ES2303728T3 - Aparato para determinar la posicion de un elemento mecanico movible y metodo de marcaje de un elemento mecanico. - Google Patents
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Abstract
APARATO PARA DETERMINAR LA POSICION DE UN ELEMENTO MECANICO EN EL CUAL EL ELEMENTO MECANICO ES MARCADO EN UNA FORMA OPTICAMENTE LEGIBLE.
Description
Aparato para determinar la posición de un
elemento mecánico movible y método de marcaje de un elemento
mecánico.
Esta invención está relacionada con un aparato
para determinar la posición de un elemento mecánico movible, y un
método de marcaje de un elemento mecánico, en particular pero no
exclusivamente para un elemento mecánico que comprende una biela de
pistón de un ariete hidráulico que es movible con respecto a un
cilindro del ariete hidráulico.
Son conocidos los medios para poder detectar la
posición de una biela de pistón con respecto a un cilindro de un
ariete hidráulico operable mediante un fluido, pero basándose en la
detección de la posición de un dispositivo accionado por el ariete
hidráulico, mediante el uso de un sensor (tal como un potenciómetro)
situado en el punto de apoyo del dispositivo, y deduciendo entonces
la posición de la biela desde una posición activada del
dispositivo. No obstante, la medida de la posición de la biela puede
estar sujeta a deficiencias mecánicas, tales como el juego mecánico
entre la biela y el dispositivo accionado. Dichos detectores de la
posición pueden ser también mecánicos, y por tanto sujetos a las
deficiencias y al propio desgaste. El marcaje magnético de una
biela de pistón se ha utilizado para proporcionar una indicación
directa de la posición de la biela, aunque dichos sistemas
magnéticos están sujetos a la interferencia electromagnética y a la
desmagnetización del marcaje.
Es conocido el proporcionar un marcaje
ópticamente fiable sobre la superficie de un elemento mecánico, y en
particular para proporcionar estos marcajes por los medios del
marcaje con láser. No obstante, tales marcajes con láser puede
afectar negativamente a la resistencia contra la corrosión de la
biela del pistón.
El documento WO95/01510 muestra un elemento
mecánico que tiene una escala legible ópticamente sobre la
superficie de una biela, generada por los medios del marcaje con
láser.
El documento WO93/25865 muestra un sistema de
detección de la posición para un elemento mecánico que comprende
unas marcas legibles ópticamente aplicadas sobre el elemento
mecánico, de forma que proporcionen un código
pseudo-aleatorio, con el fin de que cada grupo de
marcas proporcione un código único con respecto a la posición del
elemento mecánico.
El documento
EP-A-0503716 muestra un dispositivo
de medida que tiene una pista de medida absoluta y una pista de
medida incremental, en donde la pista absoluta comprende unas marcas
que forman un código pseudo-aleatorio, y en donde
la posición del elemento movible se determina por la combinación de
las lecturas de la pista absoluta y la pista incremental.
El documento
EP-A-0571796 describe la provisión
de un revestimiento protector en un elemento mecánico, incluyendo
una capa base resistente a la corrosión, y una capa superior
resistente al desgaste, en donde la capa base comprende una
aleación de níquel y estaño, bronce o plomo, y en donde la capa
superior comprende un material duro tal como el acero con
cromo.
Es un objeto de la presente invención el
solucionar o reducir al menos uno o más de los problemas
anteriores.
De acuerdo con un aspecto de la invención, se
proporciona un elemento mecánico que comprende un marcaje legible
ópticamente, en donde el marcaje ópticamente legible comprende una
superficie que tiene una primera reflectividad y una pluralidad de
áreas que tienen una segunda reflectividad, en donde se dispone un
substrato entre el elemento mecánico y la superficie, y
caracterizado porque la superficie que tiene una primera
reflectividad comprende cromo y el substrato comprende bronce, y en
donde las áreas que tienen una segunda reflectividad comprenden las
áreas expuestas del substrato.
El substrato puede ser resistente a la
corrosión.
El substrato puede ser más resistente al marcaje
con láser que la superficie que tiene una primera reflectividad.
El bronce puede comprender del 88% al 92% de
cobre, y del 12% al 8% de estaño.
El substrato de bronce puede tener un grosor en
el rango de 0,038 mm a 0,051 mm.
El bronce puede tener un acabado superficial en
el rango de 0,2 a 0,4 micras.
La parte del elemento mecánico a proporcionar
con un substrato puede tener un acabado superficial inferior a 0,8
micras.
La primera reflectividad puede ser mayor que la
segunda reflectividad.
\newpage
Las áreas que tienen una segunda reflectividad
pueden tener un ancho que en general será constante en una
dirección paralela a la dirección del movimiento del elemento
mecánico.
Las áreas que tienen una segunda reflectividad
pueden tener substancialmente la misma área.
El marcaje puede comprender una pluralidad de
elementos del código, comprendiendo cada elemento una pluralidad de
áreas de la segunda reflectividad.
Cada elemento del código puede codificar un
valor numérico diferente en dígitos binarios.
Cada dígito binario puede estar indicado por la
distancia entre dos de las áreas que tengan una segunda
reflectividad.
Cada elemento del código puede codificar un
número único.
Cada elemento del código puede comprender una
parte única de una secuencia binaria
pseudo-aleatoria.
