ES2677883T3

ES2677883T3 - Metrología de alta velocidad con máquinas numéricamente controladas

Info

Publication number: ES2677883T3
Application number: ES13861392.2T
Authority: ES
Inventors: Michael Garvey; James D. Osterloh; Fred PERSI
Original assignee: Grale Technologies Inc
Current assignee: Grale Technologies Inc
Priority date: 2012-12-08
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2018-08-07
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: US9528826B2; EP2929287B1; US10295341B2; WO2014089395A3; US20140157610A1; WO2014089395A2; US20170328708A1; WO2014089395A4; EP2929287A2; EP2929287A4; US9222769B2; US20160069677A1

Abstract

Un sistema que comprende: un dispositivo de metrología (202) unido a un brazo de herramienta operativa (108) y configurado para medición, para un ciclo de movimiento del brazo de herramienta operativa (108) a lo largo de un recorrido programado, valores de metrología para una pieza de trabajo (116) asociada con una máquina de fabricación (100) que comprende el brazo de herramienta operativa (108); un codificador (208) configurado para convertir los valores de la metrología en valores de metrología codificados que comprenden un formato compatible con la máquina de fabricación (100); y un componente de ordenador (212) configurado para registrar los valores de metrología codificados en asociación con los valores de coordenadas generados por la máquina de fabricación (100) durante el ciclo de movimiento, donde los valores de coordenadas representan las posiciones u orientaciones respectivas del brazo de la herramienta operativa (108) con el tiempo para el ciclo de movimiento, en donde el codificador (208) está configurado además para generar una señal de índice que se incrementa periódicamente en una primera frecuencia, en donde la primera frecuencia es más alta que una segunda frecuencia en la que se registran los valores de metrología codificados.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Metrolog^a de alta velocidad con maquinas numericamente controladas Descripcion

CAMPO

[0001] La presente divulgacion se refiere a la sincronizacion, registro y postprocesamiento de lecturas de instrumentos de metrolog^a con la posicion y orientacion de equipos de produccion de precision tales como: molinos y tornos controlados numericamente por ordenador (CNC), rectificadoras, maquinas de pulir, robots, equipo de fabricacion aditiva (una lista parcial de equipos de produccion de precision). Mas en particular, como ejemplo, la descripcion describe la sincronizacion de instrumentos de metrologfa dimensional sin contacto con equipos de produccion de precision con el fin de caracterizar la forma y las caractensticas de una pieza de trabajo mientras que se carga en el espacio de trabajo de equipos de produccion de precision.

ANTECEDENTES

[0002] Una maquina controlada numericamente por ordenador (CNC) es capaz de fabricar una pieza de trabajo o producto a dentro de 2 micrometros (10-4 pulgadas) de especificaciones de diseno bajo condiciones casi ideales. Algunos equipos de produccion de precision pueden lograr tolerancias dimensionales aun mas estrictas. Sin embargo, es diffcil producir herramientas mecanicas CNC que sean capaces de mediciones de alta fidelidad de dicha pieza de trabajo con una precision absoluta del orden de micrometros (10-4 pulgadas). Ademas, el mecanizado y la medicion se realizan generalmente en operaciones separadas con equipos especializados dedicados a cada operacion.

[0003] Las maquinas modernas CNC suelen utilizar un dibujo o modelo digital desde el que se crea un perfil para el producto e/o instrucciones. Las instrucciones o el perfil se utilizan para controlar el funcionamiento de la maquina CNC. Un programador u operador puede participar para disenar un proceso de fabricacion a partir del dibujo o modelo. Un programa de control numerico se crea manual o automaticamente a traves de un dispositivo de programacion automatizado. Un operador ingresa o selecciona un programa de control numerico apropiado y establece manualmente un material de inicio para la pieza de trabajo en la maquina CNC. Alternativamente, el material de partida se coloca automaticamente en el mismo.

[0004] Posteriormente, la maquina CNC crea un producto siguiendo el conjunto de instrucciones. La maquina CNC corta, tritura, taladra y da forma a una pieza de trabajo a partir del material de partida.

[0005] Antes de comenzar el procesamiento o fabricacion, la configuracion requiere muchos pasos, incluyendo el establecimiento de un sistema de coordenadas de pieza de trabajo antes del mecanizado y el establecimiento de la condicion maxima del material de tal manera que el primer paso de mecanizado para cada caractenstica elimina el material mmimo (y asegura que cada herramienta no choca en la pieza de trabajo). Tal configuracion puede ser tediosa y consumir mucho tiempo para piezas geometricamente complejas grandes, como piezas fundidas y soldaduras.

[0006] Ademas, justo despues de que el producto o pieza de trabajo es creada, no se sabe si la pieza de trabajo en particular coincide en todos los aspectos con el dibujo o el modelo digital. Convencionalmente, una forma de determinar las dimensiones, forma y tamano de una pieza de trabajo terminada es utilizar una sonda tactil y tener una maquina de medicion de coordenadas (MMC) o una maquina CNC que utilice la sonda tactil para contactar y pausar (detener todos los movimientos de la maquina) en puntos discretos de cada caractenstica de pieza de trabajo de interes.

[0007] El metodo de medicion de tecnologfa de sondas de contacto comun implica rutinariamente cuatro fases distintas para cada punto discreto. Durante la primera fase, la sonda se maniobra a lo largo de un camino seguro hacia un punto en el espacio que se encuentra a lo largo de un vector normal desde la caractenstica de superficie de interes. La segunda fase implica maniobrar la sonda a lo largo del vector normal hasta que la sonda detecta el contacto (el mecanismo de deteccion de contacto interno al cuerpo de la sonda puede ser un conjunto de contactos, medidor(es) de tension u opticamente). Despues de detectar el contacto, el movimiento de la maquina se detiene; esta pausa en una posicion unica permite la captura precisa de todas las variables espaciales de la maquina y la sonda. A continuacion, se aplica un desplazamiento a estas variables espaciales para compensar el diametro de la punta de la sonda y el vector de aproximacion, calculando asf un punto discreto en el espacio correspondiente a la caractenstica de interes. Las coordenadas de este punto se almacenan en la memoria. La cuarta fase generalmente implica un retroceso a lo largo del vector normal original a un punto seguro para comenzar la primera fase de la siguiente medicion del punto de la sonda.

[0008] Tal procedimiento esta lleno de inconvenientes. Por ejemplo, tomar tales medidas sobre la superficie de la mayona de las formas y piezas de trabajo lleva mucho tiempo. Ademas, la aguja del lapiz tactil al final de la sonda tactil limita inherentemente el tamano mmimo de caractenstica que es capaz de la realimentacion tactil, ciertamente comparado con otros medios de medicion (por ejemplo, sensores laser, sensores opticos). Solo un numero limitado

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

de mediciones es posible reaKsticamente con mediciones tactiles discretas segun lo determinado por el presupuesto de tiempo para la inspeccion y el tiempo promedio entre las operaciones de palpacion tactil. Cuando la practica comun de la verificacion de piezas se lleva a cabo en un instrumento dedicado, como una MMC, separado del equipo de produccion, como un centro de fresado CNC, el sistema de coordenadas de la pieza debe establecerse en cada operacion. La variabilidad involucrada con el establecimiento del sistema de coordenadas de la pieza varias veces en maquinas multiples crea una fuente de error siempre y cuando el mismo componente requiera una revision en el equipo de produccion. Cuando se requiere volver a trabajar, los requisitos de precision de la configuracion posterior en el equipo de produccion aumentan significativamente y pueden requerir aun mas cuidado y tiempo para lograr el sistema de coordenadas de piezas y la condicion maxima del material. La solicitud de patente estadounidense US20100153058 describe una combinacion de un dispositivo de metrologfa, una maquina cNc y un codificador entre ellos. El sensor de metrologfa entrega datos de pieza de trabajo para un ciclo de movimiento de un brazo operativo de la maquina CNC. Los datos de metrologfa estan sincronizados con las posiciones del brazo operativo. Las solicitudes de patente europea EP 1288754 divulgan un sensor de metrologfa que entrega datos para un ciclo de movimiento de un brazo de robot (herramienta CNC) y asociar los datos de metrologfa con los datos de posicion de la herramienta CNC.

[0009] Algunos cientificos e ingenieros han intentado medios tactiles continuos y no tactiles de la realizacion de mediciones de piezas de trabajo en el equipo de produccion. Como se menciono anteriormente, el estado de la tecnica comun para la medicion en equipos de produccion implica reunir puntos discretos, requiriendo cada punto del orden de un segundo, en muchos casos tanto como dos segundos por punto.

[0010] La industria ha deseado durante mucho tiempo herramientas de medicion casi continuas con tasas de miles de puntos por segundo que no requieren que el equipo de produccion se bloquee ffsicamente en cada punto. Sin embargo, la sincronizacion de tales medidas con las posiciones y movimientos de los equipos de produccion de precision, como una maquina CNC, ha sido problematica. La mayona de los instrumentos de metrologfa procesan su senal de entrada y, por lo tanto, imponen un ligero retraso temporal al informar sus mediciones. El retraso temporal del instrumento de metrologfa puede ser del orden de 400 microsegundos. Este retraso de tiempo del instrumento no es un problema cuando el instrumento se utiliza para tomar puntos discretos con el metodo descrito anteriormente. Sin embargo, la demora es un problema al intentar caracterizar una pieza de trabajo con una exploracion continua que no se detiene momentaneamente en el espacio para registrar sus lecturas.

[0011] La FIG. 1 muestra un esquema bidimensional de una maquina CNC de acuerdo con un uso convencional. Con referencia a la FIG. 1, una fresadora 100 incluye un cabezal 102 desde el cual la fresadora 100 controla un husillo 106 y un brazo de funcionamiento 108. Unido al brazo de funcionamiento 108 hay un cabezal de herramienta 110 y una sonda de contacto 112. El brazo de funcionamiento 108 pone en contacto con una pieza de trabajo 116 el extremo 114 de la sonda de contacto 112. La fresadora 100 conoce la ubicacion del extremo 114 de la sonda de contacto y registra un conjunto de valores de posicion cuando la sonda de contacto 112 detecta una resistencia mecanica. La pieza de trabajo 116 se sujeta o se fija de otro modo en un lecho movil 118. Las posiciones de las diversas partes de la fresadora 100 (por ejemplo, el brazo de funcionamiento 108, el lecho 118) se controlan y registran. El lecho 118 descansa sobre un marco ngido 120, y la columna 122 aloja varios componentes mecanicos, electricos y basados en computadora. La fresadora 100 puede ser, por ejemplo, una maquina CNC de cinco ejes donde los ejes incluyen: un eje x, un eje y, un eje z a traves del cual se puede hacer funcionar el brazo 108 y el cabezal de herramienta 110; y dos ejes de rotacion (por ejemplo, eje a, y eje b) a lo largo de los cuales la pieza de trabajo 116 se puede girar o mover. Comunmente, la sonda de contacto 112 se retira durante las operaciones de corte y se instala directamente en el husillo 106 durante las operaciones de medicion sin requerir el brazo de funcionamiento 108.

