ES2290497T3 - Sistema y proceso para medir, compensar y comprobar cabezales de una maquina herramienta controlada numericamente y/o mesas. - Google Patents

Abstract

Sistema para medir, compensar y comprobar los cabezales de una máquina herramienta controlada numéricamente (1) y/o mesas, caracterizado porque comprende: - al menos una base soporte (11) equipada con una pluralidad de sensores de distancia (14); - al menos un dispositivo (16) del tipo herramienta de calibración compuesto por un cilindro alargado (17), estando equipado dicho cilindro (17) en uno de sus extremos con un medio de conexión (18) para dichos cabezales (1) y estando equipado en el extremo opuesto con una bola (20), estando situada dicha bola (20) próxima a dichos sensores (14) de modo que son capaces, siempre y en cualquier posición, de medir la distancia que les separa desde dicha bola (20); - en el que dicho sistema está acoplado operativamente con un medio de procesamiento (30), estando adaptado dicho medio de procesamiento (30), a través de una única medida obtenida por dichos sensores (14) aproximadamente a la distancia que separa dichos sensores (14) de dicha bola(20), para detectar las coordenadas XYZ del centro de una herramienta en una posición de interés, comprendiendo dicho medio de procesamiento (30), un medio (31) para realizar procesos de medida para errores que pueden modelarse, un medio (32) para realizar procesos de medida para errores que no pueden modelarse y un medio (33) para realizar comprobaciones dinámicas.

Description

Sistema y proceso para medir, compensar y comprobar cabezales de una máquina herramienta controlada numéricamente y/o mesas.

La presente invención se refiere a procesos para medir, compensar y comprobar los cabezales rotatorios y/o mesas para máquinas herramientas controladas numéricamente y a un sistema de hardware y software que realiza tales procesos.

El documento US-A-5214857 describe un dispositivo de calibración que se ocupa de máquinas de 3 ejes, y en las que tal dispositivo no graba errores XYZ, sino sólo una desviación de longitud a partir de la cual es potencialmente posible obtener tales errores XYZ; tal dispositivo no se ocupa de errores de medición del cabezal.

El documento WO-A-9743703 describe un proceso para corregir errores de máquinas herramientas en tiempo real usando modelado mojado diferencial global, en el que las medidas tratan con los ejes XYZ, el posicionamiento preciso XYZ, las distorsiones térmicas XYZ y se ocupa de problemas térmicos y no de errores de cabezales.

El documento US-A-4879817 describe un proceso para comprobar el ajuste de una herramienta, que es una cuchilla sobre máquinas giratorias; este proceso mide y corrige la posición de la cuchilla en una aplicación especial para máquinas giratorias y no se ocupa de cabezales ni de medir errores de cabezales ni de su corrección.

La invención se describirá y se mostrará en este documento más adelante se aplica a cabezales de máquinas, pero obviamente cualquier cosa que se describa puede aplicarse de modo similar a sistemas con cabezal + mesa o sólo mesas de máquina herramienta obteniendo los mismos efectos inventivos y ventajas, ya que por la presente se involucran simples conversiones de sistemas de referencias cartesianas.

Los cabezales rotatorios (llamadas en este documento a continuación "cabezales") de máquinas herramientas controladas numéricamente son ejes de máquinas herramientas controladas mediante control numérico (CNC). Estos cabezales se equipan comúnmente con uno o dos grados de libertad de rotación. Las posibles variaciones de tal configuración, que deben estimarse incluidas dentro del alcance de la presente invención, son cabezales rotatorios en las que los movimientos de rotación se descomponen parcialmente o totalmente en mesas rotatorias.

El sistema hardware, que se describirá en este documento a continuación, permite medir con procesos automáticos suficientes valores de modo que los procesos de medición y el software puedan procesar compensaciones y comprobaciones de esta parte de la máquina.

El termino "medida geométrica" de los cabezales significa la medida de los errores geométricos de los cabezales. Estos errores se generan por un ensamblaje del componente incorrecto, por una realización incorrecta de los componentes o por los pesos de los componentes. A continuación en este documento se explicará una clasificación más detallada de estos tipos de errores.

El término "compensación" de los cabezales significa la corrección software de los errores medidos dentro del control numérico. Como se ha mencionado anteriormente, se dará a continuación una clasificación de errores y a partir de la misma seguirán los algoritmos de compensación software relacionados. La compensación incluye además tanto el software de medición como el software de compensación. El software de medición permite realizar y procesar los datos de medición mientras que el software de compensación realiza correcciones de los errores medidos y procesados.

El término "procesos automáticos" de los cabezales significa una serie de movimientos automáticos de máquina que, mediante el sistema hardware, recogen medidas que procesa el software de medición para crear los datos de entrada del software de compensación.

El término "prueba dinámica" de los cabezales significa la medida de las respuestas dinámicas de los movimientos de la máquina que involucran a los ejes de rotación de los cabezales. Típicamente, estas pruebas señalan los problemas de "tirones" y "ondulaciones" para estos ejes.

Actualmente, no hay sistemas de prueba dinámica para cabezales, mientas que hay procesos de medición geométrica manuales o semi-automáticos; estos últimos, sobre todo para los propósitos de la presente invención, no son sistemas que están integrados en el control numérico y no permiten la libertad de adaptarse a voluntad a la complejidad del modelo de error que se ha de describir realizando las medidas.

Las medidas geométricas actuales proporcionan para el uso de los sistemas de medición, tales como los comparadores de décimas o milésimas, y artefactos, tales como los cuadrados certificados, cilindros de control (comúnmente llamados "herramientas de calibración"), etc. El operario de la medida, con una serie de operaciones manuales conocidas, después de haber ensamblado y posicionado repetidamente los artefactos mencionados anteriormente, toman nota de los valores de medida. Los procesos semi-automáticos principalmente usan dispositivos de palpación digitales (véase por ejemplo el sistema Renishaw MP10) y un artefacto de referencia (principalmente una bola), por lo tanto es posible con procesos de medición obtener parte de los valores que pueden medirse con el sistema manual. El mayor problema con estas técnicas conocidas es que hacen difícil la integración con el control numérico y hacen irrealizable el uso de modelos de compensación compleja, ya que el número de medidas a realizar y la temporización generada por tales técnicas serían excesivamente grandes y engorrosos.

Uno de los límites de tales aplicaciones es que no pueden medirse automáticamente todas las medidas necesarias y/o las variables para la medida geométrica del cabezal, como bien puede verse en los dibujos esquemáticos en la Fig. 1. En tal Figura, puede verse que la comprobación del paralelismo entre el eje del cabezal 1 equipada con las dos partes 3 y 5 y el vástago 7 en un movimiento de rotación mutua, y los ejes cartesianos de referencia se realizan a través de un instrumento de medición (comúnmente llamado ``herramienta de calibración) 9 situado junto al vástago 7. Los límites de tal tipo de operación son esencialmente los sistemas de medición adoptados y los siguientes procesos de medición limitados.

El objeto de la presente invención es solucionar las deficiencias de la técnica anterior, proporcionando un sistema y un proceso para medir, compensar y comprobar los cabezales de una máquina herramienta controlada numéricamente que permite obtener las siguientes innovaciones:

a)

un instrumento, y por lo tanto procesos, para realizar automáticamente las medidas geométricas que integran tal sistema dentro del control numérico;

b)

la oportunidad de aumentar la complejidad de tales medidas para describir errores de los cabezales más complejos, teniendo siempre sin embargo tiempos de ejecución de la medida que son extremadamente reducidos con respecto a la técnica anterior;

c)

el uso de tal instrumento para pruebas dinámicas;

d)

el uso de sistemas de corrección conocidos para realizar la compensación de los errores medidos.

Los anteriores y otros objetos y ventajas de la invención, como se harán presentes de la siguiente descripción, se alcanzan por los sistemas y procesos como se describe en las Reivindicaciones independientes. Las realizaciones preferidas y las variaciones no triviales de la presente invención se describen en las Reivindicaciones dependientes.

La presente invención se describirá mejor por algunas realizaciones preferidas, proporcionadas como un ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- La Figura 1 es una vista esquemática que muestra las etapas de medición de la cuadratura del eje en la técnica anterior;

- Las Figuras 2A a 2D son vistas de la base soporte 11 parte de una realización del sistema de la presente invención;

- La Figura 3 es una vista lateral de la parte de la herramienta de calibración de una realización del sistema de la presente invención;

- Las Figuras 4A a 4C son vistas esquemáticas de una realización del cabezal del sistema de la invención con modelos geométricos relacionados;

- Las Figuras 5A a 5C son vistas esquemáticas de otra realización del cabezal del sistema de la invención con modelos geométricos relacionados;

- La Figura 6 es una vista esquemática de una realización del sistema de la invención;

- Las Figuras 7A a 7C son vistas esquemáticas que ejemplifican el modo en el que se muestran las cantidades medidas;

- Las Figuras 8A a 8C son vistas esquemáticas que muestran los movimientos de la base soporte 11 de las Fig. 2A a 2D;

- La Figura 9 es una vista esquemática que muestra un ejemplo de aplicación del sistema de la invención;

- Las Figuras 10 a 13 son vistas esquemáticas de etapas adicionales en el ejemplo de la Fig. 9;

- Las Figuras 14A y 14B son vistas esquemáticas que muestran un ejemplo de aplicación adicional del sistema de la invención;

- La Figura 15 es una vista en perspectiva que muestra algunas posiciones de operación del sistema de la invención;

- La Figura 16 es una vista esquemática que muestra el inclinador del cabezal;

- Las Figuras 17 a 21 son vistas esquemáticas de los movimientos del sistema de la presente invención; y

- Las Figuras 22 a 24 son gráficos de vectores que muestran las acciones del modelo de cabezal de la presente invención;

Con referencia a las Figuras, se muestra una realización preferida, pero no limitante del sistema de la presente invención. A continuación en este documento se describirá el sistema como se aplica en el campo de la medición, compensación y comprobación de cabezales de máquinas herramientas 1 controladas numéricamente, pero es obvio que puede encontrarse una aplicación válida y eficaz para cualquier campo en el que sea necesario una medida completamente automática, precisa y confiable de las posiciones de un objeto en sistemas de referencia.

