ES2965447T3 - Procedimiento y aparato para medir el error de rectitud de cuerpos delgados con compensación de deformación por gravedad - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un aparato y un método relativo para medir errores de rectitud de elementos de forma alargada, tales como barras, tubos y similares. El aparato de medición (1) comprende un sistema de soporte (3) para una barra, un primer sistema de detección (5) que tiene uno o más primeros sensores (6) para detectar el desarrollo del eje longitudinal de la barra, y una unidad de control central. (9). El aparato de medición comprende además un segundo sistema de detección (7) provisto de una pluralidad de segundos sensores (7A) para detectar las fuerzas que la barra aplica al sistema de soporte (3) y medios de adquisición (10) para adquirir al menos un parámetro físico de la barra bajo medición. La unidad de control central (9) comprende al menos un módulo de adquisición y procesamiento de datos (9') para adquirir y procesar los datos detectados por dichos sistemas de detección primero y segundo (5, 7) y adquiridos por dichos medios de adquisición, con el fin de determinar el posible error de rectitud de la barra (2). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y aparato para medir el error de rectitud de cuerpos delgados con compensación de deformación por gravedad
Campo de la invención
La presente invención se refiere generalmente al sector de los aparatos de medición y, en particular, a un procedimiento y a un aparato para medir errores de rectitud de elementos de forma alargada, típicamente árboles, barras o tubos. Preferentemente, se trata de elementos fabricados con materiales metálicos y la medición se produce durante su ciclo de producción.
Estado de la técnica
En el sector de producción de barras, en particular, de material metálico, y más concretamente en el embutido de latón, aluminio y acero, existen procedimientos conocidos para medir la rectitud del producto terminado y para determinar la presencia de posibles errores de rectitud de productos en forma de barra y similares, también llamado deflexión. En otras palabras, es necesario detectar si la barra bajo examen tiene algún error de rectitud, es decir, no es recta sino que presenta una o más curvaturas a lo largo de su eje longitudinal, y medir estos errores para determinar si la barra cumple o no con los estándares cualitativos predefinidos.
Según un procedimiento tradicional, el error de rectitud se mide colocando la barra bajo examen sobre dos cojinetes, haciéndolo girar 360° y midiendo, mediante un comparador, al nivel de una sección seleccionada normalmente a medio camino entre los dos apoyos, la variación máxima de comba del punto correspondiente a la generatriz superior. A continuación, el valor medido debe dividirse por dos. La medida básica viene dada por la distancia al apoyo. Aunque es muy preciso y no se ve intrínsecamente afectado por los errores de medición causados por la deformación debido a la fuerza de gravedad que actúa sobre la barra, es muy lento y, por lo tanto, inadecuado para ser implementado en la línea de producción, donde los tiempos de ciclo son demasiado cortos; en particular, las actuales plantas procesadoras, por ejemplo, en el sector del latón, procesan paquetes a una velocidad de aproximadamente 60-120 m/min, por lo tanto, se producen barras terminadas de una longitud de 3 a 5 m con una frecuencia de una barra cada 1-3 segundos. Sin embargo, la técnica mencionada requiere tiempos de medición mucho más largos y, por lo tanto, solo se utiliza tradicionalmente para comprobar muestras al lado de la línea.
Con el tiempo, se desarrollaron otros sistemas para medir la ondulación del material en la línea; estos sistemas utilizan uno o más sensores láser que miden la distancia entre la barra y un plano de referencia conocido y así determinan algunos índices de ondulación de la propia barra. Sin embargo, estos sistemas están diseñados para detectar la ondulación del material antes de cortarlo en barras y, por lo tanto, no se usa con frecuencia, o incluso no se usa, una vez que se aumenta la velocidad de producción, debido a deformaciones y oscilaciones del material provocadas por la velocidad y el sistema de accionamiento; asimismo, estos sistemas miden el material antes de cortarlo en barras y someterlo a una fuerza de tracción longitudinal, por lo tanto, no se tiene en cuenta el efecto del procedimiento de corte en el producto acabado ni se proporcionan indicaciones sobre el efecto de la tensión residual en el material, que puede deformar la barra tras el procedimiento de corte.
Otros sistemas de medición, utilizados para estimar la curvatura del material, utilizan múltiples sensores de contacto acoplados a una superficie de rodadura adecuada, pero, de manera desventajosa, solo se pueden utilizar en condiciones de medición bien controladas y son difíciles de adaptar a la medición de barras con secciones que no son redondas; asimismo, estos sistemas a menudo implican errores de medición causados por, por ejemplo, fricción y rodamiento impredecible del material, ajustes mecánicos o desgaste de los componentes; por lo tanto, además estos sistemas no son muy eficaces a la hora de realizar controles dimensionales en la línea de producción. Asimismo, estos sistemas miden la magnitud del error de rectitud del material, pero estas medidas son siempre indirectas y no pueden proporcionar con precisión la medida efectiva del error de rectitud del material.
También se propusieron dispositivos que utilizan sensores ópticos, pero estos no, sin embargo, proporcionan resultados satisfactorios en términos de precisión y exactitud de la medición realizada; en particular, todas las soluciones propuestas actualmente conocidas no proporcionan una compensación de los errores de medición causados intrínsecamente por la deformación de la barra generada por la fuerza de gravedad que actúa sobre la propia barra, errores que progresivamente pueden llegar a ser muy importantes para materiales que poco a poco se vuelven más finos y flexibles.
