ES2947012T3 - Método para la autoverificación de sistemas mecatrónicos - Google Patents

Abstract

Un método para determinar el rendimiento de error volumétrico de un sistema mecatrónico (20, 20') movible que comprende: definir (31) una nube de puntos volumétrica (25) que representa el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico (20, 20'), comprendiendo dicha nube de puntos volumétrica (25) N puntos; conectar (32) un dispositivo de medición (21) al sistema mecatrónico (20, 20'); fijar (33) M puntos fiduciales (24) que rodean el sistema mecatrónico (20, 20'), en el que M>3; definir (34) un sistema de referencia común para el sistema mecatrónico (20, 20'), el dispositivo de medición (21) y los M puntos fiduciales (24); mover secuencialmente el dispositivo de medición (21) a cada uno de los N puntos de la nube de puntos volumétrica (25) y, desde cada posición en la nube de puntos volumétrica (25), obtener (35) un valor de distancia (Dij) a cada uno de los M puntos fiduciales (24); procesar dichos N x M valores de distancia Dij aplicando un enfoque de multilateración (37) para obtener (38) la coordenadas reales de cada una de las N posiciones reales a las que se ha movido el dispositivo de medición (21). Sistema de medición.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para la autoverificación de sistemas mecatrónicos

Campo técnico

La presente invención se refiere al campo de medición/verificación de sistemas mecánicos, tales como máquinas industriales ya sea para fines de producción o para manipulación donde la precisión es un requisito. Más particularmente, se refiere a métodos y sistemas para medir de manera precisa el rendimiento de posicionamiento volumétrico de sistemas mecatrónicos.

Estado de la técnica

Actualmente, existen diferentes tecnologías y métodos de medición para caracterizar los errores geométricos de un sistema mecatrónico. Estos métodos pueden dividirse en métodos directos e indirectos. Mientras que los métodos directos permiten la medición de errores mecánicos para un único eje de máquina sin la implicación de los otros ejes, las mediciones indirectas requieren el movimiento de múltiples ejes de la máquina bajo caracterización.

Como se indica por Uriarte L. et al. (Machine tools for large parts. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 2013, 62, 731-750), los métodos de medición directa permiten medir de manera separada un componente de error independientemente del modelo cinemático de la máquina y del movimiento de los otros ejes. La medición directa puede clasificarse en tres grupos diferentes de acuerdo con su principio de medición (Mutilba, U. et al., Traceability of On-Machine Tool Measurement: A Review. MDPI Sensors 2017, 17, 40): (a) Métodos basados en norma, tales como bordes rectos, escalas lineales, calibres de paso o normas ortogonales. (b) Métodos basados en láser o dispositivos multidimensionales, tales como interferómetros o barras telescópicas. Se aplican normalmente para medir las propiedades de posicionamiento de la máquina, debido a la capacidad de adecuación de la longitud de onda del láser para mediciones de longitud largas, debido a su longitud de coherencia larga. Por ejemplo, un interferómetro láser, con diferentes configuraciones de óptica, permite detectar errores de posición, geométricos y de forma. Y (c) métodos basados en gravedad que usan la dirección del vector de gravedad como una referencia metrológica, tales como niveles.

Por ejemplo, el documento US8659763B2 desvela un método y sistema para medición de máquina y pieza en una máquina de procesamiento de control numérico (NC). La máquina de procesamiento tiene un cabezal de máquina con una interfaz de cambio de husillo mecánico y eléctrico asociada para soportar un husillo de motor, de modo que la interfaz de cambio de husillo puede sustituirse por un interferómetro láser. Una pluralidad de reflectores están dispuestos en diferentes localizaciones de la máquina para permitir la medición interferométrica del haz de luz proporcionado por el interferómetro láser. De esta manera, se ejecutan mediciones lineales, ya sean paralelas al eje de movimiento o diagonales espaciales, para determinar errores geométricos de máquina.

Sin embargo, los métodos directos tradicionales consumen mucho tiempo y tienen fuertes limitaciones con respecto a la evaluación del rendimiento volumétrico de sistemas mecatrónicos grandes. De hecho, para medición de error volumétrico, la eficacia de medición directa puede ser un problema crítico. En ese sentido, los métodos indirectos tienen la ventaja de ofrecer la posibilidad de mapeo de error volumétrico rápido y fiable. Además, consumen menos tiempo que la medición directa.

Los métodos indirectos posibilitan la corrección de errores global y requieren menos tiempo que la medición directa. Están basados en el movimiento de múltiples ejes del sistema mecatrónico bajo ensayo. Hoy en día, existen diferentes procedimientos y tecnologías para caracterización indirecta del eje lineal, tal como ensayo circular, ensayo diagonal de paso, medición de artefactos y enlaces pasivos, entre otros. Por ejemplo, el documento DE10126753 A1 desvela un método para aumentar la precisión de medición de máquinas de medición de coordenadas y máquinas herramienta, en el que un interferómetro láser pivotable está montado y fijado en la mesa de la máquina. Este interferómetro sigue automáticamente un espejo triple o un denominado "ojo del gato", que está localizado en las cercanías de la sonda táctil y se hace la medición de distancia del sistema de medición interferométrico al "ojo del gato". De esta manera, pueden hacerse múltiples mediciones y procesarse matemáticamente para determinación del punto de medición mejorado. El documento DE19947374B4 desvela un enfoque de trilateración que usa tres rastreadores láser y un reflector conectado al husillo movible de una máquina herramienta. Un enfoque similar se desvela en el documento EP1658471B1, basado en un modelo cinemático del sistema multicuerpo medido. Por lo tanto, entre las diferentes técnicas disponibles para medición indirecta, se aceptan comúnmente enfoques basados en multilateración como las soluciones más precisas para verificación de rendimiento volumétrico en sistemas mecatrónicos medios y grandes, como se informa por ejemplo por Schwenke, H. et al.(On-the-fly calibration of linear and rotary axes of machine tools and CMMs using a tracking interferometer. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 2009, 58, 477-480) o por Schwenke, H. et al. (Error mapping of CMMs and machine tools by a single tracking interferometer. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 2005, 54, 475-478).

