ES2587563B2 - Sistema para el posicionado y orientación de elementos con perfil cilíndrico y similares - Google Patents
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Abstract
Sistema para el posicionado y orientación de elementos con perfil cilíndrico y similares, formado por una pluralidad de módulos transversales (2) situados sobre la estructura de soporte principal del sistema (1) y que se desplazan independientemente mediante unos elementos de guiado situados en sus extremos (21). Cada una de los antedichos módulos (2) disponen de, al menos, una columna (3), la cual podrá efectuar un desplazamiento independiente sobre los módulos transversales (2). Además, dicha columna cuenta con un elemento sustentador (12) para las piezas a posicionar que puede efectuar un desplazamiento regulable en altura así como efectuar un movimiento de giro e inclinación, proporcionando así una zona de apoyo (26) en cualquier punto y dirección del espacio. Así mismo, todos los movimientos del sistema se realizan de forma automatizada, previa implementación mediante un medio programable (5).
Description
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Description
Sistema para el posicionado y orientation de elementos con perfil cilfndrico y similares.
Sector de la tecnica
La presente invention se engloba dentro del campo de los sistemas auxiliares de posicionamiento y orientation empleados en el montaje, fabrication o ensamblado de productos complejos y, mas concretamente, como su tftulo indica, se refiere a un sistema para el posicionado y orientation de elementos con perfil cilfndrico y similares, de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.
Antecedentes de la invention
La union de terminales, accesorios u otros elementos similares a tuberfas, mangueras y elementos de perfil cilfndrico en general, es una operation muy habitual que se realiza en los procesos productivos de muchas industrias, entre las que destaca el sector aeroespacial, que requiere un elevado nivel de control y precision. Las uniones deben realizarse con especial cuidado, evitando cualquier tipo de defecto que pueda provocar fugas o disfunciones. Estas uniones y derivaciones entre los distintos elementos se realizan principalmente mediante el uso de accesorios intermedios, tales como manguitos, codos, racores, uniones en "T", etc. Ademas, en la mayorfa de los elementos anteriormente citados, tambien es fundamental la orientation que estos adopten respecto al elemento principal, ya que una orientation distinta a la de diseno conllevara que no puedan ensamblarse posteriormente en sus sistemas de destino.
En la actualidad, para obtener un posicionado optimo de los distintos elementos y realizar posteriormente sobre ellos los correspondientes procesos union, se utiliza una amplia variedad de utiles con una serie de soportes de caracter fijo. Estos soportes estan estrategicamente ubicados de forma que el conjunto de sus posiciones en el espacio se adapta a las caracterfsticas geometricas y curvaturas de cada elemento a posicionar, proporcionando zonas de apoyo para el correcto posicionamiento y anclaje requerido para los elementos.
La principal desventaja del sistema descrito, y usado comunmente hasta la fecha, es que para cada geometrfa de los elementos a posicionar se requiere generalmente del uso de un util fijo, determinado y especffico, para cada una de los distintos tipos de geometrfas. Como consecuencia de ello, esta necesidad de disponer de una amplia variedad de utiles fijos, tantos como configuraciones distintas de elementos a posicionar, lleva asociada un gran empleo de recursos, entre los que destaca notablemente el coste y tiempo de fabrication de estos utiles, asf como el empleo de grandes cantidades de material y mano de obra especializada, sin olvidar los problemas relacionados con su posterior almacenamiento e identification. Ademas, estos utiles proporcionan, unicamente, un posicionado optimo para el elemento principal, de modo que no intervienen en la orientation de los elementos secundarios que se pretendan unir o ensamblar a dicho elemento principal.
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Se conoce la existencia de utiles modulares reconfigurables, como pueden ser la patentes con numeros de publicacion US 5546784 A, US 20080302500 A1 o la patente US 6250619 B1, que si bien es cierto aportarfan ligeras ventajas respecto al uso de los anteriormente mencionados utiles fijos, estos estan ideados y destinados principalmente para el posicionado de planchas metalicas con contornos irregulares, mediante la regulacion y control de multitud de actuadores lineales dispuestos sobre una matriz que ejerce como base. Quedarfan descartados, debido a su diseno y configuracion, para el posicionamiento de elementos de perfil cilfndrico y similares, los cuales, en muchos casos, poseen grandes longitudes. Esto conllevarfa el uso de matrices de elevadas dimensiones que dieran cabida a un gran numero de actuadores, lo que tambien dificultarfa su programacion y automatizacion de forma efectiva.