Por ejemplo, el documento WO2006138228 A1 se refiere a un aparato para medir los errores de rectitud de barras y que permite adquirir una secuencia de pares de imágenes junto a al menos tres secciones diferentes de una barra, para estimar la posición del centro de cada sección. Preferentemente, el par de imágenes se adquieren desde direcciones ortogonales entre sí, o en algún ángulo entre sí. En cualquier caso, es necesario tener un par de sensores en cada sección de la barra a medir, lo que requiere la presencia de un elevado número de sensores de medición, al menos seis sensores en una configuración mínima y sin conseguir una medición especialmente precisa. Asimismo, la presencia de solo dos medidas para cada sección no permite obtener una estimación particularmente precisa de la posición central real de la sección de barra analizada; asimismo, la determinación de este centro solo es precisa en el caso de cuerpos circulares, basándose la medición esencialmente en una proyección de sombra y no en el estudio efectivo de la geometría de la sección del material. Asimismo, el sistema no compensa los efectos de la gravedad sobre la barra y, por lo tanto, es extremadamente impreciso en el caso de cuerpos esbeltos con geometrías que solo pueden deformarse fácilmente por la fuerza de su propio peso.
El documento JP S6171307 A se refiere a un sistema para medir la curvatura de un material a medir, sostenido en voladizo por un par de rodillos, a través de al menos tres pares de detectores de distancia dispuestos a distancias predeterminadas en la dirección longitudinal del material. La curvatura del material a medir se calcula en función de las distancias detectadas por estos sensores. Además de presentar los mismos problemas del aparato según el documento WO2006138228 A1, el hecho de que el tubo esté sujeto en voladizo puede provocar una mayor flexión del tubo debido a su peso. Asimismo, este sistema puede medir defectos de rectitud en una sola dirección y es completamente inadecuado para ser utilizado en la línea de producción.
Finalmente, el documento EP1447645 A1 se refiere a un dispositivo para comprobar la rectitud de elementos alargados, tales como barras, basándose en una comparación de imágenes detectadas por al menos dos detectores. Para las operaciones de este sistema, es necesario comparar las imágenes detectadas con las imágenes adquiridas por el mismo dispositivo en caso de una barra de referencia, que se presume libre de errores de rectitud. Por lo tanto, el sistema no puede detectar si la barra de referencia está efectivamente libre de errores de rectitud; asimismo, un sistema de este tipo no es muy flexible dada la necesidad de tener la imagen de una barra de referencia correspondiente para poder evaluar una barra.
Soluciones más recientes, como la propuesta en la solicitud de patente n.° EP3093611A2 del mismo solicitante, han abordado el problema relacionado con la compensación de los efectos de la gravedad actuando principalmente de forma mecánica, mediante un sistema de soporte de barras, para intentar aplicar contraempujes al cuerpo esbelto que se está midiendo y que sean capaces, dentro de ciertos límites, de equilibrar la deformación provocada por la fuerza de gravedad que actúa sobre la propia barra. Sin embargo, estas soluciones todavía tienen limitaciones de uso práctico y, más específicamente, requieren una configuración a menudo no tan sencilla del sistema de soporte de la barra en función de la longitud del cuerpo a medir; además se basa en un sistema de equilibrio de empuje y contraempuje en la barra, por lo que se requieren tiempos de ajuste bastante largos antes de alcanzar el equilibrio necesario para realizar la medición. Por lo tanto, estos pueden no siempre ser compatibles con los tiempos de ciclo disponibles en las plantas de producción de ciclo continuo.
Otros sistemas proporcionan el uso de medios de detección de peso.
Específicamente, la solicitud de patente estadounidense n.° US 2017/284798 A1 se refiere a un dispositivo para medir la rectitud de una pieza en forma de árbol y que incluye un soporte para la pieza, en el que el soporte tiene más secciones. Cada sección tiene una superficie de soporte provista de un sensor de fuerza para medir la fuerza que la pieza aplica sobre la superficie de soporte en una dirección que se extiende esencialmente transversalmente con respecto a la aceleración de la gravedad, para poder mover la sección de soporte para compensar el peso de la pieza.
El documento JP 2005300298 A, por otro lado, se trata de una herramienta para medir la curvatura de una barra, que tiene una placa con una superficie plana y una pluralidad de marcos combinados con la placa y espaciados en un intervalo determinado. El árbol a medir se dispone sobre los marcos y se enrolla para realizar la medición de la curvatura.
Objeto y sumario de la invención
La presente invención fue concebida con el objeto de superar los inconvenientes de la técnica conocida descrita anteriormente, al proponer un aparato y un procedimiento relativo para detectar y medir el error de rectitud de cuerpos delgados una vez cortados en barras, árboles y tubos de longitud variable y similares, y que pueden utilizarse directamente en líneas de producción, por ejemplo, del tipo de embutición, enrollado, extrusión, etc.
Otro objeto es proponer un aparato y un procedimiento adaptados para medir el error de rectitud de cuerpos delgados de cualquier sección geométrica, por ejemplo, redondo, hexagonal, plano, etc. y de cualquier longitud.
