ES2342844T3 - Conjunto de medicion y metodo para la determinacion de la posicion relativa de las partes de una maquina. - Google Patents
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Abstract
Un conjunto de medición en tres dimensiones para la determinación de la posición relativa de componentes, tales como partes de una máquina, en los que el conjunto comprende: - una sonda provista con una parte de contacto esférica y una estructura portante que encaja sobre el elemento de contacto esférico, - un elemento de referencia provisto con al menos una abertura de referencia definida por tres superficies de colocación, en los que las sondas y el elemento de referencia se dimensionan de forma que la parte de contacto esférica de la sonda se pueda colocar sólo en una forma en la abertura de referencia, caracterizado porque la estructura portante de la sonda está provista con al menos un detector de posición.
Description
Conjunto de medición y método para la
determinación de la posición relativa de las partes de una
máquina.
La presente invención se refiere a un conjunto
de medición en tres dimensiones para la determinación de la
posición relativa de componentes, tales como partes y/o instrumentos
de una máquina, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
La invención también se refiere a un método para la determinación de
la posición relativa de los componentes, tales como más
particularmente partes de una máquina, usando un elemento de
referencia de acuerdo con la invención.
Gran parte de la actividad de industrial de hoy
en día está dirigida a la realización de productos de alta
precisión. En los instrumentos y máquinas de precisión se puede
usualmente discernir una interacción de un gran número de
componentes, cada uno de los cuales afecta a la inexactitud final
debido a variaciones que son consecuencia de efectos geométricos,
cinemáticos y dinámicos. Las variaciones no son solamente
consecuencia de los instrumentos o de la máquina per se; el
entorno también juega una parte (por medio de por ejemplo la
variabilidad en la temperatura, la humedad y la vibración). Los
dispositivos existentes para ensayos y calibración de equipos de
precisión, tales como por ejemplo dispositivos de medición basados
en la tecnología láser, son normalmente voluminosos y costosos.
Tales dispo-
sitivos por lo tanto no se pueden usar en equipos más pequeños, o solamente con dificultad y por otro lado son caros.
sitivos por lo tanto no se pueden usar en equipos más pequeños, o solamente con dificultad y por otro lado son caros.
La Patente Americana US 4.523.450 describe un
método para la calibración de una sonda de forma compleja provista
con una diversidad de patillas de sondeo, sobre los extremos
exteriores de las cuales se sitúan bolas. La calibración se lleva a
cabo sobre un dispositivo de medición adaptado para esta finalidad y
que tiene múltiples grados de libertad. En el método las bolas se
ponen en contacto una a una con una norma de calibración también
situada sobre el dispositivo de medición; más particularmente
mediante la colocación de las bolas en elementos de centrado
dispuestos para esta finalidad en el patrón de calibración. El
patrón de calibración se puede realizar por ejemplo en la forma de
un bloque o bola y está provisto con elementos de centrado dirigidos
hacia lados diferentes. Tal posicionamiento no ambiguo de la sonda
con relación al elemento de referencia se denomina también
colocación cinemática. A las superficies de posicionamiento se les
puede dar una forma plana, pero también puede ser otra distinta de
la plana, tal como por ejemplo curvada (cóncava o convexa) o tener
por otro lado una forma compleja. Las posiciones de los centros de
las bolas pueden determinarse de ese modo con precisión por cada
bola solamente mediante una única colocación en el elemento de
centrado. Más que de acuerdo con la presente invención, este es un
dispositivo de medición con el que se calibra una sonda de forma
compleja, en particular la posición relativa de las bolas. La
determinación de la posición relativa de los componentes de una
máquina no es posible a través de este.
El objeto de la presente invención es
proporcionar medios para la determinación, con un coste limitado, de
la posición relativa de componentes que se pueda usar también en el
caso de componentes pequeños o muy pequeños sin que sea necesario
para esta finalidad un dispositivo de medición voluminoso y complejo
de técnicas anteriores. Particularmente, aunque no exclusivamente,
se concibe la medición de partes de máquina con un intervalo
operativo de menos de 500 mm, incluso, partes de máquina con un
intervalo operativo en el nivel de los nanómetros, tal como por
ejemplo partes de máquinas similares a las de AFM de 2.5D.