Con referencia a las Figuras, y en particular a las Fig. 2 a 5, el sistema de medición, compensación y comprobación de cabezales de máquinas herramientas 1 controladas numéricamente y/o mesas comprende sustancialmente:

-

al menos una base soporte 11 equipada con una pluralidad de sensores de distancia 14;

-

al menos un dispositivo 16 del tipo herramienta de calibración compuesta de un cilindro alargado 17; el cilindro 17 está equipado en uno de sus extremos con un medio de conexión 18 para los cabezales 1 y está equipado en el extremo opuesto con una bola 20, que está situada junto a los sensores 14 de modo que son capaces, siempre y en cualquier posición, de medir la distancia que los separa de la bola 20.

En particular, la base soporte 11 puede ser de una forma circular y está preferiblemente equipada con tres sensores de distancia 14 situados sobre la base en posiciones que están desplazadas 120º entre sí. En cambio, los medios de conexión 18 son del tipo achaflanado y los cabezales 1 están adaptados para recibir, en una de sus partes móviles 3, 5, los medios de conexión 18 para la conexión inamovible a los mismos durante las medidas.

De acuerdo con lo mostrado en la Fig. 6, el sistema de la invención está acoplado operativamente con el medio de procesamiento 30 que comprende un medio 31 para realizar procesos para la medición de errores que pueden modelarse, un medio 32 para realizar procesos para la medición de errores que no pueden modelarse y un medio 33 para realizar comprobaciones dinámicas. Además, los cabezales 1 están acopladas operativamente con un medio de control y comprobación 34 que también comprende un medio 35 para realizar procesos de compensación de errores que pueden modelarse y un medio 36 para realizar procesos de compensación de errores que no pueden modelarse.

De acuerdo con la medida de errores de posicionamiento de la bola 20 de la herramienta de calibración 16, que muestra idealmente la punta de la herramienta, pueden obtenerse dos procesos posibles;

1) el cabezal 1 se mueve usando compensaciones ya activas (aquellos errores que pueden modelarse). Entonces el CNC parece haber mantenido el centro de la bola 20 inmóvil (en sistemas CNC este tipo de movimiento se llama comúnmente movimiento con RTCP activado). La medida de error puede realizarse usando una de las siguientes alternativas:

a)

Los valores proporcionados por los sensores 14 de la base soporte 11 pueden transformarse en coordenadas reales de la bola 20 de la herramienta de calibración 16. La diferencia entre las coordenadas teóricas y las coordenadas reales de la bola 20 muestra los errores medidos.

b)

los valores proporcionados por los sensores 14 de la base soporte 11 pueden usarse para corregir la posición de eje lineal de la máquina para devolver la bola 20 al punto en el que los sensores 14 proporcionan los valores iniciales. De este modo la bola 20 no se habrá movido pero por lo demás el eje lineal habrá realizado un movimiento adicional con respecto al que habría impuesto el CNC a los mismos dependiendo de las compensaciones actualmente activas. Tales correcciones son los errores medidos.

2) El cabezal se maneja sin usar ninguna compensación activa en el CNC. Mediante el proceso b listado anteriormente, la posición de los ejes lineales se corrige para devolver la bola 20 al punto en el que los sensores 14 proporcionan los valores iniciales. Tales movimientos inducidos representan la medida indirecta de error para propósitos de computación.

Respecto al mecanismo de detección de error, mediante un software que puede realizarse fácilmente y cómodamente que realiza algunas transformaciones, la base soporte 11 con los sensores 14 proporciona la posición de la bola 20 de la herramienta de calibración 16. El proceso para detectar la posición de la bola 20 es conocido en la técnica y no se describirá con mayor detalle en este contexto. Para medir los errores, es necesario realizar un proceso de calibración de los sensores 14 de la base soporte 11 (tal proceso es conocido en la técnica y no se describirá con detalle en este documento).

Independientemente de la técnica utilizada para extraer los errores de posicionamiento a partir de los movimientos controlados a la máquina, como se muestra en las Fig. 7A a 7B, el sistema de medición está idealizado asumiendo que el desplazamiento de la máquina (desplazamiento deseado + errores medidos) es capaz de medirse. En la Fig. 7A, se muestra un error de desplazamiento A del eje del cabezal 1, dependiendo del cual, como se muestra en la Fig. 7B, se produce el error medido D siguiendo el movimiento programado del cabezal 1 desde la posición B a la posición C, estando representado tal movimiento por las flechas correspondientes en la Figura. Consecuentemente ocurre la situación en la Fig. 7C, que muestra el diagrama de la medida realizada.

Respecto al proceso de medición de error, las ventajas de la configuración del sistema con los sensores 14 y la base soporte 11 como un trípode son:

1) Suficiente precisión de medición para determinar el centro de la bola 20 de la herramienta de calibración 16 y por lo tanto los errores a medir. Los sensores 14 pueden realizarse usando diferentes tecnologías y pueden proporcionar o no el contacto con la bola 20 de la herramienta de calibración 16. Cuando se usan los sensores de distancia 14 en lugar de los de contacto y los de tipo capacitivo, la base soporte 11 puede configurarse como una cubierta esférica vacía (no mostrada) cuyo punto focal es el centro de la bola 20 de la herramienta de calibración 16. Esto es para minimizar los ruidos de medidas capacitivas. Tal modificación (y las similares) no deben estimarse como variaciones del concepto básico de la base soporte 11 como se ha descrito previamente.

2) Posibilidad de inclinar la máquina herramienta 16 por debajo de la línea horizontal sin colisiones entre los cuerpos móviles y el instrumento de medición. El amplio rango de posiciones que puede alcanzarse para las medidas permite al software de medición inspeccionar consecuentemente todas las posiciones del cabezal de interés.

De acuerdo con lo mostrado en las Fig. 8A a 8C; la base soporte 11 puede estar conectada con el medio de conexión 40 adaptado para permitir una rotación de la propia base soporte 11 hasta 90º con respecto a su propio eje (F), para alcanzar una pluralidad de posiciones de operación entre dos ejes extremos perpendiculares entre sí (F, G). Los medios de conexión 10 están adaptados además para permitir simultáneamente una rotación de la base soporte 11, una vez que se ha alcanzado la posición del eje extremo (G), alrededor del eje (F) perpendicular al mismo.

Respecto al proceso de medida geométrica del cabezal 1, como se ha descrito anteriormente, las medidas automáticas permitidas por el instrumento de medición y los procesos de medida, permiten incrementar el grado de complejidad del modelo geométrico del cabezal. En este contexto, el término "modelo geométrico" del cabezal 1 significa el modelo matemático que describe el comportamiento real del cabezal 1 con respecto al teórico. Los parámetros de tal modelo son los que se obtienen a través de las medidas.

Las Fig. 4A a 4C y 5A a 5C muestran algunos tipos de cabezales y los modelos geométricos simplificados relacionados que se usan hoy en día en relación hasta un posible modelo más complejo que puede usarse con el sistema descrito en este punto.

Los parámetros de estos modelos geométricos pueden llamarse errores que pueden modelarse significando que un posible sistema de compensación es capaz de usar estos parámetros para computar los errores que debe corregir el CNC para propósitos de funcionamiento. Estos últimos errores son por ejemplo errores de posicionamiento del extremo de la herramienta (punta de la herramienta).

Cuando se ha compensado el cabezal 1 usando el sistema descrito anteriormente, habrá una serie de errores que el modelo usado, aunque más complejo, no describe. Estos errores, que pueden llamarse errores que no pueden modelarse, resultan en un posicionamiento de la punta de la herramienta aún incorrecto. El instrumento descrito en este punto (pero también instrumentos equivalentes tales como terminales de palpación digitales y bolas de referencia) es también capaz de realizar la medida de estos errores residuales.

Ahora se demostrará que el sistema descrito es capaz de proporcionar los datos necesarios para identificar los parámetros de un modelo geométrico del cabezal 1 seleccionada como ejemplo. La demostración se divide en tres ejemplos que describen modelos geométricos con complejidad creciente para medir los errores que pueden modelarse y un ejemplo adicional que describe la medida de errores que no pueden modelarse.

Para una mejor clarificación, los ejemplos de los procedimientos incluirán:

Ejemplo 1) Procedimiento para medir un cabezal con un modelo geométrico simple

Ejemplo 2) Procedimiento para medir un cabezal con un modelo geométrico complejo

Ejemplo 3) Procedimiento para medir un cabezal usando un algoritmo para resolver modelos complejos

Ejemplo 4) Procedimiento para medir errores que no pueden modelarse

Ejemplo 5) Descripción de una disposición práctica

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Ejemplo 1

Tomemos en consideración el modelo geométrico descrito en la Fig. 9 en el que se supone como ejemplo que los ejes en funcionamiento son A[0;360] B[-90;90] (refiriéndonos a la Fig. 9);

Los parámetros de este modelo son:

\bullet

Precisión del posicionamiento angular para los ejes A y B.

\bullet

Dirección y centro de rotación de los ejes A y B. Debe localizarse la orientación exacta del eje de rotación para determinar la posición de paralelismo entre el eje de rotación y el eje lineal.

\bullet

Prefijación de cero de los ejes A y B. La prefijación de 0 muestra la posición en la que se programa un eje en la posición 0. Para un cabezal la prefijación de 0 es el punto en el que la herramienta está alineada con el eje Z.

\bullet

P (comúnmente llamado pivote), DY (distancia entre ejes de rotación para el eje B y el eje A), DTy (distancia en el plano YZ entre el eje de la herramienta de calibración y el eje de rotación para el eje A), DTx (distancia en el plano XZ entre el eje de la herramienta de calibración y el eje de rotación para el eje A)

Debe observarse que la figura en el plano YZ supone que la prefijación de 0 para el eje A ya se ha localizado. Por otra parte, la distancia entre el eje de rotación tendría, además de una componente DY, también una componente DX ya que el eje de rotación del eje B no sería perpendicular al plano YZ. Es por esta razón por lo que antes de computar DY, se computan las prefijaciones de 0.

Para facilidad de exposición en la figura los ejes de rotación se muestran paralelos al eje lineal. En la práctica esto se obtiene después de haber medido y corregido el paralelismo entre los ejes de rotación y el eje lineal.

El procedimiento de medida consiste en las siguientes etapas;

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Etapa 1

Posicionamiento del cabezal A=0 B=90º.

Movimiento del eje A desde 0º hasta 360º y adquisición de los errores de posicionamiento para una pendiente definida en el eje movimiento del eje A.

A continuación se miden una serie de puntos que describen un círculo. La ecuación del círculo puede computarse con los métodos conocidos de minimizar el error cuadrático.

A partir de los puntos medidos (que tienen una relación unívoca con la posición obtenida del transductor del eje A) es posible determinar la precisión de posicionamiento angular para el eje A.

