ES2237308B1 - Dispositivo para medir y compensar variaciones de longitud, con la temperatura, de organos funcionales de una maquina herramienta, y maquina herramienta correspondiente. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para medir y compensar variaciones de longitud, con la temperatura, de órganos funcionales de una máquina herramienta, y máquina herramienta correspondiente, para medir en una máquina herramienta de control numérico las variaciones de longitud, debidas a la temperatura, de un husillo dotado en su extremo externo de un portaherramientas, y/o de la corredera que prevé el empleo de medios con un comportamiento en la dilatación térmica marcadamente diferente al del husillo y al de la corredera, provistos de un sensor de posición, dispuestos en el extremo opuesto de dichos medios respecto al portaherramientas y en el extremo externo de la corredera, detectan y miden la posición relativa respecto al correspondiente extremo del husillo o de la corredera. El valor obtenido es aplicado en un parámetro del control numérico para compensación de las cotas de posicionado del eje del husillo y de la corredera.

Description

Dispositivo para medir y compensar variaciones de longitud, con la temperatura, de órganos funcionales de una máquina herramienta, y máquina herramienta correspondiente.

La presente invención se refiere a un dispositivo para medir y compensar variaciones de longitud, con la temperatura, de órganos funcionales de una máquina herramienta, así como a la máquina herramienta correspondiente, y en particular, de fresadoras y mandrinadoras de control numérico en las cuales surgen problemas de precisión de elaboración ligados a variaciones de posicionado de herramientas debidas a variaciones de temperatura durante el funcionamiento de partes de las mismas máquinas herramientas, tales como la barrena o mandril portaherramienta o la corredera, corrientemente conocida con la denominación "corredera" que será usada, en esta patente.

Se sabe que en grandes máquinas herramientas, en las que se emplean potencias considerables, debe esperarse un notable desarrollo de calor en las partes en movimiento que se traduce en variaciones de temperatura durante el funcionamiento de las mismas partes, por lo que se toman todas las previsiones oportunas para limitar el mencionado calor.

Un problema que preocupa a todos los constructores de máquinas herramientas y, de modo especial, de máquinas mandrinadoras y fresadoras, es el alargamiento de la corredera y/o de la barrena consiguiente al calentamiento, por otra parte difícilmente controlable, de los mismos durante su funcionamiento.

Las consecuencias de un alargamiento difícilmente controlable de la corredera y del husillo pueden ser serias. Por ejemplo, si se debe superacabar un plano de una pieza en elaboración de modo que no se pueda realizar la operación de fresado en una sola carrera que cubre toda la extensión del plano, pero se está obligado a realizar la operación en dos carreras adyacentes, ocurre fácilmente que, a causa de un alargamiento de la y/o del husillo que tiene lugar durante la elaboración, la zona del plano trabajada durante la segunda carrera sea más baja que la trabajada durante la primera carrera, en la que una diferencia de profundidad de 1/100 de mm puede constituir un grave inconveniente.

Un objetivo de la presente invención es por tanto proporcionar un dispositivo que permita medir con precisión la longitud que, cada vez, toman la corredera y/o el husillo de una máquina herramienta de control numérico y utilizar la medida, así obtenida, para introducir una modificación de la posición de dichos órganos que sea capaz de compensar sus variaciones de longitud debidas a las variaciones de temperatura.

Para alcanzar dicho objetivo la invención prevé - de acuerdo con las sucesivas reivindicaciones - el empleo en una máquina herramienta de medios que tienen un comportamiento a la dilatación térmica diferente de la de los órganos de los cuales se quiere medir la longitud y que se extienden de un extremo externo hacia un extremo interno de dichos órganos y están fijados cerca del mismo extremo, y que llevan unos sensores de posición, cuyas mediciones son elaboradas mediante un algoritmo cargado en el control numérico de la máquina herramienta para determinar la corrección de la cota de posicionado que compensa la dilatación térmica de dichos, órganos.