La invención proporciona para esta finalidad un
conjunto de medición en tres dimensiones de acuerdo con la
reivindicación 1. Debido a que la estructura portante de la sonda se
proporciona con al menos un detector de posición, es posible fijar
la sonda con la estructura portante directamente en un componente
para la medición; es innecesario un dispositivo de medición porque
la sonda con la estructura portante combina ambas funciones de
sonda y medición. Una sonda simple con medios de medición integrados
será suficiente ahora en lugar de un dispositivo de medición
voluminoso. Es deseable que la estructura portante se realice de
forma que se pueda sujetar o fijar en o sobre un componente para la
medición. Tal fijación se puede simplificar proporcionando la
estructura portante con medios de acoplamiento que puedan actuar
conjuntamente con los componentes para la medición. Una ventaja
significativa del conjunto de medición de acuerdo con la invención
es que la posición relativa de los componentes, tales como por
ejemplo los componentes de una máquina, pueden medirse de ese modo
en el emplazamiento mientras que se están montando en la máquina
asociada. Son posibles de ese modo mediciones precisas sin que se
tengan que retirar componentes para esta finalidad, desplazar a un
dispositivo de medición y, después de ser medidos, hayan de ser
recolocados. Además de la ventaja de que la medición con un conjunto
de medición de acuerdo con la presente invención es mucho más
ventajosa logística y financieramente, la calidad de los resultados
de la medición es también superior. Esto es debido a que los
componentes se pueden medir en la situación en la que también se
emplean; el peligro de distorsión o de efectos adversos sobre los
resultados de la medición es, a diferencia de técnicas anteriores,
absolutamente cero. Una ventaja adicional es que la sonda es
relativamente simple de fabricar y por lo tanto se le puede dar
también una forma muy pequeña. Es posible concebir aquí por ejemplo
una parte de contacto esférica del orden de magnitud de un máximo de
0,5 mm, permitiendo por lo tanto la aplicación del conjunto de
medición para partes de máquina a muy pequeña escala. Se hace
posible de ese modo medir, calibrar, graduar, alinear, controlar o
procesar de otra forma tales partes de máquina más pequeñas o al
menos partes de máquinas con un intervalo de funcionamiento pequeño
a muy pequeño, con gran precisión y sin operaciones que lleven
mucho tiempo y sin que se requiera un dispositivo de medición
voluminoso y costoso para esta finalidad.
Es también ventajoso si la estructura portante
de la sonda se proporciona con al menos un eje de traslación y/o al
menos un eje de rotación, y al menos un detector de posición que se
adapte para detectar la posición del eje relevante. Debido al eje
de traslación y/o rotación (que se puede denominar también como eje
de pivote), la sonda se puede colocar de una manera simple en el
elemento de referencia; a la sonda después de todo se le puede
dirigir de ese modo en una forma más o menos de auto colocación (y
fácilmente por ello) en una posición de colocación no ambigua. El
detector de posición indica posteriormente la posición en la que la
sonda está situada, a partir de cuyos datos (junto con los datos de
uno o más detectores de posición con los que se determina la
posición en la dirección de uno o más ejes de traslación y/o
rotación) se puede calcular la posición de colocación. Se hace
notar que se recomienda en la práctica realizar el conjunto de
medición con una diversidad de ejes de traslación y/o rotación, por
ejemplo tres, con tres sensores asociados, una vez más para aumentar
la libertad de movimiento de la sonda, y de ese modo incrementar la
libertad de medición.
La sonda está provista preferiblemente con una
estructura portante que encaja sobre el elemento de contacto
esférico y está provista con al menos un detector de posición.
Usando uno o más de tales detectores de posición se puede
determinar por ejemplo una posición en las direcciones X, Y y/o Z
(los ejes de traslación posibles). En una variante preferida es
posible determinar una posición en todas de estas tres direcciones
por medio de tres detectores de posición diferentes; tal sonda
tiene después de todo una gran libertad de movimiento y por lo
tanto muchas posibilidades con respecto a las mediciones a ser
realizadas. Para un buen procesamiento de los valores medidos los
detectores de posición se realizan de forma que generen señales
eléctricas que se puedan procesar posteriormente en una unidad de
procesamiento (ordenador). El procesamiento de los datos se mejora
adicionalmente si la sonda está provista con una interfaz para la
conexión de la sonda a tal unidad de procesamiento (ordenador).