Para un enfoque basado en multilateración típico, son necesarios al menos cuatro sistemas de medición para una verificación volumétrica completa, normalmente dispuestos en cada esquina de la mesa de la máquina herramienta y fijados a ella. Sin embargo, comúnmente únicamente está disponible un dispositivo de medición, por lo que en la práctica, las mediciones de multilateración se hacen en un esquema secuencial, como sigue: se repiten movimientos de máquina varias veces y se toman mediciones desde diferentes posiciones, normalmente desde cada esquina de la mesa de la máquina herramienta, a las que se mueve secuencialmente el sistema de medición. Si, por el contrario, hubiera disponibles cuatro dispositivos de medición al mismo tiempo (que no es habitual por razones de coste, entre otras), la multilateración simultánea reduciría alguna de las limitaciones de multilateración secuencial, tal como consumo de tiempo total, el requisito de capacidad de repetición de máquina herramienta (MT) y la desviación de MT debido a la variación térmica durante el proceso de medición, como se informa por Mutilba, U. et al. (Traceability of On-Machine Tool Measurement: A Review. MDPI Sensors 2017, 17, 40). La Figura 1 muestra un despliegue convencional para calibración de máquina herramienta usando un esquema basado en multilateración, en el que un interferómetro con capacidad de seguimiento 11 está fijado a la mesa 12 y un reflector 14 está fijado al husillo 13 de sistema. La MT o máquina de medición de coordenadas (CMM) describe una trayectoria volumétrica a través de una nube de puntos volumétrica 15 y se toma una medición de distancia entre el interferómetro con capacidad de seguimiento 11 y el reflector 14. El proceso se repite al menos cuatro veces para diferentes posiciones del interferómetro con capacidad de seguimiento 11, que normalmente se colocan en esquinas diferentes del sistema. Con respecto a los dispositivos de seguimiento actualmente usados para metrología a media y gran escala en enfoques basados en multilateración, se emplean principalmente tres tipos de dispositivos de seguimiento: (a) interferómetros con capacidad de seguimiento basados en rastreadores láser optimizados, como se informa por Schwenke H. et al. (Error mapping of CMMs and machine tools by a single tracking interferometer. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 2005, 54, 475-478). (b) rastreadores láser basados en Contador de Distancia Absoluta (ADM), tal como el comercializado por Hexagon Manufacturing Intelligence (http://www.hexagonmi.com/products/laser-trackersystems/leica-absolute-tracker-at930 (accedida el 30 de noviembre de 2017) (c) rastreador láser basado en Interferómetro Absoluto (AIFM), tal como el comercializado por Hexagon Manufacturing Intelligence (http://www.hexagonmi.com/products/laser-tracker-systems/leica-absolute-tracker-at930 (accedida el 30 de noviembre de 2017).

En este contexto, se han desarrollado diferentes soluciones basándose en combinar interferómetros con capacidad de seguimiento y enfoque de multilateración para caracterización geométrica de sistemas mecatrónicos grandes en los que el rendimiento volumétrico del sistema es de interés especial. Por ejemplo, Olarra et al. (Measuring positioning accuracy of large machine tools; 2012) mostró un enfoque intermedio donde se miden componentes de error lineal con un rastreador láser basándose en multilateración secuencial. Por lo tanto, combinando los datos que provienen de diferentes sistemas de medición, se aplica multilateración para medir posiciones en 3D. Este enfoque es similar al enfoque descrito en la norma ISO 10360-2 (ISO 230-2: Test code for machine tools — Part 2: Determination of accuracy and repeatability of positioning of numerically controlled axes; 2014), en el que se emplea un artefacto calibrado para determinación de error volumétrico. Otro ejemplo de multilateración secuencial se describe por Schwenke et al. (On-the-fly calibration of linear and rotary axes of machine tools and CMMs using a tracking interferometer. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 2009, 58, 477-480). El documento US20140355002A1 desvela un método para medir errores en los árboles de alimentación lineal de una máquina herramienta de múltiples husillos usando un dispositivo de medición de longitud de láser y varios espejos reflectores unidos a una mesa de la máquina herramienta.

En suma, los métodos de multilateración actuales usan un reflector conectado al husillo del sistema mecatrónico y al menos cuatro interferómetros con capacidad de seguimiento fijados a la base del sistema mecatrónico. Además, el requisito de al menos cuatro dispositivos de medición en esquemas de multilateración ha conducido a un enfoque secuencial, que no permite realizar un proceso de verificación automático. Este enfoque tiene dos limitaciones principales:

• Los interferómetros con capacidad de seguimiento están fijados manualmente a la base del sistema mecatrónico, por lo que no está permitido el proceso de verificación automático. Además, los interferómetros con capacidad de seguimiento no pueden permanecer de manera permanente en la base del sistema mecatrónico, por lo que se montan y desmontan para cada medición.