Estas y otras características de la presente invención serán definidas en las sucesivas reivindicaciones y se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada de un ejemplo no exclusivo de realización, donde se hace referencia a los planos anexos:

- la figura 1 es una vista esquemática, simplificada en sección de un dispositivo de acuerdo con la presente invención que está aplicado al husillo de una máquina herramienta de control numérico;

- la figura 2 es una vista ampliada y en sección de los detalles de la máquina que están encerrados en el círculo II de la figura 1;

- la figura 3 es una vista tridimensional simplificada y en sección de un dispositivo de acuerdo con la presente invención que está aplicado a la corredera de una máquina herramienta de control numérico;

- la figura 4 es un diagrama de flujo simplificado correspondiente a la elaboración de las mediciones efectuadas por el dispositivo de la invención para obtener una compensación de las cotas de posicionado de dichos órganos de una máquina herramienta de control numérico.

Considerando las figuras 1 y 2, se observa un dispositivo 10 de acuerdo con la presente invención, aplicado a un husillo 12 en cuyo extremo externo 14 se asegura una herramienta de trabajo (no representada). El husillo 12, además de ser puesto en rotación por un motor, no representado, se hace avanzar y retroceder a lo largo del eje X por un medio de corredera 26 mandado mediante un manguito 30 por un tornillo de recirculación de esferas 28. El tornillo 28 se acopla a través de cualquier mecanismo 32 al motor eléctrico M_{1}, de tipo controlable con precisión que - como se explicará mejor más adelante - determina, mediante las señales recibidas, la posición a impartir al husillo 12.

La apertura y el cierre del extremo portaherramientas 14 se realizan mediante un tirante 16, alojado en el interior del husillo 12 con el cual tiene en común el eje X, y, controlado por un accionador 34 que, en base a los mandos recibidos, procede al bloqueo de la herramienta o bien al soltado de la herramienta, cuando la misma debe ser sustituida.

Según una característica fundamental de la invención, entre el tirante 16 y el husillo 12 está montado un tubo intermedio 18, que también se extiende a lo largo del eje X y está fabricado en un material que tiene un coeficiente de dilatación térmicas muy diferente al del material del husillo 12. Por ejemplo, mientras que el husillo 12 está fabricado en uno de los aceros conocidos empleados para la fabricación de máquinas herramientas, el tubo intermedio 18 puede ser realizado en aluminio, o sus aleaciones, o bien de magnesio, o sus aleaciones. Un primer extremo del tubo 18 está directamente fijado al husillo 12 en un punto 15 puesto en correspondencia, o la inmediata proximidad, del extremo externo 14 del husillo 12 que funciona como portaherramientas 14 - ver fig. 1. En el otro extremo del tubo 18, denominado aquí extremo interno e indicado con 17, está fijada una corona anular 20 mediante una pluralidad de tornillos radiales 22 que pasan a través de correspondientes orificios radiales 13 del husillo 12 - ver fig. 2. A la corona anular 20, que está mecanizada con la máxima precisión, está enfrentado un sensor de posición 24 que tiene la función de detectar su distancia \Delta a la corona 20 y por tanto el deslizamiento relativo entre el husillo 12 y el tubo intermedio 18, o sea la diferencia entre sus alargamientos según el eje X que son debidos a dilatación térmica.