Asf mismo, existen sistemas flexibles y programables de posicionamiento de piezas irregulares entre los que destacan las Patentes de Invencion espanolas con numeros de solicitud 9100894 y 200001906.
Por un lado, la Patente Espanola n° 9100894 denominada “Maquina para el soporte y mecanizacion de piezas" esta caracterizada por una pluralidad de columnas dispuestas sobre unos modulos transversales. Cada columna cuenta con un soporte para la pieza a posicionar en su parte superior. Dicho soporte podra situarse en el espacio segun un sistema cartesiano de tres coordenadas mediante los movimientos efectuados por los modulos transversales (direccion segun eje X), las columnas (direccion segun eje Y), y el propio elemento sustentador (direccion segun Z). Infortunadamente, esta maquina tiene una serie de inconvenientes identificados y descritos en la tambien anteriormente citada Patente Espanola numero 200001906, en concreto estas limitaciones estan descritas en el apartado de su descripcion parrafo octavo y noveno de su descripcion. A las desventajas ya senaladas en dicha patente, hay que anadir que sus soportes, en forma de copa flexible o ventosa, sobre los cuales se aplica vacfo para sostener las piezas, no permiten el posicionamiento de elementos de perfil cilfndrico y similares. Ademas, el movimiento direccional de orientacion de estos soportes se realiza de manera pasiva. Es decir, dicho movimiento no esta gobernado activamente por el sistema, sino que este se realizara a merced de la presion direccional que aplique sobre el la correspondiente pieza a sustentar.
Finalmente, la Patente de Invencion Espanola n° 200001906 denominada “Sistema flexible y programable de posicionamiento relativo para soporte de piezas irregulares" como describe su resumen, esta caracterizada porque sobre un foso se han dispuesto, transversalmente, multiples vigas asociadas entre si por medio de actuadores, al tiempo que incorporan longitudinalmente una importante pluralidad de actuadores, cuyo vastago emerge por encima del puente, habiendose previsto que, longitudinalmente al foso y por encima de los puentes, sean situadas sendas placas, registradas convenientemente entre los actuadores para permitir el desplazamiento de los antedichos puentes. En cuanto a la anteriormente mencionada y descrita Patente de Invencion n° 200001906, esta solucion es descartable para el posicionamiento de elementos con perfil cilfndrico y similares, los cuales atesoran una gran variedad dimensional. Este sistema esta optimizado y disenado para el posicionamiento de piezas irregulares, con el fin de realizar operaciones de
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mecanizado sobre ellas, no permitiendo el posicionado y orientacion de elementos de perfil cilfndrico sobre los actuadores de dicho sistema.
Por otra parte, es relevante que en las soluciones de sistemas de posicionamiento variable conocidas hasta la fecha, los soportes podran efectuar sus desplazamientos segun unos ejes cartesianos. No hay constancia de que existan sistemas que, ademas de poder desplazar sus soportes en las tres direcciones principales de un sistema de coordenadas cartesiano, cuenten, ademas, con unos movimientos extra de giro e inclinacion de sus soportes, gobernados activamente por el sistema de control.
Por todo ello, se entiende que existe la necesidad de un sistema de gran versatilidad que ayude a posicionar, sostener y orientar de forma efectiva elementos de perfil cilfndrico y similares, como tubos y tuberfas, con el fin de solucionar los inconvenientes arriba indicados.
