste applicazioni il dispositivo di attuazione è esterno al pattino, dunque si può parlare di pattini attivi solo in senso lato, in quanto non si ha un’integrazione fra pattino e sistema di controllo per motivi di ingombro.

Controllo della forma del meato

Anche la forma del meato influisce notevolmente sulla capacità di carico del pattino ad aria. Si consideri ad esempio un pattino con meato convergente. Nel caso statico la capacità di carico aumenta con la conicità del meato. E’ possibile sfruttare questa proprietà per modificare durante il funzionamento la geometria del pattino ed ottenere una rigidezza maggiore.

Fig. 11 – Schema del pattino controllato con attuatori piezoelettrici sviluppato presso l’Università di Leuven [1].

In figura 11 è schematizzato un prototipo sviluppato presso l’Università di Leuven [1] dotato di attuatori piezoelettrici la cui banda passante complessiva è intorno a 300 Hz. In tale prototipo gli attuatori modificano la conicità del meato d’aria, alimentato mediante un solo foro centrale; un sensore di spostamento capacitivo coassiale al foro di alimentazione misura l’entità del meato e consente la chiusura dell’anello di controllo.

Conclusioni

Nel presente articolo sono stati descritti i metodi che consentono di rendere attivo un cuscinetto ad aria, componente principale delle macchine di misura. I metodi di attuazione possibili sono essenzialmente tre: controllo della pressione di alimentazione, controllo diretto e controllo di forma del meato d’aria. La scelta fra quale sia il metodo più adatto per una determinata applicazione dipende da numerosi fattori, quali la semplicità di realizzazione, la prontezza di risposta ed il costo. Il primo metodo risulta il più conveniente dal punto di vista economico, anche se è più adatto ad applicazioni statiche o comunque che richiedano dinamiche non troppo spinte. Gli altri due metodi consentono una regolazione con ampiezza di banda maggiore, a fronte però di costi maggiori.

Bibliografia

[1] Farid Al-Bender, On the modeling of the dynamic characteristics of aerostatic bearing films: from stability analysis to active compensation, Precision Engineering 33, 2009, pp. 117-126.

[2] Hiroshi Mizumoto, Shiro Arii, Yoshihiro Kamit, Kenji Goto, Tsuyoshi Yamamoto, and Masashi Kawamoto, Active inherent restrictor for air-bearing spindles(1996).

[3] W. B. Rowe, Hydrostatic and hybrid bearing design,1982, Butterworths, England.

[4] T. Raparelli, V. Viktorov, A. Trivella, Static and dynamic analysis of pneumatic support, 7th International Workshop on Robotics, June 26-28, 1998, Smolenice Castle, Slovakia, pp. 405-410.

 [5] Belforte G., Raparelli T, Development of a new actively compensated pneumatic journal bearing, Scandinavian International Conference on Fluid Power, September 26-29, 1995, Tampere, Finland.

[6] Seung-Kook Ro, Soohyun Kim, Yoonkeun Kwan, Chun Hong Park, A linear air bearing stage with active magnetic preloads for ultraprecise straight motion, Precision Engineering 34, 2010, pp. 186-194.

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