De acuerdo con un segundo aspecto de la
invención, se proporciona un aparato para determinar la posición
de un elemento mecánico movible, comprendiendo el aparato un
elemento mecánico de acuerdo con el primer aspecto de la invención,
comprendiendo además el aparato medios de lectura para proporcionar
una salida dependiente de la posición del elemento mecánico, en
donde los mencionados medios de lectura comprenden unos medios de
iluminación, medios del detector y medios de decodificación.
Los medios de iluminación pueden comprender un
diodo emisor de luz.
Los medios del detector pueden estar dispuestos
para detectar la luz de los medios de iluminación, reflejada desde
la superficie que tenga una primera reflectividad, y de las áreas
que tengan una segunda reflectividad, en donde los medios del
detector pueden comprender un detector que proporcione una señal que
tenga un valor dentro de un primer rango, cuando la luz de una
parte de la superficie que tenga la primera reflectividad se
refleje y teniendo un valor dentro de un segundo rango cuando la luz
de un área que tenga la mencionada segunda reflectividad se refleje
sobre la misma.
Los medios del detector pueden comprender una
matriz que tenga una pluralidad de detectores.
La matriz puede proporcionar una señal
intermedia a los medios de decodificación, en donde la señal
intermedia puede comprender una señal desde cada uno de los
detectores.
Los medios de decodificación pueden comprender
unos medios electrónicos para decodificar la señal intermedia a
partir de los medios del detector para proporcionar la salida.
Los medios de decodificación pueden comprender
unos medios para detectar una señal del detector de la señal
intermedia, correspondiente a una transición correspondiente a un
borde de un área de la segunda reflectividad, y medios para
identificar una pluralidad de dígitos binarios de la separación de
una pluralidad de las mencionadas transiciones.
Los medios de decodificación pueden comprender
unos medios para identificar un elemento del código a partir de los
dígitos binarios, y proporcionar la salida indicando la posición del
elemento mecánico dependiente del elemento del código.
Los medios de decodificación pueden comprender
además unos medios para identificar el detector de la matriz
detectora sobre la cual pueda fallar alguna de las transiciones.
El aparato puede comprender además unos medios
de enfoque, para enfocar la luz reflejada desde la superficie del
elemento mecánico o de las áreas que tengan una segunda
reflectividad sobre los medios detectores.
El elemento mecánico puede comprender una biela
de pistón o un ariete hidráulico operado por un fluido.
De acuerdo con un tercer aspecto de la
invención, se proporciona un método de marcaje de un elemento
mecánico, que comprende el suministro del elemento mecánico con un
substrato y proporcionar una superficie que tenga una primera
reflectividad sobre el mencionado substrato, y proporcionando un
marcaje en el mismo, en donde el mencionado marcaje comprende una
pluralidad de áreas que tengan una segunda reflectividad,
caracterizado porque el substrato comprende bronce, y la superficie
comprende cromo, y en donde el método comprende la etapa de marcaje
de las mencionadas áreas mediante la eliminación de la superficie
para poder exponer el substrato.
La etapa de eliminación de la superficie puede
comprender la utilización de un láser para eliminar la
superficie.
El método puede comprender la etapa de marcar
las áreas tales que las mismas tengan en general el mismo ancho en
una dirección paralela a la dirección del movimiento del elemento
mecánico, en donde un digito binario podrá estar indicado por la
distancia entre dos de las áreas que tengan una segunda
reflectividad.
Las áreas que tengan una segunda reflectividad
pueden tener cada una en general la misma área.
De acuerdo con un cuarto aspecto de la
invención, se proporciona un elemento mecánico marcado de acuerdo
con el método según el tercer aspecto de la invención.
De acuerdo con un quinto aspecto de la
invención, se proporciona un elemento mecánico de acuerdo con el
primer aspecto de la invención, o un aparato de acuerdo con el
segundo aspecto de la invención, en donde el elemento mecánico
puede comprender un elemento mecánico de acuerdo con el cuarto
aspecto de la invención.
Se describirá a continuación una realización de
la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en donde:
La figura 1 es una vista esquemática de un
ariete hidráulico operable mediante un fluido que incorpora una
realización de la invención.
La figura 2 es una sección transversal en la
línea 2-2 de la figura 1.
La figura 3 es una vista ampliada de una parte
de la figura 1.
La figura 4 es una representación gráfica de una
señal intermedia.
La figura 5 muestra una configuración
esquemática a modo de ejemplo de los medios de decodificación.
La figura 6a es un ejemplo de una parte de una
señal intermedia.
La figura 6b es la señal intermedia de la figura
6a, después de pasar a través de los medios de decodificación de la
figura 5.
La figura 7 es un diagrama de flujo que muestra
un ejemplo de las etapas ejecutadas por unos medios de
decodificación de acuerdo con un aspecto de la invención.
La figura 8 es un diagrama de flujo que muestra
un ejemplo de las etapas de comprobación de errores, ejecutadas por
los medios de decodificación de acuerdo con un aspecto de la
invención.
La figura 9 es una configuración esquemática de
un sistema de control electrónico de realimentación que incorpora
una realización de la invención.
Con referencia ahora a la figura 1, se muestra
en 9 un ariete hidráulico operable mediante un fluido, que
comprende un cilindro 10 que tiene un pistón 11 recibido en el
cilindro 10, y fijado a una biela de pistón 12. En el presente
ejemplo, el elemento mecánico comprende la biela de pistón 12,
aunque se aclara que la invención puede utilizarse con cualquier
elemento mecánico adecuado. El cilindro 10 y la biela de pistón 12
pueden estar fijados a otros dispositivos mecánicos, según se desee
mediante las orejetas 13 y 14, respectivamente. Un extremo del
cilindro 10 está sellado por una tapa 15 del extremo del cilindro.