Explication de la invention
El sistema que la invencion propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problematica anteriormente expuesta en los diferentes aspectos comentados, ademas de presentar unas particularidades tecnicas que permiten su uso de forma universal. Mas en particular, realizaciones de la presente invencion proporcionan un sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, con diversas caracterfsticas geometricas, en diferentes posiciones angulares. Esto se consigue mediante multiples elementos sustentadores dotados de una configuracion movil, de forma que se desplazan y situan en el punto del espacio requerido, proporcionando zonas de apoyo en cualquier punto y direction del espacio para el elemento a posicionar. Dichos elementos sustentadores se desplazan hasta una position determinada en consonancia con la configuration particular de cada elemento a sustentar.
El objeto de invencion incorpora una pluralidad de modulos transversales, dispuestos sobre una estructura de soporte principal y que se deslizan mediante unos elementos de guiado longitudinales situados en cada uno de sus extremos, lo que les permite, mediante su correspondiente medio motriz, efectuar un movimiento independiente respecto una direccion "X".
Sobre estos modulos transversales, se dispone, al menos, una columna que puede efectuar un desplazamiento independiente a lo largo de los antedichos modulos respecto a una direccion "Y", perpendicular a la direccion de desplazamiento "X" descrita anteriormente. Este desplazamiento se efectua, al igual que el descrito anteriormente, mediante el correspondiente uso de un elemento de guiado y un medio motriz.
Asf mismo, las columnas cuentan a su vez con una serie de elementos sustentadores en su extremo, los cuales podran efectuar un desplazamiento independiente sobre dicha columna en una direccion "Z", dando asf origen a unos movimientos respecto a un sistema cartesiano de tres coordenadas. Al igual que los desplazamientos descritos anteriormente, este desplazamiento en una direccion "Z" se consigue mediante un medio motriz acompanado del correspondiente elemento de guiado.
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Pero la principal ventaja y versatilidad que aporta este sistema para el posicionamiento de elementos de perfil cilmdrico y similares, y que no permiten los antecedentes divulgados en el estado de la tecnica, es que el extremo de las columnas, que actuara como elemento sustentador de los elementos a posicionar, puede, a su vez, realizar un movimiento activo e independiente de giro, sobre su eje principal "Z", con un angulo "alfa". Asf mismo, podra tambien efectuar un movimiento activo e independiente de inclinacion respecto a dicho eje segun un angulo "beta". De esta forma, se consigue obtener una zona de apoyo en cualquier punto y direccion del espacio, siempre dentro de los propios Kmites establecidos por la propia arquitectura estructural del sistema. Estos dos movimientos independientes de rotacion e inclinacion, gobernados activamente por el sistema sobre sus elementos sustentadores, aportan una enorme ventaja sobre los medios conocidos hasta la fecha, ya que mediante la designacion de estas zonas de apoyo para el elemento a posicionar, no solo se puede obtener un posicionado optimo, sino tambien controlar su correcta orientacion en el espacio para los posteriores procesos de ensamblaje con elementos secundarios.
Asf mismo, cuando lo que se pretende es proporcionar un anclaje optimo y preciso para, posteriormente, realizar procesos de union o ensamblado entre el elemento principal posicionado y elementos secundarios, tambien es primordial la orientacion y posicion angular relativa entre estos. Para ello, el sistema cuenta con un medio de orientacion que se encarga de situar, en su correcta posicion angular, los elementos secundarios que van a ser ensamblados al principal, estando este ya posicionado y orientado en el sistema. Este control de posicionamiento relativo entre los distintos elementos que se pretenden ensamblar es de extremada utilidad, asegurando asf un resultado final con gran precision entre los distintos elementos, cumpliendo con los requerimientos de diseno especificados.
Otra ventaja respecto a los medios conocidos hasta la fecha, es que el software implementado en el sistema, ademas de realizar de forma automatizada todos los movimientos mediante el correspondiente medio programable, se encarga tambien de llevar a cabo una verificacion de colision entre los diferentes elementos moviles que lo componen, con el fin de evitar choques o colisiones entre ellos debido al proceso movil de posicionado. Dichas colisiones senan un gran problema que afectanan al optimo funcionamiento del sistema, asf como danar o averiar los distintos elementos que lo componen. Ademas, debido a la utilizacion de datos de realimentacion, el medio programable puede controlar el sistema de posicionado en todo momento, asf como efectuar de forma automatica las correcciones que fuesen necesarias. Todo esto permite que el uso del sistema por parte de un operario sea sencillo, e intuitivo, no requiriendo el empleo de mano de obra especializada.