[0012] Tal como se conoce en la tecnica, y con referencia a la FIG. 1, las medidas relacionadas con la posicion del extremo 114 de la sonda tactil 112 se toman mientras que el equipo de produccion esta en pausa y la sonda de contacto se acopla con la pieza de trabajo. Para formas complejas, es excesivamente lento obtener un conjunto de mediciones suficientemente preciso a partir de las cuales construir un modelo de la pieza de trabajo 116 particular en la fresadora 100. Si bien esta practica es adecuada para establecer sistemas de coordenadas de piezas de trabajo, es deficiente en la caracterizacion del estado del material maximo de soldaduras complejas y fundiciones, o verificacion de las caractensticas de la pieza de trabajo. Debido a la escasa caracterizacion de la condicion maxima del material, las instrucciones de operacion comienzan en el espacio libre y se aproximan a la pieza de trabajo de una manera aparentemente tfmida o cautelosa para evitar un choque en la pieza de trabajo 116. Una vez que el proceso de mecanizacion esta completo, la sonda se puede usar para reunir algunos puntos asociados con cada caractenstica clave antes de retirar esta pieza de trabajo 116 y cargar la siguiente. Por lo tanto, los usos convencionales incluyen el control puntual de algunos tamanos de clave o ubicaciones de una pieza de trabajo 116 antes de colocar un nuevo bloque de partida o de inicio en la fresadora 100. Algunos ingenieros y operadores han intentado crear un continuo o casi continuo (cientos o miles de puntos por segundo) sistema de medicion basado en la maquina de produccion reemplazando la sonda tactil 112 con sensores electronicos (no mostrados). Sin embargo, siguen existiendo deficiencias sustanciales de mover repetidamente el brazo de operacion 108 a una nueva ubicacion y tomar una sola medicion con el sensor (no mostrado), y hacer una sola grabacion de la posicion del sensor relacionada con la pieza de trabajo 116 y luego sincronizar estas dos medidas de manera que en el dominio ffsico esten mecanicamente alineadas con al menos la precision y repetibilidad de posicion declarada del fabricante

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

del equipo de produccion.

RESUMEN

[0013] La invencion proporciona un sistema de acuerdo con la reivindicacion 1 y un aparato segun la reivindicacion 10.

[0014] Las realizaciones y tecnicas descritas en este documento incluyen sistemas, aparatos y metodos mejorados para llevar a cabo la configuracion y verificacion automatizadas del fresado y otros tipos de equipos de produccion de precision tales como maquinas de control numerico por computadora (CNC). En general, las mediciones de un dispositivo de metrologfa se convierten a un formato legible por maquina CNC (p. ej., codificador de cuadratura incremental, codificador sinusoidal, formatos de codificador absolutos). La herramienta mecanica registra estos valores de forma sincronica con todos los ejes de la herramienta mecanica. Luego, estos valores se escriben en un archivo, se procesan posteriormente y se comparan con un modelo CAD. Las correcciones pueden realizarse al proporcionar un desplazamiento espacial de los datos de metrologfa grabados para compensar el retraso temporal inherente del instrumento de metrologfa o la aplicacion de compensaciones de herramienta de maquina entre el dato del equipo de produccion y la ubicacion del instrumento de metrologfa durante el escaneo. Los datos se pueden almacenar para cada pieza serializada y se pueden usar para las comparaciones del ciclo de produccion y del ciclo de vida.

[0015] En un ejemplo de implementacion particular, las mediciones primas de salidas del dispositivo de medicion de distancia, y estas mediciones se convierten rapidamente (imponiendo otro retraso temporal) en uno de varios formatos que son consistentes o compatibles con un formato de datos de una maquina CNC. Las mediciones de distancia basadas en laser y las mediciones de ubicacion y orientacion de maquinas CNC se registran de forma smcrona. A medida que el dispositivo de medicion laser se desplaza por la superficie de la pieza de trabajo, el resultado es un conjunto de datos de medicion sustancialmente completo para una pieza de trabajo. Las mediciones de metrologfa tienen un vector de desplazamiento espacial directamente proporcional al retardo temporal del instrumento de metrologfa (mas el retardo temporal del convertidor de senal) y la velocidad de escaneo y direccion de la maquina CNC en el momento preciso de la grabacion sincronizada. Este retraso espacial se calcula y corrige durante el procesamiento posterior de los datos de metrologfa recodificados. Se puede construir una representacion real de una pieza de trabajo y compararla con un modelo, perfil o diseno para la pieza de trabajo particular. Esta tecnica puede extenderse trivialmente a cualquier tipo de sensor de medicion de alta velocidad que genere valores escalares.

[0016] Se requiere post-procesamiento adicional cuando el instrumento de metrologfa da salida a los datos no escalares tal como los datos dos o tres dimensionales a partir de un instrumento de ultrasonido o los datos de multiples parametros de un analizador de aleacion XRF. Se utiliza una senal de indexacion escalar modulada para sincronizar estos instrumentos de metrologfa mas complejos con los movimientos de los equipos de produccion de precision. La senal escalar separada es creada y grabada simultaneamente por el equipo de produccion y un registrador de datos separado. El registrador de datos separado registra los valores escalares modulados y los datos de metrologfa multidimensionales. Tras el procesamiento posterior, se considera el retraso temporal como se discutio anteriormente para los instrumentos escalares unidimensionales. A continuacion, la base de datos de datos de metrologfa indizados y multidimensionales se ensambla con los datos espaciales desplazados de la maquina de produccion utilizando los valores de mdice registrados para ubicar con precision cada lectura de metrologfa multidimensional.

[0017] Cabe destacar que en la realizacion preferida de la invencion-los datos espaciales de la maquina de produccion se desplazan (se interpolan) en lugar de los datos de metrologfa. Dado que la maquina de produccion tiene inercia, solo puede moverse de un punto a otro de una manera incrementalmente suave. Este movimiento suave y, por lo tanto, los datos espaciales suaves (sin discontinuidades) proporcionan la base para la interpolacion del sonido entre los puntos. Si, por otro lado, los datos de metrologfa se interpolan para ajustarse exactamente a los datos espaciales de la maquina de produccion, se necesitana interpolar entre un conjunto de puntos de datos que pueden tener discontinuidades agudas y por lo tanto no satisfacen las suposiciones basicas requeridas para la interpolacion. Tales discontinuidades en los datos dimensionales ocurren en los bordes de las caractensticas, tales como bolsillos, orificios, esquinas de la pieza de trabajo, etc. Las discontinuidades en los datos de sonido se asocian con inclusiones, espacios vados e interfaces de funciones en la cara opuesta de la pieza de trabajo. Las discontinuidades en los datos de corriente parasita ocurren en las grietas de la superficie y otros cambios superficiales y cercanos a la superficie en la impedancia electrica local. Discontinuidades en los datos XRF pueden ocurrir en los lfmites de la soldadura, areas de agotamiento/aumento de la aleacion asociadas con el tratamiento termico, la soldadura o la corrosion en el servicio, como el ataque intergranular.

[0018] Un resultado consiste en activar o acelerar la configuracion automatizada, que puede incluir el establecimiento de un sistema de coordenadas de pieza de trabajo y su condicion de material maximo detallada antes de inicializar la operacion de produccion. Otro resultado es una verificacion de alta precision de una pieza de trabajo despues o entre los pasos de produccion. Las mediciones se proporcionan a la maquina antes de romper la configuracion. Dichas mediciones permiten el control de bucle cerrado del equipo de produccion de precision sin

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

romper la configuracion y restablecer el sistema de coordenadas de la pieza. Dicha verificacion in situ permite un control de calidad dimensional serializado sustancialmente completo de cada pieza de trabajo. Las tolerancias de produccion estan garantizadas y mejoradas continuamente. Las piezas de trabajo se producen y verifican para que coincidan con las dimensiones del conjunto de diseno dentro de tolerancias estrechas. La combinacion multiple de componentes se puede realizar en base a datos de control de calidad serializados que producen conjuntos con tolerancias de apilamiento mas ajustadas. La deriva de la maquina puede caracterizarse y corregirse durante los ciclos de produccion diaria, semanal y mensual.

Otro resultado mas consiste en permitir la caracterizacion tridimensional de la superficie, la superficie inferior y el cuerpo entero de una pieza de trabajo que utiliza el equipo de produccion para articular los instrumentos asociados sobre la superficie de la pieza de trabajo. El conjunto derivado de datos de metrologfa orientados espacialmente se puede usar para calificar una pieza de trabajo para trabajo de produccion posterior, o, en ultima instancia, para calificar o rechazarla para el servicio de campo. Cuando una pieza serializada regresa del servicio de campo y se considera su reparacion y reutilizacion, el conjunto de datos de metrologfa serializados original se puede comparar con un conjunto de datos post-servicio derivados para medir de forma precisa el desgaste, la corrosion y la distorsion de una pieza de trabajo, cambio en la composicion de la aleacion, crecimiento de fallas superficiales y subsuperficiales como grietas, vados e inclusiones.

[0019] Durante el funcionamiento de una maquina CNC, los ajustes automatizados se pueden hacer, y el control dimensional de bucle cerrado esta habilitado. Consecuentemente, se proporciona retroalimentacion a la maquina CNC en funcion de la forma de la pieza de trabajo mecanizada real sin romper la configuracion y requiriendo el restablecimiento del sistema de coordenadas de pieza. Las tecnicas anteriores se han limitado a proporcionar retroalimentacion basada unicamente en un pequeno numero de mediciones relacionadas con la ubicacion y los desplazamientos de la herramienta mecanica.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

[0020] Si bien las reivindicaciones adjuntas establecieron las distintas prestaciones de la presente invencion con particularidad, la invencion, junto con sus objetos y ventajas, se apreciaran mas facilmente a partir de la siguiente descripcion detallada, tomada en conjuncion con los dibujos adjuntos. De principio a fin, los numeros semejantes se refieren a partes similares con el primer dfgito de cada numeral que generalmente se refiere a la figura que primero ilustra la parte en particular.

FIG. 1 muestra un esquema bidimensional de una maquina CNC de acuerdo con un uso convencional.

FIG. 2 muestra un esquema bidimensional de una maquina CNC de acuerdo con una implementacion de la invencion.

FIG. 3 muestra un diagrama de flujo de una vision general de las mediciones de distancia de coordinacion con una maquina CNC de acuerdo con una implementacion de la invencion.

FIG. 4 muestra una tabla que ilustra un esquema de calculo a modo de ejemplo y un conjunto ejemplar de valores de un sensor de distancia de acuerdo con una implementacion de la invencion.

FIG. 5 muestra una tabla de un resultado de un ejemplo de calculo y registro de valores de una maquina y valores convertidos de acuerdo con una implementacion de la invencion que utiliza un algoritmo opcional de paso bajo.

FIG. 6 ilustra pasos para implementar una realizacion de la invencion.

FIG. 7 muestra una representacion de un canal con rebaba formado en un material (pieza de trabajo) por una maquina de fresado.

FIG. 8 muestra un conjunto ejemplar de posiciones a partir de las cuales se toman medidas del material (pieza de trabajo) mostrado en la FIG. 7 de acuerdo con una implementacion de la invencion.

FIG. 9 muestra una vista en primer plano de una parte del canal con rebabas mostrado en la FIG. 7 y FIG. 8.

FIG. 10 muestra un grafico de un conjunto de mediciones con respecto a una seccion transversal del canal rebajado mostrado en las FIGS. 7-9 de acuerdo con una implementacion de la invencion.

FIG. 11 muestra un grafico de dos conjuntos de medidas de una porcion del canal con rebabas mostrado en la FIG. 7.

FIG. 12 muestra un dispositivo de hardware ejemplar que se puede usar para implementar uno o mas de los componentes o dispositivos descritos en este documento.

DESCRIPCION DETALLADA

[0021] Informacion general. Los equipos de produccion de precision y las maquinas de medicion se han utilizado durante muchos anos para fabricar piezas de trabajo bidimensionales y tridimensionales a partir de piezas en bruto o bloques de una materia prima. El material se elimina poco a poco hasta que queda la pieza de trabajo final. Las fresadoras vienen en una variedad de tamanos. Las maquinas de fresado pueden mover un husillo, brazo o herramienta con relacion a la pieza de trabajo, o pueden mover la pieza de trabajo con relacion al eje, brazo o herramienta. A menudo, la herramienta de fresado es una fresa de corte giratorio, que corta los lados y la punta de la herramienta. Mientras que algunas fresadoras son operadas manualmente, la mayona de las fresadoras modernizadas estan controladas por computadora. Tal control a menudo se conoce como controlado numericamente por computadora (CNC). Si bien aqrn se puede hacer referencia a una maquina CNC, dicha maquina referenciada

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

no se limita a las maquinas fresadoras, sino que se refiere en general a todos los equipos de produccion de precision.