Otro objeto es proporcionar un aparato y un procedimiento capaces de compensar la deformación del cuerpo delgado, generado por la fuerza de gravedad que actúa sobre el propio cuerpo.
Aún otro objeto es proponer un aparato y un procedimiento que permitan tiempos de medición extremadamente reducidos, en virtud de la ausencia total de elementos mecánicos móviles y/o basculantes y/o flotantes de soporte de la barra.
Estos objetos se logran con un aparato para medir los errores de rectitud de cuerpos delgados, tales como barras, árboles, tubos, etc., nombrados barras en breve, de acuerdo con la reivindicación 1.
En particular, el aparato de medición comprende un sistema de soporte de barra que tiene una pluralidad de elementos de soporte, que permanecen estáticos durante el ciclo de medición de cada barra y sobre las cuales se dispone la barra, para permanecer estable en equilibrio estático durante el ciclo de medición, un primer sistema de detección para detectar las geometrías tridimensionales de la barra, un segundo sistema de detección para detectar vectores de las fuerzas que actúan sobre la barra, medios de adquisición para adquirir al menos un parámetro físico de la barra que se está midiendo cada vez y una unidad de control y procesamiento que recibe y procesa los datos adquiridos por dichos sistemas de detección y medios de adquisición. El sistema de soporte es, por lo tanto, estático durante la etapa de medición de la barra; en otras palabras, los soportes no están sujetos a ningún movimiento de traslación durante cada medición. Asimismo, se pueden trasladar uno respecto del otro entre diferentes ciclos de medición, por ejemplo, para estar dispuestos a una distancia compatible con la longitud y el tamaño de la propia barra. Además, y preferentemente, el sistema de soporte no está sujeto a oscilaciones y no, de todos modos, se inclina. Ciclo de medición significa todas las etapas necesarias para realizar una medición de rectitud de una sola barra.
Preferentemente, los medios para adquirir al menos un parámetro físico de la barra se combinan con medios para almacenar dicho parámetro y están estructurados específicamente para adquirir y almacenar al menos el módulo de elasticidad de la barra que se está midiendo. Estos medios podrían adaptarse para adquirir y almacenar otros parámetros, tal como el tamaño, forma teórica, tipo de material y densidad del material de la barra que se mide cada vez.
Preferentemente, los medios para adquirir un parámetro físico de la barra comprenden una interfaz que tiene medios para ingresar el dato o datos de interés. Estos datos pueden ser introducidos manualmente por un usuario o enviados al medio de adquisición por la misma planta de producción de barras situada delante del aparato de medición, dependiendo del tipo de barra que se produzca en cada momento.
Como alternativa o además, los medios para adquirir al menos un parámetro pueden comprender medios físicos adaptados para detectar y obtener el parámetro de interés a partir de la propia barra. En una implementación particularmente preferida, dichos medios pueden comprender un elemento adaptado para provocar deformaciones en la barra y medios de cálculo para obtener la constante de rigidez de la barra basándose en las deformaciones provocadas. La deformación de la barra se puede obtener moviendo al menos un elemento de soporte de cantidades conocidas, por ejemplo, antes de realizar la medición, y midiendo las diferentes deformaciones basándose en la variación de la posición del elemento de soporte para obtener la rigidez constante.
Ventajosamente, el primer sistema de detección adquiere las coordenadas de una pluralidad de puntos en la superficie de la barra junto a una pluralidad de secciones transversales de la propia barra. La unidad de control y procesamiento está programada para calcular la posición del centro geométrico efectivo de cada sección detectada, a partir de las coordenadas de los puntos antes mencionados. Preferentemente, el primer sistema de detección adquiere las coordenadas de los puntos próximos a al menos tres secciones diferentes de la barra. En una solución particularmente preferida, las posiciones de los elementos de soporte de la barra, referido al sistema de coordenadas típico del sistema de detección del desarrollo del eje longitudinal de la barra, también se adquieren.
Preferentemente, el segundo sistema de detección mide las fuerzas que la barra aplica a cada uno de los elementos de soporte, que actúan como limitaciones de la posición de la propia barra y, en particular, el módulo y la dirección de la fuerza aplicada a la barra al lado de cada uno de estos elementos de soporte.
A partir del desarrollo geométrico del eje longitudinal de la barra, obtenido por el primer sistema de detección descrito anteriormente, por los vectores de las fuerzas medidas por el segundo sistema de detección en cada una de las posiciones de limitación de la barra y una vez conocido el valor de al menos un parámetro físico de la barra, la unidad de control central del aparato es capaz de estimar la geometría efectiva de la barra si se aplica cualquier campo de fuerza diferente a la barra, y, específicamente, también en ausencia de fuerzas externas aplicadas, incluyendo la fuerza de gravedad determinada por la masa de la propia barra; a partir de esta geometría estimada de la barra, el módulo de adquisición y procesamiento de datos puede calcular el error de no rectitud efectivo de la barra que se está midiendo.