Por otro lado, dado que el objeto de invencion esta destinado al posicionado y orientacion de elementos tridimensionales de perfil cilmdrico y similares, los cuales normalmente presentan una de sus dimensiones caractensticas (longitud) notablemente superior a las otras dos restantes, no es necesario un elevado numero de elementos sustentadores como sucede en otros sistemas de posicionamiento flexibles ya existentes, los cuales son usados para piezas de gran superficie. Esta significativa reduccion del numero de elementos sustentadores, respecto a los sistemas ya existentes, conlleva un notable ahorro tanto de
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costes como de complejidad. Tambien es de resenar que, gracias a la versatilidad del sistema, si se da una situacion en la que las caracterfsticas geometricas o el tamano de los elementos a posicionar son tales que no hace necesaria la intervencion de todos los elementos sustentadores de los que dispone el sistema, se usara el numero de elementos necesarios, anulando los que no intervienen, simplemente asignandoles que se desplacen hasta una posicion en el espacio en la que no interfieran en dicho proceso.
Con todo ello se consigue un sistema de posicionamiento y orientacion movil que, de una forma rapida, automatizada y con gran precision, proporciona zonas de apoyo en determinados puntos y direcciones del espacio, al mismo tiempo que se encarga de orientar los elementos secundarios, que se pretenden unir o ensamblar, respecto al principal, posicionado sobre los elementos sustentadores de dicho sistema.
Breve description de los dibujos
A continuation, para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de facilitar la comprension de las caracterfsticas de la invention, se acompana a la presente memoria descriptiva de una serie de dibujos en los que, con caracter meramente ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra una vista isometrica de la realization preferente de un sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, objeto de la invencion. Construida de acuerdo con las ensenanzas de la presente invencion.
La figura 2 muestra una vista isometrica de la realizacion preferente de la invencion, con un elemento posicionado y orientado sobre sus elementos sustentadores.
La figura 3 muestra una vista isometrica de un modo de realizacion alternativo de la invencion, en este caso, el medio de orientacion es un robot cartesiano dispuesto sobre una estructura secundaria, en lugar de un brazo robotico como en el modo anterior.
La figura 4 muestra una vista isometrica de las partes principales que compone uno de los elementos sustentadores del sistema sobre su correspondiente columna.
La figura 5 muestra una vista isometrica del elemento sustentador representado en la figura anterior, pero en este caso, con sus partes ya ensambladas y sin la correspondiente, columna con el fin de representar sus elementos internos. Asf mismo, esta figura muestra tambien un elemento de perfil cilfndrico posicionado sobre dicho elemento sustentador.
La figura 6 muestra una vista parcial isometrica del medio de orientacion del sistema, orientando un elemento secundario respecto a un otro ya posicionado sobre los elementos sustentadores.
Realizacion preferente de la invencion
Aunque la descripcion que sigue describira realizaciones del sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, los expertos en la tecnica
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reconoceran que tales realizaciones se proporcionan solo a modo de ejemplo y no a modo de limitacion.
En la realizacion preferente del sistema de posicionado objeto de la presente invencion, como se puede observar en las figuras referenciadas, comprende una estructura de soporte principal (1) que sirve como base para una pluralidad de modulos transversales (2) de configuracion movil. Los modulos mencionados disponen de, al menos, una columna (3) dotadas de un elemento sustentador (12) en su extremo superior previsto de una zona de apoyo (26) para los elementos a posicionar (7). Habiendose previsto que los modulos transversales (2), dispuestos sobre la estructura de soporte principal (1) del sistema, comprendan para su desplazamiento de los correspondientes elementos de guiado (21), situados en sus extremos, sobre los cuales desliza un patfn (24) que esta unido rfgidamente al modulo transversal (2) en su parte inferior. Ademas, para obtener una mayor precision en los desplazamientos de los modulos transversales (2), estos dispondran en ambos extremos de una rueda dentada (23) que engrana sobre una gufa plana dentada (22) durante su desplazamiento.