La figura 3 muestra un dispositivo 40, de acuerdo con la invención, capaz de compensar el alargamiento de una corredera 42. La corredera 42 se hace avanzar y retroceder por un medio de guía 62 asociado a un segundo tornillo de recirculación de esferas 60, movido por un motor M_{2}, de tipo controlable con precisión, que determina, mediante las señales recibidas la posición a impartir a la corredera 42. Esta última presenta forma de paralelepípedo y presenta, en particular, una cara extrema externa 44, una cara extrema interna 46 y una cara lateral 48. En la cara lateral 48 se abre un hueco rectangular 49 que aloja, según una característica de la invención, una barra 50 fabricada con un material (como aluminio y sus aleaciones o magnesio y sus aleaciones) que tienen un coeficiente de dilatación térmica netamente diferente del material (acero o fundición) con el cual está fabricada la corredera 42. La barra 50 está fijada en un punto 52 del fondo de la cavidad 49 que está situado próximo ala cara extrema externa 44 de la corredera 42; para asegurar la transmisión de calor la barra 50 está además mantenida en contacto con el mismo fondo de la cavidad 49 por pequeños puentes 54 y 55. En la parte opuesta respecto a dicho punto de fijación 52 la barra 50 termina con un extremo 56, mecanizado con precisión, enfrentado hacia un sensor de posición 58. Este último tiene la función de medir la distancia que separa dicho extremo 56 y el mismo sensor 58 y por tanto el deslizamiento relativo (o sea la diferencia de alargamiento según el eje de la corredera, debido a dilatación térmica) entre la corredera 42 y la barra 50.

Como se ha apuntado anteriormente, según otra importante característica de la invención, a partir de las mediciones obtenidas por los sensores de posición 24 y 58 se obtiene una compensación de las cotas de posicionado del eje del husillo 12 y de la corredera 42 exactamente iguales a las variaciones de longitud de estos órganos de la máquina herramienta que son debidos a las variaciones de temperatura. De este modo, son eliminados los inconvenientes mencionados al inicio de la presente descripción de los cuales adolecen las máquinas herramientas tradicionales.

El diagrama de flujo de la fig. 4 muestra las cuatro fases o acciones que a tal fin se reiteran cíclicamente - por ejemplo cada 100 milisegundos - durante el funcionamiento de la máquina herramienta.

La primera de dichas fases - indicada con A en la fig. 4 - consiste en la adquisición de las señales por los sensores 24 y 58, o sea en la lectura de las distancias medidas entre ejes, por ejemplo mediante un convertidor A/D de adecuada resolución, con modalidad en sí conocida. Estas señales son adecuadamente filtradas en una segunda fase B de modo que se elimina el efecto de eventuales disturbios eléctricos y/o mecánicos como por ejemplo las vibraciones de los sensores 24 y 58 y/o de los medios (tubo intermedio 18, barra 50) funcionalmente asociados a los sensores. La tercera fase C consiste en la elaboración de las señales filtradas mediante un algoritmo que se describe más abajo, a fin de obtener un valor que, durante la última fase D, es aplicado en el control numérico de la máquina herramienta y utilizado para obtener la compensación de las cotas de posicionado del husillo 12 y/o de la corredera 42 mediante la activación de los motores M_{1} y/o M_{2} y por tanto de los tornillos con recirculación de esferas 28 y/o 60.

Para comprender mejor la especificidad del algoritmo utilizado en la presente invención debe tenerse presente la gran diferencia de coeficiente de dilatación térmica que existe entre el material con el cual está fabricado el husillo 12 y aquél con el cual se ha fabricado el tubo intermedio 18, así como entre el material con el cual se ha fabricado la corredera 42 y aquél con el cual se ha fabricado la barra 50.

Puesto que los racionamientos a tener en cuenta para el husillo 12 valen, mutatis mutandis, también para la corredera 42, la siguiente explicación está limitada al husillo 12, sabiendo que unos resultados estrechamente similares pueden ser obtenidos para la corredera 42.

Se sabe que un calentamiento difícilmente controlable del husillo 12, como el que se verifica cuando la máquina herramienta trabaja por un tiempo prolongado, provoca una dilatación térmica de dicho órgano con un alargamiento incontrolado. Sería necesario poder medir dicho alargamiento. Sin embargo, en el momento en que el husillo 12 soporta en su extremo externo 14 una herramienta que se mueve durante la fase de trabajo, resulta prácticamente imposible medir de modo continuo, con la máquina en movimiento, la longitud actual del husillo 12.