El primer sistema de detección comprende uno o más sensores ópticos, que se pueden mover a lo largo del eje longitudinal de la barra para adquirir las coordenadas de los puntos próximos a al menos tres secciones diferentes de la barra a lo largo de su eje longitudinal; en caso contrario están previstos al menos tres sensores ópticos, cada uno dispuesto junto a una sección diferente de la barra a lo largo de su eje longitudinal. Los sensores pueden ser estacionarios o móviles en paralelo al sistema de soporte de la barra y al eje longitudinal de la barra. Preferentemente, se proporcionan al menos tres sensores móviles para llevar a cabo una detección más eficaz de la geometría de la barra.
Los sensores ópticos utilizados pertenecen a la clase de los sistemas de triangulación óptica que utilizan láser u otro tipo de luz, o de cualquier sensor óptico de medición capaz de detectar el perfil geométrico bidimensional y/o tridimensional de la barra, por ejemplo, sistemas de medición que proyectan luz estructurada, cámaras de tiempo de vuelo, sistemas de visión estereoscópica, etc.
Al menos una guía, a lo largo de la cual los sensores móviles pueden trasladarse a posiciones conocidas mediante respectivos actuadores accionados por la unidad de control, está previsto para el movimiento recto de los sensores ópticos. En una alternativa, el sensor o sensores se combinan con la guía de forma fija y la propia guía se traslada mediante una relativa motorización. La guía también puede ser estacionaria y actúa como soporte para sensores estacionarios.
El segundo sistema de detección, que tiene la tarea de medir las fuerzas que la barra aplica a cada uno de los elementos de soporte, comprende una pluralidad de segundos sensores que pertenecen a la clase de transductores de fuerza, conocidas como células de carga y que pueden ser transductores biaxiales o combinaciones de células de carga monoaxiales.
Ventajosamente, el dispositivo de medición se puede disponer en línea con una instalación de producción de barras. En este caso, la unidad de control central tiene medios para interconectarse con la planta de producción para poder ajustar los parámetros de producción en función del error de rectitud cada vez detectado en las barras.
Un aspecto adicional de la invención se refiere a un procedimiento según la reivindicación 10 u 11 para medir los errores de rectitud de elementos de forma alargada, barras denominadas, y que prevé colocar una barra sobre un sistema de soporte para disponerla en una posición de equilibrio estático, es decir, todavía, durante el ciclo de medición, con su eje longitudinal dispuesto según las limitaciones impuestas por los elementos de soporte del sistema de soporte; adquirir y almacenar al menos un parámetro físico de la barra, preferentemente al menos la constante de rigidez de la barra; detectar, mediante el primer sistema de detección, las coordenadas de una pluralidad de puntos en la superficie de la barra junto a al menos tres secciones transversales de la misma; detectar, mediante el segundo sistema de detección, los vectores de las fuerzas que aplica la barra junto a cada uno de dichos elementos de soporte; calcular las coordenadas del eje longitudinal de la barra junto a las al menos tres secciones transversales, basándose en las coordenadas detectadas; introducir las condiciones detectadas en un modelo de sistema desarrollado adecuadamente y que comprenden la geometría de la barra detectada, las fuerzas detectadas sobre los elementos de soporte y el al menos un parámetro físico adquirido para la barra que se está midiendo, para estimar la forma efectiva de la propia barra, correspondiente al desarrollo geométrico que debería tener en ausencia de campo gravitacional y limitaciones de soporte; utilizar esta geometría estimada para determinar el error de rectitud de la barra como desviación del eje teórico constituido por una o más líneas de referencia adecuadamente definidas.
Ventajosamente, el segundo sistema de detección mide las fuerzas que la barra aplica al sistema de soporte. De hecho, estas fuerzas, en parte debido al peso de la barra que se transfiere a los elementos de soporte y en parte posiblemente causado por la disposición de los elementos de soporte, provocar una deformación temporal de la barra, que desaparece una vez eliminadas las coacciones que lo han generado y que se suma a la deformación real de la propia barra. Por lo tanto, el procedimiento de medición permite detectar estas fuerzas, calcular la deformación causada por ellos basándose en la constante de rigidez de la barra y restarla de la deformación total detectada por el primer sistema de detección para obtener la medida efectiva de la deformación de la propia barra. Por lo tanto, el procedimiento puede compensar, es decir, eliminar de la medición final, los errores de rectitud inducidos en la barra por el sistema de soporte, para proporcionar la medición del error de rectitud generado únicamente por el procedimiento de producción de la barra.
Ventajosamente, en ausencia de fuerzas aplicadas, la geometría de la barra se estima mediante el llamado "procedimiento de la curva elástica", aplicable a cuerpos esbeltos y deformables del tipo considerado en el presente documento, es decir, a cuerpos que tienen una longitud superior a aproximadamente seis veces su diámetro; este procedimiento se refiere a un modelo de viga constitutiva elástica, lo que permite describir el campo de movimientos transversales de la barra en función de la configuración deformada que asume la línea del eje de la viga. Según este procedimiento, la cantidad de deformación de la porción de la barra comprendida entre dos puntos de soporte depende de varios parámetros, tal como la constante de rigidez, o constante de Young, y la distancia entre los puntos de soporte.