El medio motriz de dichos modulos se efectua mediante una serie de motores servo- controlados. Para ello, cada modulo transversal (2) consta de su propio motor de forma que le permite efectuar un movimiento respecto una direccion independiente segun un eje "X" (8). Por otro lado, las antedichas columnas podran desplazarse segun una direccion independiente segun un eje "Y" (9), perpendicular a la anterior. De esta forma, las columnas podran efectuar un desplazamiento segun unos ejes "X" e "Y", perpendiculares entre si, y que forman un plano paralelo al plano del suelo. Para el movimiento de las columnas (3) respecto los modulos transversales (2) se ha instalado un husillo (27) y un motor servo-controlado bajo el antedicho modulo (2).
Ademas de estos movimientos, cada columna (3) podra desplazar su elemento sustentador (12), a lo largo de una direccion independiente segun un eje "Z" (10). El elemento sustentador (12) puede efectuar tambien unos movimientos activos e independientes de inclinacion "alfa" (19) y de rotacion "beta" (20) respecto al antedicho eje "Z" (10). El movimiento de inclinacion se obtiene mediante el correspondiente eje (17), caja de engranajes (16) y motor servo-controlado (18), mientras que el de rotacion se consigue a traves del correspondiente eje (17), sobre el que pivota el elemento sustentador (12), y un motor servo-controlado (18).
Asf mismo, sobre dichos elementos sustentadores (12) pueden ser acoplados una serie de cabezales intercambiables (11) que estan ideados de forma que se adapten, al diametro del elemento a posicionar (7), manteniendo asf el sistema de referencia en el mismo punto, por lo que el diametro del elemento a posicionar (7) no tiene relevancia para el calculo matematico de la cinematica inversa para obtener la disposicion de los distintos elementos del sistema. De esta forma, se pueden llevar a cabo los procesos requeridos entre elementos de muy diversos diametros. Simplemente, el operario debe cambiar manualmente el cabezal del elemento sustentador (11) por uno adecuado a dicho
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diametro, este intercambio entre los distintos cabezales (11) es una operacion extremadamente rapida gracias a que estos se ensamblan sobre un riel (13) debidamente emplazado. Cada extremo intercambiable (11) cuenta, a su vez, con una pestana de fijacion
(14) en su parte superior, unido a este mediante el correspondiente elemento de fijacion
(15) , el cual ayuda a que el posicionamiento entre el cabezal del elemento sustentador (11) y el elemento a posicionar (7) sea mas efectivo, firme y seguro.
Ademas, el sistema cuenta con un medio de orientacion (4) que, en este caso, se trata de un brazo robotico, el cual proporciona grandes ventajas a la hora, tanto de posicionar, como de orientar de forma correcta los elementos a posicionar (7). Este se encuentra rfgidamente unido, a traves de los correspondientes tornillos (25), a la estructura de soporte principal (1) en una posicion conocida, lo que permite referenciarlo al sistema de coordenadas principal. Dicho medio de orientacion (4) consta en su extremo de un accesorio (31) sobre el que se acopla una espiga (30), la cual esta ideada para facilitar el posicionamiento relativo de los elementos secundarios (29) sobre el extremo del elemento posicionado (7), asf como para determinar la posicion angular relativa que estos deben adoptar respecto el elemento principal (7).
Como alternativa, en la Fig 3, se puede ver otro modo de realizacion de la invencion, a diferencia del modo de realizacion anterior, en el cual el medio de orientacion (4) es un brazo robotico que opera segun multiples ejes, en este caso, el medio de orientacion es un robot cartesiano, el cual queda dispuesto sobre una columna (3) que a su vez se encuentra sobre un modulo transversal (2). Dicho modulo transversal (2) queda dispuesto sobre una estructura secundaria (28) del sistema, de forma que el antedicho robot cartesiano se puede desplazar en el espacio segun un sistema cartesiano de tres ejes, mediante la misma implementacion usada para el desplazamiento de los elementos sustentadores (12) y ya descrito anteriormente en el presente documento.