Una primera sugerencia a considerar sería obtener la posición del extremo externo del husillo en el interior de la máquina mediante una barra metálica, pero la solución no sería eficaz si la barra estuviera fabricada con el mismo material del husillo, porque la dilatación de la barra resultaría igual a la del husillo por lo que no sería posible valorar su dilatación. Se podría pensar también en utilizar una barra fabricada con un material que tenga un coeficiente de dilatación casi nulo, como la aleación conocida como el nombre Invar®, pero la solución se muestra poco eficaz porque una escasa dilatación de la aleación Invar® no es evaluable muy exactamente y no es económicamente conveniente a causa del coste elevado de dicha aleación.

La solución a dicho problema, proporcionado por la presente invención, es utilizar - para obtener la posición del extremo externo 14 del husillo 12 que funciona como portaherramientas - una barra inmersa en el mismo ambiente térmico que el husillo pero fabricada con el material que tiene un coeficiente de dilatación térmica; Y muy diferente y, en particular, marcadamente mayor que el del material con el cual está fabricado el husillo.

Como conveniencia constructiva se ha adoptado - como barra de referencia de la posición del extremo externo 14 del husillo 12 - un tubo intermedio 18 coaxial con ele mismo husillo, se elige fabricar el tubo 18 con un material, en la práctica un metal o aleación metálica, que tenga un coeficiente de dilatación térmica sustancialmente el doble del del acero con el cual se ha fabricado el husillo 12. En particular, el material del tubo intermedio 18 puede ser aluminio o aleaciones de aluminio, o bien magnesio o aleaciones de magnesio, siendo una particular elección justificada, además de por el, valor del coeficiente de dilatación térmica, también por las particulares propiedades de resistencia al ambiente en el cual está destinado a trabajar el material.

Suponiendo que se adopte el acero para el husillo 12 y aluminio para el tubo intermedio 18 en una máquina que tiene un husillo 12 de longitud L_{b} igual a 2300 mm y un tubo intermedio 18 de longitud L_{t} igual a 1800 mm que funciona a temperatura ambiente T_{0} de 20°C = 293 K - ver fig. 1.

El coeficiente de dilatación térmica del acero con el cual está fabricado el husillo 12 es \varepsilon_{b} = 12 \cdot 10^{-6}K^{-1} mientras que el coeficiente de dilatación térmica del aluminio del tubo 18 es casi el doble, más precisamente \varepsilon_{t} = 23 \cdot 10^{-6}K^{-1}. Los cálculos que siguen enseñan a evaluar la variación de la longitud del husillo 12, ligándola a la variación medible de la distancia \Delta entre la corona anular 20 y el sensor de posición 24.

En la hipótesis aceptable de considerar dilataciones lineales para el husillo 12 y para el tubo 18, resulta que un desplazamiento \Delta medido por el sensor 24 es expresable como:

\Delta = \int_{0}^{Lt}( \varepsilon _{t}- \varepsilon _{b}) \cdot [T(x)-T_{0}]dx

\Delta = ( \varepsilon _{t}- \varepsilon _{b}) \cdot L_{t} \cdot [1/L_{1} \cdot \int_{0}^{Lt}T(x)dx-T_{0}]dx

(1),\Delta = ( \varepsilon _{t}- \varepsilon _{b}) \cdot L_{t} \cdot (T_{m}-T_{0})

donde T_{m} es la temperatura media encontrada en el husillo 12 y en el tubo 18.

Además, el alargamiento de un tramo del husillo 12 igual a la longitud L_{t} del tubo 18 está expresado por:

\Delta L_{t} = \int_{0}^{Lt} \varepsilon _{b} \cdot [T(x)-T_{0}]dx

\Delta L_{t} = \varepsilon _{b} \cdot L_{t} \cdot [1/L_{t} \cdot \int_{0}^{Lt}T(x)dx-T_{0}]dx

(2)\Delta L_{t} = \varepsilon _{b} \cdot L_{t} \cdot (T_{m}-T_{0})

Aplicando el valor de (T_{m} - T_{0}) a la relación (1) anterior se obtiene:

(3)\Delta L_{t} = \Delta\cdot \varepsilon_{b}/( \varepsilon_{t}- \varepsilon_{b}).