[0022] Una pieza de trabajo a menudo se crea a partir de un modelo o diseno digital. Un operador, programador o programa de computadora automatizado convierte el diseno digital en una serie de comandos para controlar la fresadora. La maquina CNC controla con precision el movimiento de la pieza de trabajo y la herramienta. A menudo, las maquinas CNC de precision miden su posicion dentro de 0,00001 pulgadas (0,25 pm) mientras que se monitorea la trayectoria real de la herramienta en comparacion con la trayectoria programada.

[0023] Una vez que la pieza de trabajo se ha completado, es util medir la pieza de trabajo para ver como la pieza de trabajo real coincide con el diseno asistido por ordenador digital o la pieza de trabajo.

[0024] Anteriormente, las mediciones de control de calidad y de retroalimentacion se tomaron una tras otra por una sonda de medicion como se describe en relacion con la FIG. 1, o incluso mas comunmente se eliminaron del equipo de produccion sin ninguna inspeccion antes de la configuracion de corte. Antes de lanzar una pieza de trabajo terminada 116, la fresadora 100 puede cambiar herramientas seleccionando una sonda de contacto 112. La sonda de contacto se usana entonces para tocar una ubicacion discreta en la pieza de trabajo 116. El contacto podna repetirse como se desee antes de cambiar herramientas. Se podna hacer una comparacion entre una medicion real de la pieza de trabajo 116 y una prediccion correspondiente del diseno de la pieza de trabajo. Si la medicion (por ejemplo, distancia) esta desactivada en una cantidad excesiva, entonces se podna hacer un ajuste. La pieza de trabajo podna fresarse mas o podna rechazarse si las medidas de la pieza no estan dentro de las tolerancias. Mientras que algunos maquinistas han intentado reemplazar la sonda tactil 112 con un dispositivo de medicion de alta velocidad, el uso de la misma tecnica anterior (hacer mediciones de uno en uno) no es adecuado porque la mayona de las operaciones de fabricacion no pueden tomar mas que unas pocas mediciones antes de que otra pieza de trabajo 116 debe ser iniciada y creada de modo que pueda fabricarse un numero suficiente de piezas de trabajo dentro de una cantidad de tiempo dada.

[0025] Detector. La presente invencion emplea una tecnica diferente para capturar medidas de una pieza de trabajo 116. La FIG. 2 muestra un esquema bidimensional de una maquina CNC 200 de acuerdo con una implementacion de la invencion. Con referencia a la FIG. 2, una maquina CNC 200 incluye un cabezal 102 desde el cual la maquina CNC 200 controla un husillo 106 y/o un brazo de operacion 108. La referencia en esta descripcion se hace a un brazo de operacion 108, pero puede aplicarse igualmente al husillo 106 o una herramienta o dispositivo de medicion unido al husillo 106. Unido al brazo de operacion 108 hay un dispositivo electronico de medicion 202. El dispositivo de medicion electronica 202 emite una senal 204 (por ejemplo, laser, senal de ultrasonido) y mide una senal de retorno 206. La posicion del dispositivo 202 de medicion electronica se ajusta y coordina con una posicion y/u orientacion conocidas del brazo 108 de operacion. En consecuencia, la maquina 200 de CNC puede rastrear la ubicacion o posicion del brazo 108 de operacion y por lo tanto, la ubicacion o posicion del dispositivo de medicion electronica 202 como el brazo de funcionamiento 108 se mueve alrededor de la pieza de trabajo 116. En una implementacion, la maquina de CNC 200 registra mediante un componente de computadora 212 valores asociados con el brazo operativo 108. Sin embargo, la maquina CNC 200 no sincroniza ni espera directamente una unica medicion desde el dispositivo de medicion electronica 202 en cada uno de un conjunto de ubicaciones discretas alrededor de la pieza de trabajo 116. En cambio, el dispositivo de medicion electronica 202 registra, envfa o registra y envfa mediciones a un convertidor o codificador 208 cuando el brazo de funcionamiento 108 se mueve alrededor de la pieza de trabajo 116. El dispositivo electronico 202 puede estar conectado por un cable 222 al codificador 208, o puede comunicarse inalambricamente con el codificador 208. Alternativamente, el codificador 208 puede incorporarse en el dispositivo de medicion electronica 202, el componente de ordenador 212, o una combinacion del codificador 208 y el componente de ordenador 212. Mientras que la maquina de CNC 200 opera, el codificador 208 envfa datos (por ejemplo, valores, numeros, distancias, posiciones, medidas, senal de mdice modulada) derivados del dispositivo de medicion electronica 202 a traves de un cable 210 o transmision inalambrica al mismo u otro componente de ordenador 212 de la maquina CNC 200.

[0026] El codificador 208 acepta mediciones desde el dispositivo de medicion electronica 202 de uno en uno. En realizaciones alternativas, el codificador 208 acepta medidas en lotes desde el dispositivo de medicion electronica 202. Las mediciones pueden ser en bruto o convertidas por el dispositivo de medicion electronica 202. Con referencia a la FIG. 2, el sensor o dispositivo 202 de medicion electronica genera valores, preferiblemente a una velocidad sustancial (por ejemplo, del orden de cientos, miles o mas veces por segundo). Estas lecturas de sensor pueden tener cualquier formato, pero generalmente estan en un formato binario, dependiendo del dispositivo de medicion particular. Como se explica con mas detalle en este documento, el codificador 208 recibe o detecta las lecturas o mediciones del sensor. En una implementacion preferida, el codificador 208 convierte los valores de medicion en valores incrementales seguidos de una rafaga de valores de cuadratura incremental u otro formato que sea consistente o compatible con el formato de datos del equipo de produccion de precision que se esta utilizando (tal como una maquina CNC) y consistentes con valores posicionales del brazo de operacion 108 o husillo 106 de cualquier maquina CNC 200 particular.

[0027] El codificador 208 convierte los valores de medicion uno tras otro. La maquina CNC 200 esta programada para registrar las coordenadas del brazo operativo 108 junto con el valor smcrono del registro de datos utilizado para

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

integrar las rafagas de valores incrementales del codificador desde el codificador 208.

[0028] En resumen, en la aplicacion de ejemplo mostrada en la FIG. 2, un dispositivo de medicion de alta velocidad genera una senal que se procesa en un formato que es legible nativamente por un componente de ordenador 212 de la maquina CNC 200. La maquina CNC 200 genera y rastrea coordenadas, y con la ayuda de la electronica el dispositivo de medicion 202 y el codificador 208, pueden registrar una serie sustancial de mediciones de metrologfa. Con las mediciones de metrologfa, un programa informatico asociado a la maquina CNC 200 puede generar una representacion tridimensional de la pieza de trabajo actual 116. La maquina CNC 200 puede ser cualquier equipo de produccion de precision, tal como una maquina CNC, una maquina de fresado, una maquina de medicion y similares.

[0029] En la descripcion, un dispositivo de medicion de distancia laser ha sido descrito como un instrumento de metrologfa ejemplar. instrumentos de metrologfa se pueden sincronizar de la misma manera con el fin de mapear las caractensticas superficiales, cercanas y superficiales asociadas de la pieza de trabajo a su modelo tridimensional mientras dicha pieza de trabajo se encuentra en el espacio de trabajo del equipo de produccion de precision. Ejemplos de otros instrumentos de metrologfa incluyen instrumentos dimensionales de contacto (LVDt, etc.), detectores de fallas superficiales como corrientes de Foucault, inspeccion de cuerpo entero como ultrasonidos y analizadores de aleacion como los analizadores de fluorescencia de rayos X (XRF).

[0030] Ejemplo. El siguiente es un ejemplo espedfico de los componentes usados de acuerdo con una implementacion funcional de la invencion. Con referencia a la FIG. 2, la maquina CNC 200 es una maquina vertical Milltronics (Milltronics CNC Machines, Waconia, Minnesota, EE.UU.), y el modelo particular es un centro de mecanizado VM-20. Un dispositivo de medicion electronica 202 es un sensor de desplazamiento laser CMOS de la serie LK-G5000 (Keyence, Elmwood Park, Nueva Jersey, EE.UU.).

[0031] El dispositivo de medicion electronica 202 esta conectado al codificador 208 a traves de un conector de expansion de 40 patillas a traves de un cable de cinta de 40 conductores. Los valores del dispositivo de medicion electronica 202 se leen aproximadamente a 50.000 veces por segundo. Otras velocidades de deteccion son posibles. La secuencia de valores del dispositivo de medicion electronica 202 se convierte en una secuencia de valores delta (medicion de corriente menos medicion previa); la secuencia de valores delta se convierte en rafagas de senales de salida en cuadratura con una frecuencia de pulso de aproximadamente 1,2 MHz. La senal de salida de cuadratura es compatible con o en un formato aceptable para la maquina CNC 200. Se debe tener en cuenta que el calculo y uso de una secuencia de valores delta es un paso opcional utilizado junto con un equipo de produccion de precision a base de codificador incremental o sinusoidal. El calculo de una secuencia de valores delta no es necesario para equipos de produccion de precision basados en codificadores absolutos. La frecuencia del pulso de 1,2 MHz se determino empmcamente y se adapto a una velocidad que era compatible con la velocidad que la maquina CNC (controlador CNC) puede leer, detectar o aceptar sin perder o perder pulsos/incrementos.

[0032] Un codificador 208 es una serie TS-7800 de placa unica de microcontrolador basado en ARM que incluye una matriz de puerta programable de campo personalizable (FPGA) (Technologic Systems Inc., Fountain Hills, Arizona, EE.UU.). El codificador 208 monitoriza una senal estroboscopica desde el dispositivo 202 de medicion de distancia para determinar cuando son validos los valores en el pasador 20 (designado como el bit menos significativo) a traves del pasador 40 (el bit mas significativo) del cable plano de 40 conductores. El numero binario representado en los pasadores 20-40 se captura solo cuando la senal estroboscopica es alta (valida). Cuando la senal estroboscopica es baja, no se captura ningun valor. Esta verificacion de validez preliminar elimina la posibilidad de que se procesen y graben datos falsos mientras que los voltajes en el cable plano de 40 conductores estan en transicion.

[0033] Se aplico un algoritmo de filtro de paso bajo opcional a los datos del dispositivo de medicion electronica 202. Un beneficio del filtro de paso bajo consiste en limitar un delta de la senal a un numero igual o menor que el de impulsos incrementales que pueden comunicarse entre el codificador 208 y la maquina CNC antes de que se cree la siguiente senal estroboscopica del dispositivo electronico de medicion. Para este ejemplo, el filtro de paso bajo limita la magnitud del delta (medicion de corriente menos la medicion previa) a aproximadamente ±20 micras (20 incrementos de codificador en esta implementacion de ejemplo) para cada ciclo de salida del dispositivo de medicion electronica 202. En implementacion alternativa, otro beneficio del filtro de paso bajo consiste en evitar los efectos no deseados del ruido de la senal. Sin el filtro de paso bajo, un unico evento de ruido puede afectar el valor del acumulador de metrologfa en la maquina CNC durante varios ciclos. Si el evento de ruido provoca un calculo delta de una magnitud mayor que la que se puede comunicar entre el codificador 208 y el CNC en un ciclo de datos (50.000 Hz de velocidad de datos tiene un ciclo de datos de 20 microsegundos) y la siguiente lectura de datos puede perderse mientras que termina el explosion de pulsos incrementales. Ademas, tardara el mismo tiempo (medido a aproximadamente 833 nanosegundos por pulso) para restaurar el registro de metrologfa interno del CNC al valor nominal.