A partir de la ecuación del círculo es posible determinar la inclinación del eje de rotación para el eje A con respecto al eje Z (paralelismo entre el eje de rotación A y el eje lineal Z).

A continuación a partir de los puntos medidos es posible determinar cuál es el valor del transductor del eje A para el
cual los puntos medidos quedan en el plano YZ. Consecuentemente está determinada la prefijación de 0 para el eje A.

Debe observarse que los errores en el eje B (prefijación de 0, paralelismo y linealidad del transductor) no tienen influencia en absoluto.

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Etapa 2

Con un procedimiento similar al de la etapa 1, se posiciona el cabezal A=0 B=90º y el movimiento del eje B se realiza desde 90º hasta -90º y se realiza la adquisición del error de posicionamiento para una pendiente definida en el movimiento del eje B (véase la Fig. 15).

A continuación se miden una serie de puntos que describen un semicírculo. La ecuación del círculo puede computarse con los métodos conocidos que minimizan el error cuadrático.

A partir de los puntos medidos (que tienen una relación unívoca con la posición obtenida del transductor del eje B) es posible determinar la precisión del posicionamiento angular para el eje B.

A partir de la ecuación del círculo es posible determinar la inclinación del eje de rotación para el eje B con respecto al eje X (paralelismo entre el eje de rotación B y el eje lineal X).

A partir de los puntos medidos es posible determinar a continuación cuál es el valor del transductor del eje B para el cual los puntos medidos quedan en el plano XZ. Consecuentemente está determinada la prefijación de 0 para el eje B.

En este instante se conoce lo siguiente tanto para el eje A como para el eje B: precisión del posicionamiento angular, paralelismo entre los ejes de rotación y los ejes lineales, prefijación de cero. Activando tales parámetros en el software de compensación o teniendo en cuenta su valor en el software de medición, puede asumirse que sus efectos se han cancelado y consecuentemente el cabezal se ha conducido a la condición descrita en la figura de comienzo.

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Etapa 3

Se miden los errores en las posiciones A=0 B=0 y A=180 B=0 (véase la Fig. 10).

Se obtiene la relación 2*DTx = X,

donde X es el índice de un valor que puede medirse mediante la herramienta de calibración (véase la Fig. 3) + sistema de medición del trípode (véase la Fig. 2).

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Etapa 4

Se miden los errores en las posiciones A=0 B=0 y A=180 B=0 (véase la Fig. 11).

Se obtiene la relación 2*(DY+DTy) = Y,

donde Y es el índice de un valor que puede medirse mediante la herramienta de calibración + el sistema de medición de trípode.

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Etapa 5

Se miden los errores en las posiciones A=0 B=90 y A=180 B=90 (véase la Fig. 12).

Se obtiene la relación 2*DTy = Z,

donde Z es el índice de un valor que puede medirse mediante la herramienta de calibración + el sistema de medición de trípode.

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Etapa 6

Se miden los errores en las posiciones A=0 B=-90 y A=180 B=-90 (véase la Fig. 13).

Se obtiene la relación 2*(DY+P) = Y,

donde Y es el índice de un valor que puede medirse mediante la herramienta de calibración + el sistema de medición de trípode.

Las ecuaciones encontradas en las etapas 3 a 6 son todas independientes y su resolución se puede demostrar matemáticamente.

Con un procedimiento similar puede medirse el inclinador del cabezal.

La Fig. 16 muestra un modelo geométrico simplificado de un cabezal genérica 1 (inclinador del cabezal). Se supone como ejemplo que los ejes en funcionamiento son A[0;360] B[-180,180].

Los parámetros (o errores a medir) en este modelo son:

\bullet

Precisión del posicionamiento angular para los ejes A y B.

\bullet

Dirección y centro de rotación de los ejes A y B.

\bullet

Prefijación de cero para los ejes A y B.

\bullet

DTx, DX, DTy, DY y P. Se supone el ángulo (\alpha) de 45º como conocido. Las medidas a realizar son 5 y las fijaciones de la base soporte 11 son siempre las de la configuración básica.

Como en el caso anterior en la Fig. 16 los ejes de rotación se muestran paralelos como en la configuración teórica (eje A paralelo al eje Z y eje B en el plano XZ a 45º desde el eje X). En la práctica esto se obtiene después de haber medido y corregido el paralelismo entre los ejes de rotación y el eje lineal y obtener la prefijación de cero.

El procedimiento de medición consiste en las siguientes etapas:

Etapa 1

Como en el caso anterior, se realiza un círculo para el eje A de medición. B se sitúa a 180º (herramienta de calibración en el plano XY) y se realiza la medida moviendo A desde 0 hasta 360º.

Las operaciones a realizar son las mismas y consecuentemente se obtienen: precisión de posicionamiento angular para el eje A; paralelismo entre el eje A de rotación y el eje Z; prefijación de 0 para el eje A para la cual la herramienta de calibración queda en el plano XZ.

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Etapa 2

Como en el caso anterior, se realiza un círculo para el eje B de medición. A se sitúa a 0º y la medida se realiza moviendo B desde -180 a +180 grados.

La serie de puntos describe un círculo que queda sobre un plano que idealmente cortará al plano YZ en una línea recta paralela a Y y al plano XZ en una línea recta inclinada -45º con respecto a X. Las desviaciones de tal configuración serán correcciones de paralelismos para el eje B.

Como anteriormente se detectan las correcciones para corregir la precisión de posicionamiento angular para B y la prefijación de 0 para la cual la herramienta de calibración está vertical.

Al igual que en el ejemplo anterior, conociéndose tanto para el eje A como para el eje B la linealidad del transductor, el paralelismo entre los ejes de rotación y el eje lineal y la prefijación de cero, el cabezal se ha conducido a la condición descrita en la Fig. 16.

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Etapa 3

En la Fig. 17, se aplica lo siguiente:

Movimiento:

A0 \Rightarrow 180

B0

Relación:

DTx + DX = X

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Etapa 4

En la Fig. 18, en cambio se aplica lo siguiente:

Movimiento:

A0

B0 \Rightarrow 180

Relación:

P - DTx = X

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Etapa 5

En la Fig. 19, se aplica lo siguiente:

Movimiento:

A0 \Rightarrow 180

B180

Relación:

2P + 2DX = X

\newpage

Etapa 6

En la Fig. 20, se aplica lo siguiente:

Movimiento:

A0 \Rightarrow 180

B0

Relación:

2DY + 2DTy = X

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Etapa 7

En la Fig. 21, se aplica lo siguiente:

Movimiento:

A0

B0 \Rightarrow 180

Relación:

2DTy = Y

P = Z

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Las ecuaciones que se encuentran en las etapas 3 a 7 son todas independientes y su resolución se puede demostrar matemáticamente.

Si el ángulo \alpha mostrado en las Figuras no es 45º y no se conoce con precisión, usando el método analítico que se describe más adelante, tal ángulo sería mesurable.

Ejemplo 2

Las Figuras 22 a 24 muestran un modelo geométrico avanzado de un cabezal genérica 1. Los parámetros (o errores a medir) de este modelo son \alphax, \betax, DBx, DTx,P, \alphat, \alphay, \betay, DBy, DTy, \betat.

En estos modelos se señalan las faltas de paralelismo para los ejes de rotación con respecto al eje lineal (\alphax, \betax, \alphay, \betay). Tales parámetros se miden con los mismos procedimientos mencionados en las etapas 1 y 2 que permiten además obtener la linealidad del transductor y el valor prefijado de 0.

Habiendo medido tales parámetros y activando el software de compensación o teniendo en cuenta tales valores dentro del software de medición, puede asumirse idealmente haber corregido tales errores y haber transformado el cabezal afectada en un modelo más simple (véase la Fig. 14A).

O, de acuerdo con cuál es el modelo de referencia, véase el ejemplo en la Fig. 14B.

Como ejemplo referirse al caso en la segunda figura.

Con respecto al modelo en el ejemplo 1, tenemos parámetros \alphat y \betat más y realizando consecuentemente las etapas 3 a 6 más otras dos etapas que describen posiciones independientes y ecuaciones, se encuentran de nuevo una serie de ecuaciones que pueden resolverse aritméticamente. Debe observarse que para este modelo DTx + DX es una variable única (desde ahora DX).

Las etapas son por lo tanto:

Etapa 3: posiciones A=0 B=0 y A=180 B=0

Relación: 2*(DX + P*sen(\alphat) = X

Etapa 4: posiciones A=0 B=0 y A=180 B=0

Relación: 2*(DY + DTy + P*sen(\betat) = Y

Etapa 5: posiciones A=0 B=-90 y A=180 B=90

Relación: 2*(DTy + P*sen(\betat) = Z

Etapa 6: posiciones A=0 B=-90 y A=180 B=-90

Relación: 2*(DY + P*cos(\betat) = Y

Etapa 7: posiciones A=0 B=-90 y A=0 B=90

Relación: 2*(P*sen(\betat) = Y

Etapa 8: posiciones A=0 B=0 y A=0 B=-90

Relación: P*sen(\betat) - DTy - P*cos(\betat) = Y

P*sen(\betat) - DTy + P*cos(\betat) = Z

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Resumiendo los procesos descritos en los Ejemplos 1 y 2, es aún posible localizar las siguientes macro-etapas para un cabezal genérica 1:

1. Para un cabezal (20), hay planos en los que queda la circunferencia descrita por la punta de la herramienta cuando se realizan los siguientes movimientos:

-

eje B a 90º; eje A que realiza una revolución (círculo 1)

-

eje A a 0º; eje B que realiza una revolución (círculo 2), estos planos son perpendiculares y paralelos a los ejes cartesianos de la máquina herramienta; tal proceso comprende las etapas de:

-

ejecutar el círculo 1;

-

reconstruir con medio de los métodos de los cuadrados promedios o similares el círculo 1 a través de una serie de puntos que lo describen;

-

localizar la falta de paralelismo del plano que pasa a través del círculo 1 con respecto al plano que es ortogonal al eje de rotación ideal del eje A;

-

localizar la relación entre la posición obtenida del transductor por los sistemas de medición del eje A y el punto de localización de la punta de la herramienta relacionada y a continuación computar la precisión del posicionamiento angular del eje A;

-

ejecutar el círculo 2;

-

reconstruir con medio de los métodos de los cuadrados promedios o similares el círculo 2 a través de una serie de puntos que lo describen;

-

localizar la falta de paralelismo del plano que pasa a través del círculo 2 con respecto al plano que es ortogonal al eje de rotación ideal para el eje B;

-

localizar la posición 0 del eje A mediante la componente de los ángulos descritos anteriormente que queda en el plano perpendicular al eje de rotación ideal del eje A;

-

localizar la posición 0 del eje B mediante el punto medido sobre el círculo 2 que permite tener la herramienta vertical; y

-

localizar la relación entre la posición obtenida del transductor por los sistemas de medición del eje B y el punto de posicionamiento de la punta de la herramienta relacionada y a continuación computar la precisión del posicionamiento angular del eje B

\vskip1.000000\baselineskip

2. de acuerdo con el modelo geométrico del cabezal 1 que se ha descrito, y por lo tanto con el número de parámetros que no se conocen aún, se realiza una secuencia de posicionamientos del cabezal 1, adaptados para obtener ecuaciones algebraicas que liguen los parámetros anteriores con los errores medidos; tales ecuaciones deben ser linealmente independientes y deben ser igual al número de parámetros a determinar.