• El esquema secuencial requiere mover al menos cuatro veces el sistema mecatrónico a cada posición de medición. El proceso de medición en consecuencia toma más tiempo. Por lo tanto, el coste de medición aumenta. Además, la incertidumbre de medición también aumenta puesto que tiene lugar desviación térmica de MT.

Descripción de la invención

El método y sistema descritos en la presente divulgación pretenden resolver las desventajas de la técnica anterior. En la presente divulgación, el posicionamiento volumétrico de un sistema mecatrónico se mide usando: un dispositivo de medición conectado al sistema mecatrónico, por ejemplo a un efector final del mismo; al menos cuatro puntos fiduciales, también denominados puntos de referencia, dispuestos en diferentes localizaciones del sistema mecatrónico, preferentemente rodeando el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico; y una nube de puntos volumétrica, también denominada malla de puntos, definida para representar el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico. El método de medición está basado en el movimiento de múltiples ejes del sistema mecatrónico, en particular, de su efector final, bajo ensayo. El dispositivo de medición está fijado preferentemente al efector final del sistema mecatrónico, cerca del punto central de la herramienta (TCP) del efector final. El sistema mecatrónico, y por lo tanto el dispositivo de medición conectado al mismo, se mueve secuencialmente a cada punto de la nube de puntos volumétrica. En cada posición del dispositivo de medición, es decir, en cada punto de la nube de puntos volumétrica, se toma una medición de distancia solo una vez desde el dispositivo de medición a cada punto fiducial fijo. Si hay, por ejemplo, M puntos fiduciales (M>3), se toman M mediciones de distancia en cada punto de la nube de puntos volumétrica.

Combinando los datos de medición obtenidos del único dispositivo de medición en diferentes puntos de la nube de puntos volumétrica a los al menos cuatro puntos fiduciales fijos, se aplica multilateración para medir posiciones en 3D con suficiente precisión. Para hacer una medición precisa, se procesa la información por medio de un algoritmo de multilateración para obtener las coordenadas XYZ espaciales de la posición del dispositivo de medición. Debe remarcarse que las orientaciones alrededor del eje XYZ pueden calcularse también por medio del mismo algoritmo de multilateración. Dependiendo del sistema mecatrónico bajo medición, la multilateración puede resolverse para medición de coordenadas XYZ, que significa que la multilateración es un ejercicio de 3 grados de libertad (d.o.f), o la multilateración puede resolverse para medición de coordenadas XYZ y orientación, que implica un ejercicio de 6 d.o.f (por ejemplo: una verificación de máquina herramienta (MT) requiere medición de posición en 3D para entender su precisión de posición en el espacio; mientras que una verificación de robot requiere medición de posición en 3D y de orientación para entender su precisión de posicionamiento y posición). Sin embargo, con fines de simplicidad, en lo sucesivo se hará referencia a una medición de 3 d.o.f. Una vez que se calculan las coordenadas medidas, se comparan con valores nominales y se deducen errores geométricos del sistema mecatrónico desde una solución analítica. El proceso de adquisición de datos completo se hace automáticamente, lo que significa que no se requiere intervención humana durante la etapa de adquisición. El método también se denomina enfoque de multilateración integrado para autoverificación/comprobación.

El sistema mecatrónico puede ser, por ejemplo, un sistema de fabricación. El sistema mecatrónico puede ser una máquina herramienta (Mt ), un sistema de movimiento multicuerpo, un robot o una máquina de medición de coordenadas (CMM), entre otros. El método de la presente divulgación es aplicable a cualquier sistema mecatrónico que pueda proporcionar movimiento de múltiples ejes, ya sea describiendo un plano o una trayectoria volumétrica, que requiere verificación o caracterización volumétrica. En particular, es adecuado para la calibración de volúmenes de trabajo mayores que 0,5 m3. Dependiendo del tipo y características del dispositivo de medición, el método de la presente divulgación puede ser adecuado para la calibración de volúmenes de trabajo de hasta 1000 m3.

En realizaciones de la invención, el dispositivo de medición puede ser uno de los siguientes: un interferómetro con capacidad de seguimiento (en inglés, tracking interferometer), un sistema de medición absoluta, tal como un contador de distancia, también denominado un distanciómetro, o una máquina de medición de coordenadas (CMM) portátil. Se destaca que el dispositivo de medición no requiere necesariamente capacidad de seguimiento o rastreo (tracking). El dispositivo de medición está fuera del alcance de la presente divulgación.

El efector final del sistema mecatrónico al que está conectado el dispositivo de medición puede ser, por ejemplo, un husillo, en cuyo caso el dispositivo de medición está directamente conectado al husillo del sistema de fabricación, preferentemente cerca del punto central de la herramienta (TCP) del husillo.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un método para determinar el error volumétrico de un sistema mecatrónico según la reivindicación 1.

En realizaciones de la invención, para cada uno de los N x M valores de distancia Dij, en el que 1 < i < N y 1 < j < M, se obtiene la siguiente ecuación:

en la que:

Dij es una medición de distancia tomada desde el punto i de la nube de puntos al punto fiducial j,

Loffset es un valor de desplazamiento inicial,

Tj es la posición de punto fiducial fijo j, y

Pi es la posición del punto i de la nube de puntos.