El elemento de referencia se puede formar de
modo relativamente simple mediante una placa plana, en la que se
dispone en un lado de contacto plano al menos una abertura de
referencia. Tal placa plana puede sujetarse o fijarse usualmente
fácilmente en o sobre un componente a ser medido. Por otro lado no
es esencial realizar el elemento de referencia como una placa
plana; una alternativa es por ejemplo que las aberturas de
referencia se sitúen a diferentes alturas para de ese modo obtener
también múltiples posiciones de referencia y alturas separadas en
el espacio, que por ejemplo permita una calibración precisa de
partes de la máquina en la dirección de la altura (que puede por
ejemplo designarse como una dirección Z o una dirección
vertical).
Es también deseable que el elemento de
referencia esté provisto con una diversidad de aberturas de
referencia de modo que se puedan realizar de ese modo múltiples
mediciones sobre el mismo elemento de referencia. Sólo entonces se
hace realmente posible determinar con precisión la exactitud
relativa de una diversidad de mediciones realizadas sucesivamente.
En la práctica habrá siempre al menos tres, aunque preferiblemente
un número aún mayor, de aberturas de referencia provistas sobre un
único elemento de referencia. Esto es por ejemplo posible
proporcionando en el elemento referencia una matriz de aberturas de
referencia definidas mediante la intersección de ranuras.
Un método relativamente simple y por ello no
costoso de definir las aberturas de referencia en el elemento de
referencia es el uso de tres ranuras que intersectan mutuamente para
cada abertura de referencia. Tales ranuras puede intersectar entre
sí con un ángulo de 120º en cada caso y las ranuras se pueden
definir cada una mediante al menos dos lados de ranura plana; un
primer lado de ranura paralelo a la normal de un lado de contacto
del elemento de referencia y un segundo lado de ranura que encierra
un ángulo de aproximadamente 35º, preferiblemente 35,26º, con la
normal al lado de contacto del elemento de referencia. Las
superficies de colocación de las aberturas de referencia se definen
en el presente documento mediante tres segundos lados de ranura que
intersectan mutuamente. Las superficies de colocación sobre las que
puede encajar la sonda se definen en cada caso en las
intersecciones. Como se supone conocido, la disposición de ranuras
es una operación simple mecánicamente que se puede realizar también
con la gran precisión necesaria. Es fácilmente posible también en
esta forma proveer al elemento de referencia con una matriz de
aberturas de referencia definidas mediante ranuras.
La presente invención también proporciona un
método para la determinación de la posición relativa de componentes,
tales como partes de máquina, con un elemento de referencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que
comprenden las etapas de procesamiento de: A) la conexión de la
sonda a un primer componente, B) la conexión del elemento de
referencia a un segundo componente, C) la colocación de modo
cinemático de la parte de contacto esférica de la sonda en una
abertura de referencia del elemento de referencia, D) el registro
de la posición relativa de las variables de posición del primer y
segundo componente durante la colocación cinemática, y E) la
comparación de las variables de posición registradas con los valores
de referencia. Las etapas del procesamiento C) a E) se repiten
preferiblemente aquí varias veces para diferentes aberturas de
referencia dispuestas en el mismo elemento de referencia. Las
ventajas como se han descrito ya anteriormente con respecto al
dispositivo de acuerdo con la presente invención se pueden hacer
realidad por medio de este método.
Mediante la comparación entre sí de las
variables de posición detectadas y de los valores de referencia ya
conocidos se puede determinar la exactitud del desplazamiento
relativo del primer y segundo componente. Es posible también que la
exactitud (o inexactitud) determinada del primer y segundo
componente se realimente a los medios de control del primer y
segundo componente de forma que la variación en la exactitud
determinada se compense al menos parcialmente.