Preferentemente, a modo de ejemplo y sin limitaciones ni obligaciones, el error de rectitud se puede determinar como la distancia entre dos líneas paralelas, una de ellas pasando por los centros de dos secciones transversales y la otra pasando por el centro, entre los dos centros anteriores, de una tercera sección transversal. Cuanto mayor sea el número de centros, es decir, cuanto mayor sea el número de secciones transversales detectadas para la barra, más fiable será la reconstrucción del patrón del eje longitudinal de la barra y más preciso sea el cálculo del error. El error de rectitud se puede medir en toda la longitud de la barra, o solo en una o más partes de interés; de hecho, el análisis puede repetirse varias veces en porciones adyacentes de la barra para determinar una falta de rectitud local, tal y como exigen determinadas normativas del sector.
Ventajosamente, las barras se pueden clasificar según la cantidad del error de rectitud medido y el sistema de soporte puede descargarlas en diferentes líneas según la cantidad del error.
Breve descripción de los dibujos
Sin embargo, la invención se ilustrará mejor a continuación en la descripción realizada con referencia a los dibujos adjuntos, indicativos y no limitativos, en los que:
La Figura 1 muestra un diagrama de bloques del dispositivo de medición;
La Figura 2 muestra una vista en perspectiva de una realización del dispositivo de medición según la invención; Las Figuras 3a y 3b muestran respectivas vistas en perspectiva desde diferentes direcciones de un elemento del dispositivo de medición de la Figura 2;
La Figura 4 muestra un diagrama de bloques del ciclo de medición;
La Figura 5 muestra un ejemplo de una primera etapa de cálculo del error de no rectitud; y
La Figura 6 muestra un ejemplo de una segunda etapa de cálculo del error de no rectitud.
Descripción detallada de la invención
En dichos dibujos,1indica globalmente un dispositivo para medir los errores de rectitud de un elemento de forma alargada, tal como una barra, árbol, tubo y similares, en adelante simplemente llamada barra2.La barra puede tener una sección de cualquier geometría, por ejemplo, circular, hexagonal, cuadrada, etc., de cualquier tamaño y de cualquier material, preferentemente metal.
Como se muestra esquemáticamente en la figura.1,el dispositivo de medición 1 comprende:
• un sistema de soporte3,que permanece estático durante el ciclo de medición de cada barra, para soportar la barra y compuesto por una pluralidad de elementos de soporte fijos4sobre los que se dispone la barra a medir. Los elementos de soporte se pueden mover entre una medida y otra siempre que sea necesario;
• un primer elemento de detección 5 para detectar el desarrollo del eje longitudinal de la barra 2 y que comprende uno o más primeros sensores 6, a saber, sensores ópticos, para detectar la geometría tridimensional de la barra que se está midiendo.
• un segundo sistema de detección7para detectar las fuerzas que actúan sobre la barra y que comprende una pluralidad de segundos sensores7Acombinado con cada elemento de soporte4,que están adaptados para detectar el módulo y la dirección de las fuerzas que la barra aplica a cada uno de dichos elementos de soporte; estos segundos sensores pueden ser del tipo célula de carga, cada uno combinado con un elemento de soporte relativo, individualmente o en combinación con otros para una mayor precisión de medición. En una realización preferida mostrada en las figuras3ay3b,dos o incluso más preferentemente tres de dichos segundos sensores7Ase combinan con cada elemento de soporte para aumentar la precisión de la medición.
Cada uno de los elementos de soporte.4,junto con el al menos un sensor relativo de dichos segundos sensores7A,se puede montar en el sistema de soporte3de modo que pueda moverse y disponerse en una posición diferente según la barra que se esté midiendo.
Preferentemente, los elementos de soporte4cada uno comprende un rodillo de soporte relativo4Ade modo que la barra pueda desplazarse libremente en dirección longitudinal en el sistema de soporte, para asumir una posición completamente libre y desprovista de fuerzas con componente longitudinal.
Los primeros sensores6se pueden colocar en una configuración geométrica fija con respecto al sistema de soporte3de la barra, o en configuración móvil mediante una guía lineal motorizada8adecuada capaz de trasladar los sensores en paralelo a la propia barra.
Asimismo, el aparato de medición comprende una unidad de control central9provista de un módulo de adquisición y procesamiento de datos9',con medios de adquisición10para adquirir al menos un parámetro físico de la barra y con medios de almacenamiento10'para almacenar los parámetros físicos detectados de la barra. Ventajosamente, los medios de adquisición y almacenamiento permiten adquirir y almacenar al menos la constante de rigidez, o constante de Young, de la barra bajo medición.
El módulo de adquisición y procesamiento de datos9'adquiere los datos detectados por el primer sistema de detección, por el segundo sistema de detección y por los medios de adquisición y los procesa para medir cualquier error de rectitud de la barra.
El primer sistema de detección5,para detectar el desarrollo del eje longitudinal2'de la barra2,está adaptado para adquirir las coordenadas de una pluralidad de puntosP1, P2,...Pnde la superficie de la barra al lado de cada una de al menos tres secciones transversalesZ1, Z2,...,Znde la propia barra, como se muestra en la figura 5. Para esto, el primer sistema de detección5puede comprender al menos uno de dichos primeros sensores6,preferentemente un sensor óptico móvil, para adquirir las coordenadas de los puntos de la superficie de la barra junto a al menos tres secciones transversales, o al menos tres de dichos primeros sensores, cada uno de los de tipo óptico y cada uno de los cuales está colocado junto a una sección transversal respectivaZ1, Z2,...,Zn.Estos sensores ópticos pueden montarse de forma fija o móvil en paralelo al sistema de soporte de la barra, en la dirección del eje longitudinal de la barra.