\newpage

Ejemplo 3

La complejidad del modelo geométrico podría incrementar adicionalmente (y por lo tanto incrementar el número de parámetros del modelo) a medida que la búsqueda soluciones mediante ecuaciones algebraicas que describen posiciones independientes se hace difícil. En este caso podrían adoptarse simplemente matemáticas más complejas y algoritmos de solución más sofisticados.

Modelos más complejos son por ejemplo los modelos Rodríguez-Hamilton que describen 6 grados de libertad para acoplar dos cuerpos. En este caso nuestro modelo de error tendría 6 grados de errores para el movimiento del eje A, 6 para el movimiento del eje B y 6 para la rotación de la herramienta de calibración en el vástago.

Para resolver tal tipo de problema, pueden adoptarse técnicas conocidas que resuelven los problemas matemáticos o modelos que dependen de una serie de medidas experimentales (nuestras medidas de error en las diferentes posiciones del cabezal). Estas técnicas están basadas en minimizar los errores cuadráticos medios o usar algoritmos neuronales (como se conoce en la técnica, por ejemplo, de: Kim K., Kim M.K. "Volumetric Accuracy based on Generalised Geometric Error Model in Multi-Axis Machine Tool" Mec. Mach. Theory, Volumen 26 (1991) No. 2 páginas 207-219; Duffle N.A. Yang S.M., "Generation of Parametric Kinematic Error-Compensation Functions for Volumetric Error Measurements" Actas del CIRP, Volumen 34/1/1985, páginas 435-438; D.R. Hush y otros, "An overview of Neural Networks", Informática y Automática, volumen 25, 1992; T. Moriwaki, C. Zhao, "NN Approach to Identify Termal Deformation of Machining Center", Aspectos Humados en Integración Computada; y J.C. O'Brien; J.R. Leech, "Can Neural Nets Works in Condition Monitoring", Comadem 92, 1992, páginas 88-93).

El resultado proporcionado por tales técnicas es una máquina de computación que, dado el modelo deseado, adquiere medidas hasta que se resuelve el modelo descartando medidas redundantes que crean malos condicionamientos del problema y una inestabilidad de la solución.

Este proceso permite extender la aplicabilidad de la patente a cada clase de configuración del cabezal 1 y/o cabezal con mesa. El modelo puede por lo tanto llegar a tales complejidades como para tener también en cuenta posibles errores de posicionamiento de la bola 20 de la herramienta de calibración 16 que derivan de errores de movimiento del eje lineal (los que mueven el cabezal 1).

Si el software de compensación de errores que reside en el CNC no tiene el mismo grado de complejidad que el software de medición, el mismo software de medición realizaría la interpretación de parámetros en su modelo a los parámetros del módulo software de compensación. El requisito de tal interpretación es obtener siempre el menor grado de errores residuales en el cabezal 1.

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 4

Respecto al proceso de medición para los errores que no pueden modelarse, todos los errores no incluidos en el modelo geométrico que se está usando son aún una razón para errores de posicionamiento respecto a movimientos programados del eje del cabezal 1.

Para tales errores es posible por lo tanto establecer sólo un enlace empírico con la posición del eje del cabezal 1. La relación será por lo tanto unívoca. Dada una posición de dos medios cuerpos A y B, hay tres valores de error DX, DY y DZ al posicionar la punta de la herramienta. La única relación algebraica está enlazada con la longitud de la herramienta, siendo capaz de establecerse tal relación sólo identificando los tres valores DX, DY y DZ, para unos A y B dados, con dos valores de longitud de la herramienta (por lo tanto las medidas para cada posición del cabezal 1 son dos, con dos herramientas de calibración 16 con una longitud distinta y conocida). Para una longitud de herramienta genérica, el error es una interpolación lineal del par de tres valores medidos DX, DY y DZ.

El proceso de medición es por lo tanto medir los errores DX, DY y DZ de la bola 20 de la herramienta de calibración 16 para todas las posiciones afectadas A y B. Las medidas se realizan en primer lugar con una herramienta de calibración 16 y a continuación con la siguiente herramienta de calibración 16. Las posiciones afectadas serían todas las combinaciones de posiciones de los dos ejes desde su extremo negativo hasta su extremo positivo, discontinuando con un paso a encontrar empíricamente o con algoritmos de análisis para frecuencias de error.

La medida de errores que no pueden modelarse se describe y se resuelve más ampliamente en el documento WO-A-00/003312 del mismo Solicitante de la presente invención. En efecto, la medida de errores que no pueden modelarse no es per se una innovación del método de compensación (ya descrito en el documento anterior), pero en cambio en este caso la aplicación de sensores 14 y de base soporte 11 es relevante para realizar automáticamente también este tipo de medidas.

Es necesario subrayar que puede realizarse un proceso similar de medición usando un terminal de palpación digital (ensamblado sobre el morro del vástago) y una bola de referencia (situada en el área de trabajo de la máquina).

\newpage

La tabla de entrada de parámetros para tal software de compensación de errores estáticos se compondrá como sigue:

1

El software de compensación de error del cabezal 1 reside en el CNC. Está dividido también en una parte que realiza la compensación de los movimientos del cabezal usando un modelo geométrico y una parte que es el software que realiza la compensación de la estática, esto es errores "no geométricos" (que no pueden modelarse).

Los algoritmos de compensación no se caracterizan por ningún grado de innovación ya que son ya conocidos y no se describirán adicionalmente.

Respecto a la prueba dinámica del cabezal, el sistema descrito anteriormente de la invención puede usarse para comprobar el comportamiento dinámico de los ejes controlados de los cabezales 1 y/o los movimientos de estos ejes combinado con los del eje lineal.

Controlando mediante el sistema de control 34 los movimientos de los simples ejes de la máquina, puede observarse la respuesta real sobre la punta de la herramienta del mismo modo que con otro medio de control (por ejemplo el sistema KGM fabricado por Heidenhain).

Además, controlando los movimientos combinados entre los ejes lineales y de rotación, adaptados para obtener que la punta de la herramienta (ahora la bola 20) mantenga su posición en el espacio incluso durante los transitorios de aceleración, puede registrarse la curva de respuesta real sobre la punta de la herramienta.

El análisis de la curva de respuesta de los ejes comparada con la programada permitiría analizar los problemas típicos como "tirones" y "ondulaciones".

El único requisito para poder realizar este tipo de prueba es una banda de paso que es suficiente para la señal muestreada por el sistema de la invención. El paso banda relacionado puede evaluarse en aproximadamente 1 kHz.

Se ha descrito por lo tanto que el sistema de la invención es capaz, mediante una única medida obtenida por los sensores 14 y relacionada con la distancia que separa los propios sensores 14 de la bola 20, detectar las coordenadas XYZ del centro de una herramienta en una posición de interés, en lugar de tener, como en la técnica anterior, que realizar medidas imprecisas, o medidas que no están localizadas en el espacio XYZ, o también que no reconstruyen la posición de la herramienta en la posición real de interés.

Ejemplo 5

La solución descrita a continuación en este documento es la descripción de una disposición práctica resultante de unir juntos los conceptos descritos en los Ejemplos 1, 3 y 4.

Se han usado los siguientes componentes en este ejemplo:

\bullet

HMS: sistema de medición compuesto de 3 sensores de distancia que proporcionan una señal digital incremental a partir de la cual se deduce directamente su posición. Tal sistema debe situarse sobre la mesa de la máquina herramienta que tiene el cabezal a medir.

\bullet

Cilindros de prueba: dos cilindros de prueba con un extremo de bola cuya longitud y diámetro se conocen. Tales cilindros se ensamblan, mediante un adaptador adecuado, sobre el vástago del cabezal.

\bullet

Software de medición: el software que realiza los procedimientos de medición y computa las correcciones.

Más adelante en este documento, como ejemplo, se hará referencia a un cabezal con forma de tenedor en la que el primer eje de rotación es C y gira alrededor de Z mientras que el segundo eje de rotación es A y gira alrededor de X cuando C es 0.

Las carreras de los ejes serán:

\bullet

eje C desde -180 a 180 grados,

\bullet

eje A desde -90 a 90 grados.

Los sensores se disponen a lo largo de los bordes de un tetraedro. Luego, visto en una vista plana, forman un ángulo de 120 grados entre sí mientras que forman un ángulo de 55 grados con respecto al horizonte.

La razón para la disposición en tetraedro es evitar colisiones entre los sensores y el cilindro de prueba al menos en todas las inclinaciones positivas de la bola que cuelgan por encima del dispositivo.

La razón para los 55 grados es también evitar las colisiones con el vástago al que está conectado el cilindro de prueba. Una mayor inclinación eliminaría problemas de colisión adicionales, proporcionando por lo tanto un rango de medición más amplio al sistema, mientras que una inclinación más baja tiende a un mejor equilibrio de la resolución de la medición en las direcciones ortogonales XYZ. 55 grados se evalúa por lo tanto como el mejor compromiso.

La posición de medición del sistema es aquella para la cual la bola del cilindro de prueba toca simultáneamente los tres sensores, alcanzando para cada uno de ellos e valor para el cual el eje de los tres sensores pasa simultáneamente a través del centro de la bola. Consecuentemente en tal posición la punta de cada sensor toca la bola en un punto tangente, y el plano perpendicular al eje del sensor es tangente a la bola. Para simplificar, se supone que el sistema está dispuesto de modo que el tetraedro descrito por los tres sensores tiene su base sobre el plano XY y el cilindro de prueba está dirigido en una dirección negativa con respecto a Z cuando A y C son 0.

La calibración del sistema consiste en determinar:

\bullet

la posición de medición descrita anteriormente, y

\bullet

los cosenos directores de los tres sensores.