La biela del pistón 12 tiene una superficie 12a marcada con una
marca 16 legible ópticamente, dispuesta sobre la superficie 12a.
Los medios de lectura 17 están dispuestos dentro de la tapa 15 del
extremo del cilindro, y están conectados a unos medios de
decodificación indicados generalmente en 18. Las marcas 16 legibles
ópticamente comprenden una serie de elementos de códigos que
codifican cada uno un valor numérico basándose en la posición del
elemento del código a lo largo de la longitud de la biela 12 con
una forma que se describirá más
adelante.
adelante.
Los medios de lectura 17 se muestran en la
figura 2. Las vías de trayecto ópticas 19a, 19b se proporcionan en
la capa terminal 15. Los medios de iluminación 17a comprenden varios
diodos emisores de luz (LED) 20 que transmiten luz a las vías de
trayecto 19a, de forma tal que caiga sobre una parte de las marcas
16 legibles ópticamente, provistas sobre la superficie 12a de la
biela del pistón 12. La vía de trayecto óptica 19b está dispuesta
de forma tal que la luz reflejada desde la superficie 12a de la
biela de pistón 12 se desplace a lo largo de la vía del trayecto
19b, y enfocándose sobre la matriz 21 preferiblemente mediante una
lente 22. Los LED 20 están dispuestos para proporcionar incluso la
iluminación de la parte de las marcas 16 legibles ópticamente,
observadas por la matriz detectora 21, con el fin de simplificar el
procesamiento subsiguiente. Los medios de lectura 17 tienen que ser
compactos para permitir que puedan ser montados en forma cercana a
la tapa extrema 15 tal como se indica en la figura.
Un ejemplo del esquema de codificación es el
mostrado en la figura 3. Se muestra un elemento de código 16a, es
decir, una parte distinguible de la marca 16 legible ópticamente,
que codifica un valor numérico en unos dígitos binarios (bits). El
valor numérico indica la posición del elemento de código 16a sobre
la biela 12 del pistón. El elemento de código 16a comprende una
parte 23 de la superficie 12a de la biela 12 del pistón, que tiene
una primera reflectividad sobre la cual están las áreas marcadas 24
que tienen una segunda reflectividad inferior. Las áreas 24 tienen
un ancho fijo T. Dispuestos entre las áreas 24 se encuentran los
espacios 25. El ancho de cada espacio 25 codifica a un bit; en
donde el ancho de un espacio 25 es 2T, indicando esto un bit que
tiene el valor de "1", y en donde el espacio 25 tiene un ancho
de 1T, indicando esto un bit que tiene un valor de "0". El
elemento de código 16a mostrado en la figura 3 codifica por tanto la
secuencia binaria 1010101010.
Las marcas pueden comprender una serie de
sucesivos elementos de código discretos, en cuyo caso las marcas
extremas pueden estar incluidas, por ejemplo, con un ancho de 4T
entre un par de áreas adyacentes 24. En este caso, cada elemento de
código sucesivo 16a puede codificar un valor en incremento con su
posición a lo largo de la longitud de la biela del pistón. El
tamaño del elemento de código 16a indica la resolución con la cual
puede medirse la posición de la biela del pistón.
Más preferiblemente, las marcas utilizan una
secuencia binaria pseudo-aleatoria para codificar la
información de la posición. Las secuencias
pseudo-aleatorias y los métodos de generación de
secuencias pseudo-aleatorias son bien conocidos. La
ventaja es que para cualquier secuencia
pseudo-aleatoria de orden N, cualquier segmento de
N bits puede tener lugar solo una vez, es decir, el segmento de N
bits es exclusivo y único. Las marcas por tanto comprenden una
serie de elementos de códigos únicos y solapados de unas longitudes
de N bits. Si se utiliza una secuencia de orden N como secuencia
pseudo-aleatoria, la longitud en bits de la
secuencia estará dada por 2^{N}-1, y la secuencia
generada contendrá 2^{N}-1 bits, que tendrá un
valor de "1" y 2^{N-1}-1
bits que tendrá el valor de "0". La longitud total de las
marcas 16 para dicha secuencia en donde los bits "1" tengan
un ancho de 2T, los bits "0" tendrán un ancho de T y los
dígitos que estarán separados por marcas de un ancho T serán
(2^{N+1} + 2^{N-1} + 1)T. El uso de una
secuencia pseudo-aleatoria tiene la ventaja de que
puede utilizar una única pista de marcas para proporcionar la
posición absoluta, detectando con una resolución de un digito
binario. La resolución del sistema puede seleccionarse mediante la
variación de la longitud T y el orden de la secuencia binaria
pseudo-aleatoria, y las marcas serán escalables para
las distintas longitudes de los elementos mecánicos, mediante la
alteración del orden de la secuencia binaria
pseudo-aleatoria.
La resolución de la información de posición
puede incrementarse adicionalmente hasta la anchura de un detector
de la matriz detectora, mediante el cálculo de la posición exacta
tal como se expone más adelante.