Como se muestra en las figuras, cada sensor óptico se puede colocar en el lado opuesto de la barra con respecto al sistema de soporte3,por lo tanto, encima de la barra y frente a ella, aunque no se deben excluir diferentes configuraciones en las que los sensores están colocados de manera diferente con respecto al sistema de soporte, siempre y cuando estén de cara a la barra. Preferentemente, hay tres sensores ópticos6,cada uno de ellos móvil en paralelo al sistema de soporte3de modo que poder adquirir las coordenadas de los puntos de superficie de una pluralidad de secciones transversales.
Los sensores ópticos se seleccionan entre la clase de los sistemas de triangulación óptica con láser u otro tipo de luz, o cualquier otro sensor óptico de medición capaz de detectar el perfil geométrico bidimensional y/o tridimensional de la barra, tales como, por ejemplo, sensores de medición que proyectan luz estructurada, o cámaras de tiempo de vuelo, o sistemas de visión estereoscópica, etc.
Como se esperaba, el primer sistema de detección5para detectar el desarrollo del eje longitudinal de la barra está provisto de al menos una guía de rectitud8al que al menos un sensor óptico6está integralmente sujeto. Preferentemente, la guía se puede trasladar, mediante medios de motorización adecuados, sustancialmente en una dirección paralela con respecto a la dirección longitudinal de la barra, para posicionar el sensor óptico6junto a sucesivas secciones de la barra. Preferentemente, una única guía de rectitud8se proporciona y se combina con un solo sensor, o dos o más sensores espaciados y dispuestos en posiciones predeterminadas. En una alternativa, se puede proporcionar una guía fija o trasladable para cada sensor óptico.
La unidad de control central9es capaz de intercambiar datos hacia los primeros sensores6y segundos sensores7A,respectivamente del primer sistema de detección5y del segundo sistema de detección, mediante un primer sistema de interfaz11,hacia el operador del sistema mediante un segundo sistema de interfaz12,y hacia la planta de producción de las barras -no mostrada- mediante un posible tercer sistema de interfaz13.
Los medios adquisitivos10puede comprender una interfaz que permite introducir los valores relativos a al menos un parámetro físico de la barra y, específicamente, el valor de la constante de Young de la barra que se está midiendo. Estos valores pueden ser ingresados por un usuario, mediante medios de entrada adecuadamente predispuestos -no mostrados-, o pueden ser recibidos directamente por la planta de producción de las barras, que actualiza el aparato de medición según el tipo de barra que se produce. En el primer caso, la interfaz puede coincidir con el segundo sistema de interfaz12,mientras que en el segundo caso, puede coincidir con el tercer sistema de interfaz13.En caso de entrada manual, para facilitar la operación, los medios de adquisición y almacenamiento también pueden adquirir y almacenar bibliotecas de diferentes tipos de barras, que comprende todos los parámetros físicos necesarios para permitir al usuario seleccionar entre ellos para establecer la barra bajo medición.
Como alternativa o además, los medios de adquisición pueden combinarse con el sistema de detección14capaz de provocar una deformación temporal en la barra. Específicamente, el sistema de detección puede comprender al menos un actuador14'mover de cantidades conocidas al menos un elemento de soporte antes o después del ciclo de medición de la barra. De esta manera, se varía la distancia entre al menos un elemento de soporte y otro elemento de soporte, induciendo por lo tanto deformaciones temporales de la porción de barra comprendida entre los dos elementos de soporte. Siguiendo la variación de la distancia, la medición de estas deformaciones temporales permite obtener el valor de la constante de rigidez de la barra bajo medición. Luego, cada soporte se mantiene estacionario durante el ciclo de medición.
Según un procedimiento de realización adicional -no mostrado- el sistema de detección puede estructurarse para deformar la barra, por ejemplo, aplicando una fuerza en una porción de la barra, comprendido entre dos elementos de soporte adyacentes, para deformarlo en una cantidad predeterminada, o aplicando una fuerza conocida. La constante de rigidez de la barra se calcula mediante programa basándose en las deformaciones obtenidas después de haber aplicado una fuerza determinada, o basándose en la fuerza aplicada para obtener una deformación predeterminada.
En conjunto, el aparato de medición1está estructurado para procesar las coordenadas de los puntos detectados, las fuerzas detectadas y los parámetros físicos de la barra adquiridos para extraer información relativa al error de rectitud de la barra. El aparato de medición también es capaz de comunicar este resultado a la planta de producción, para rechazar cualquier barra y/o para accionar eventuales anillos de ajuste de realimentación para el procesamiento de las barras sucesivas y/o para accionar posibles sistemas de procesamiento corriente abajo del dispositivo de medición, los cuales se dedican a enderezar la barra basándose enl error calculado.
La invención también se refiere a un procedimiento para medir los errores de rectitud de barras mediante el dispositivo1como se describió anteriormente.