La presente invención se esclarece
adicionalmente en base a las realizaciones de ejemplo no limitativas
descritas en las siguientes figuras. En el presente documento:
la figura 1 es una vista lateral de un conjunto
de medición representado de modo esquemático de acuerdo con la
presente invención,
la figura 2 es una vista superior de una parte
de contacto esférica de una sonda colocada de modo cinemático en una
abertura de referencia de un elemento de referencia,
la figura 3A es una vista en perspectiva de una
placa de referencia con ranuras en la que se dispone una matriz de
aberturas de referencia,
la figura 3B es una vista en detalle en
perspectiva de una parte de la placa de referencia mostrada en la
figura 3A,
la figura 4 es una vista en perspectiva de una
variante de realización alternativa de una placa de referencia con
una matriz de aberturas de referencia, y
la figura 5 es una vista en perspectiva de una
segunda variante de realización alternativa de una placa de
referencia con una matriz de partes esféricas que definen aberturas
de referencia.
La figura 1 muestra un conjunto de medición 1
que consiste en una sonda 2 y una placa de referencia 3. La sonda 2
consiste en una parte de contacto esférica 4 que se fija por medio
de un brazo portador 5 a un marco de sonda 6. El desplazamiento del
marco de la sonda 6 con relación a la máquina 13 se detecta por
medio de los sensores de traslación 7, de los que se muestra sólo
uno de ellos. El sensor de traslación 7 formará parte por lo tanto
normalmente al menos parcialmente de la máquina 13. El brazo
portador 5 se conecta de modo que pueda pivotar al marco de sonda 6
y el grado de pivotado se detecta por medio de los sensores de
rotación 8, de los que se muestra sólo uno de ellos. Tanto los
sensores de traslación 7 como los sensores de rotación 8 se
disponen de forma que puedan detectar desplazamientos en varias
direcciones. Los valores medidos registrados por los sensores de
traslación 7 y los sensores de rotación 8 se pueden enviar por medio
de las respectivas líneas de señales 9, 10 a un ordenador central
11. La parte de contacto esférica 4 de la sonda 2 encaja en una
abertura de referencia 12, que se dispone para esta finalidad en la
placa de referencia 3 y que se dimensiona de forma que el centro de
la parte de contacto esférica 4 se pueda llevar solamente a una
posición en una posición estable con relación a la abertura de
referencia 12. El diseño de la abertura de referencia 12 se tratará
con más detalle a continuación.
La figura 2 muestra una vista superior de una
parte de la placa de referencia 20 sobre la que se rebaja la
abertura de referencia 21. Una parte de contacto esférica o similar
a una bola 22 se muestra también que forma parte de una sonda que ya
no se muestra en esta figura.
La figura 3A muestra una placa de referencia 30,
en una de cuyas superficies de contacto 31 se disponen las ranuras
32, 33, 34 de forma que hay siempre intersecciones de las tres
ranuras 32, 33, 34. Las ranuras de intersección 32, 33, 34
encierran en todos los casos ángulos mutuos de 120º. Las ranuras 32,
33, 34 están provistas cada una con una primer lado de ranura 35
que es paralelo a la normal de la superficie de contacto 31 de la
placa de referencia y un segundo lado de ranura 36 que encierra un
ángulo de aproximadamente 35º, preferiblemente 35,26º, con la
normal a la superficie de contacto 31 de la placa de referencia 30.
Véase también la figura 3B para una vista más detallada de las
ranuras de intersección 32, 33, 34. En la posición de colocación en
donde intersectan la ranuras 32, 33, 34 se crean tres superficies de
contacto 37, 38, 39 (que son parte de los segundos lados de ranura
36 de las ranuras 32, 33, 34) sobre la que una parte de contacto
esférica encajará de modo cinemático (siempre que sea de una
dimensión suficientemente pequeña).
La figura 4 muestra una variante de realización
alternativa de una placa de referencia 40 en la que se rebaja una
matriz de aberturas de referencia 41. Las aberturas de referencia 41
se pueden disponer por ejemplo por medio de una erosión con chispas
o fresado. También se incluye en la figura a modo de ilustración una
parte de contacto esférica 42 (mostrada de modo separado de la otra
parte de una sonda) que se coloca de modo cinemático en una abertura
de referencia 41.