La matriz detectora lineal 21 comprende un
dispositivo semiconductor que comprende una matriz de fotodetectores
discretos, dispuestos en una línea dispuesta en forma paralela al
eje longitudinal de la biela 12 del pistón. Cada fotodetector
genera una señal, cuyo voltaje es proporcional a la cantidad de luz
que caiga sobre el fotodetector. La señal intermedia de la matriz
detectora comprende una serie de valores de voltajes, en donde cada
valor corresponde a la señal de uno de los fotodetectores. Cada
valor discreto puede denominarse por la posición (de ahora en
adelante denominado como su "numero de detector") de su
detector generador en la matriz. Los medios de enfoque 22 y el
ancho T de las áreas 24 se seleccionan preferiblemente de forma tal
que la luz procedente de cualquier zona de la superficie 12a que
tenga un ancho T caiga al menos sobre dos fotodetectores. Es
esencial el poder asegurar que la trama 16a de códigos de tamaño
máximo (que en el ejemplo tiene 8 bits, con una trama de códigos
16a que codifican el valor 11111111), pueda encajar dentro de la
longitud de la matriz detectora. La resolución con la cual es
medible y el ancho T son dependientes en forma variable de la
resolución de la matriz detectora. El uso de la matriz detectora 21
proporciona unos medios detectores con una alta densidad de
fotodetectores.
Más preferiblemente, el detector puede detectar
más bits que el mínimo necesario para identificar un elemento de
código único. En el caso de la secuencia binaria
pseudo-aleatoria, pueden utilizarse bits adicionales
para el fin de la comprobación de errores.
Un ejemplo de la señal intermedia de la matriz
detectora 21 es el mostrado en la figura 4. Las áreas 24 aparecen
como las mínimas 26, mientras que los espacios 25 correspondientes a
los dígitos binarios "0" aparecen como picos estrechos 27, y
los espacios 25 correspondientes a los dígitos binarios "1"
aparecen como picos anchos 28.
Una posible configuración para unos medios de
decodificación es la mostrada en la figura 5 en forma esquemática.
La señal intermedia se suministra por la matriz detectora 21 en la
figura 2 en la línea 30 con un desplazamiento 31 de nivel del
voltaje de CC (corriente continua), que es controlable por un
microcontrolador 32, para variar el voltaje de la segunda salida
30. La señal intermedia desplazada en su voltaje se suministra en la
línea 33 desde el desplazamiento 31 del nivel de voltaje de CC
hasta el discriminador 334, el cual compara el valor de la señal
intermedia con un voltaje de umbral. Si el valor de la señal
intermedia está por encima del voltaje de umbral, el discriminador
34 generará un voltaje de señal de +5 voltios, y si el valor de la
señal intermedia está por debajo del voltaje de umbral, generará un
voltaje de señal de 0 Voltios. El discriminador 34 por tanto
convierte la señal intermedia a una forma de onda que comprende
"marcas " de 5 voltios, las cuales corresponden a los
"espacios" de 25 y 0 Voltios, los cuales corresponden a las
áreas 24. La forma de onda se suministra entonces en la línea 35
hacia el microcontrolador 32, el cual extrae el valor numérico
codificado y lo convierte a la salida transmitida en la línea 37.
La señal intermedia en la línea 33 es leída por el microcontrolador
32, y se proporciona una señal de ajuste del desplazamiento de
voltaje, de acuerdo con la línea 36 del desplazamiento 31 del nivel
de voltaje de CC, para mantener el punto medio entre los valores
máximo y mínimo de la señal intermedia en forma coincidente con el
voltaje del umbral del discriminador 34.
Los medios de decodificación pueden comprender
alternativamente un convertidor analógico-digital y
un microcontrolador, computador, o bien otro dispositivo
programable adecuado, provisto con un software adecuado para
decodificar la señal intermedia. El convertidor
analógico-digital convierte la señal intermedia en
una serie de valores digitalizados, los cuales se hacen pasar al
microcontrolador. El software en el presente ejemplo ejecuta
entonces las etapas de un primer filtrado suavizador de la señal
intermedia digitalizada, tomando un promedio de los valores
adyacentes de la señal intermedia para suavizar cualesquiera
componentes de alta frecuencia en la señal intermedia,
identificando aquellos valores de la señal intermedia que
correspondan a los puntos medios de una transición entre un mínimo
y un máximo, mediante la comparación del cambio entre la señal de
los detectores adyacentes. Cada transición corresponde a un borde
del área 24. La etapa de identificar las transiciones subsiguientes
puede acelerarse, una vez que la primera transición se haya
identificado. Puesto que está claro que una transición desde un
nivel alto a un nivel bajo tiene que estar seguida por una
transición desde un nivel bajo a un nivel alto a una distancia
posterior dada, puesto que los bordes de cada área 24 se encuentran
separados a una distancia conocida, y que cualquier transición
desde un nivel bajo a un nivel alto será seguida por una transición
desde un nivel alto a un nivel bajo a la distancia conocida o en el
doble de la distancia posterior dada, correspondiendo al espacio
25 del ancho T ó 2T, respectivamente, solo los valores de la señal
intermedia probablemente se corresponderán con una transición que
precise de ser comprobada por el software. Puesto que se conocerá
cuantos detectores corresponderán al ancho T de las áreas 24, se
conocerá probablemente la separación de las transiciones en los
términos del número de detectores.
Las etapas ejecutadas por los medios de
decodificación se muestran en el diagrama de flujo de la figura 7.