En realizaciones de la invención, el dispositivo de medición es un interferómetro con capacidad de seguimiento o un sistema de medición absoluta. Cuando el sistema de medición es un sistema de medición absoluta, el valor de Loffset = 0.

En realizaciones de la invención, los M puntos fiduciales están fijados en esquinas de una base del sistema mecatrónico.

En realizaciones de la invención, el sistema mecatrónico realiza movimiento de múltiples ejes.

En realizaciones de la invención, el sistema mecatrónico es una máquina herramienta o un robot.

En realizaciones de la invención, para obtener, desde cada posición en la nube de puntos volumétrica, un valor de distancia (Dij) a cada uno de los M puntos fiduciales, el dispositivo de medición está orientado secuencialmente hacia cada punto fiducial.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un sistema para determinar el error volumétrico de un sistema mecatrónico según la reivindicación 9.

En realizaciones de la invención, la pluralidad de M puntos fiduciales están fijos en las esquinas de la base del sistema mecatrónico.

En realizaciones de la invención, el sistema mecatrónico está configurado para realizar movimiento de múltiples ejes. En realizaciones de la invención, el dispositivo de medición es un interferómetro con capacidad de seguimiento o un sistema de medición absoluta.

En realizaciones de la invención, los medios de accionamiento están comprendidos en el sistema mecatrónico. En realizaciones de la invención, el sistema mecatrónico es una máquina herramienta o un robot.

A diferencia de métodos de la técnica anterior, que requerían que, para una medición similar, el dispositivo de medición se moviera varias veces a cada punto de medición, el método de la presente divulgación requiere que el dispositivo de medición, y por lo tanto el sistema mecatrónico al que está conectado, se mueva solamente una vez a cada punto de medición. Esto conduce a una reducción del tiempo de consumo total, que reduce la incertidumbre de medición puesto que se evita la desviación térmica. Además, el proceso de medición puede ejecutarse automáticamente puesto que no es necesaria intervención humana durante el proceso.

Se harán evidentes ventajas y características adicionales de la invención a partir de la descripción detallada que sigue y que se señalarán particularmente en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción y para proporcionar un mejor entendimiento de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la descripción e ilustran una realización de la invención, que no debería interpretarse como que restringe el alcance de la invención, sino simplemente como un ejemplo de cómo puede llevarse a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La Figura 1 muestra un despliegue convencional para calibración de máquina herramienta usando un esquema basado en multilateración.

Las Figuras 2A y 2B muestran respectivos despliegues para medir el posicionamiento volumétrico de un sistema mecatrónico de acuerdo con realizaciones de la presente invención. En la Figura 2A, el sistema mecatrónico es una máquina herramienta. Un interferómetro con capacidad de seguimiento está conectado al husillo de la máquina herramienta. En la Figura 2B, el sistema mecatrónico es un robot. Un interferómetro con capacidad de seguimiento está conectado al brazo robótico del robot. Cuatro puntos fiduciales están dispuestos, rodeando el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico. Una nube de puntos volumétrica se define para representar el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico.

La Figura 3 muestra un diagrama de flujo del método para determinar el error volumétrico de un sistema mecatrónico de acuerdo con realizaciones de la presente invención.

La Figura 4 muestra la incertidumbre para la nube de puntos y la Figura 5 muestra la incertidumbre para los puntos fiduciales fijos, obtenidos en un experimento.

Descripción de una manera para llevar a cabo la invención

Las Figuras 2A y 2B muestran ejemplos de aplicación del método de la invención, donde se implementa un método de medición para caracterizar los errores geométricos de un sistema mecatrónico, de acuerdo con realizaciones de la invención. En otras palabras, el método determina el posicionamiento volumétrico del sistema mecatrónico bajo consideración integrando un sistema de medición adicional conectado al propio sistema mecatrónico. En la Figura 2A, se muestra una representación simplificada de un sistema 20 mecatrónico, en particular una máquina herramienta. Más específicamente, se muestra un elemento 26 de la máquina herramienta, al que está conectado un efector 23 final de la máquina herramienta. El efector 23 final puede ser, por ejemplo, un husillo o una estructura mecatrónica donde el sistema de medición adicional puede conectarse e integrarse. También, se muestra una tabla o base 22 de la máquina herramienta 20, normalmente ocupada por la pieza o parte a mecanizarse por la máquina herramienta 20.