Cada ciclo de medición realizado para medir una barra se representa en el esquema de la figura 4 y se puede describir de la siguiente manera: el ciclo de medición comienza con el posicionamiento de la barra2en el sistema de soporte3y con la adquisición de al menos un parámetro físico de la barra, al final del cual la unidad de control central9maneja todos los dispositivos necesarios, en particular, los primeros6y segundos sensores7Adetectar respectivamente la geometría tridimensional de la barra dispuesta sobre el sistema de soporte y el vector de las fuerzas aplicadas sobre cada elemento de soporte4;los datos de medición adquiridos y detectados de esta manera son procesados por el módulo de adquisición y procesamiento de datos9'calcular el error de rectitud de la barra y comunicar este resultado a sistemas externos para los sucesivos pasos de rechazo/enderezamiento de la barra detectada. La etapa de adquirir al menos un parámetro físico de la barra también podría realizarse al final del ciclo de medición, o mucho antes del posicionamiento de la barra, siempre que el parámetro físico fuera ingresado por medios de interfaz.
Específicamente, los datos relativos a los parámetros físicos de la barra, a las fuerzas ejercidas por la barra sobre cada elemento de soporte y al desarrollo geométrico tridimensional de la barra, obtenido procesando los datos detectados por los sensores ópticos, se utiliza para estimar el perfil geométrico que tendría la barra que se está midiendo en ausencia de deformaciones causadas por restricciones externas, es decir, en ausencia de restricciones de soporte y en ausencia de fuerza de peso generada por la masa de la propia barra. El perfil geométrico estimado de esta manera se utiliza luego para detectar y calcular la cantidad de posibles errores de rectitud de la barra que se está midiendo.
El ciclo finaliza con la descarga de la barra del sistema de soporte para continuar con un posible ciclo de medición de una barra sucesiva.
Más específicamente, el cálculo del error de no rectitud de la propia barra se realiza a partir de los datos geométricos de cada secciónZ1, Z2,...Zn, y, en particular, de las coordenadas de los puntosP1, P2,...Pnde cada una de dichas secciones, adquiridas por el primer sistema de detección5,por los vectores de las fuerzas, adquiridos por el segundo sistema de detección7de las fuerzas que actúan sobre la barra y por al menos un parámetro físico de la barra, adquirido por el medio de adquisición10.
El procedimiento de cálculo real se desarrolla en tres etapas:
(i) inicialmente, la unidad de cálculo determina la deformación teórica que debe sufrir una barra del mismo tamaño y con las mismas características físico-mecánicas que la barra bajo medición, e inicialmente supuesta perfectamente recta, asumiría si estuviera sujeto a las mismas restricciones y al mismo campo de fuerza al que está sometida la barra que se está midiendo; este campo de fuerza se conoce en posiciones discretas, ya que lo miden los segundos sensores7Ajunto a todos los elementos de soporte de la barra. Una vez determinados los parámetros físicos de la barra y, en particular, se conocen sus constantes de rigidez, la deformación se determina aplicando el procedimiento llamado "curva elástica" a la barra, conocido por sí mismo y documentado en la disciplina de la ingeniería física como "ciencia de la construcción"; este procedimiento es aplicable con precisión a los cuerpos esbeltos objeto de la invención que están sujetos a deformaciones. "Cuerpos esbeltos" significa cuerpos caracterizados por tener una longitud aproximadamente seis veces mayor que su diámetro, o, de todos modos, su propia sección;
(ii) Sucesivamente, la unidad de control central9resta la deformación teórica calculada en la etapa anterior de la geometría real de la barra, medida por los primeros medios de detección específicos5,estimando de esta forma la geometría libre de la barra, en el que "geometría libre" de la barra significa la geometría que tendría la barra en ausencia de fuerzas externas aplicadas, y, por lo tanto, específicamente también en ausencia de la fuerza de gravedad. La estimación de la geometría libre de la barra realizada de esta forma es extremadamente fiable ya que, en casos prácticos de interés para los fines del presente sistema, las deformaciones laterales, con respecto a la longitud total de la barra, son muy pequeñas. Esto permite aplicar con precisión la hipótesis de efectos de superposición al determinar la deformación global de la barra; esta hipótesis ve la deformación global como una superposición de una "geometría libre" de la propia barra, es decir, la geometría asumida por la barra en ausencia de fuerzas externas aplicadas y posiblemente afectada por su error de no rectitud, sumado a la deformación causada por el campo de fuerza externo aplicado a la propia barra.
(iii) Finalmente, a partir de esta geometría libre de la barra estimada en la etapa anterior, la unidad de procesamiento calcula el error de no rectitud efectivo aplicando diferentes procedimientos de cálculo dependiendo de las diferentes normas y/o regulaciones de los diferentes sectores de aplicación. Por ejemplo, las coordenadas de los centrosC1, C2,...,Cnen el plano X-Z de la figura 5 se puede utilizar para determinar la desviación máxima de las coordenadas efectivas de los centros con respecto a la línea interpolando a los mínimos cuadrados definidos por todos los mismos centros evaluados en toda la longitud de la barra o solo en una o más porciones de la barra de interés, para determinar una no rectitud local, como exigen determinadas normativas del sector.
Es, sin embargo, posible utilizar diferentes procedimientos para calcular el error de no rectitud; por ejemplo, es posible determinar este error realizando una interpolación de los centros en un arco de círculo teórico y determinando sucesivamente algunas invariantes de este arco, tales como, por ejemplo, la deflexión máxima normalizada a la longitud de la barra, o a la longitud al cuadrado de la barra, tal como es práctica en determinados sectores de aplicación, por ejemplo, el sector de las barras de latón.