La señal intermedia se hace pasar a un discriminador, el cual
detecta las transiciones y las notas de los números del detector de
los valores de la señal intermedia, las cuales corresponden a las
transiciones. La secuencia de los números del detector corresponden
cada una a la transición que entonces se decodifica para extraer la
secuencia binaria, mediante la identificación de los bits a partir
de los anchos de la separaciones entre las transiciones. El numero
de bits correspondientes a una palabra de la secuencia
pseudo-aleatoria se extrae a partir de la secuencia
binaria y se valida para asegurar que es una parte válida de la
secuencia pseudo-aleatoria. Una vez que se
confirme que es válida, la posición del elemento mecánico podrá ser
encontrada a partir de una tabla de consulta, en la cual cada
palabra de la secuencia binaria pseudo-aleatoria
coincidirá con respecto a la posición correspondiente de la biela
del pistón.
Dicho método proporciona la posición del
elemento mecánico dentro de la resolución del ancho de un digito
binario de la secuencia pseudo-aleatoria marcada en
el elemento mecánico. Puede calcularse una posición exacta mediante
la identificación del numero X del detector sobre el cual caiga la
primera transición en la figura 4. La posición del detector X
proporciona por tanto el inicio de la secuencia binaria desde un
punto dado de referencia, en este caso el primer detector 0 de la
matriz. Tal como se ha expuesto anteriormente, puesto que se
conoce cuantos detectores corresponden a un ancho T de la secuencia
pseudo-aleatoria, mediante el cómputo del número de
detectores entre X y 0 puede calcularse el número de detectores,
para una posición de la biela del pistón calculada dentro del ancho
de un detector de la matriz detectora.
En la figura 8 se muestra un diagrama de flujo
simple para la etapa de validación. Los bits identificados se
comprueban para ver si forman una palabra válida. En caso negativo,
el bit más a la izquierda de la palabra puede ser descartado, y el
siguiente bit de la secuencia binaria se situará al final para
proporcionar un nuevo bit más a la derecha. La palabra resultante
se comprueba de nuevo para ver si forma una palabra válida. Si es
así, la palabra se consulta en la tabla de consulta, para
proporcionar una posición según lo anteriormente descrito. En caso
negativo, se repite el proceso de descartar el bit situado más a la
izquierda y situando al final un nuevo bit más a la derecha. Si
todos los bits se comprueban sin generar una palabra válida,
entonces se pondrá una bandera de medida no válida. La etapa de
validación puede por tanto identificar los errores provocados por
el daño de las marcas la superficie de la biela del pistón o por el
ruido eléctrico en los medios de detección y en los medios de
decodificación.
Es deseable que los medios de decodificación
identifiquen si ha aparecido un bit no válido, por ejemplo, debido
a la erosión de un área 24, por ejemplo, deduciendo cual tiene que
ser el bit no válido a partir de las lecturas válidas adyacentes.
Si la posición de dicho bit no válido puede ser identificada, el
valor correcto del bit podrá identificarse y utilizado en las
medidas subsiguientes.
Dicho aparato para la determinación de la
posición de un elemento mecánico podría utilizarse en un
servosistema operable para controlar el elemento mecánico en
respuesta a la señal de salida del aparato. En el presente ejemplo,
pueden proporcionarse medios de válvulas adecuados, por lo que el
suministro de presión del fluido al cilindro podrá controlarse
electrónicamente. En la figura 9 se muestra una configuración
esquemática posible. El ariete hidráulico operable con fluido
similar al mostrado en la figura 1 comprende unos medios de lectura
17 y unos medios de decodificación 18, tal como hasta ahora se han
descrito. La salida de los medios de decodificación 18 se hace
pasar a la línea 41 a una controlador electrónico 40. Las señales de
otros sensores o medios de control según se desee pueden hacerse
que pasen a un controlador electrónico 40 en la línea 42. El
controlador electrónico 40 puede entonces operar unos medios 44 de
control de la presión del fluido, que comprende por ejemplo una
válvula de solenoide, mediante el envío de una señal en la línea 43
para controlar el suministro del fluido en las líneas 45 del ariete
hidráulico 9 en respuesta a la información posicional de los medios
de decodificación 18 y de la información del sensor en la línea 42.
La biela de pistón 12 se desplazará en la forma debida, y su nueva
posición será detectada por los medios de lectura 17 y los medios de
decodificación 18 y siendo transferida al controlador electrónico
40.
Los requisitos de las marcas 16 legibles
ópticamente son que deberán codificar la información posicional, de
forma tal que el desplazamiento absoluto de la biela del pistón
pueda determinarse con una resolución deseada, siendo tolerante
ante los errores introducidos por la pérdida de las áreas 24 y
minimizando el numero de las áreas 24 requeridas sobre la
superficie de la biela del pistón. Es deseable también que las
marcas sean duraderas y resistentes a la corrosión, y que en todo
lo posible no afecten negativamente a la resistencia a la corrosión
de la propia biela del pistón. Cualquier medida oportuna podrá ser
utilizada cuando se desee para resistir a la reducción de la
resistencia a la corrosión del elemento mecánico.