En la hipótesis, por otra parte razonable, de que la temperatura del tramo del y husillo 12 no medido (de longitud L_{b}- L_{t}) sea igual a la temperatura media T_{m} del tramo de longitud L_{t}, se obtiene que el alargamiento conjunto del husillo 12, debido al calentamiento durante el trabajo, resulta:

(4)\Delta L_{b} = [\Delta\cdot \varepsilon_{b}/( \varepsilon_{t}- \varepsilon_{b})]\cdot L_{b}/L_{t}.

En conclusión, una vez obtenido el desplazamiento s medido por el sensor 24, se llega al alargamiento conjunto del husillo 12 mediante una simple multiplicación de la relación L_{b}/ L_{t} entre las longitudes del husillo 12 y el tubo 18 por un factor constante proporcional al producto de la relación entre el coeficiente de dilatación \varepsilon_{b} del material del husillo 12 y la diferencia (\varepsilon_{t}-\varepsilon_{b}) entre los coeficientes de dilatación de los materiales del husillo y del tubo.

Por tanto, existe una correspondencia de sustancial proporcionalidad entre el alargamiento conjunto del husillo 12 y la distancia \Delta medida por el sensor 24, dependiendo dicha proporcionalidad sólo de los coeficientes de dilatación y de las longitudes del husillo 12 y del tubo 18. Este algoritmo es por tanto insertado en el software del control numérico de la máquina herramienta.

En el presente caso empleando un husillo 12 de acero (\varepsilon_{b} = 12 \cdot10^{-6}K^{-1}) y un tubo 18 de aluminio (\varepsilon_{t}= 23 \cdot10^{-6}K^{-1}), resultaría:

\Delta L_{b}=[12 \cdot10^{-6}/(23-12) \cdot10^{-6}] \cdot(2300/1800)\cdot \Delta=1,090 \cdot1,277 \cdot \Delta= 1,39 \cdot \Delta

mientras que empleando un husillo 12 de acero (el mismo \varepsilon_{b}) y un tubo 18 de magnesio (\varepsilon_{b}= 25\cdot10^{-6}K^{-1}), resultaría

\Delta L_{b}=[12 \cdot10^{-6}/(25-12) \cdot10^{-6}] \cdot(2300/1800)\cdot \Delta=0,923 \cdot1,277 \cdot\ s= 1,178 \cdot \Delta,

Del mismo modo, si en lugar de la longitud L_{b} del husillo 12 se utiliza la longitud de la corredera 42, y en lugar de la longitud L_{t} del tubo 16 se utiliza la longitud de la barra 50, fabricada en aluminio o en magnesio, se llega a resultados estrechamente similares.

De cuanto ha sido expuesto anteriormente se ha descrito e ilustrado un ejemplo preferido de realización de la invención que no debe considerarse con efecto limitativo por lo que las personas expertas en este particular ámbito técnico podrán llegar en mente a soluciones alternativas o lógicamente equivalentes que se consideran todas cubiertas por el ámbito de las reivindicaciones siguientes.

Por ejemplo, según las aplicaciones particulares, puede resultar adecuado o suficiente medir solamente la longitud del husillo 12 o bien la de la corredera 42, más bien que de ambos y dichos órganos pueden intervenir así sólo con el motor M_{1}, para compensar únicamente la variación de longitud del husillo o bien sólo con el motor M_{2} para compensar únicamente la variación de longitud de la corredera más bien que con ambos motores M_{1}, y M_{2} para compensar tanto la variación de longitud del husillo como la variación de longitud de la corredera.