[0034] El codificador 208 (convertidor de senal) compara cada valor de desplazamiento absoluto con el ultimo valor absoluto al restar un valor anterior de un nuevo valor, creando de ese modo un valor delta. Este valor delta se envfa como una rafaga de incrementos en un bus de cuatro bits de ancho, como en un cable blindado multi-hilo siguiendo un estandar industrial para codificadores incrementales de cuadratura. Este estandar de la industria tiene en cuenta

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

tanto la magnitud como la direccion (ya sea un delta positivo o negativo). Por lo tanto, el convertidor de senal se traduce en valores de medicion absolutos sustancialmente en tiempo real a valores incrementales de cuadratura. La maquina CNC 200 recibe la senal de cuadratura incremental desde el codificador 208, y la maquina CNC 200 incrementa un registro acumulador asociado en su memoria. En un intervalo temporal controlado con precision, la maquina CNC registra sincronicamente el registro del acumulador de senal de metrologfa asociado con los valores asociados con los ejes de la herramienta mecanica (por ejemplo, eje x, eje y y eje z).

[0035] En el componente de la computadora 212 (del centro de mecanizado Militronics VM-20), ejes de la herramienta mecanica y el valor de desplazamiento laser se registran de forma sincronica a aproximadamente 2.048 veces por segundo. El numero binario emitido del dispositivo de medicion electronica es un valor de desplazamiento absoluto de la medicion. Debido a que el sensor esta conectado a la maquina CNC (de coordenadas) 200, las coordenadas (es decir, ubicacion muy precisa) del sensor estan disponibles para la maquina CNC 200. Muchas maquinas CNC funcionan con 5 o mas ejes, y de acuerdo con la invencion, los valores codificados son recibidos y registrados por el CNC como si se tratara de otro eje de maquina.

[0036] Muchas maquinas CNC comprueban o rastrean la posicion, velocidad y aceleracion a intervalos temporales fijos a lo largo de la ejecucion de su trayectoria de herramienta programada. La fresadora CNC de Milltronics comprueba su posicion, vector de velocidad, vector de aceleracion, senales de comando del amplificador del motor de accionamiento de eje 2.048 veces por segundo. Llamaremos a este ciclo el circuito de control cinetico. Estos valores se comparan con la ruta de la herramienta deseada y se aplican las correcciones apropiadas. Durante un movimiento de maquina a lo largo de una trayectoria de herramienta, este bucle de control cinetico es la funcion principal del controlador de la maquina de produccion de precision, que utiliza con frecuencia una cantidad sustancial de su potencia de calculo. Si la metodologfa de registro de metrologfa empleo un sistema de interrupciones para adquirir las ubicaciones de la maquina, la funcion primaria de la maquina de produccion de precision durante un movimiento de la maquina a lo largo de la trayectoria de la herramienta puede alterarse, tal vez hasta el punto de comprometer la trayectoria de la herramienta. La invencion no utiliza un sistema de interrupciones u otras formas secundarias para adquirir ubicaciones de maquina, sino que utiliza el circuito de control de la maquina de control de la maquina.

[0037] Durante las pruebas de fabrica de nuevos centros de mecanizado el bucle de control cinetico se aumenta con una rutina de registro de control cinetico. La rutina de registro de control cinetico proporciona a los tecnicos de fabrica datos detallados que muestran la respuesta ffsica de la maquina a varios cambios en la ruta de la herramienta. El personal de la fabrica utiliza estos datos como base para ajustar las ganancias del amplificador del motor del eje de transmision para obtener un rendimiento optimo de la maquina. Durante el ajuste de fabrica del Milltronics VM-20, todos los valores mencionados de posicion, velocidad, aceleracion y retroalimentacion se registran a una velocidad de 2.048 veces por segundo. El registro de datos de control cinetico es como un elemento del bucle de control cinetico, no como un bucle de programa secundario o rutina de interrupcion. Esta informacion se almacena temporalmente en la placa de procesamiento principal hasta que se completa el movimiento de prueba. El almacenamiento a bordo se utiliza para minimizar el tiempo requerido para que el controlador realice la funcion de almacenamiento de manera que la maquina no se mueva a lo largo de la trayectoria de la herramienta.

[0038] La rutina de registro de datos de control cinetico se utilizo y se optimizo para esta invencion. Si todas las senales de velocidad, aceleracion y control se registran junto con un canal de datos de metrologfa, la rutina de registro VM-20 esta limitada a aproximadamente 35.000 puntos (aproximadamente 17 segundos de tiempo de exploracion a 2.048 muestras por segundo). Para hacer espacio adicional para mas datos de metrologfa, la rutina estandar de registro de control cinetico se modifico para no registrar la velocidad del eje, la aceleracion o las senales de control amplificadas. Al limitar los datos registrados a solo las posiciones del eje y los datos de metrologfa, un volumen de almacenamiento de aproximadamente 250.000 puntos (aproximadamente dos minutos de tiempo de exploracion a 2.048 muestras por segundo) se habilito en el Milltronics VM-20. Esto se puede aumentar aun mas al expandir la memoria incorporada o al utilizar un controlador que puede comunicarse con un dispositivo de memoria externo en tiempo real durante un movimiento programado. El tiempo de registro se puede aumentar aun mas registrando cada segundo, tercer, cuarto, etc. ciclo a traves del ciclo de control cinetico de la maquina (multiplos enteros del ciclo de ciclo de control cinetico de la maquina).

[0039] En una implementacion, debido a las limitaciones del (de los) componente(s) de ordenador, se encontro que el registro estaba limitado a aproximadamente 250.000 puntos por un archivo de ordenador. Sin embargo, la tecnica es mucho mas general. Uno puede considerar un lote de valores como los que se encuentran en un solo archivo como una "nube de puntos". Tal nube de puntos puede escribirse en una computadora externa (no mostrada en la FIG. 2) mediante transferencia de archivos, un algoritmo de conector u otra programacion. Una vez que se registran los valores, se realizan uno o mas pasos de post-procesamiento. En uno de esos ejemplos, se realiza un cambio de tiempo o una correccion de medicion para ajustar y acomodar un retraso en la medicion del instrumento de metrologfa. En otro ejemplo, los desfases de herramientas o las correcciones posicionales se realizan para compensar las desviaciones medidas de las caractensticas en comparacion con un modelo CAD. Dichos correctores de herramienta o correcciones positivas pueden realizarse de forma manual o programatica. Cuando todas las mediciones se corrijan de nuevo a las coordenadas de la maquina, se puede realizar un estudio de precision del equipo de produccion de precision versus la ubicacion de la pieza de trabajo dentro del volumen de trabajo.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

[0040] Una vez que se recogen, se centran y se almacenan los datos de la maquina CNC 200 y el dispositivo de medicion electronica 202, puede ocurrir un procesamiento adicional posterior. Por ejemplo, una nube de puntos posprocesados se puede comparar con un modelo CAD en un programa de software grafico. Por ejemplo, se compara una comparacion de datos utilizando el software PolyWorks® (InnovMetric Software Inc., Quebec, Canada) o el software CApPS NC (Applied Automation Technologies Inc., Rochester Hills, Michigan, EE.UU.). Se puede comparar cualquier pieza de trabajo 116. Por ejemplo, cada una de una serie de piezas de trabajo puede compararse con otras y compararlas con un modelo CAD (y un conjunto de instrucciones CNC) de la pieza de trabajo. Tal comparacion permite una comparacion dimensional del ciclo de vida que puede detectar desgaste de herramientas, distorsiones y similares.

[0041] Metodologfa. FIG. 3 muestra un diagrama de flujo 300 de una descripcion general de la coordinacion de las mediciones de distancia con una maquina CNC de acuerdo con una implementacion de la invencion. Con referencia a la FIG. 3, el metodo incluye generar medidas con un dispositivo o sensor de medicion de distancia 302. Tal generacion implica la conversion de una forma de energfa en otra, y puede implicar la conversion de una senal electronica analogica en una senal digital. A continuacion, el metodo incluye detectar lecturas del sensor, o una porcion del mismo, mediante un convertidor o codificador 304. A continuacion, el codificador convierte o codifica las lecturas de sensor 306. En una implementacion, la codificacion transforma las lecturas del sensor o parte del mismo en delta o valores incrementales consistentes o compatibles con un formato aceptable para una maquina CNC. A continuacion, la maquina CNC detecta o acepta valores codificados 308. A continuacion, la maquina CNC registra los valores relacionados con uno o mas ejes y los valores codificados apropiados y/o corregidos 310. Ademas, compensaciones o correcciones a los valores codificados se pueden aplicar 312. Opcionalmente, los valores registrados pueden ser visualizados o comparados contra un modelo para la pieza de trabajo en la maquina CNC 314.

[0042] De acuerdo con una implementacion preferida, se utiliza un codificador de cuadratura incremental. Un codificador incremental proporciona una salida de impulsos que tiene una magnitud comprendida y una direccion comunicada (positiva o negativa) segun lo dictado por una convencion de secuencia de impulsos. Para proporcionar informacion de posicion util, la posicion del codificador debe estar referenciada al dispositivo de medicion al que esta conectada, generalmente usando un pulso de mdice. Una caractenstica distintiva de un codificador incremental es que informa un cambio incremental en la posicion, no una posicion absoluta. La invencion no esta limitada al uso de codificadores incrementales en cuadratura. El formato de datos creado por el codificador de la invencion esta dictado por el formato de datos del equipo de produccion de precision que se va a intercalar. El formato de datos creado por el codificador de la invencion puede ser una cuadratura incremental, una posicion sinusoidal, absoluta o cualquier otro formato utilizado por un controlador de maquina de produccion de precision particular.

[0043] Cuadratura. Muchas maquinas CNC utilizan codificadores rotativos y/o lineales en asociacion con los ejes del motor de sus partes moviles para rastrear la posicion del brazo 108 o del husillo 106 a lo largo de sus diversos ejes de movimiento. Los motores son controlados y reciben instrucciones por parte de una computadora y software asociados. Los motores facilitan codificadores incrementales giratorios o de "cuadratura" al realizar un seguimiento de los valores binarios asociados con dos (o mas) senales que estan desfasadas entre sf cuando giran los ejes del motor. Un ejemplo de senales es un conjunto de dos ondas cuadradas que estan desfasadas entre sf a 90 grados; estas dos senales a menudo estan etiquetadas A y B. En maquinas CNC, los "codificadores" proporcionan un recuento de incrementos de desplazamiento lineal o rotacion de los motores, y el desplazamiento lineal correspondiente a lo largo de ejes respectivos a lo largo del cual se mueve el brazo 108 o el husillo 106. Usando el recuento o los valores de las senales, es posible determinar en que direccion se mueve el brazo 108 de funcionamiento. Por ejemplo, dependiendo de la direccion de rotacion, se obtiene 00, 01, 11, 10 o 00, 10, 11, 00 que corresponde a "0, 1, 3, 2" o "0, 2, 3, 1. "Desde el inicio de las posiciones iniciales absolutas, las lecturas de cuadratura permiten que una maquina CNC (y una computadora) naveguen con precision en un espacio de trabajo tridimensional mientras que usan corrientes electricas para operar motores que giran y provocan el movimiento a lo largo de las pistas.

[0044] La invencion combina mediciones convertidos desde un dispositivo de metrologfa con las mediciones de los codificadores de eje de la maquina CNC para mapear rasgos y caractensticas de la pieza de trabajo dentro del espacio de obra de los equipos de produccion de precision. La maquina CNC tiene un medio para caracterizar de forma independiente una pieza de trabajo.