Finalmente, la figura 5 muestra aún otra placa
de referencia 50 sobre la que se dispone una matriz de segmentos
esféricos 51. Tres segmentos esféricos 51 definen en cada caso una
abertura de referencia 52. De nuevo se incluye en la figura a modo
de ilustración una parte de contacto esférica 53 (mostrada de modo
separado de las otras partes de una sonda) que se coloca de modo
cinemático en una abertura de referencia 52.
Claims (16)
-
\global\parskip0.960000\baselineskip
1. Un conjunto de medición en tres dimensiones para la determinación de la posición relativa de componentes, tales como partes de una máquina, en los que el conjunto comprende:- -
- una sonda provista con una parte de contacto esférica y una estructura portante que encaja sobre el elemento de contacto esférico,
- -
- un elemento de referencia provisto con al menos una abertura de referencia definida por tres superficies de colocación,
en los que las sondas y el elemento de referencia se dimensionan de forma que la parte de contacto esférica de la sonda se pueda colocar sólo en una forma en la abertura de referencia, caracterizado porque la estructura portante de la sonda está provista con al menos un detector de posición. - 2. Conjunto de medición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura portante de la sonda está provista con al menos un eje de rotación y se adapta un detector de posición para registrar la posición de rotación.
- 3. Conjunto de medición de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la estructura portante de la sonda está provista con al menos un eje de traslación y se adapta un detector de posición para registrar la posición de traslación.
- 4. Conjunto de medición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la sonda está provista con una interfaz para la conexión de la sonda a una unidad de procesamiento.
- 5. Conjunto de medición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de referencia está formado por una placa plana, en cuyo lado de contacto plano se dispone al menos una abertura de referencia.
- 6. Conjunto de medición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de referencia está provisto con una diversidad de aberturas de referencia.
- 7. Conjunto de medición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la abertura de referencia se define por tres superficies de colocación que encierra cada una un ángulo de aproximadamente 35º, preferiblemente de 35,26º, con la normal del lado de contacto del elemento de referencia.
- 8. Conjunto de medición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las aberturas de referencia se definen por tres ranuras que intersectan mutuamente.
- 9. Conjunto de medición de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque las tres ranuras intersectan entre sí en un ángulo de 120º en cada caso.
- 10. Conjunto de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones 7-9, caracterizado porque las ranuras se definen cada una mediante al menos dos lados de ranura planos; un primer lado de ranura paralelo a la normal de un lado de contacto del elemento de referencia y un segundo lado de ranura que define una superficie de colocación.
- 11. Conjunto de medición de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque las superficies de colocación de las aberturas de referencia se definan por tres segundos lados de ranura que intersectan mutuamente.
- 12. Conjunto de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones 6-11, caracterizado porque el elemento de referencia está provisto con una matriz de aberturas de referencia definidas mediante ranuras.
- 13. Método para la determinación de la posición relativa de componentes, tales como partes de máquina, con un elemento de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que comprende las etapas de procesamiento de:A) la conexión de la sonda a un primer componente,B) la conexión del elemento de referencia a un segundo componente,C) la colocación de modo cinemático de la parte de contacto esférica de la sonda en una abertura de referencia del elemento de referencia,D) el registro de la posición relativa de las variables de posición del primer y segundo componente durante la colocación cinemática, yE) la comparación de las variables de posición registradas con los valores de referencia.
\global\parskip1.000000\baselineskip
- 14. Método de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque las etapas de procesamiento C) a E) se repiten varias veces para diferentes aberturas de referencia dispuestas en el mismo elemento de referencia.
- 15. Método de acuerdo con la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque las variables de posición detectadas y los valores de referencia ya conocidos se comparan entre sí para determinar la exactitud del desplazamiento relativo del primer y segundo componentes.
- 16. Método de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque la exactitud determinada del desplazamiento mutuo del primer y segundo componente se realimenta a los medios de control del primer y segundo componente de forma que se compense al menos parcialmente una determinada variación en la exactitud.
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