El posicionamiento especffico en el espacio que deben adoptar los distintos elementos sustentadores (12) y el medio de orientacion (4) se encuentra programado con anterioridad, mediante el software implementado en el medio programable (5) del sistema. De forma que todos los movimientos del sistema pueden ser comandados de modo automatico desde un pupitre de mando (6) por parte de un operario, el cual tendra en todo momento un control absoluto del proceso. Ademas, el mencionado software implementado efectua un control de colision sobre los elementos moviles del sistema con el fin de evitar colisiones o choques entre ellos o con la propia estructura de soporte principal, durante su proceso de posicionado. Este control de colision se realiza automaticamente mediante la verificacion matematica de rangos maximos y mfnimos de desplazamientos, los cuales vienen limitados por la propia arquitectura estructural del sistema.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invencion, asf como su aplicacion industrial, y siendo su descripcion un ejemplo no limitativo, se hace constar a los efectos oportunos que pueden introducirse cambios o modificaciones en los detalles que la componen, en relacion a la seleccion tanto de la ingenierfa como del software empleado,
siempre y cuando ello no suponga una alteracion de las caracterfsticas y alcance de la invencion segun lo definido en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (9)
- 510152025303540Reivindicaciones1. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, que comprende: una pluralidad de elementos sustentadores (12) que se desplazan segun un sistema cartesiano de tres ejes, hasta una posicion en el espacio en la que proporcionen una zona de apoyo (26) para el elemento a sustentar (7); unos medios motrices (18) los cuales se encargan del movimiento de los distintos elementos moviles que componen el sistema; un medio de orientacion (4) que determina el exacto posicionamiento relativo entre los distintos elementos a unir para conseguir un preciso ensamblado entre los mismos; un medio programable (5) que automatiza y gobierna tanto los antedichos elementos moviles como sus correspondientes desplazamientos, caracterizado porque, ademas del desplazamiento anteriormente descrito, los elementos sustentadores (12) pueden, a su vez, realizar un movimiento activo e independiente de rotacion (20) sobre su eje principal y un movimiento activo e independiente de inclinacion (19), respecto a dicho eje, ambos gobernados por el sistema, proporcionando asf zonas de apoyo (26) en cualquier punto y direccion del espacio para el elemento a sustentar (7).
- 2. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 1, caracterizado porque los elementos sustentadores (12) dispondran de cabezales intercambiables (11) los cuales se adaptan a las caracterfsticas geometricas del elemento a posicionar (7) de forma que mantienen su eje principal inmutable independientemente de su diametro.
- 3. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 1, caracterizado porque el medio de orientacion (4) es un brazo robotico poliarticulado, el cual puede operar segun multiples ejes.
- 4. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 1, caracterizado porque el medio de orientacion (4) es un robot cartesiano, el cual esta dispuesto sobre una estructura de soporte secundaria (28).
- 5. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 3 y 4, caracterizado porque el medio de orientacion (4) cuenta en su extremo con un accesorio (31) que comprende una espiga (30), la cual esta destinada a orientar en una posicion angular relativa los elementos secundarios (29) respecto al principal (7).
- 6. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 1, caracterizado porque los medios motrices (18) de los elementos moviles del sistema son motores servo-controlados.
- 7. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilfndrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 1, caracterizado porque el medio programable (5) almacena los datos correspondientes a la posicion y orientacion10que debe adoptar en el espacio cada elemento sustentador (12), con referenda a las caractensticas geometricas del elemento a sustentar (7).
- 8. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilmdrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 7, caracterizado porque el mencionado medio programable (5) lleva a cabo un control de colision sobre los elementos moviles del sistema con el fin de evitar colisiones entre ellos, asf como con la propia estructura de soporte principal (1) y la estructura de soporte secundaria (28).
- 9. Sistema para el posicionado y orientacion de elementos con perfil cilmdrico y similares, de conformidad con la reivindicacion 1, caracterizado porque al menos uno de los elementos sustentadores (12) puede encontrarse dispuesto sobre la estructura de soporte principal (1).
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