Claims (12)

1. Dispositivo para medir y compensar variaciones de longitud, con la temperatura, de órganos funcionales (12, 42) de una máquina herramienta, caracterizado porque se emplean medios alargados (18, 50), que tienen un comportamiento con respecto a la dilatación térmica diferente al de dichos órganos funcionales (12, 42) que se extienden en un primer extremo que está fijado a dichos órganos (12, 42) en un punto (15, 52) puesto en correspondencia, o en la inmediata proximidad, del extremo externo de dichos órganos (12, 42) hasta el extremo interno (17, 56) de los mismos y porque se emplean dispositivos detectores o sensores de posición (24, 58) soportados por los mismos órganos funcionales (12, 42) que son aptos para medir la distancia (\Delta) que lo separa de dicho extremo interno (17, 56).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque se emplea en el interior de un órgano funcional, como un husillo (12), un medio (18) alojado en el interior del husillo y que tiene sustancialmente la misma longitud que el mismo, y estando dicho medio fabricado con un material que tiene un coeficiente de dilatación térmica marcadamente diferente al del husillo (12) y que se extiende a partir de un punto de fijación (15) al husillo (12) que se encuentra en correspondencia, o en la inmediata proximidad, de su extremo (14) que funciona como portaherramientas hasta el segundo extremo (17) sobre el cual están fijados unos medios de tope (20) para permitir al detector o sensor (24), soportado sobre el mismo husillo (12), medir la distancia (\Delta) de dicho segundo extremo (17).

3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque se emplea en la proximidad de un órgano funcional, como una corredera (42), un medio adyacente (50), fabricado con un material que tiene un coeficiente de dilatación térmica marcadamente diferente al de la corredera (42), que se extiende, partiendo del extremo externo (44) de la corredera (42), a la cual está fijado, sustancialmente como la corredera (42) y que soporta el medio (58) para medir la distancia (\Delta) de un extremo (56) del medio (50), opuesto al punto (52) de fijación del medio (50) a la corredera (42) por un detector o sensor de posición (58) soportado por la misma corredera (42).

4. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque el medio (18) alojado en el interior del husillo (12), en correspondencia con su extremo (17) opuesto al correspondiente de la posición del portaherramientas (14) del husillo (12) sostiene un elemento (20) elaborado con precisión enfrentado hacia dicho detector o sensor de posición (24).

5. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el medio empleado adyacente a la corredera (42) es una barra rígida (50) aplicada en correspondencia con el primer extremo (52) en la proximidad del extremo externo (44) de la corredera (42) y que presenta un segundo extremo (56), mecanizado con precisión, enfrentado hacia el detector o sensor de posición (58).

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque la barra rígida (50) está fabricada con un material tal como aluminio o sus aleaciones.

7. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque la barra rígida (50) está fabricada con un material tal como magnesio o sus aleaciones.

8. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el husillo (12) es hueco y aloja en su interior, a lo largo de su eje (X), un tirante (16) para el mando de la apertura y cierre del portaherramientas (14), así como un elemento tubular (18), que tiene un extremo (15) fijado en el extremo (14) del husillo (12) que funciona como portaherramientas, fabricado con un material que tiene un coeficiente de dilatación sustancialmente mayor que el del husillo (12) y libre de expandirse hacia el extremo (17) opuesto a aquél con el cual está fijado al portaherramientas (14).

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque el elemento tubular (18) está fabricado con un material tal como el aluminio o sus aleaciones.

10. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque el elemento tubular (18) está fabricado con un material tal como magnesio o sus aleaciones.

11. Máquina herramienta dotada de un husillo (12) y de un dispositivo (10) según las reivindicaciones 2, 4, 8, 9 ó 10, caracterizada porque las medidas detectadas por dicho dispositivo (10) son utilizadas, después de la elaboración mediante un adecuado algoritmo, por el control numérico para obtener la compensación de las variaciones de longitud del husillo (12) mediante la activación de medios (M_{1}, 30) de posicionado del husillo (12).

12. Máquina herramienta dotada de una corredera (42) y de un dispositivo (40) según las reivindicaciones 2, 4, 8, 9 ó 10, caracterizada porque las medidas obtenidas por dicho dispositivo (40) son utilizadas, después de una valoración mediante un adecuado algoritmo, por el control numérico para obtener la compensación de las variaciones de longitud de la corredera (42) mediante la activación de medios (M_{2}, 60) de posicionado de la corredera (42).