En la realización mostrada en la figura 2A, un interferómetro con capacidad de seguimiento 21 está conectado al efector 23 final (por ejemplo husillo) de la máquina herramienta 20 y cuatro puntos fiduciales (por ejemplo reflectores) 24 están fijados a respectivas esquinas de la base 22 de la máquina herramienta. La malla de puntos 25 representa la trayectoria volumétrica del interferómetro con capacidad de seguimiento 21. Con otras palabras, la nube de puntos volumétrica 25 representa los puntos a los que se mueve secuencialmente el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 para obtener mediciones de distancia a los cuatro reflectores 24. Los cuatro reflectores 24 están localizados por lo tanto fuera del volumen definido por la nube de puntos 25. Suponiendo que la malla de puntos 25 está formada por N puntos, siendo N un número natural, el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 se mueve N veces, una vez hacia cada uno de estos N puntos. El interferómetro con capacidad de seguimiento 21 está fijado preferentemente cerca del punto central de la herramienta (TCP) del husillo 23. El método está basado en el movimiento de múltiples ejes del sistema mecatrónico 20 bajo ensayo. Es destacable que el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 tiene 3 grados de libertad, por lo que puede hacer el trabajo de rastreo y apunte a los reflectores 24 dinámicamente, sin intervención humana. En otras palabras, una vez que la máquina herramienta 20 (y por lo tanto el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 conectado a la misma) se coloca en cada punto N, el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 se orienta secuencialmente hacia cada uno de los M puntos fiduciales y, en cada orientación, mide la distancia entre el punto (N) y el punto fiducial (M). Significa que no se requiere requisito especial con respecto a los grados de libertad en el lado del sistema mecatrónico 20 para conectar el sistema 21 adicional. Puede requerirse una interfaz mecatrónica para la conexión del interferómetro con capacidad de seguimiento 21 al efector final 23. La aplicación del despliegue de medición mostrado no está limitada a máquinas herramienta. En su lugar, cualquier sistema mecatrónico, tal como un robot o una máquina de medición de coordenadas, podría medirse en su lugar.

La Figura 2B muestra otro sistema mecatrónico 20', en particular un robot, que puede medirse usando un despliegue similar. En este caso, el sistema de medición (interferómetro con capacidad de seguimiento 21) está conectado al extremo libre del brazo robótico 23'. Como en la Figura 2A, se muestra una tabla o base 22, normalmente ocupada por la pieza o parte a operarse por el robot 20', y cuatro puntos fiduciales (por ejemplo reflectores) 24 están fijados a respectivas esquinas de la base 22. La malla de puntos 25 mostrada representa la trayectoria volumétrica del interferómetro con capacidad de seguimiento 21, es decir, los puntos a los que se mueve secuencialmente el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 para obtener mediciones de distancia a los cuatro reflectores 24. Los cuatro reflectores 24 están localizados por lo tanto fuera del volumen definido por la nube de puntos 25. Usando la misma terminología que anteriormente, suponiendo que la malla de puntos 25 está formada por N puntos, el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 se mueve N veces, una vez a cada uno de estos N puntos. El interferómetro con capacidad de seguimiento 21 está fijado preferentemente cerca del punto central de la herramienta (TCP) del brazo robótico 23'. Como en la Figura 2A, la tarea de rastreo y apunte realizada por el interferómetro con capacidad de seguimiento 21 se hace dinámicamente, sin intervención humana.

El método para medir el posicionamiento volumétrico del sistema mecatrónico 20, 20' aplicando un enfoque de multilateración integrado se describe a continuación con referencia al diagrama de flujo de la Figura 3. Dependiendo de las características del dispositivo de medición 21 (que se ha implementado con un interferómetro con capacidad de seguimiento en las Figuras 2A-2B), el método puede medir volúmenes mayores que 0,5 m3 hasta volúmenes de trabajo de hasta 1000 m3. Un experto en la materia entenderá que el desarrollo de la tecnología puede permitir la medición de volúmenes incluso mayores.

En primer lugar, se define una nube de puntos volumétrica 25 para representar el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico 20, 20'. Esto se representa en el recuadro 31 de la Figura 3. El número N de puntos que definen la nube de puntos en 3D 25 puede depender del tamaño del volumen a medirse y puede seleccionarse en acuerdo entre el usuario y el operador de medición en cada caso. Por lo tanto, en realizaciones de la invención, la distancia entre puntos adyacentes en la nube de puntos en 3D 25 puede variar dependiendo del tamaño del volumen a medirse, para no superar un cierto umbral de puntos total para limitar la cantidad de tiempo dedicado a las mediciones (etapa de adquisición). Por ejemplo, puede imponerse que N < 2000, tal como N < 1000, o N < 500, o N < 300, o N < 200, o N < 100, o N < 50. Un experto en la materia entenderá que el número N de puntos puede ser mayor que 2000, por ejemplo, si los medios computacionales para adquisición de datos tienen capacidad suficiente para adquirir datos en un tiempo razonable, por ejemplo en una hora. Por ejemplo, si el volumen a medirse varía entre 0,5 m3 y 3 m3, la distancia entre puntos adyacentes puede variar entre 50 y 200 mm (1 mm = 10-3 m), tal como una distancia de aproximadamente 100 mm para un volumen de aproximadamente 1 m3. En otro ejemplo, si el volumen a medirse varía entre 3 m3 y 7 m3, la distancia entre puntos adyacentes puede variar entre 180 y 300 mm, siendo dicha distancia por ejemplo de 200 mm. En otro ejemplo, si el volumen a medirse es mayor que 7 m3, por ejemplo entre 7 m3 y 20 m3, la distancia entre puntos adyacentes puede variar entre 300 y 800 mm, siendo dicha distancia por ejemplo de 500 mm. Con respecto a la forma de la nube de puntos 25, puede preverse cualquier forma. En las realizaciones de la invención, la nube de puntos 25 puede describirse como un poliedro de seis caras cuadriláteras, tal como paralelepípedo rectangular o un cubo.