[0045] La FIG. 4 muestra una tabla 400 que ilustra un calculo de ejemplo o esquema de codificacion seguido por un codificador como se describe en el presente documento. Con referencia a la FIG. 4, una tabla 400 incluye una primera columna 401 que representa una lmea de tiempo, una segunda columna 402 que muestra un valor ejemplar de la base 10 correspondiente a las mediciones de un sensor de distancia de acuerdo con una implementacion de la invencion. Mientras que el primer valor de lmea de tiempo es 0,000000 milisegundos es un valor arbitrario, el numero de dfgitos de la lmea de tiempo 401 es ejemplar. La lmea de tiempo 401 no se usa en la codificacion, pero muestra las relaciones temporales entre los elementos funcionales de la invencion. La tabla 400 tambien incluye una tercera columna 403 de valores binarios de 21 bits que corresponde a los valores mostrados en la segunda columna 402. Para el dispositivo de medicion Keyence LK-G5000, la salida es una serie de valores medidos en la forma de un numero binario (complemento de dos) de 21 bits. La tabla 400 incluye una cuarta columna 404 de valores delta

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

(medicion de corriente menos medicion previa) calculada internamente al codificador de la invencion. La tabla 400 incluye una quinta columna 405 de valores de cuadratura codificados destinados a una maquina CNC. El codificador de la invencion transforma una secuencia de valores medidos mostrados en la columna 403 en una secuencia de valores delta representados por valores de base diez mostrados en la columna 404 y finalmente en rafagas de valores de cuadratura codificados mostrados en la columna 405. El equipo de produccion de precision recibe los valores de cuadratura del codificador y actualiza su registro interno como se muestra en la sexta columna 406 de la tabla 400. El equipo de produccion de precision registra sincronizadamente todas sus posiciones de eje simultaneamente junto con el registro de metrologfa interno.

[0046] La codificacion de acuerdo con una implementacion ejemplar de la invencion se describe ahora en referencia a los valores de las cinco filas 410, 412, 414, 416 y 418. La medicion desde el instrumento de metrologfa en un punto en el tiempo, 0,000000 milisegundos, se detecta como +13,497 mm como se muestra en la segunda columna 402. La senal real detectada es binaria correspondiente al valor de 21 bits (0 0000 0011 0100 1011 1001) que se muestra en la tercera columna 403. Suponga (por el bien de esta ilustracion) que el estado de cuadratura actual es (0101) como se muestra en la quinta columna 405.

[0047] Pasando a la segunda fila 412, una medida del instrumento de metrologfa en un siguiente punto en el tiempo, 0,020000 milisegundos, se detecta como +13,499 mm como se muestra en la segunda columna 402. La senal real detectada es binaria correspondiente al valor de 21 bits (0 0000 0011 0100 1011 1011) se muestra en la tercera columna 403. El codificador convierte este numero en un valor delta relativo al valor anterior: (delta = +13,499 - + 13,497 = +0,002). El codificador crea entonces un estallido de dos pulsos de cuadratura en la direccion positiva (el incremento entendido es 0,001): primer pulso como (0110), segundo pulso como (1010), secuencia que se muestra en la cuarta columna 404. El penodo entre estos dos pulsos estan limitados por el sistema que se utiliza y se establecio en 833 nanosegundos para el equipo descrito (velocidad de datos de rafaga en cuadratura de 1,2 MHz mencionada anteriormente). El estado de cuadratura de (1010) se mantiene constante entre 0,020833 y 0,040000 milisegundos (entre puntos en el tiempo). Al recibir el equipo de produccion de precision cada impulso, la direccion se entiende por convencion y el registro interno asignado al instrumento de metrologfa se actualiza como se muestra en la columna 406.

[0048] Pasando a la tercera fila 414, una lectura del instrumento de metrologfa en un siguiente punto en el tiempo, 0,040000 milisegundos (20 micro-segundos despues de la fila 412 de lectura, correspondiente a una velocidad de datos de 50.000 Hz mencionada anteriormente), se detecta como +13,502 mm como se muestra en la segunda columna 402. La senal real detectada es binaria correspondiente al valor de 21 bits (0 0000 0011 0100 1011 1110) se muestra en la tercera columna 403. El codificador calcula el nuevo delta: (delta = +13,502 - +13,499 = +0,003) que se muestra en la columna 404. A continuacion, el codificador crea una rafaga de tres impulsos de cuadratura en la direccion positiva a partir del estado de retencion de (1010): primer pulso como (1001), segundo pulso como (0101), tercer pulso como (0110): la secuencia que se muestra en la quinta columna 405. Estos valores se transfieren a (detectado y procesado por) la Maquina CNC 200 en una columna de registro de datos 406, que se incrementa con cada impulso descrito.

[0049] Pasando a la cuarta fila 416, una lectura del instrumento de metrologfa en un siguiente punto en el tiempo, 0,060000 milisegundos, se detecta como +13,515 mm como se muestra en la segunda columna 402. La senal real detectada es binaria correspondiente al valor de 21 bit (0 0000 0011 0100 1100 1011) mostrado en la tercera columna 403. El codificador calcula el nuevo delta: (delta = +13,515 - +13,502 = +0,013) que se muestra en la columna 404. El codificador crea una rafaga de trece impulsos en cuadratura en la direccion positiva, secuencia mostrada en la quinta columna 405. Estos valores se transfieren (detectan y procesan) a la maquina CNC 200 en una columna de registro de datos 406, que se incrementa por cada pulso descrito. El intervalo de tiempo requerido para comunicar el delta de magnitud 0,013 se puede ver en la columna 401 y es 0,0100000 milisegundos (la mitad del penodo de medicion del instrumento de metrologfa 0,020000 milisegundos). Tambien se debe mencionar aqrn que los impulsos del codificador en cuadratura se crean en puntos en el tiempo ligeramente retrasados de los mostrados como dictados por el tiempo para calcular los valores delta. Por lo tanto, se puede ver que, para este ejemplo, un lfmite de delta de filtro de paso bajo debena ser del orden de 0,020 si es importante leer y comunicar sustancialmente cada lectura de instrumento de metrologfa y evitar los efectos perjudiciales de eventos singulares de ruido ya sea inherente a la pieza de trabajo, instrumento de metrologfa, canal de comunicacion u otras fuentes de grandes discontinuidades en los datos recibidos.

[0050] Pasando a la quinta fila 418, una lectura desde el dispositivo de metrologfa en un siguiente punto en el tiempo, 0,080000 milisegundos, se detecta como +13,511 mm como se muestra en la segunda columna 402. La senal real detectada es binaria correspondiente al valor de 21 bits (0 0000 0011 0100 1100 0111) mostrado en la tercera columna 403. El codificador calcula el nuevo delta: (delta = +13,511 - +13,515 = -0,004) que se muestra en la columna 404. El codificador crea una rafaga de cuatro impulsos de cuadratura en la direccion negativa, secuencia que se muestra en la quinta columna 405. Estos valores se transfieren (detectan y procesan) a la maquina CNC 200 en una columna de Registro de maquina de coordenadas 406-que se incrementa por cada pulso descrito. Este ultimo ejemplo se usa para ilustrar un delta negativo (declinacion).

[0051] La FIG. 5 muestra una tabla 500 que ilustra un calculo ejemplar o esquema de filtrado que maximiza la tasa

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

de respuesta del sistema a una senal de metrologfa que cambia rapidamente mientras se asegura que cada senal de datos secuencial generada a una velocidad de 50.000 Hz se lee e influye en la senal codificada por salida. Ocasionalmente, se encontrara una alta tasa de senal de metrologfa de cambio. El lfmite de paso bajo se impone solo si la tasa de cambio, cuantificada como el valor delta calculado en la columna 503, crea un delta que tarda mas tiempo en comunicarse con el codificador incremental que el disponible entre las senales de metrologfa. (en el ejemplo anterior, la tasa de senal de metrologfa es de 50.000 Hz, los intervalos de datos son de 0,020 milisegundos). La primera columna 501 representa la lmea de tiempo del sistema similar a la columna 401 mostrada en la Fig. 4. La columna 502 muestra valores medidos secuenciales, a veces modificados por el algoritmo de paso bajo. La columna 503 muestra el delta calculado similar a la columna 404 en la FIG. 4. La columna 504 muestra el delta limitado de paso bajo cuando el lfmite se establece en 20. La columna 505 muestra la lectura de corriente impuesta en paso bajo cuando el lfmite de paso bajo es establecido en 20. La columna 506 muestra el valor del registro de maquina de coordenadas asignado para rastrear el valor de medicion de la metrologfa. La fila 510 muestra un estado de partida hipotetico. La fila 512 muestra un estado hipotetico posterior con un valor medido de 33 incrementos mayor que el valor anterior. En la fila 510 se muestra la progresion de la maquina de estados primero calculando el delta real en 33, luego limitando el delta al punto de ajuste de paso bajo (20), y luego imponiendo una lectura de corriente de paso bajo solo 20 veces mayor que la lectura anterior, y finalmente incrementando la salida por un incremento como se muestra en la columna 506. Las 19 filas subsiguientes muestran la progresion de la lmea de tiempo y el Valor de Metrologfa del Registro de la Maquina de Coordenadas, ya que se incrementa 19 veces mas. Cabe senalar que el registro interno asignado para rastrear la lectura anterior se ha establecido en 20 veces mas que la lectura anterior. La fila 514 muestra una lectura de metrologfa posterior ligeramente menor que la lectura verdadera anterior, pero mayor que la lectura previa impuesta de paso bajo. La lectura anterior de paso bajo se usa para calcular el delta de 8, la lectura de corriente impuesta paso bajo no cambia desde el valor medido actual, y la salida se incrementa una vez. Las 7 filas siguientes muestran el progreso de la lmea de tiempo y el Valor de Metrologfa del Registro de la Maquina de Coordenadas, ya que se incrementa 7 veces mas.

[0052] Observese que la implementacion de un algoritmo de filtro de paso bajo es un metodo de manejar rapidamente valores de senal cambiantes. Otros enfoques son posibles.

[0053] La FIG. 6 ilustra los pasos para implementar una realizacion de la invencion para caracterizar (por ejemplo, forma, superficie, superficie cercana, caractensticas de superficie inferior) usando la invencion para comunicar y sincronizar datos de metrologfa genericos con equipos de control de calidad de precision tales como maquinas de medicion coordinadas (MMC) Con referencia a la FIG. 6, un primer paso puede incluir establecer una comunicacion electronica entre un instrumento de metrologfa y el convertidor de senal 602. Otra etapa incluye establecer la comunicacion entre el convertidor de senal y una MMC 604. Otra etapa incluye colocar una pieza en bruto o no trabajada en la MMC 606. Posteriormente, se inicia la coordinacion entre la MMC y el sensor de metrologfa 608. Los valores o mediciones son generadas por la MMC y el sensor de metrologfa 610. Las mediciones se registran o persisten desde el sensor de metrologfa y la MMC 612. Las mediciones estan sincronizadas entre sf 614. Como ejemplo, las mediciones se sincronizan en el tiempo una con relacion a la otra. En un paso opcional, se puede generar un modelo o representacion grafica o trama a partir de los valores o medidas 616. Los valores incluyen una serie de valores de metrologfa generados a partir del instrumento de metrologfa y una serie de valores de posicion de la maquina de coordenadas. Opcionalmente, la representacion grafica o los valores se pueden comparar con un modelo de dibujo asistido por computadora (CAD) u otro modelo a partir del cual se genero la pieza de trabajo como maquina de coordenadas 618. Son posibles variaciones en esta serie de pasos.

[0054] Ejemplo. FIG. 7 muestra una representacion de un canal real 704 formado en un material 702 (pieza de trabajo) por una maquina de fresado (tal como la mostrada en la FIG. 2). Una rebaba o borde rebajado 706 se forma a lo largo del borde del canal 704.