El software de medición, para cada posición del cabezal, tiene disponibles:

\bullet

la posición absoluta de los ejes de rotación (C, A) proporcionados por el sistema de medición de ejes.

\bullet

la posición absoluta de los ejes lineales (X, Y, Z) proporcionados por el sistema de medición de ejes.

\bullet

la posición absoluta de los tres sensores (S1, S2, S3).

Para determinar la posición de medición (desde ahora llamada "posición 0" ó "posición de sensores 0"), el software requiere que:

\bullet

la bola esté previamente puesta en contacto con los sensores,

\bullet

el valor de la posición de los tres sensores es dada, para la cual tal posición está definida (esto es los datos de construcción relacionados con la geometría de construcción del sistema referido al diámetro de la bola).

Después de esto:

1.) se realiza un movimiento Z a lo largo de la dirección negativa hasta que al menos uno de los tres sensores ha alcanzado el valor central;

2.) desde la posición alcanzada, se realiza un movimiento X y, dependiendo de los valores registrados en el comienzo y llegada del movimiento, se determina la ganancia para cada sensor con respecto a los movimientos a lo largo de la dirección de la máquina X. A saber se determina la proporción entre la variación del valor de cada sensor y la variación X al final del movimiento;

3.) después de haber vuelto al punto de comienzo (el determinado al final del movimiento 1), se realiza una operación similar a la etapa 2 para determinar, para cada sensor, la ganancia con respecto a los movimientos a lo largo de la dirección Y, a continuación se realiza el movimiento a lo largo de la dirección Y;

4.) se realiza una serie de movimientos XY, adaptados para buscar los valores S1, S2, S3 que mejor se aproximan a la posición 0. Como probablemente la posición Z no es la correcta, los valores buscados son aquellos para los cuales esta posición está definida aparte de un factor de escala. A continuación, dependiendo de las ganancias computadas previamente, se determinan los movimientos XY paso por paso, que requeriría cada sensor para asumir el valor 0. Debe tenerse en cuenta que la búsqueda será satisfactoria si se determinan los valores aparte de una cierta tolerancia. Si la búsqueda no converge, se para y se reinicia desde la etapa 1. Esto ocurre cuando la posición de arranque para la etapa 1 fue cargar los sensores de un modo desigual de modo que las etapas 2 y 3 determinan ganancias muy diferentes con respecto a las del punto 0. La primera iteración en la etapa 4 ha permitido de cualquier modo aproximarse adecuadamente a tal condición. A continuación la nueva ejecución de las etapas 1, 2 y 3 proporciona valores más firmes que llevarán la etapa 4 a converger;

5.) si la etapa 4 ha alcanzado la convergencia, se realiza de nuevo un movimiento Z ya que la etapa 4 ha determinado la posición 0 aparte de un factor de escala para S1, S2 y S3.

Para determinar los cosenos directores de los tres sensores, partiendo de la posición 0 determinada anteriormente, se realizan una serie de movimientos XYZ, adaptados para determinar, para cada sensor, la relación (ganancia) entre la medida del sensor y el movimiento de uno de los ejes lineales. Esto se determina con algoritmos de búsqueda que están basados en el hecho de que, para la posición 0, en donde el eje de los sensores pasa por el centro de la bola y el plano perpendicular al mismo es tangente a la bola, es válido lo siguiente:

\bullet

describiendo una curva que tiene como abscisa el ángulo, en el plano XY, formado por un movimiento XY que arranca desde la posición 0 y como ordenada el valor de la elongación de un sensor para tal movimiento, tal curva tiene un único máximo coincidente con el movimiento XY cuyo ángulo coincide con la proyección en XY del eje del sensor;

\bullet

habiendo determinado mediante la etapa anterior la dirección en XY de cada sensor, es válido un principio similar para la curva descrita por los movimientos XYZ para la cual la línea recta a lo largo de la cual se realiza el movimiento queda en el plano perpendicular a XY y orientado de acuerdo con el ángulo XY determinado en la etapa anterior. La curva tiene como abscisa, el ángulo formado por los movimientos XYZ con respecto al plano XY y como ordenada el valor de la elongación de un sensor. Los puntos de máximo de la curva señalan en este caso los movimientos XYZ en los que la distancia realizada coincide con la elongación que tenía el sensor examinado. La proporción entre la elongación del sensor y los movimientos X, Y, Z para esta última posición son las ganancias buscadas.

El principio de medida se basa en el hecho de ser capaz de conducir la bola a la posición 0.

Para cada sensor se conoce lo siguiente:

\bullet

cosenos directores Kx#, ky#, kz#, donde # representa el sensor actual (1, 2, 3),

\bullet

el valor del sensor en la posición 0 (S0#).

Para una posición de la bola genérica, descrita por XYZ y S1, S2 y S3, se determina lo siguiente:

Movimiento X requerido por el sensor # = MX# = (S0# - S#) x Kx#

Movimiento Y requerido por el sensor # = MY# = (S0# - S#) x Ky#

Movimiento Z requerido por el sensor # = MZ# = (S0# - S#) x Kz#

Luego el movimiento requerido será:

Movimiento del eje X = MX1 + MX2 + MX3

Movimiento del eje Y = MY1 + MY2 + MY3

Movimiento del eje Z = MZ1 + MZ2 + MZ3

A continuación se realizan estos movimientos por un sistema de control numérico que lee continuamente los valores S0# - S# y que inserta los movimientos a realizar, realizando la aceleración adecuada y la lógica deceleración. A continuación opera el algoritmo como si los tres sensores fuesen tres resortes que, conectados a la bola, tienden a devolver a la bola a la posición de equilibrio, definida aparte de una cierta tolerancia, que en principio coincide con la posición 0 pero no debe hacerlo obligatoriamente de este modo. De hecho, para la mejor calibración, el algoritmo de búsqueda para la posición de equilibrio, se sitúan los valores S0# iguales al valor que suponen los sensores en su posición de equilibrio tan pronto como sea posible para alcanzarlo por primera vez.

A continuación, en la práctica, el procedimiento de calibración, que determina el punto 0, para el cual S# =S0#, y los cosenos directores Kxyz#, no tienen el propósito de determinar exactamente la disposición HMS sino el propósito de proporcionar el algoritmo descrito anteriormente, datos que siempre permiten determinar una posición de equilibrio para la bola. En la práctica esta posición de equilibrio puede representar, en el espacio cartesiano, una posición siempre idéntica de la bola, que modifica el contacto de los sensores de acuerdo con una posible rotación de la bola, y aproximaciones y tolerancias de computación del algoritmo, que, siendo un sistema para aproximaciones sucesivas y continuas, tenderá a minimizarlas.

Las mayores ventajas de este procedimiento son:

\bullet

la búsqueda de la posición de equilibrio se afecta al mínimo por la precisión con la que se han determinado S0# y Kxyz#, y por lo tanto los algoritmos de calibración son particularmente simples y rápidos,

\bullet

no se añade complejidad de computación si los S0# de los tres sensores son diferentes así como los sensores no están orientados exactamente a lo largo de las caras de un tetraedro ideal. Esto permite realizar el HMS sin restricciones particulares sobre tolerancias dimensionales tanto de componentes como del ensamblado, y permite situar el HMS sobre una máquina herramienta sin un cuidado particular para su orientación,

\bullet

si durante las medidas, los efectos térmicos distorsionan la morfología HMS, la influencia sobre los valores Kxyz# no se refleja en la búsqueda de estabilidad para el punto de equilibrio y por lo tanto para las medidas que tienen que realizarse. Por lo tanto es inútil realizar de nuevo la calibración y el sistema es particularmente estable,

\bullet

la búsqueda de la posición de equilibrio es rápida y por lo tanto la medida de un punto individual es particularmente eficiente.

\newpage

Estas ventajas son difíciles de obtener con cualquier otro sistema cuyo propósito es identificar la relación que enlaza directamente, para una triada determinada de valores de los sensores, el valor de la posición correspondiente XYZ.

Entonces, es ahora posible estimar que es seguro pedir al sistema que devuelva la bola a tal posición, que esta posición siempre será la misma, si se referencia a un sistema cartesiano inercial, aparte de:

\bullet

el error de esfericidad de la bola (la bola puede obtenerse fácilmente con tolerancias de esfericidad menores de 2 micrómetros),

\bullet

la precisión de posición para los ejes de la máquina XYZ,

\bullet

precisión de la computación (prácticamente insignificante),

donde la mayor, y prácticamente la única, influencia viene dada por la precisión de posicionamiento de la máquina.

Será posible afirmar que el sistema "centra la bola" cuando realiza tal operación.

Una correcta calibración se comprueba fácilmente realizando una serie de posicionamientos XYZ y verificando que, comenzando desde tal posicionamiento, el punto de equilibrio alcanzado es siempre el mismo punto XYZ aparte de una cierta tolerancia.

Con respecto a la medida de un punto, debe recordarse que el software de medición tiene disponible, para cada posición del cabezal:

\bullet

la posición absoluta de los ejes de rotación (C, A) proporcionada por el sistema de medición de ejes,

\bullet

la posición absoluta de los ejes lineales (X, Y, Z) proporcionada por el sistema de medición de ejes,

\bullet

la posición absoluta de los tres sensores (S1, S2, S3).

En la práctica el sistema tiene acceso a diferentes valores XYZ, de los cuales:

\bullet

la posición absoluta de los ejes de la máquina directamente proporcionada por el sistema de medición de ejes (XA, YA, ZA, AA, CA) (en MXA1 CNC fabricado por Fidia S.p.A., Italia),

\bullet

la posición absoluta de los ejes de la máquina directamente proporcionada por el sistema de control después de haber aplicado una corrección a la proporcionada por el sistema de medición de ejes (X, Y, Z, A, C); esta transformación, realizada por el control, se adapta para corregir los valores proporcionados por los sistemas de medición para aproximar el sistema XYZ a un sistema de referencia cartesiano inercial (en Fidia MXA1 CNC),

\bullet

la posición relativa del centro de la bola (XL, YL, ZL); dependiendo de los valores XYZAC, de los datos geométricos de conformación de la bola y de las dimensiones del cilindro de prueba, el control numérico proporciona la posición supuesta del centro de la bola (en Fidia MXA1 CNC, POSICIÓN con RTCP ACTIVO).