A continuación, un dispositivo de medición 21 se conecta al efector final 23 del sistema mecatrónico 20 (figura 2A) o al brazo robótico 23' del sistema mecatrónico 20' (figura 2B), preferentemente fijado cerca del punto central de la herramienta (TCP) del efector final o brazo robótico, como se representa en el recuadro 32 de la Figura 3. También, al menos 4 reflectores 24 (4 reflectores en las Figuras 2A-2B) están dispuestos (recuadro 33) rodeando el sistema mecatrónico 20, 20', por ejemplo en las esquinas de la base 22, y por lo tanto en un mismo plano, de tal manera que el volumen virtual definido por la proyección vertical de dicha base 22 es mayor que el volumen definido por la nube de puntos 25. Con otras palabras, el volumen virtual definido por la proyección vertical de la base 22 contiene la nube de puntos en 3D 25. Como alternativa, uno de los reflectores 24 puede estar dispuesto fuera del plano delimitado por la base 22. La conexión del dispositivo de medición 21 y/o la conexión de los reflectores 24 puede hacerse antes de definir la nube de puntos volumétrica 25.

A continuación, como se muestra en el recuadro 34 de la Figura 3, se define un sistema de referencia común para el sistema mecatrónico 20, 20', el dispositivo de medición 21 montado en él y los puntos fiduciales fijos (reflectores) 24. Esta etapa 34 puede verse como que realiza una calibración del escenario de medición, en el que se resuelve el problema de cómo apuntar desde cada posición (N posiciones) alcanzadas por el dispositivo de medición 21 a cada punto fiducial 24. Esto puede hacerse usando los datos de nube de punto nominal u opcionalmente usando un segundo dispositivo de medición en 3D (no mostrado en las Figuras 2A-2B), tal como un segundo interferómetro con capacidad de seguimiento o el integrado 21 antes de su conexión al sistema mecatrónico 20, 20', usado desde fuera del sistema mecatrónico 20, 20' y alineado con el sistema de medición 21 integrado para calibrar el escenario de medición. Por lo tanto, se define un sistema de referencia común para el sistema mecatrónico 20, 20', el dispositivo de medición 21 montado en él y la pluralidad de puntos fiduciales fijos (reflectores) 24. El establecimiento de un sistema de referencia común permite sincronizar (recuadro 35) el movimiento del sistema mecatrónico 20, 20' y el proceso de adquisición de datos. Esto hace el proceso de adquisición (descrito a continuación) automático, lo que significa que no se requiere activación humana durante la etapa de adquisición.

A continuación, se realiza la adquisición de datos, como se representa en el recuadro 36 de la Figura 3. Como se ha mencionado, el proceso de adquisición de datos está preferentemente sincronizado (recuadro 35) con el movimiento del sistema mecatrónico 20, 20', de tal manera que no se requiere intervención humana, tal como activar el proceso, durante el proceso de adquisición. Maneras no limitantes de sincronizar el proceso de adquisición de datos y el movimiento del sistema mecatrónico son usar una indicación de tiempo, una señal de reloj o cualquier otra información de activador.

Para medir el rendimiento volumétrico del sistema mecatrónico 20, 20', o más precisamente para determinar el error volumétrico del sistema mecatrónico 20, 20', el dispositivo de medición 21 se mueve a cada uno de los N puntos que forman la nube de puntos 25. El objetivo del método es entonces determinar dónde se ha detenido realmente el sistema mecatrónico 20, 20' (o en su lugar, su efector final 23 o brazo robótico 23'), en comparación con su destino ideal/nominal (los respectivos puntos de la nube de puntos 25). Una vez que es conocida la localización real del sistema mecatrónico, es posible calcular la desviación con respecto a la localización ideal y por lo tanto compensar, ajustar o calibrar el sistema mecatrónico. El método de la presente divulgación calcula tal desviación siguiendo la ecuación:

Desviación = Real - nominal

El proceso de adquisición de datos (recuadro 36) es como sigue: El sistema mecatrónico 20, 20' se mueve a cada punto de la malla de puntos en 3D 25, de tal manera que el dispositivo de medición 21 se lleva secuencialmente a cada uno de los N puntos de la nube de puntos 25. En cada posición del dispositivo de medición 21, se mide una distancia lineal desde el dispositivo de medición 21 a cada punto 24 fiducial. No se toma medición angular. En otras palabras, si hay M puntos 24 fiduciales, M > 3, para cada una de las N posiciones alcanzadas por el dispositivo de medición 21, se toman M mediciones de la distancia lineal. Si M = 4, se toman 4 mediciones de cada punto de la nube de puntos 25. La nube de puntos 25 completa se mide automáticamente. Se obtiene un conjunto de N x M mediciones lineales (un conjunto de distancias Dij, en el que 1 < i < N y 1 < j < M). Cada distancia Dij representa un valor o magnitud entre el dispositivo de medición 21 en el punto i y el punto fiducial 24 j.

A continuación, necesitan calcularse las coordenadas reales (XYZ) de cada una de las N localizaciones reales del dispositivo de medición 21. Esto se hace como sigue, a partir de las N x M mediciones lineales (Dij) y aplicando un enfoque de multilateración.

Se emplea un enfoque basado en multilateración (recuadro 37 de la Figura 3) para procesar los datos obtenidos y obtener las coordenadas XYZ espaciales (posicionamiento en 3D) de cada punto que comprende la nube de puntos 25. En otras palabras, el enfoque basado en multilateración permite obtener información en 3D para posicionamiento de espacio de cada punto N comprendido en la nube de puntos 25. El resultado de la multilateración es un conjunto de N coordenadas (XYZ) espaciales que representan el posicionamiento volumétrico verdadero (real) del sistema mecatrónico 20, 20'. Después de eso, los datos verdaderos obtenidos (datos reales) se comparan con datos nominales para determinar el error volumétrico del sistema mecatrónico 20, 20'.