[0055] La FIG. 8 muestra un conjunto ejemplar de posiciones a partir de las cuales se toman medidas del material (pieza de trabajo) mostrado en la FIG. 7 de acuerdo con una implementacion de la invencion. Con referencia a la FIG. 8, cada una de las posiciones 802 corresponde a una posicion a lo largo de un eje x, un eje y y un eje z de una maquina CNC (no mostrada). El conjunto de posiciones 802 (y las correspondientes mediciones de distancia) siguen una trayectoria tomada por un brazo de operacion y una maquina de medicion de distancia por laser (no mostrada) cuando la maquina de medicion de distancia pasa sobre la pieza de trabajo. Solo para ilustracion, el camino mostrado en la FIG. 8 se muestra como una ruta de patron de busqueda como se indica mediante las flechas de direccion. Sin embargo, cualquier estilo o tipo de camino puede ser tomado por el brazo de operacion y la maquina de medicion de distancia. Ademas, aunque se muestra un cierto numero de medidas 802, puede variar una cantidad real de mediciones 802. Las medidas 802 se muestran tomadas a intervalos espaciales algo regulares, sin embargo, tal no es una limitacion de la invencion. De hecho, es muy probable que las mediciones 802 se tomen a intervalos de tiempo muy regulares y debido a las aceleraciones distintas de cero del equipo de produccion, los intervalos espaciales variaran en relacion con la cinetica de la maquina. La frecuencia de las mediciones puede variar de acuerdo con uno o mas parametros, incluida la cantidad de variacion en la distancia detectada desde la medicion hasta la medicion, o de un area a otra (p. ej., superficie plana 702 frente al canal 704), etc. se muestran las medidas 802, se pueden tomar multiples pasadas sobre la misma ruta para construir un conjunto de valores de medicion de distancia para los mismos valores de coordenadas como los tomados para el eje x, el eje y y el eje z observados por

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

la maquina CNC. El resultado de capturar el conjunto de medidas de distancia y coordenadas es una "nube" de valores de distancia o, cuando se coordina con la ubicacion y la informacion de posicion de la maquina CNC, una "nube de puntos" que cubre areas sustanciales de una pieza de trabajo.

[0056] En contraste con la densidad de valores de medicion 802 capturado de acuerdo con la invencion, los valores se muestra un segundo conjunto de medicion 804. Los segundos valores de medicion 804 representan aquellos valores capturados de acuerdo con la tecnica previamente conocida en la que un brazo de trabajo se detendna en una ubicacion, la maquina CNC activana y capturana una lectura de medicion 804 (coordinada a posiciones conocidas a lo largo de los ejes x, y y z) y luego se mueven a otra ubicacion y repiten el procedimiento. En el tiempo que se tardana en capturar una o algunas mediciones individuales de acuerdo con las tecnicas disponibles previamente, se pueden capturar miles y decenas de miles de mediciones de acuerdo con la invencion.

[0057] La FIG. 9 muestra una vista esquematica de primer plano de una parte del canal con rebabas 704 y la pieza de trabajo 900 mostrada en la FIG. 7 y FIG. 8. Con referencia a la FIG. 9, hay al menos tres regiones 902, 904 y 906 que son evidentes, al menos una que no es evidente a simple vista cuando se mira la pieza de trabajo mostrada en la FIG. 7. La superficie superior 702 y la region superior 902 estan separadas del canal 704 y el area del canal 904 por un borde con rebabas 706 y por una region de transicion 906. El borde con rebabas 706 es evidente en la FIG. 7, la region de transicion desigual 906 no lo es. La produccion de piezas de trabajo y la inspeccion de sondas tactiles conocidas en la tecnica actual generalmente no permiten una inspeccion y caracterizacion minuciosa de detalles finos cerca y alrededor de las transiciones de una caractenstica a otra. Sin embargo, esta informacion de alta fidelidad muy granular puede usarse para predecir tensiones locales, caractensticas de ajuste muy cnticas, etc. Por lo tanto, existe un gran valor industrial potencial asociado con la alta fidelidad automatizada de la inspeccion que puede caracterizar las zonas de transicion entre las caractensticas y mapear estas caracterizaciones al modelo de la pieza de trabajo. La invencion permite tal inspeccion de alta fidelidad.

[0058] Una inspeccion ocasional de la pieza de trabajo 900 podna indicar que el canal 704 esta correctamente situado a una cierta profundidad 908 por debajo de la superficie superior 702 de esta pieza de trabajo 900. Un micrometro de profundidad podna ser utilizado para caracterizar la profundidad del canal 704, y con gran dificultad la planitud del canal, y aun mas dificultad caracteriza la zona de transicion 906. De manera similar, una inspeccion con sonda tactil, ya sea en el equipo de produccion o en una MMC, podna usarse para caracterizar la profundidad del canal 704 pero sena de utilidad limitada para caracterizar la zona de transicion 906 dentro de unas milesimas de pulgada del lfmite entre las zonas 704 y 702. Sin embargo, la invencion facilita una inspeccion muy detallada de esta esquina interior, zona 906. Ademas, la invencion facilita una caracterizacion del borde 706.

[0059] La FIG. 10 muestra un grafico de un conjunto de medidas 1000 con respecto a una seccion transversal del canal con rebabas mostrado en las FIGS. 7-9 de acuerdo con una implementacion de la invencion. Con referencia a la FIG. 10, un conjunto de medidas 1002 traza la superficie de la pieza de trabajo como una funcion de la distancia de recorrido, como se detecta mediante un instrumento de medicion de medicion de distancia. Tambien se muestra un perfil real de la superficie superior 702 y la superficie inferior (canal) 704. Como puede verse, las mediciones 1002 reflejan con precision las dimensiones y la forma de la superficie superior 702, el canal con rebabas 704, la region de transicion y el borde con rebabas (no etiquetado en la figura 10). Sin embargo, como se observa en la practica, las mediciones 1002 pueden desplazarse con relacion a la ubicacion real de estas caractensticas. El desplazamiento que se muestra en la figura 10 se observa al escanear de izquierda a derecha; el cambio es hacia la direccion del escaneo. De forma similar, en la practica, las medidas 1002 se desplazan hacia la izquierda cuando se exploran de derecha a izquierda. Cuando la velocidad de exploracion de derecha a izquierda coincide con la velocidad de exploracion de izquierda a derecha, se observan cambios equilibrados. Al conocer la velocidad de escaneo localizada y el intervalo de tiempo preciso entre los puntos de datos, se puede calcular un desplazamiento espacial preciso.

[0060] Por ejemplo, cuando la velocidad de exploracion es 3048 mm/min y la tasa de registro de datos es 2048 Hz, calculos sencillos revelaran que la velocidad de exploracion es de 50,8 mm/seg, el intervalo de tiempo entre eventos de registro es de 488,3 microsegundos, y el intervalo espacial entre los eventos de registro es de 24,8 micro-metros. Utilizamos Polyworks para analizar datos brutos de dos escaneos de la misma funcion, desde dos direcciones opuestas y midiendo el desfase espacial total entre las ubicaciones medidas crudas de caractensticas claramente definidas. Una de tales caractensticas claramente definidas es el borde de bolsillo asociado con la FIG. 10, dimension 1004.

[0061] Una medida total de desplazamiento espacial entre ubicaciones recodificadas de una caractenstica bien definida en los datos de exploracion en la practica se midio en 40 micrometres durante el escaneado en 3048 mm/min y el registro en 2048 Hz. La mitad de este desplazamiento se debe al retraso del instrumento de metrologfa temporal mientras que se escanea en una direccion, mientras que la otra mitad se debe al retraso temporal del instrumento de metrologfa mientras que se explora en la direccion opuesta. El resultado espacial de la demora temporal del instrumento de metrologfa mientras que se explora a 3,048 mm/min es de 40/2 = 20 micrometros. Al dividir este retraso espacial por el intervalo de registro espacial, se obtiene una relacion de desplazamiento de [(20 lapsos espaciales micrometricos)/(24,8 microscopios espaciales de exploracion/eventos de registro) = 0,806]. Por lo tanto, el retraso temporal del instrumento de metrologfa se puede explicar mediante la interpolacion de todos los

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

datos de coordenadas de la maquina en el espacio el 81% del vector establecido entre dos eventos de registro adyacentes mientras que se registra a 2.048 Hz.

[0062] Se encontro que en la practica un algoritmo de desplazamiento espacial aplicado post-scan utilizando los resultados de interpolacion lineal en un conjunto de datos a modo de ejemplo, pero otros tipos de interpolacion o extrapolacion (en su caso) son posibles. Para cada evento registrado consideramos las grabaciones de los ejes de la maquina de produccion (espaciales) separadas del valor de la metrologfa registrada. El algoritmo de desplazamiento espacial asigna a cada lectura de metrologfa registrada hasta un punto en el espacio equivalente a la ubicacion espacial del evento de registro anterior mas (1 menos la relacion de desplazamiento, para nuestro ejemplo 1 - 0,81 = 0,19) multiplicado por el vector de exploracion instantanea. Por ejemplo: tres lecturas consecutivas de metrologfa (13,497, 13,499 y 13,502) se registraron en tres ubicaciones de la maquina [(0,000,

1.000, -12,000), (0,025, 1,000, -12,000), (0,050, 1,000, - 12,000)]. La primera lectura de metrologfa se descartana porque no hay datos adecuados para determinar el vector de aproximacion de exploracion instantanea. La segunda lectura de la metrologfa tiene datos adecuados para determinar el vector de escaneo instantaneo. El primer vector de escaneo instantaneo es [(0,025, 1,000, -12,000) - (0,000, 1,000, -12,000) = (0,025, 0,000, 0,000)]. La ubicacion de cambio apropiada para la segunda lectura de metrologfa se calcula como [(1-0,81) * (0,025, 0,000, 0,000) + (0,000, 1,000, -12,000) = (0,005, 1,000, -12,000)]. Por lo tanto, la lectura de metrologfa de 13,499 se asignana a la ubicacion espacial (0,005, 1,000, -12,000). El segundo vector de escaneo instantaneo se calcula como [(0,050,

1.000, -12,000) - (0,025, 1,000, -12,000) = (0,025, 0,000, 0,000)]. La ubicacion de desplazamiento apropiada para la tercera lectura de metrologfa se calcula como [(1-0,81) * (0,025, 0,000, 0,000) + (0,025, 1,000, -12,000) = (0,030,

1.000, -12,000)]. Por lo tanto, la lectura de metrologfa de 13,502 se asignana a la ubicacion espacial (0,030, 1,000, - 12,000).

[0063] Independientemente de la velocidad de exploracion o la direccion cuando se aplica este algoritmo de cambio, las caractensticas afiladas de un artefacto escaneada se muestran en la misma ubicacion espacial.

[0064] Como se observa en la practica y se ha explicado anteriormente, las mediciones de 1002 se pueden desplazar espacialmente (posicion) con relacion a las coordenadas de maquina CNC para obtener un conjunto de datos post-procesados que esta de acuerdo sustancialmente con otro independientemente de la direccion o la velocidad de exploracion. Se puede concluir que se necesita un desplazamiento espacial 1006 y es completamente predecible para que coincida con los valores de medicion 1002 con los valores de coordenadas de posicion de la maquina CNC. Un desplazamiento espacial puede incluir un cambio o desplazamiento en el tiempo o posicion de uno o mas de los valores del eje de coordenadas (por ejemplo, valores del eje x, eje y y eje z) asociados con el brazo o husillo de trabajo. Dicho desplazamiento posicional se puede obtener experimentalmente al configurar o conectar un instrumento de metrologfa al brazo o husillo de trabajo y al escanear bidireccionalmente sobre las discontinuidades bruscamente definidas de la pieza de trabajo.