A continuación se realizan medidas de error de acuerdo con el siguiente procedimiento:

\bullet

para una posición del cabezal determinada 1 (A1, C1), la bola está centrada, y se registran los valores XYZ absolutos y relativos (X1, Y1, Z1, XL1, YL1, ZL1),

\bullet

el cabezal se mueve a la posición 2 (A2, C2), la bola está centrada, y se registran los valores XYZ absolutos y relativos (X2, Y2, Z2, XL2, YL2, ZL2),

\bullet

se computan las variaciones de las 2 posiciones:

Dx = X1 - X2

Dy = Y1 - Y2

Dz = Z1 - Z2

DLx = XL1 - XL2

DLy = YL1 - YL2

DLz = ZL1 - ZL2

Entonces, para el movimiento desde la posición 1 a la posición 2, Dxyz representa, en el sistema de referencia cartesiano, el movimiento que debe realizar el cabezal para no cometer errores de posicionamiento de la bola, mientras DLxyz representa el error que se comete con tal movimiento. DLxyz es entonces la medida del error proporcionado por los sensores si estuviesen orientados de acuerdo con una triada cartesiana.

El movimiento de la posición 1 a la 2 se realiza por el control teniendo cuidado de que la bola no abandone el contacto con los sensores (función RTPC), de lo contrario no sería posible centrar de nuevo la bola.

Respecto a los procedimientos de medición, se ha señalado que, dadas dos posiciones programadas del cabezal, el sistema determina el error de posicionamiento del centro de la bola y las posiciones XYZ del sistema de referencia si tales errores son nulos.

Típicamente, las funciones de medición realizan dos tipos de medidas:

1.)

medidas simples de determinar Dxyzac y DLxyzac a partir de dos o más posiciones de medición,

2.)

medidas complejas en las que un eje de rotación no se mueve mientras que el otro realiza una serie de posicionamientos a partir desde una posición de arranque hasta una posición de fin realizando pasos prefijados. Realizando tal medida, la bola, como se ha dicho, permanece idealmente inmóvil, y los ejes lineales describen un círculo en el espacio. Este tipo de medida se llamará "medida de un círculo". La medida de un círculo tendrá la siguiente notación:

200 [Eje movido: C/A]; posición de comienzo en grados - COMIENZO];[posición de final en grados - FIN]; {}\hskip0.4cm [inclinación en grados - ETAPA]

\code{P} [eje fijado: A/C];[posición del eje fijada en grados]

A partir de estas medidas, se registrarán listas de valores que son Dxyzac y DLxyzac de cada punto de medida.

Algoritmos de computación conocidos pueden determinar a continuación, a partir de las medidas de un círculo, entidades geométricas tales como:

\bullet

centro y radio del círculo descrito por Dxyzac,

\bullet

plano que pasa a través de Dxyzac,

\bullet

curva cúbica que pasa a través de Dxyzac para una tolerancia de error cuadrática dada.

A partir de muchas medidas de círculos y de las entidades geométricas obtenidas relacionadas, es posible por lo tanto determinar valores y otras entidades geométricas, tales como:

\bullet

distancia entre planos

\bullet

intersecciones de planos y de planos con curvas cúbicas,

\bullet

conos y/o cilindros que pasan a través de muchos círculos,

\bullet

líneas rectas tangentes a muchos círculos,

\bullet

líneas rectas que pasan a través del centro de muchos círculos, etc.

El error de posicionamiento del cabezal se corrige insertando correcciones que permiten al control determinar A y C dados AA y CA.

La computación de tales correcciones se basa en el principio de que, después de haberse realizado un círculo para A o C, el ángulo, que se determina uniendo el centro de un círculo computado con puntos de medición individuales, representa, salvo una constante, la corrección restante a insertar para pasar desde AA y/o CA a A y/o C.

La constante mencionada anteriormente depende de la influencia de las distancias entre los ejes de rotación del cabezal (desalineaciones del cabezal) y el hecho de que la posición de cero de los ejes de rotación no está aún correctamente definida. Esta constante se elimina si esas medidas son seguidas por dos posiciones de espejo del eje que no se ha movido. Promediando los valores obtenidos por dos medidas de círculo, las constantes se cancelan mutuamente porque sus señales son opuestas.

Las dos disposiciones permiten además tener en cuenta y promediar también errores angulares insertados por las distribuciones de diferente peso que el cabezal podría asumir en las dos disposiciones.

Respecto al procedimiento de medición para el error de posicionamiento angular sobre el eje C, tal medida permite realizar dos series de círculos para posiciones de espejo del eje A.

3

El eje A está inclinado a su máxima carrera para obtener la mayor resolución posible en las computaciones, a saber el círculo con máximo radio. Si el cabezal tiene tal desalineación que los dos círculos tienen diferente radio, las dos posiciones de A deben elegirse también para hacer el radio del círculo igual para mantener constante la resolución de computación.

Cada círculo debe realizarse muchas veces para hacer promedios sobre las medidas tanto a lo largo de la dirección positiva como a lo largo de la dirección negativa, también para determinar el error de inversión del eje de rotación examinado.

La diferencia entre la posición programada para el eje C y el ángulo computado para la línea recta que une el centro del círculo y un único punto medido XYZ, es la corrección restante a añadir para pasar de CA a C.

Los datos computados entre los dos círculos se promedian para:

\bullet

eliminar los efectos de las constantes,

\bullet

tener en cuenta los errores angulares insertados por el peso que podría estar distribuido de diferente modo con A a 90 y -90 grados.

Los resultados finales se trasladan de cualquier manera para minimizar los valores de corrección insertados. Tal traslado se tendrá en cuenta a continuación y se corregirá durante la medida del punto cero para el eje C.

Para realizar esta medida, no debe conocerse ningún otro parámetro.

Respecto al procedimiento de medición para el error de posicionamiento angular sobre el eje A, tal medida consiste en realizar dos series de círculos para tener en cuenta los errores tanto en el plano XZ como en el plano YZ.

4

Cada círculo puede realizarse muchas veces para promediar las medidas tanto a lo largo de la dirección positiva como a lo largo de la dirección negativa, para determinar también el error de inversión del eje de rotación
examinado.

La diferencia entre la posición programada para el eje A y el ángulo computado para la línea recta que une el centro del círculo y un único punto medido XYZ, es la corrección restante a añadir para pasar de AA a A.

Los datos computados entre los dos círculos se promedian para:

\bullet

eliminar el efecto de las constantes,

\bullet

tener en cuenta los errores angulares insertados por las distribuciones de diferente peso con C a 90 y 0 grados.

Los resultados finales se trasladan de cualquier manera para minimizar los valores de corrección insertados. Tal traslado se tendrá en cuenta a continuación y se corregirá durante la medida del punto cero para el eje A.

Para realizar esta medida, no debe conocerse ningún otro parámetro.

\newpage

Se realizan las siguientes computaciones, sobre todos los datos medidos:

\bullet

concentricidad de los círculos computados,

\bullet

media, desviación estándar y banda de diferencias de datos,

\bullet

repetición sobre la misma posición,

para determinar la eficacia de los datos recogidos.

\vskip1.000000\baselineskip

Los puntos de cero de los ejes de rotación para un cabezal AC son aquellos para los que:

\bullet

con C = 0 el eje A se mueve sobre el plano YZ

\bullet

con A = 0 el cilindro de prueba es perpendicular al plano XY

Tales valores se llaman comúnmente "fijación de cero" de un eje de rotación.

La medida de prefijación de cero de C consiste en realizar cuatro series de círculos para tener en cuenta tanto los planos XY como los planos YZ a lo largo de muchas direcciones de rotación del eje A.

5

A partir de los círculos 1 y 3 se determina un plano y por lo tanto el ángulo que forma con el plano YZ.

A partir de los círculos 2 y 4 se determina un plano y por lo tanto el ángulo que forma con el plano XZ.

A continuación se busca la mejor transacción para la prefijación de C con medias para alinear los planos mencionados anteriormente y a continuación encontrar la mejor cuadratura del cabezal.

Para realizar esta medida, no debe conocerse ningún otro parámetro.

La medida de prefijación de cero para A consiste en realizar cuatro series de círculos C, todos con eje A en 0. Cada círculo se realiza con una disposición de cilindro de prueba diferente.

6

\newpage

La media entre los círculos 1 y 2 y a continuación 3 y 4 permite eliminar posibles errores insertados por no ser rectilíneo el cilindro de prueba.

Los dos círculos encontrados describen un cono, conociendo también la posición Z de los dos centros, o la diferencia entre L1 y L2.

El ángulo cónico será el valor a corregir para la prefijación del eje A

Cuanto mayor sea L1-L2, mayor será la resolución de la computación.

Para realizar esta medida, no debe conocerse ningún otro parámetro

Respecto a la medida de la geometría del cabezal, para un cabezal AC los valores geométricos son como siguen:

{}\hskip0.8cmNombre de la {}\hskip0.72cm desalineación

{}\hskip1.2cmDescripción

1) {}\hskip0.5cm DXBT

Con C=0 y A=0, distancia a lo largo de la dirección X entre el eje de rotación C y el eje del cilindro de prueba.

2) {}\hskip0.5cm DZBA

Con C=0 y A=0, distancia a lo largo de la dirección Y entre el eje de rotación C y el eje de rotación A.

3) {}\hskip0.5cm DZAT

Con C=0 y A=0, distancia a lo largo de la dirección Y entre el eje de rotación A y el eje del cilindro de prueba.

4) {}\hskip0.5cm RTCPLKS

Con C=0 y A=0, distancia a lo largo de la dirección Y entre el eje de rotación A y el punto de conexión del cilindro de prueba (punto desde el cual se determina a continuación la longitud del cilindro).

5) {}\hskip0.5cm RTCPANG

Con C=0 y A=0, ángulo en el plano XZ entre el eje de rotación C y el eje de rotación A.

6)

Con C=0 y A=0, ángulo en el plano YZ entre la eje de rotación C y el eje de rotación A.

7)

Ángulo en el plano XZ entre el eje de rotación C y el eje Z.

8)

Ángulo en el plano YZ entre el eje de rotación C y el eje Z.

6, 7, y 8 no pueden corregirse con controles Fidia.

\vskip1.000000\baselineskip

La medida DXBT consiste en realizar cuatro series de círculos para tener en cuenta tanto los planos XZ como YZ a lo largo de muchas direcciones de rotación del eje A.

7

La distancia entre planos para el círculo 1 y el círculo 3, así como la distancia entre los planos para el círculo 2 y el círculo 4 son es el doble de DXBT.

Además DXBT puede determinarse buscando el valor que reduce al máximo la diferencia entre:

\bullet

XL del círculo 1 y XL del círculo 2,

\bullet

YL del círculo 3 e YL del círculo 4.

El valor encontrado será la corrección restante a dar a DXBT.