El enfoque de multilateración hace uso de las mediciones de distancia Dij obtenidas previamente para determinar la posición en 3D de cada punto. Cada punto de medición que forma la nube de puntos 25 tiene tres valores desconocidos (XYZ) y un único valor conocido (el valor de distancia medida). Esta es la razón por la que el proceso de medición (proceso de adquisición) se repite al menos cuatro veces desde los respectivos puntos externos fijos 24. Además, cada punto externo fijo 24 añade tres valores (XYZ) desconocidos puesto que sus posiciones en 3D reales también son desconocidas. Si el sistema de medición 21 emplea interferometría, deberá considerarse un valor desconocido adicional debido al desplazamiento (offset) inicial de cualquier sistema interferométrico. Sin embargo, si se emplea un sistema de medición absoluta, no se considera el desplazamiento (offset) puesto que se obtienen valores absolutos.

Como ya se ha mencionado, la multilateración puede resolverse no únicamente para medición de coordenadas XYZ (3 grados de libertad), como es el caso por ejemplo de una máquina herramienta, sino también para coordenadas XYZ y medición de orientación (6 d.o.f.), como es el caso por ejemplo de un robot.

De esta manera, para cada uno de los N puntos que forman la nube de puntos 25 y para cada uno de los M puntos fiduciales 24, se obtiene la siguiente ecuación general:

en la que:

Dij es una medición de distancia tomada desde el punto i de la nube de puntos al punto fiducial j, y hay por lo tanto N x M mediciones de distancia puesto que N es el número de puntos en la nube 25, 1 < i < N, y M es el número de puntos fiduciales 24, 1 < j < M,

Loffset es un valor de desplazamiento (offset) inicial para cualquier medida basada en interferometría, puesto que los interferómetros miden valores relativos. Si se usa un sistema de medición absoluta, Loffset = 0.

Tj es la posición de punto fiducial fijo j, 1 < j < M, y

Pi es la posición del punto i de la nube de puntos, 1 < i < N.

El sistema a resolver es un sistema de ecuaciones sobredeterminado, por lo que el resultado se minimiza matemáticamente. El error volumétrico del sistema mecatrónico 20, 20' se determina por lo tanto (recuadro 38 de la Figura 3) obteniendo los datos de espacio real frente a los nominales.

Un experto en la materia entenderá que, a diferencia de las soluciones convencionales basadas en combinar interferómetros con capacidad de seguimiento y enfoque de multilateración para caracterización geométrica de sistemas mecatrónicos grandes, en la invención presentada la capacidad de rastreo de la medición de distancia absoluta o relativa no es necesaria para la ejecución de la medición. Como se describe en la Figura 3, en la invención actual la secuencia de medición es diferente de la secuencia de multilateración tradicional, en la que se requería capacidad de rastreo o seguimiento para rastrear el movimiento del reflector (conectado al husillo) en el volumen de medición. En la invención actual, en lugar de un dispositivo de rastreo o seguimiento, puede usarse un dispositivo de medición de distancia absoluta o relativa, ayudado por ejemplo por un sistema de control numérico informático (CNC). Un sistema de medición de distancia basado en CNC es más sencillo que un sistema de interferómetro de seguimiento, ya sea rastreador láser o trazador láser, que ya incluye la opción de CNC.

A continuación, se describe un experimento. Un interferómetro con capacidad de seguimiento LEICA AT402 absoluto se ha conectado a un robot industrial KUKA KR60 en un escenario como el mostrado en la Figura 2B. Se han definido N=24 puntos como la nube de puntos volumétrica a medirse. Se han definido M=4 puntos fiduciales que rodean el robot. Se ha empleado un segundo rastreador láser para definir un sistema de referencia común para el sistema mecatrónico 20' (robot industrial), el interferómetro con capacidad de seguimiento absoluto montado en él y los puntos fiduciales fijos (reflectores). Se ha realizado el método de la invención, de tal manera que el robot industrial se mueve secuencialmente a cada uno de los 24 puntos y, una vez en cada punto, el interferómetro con capacidad de seguimiento absoluto se ha orientado hacia cada uno de los 4 puntos fiduciales. Para cada una de las N posiciones, se ha realizado adquisición de datos en cada orientación (es decir, 4 veces por posición). La adquisición de datos completa (4x24= 96 mediciones) toma 8 minutos. Para validar el proceso, se ha realizado análisis de incertidumbre a través de una simulación monte-carlo y empleando el modelo de error de interferómetro con capacidad de seguimiento absoluto (8 micrómetros como incertidumbre de longitud fija). La Figura 4 muestra la incertidumbre para la nube de puntos y la Figura 5 muestra la incertidumbre para los puntos fiduciales fijos. Las incertidumbres se expresan para un factor de cobertura (k=2). Ambas figuras muestran las incertidumbres para la dirección X, Y y Z como Ux, Uy y Uz, respectivamente.

En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tales como "que comprende", etc.) no deberían entenderse en un sentido exclusivo, es decir, estos términos no deberían interpretarse como que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir elementos adicionales, etapas, etc.