[0065] En ocasiones, se puede observar un valor de medicion de valor atfpico 1008. Tales valores pueden o no ser filtrables o removibles a traves de un filtro (por ejemplo, filtro de paso bajo) asociado con un convertidor (u otro dispositivo) descrito aquf

[0066] En una implementacion, aproximadamente 2048 valores de medicion fueron capturados por segundo, y tres exploraciones independientes de la trayectoria identica programada fueron capturadas en rapida sucesion. Las velocidades de desplazamiento del dispositivo de medicion fueron de aproximadamente 1.524 milfmetros por minuto, 3.048 milfmetros por minuto y 6.096 milfmetros por minuto. Cada ruta de exploracion inclrna un movimiento de izquierda a derecha y de derecha a izquierda sobre la misma ruta programada. Cuando se revisaron los datos brutos compuestos, los detalles del borde mostraron los efectos de un retraso temporal fijo y varias velocidades de escaneo. Cuando los datos compuestos se procesaron posteriormente de acuerdo con el algoritmo de desplazamiento espacial descrito anteriormente, se establecio un conjunto de datos compuestos ejemplar similar al ilustrado en la FIG. 11. En los datos compuestos desplazados, todas las caractensticas agudas se mostraron en la misma ubicacion y notablemente varias de las mediciones atfpicas 1008 tambien se mostraron significativamente en la misma ubicacion. Tras una inspeccion adicional de la pieza de trabajo bajo un microscopio de gran aumento, se confirmaron la region de transicion del borde 906, la fresa 706 y la existencia de pequenas partfculas suspendidas sobre las superficies 702 y 704. Por lo tanto, el algoritmo de desplazamiento espacial y los medios para determinar el desplazamiento espacial total apropiado (teniendo en cuenta la velocidad y la direccion de exploracion instantanea, y teniendo en cuenta el retardo temporal total del sistema: retardo temporal del instrumento de medicion, retraso temporal del procesamiento del codificador, retraso en la transmision del codificador al dispositivo de grabacion y todas las demas demoras entre el cruce de una discontinuidad aguda de la pieza de trabajo y el registro de dicha discontinuidad) es una excepcion.

[0067] La FIG. 11 muestra un grafico de dos conjuntos de mediciones de una parte del canal con rebabas mostrado en la FlG. 7. Un primer conjunto de medidas 1002 se muestra primero en la FIG. 10. Con referencia a la FIG. 11, un primer conjunto de medidas de distancia 1002 y un segundo conjunto de medidas de distancia 1102 se trazan en funcion de la distancia de desplazamiento, o ubicacion. Tal como se observa en la practica, los dos conjuntos de medidas 1002, 1102 coinciden sustancialmente entre sf Los dos conjuntos de medidas 1002, 1102 se derivan de que la maquina CNC pasa un dispositivo de medicion sobre la misma trayectoria de una pieza de trabajo, tal como

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

sobre el canal con rebabas 704 de las FIGS. 7-9. La frecuencia espacial de captura de medicion para el primer conjunto de mediciones 1002 es mas alta que la frecuencia espacial de captura de medicion para el segundo conjunto de mediciones 1102 (velocidad de exploracion asociada con 1002 fue menor que la velocidad de exploracion para el segundo conjunto 1102 mientras que la tasa de registro temporal permanecio constante). Por consiguiente, para un conjunto de 10 mediciones del primer conjunto de mediciones 1002, se necesita una primera distancia de recorrido de exploracion 1104, y una distancia de recorrido de exploracion mas larga 1106 para un conjunto correspondiente de 10 mediciones del segundo conjunto de mediciones 1102. Como se puede ver en la FIG. 11, y como se observa en la practica, las mediciones son repetibles y consistentes incluso cuando se toman a diferentes velocidades o velocidades de escaneo. Por lo tanto, la velocidad de exploracion y/o el intervalo de registro temporal de las mediciones de captura pueden variarse sin menoscabo de la utilidad de la invencion siempre que el retardo temporal del sistema se determine y compense de una manera significativamente similar al algoritmo de desplazamiento espacial descrito arriba.

[0068] En resumen, un escaner de laser proporciona un medio para un metodo de no contacto para medir la distancia a una superficie de una pieza de trabajo. Se capturan mediciones o muestras rapidas y continuas. La maquina de medicion esta montada en un brazo o husillo de trabajo de una maquina CNC. El resultado es una imagen tridimensional de nubes de puntos de una pieza de trabajo. El proceso es completamente automatico o semiautomatizado. La resolucion de los valores de distancia es optica, no mecanica. La deteccion sin contacto elimina el dano al objetivo o al cabezal del sensor, lo que garantiza una larga vida util y una operacion de mediciones sin mantenimiento. Se pueden tomar medidas de una variedad de materiales, acabados o angulos de incidencia. La deteccion puede basarse en la cantidad de luz recibida por el dispositivo de medicion, o un cambio en la cantidad de luz reflejada. Por lo tanto, la deteccion es posible para piezas de trabajo hechas de vidrio, metales, plasticos, maderas y lfquidos.

[0069] La distancia entre la pieza de trabajo y el dispositivo de medicion pueden ser sustanciales de tal manera que un dispositivo de medicion se puede usar de acuerdo con la invencion en una variedad de entornos y en una variedad de maquinas. Para un sensor fotoelectrico de tipo reflectante, una distancia de medicion puede variar desde unos pocos milfmetros o menos hasta unos 2,0 m (6,6 pies). Un dispositivo de medicion tipo thrubeam tiene una distancia de deteccion de hasta aproximadamente 40,0 m (131,2 pies). Un dispositivo de medicion de tipo retrorreflectante tiene una distancia de deteccion de hasta aproximadamente 50 m (164 pies).

[0070] Los sensores fotoelectricos actualmente disponibles son capaces de una tasa de respuesta tan alta como aproximadamente 400 kHz. Con los sensores de corriente, la diferenciacion de color es posible. Un sensor tiene la capacidad de detectar la luz de un objeto o pieza de trabajo en funcion de la reflectividad de su color, lo que permite la deteccion del color y la diferenciacion del color.

[0071] Descripcion de una compensacion priori lag. Aqrn se describen varios aspectos asociados con la adaptacion de las senales de temporizacion para tener en cuenta las diferentes demoras de transmision/procesamiento que pueden ocurrir. Por ejemplo, las mediciones del laser se pueden retrasar en una cantidad de tiempo relativamente pequena, pero a pesar de todo, es notable la cantidad de tiempo en comparacion con las mediciones del CNC. Para combinar las dos con una precision razonable, existe un requisito para justificar el retraso. En la practica, esto se puede lograr mediante la interpolacion entre las mediciones del CNC. Por ejemplo, si las mediciones del CNC se adquieren a intervalos de 1 milisegundo (ms), entonces la maquina XYZ se leen a 0 ms, 1 ms, 2 ms, etc. Junto con cada medicion, los datos del laser a traves de una entrada codificadora adicional, por ejemplo, para el movimiento en el eje X pueden proporcionar:

X: Y Z Laser

10: 0 0 300 (tiempo t = 0 ms)

13: 0 0 315 (t = 1 ms)

16: 0 0 366 (t = 2 ms)

Sin embargo, en algunas situaciones, por ejemplo, las lecturas del laser se retrasan en 500 ps. En tales situaciones, cuando el laser lee 315, la posicion x real es (10+13)/2 = 11,5. Esta interpolacion se realiza despues de que el software de procesamiento recoge los datos.

[0072] Tambien se describe aqrn una solucion mas general en donde, en lugar de alimentar los valores de laser, se suministra una senal de temporizacion. Por lo tanto, en lugar de una secuencia de {X, Y, Z, Laser}, la secuencia es {X, Y, Z, marca de tiempo}. En este caso, la senal de temporizacion se envfa a la maquina CNC a traves de la entrada del codificador y el laser, y opcionalmente tambien a traves del codificador. Cada maquina (CNC y sensor laser) registra su propia transmision, y los datos se combinan, teniendo en cuenta las tasas de demora, nuevamente en el software de procesamiento. Dado que la misma senal de tiempo se utiliza para todos los sensores, los datos se ajustan a posteriori para el intervalo de tiempo.

[0073] Las senales de temporizacion pueden ademas/alternativamente ser ajustadas para tener en cuenta los

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

retardos antes de procesar los datos. En el caso anterior (para la solucion mas general), por ejemplo, si se utiliza una senal de temporizacion de 1 ms, la senal que va al laser se inicia en t = 0, pero la senal de temporizacion que va a la maquina CNC se retrasa por exactamente 500 ps, comenzando en 0,500 ms. En el momento en que la senal del laser llega al CNC, las marcas de tiempo se alinean al menos sustancialmente, y no se necesita un ajuste de retardo posterior al procesamiento.

[0074] Las ventajas del enfoque a priori son multiples, e incluyen software de procesamiento mas simple y mas general, mantenimiento mas facil, mejor almacenamiento de informacion de calibracion, opciones para arquitectura de plug-and-play y tambien una mayor seguridad.

[0075] La FIG. 12 de los dibujos muestra un hardware ejemplar 1200 que se puede usar para implementar la presente invencion. Con referencia a la FIG. 12, el hardware 1200 incluye tipicamente al menos un procesador 1202 acoplado a una memoria 1204. El procesador 1202 puede representar uno o mas procesadores (por ejemplo, microprocesadores), y la memoria 1204 puede representar dispositivos de memoria de acceso aleatorio (RAM) que comprenden un almacenamiento principal del hardware 1200, asf como tambien cualquier nivel suplementario de memoria, por ejemplo, memorias cache, memorias no volatiles o de respaldo (por ejemplo, memorias flash o programables), memorias de solo lectura, etc. Ademas, se puede considerar que la memoria 1204 incluye el almacenamiento de memoria ffsicamente ubicado en otro lugar en el hardware 1200, por ejemplo, cualquier memoria cache en el procesador 1202, asf como cualquier capacidad de almacenamiento utilizada como memoria virtual, por ejemplo, almacenada en un dispositivo de almacenamiento masivo 1210.

[0076] El hardware 1200 tambien recibe tfpicamente un numero de entradas y salidas para comunicar informacion externamente. Para la interfaz con un usuario u operador, el hardware 1200 puede incluir uno o mas dispositivos de entrada de usuario 1206 (por ejemplo, un teclado, un raton, dispositivo de formacion de imagenes, escaner, etc.) y uno o mas dispositivos de salida 1208 (por ejemplo, un panel de pantalla de cristal lfquido (LCD), una pizarra electronica, una pantalla tactil, un dispositivo de reproduccion de sonido (altavoz)).

[0077] Para almacenamiento adicional, el hardware 1200 puede tambien incluir uno o mas dispositivos de almacenamiento masivo 1210, por ejemplo, un disquete u otro disco extrafble, una unidad de disco duro, un dispositivo de almacenamiento de acceso directo (DASD), una unidad optica (por ejemplo, una unidad de disco compacto (CD), una unidad de disco versatil digital (DVD), unidad de bus de serie universal (USB), etc.) y/o una unidad de cinta, entre otros. Ademas, el hardware 1200 puede incluir una interfaz con una o mas redes 1212 (p. ej., una red de area local (LAN), una red de area extensa (WAN), una red inalambrica y/o Internet, entre otras) para permitir la comunicacion de informacion con otras computadoras conectadas a las redes. Debena apreciarse que el hardware 1200 tfpicamente incluye interfaces analogicas y/o digitales adecuadas entre el procesador 1202 y cada uno de los componentes 1204, 1206, 1208 y 1212, como es bien conocido en la tecnica.