Usualmente, cuando es posible como en este caso, es más eficaz determinar el valor de un parámetro dependiendo de los efectos que produce sobre los errores de posicionamiento de la bola (a saber los diversos XYZL) en lugar de empezar desde los datos geométricos del cabezal (a saber desde XYZ).

Para realizar esta medida, la prefijación del eje C debe conocerse, después de haberla medido previamente.

La medida de DZBA realiza un círculo de C con A a 0.

200 C; -180; 180; [ETAPA]

\code{P} A; 0

El radio del círculo será:

RADIO = RADQ (DXTB ^2 + (DZBA + DZAT) ^2).

Entonces siendo DXBT conocido, se determina la suma de DZBA y DZAT.

Como primera aproximación, DZAT se considerará como nulo y sólo se corrige DZBA.

Acto seguido, la medida para computar DZAT corregirá la aproximación realizada.

Para realizar esta medida, debe saberse lo siguiente, después de haberse medido previamente:

\bullet

DXBT

\bullet

prefijación del eje A,

La medida DZAT consiste en realizar cuatro series de círculos para tener en cuenta tanto el plano XZ como el YZ a lo largo de muchas direcciones de rotación del eje A.

8

En este caso, DZAT es nulo y por lo tanto el control no realiza para el mismo ninguna compensación de los errores YL de los círculos 1 y 3, mientras que los errores XL de los círculos 2 y 4 serán su imagen.

Tales errores describen un círculo ya que la compensación debida a DZAT sería máxima para A=0 y nula para A = 90 y A = -90.

El radio que mejor aproxima este círculo es el mejor compromiso para DZAT. El mismo valor debe entonces sustraerse de DZBA siguiendo las aproximaciones insertadas por su computación.

Para realizar esta medida, debe saberse lo siguiente, después de haberlos medido previamente:

\bullet

DXBT,

\bullet

DZBA,

\bullet

prefijación del eje A

\newpage

\global\parskip0.850000\baselineskip

El RTCPLKS se determina como la media del radio de los siguientes círculos:

9

Para realizar esta medida, debe conocerse cada cosa, después de haberla medido previamente.

Respecto a la medida de RTCPANG, la proyección en XZ del vector del círculo del plano:

200 A; -90; 90; [ETAPA]

\code{P} C; 0

es el valor de RTCPANG.

Respecto al cilindro de prueba, deben conocerse su longitud (medida desde el punto en el que termina la medida de RTCPLKS hasta la propia punta del cilindro) y el diámetro de la bola.

Una vez que se ha ensamblado el cilindro en el vástago, debido a su forma o debido al ensamblaje, el centro de la bola puede tener desviaciones del eje del vástago.

Tales desviaciones generan un error directo al medir los parámetros DXBT y DZAT.

Una vez que se conocen estas desviaciones, es posible realizar las medidas descritas anteriormente y al final restar simplemente estos valores de DXBT y DZAT.

Para medir estos valores, puede realizarse simplemente el siguiente procedimiento:

\bullet

ensamblar el cilindro de prueba en el vástago

\bullet

realizar el centrado de la bola y registrar XL, YL, y ZL,

\bullet

girar el cilindro 180 grados en el vástago,

\bullet

realizar de nuevo el centrado de la bola y grabar XL, YL, y ZL,

\bullet

la mitad de la diferencia entre los valores de las dos medidas son los valores buscados.

Como la fabricación del cilindro de prueba y el adaptador para ensamblarlo en el vástago tiende a minimizar al máximo las desviaciones del centro de la bola con respecto al eje del vástago, las medidas a lo largo de las direcciones X e Y serán valores pequeños, mientras que la medida a lo largo de la dirección Z será su consecuencia y al menos dos órdenes de magnitud menor. El error a lo largo de la dirección Z será entonces despreciable.

Como la medida previa está afectada por la precisión con la que se realiza la rotación de 180 grados, otro método para determinar los mismos valores es:

\bullet

ensamblar el cilindro en el vástago,

\bullet

realizar el centrado de la bola y registrar XL, YL y ZL,

\bullet

repetir la misma operación girando el cilindro con inclinaciones de 90 grados y registrar XL, YL y ZL,

\bullet

realizar la rotación y las operaciones de medición cuatro veces, las posiciones angulares en las que se supone haber girado el cilindro serán:

\bullet

posición de arranque 0,

\bullet

posición 90,

\bullet

posición 180,

\bullet

posición 270,

\bullet

vuelta a la posición de arranque.

En este caso se supone que se ha sido capaz de obtener posiciones angulares aproximadas a \pm 5 grados. En este caso el problema es determinar:

\bullet

el círculo que pasa a través de la lista de puntos medidos XL e YL. Como los puntos son cinco, el círculo y su radio pueden obtenerse con el método de los mínimos cuadrados,

\bullet

determinar el ángulo final en el que se sitúa el cilindro. Siendo conocidos el centro del círculo y el radio en el mismo sistema de coordenadas de XL y YL, puede determinarse tal valor algebraicamente y el radio del círculo puede corregirse correctamente descompuesto en valores de desalineación del cilindro de prueba.

Está claro entonces que el cilindro no debe moverse nunca más, una vez que se han localizado sus valores de desalineación a menos que se tenga que realizar de nuevo la calibración.

Respecto a la dependencia de las medidas, X señala los valores que afectan las medidas y que por lo tanto deben medirse previamente.

\sqrt señala los valores que afectan a las medidas pero que se tienen en cuenta por el propio procedimiento de medición y que se eliminan durante las computaciones.

Las dependencias se refieren a los procedimientos de medición mostrados anteriormente.

10

El sistema es capaz de realizar una comprobación del error aproximado para los ejes XYZ y también AC que no será capaz de corregir ya que no pueden incluirse en las correcciones del cabezal.

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Respecto a la prueba de planaridad de la rotación para el eje C y la prueba de rectilinealidad de los ejes lineales XY, se realizan los siguientes círculos:

11

\vskip1.000000\baselineskip

Teniendo en cuenta que la posición A-90C180 corresponde a la posición A90CO, así como que la posición A-90C-90 corresponde a la posición A90C90 y así sucesivamente, se ordenan los datos y se computa lo siguiente:

\bullet

el círculo que pasa desde los puntos pares de la mitad de las diferencias entre los valores de X, Y y Z. Los vectores del plano de tal círculo representan los errores de planaridad de la rotación del eje C.

\bullet

Las curvas para los puntos pares de la mitad de la suma de los valores de X, Y y Z. Tales curvas representan los errores de rectilinealidad de los ejes X e Y a lo largo de la dirección Z.

Respecto a la comprobación de perpendicularidad para los ejes XYZ, se realizan los siguientes círculos:

12

\vskip1.000000\baselineskip

La diferencia en X e Y del centro del círculo representa el error de perpendicularidad del eje Z respecto a X e Y.

\vskip1.000000\baselineskip

Respecto a la comprobación de la escala del eje, puede realizarse el siguiente círculo:

200 C; -180; 180; [ETAPA]

\code{P} A; 90

\vskip1.000000\baselineskip

Para tal serie de datos, se determina lo siguiente:

\bullet

el radio del círculo que mejor se aproxima a los mismos,

\bullet

los ejes de la elipse que mejor se aproxima a los mismos.

\vskip1.000000\baselineskip

La diferencia entre el radio del círculo y los ejes de la elipse es un error de escala en los datos proporcionados por los sistemas de medición de XY.

\vskip1.000000\baselineskip

Respecto a la comprobación de rotación para el eje C, puede realizarse el siguiente círculo:

200 C; -180; 180; [ETAPA]

\code{P} A; 90

\vskip1.000000\baselineskip

La desviación de la curva de los valores de Z desde un periodo sinusoidal simple (que sería el efecto de la no planaridad de C) es el eje de rotación conmutando para el eje C.

Respecto a la comprobación de rotación para el eje A y la comprobación de rectilinealidad para los ejes lineales XYZ, se realizan los siguientes círculos:

13

\vskip1.000000\baselineskip

Teniendo en cuenta que la posición A-90C180 corresponde a la posición A90C0, así como la posición A90C180 corresponde a la posición A-90C0 y así sucesivamente, los datos se ordenan y se computa lo siguiente:

\bullet

de la mitad de las diferencias de valores de X, Y y Z los errores de rotación para el eje A,

\bullet

en la mitad de las sumas de los valores X, Y y Z los errores de rectilinealidad del eje Y a lo largo de la dirección X.

\vskip1.000000\baselineskip

Por ejemplo realizando los círculos:

14

\vskip1.000000\baselineskip

se obtienen los mismos valores para el eje A y además los errores de rectilinealidad del eje X a lo largo de la dirección Y.

Componiendo finalmente los datos de los cuatro círculos, es posible además extraer de los errores de rotación para el eje A, la influencia de la rectilinealidad del eje Z.

La medida de los errores restantes recoge los datos en XL, YL y ZL para todas las posiciones de A y de C que describen su carrera entera para una inclinación predefinida. En la práctica los valores XYZ describirían una parte de la bola.

Esto se realiza con dos cilindros de prueba con diferentes longitudes y girándolos 180 grados para eliminar, realizando sus medias, la influencia de su falta de axialidad. Luego los conjuntos de medidas realizadas son cuatro.

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(Tabla pasa a página siguiente)

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Los datos recogidos se usan para rellenar la siguiente tabla:

15

El control numérico busca e interpola en tal tabla los valores que permiten computar la corrección a lo largo de la dirección XYZ para una posición determinada de A y C y una longitud de la herramienta determinada.

Claims (21)

1. Sistema para medir, compensar y comprobar los cabezales de una máquina herramienta controlada numéricamente (1) y/o mesas, caracterizado porque comprende:

- al menos una base soporte (11) equipada con una pluralidad de sensores de distancia (14);

- al menos un dispositivo (16) del tipo herramienta de calibración compuesto por un cilindro alargado (17), estando equipado dicho cilindro (17) en uno de sus extremos con un medio de conexión (18) para dichos cabezales (1) y estando equipado en el extremo opuesto con una bola (20), estando situada dicha bola (20) próxima a dichos sensores (14) de modo que son capaces, siempre y en cualquier posición, de medir la distancia que les separa desde dicha bola (20);

- en el que dicho sistema está acoplado operativamente con un medio de procesamiento (30), estando adaptado dicho medio de procesamiento (30), a través de una única medida obtenida por dichos sensores (14) aproximadamente a la distancia que separa dichos sensores (14) de dicha bola (20), para detectar las coordenadas XYZ del centro de una herramienta en una posición de interés, comprendiendo dicho medio de procesamiento (30), un medio (31) para realizar procesos de medida para errores que pueden modelarse, un medio (32) para realizar procesos de medida para errores que no pueden modelarse y un medio (33) para realizar comprobaciones dinámicas.