La invención evidentemente no está limitada a la realización o realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualesquiera variaciones que puedan considerarse por un experto en la materia (por ejemplo, con respecto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un método para determinar el error volumétrico de un sistema mecatrónico (20, 20'), que comprende: definir (31) una nube de puntos volumétrica (25) que representa el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico (20, 20'), comprendiendo dicha nube de puntos volumétrica (25) N puntos;

colocar (32) un dispositivo de medición (21) en el sistema mecatrónico (20, 20');

fijar (33) M puntos fiduciales (24) rodeando el sistema mecatrónico (20, 20'), donde M>3;

definir (34) un sistema de referencia común para el sistema mecatrónico (20, 20'), el dispositivo de medición (21) y los M puntos fiduciales (24);

estando el método caracterizado por:

mover secuencialmente el dispositivo de medición (21) a cada uno de los N puntos de la nube de puntos volumétrica (25) y, desde cada punto en la nube de puntos volumétrica (25), orientar secuencialmente el dispositivo de medición (21) a cada uno de los M puntos fiduciales (24) y, en cada orientación, obtener (36) un valor de distancia (Dij) del punto actual a cada uno de los M puntos fiduciales (24), de manera que el sistema mecatrónico (20, 20') y por lo tanto, el dispositivo de medición (21) se mueve solo una vez a cada uno de los N puntos de la nube volumétrica (25);

procesar dichos N x M valores de distancia Dij aplicando un enfoque de multilateración (37) para obtener (38) la coordenadas reales de cada una de las N posiciones reales a las que se ha movido el dispositivo de medición (21).

2. El método de la reivindicación 1, en el que para cada uno de los N x M valores de distancia Dij, en donde 1 < i < N y 1 < j < M, se obtiene la siguiente ecuación:

en la que:

Dij es una medición de distancia tomada desde el punto i de la nube de puntos al punto fiducial j,

Loffset es un valor de desplazamiento inicial,

Tj es la posición de punto fiducial fijo j, y

Pi es la posición del punto i de la nube de puntos.

3. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicho dispositivo de medición (21) es un interferómetro con capacidad de seguimiento o un sistema de medición absoluta.

4. El método de las reivindicaciones 2 y 3, en el que el sistema de medición es un sistema de medición absoluta, en cuyo caso el valor de Loffset = 0.

5. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dichos M puntos fiduciales (24) están fijados en esquinas de una base (22) del sistema mecatrónico (20, 20').

6. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dicho sistema mecatrónico (20, 20') realiza movimiento de múltiples ejes.

7. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que dicho sistema mecatrónico (20, 20') es una máquina herramienta (20) o un robot (20').

8. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que la etapa de definir (34) un sistema de referencia común para el sistema mecatrónico (20, 20'), el dispositivo de medición (21) y los M puntos fiduciales (24) comprende usar un segundo dispositivo de medición en 3D.

9. Un sistema de medición para determinar el error volumétrico de un sistema mecatrónico (20, 20'), comprendiendo el sistema de medición:

medios para definir una nube de puntos volumétrica (25) que representa el espacio de trabajo volumétrico del sistema mecatrónico (20, 20'), comprendiendo dicha nube de puntos volumétrica (25) N puntos;

un primer dispositivo de medición (21) conectable al sistema mecatrónico (20, 20');

una pluralidad de M puntos fiduciales (24) que rodean el sistema mecatrónico (20, 20'), en el que M>3;

un segundo dispositivo de medición para definir un sistema de referencia común para el sistema mecatrónico (20, 20'), el primer dispositivo de medición (21) y la pluralidad de M puntos fiduciales (24);

estando el sistema de medición caracterizado por que comprende además:

medios de accionamiento para mover secuencialmente el dispositivo de medición (21) a cada uno de los N puntos de la nube de puntos volumétrica (25) y, desde cada punto en la nube de puntos volumétrica (25), orientar secuencialmente el dispositivo de medición (21) a cada uno de los M puntos fiduciales (24) y, en cada orientación, obtener (36) un valor de distancia (Dij) del punto actual a cada uno de los M puntos fiduciales (24), de manera que el sistema mecatrónico (20, 20') y por lo tanto, el dispositivo de medición (21) se mueve solo una vez a cada uno de los N puntos de la nube volumétrica (25);

medios de procesamiento para procesar dichos N x M valores de distancia Dij aplicando un enfoque (37) de multilateración para obtener (38) las coordenadas reales de cada una de las N posiciones reales a las que se ha movido el dispositivo de medición (21).

10. El sistema de medición de la reivindicación 9, en el que dicha pluralidad de M puntos fiduciales (24) están fijados en las esquinas de la base (22) del sistema mecatrónico (20, 20').

11. El sistema de medición de cualquier reivindicación anterior 9-10, en el que dicho sistema mecatrónico (20, 20') está configurado para realizar movimiento de múltiples ejes.

12. El sistema de medición de cualquier reivindicación anterior 9-11, en el que dicho dispositivo de medición (21) es un interferómetro con capacidad de seguimiento o un sistema de medición absoluta.

13. El sistema de medición de cualquier reivindicación anterior 9-12, en el que dichos medios de accionamiento están comprendidos en el sistema mecatrónico (20, 20').

14. El sistema de medición de cualquier reivindicación anterior 9-13, en el que dicho sistema mecatrónico (20, 20') es una máquina herramienta (20) o un robot (20').