De acuerdo con el primer expediente de la
invención, el marcaje legible ópticamente se proporciona sobre un
elemento mecánico, una vez que se haya torneado según el diámetro
requerido. En el presente ejemplo, el elemento mecánico es acero, y
las partes apropiadas del mismo son revestidas primeramente con un
substrato de bronce. El elemento mecánico se rectifica con una
muela o se pule en ambiente húmedo antes del revestimiento, para
que tenga un acabado superficial de 0,8 \mum o inferior. El
substrato de bronce tiene un grosor en el rango de 0,038 a
0,051 mm, y comprende del 88% al 92% de cobre y del 8% al 12% de estaño. Después del revestimiento, el substrato de bronce no deberá mostrar ningún signo de porosidad, y siendo pulido para conseguir un acabado superficial de 0,2 a 0,4 \mum. Se deposita una superficie de cromo sobre el bronce a una velocidad de 0,001 mm/hora mediante una técnica de electrodeposición convencional, para proporcionar una superficie 12a que tenga una primera reflectividad. La superficie puede tener microfisuras con un mínimo aproximadamente de 400 fisuras/cm lineal. El grosor final del cromo puede variarse para los distintos componentes, dependiendo del uso final del componente. Pueden utilizarse otras técnicas adecuadas o parámetros según se desee.
0,051 mm, y comprende del 88% al 92% de cobre y del 8% al 12% de estaño. Después del revestimiento, el substrato de bronce no deberá mostrar ningún signo de porosidad, y siendo pulido para conseguir un acabado superficial de 0,2 a 0,4 \mum. Se deposita una superficie de cromo sobre el bronce a una velocidad de 0,001 mm/hora mediante una técnica de electrodeposición convencional, para proporcionar una superficie 12a que tenga una primera reflectividad. La superficie puede tener microfisuras con un mínimo aproximadamente de 400 fisuras/cm lineal. El grosor final del cromo puede variarse para los distintos componentes, dependiendo del uso final del componente. Pueden utilizarse otras técnicas adecuadas o parámetros según se desee.
El cromo se elimina entonces mediante la
exploración de las áreas deseadas con un láser para producir áreas
expuestas de bronce que tengan una segunda reflectividad inferior.
Se escanea con el láser una circunferencia de la biela del pistón
para proporcionar una marca circunferencial en un plano
perpendicular al eje de la biela del pistón 12. La biela 12 se
desplaza a una ligera distancia axialmente y se escanea otra zona
hasta que se haya generado el área 24 que tenga el ancho deseado.
Este proceso se repite para cada área 24 según se desee. El área 24
puede formarse alternativamente mediante la eliminación parcial o
descolorando el cromo sin que permanezca en su totalidad el cromo,
particularmente cuando el expediente (b) de la invención esté
provisto en donde se prevea que no puede suministrarse otro
substrato.
En el presente ejemplo, el láser utilizado es
del tipo de Q conmutado Nd-YAG con una potencia de
onda continua de 70 watios, operado en modo Q con una potencia de
600 watios. El diámetro del haz fue de 4 mm y la longitud focal de
137 mm, con una velocidad de escaneado de 70 mm por segundo. Para
una biela de pistón que tenga una circunferencia de 40 mm, cada
área 24 fue explorada para extenderse alrededor en 5, 7 mm de la
circunferencia de la biela, y teniendo un ancho de 0,5 mm.
Este método produce un marcaje duradero
resistente a la corrosión, en donde el substrato de bronce resiste
cualquier degradación de la resistencia a la corrosión de la biela
del pistón que pudiera surgir a partir del marcaje con láser del
cromo. Aunque se utiliza convencionalmente el níquel como substrato
al depositar el cromo sobre el acero puesto que se considera en
general que se proporciona una mejor resistencia contra la
corrosión que el substrato de bronce, al contrario de lo esperado el
substrato de níquel se encontró como menos efectivo al oponerse a
cualquier degradación de la resistencia a la corrosión, provocada
por el marcaje con láser del cromo. En particular, es difícil
controlar la potencia del láser de forma que el cromo quede
marcado, pero de forma que el láser no afecte significativamente al
substrato y al elemento mecánico. Alternativamente, cuando se
proporciona solo el cromo, el láser abre trayectos de corrosión a
través de microgrietas en el cromo. El substrato de bronce
proporciona un substrato resistente a la corrosión, el cual es
altamente reflectante para el marcaje con láser. La potencia del
láser no precisa estar controlada con precisión, puesto que una vez
que la superficie del cromo haya sido marcada, la luz del láser es
reflejada subsiguientemente por el substrato del bronce, haciendo
menos probable que el láser queme a través del substrato hasta el
elemento mecánico por debajo o pueda abrir trayectos de corrosión
hacia el elemento. Además de ello, el uso del bronce, el cual tiene
una reflectividad muy distinta que para el cromo, proporciona áreas
24 de alto contraste. El método de marcaje proporciona un marcaje
legible, el cual dura hasta una vida útil predeterminada sin
degradación. El marcaje es también suficiente duradero para que no
se borre fácilmente por el uso normal o se dañe por un impacto
accidental. Cuando el elemento mecánico se proporciona con un
sellado especial que limpia la superficie del cromo, cualquier
suciedad o aceite sobre el elemento servirá para elevar el contraste
entre la superficie y las áreas, puesto que las áreas se hendirán
ligeramente, y acumularán parte del aceite o de la suciedad,
reduciendo por tanto la reflectividad en forma adicional.
El método puede utilizarse en el acero
endurecido por inducción, así como también otras graduaciones del
acero, incluyendo el acero endurecido no por inducción.