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque dicha base soporte (11) es de una forma circular y está equipada con tres sensores de distancia (14) situados sobre la base en posiciones que están desplazadas 120º entre sí.

3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho medio de conexión (18) es en forma de cuña y dichos cabezales (1) están adaptadas para recibir, en una de sus partes móviles (3, 5), dicho medio de conexión (18) para la conexión inmóvil del mismo durante las medidas.

4. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dichos cabezales (1) están acoplados operativamente e integrados con una prueba de CNC y un medio de control (34) que comprende también un medio (35) para realizar procesos de compensación para errores que pueden modelarse y un medio (36) para realizar procesos de compensación para errores que no pueden modelarse.

5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha base soporte (11) esta conectada a un medio de conexión (40) adaptado para permitir la rotación de dicha base soporte (11) hasta 90º con respecto a su propio eje (F), para alcanzar una pluralidad de posiciones de operación entre dos ejes extremos perpendiculares entre sí (F, G), estando dicho medio de conexión (40) adaptado además para permitir simultáneamente una rotación de dicha base soporte (11), una vez que ha alcanzado la posición del eje extremo (G), alrededor del eje (F) perpendicular al mismo.

6. Proceso para medir cabezales de máquinas herramientas controlados numéricamente (1) y/o mesas que usan un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo dicho proceso las etapas de:

- realizar una pluralidad de medidas automáticas adaptadas para determinar los parámetros de un modelo geométrico del cabezal (1), siendo dicho modelo geométrico el modelo matemático que describe el comportamiento real del cabezal (1) con respecto al comportamiento teórico, obteniéndose los parámetros de dicho modelo mediante las medidas y llamándose errores que pueden modelarse, siendo dicho modelo geométrico de una complejidad que puede estar libremente definido por un usuario debido a una integración de dicho sistema con el medio de control numérico (CNC), para una precisión de medición proporcionada por el sistema de acuerdo con la reivindicación 1, para una ausencia de colisiones entre partes móviles y el sistema de acuerdo con la reivindicación 1 y para una rápida adquisición de medidas de error;

- computar los errores detectados que pueden modelarse; y

- compensar los errores computados que pueden modelarse a través de dicho medio de control numérico (CNC) para propósitos de funcionamiento a través de un sistema integrado;

- detectar y medir los errores no descritos por el modelo que se está utilizando, llamándose dichos errores, errores que no pueden modelarse y que generan un posicionamiento del cabezal (1) aún incorrecto.

7. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque las etapas de detectar errores se realizan mediante dicha base soporte (11) con los sensores (14) que proporcionan el posicionamiento de la bola (20) de la herramienta de calibración (16).

8. Proceso de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la medida de los errores de posicionamiento de la bola (20) de la herramienta de calibración (16) se realiza a través del movimiento del cabezal (1) usando compensaciones relacionadas con los errores que pueden modelarse, estimando el medio de control numérico (CNC) mantener el centro de la bola (20) inmóvil, siendo los errores medidos la diferencia entre las coordenadas teóricas y las coordenadas reales de la bola (20).

9. Proceso de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la medida de los errores de posicionamiento de la bola (20) de la herramienta de calibración (16) se realiza usando los valores proporcionados por los sensores (14) de la base soporte (11) que se transforman en las coordenadas reales de la bola (20) de la herramienta de calibración (16), siendo los errores medidos la diferencia entre las coordenadas teóricas y las coordenadas reales de la bola (20).

10. Proceso de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la medida de los errores de posicionamiento de la bola (20) de la herramienta de calibración (16) se realiza usando, como alternativa los valores proporcionados por los sensores (14) de la base soporte (11) que se usan para corregir la posición del eje lineal de la máquina para devolver la bola (20) al punto en el que los sensores (14) proporcionan los valores iniciales, estando la bola (20) inmóvil y realizando el eje lineal un movimiento adicional con respecto al que habría impuesto al mismo el medio de control numérico (CNC) dependiendo de las compensaciones activas actualmente, siendo dichas correcciones los errores medidos.

11. Proceso de acuerdo con la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque comprende además una etapa de calibración de los sensores (14) de la base soporte (11).

12. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque está adaptado también para realizar una medida automática de la precisión de posicionamiento angular de los ejes de rotación y el paralelismo los ejes de rotación con el eje lineal a través de técnicas de computación usadas en el campo de medición e inspección de modelos geométricos, refiriéndose dichas técnicas a la reconstrucción de curvas y/o superficies a través de una serie de puntos.

13. Proceso de acuerdo con la reivindicación 12, en el que, para un cabezal (20), hay planos en los que descansa la circunferencia descrita por la punta de la herramienta cuando se realizan los siguientes movimientos:

- eje B a 90º; eje A que realiza una vuelta (círculo 1)

- eje A a 0º; eje B que realiza una vuelta (círculo 2), siendo dichos planos perpendiculares y paralelos a los ejes cartesianos de la máquina herramienta; caracterizado porque dicho proceso comprende las etapas de:

- ejecutar el círculo 1;

- reconstruir con los métodos de los cuadrados promedios o similares dicho círculo 1 a través de una serie de puntos que lo describen;

- localizar el no paralelismo del plano que pasa a través de dicho círculo 1 con respecto al plano que es ortogonal al eje de rotación ideal del eje A;

- localizar la relación entre la posición obtenida del transductor por los sistemas de medición del eje A y el punto de localización de la punta de la herramienta relacionada y a continuación computar la precisión del posicionamiento angular del eje A;

- ejecutar el círculo 2;

- reconstruir con los métodos de los cuadrados promedios o similares dicho círculo 2 a través de una serie de puntos que lo describen.

- localizar el no paralelismo del plano que pasa a través de dicho círculo 2 con respecto al plano que es ortogonal al eje de rotación ideal del eje B;

- localizar la posición 0 del eje A, a través de la componente de los ángulos descritos anteriormente que descansa en el plano perpendicular al eje de rotación ideal del eje A;

- localizar la posición 0 del eje B a través del punto medido sobre el círculo 2 que permite tener la herramienta vertical; y

- localizar la relación entre la posición obtenida del transductor por los sistemas de medida del eje B y el punto de posicionamiento de la punta de la herramienta relacionada y a continuación computar la precisión del posicionamiento angular del eje B.

14. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque realiza automáticamente las medidas del error de posicionamiento del cabezal (20) para obtener varias ecuaciones algebraicas independientes que permiten resolver los parámetros del modelo geométrico del cabezal (20).

15. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque las medidas se realizan seleccionando varias de las medidas independientes desde la búsqueda de la resolución de los parámetros del modelo, extendiendo la aplicabilidad del proceso a cada clase de configuración de cabezal (1) y/o el cabezal con mesa, llegando el modelo a tales complejidades como para tener en cuenta también los posibles errores de posicionamiento de la bola (20) de la herramienta de calibración (16) que derivan de los errores de movimiento del eje lineal, a saber el eje de movimiento del cabezal (1).

16. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque, si la compensación de error realizada por el medio de control numérico (CNC) no tiene el mismo grado de complejidad de las medidas, el sistema realiza la traslación de los parámetros de su propio modelo a los parámetros del modelo de compensación.

17. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la etapa de medición de errores que no pueden modelarse comprende las sub-etapas de:

- establecer sólo un enlace empírico con la posición del eje del cabezal (1), para el cual la relación será unívoca;

- realizar dos medidas para cada posición del cabezal (1) a través de las herramientas de calibración (16) con una longitud conocida y diferente;

- el error es, para una longitud genérica de la herramienta del cabezal (1), una interpolación lineal de la pareja de los tres valores medidos DX, DY y DZ, midiendo los errores DX, DY y DZ de la bola (20) de la herramienta de calibración (16) para todas las posiciones afectadas, realizándose dichas medidas en primer lugar con una herramienta de calibración (16) y a continuación con la siguiente herramienta de calibración (16).

- discretizar las combinaciones de posición de los dos ejes desde su extremo negativo a su extremo positivo para obtener las posiciones afectadas, realizándose dicha discontinuación con un paso establecido empíricamente o con algoritmos de análisis de frecuencia de error.

18. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, realizando dicho proceso la comprobación del comportamiento dinámico de los ejes controlados por los cabezales (1) y/o los movimientos de estos ejes combinados con los movimientos de los ejes lineales, el análisis de la curva de respuesta de los ejes comparada con la programada permitiendo analizar los problemas como los tirones y las ondulaciones, operando dicho proceso en presencia de una banda de paso de al menos 1 kHz de la señal muestreada por el sistema de acuerdo con la reivindicación 1.

19. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, estando dividido dicho proceso en una parte que realiza la compensación de los movimientos del cabezal (1) usando un modelo geométrico y una parte que realiza la compensación de los errores no geométricos o errores que no pueden modelarse.

20. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, para medir la posición del centro de la bola conectada a los ejes de la máquina herramienta usando un cilindro con una bola conectada a la máquina herramienta y tres sensores de distancia en contacto con la bola , comprendiendo dicho proceso las etapas de:

- definir una posición fija (1) de la bola en el sistema inercial XYZ ("posición de la bola centrada");

- mover la máquina/cabezal a la posición (1);

- conducir de nuevo la bola a su posición de bola centrada;

- grabar una posición (2) de los ejes de la máquina XYZ (X1, Y1, Z1);

- mover la máquina/cabezal a la posición (2);

- conducir de nuevo la bola a su posición de bola centrada;

- grabar una posición de los ejes de la máquina XYZ (X2, Y2, Z2);

- en el que las diferencias X1 - X2, Y1 - Y2, Z1 - Z2 son los errores cometidos por el sistema de CNC al realizar sus movimientos desde la posición (1) a la posición (2).

21. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, para determinar índices de errores relativos a la rectilinealidad, escala y perpendicularidad para los ejes lineales XYZ de una máquina herramienta comenzando desde las medidas realizadas con un simple cilindro de prueba con un extremo de bola, siendo dicho proceso capaz de medir un mismo error en diferentes posiciones/formas de un cabezal de medición, distinguiendo dicho proceso cuáles son los errores que pueden estar asociados con los movimientos de los ejes de rotación de los cabezales con respecto a los movimientos realizados por los ejes lineales, moviéndose también dichos ejes lineales, siguiendo los movimientos de los ejes de rotación, para mantener la punta de una posible herramienta inmóvil.