[0078] El hardware 1200 funciona bajo el control de un sistema operativo 1214, y ejecuta varias aplicaciones de software de ordenador, componentes, programas, otros objetos, modulos, etc, para implementar las tecnicas descritas anteriormente. Ademas, diversas aplicaciones, componentes, programas, objetos, etc., indicados colectivamente por referencia 1216 en la FIG. 12, tambien puede ejecutarse en uno o mas procesadores en otra computadora acoplada al hardware 1200 a traves de una red 1212, por ejemplo, en un entorno informatico distribuido, mediante el cual el procesamiento requerido para implementar las funciones de un programa informatico puede asignarse a varias computadoras a traves de una red.

[0079] En general, las rutinas ejecutadas para implementar las realizaciones de la invencion pueden implementarse como parte de un sistema operativo o una aplicacion espedfica, componente, programa, objeto, modulo o secuencia de instrucciones a que se refiere como "programas de ordenador". Los programas informaticos generalmente comprenden una o mas instrucciones configuradas varias veces en varios dispositivos de memoria y almacenamiento en una computadora, y que, cuando son lefdos y ejecutados por uno o mas procesadores en una computadora, hacen que la computadora realice operaciones necesarias para ejecutar elementos que implican los diversos aspectos de la invencion. Ademas, aunque la invencion se ha descrito en el contexto de computadoras y sistemas informaticos que funcionan a pleno rendimiento, los expertos en la tecnica apreciaran que las diversas realizaciones de la invencion pueden distribuirse como un producto de programa en una variedad de formas, y que la invencion se aplica igualmente independientemente del tipo particular de medios legibles por computadora utilizados para afectar realmente la distribucion. Los ejemplos de medios legibles por computadora incluyen, entre otros, medios de tipo grabable, como dispositivos de memoria volatiles y no volatiles, disquetes y otros discos extrafbles, unidades de disco duro, discos opticos (p. ej., memoria de disco compacto de solo lectura). (CD-ROM), discos digitales versatiles (DVD), memoria flash, etc.), medios no transitorios, entre otros. Otro tipo de distribucion puede implementarse como descargas de Internet.

[0080] Alternativas. Si bien la descripcion anterior ha sido para una maquina CNC, las tecnicas son aplicables a cualquier tipo de maquina cuando se combina con un dispositivo de medicion. Mientras que un dispositivo de medicion ha sido ilustrado o ejemplificado con un dispositivo de medicion de distancia o desplazamiento por laser, otros tipos de dispositivos de medicion pueden combinarse con una maquina. Por ejemplo, un detector o dispositivo 202 de medicion electronica puede ser cualquier sensor fotoelectrico comun comercial (COTS) que use un diodo

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

laser rojo o un diodo laser infrarrojo como su senal. Como otro ejemplo, un dispositivo de medicion 202 puede medir corrientes de Foucault y asf puede proporcionar datos para la visualizacion de ciertas calidades de un material o puede determinar la distancia que podna tener tal dispositivo de medicion basado en laser. Las corrientes de Foucault son corrientes electricas inducidas dentro de un material conductor. Las corrientes de Foucault tienen inductancia e inducen campos magneticos, que a su vez pueden causar efectos de reflexion, propulsion, arrastre y calentamiento. Las corrientes de Foucault y las medidas relacionadas se miden tipicamente como un escalar y se pueden medir en un area circular de hasta 50 micrometros (0,002 pulg.) de diametro. En otro ejemplo, un dispositivo de medicion es un sensor de ultrasonido. Las distancias y otras caractensticas pueden detectarse mediante el uso de un dispositivo de ultrasonido. Otros datos de tales dispositivos de medicion pueden sincronizarse o coordinarse con mediciones basadas en la posicion o entre sf de la misma manera o similar que se describe en este documento.

[0081] La descripcion anterior tambien hace referencia a un codificador. El codificador podna ser cualquier tipo de dispositivo informatico, componente informatico, circuito, hardware, firmware, software y similares, y combinaciones de los mismos. La invencion se puede implementar alternativamente en matrices de puertas programables de campo (FPGA) y similares. La invencion abarca estas y todas las implementaciones de las tecnicas descritas en este documento.

[0082] Los sistemas como se describen en este documento son capaces de registrar o registrar solo un punto por cada pocos puntos (por ejemplo, 10, 25) que mide y entrega un sensor de desplazamiento laser. Un ejemplo de velocidad de registro es 2.048 Hz, mientras que una tasa de medicion ejemplar es 50.000 Hz. Otras tarifas son posibles. Es posible registrar cada medicion individual del sensor de desplazamiento laser y ubicarla con precision en una pieza de trabajo. La misma rutina que implica una senal de mdice mejorada que actualmente se describe para ultrasonidos y corrientes parasitas se puede utilizar para registrar cada medicion del sensor de desplazamiento laser.

[0083] Para facilitar la localizacion de cada medicion, en una implementacion, se supone que los incrementos de senal de mdice fabricados a 204.800 Hz en un patron de diente de sierra. El codificador crea la senal de mdice y la envfa a la maquina CNC. Cuando el codificador recibe una nueva medicion del sensor de desplazamiento laser, el codificador registra la medicion del sensor de desplazamiento laser y su valor actual de la senal de mdice. El CNC registra el valor de la senal de mdice y su eje a la velocidad de 2.048 Hz. Para cada evento de registro de maquina CNC, la senal de mdice ha incrementado cien unidades. Este gran incremento de mdice permite que el sistema localice cada medicion del sensor de desplazamiento del laser dentro de 1/100 de la distancia recorrida entre los eventos del CNC. Es posible localizar cada medicion del sensor de desplazamiento laser dentro de aproximadamente 0,5 micras cuando se escanea a 6 metros por minuto, 240 ipm.

[0084] Junto con los valores asociados con una cabeza de indexacion motorizada (tal como el modelo PH-10mq disponible comercialmente de Renishaw (Hoffman Estates, Illinois, EE.UU.)), es posible registrar datos de escaneo de lmea de la misma manera. Esto se hace capturando cada punto en cada ciclo de medicion en el codificador junto con un valor de mdice. La maquina CNC puede seguir y registrar la senal de mdice como se discutio. El cabezal de indexacion motorizado proporciona una orientacion lo suficientemente precisa para ubicar cada punto a lo largo del ventilador de un escaner de lmea. Nuevamente, todos los datos del escaner de lmea pueden ser registrados por el codificador junto con una senal de mdice, dando una referencia para localizar con precision cada punto de medicion desde un escaner de lmea.

[0085] Conclusion. En la descripcion anterior, para propositos de explicacion, se exponen numerosos detalles espedficos para proporcionar una comprension de la invencion. Sin embargo, sera evidente para un experto en la tecnica que la invencion puede practicarse sin estos detalles espedficos. En otros casos, las estructuras, dispositivos, sistemas y metodos se muestran solo en forma de diagrama de bloques para evitar oscurecer la invencion.

[0086] Sera evidente que las diversas modificaciones y cambios pueden hacerse a estas realizaciones sin apartarse del alcance de la invencion como se define por las reivindicaciones adjuntas. En un area de tecnologfa como esta, donde el crecimiento es rapido y no se preven facilmente otros avances, las realizaciones descritas pueden ser facilmente modificables en la disposicion y el detalle, permitiendo avances tecnologicos sin apartarse del alcance de la invencion tal como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Reivindicaciones

1. Un sistema que comprende:

un dispositivo de metrolog^a (202) unido a un brazo de herramienta operativa (108) y configurado para medicion, para un ciclo de movimiento del brazo de herramienta operativa (108) a lo largo de un recorrido programado, valores de metrologfa para una pieza de trabajo (116) asociada con una maquina de fabricacion (100) que comprende el brazo de herramienta operativa (108);

un codificador (208) configurado para convertir los valores de la metrologfa en valores de metrologfa codificados que comprenden un formato compatible con la maquina de fabricacion (100); y

un componente de ordenador (212) configurado para registrar los valores de metrologfa codificados en asociacion con los valores de coordenadas generados por la maquina de fabricacion (100) durante el ciclo de movimiento, donde los valores de coordenadas representan las posiciones u orientaciones respectivas del brazo de la herramienta operativa (108) con el tiempo para el ciclo de movimiento,

en donde el codificador (208) esta configurado ademas para generar una senal de mdice que se incrementa periodicamente en una primera frecuencia, en donde la primera frecuencia es mas alta que una segunda frecuencia en la que se registran los valores de metrologfa codificados.
2. El sistema de la reivindicacion 1, en el que los valores de metrologfa comprenden valores de distancia que representan una distancia a lo largo del tiempo entre el dispositivo de metrologfa (202) y la pieza de trabajo (116) cuando el brazo de la herramienta operativa (108) se mueve a lo largo de la trayectoria programada.
3. El sistema segun la reivindicacion 2, en el que el dispositivo de metrologfa (202) esta configurado ademas para medir los valores de distancia a traves de al menos uno de medicion optica, ultrasonico o una sonda de contacto.
4. El sistema segun la reivindicacion 1, en el que el dispositivo de metrologfa (202) esta configurado para variar una tasa de medicion de los valores de metrologfa durante el ciclo de movimiento en base a una caractenstica medida de la pieza de trabajo (116).
5. Sistema segun la reivindicacion 1, en el que el componente de ordenador (212) esta configurado ademas para aplicar un desplazamiento a al menos uno de los valores de metrologfa codificados o los valores de coordenadas para sincronizar los valores de metrologfa codificados con los valores de coordenadas.
6. El sistema de la reivindicacion 1, en el que al menos uno de los dispositivos de metrologfa (202) o el componente informatico esta configurado para filtrar los valores de metrologfa de acuerdo con un criterio de filtrado.
7. El sistema de la reivindicacion 1, en el que el componente de ordenador (212) esta configurado ademas para aplicar un valor de retardo temporal a los valores de coordenadas para facilitar la sincronizacion de los valores de coordenadas con los valores de metrologfa codificados.
8. El sistema de la reivindicacion 1, en el que el componente de ordenador (212) esta configurado ademas para registrar, en respuesta a la recepcion de un valor de metrologfa codificado de los valores de metrologfa codificados, el valor de metrologfa codificado en asociacion con un valor actual de la senal de mdice.
9. El sistema segun la reivindicacion 8, en el que el componente de ordenador (212) esta configurado ademas para registrar los valores de coordenadas en asociacion con respectivos segundos valores de la senal de mdice correspondientes a las horas en las que se generaron los valores de coordenadas.
10. Un aparato para visualizar una pieza de trabajo (116), que comprende:

una maquina de fabricacion (100) que comprende un brazo de herramienta operativa (108), en donde la maquina de fabricacion (100) esta configurada para registrar valores de coordenadas que representan al menos una de las posiciones u orientaciones del brazo de herramienta operativa (108) a un intervalo sustancialmente regular cuando el brazo de herramienta de operacion (108) atraviesa una trayectoria programada; un componente de computadora (212) configurado para registrar los valores de metrologfa medidos para una pieza de trabajo (116) por un dispositivo de metrologfa (202) cuando el brazo de herramienta operativa (108) atraviesa la trayectoria programada; y

un codificador (208) configurado para trasladar los valores de la metrologfa a un formato compatible con la maquina de fabricacion (100),

en donde el componente de ordenador (212) esta configurado ademas para sincronizar los valores de coordenadas con los valores de metrologfa y para interpolar entre valores de coordenadas consecutivos basados en un retardo de tiempo determinado asociado con el dispositivo de metrologfa (202) para facilitar la sincronizacion de los valores de coordenadas con los valores de metrologfa.
11. El aparato de la reivindicacion 10, en el que el componente de la computadora (212) esta configurado ademas para registrar los valores de metrologfa en un intervalo que es mas corto que el intervalo sustancialmente regular.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65
12. Aparato segun la reivindicacion 10, en el que el dispositivo de metrolog^a (202) comprende un dispositivo de medicion de distancia configurado para medir, como valores de metrolog^a, valores de distancia que representan distancias entre el dispositivo de metrologfa (202) y la pieza de trabajo (116).

imagen1