El uso de un marcaje de anchura constante de
acuerdo con el segundo expediente de la invención, resiste también
la degradación de la resistencia a la corrosión, provocada por el
marcaje con láser de la superficie. Si se proporcionara solo el
cromo, sería deseable que el marcaje no pudiera penetrar a través
del cromo hasta el elemento mecánico, requiriendo el control de la
profundidad y la penetración, y por tanto la potencia del láser. Al
proporcionar un substrato, puede ser todavía necesario que el
marcaje no pueda penetrar en el cromo, o alternativamente que el
marcaje no tenga por resultado una penetración significativa o el
calentamiento del substrato. Al formarse una marca por un láser en
un elemento mecánico, la cantidad de calentamiento provocado en el
elemento dependerá del tamaño de la marca, que además afectará a la
profundidad de penetración del láser. Haciendo que las marcas sean
de ancho constante, el calentamiento del elemento mecánico es
normalmente constante, y la profundidad de penetración estará
controlada de forma más fácil, puesto que el efecto del marcaje de
la marca será conocido sin tener que calibrar la potencia del láser
para los distintos tamaños de la marca. El método puede ser
utilizado adicionalmente o por separado a partir del método de
proporcionar un substrato de bronce descrito anteriormente, para
proporcionar la resistencia a la corrosión. El marcaje puede
formarse utilizando la técnica descrita hasta aquí.
Además de ello, tal como se ha descrito
anteriormente, puesto que el ancho de las áreas es constante y el
ancho del espacio entre las áreas es el ancho de una o de dos áreas,
la detección de las transiciones en la señal intermedia puede
acelerarse, acelerando así el proceso de decodificación.
Los medios de lectura no comprenden partes
móviles, y no interfiere con el movimiento del elemento. La medida
de la posición se toma directamente de la biela del pistón, y no a
partir de una pieza del aparato accionada para el elemento. Esto
significa que la medida de la posición no está afectada por las
deficiencias mecánicas, tales como el juego entre el ariete
hidráulico y el aparato, o bien en los propios medios de lectura.
Los medios de lectura no añaden ninguna parte móvil adicional al
ariete hidráulico, el cual estaría sujeto al desgaste.
Pueden utilizarse otros medios de codificación o
marcaje, según se desee. Aunque en el presente ejemplo se ha
marcado una biela de pistón, está claro que dicho método de
determinar la posición ópticamente sería apropiado para cualquier
otro elemento mecánico sujeto al movimiento axial o a otro
movimiento. Los medios de iluminación y los medios detectores están
montados en la tapa del extremo del cilindro, y están por tanto
protegidos y apantallados contra las alteraciones
electromagnéticas, siendo también relativamente compactos.
Es evidente que la presente invención puede ser
utilizada en cualquier elemento mecánico según se desee, y
pudiendo proporcionarse un marcaje en particular mediante cualquier
técnica adecuada según se desee. Pueden utilizarse uno o ambos
expedientes de la invención, si se desea el que resista ante la
degradación de la resistencia a la corrosión de un elemento
mecánico.
Las características expuestas en la anterior
descripción, o en las siguientes reivindicaciones, o en los dibujos
adjuntos, expresadas en sus formas específicas o en términos de unos
medios para la ejecución de la función expuesta, o un método o
proceso para conseguir el resultado expuesto, según sea lo apropiado
podrán utilizarse para la realización de la invención en sus
diversas formas, sin desviarse de la redacción de las
reivindicaciones.
Claims (31)
1. Un elemento mecánico movible (12) para su
utilización en un aparato, para determinar la posición del elemento
mecánico (12), teniendo el elemento mecánico (12) un substrato sobre
el cual se proporciona una superficie (12a) que tiene una primera
reflectividad, en donde el substrato comprende bronce y la
superficie (12a) que tiene una primera reflectividad comprende
cromo, en donde el elemento mecánico tiene unas marcas legibles
ópticamente (16), en donde la marcación legible ópticamente (16)
comprende la superficie (12a) que tiene una primera reflectividad y
una pluralidad de áreas (24) que tienen una segunda reflectividad,
en donde las áreas (24) que tienen una segunda reflectividad
comprenden áreas formadas por la eliminación parcial o decoloración
del cromo, en donde las áreas (24) que tienen una segunda
reflectividad tienen un ancho (T), el cual es generalmente
constante en una dirección paralela a la dirección del movimiento
del elemento mecánico (12).
2. Un elemento mecánico de acuerdo con la
reivindicación 1, en donde el substrato es resistente a la
corrosión.
3. Un elemento mecánico de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en donde el substrato es más resistente a la
marcación por láser que la mencionada superficie (12a) que tiene
una primera reflectividad.
4. Un elemento mecánico de acuerdo con una
cualquiera de la reivindicaciones anteriores, en donde el bronce
comprende del 88% al 92% de cobre, y del 12% al 8% de estaño.
5. Un elemento mecánico según una cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en donde el substrato de bronce
tiene un grosor en el rango de 0,038 mm a 0,051 mm.
6. Un elemento mecánico de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el bronce
tiene un acabado superficial en el rango de 0,2 a 0,4 micras.
7. Un elemento mecánico de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la
mencionada parte del elemento mecánico está provista con un
substrato que tiene un acabado superficial inferior a 0,8
micras.
8. Un elemento mecánico de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera
reflectividad es mayor que la segunda reflectividad.
9. Un elemento mecánico de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las áreas
(24) que tienen una segunda reflectividad tienen substancialmente
la misma área.
10. Un elemento mecánico de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la marcación
(16) comprende una pluralidad de elementos de códigos (16a),
comprendiendo cada uno una pluralidad de las mencionadas áreas (24)
de la segunda reflectividad.
11. Un elemento mecánico de acuerdo con la
reivindicación 10, en donde cada elemento del código (16a) codifica
un valor numérico distinto en dígitos binarios.
12. Un elemento mecánico de acuerdo con la
reivindicación 11, en donde cada digito binario está indicado por
la distancia entre dos de las mencionadas áreas (24) que tienen una
segunda reflectividad.
13. Un elemento mecánico de acuerdo con la
reivindicación 11 ó 12, en donde cada elemento del código (16a)
codifica a un número único.
14. Un elemento mecánico de acuerdo con la
reivindicación 13, en donde cada elemento del código (16a) comprende
una parte única de una secuencia binaria
pseudo-aleatoria.
15. Un aparato para determinar la posición de un
elemento mecánico movible, comprendiendo el aparato un elemento
mecánico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, comprendiendo además el aparato unos medios de lectura
(17) para proporcionar una salida que depende de la posición del
elemento mecánico, en donde los mencionados medios de lectura (17)
comprenden unos medios de iluminación (17a), unos medios detectores
(21) y unos medios de decodificación (18).
16. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
5, en donde los medios de iluminación (17a) comprenden un diodo
emisor de luz (20).
17. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
15 ó 16, en donde los medios detectores (21) están dispuestos para
detectar la luz de los medios de iluminación (17a) reflejada desde
la mencionada superficie (12a) que tiene una primera reflectividad
y las mencionadas áreas (24) que tienen una segunda reflectividad,
en donde los medios detectores (21) comprenden un detector, el cual
proporciona una señal que tiene un valor dentro de un primer rango
cuando la luz procedente de una parte de la mencionada superficie
(12a) que tiene la mencionada primera reflectividad es reflejada
sobre la misma, y que tiene un valor dentro de un segundo rango
cuando la luz procedente de un área (24) que tiene la mencionada
segunda reflectividad se refleja sobre la misma.
18. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
17, en donde los mencionados medios detectores (21) comprenden una
matriz que tiene una pluralidad de los mencionados detectores.
19. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
18, en donde la mencionada matriz proporciona una señal intermedia
a los mencionados medios detectores (18), comprendiendo la
mencionada señal intermedia una señal procedente de cada uno de los
mencionados detectores.
20. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
19, en donde los medios de decodificación (18) comprenden unos
medios electrónicos para decodificar la mencionada señal intermedia
a partir de los mencionados medios detectores (21) para
proporcionar la mencionada salida.
21. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
20, dependiente directa o indirectamente de la reivindicación 12,
en donde los medios de decodificación (18) comprenden unos medios
para detectar la señal del detector de la señal intermedia
correspondiente a una transición correspondiente a un borde de un
área (24) de la segunda reflectividad, y medios para identificar
una pluralidad de dígitos binarios a partir de la separación de una
pluralidad de las mencionadas transiciones.
22. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
21, en donde los medios de decodificación (18) comprenden unos
medios para identificar un elemento de código a partir de los
mencionados dígitos binarios, y proporcionando la mencionada salida
indicando la posición del elemento mecánico dependiente del
mencionado elemento del código.
23. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
22, en donde los medios de detección (18) comprenden además unos
medios para identificar el detector de la matriz detectora sobre la
cual cae una transición de las mencionadas transiciones.
24. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 23, comprendiendo además unos medios de
enfoque (22) para enfocar la luz reflejada desde la mencionada
superficie (12a) del elemento mecánico o de las mencionadas áreas
(24) que tienen una segunda reflectividad en los mencionados medios
detectores.
25. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 24, en donde el elemento mecánico comprende
una biela de pistón (12) de un ariete hidráulico operado con un
fluido.
26. Un método de marcaje de un elemento mecánico
que comprende el suministro de un elemento mecánico con un
substrato y que proporciona una superficie (12a) que tiene un
primera reflectividad sobre el mencionado substrato, y
proporcionando una marcación (16) sobre el mismo, en donde la
mencionada marcación (16) comprende una pluralidad de áreas (24)
que tienen una segunda reflectividad, caracterizado porque el
substrato comprende bronce, y la superficie (12a) que tiene una
primera reflectividad comprende cromo, y en donde el método
comprende la etapa de la marcación de las mencionadas áreas
mediante la eliminación parcial o decoloración del cromo, teniendo
las áreas con una segunda reflectividad un ancho que es generalmente
constante en una dirección que es paralela a la dirección de
movimiento del elemento mecánico.
27. Un método de acuerdo con la reivindicación
26, en donde la etapa de eliminación o decoloración parcial de la
superficie (12a) comprende la utilización de un láser para eliminar
parcialmente la superficie (12a).
28. Un método de acuerdo con la reivindicación
26 ó 27, en donde la etapa de marcación de las mencionadas áreas
(24) que tienen una segunda reflectividad, comprenden la indicación
de un digito binario por la distancia entre dos de las mencionadas
áreas (24) que tienen una segunda reflectividad.
29. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 26 a 28, en donde las áreas (24) que tienen una
segunda reflectividad tienen en general la misma área.
30. Un elemento mecánico en donde se realiza la
marcación de acuerdo con el método de cualquiera de las
reivindicaciones 26 a 29.
31. Un elemento mecánico de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, o un aparato de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 25, en donde el elemento
mecánico comprende un elemento mecánico de acuerdo con la
reivindicación 30.
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