Una vez completado el ciclo de cálculo del error de no rectitud de la barra, la unidad de control central está programada para clasificar las barras en función de la cantidad de este error y posiblemente descargarlas del sistema de soporte en diferentes líneas de ruta dependiendo de umbrales de error predefinidos.
Ventajosamente, en la primera etapa de cálculo ilustrada anteriormente, el primer sistema de detección 5 es capaz de proporcionar automáticamente información detallada sobre las características de la barra que se está midiendo al modelo de cálculo, incluyendo la geometría efectiva de cada sección individual, su orientación y su posición, con respecto a las restricciones de soporte de la barra y la longitud total de la barra.
En la segunda etapa de cálculo, el módulo de adquisición y procesamiento de datos9'es ventajosamente capaz de determinar el desarrollo del eje longitudinal de la barra, a partir de las coordenadas detectadas para la multiplicidad de puntos de mediciónP1, P2,...Pnadquiridos al lado de cada sección de mediciónZ1, Z2,...Zn,longitudinal a la barra; estos puntos se utilizan para realizar una interpolación de mínimos cuadrados con un modelo de referencia de la sección de la barra, una circunferencia en el ejemplo mostrado, y así determinar las coordenadasXc, Ycdel centroC1, C2,...,Cnde cada sección transversal. El número de secciones que se utilizarán puede variar entre un mínimo de tres secciones hasta un número mayor con el fin de mejorar la precisión de la medición, compatible con los tiempos de medición disponibles, dependiendo de la frecuencia de producción de las barras.
La figura 6 muestra un ejemplo de las posiciones de los centrosC1, C2,...,Cnde las secciones transversales detectadas en un sistema de referencia cartesiano X, Z combinado con el sistema de soporte. En particular, un procedimiento de cálculo del error que permite calcular el error de rectitudEcomo se muestra la distancia entre dos líneas paralelas, de los cuales una primera líneaRi pasando por los centros de dos secciones transversales y una segunda líneaR<2>pasando por el centro de una tercera sección transversal, entre los dos centros anteriores.
Este procedimiento puede aplicarse ventajosamente para la determinación del desarrollo del eje longitudinal de la barra también en presencia de una barra con secciones transversales geométricamente complejas y en cualquier caso diferentes de la circular.
Claims (14)
1. Aparato de medición (1) para medir errores de rectitud de elementos de forma alargada, denominados barras (2), que comprende un sistema de soporte (3) estático durante el ciclo de medición de cada barra y sobre el cual se dispone la barra a medir y se mantiene estable durante dicho ciclo de medición,
- un primer sistema de detección (5) para detectar el desarrollo del eje longitudinal de la barra, que comprende a su vez uno o más primeros sensores (6) para detectar la geometría tridimensional de la barra que se está midiendo, - un segundo sistema de detección (7) para detectar vectores de las fuerzas que actúan sobre la barra, en el que dicho segundo sistema de detección (7) comprende una pluralidad de segundos sensores (7A) para detectar las fuerzas que la barra aplica sobre el sistema de soporte (3),
- una unidad de control central (9), y
- medios de adquisición (10) para adquirir parámetros físicos de la barra que se está midiendo, pudiendo dichos parámetros físicos comprender el módulo de elasticidad de la barra,
en el que
la unidad de control central (9) comprende al menos un módulo de adquisición y procesamiento de datos (9') provisto de medios de programa para adquirir y procesar los datos detectados por dichos primer y segundo sistemas de detección (5, 7) y adquiridos por dichos medios de adquisición (10) para determinar el posible error de rectitud de la barra (2), en el que dichos primeros sensores (6) son sensores ópticos y comprenden:
- al menos un sensor óptico y medios para posicionarlo junto a al menos tres secciones diferentes de la barra a lo largo del eje longitudinal de la misma; o
- al menos tres sensores ópticos estacionarios dispuestos cada uno junto a una sección diferente de la barra a lo largo de su eje longitudinal.
2. Aparato de medición (1) según la reivindicación 1, en el que el sistema de soporte (3) comprende al menos dos elementos de soporte (4) para soportar la barra bajo medición, estando combinado cada uno de ellos con al menos uno de dichos segundos sensores (7A) y en el que dichos segundos sensores (7A) están adaptados para detectar el módulo y la dirección de las fuerzas que la barra aplica a cada uno de dichos elementos de soporte (4) de dicho sistema de soporte.
3. Aparato de medición (1) según la reivindicación 1 o 2, en el que dichos medios de adquisición (10) comprenden una interfaz provista de medios de entrada para permitir la entrada de dichos parámetros físicos de la barra.
4. Aparato de medición (1) según la reivindicación 1 o 2, en el que dichos medios de adquisición (10) comprenden un sistema de detección (14) para detectar dichos parámetros físicos de la barra, estando adaptado dicho sistema de detección para provocar una deformación en la barra, y medios de cálculo para calcular el módulo de elasticidad de la barra basándose en la deformación de la barra provocada por el sistema de detección, en el que el sistema de soporte (3) comprende al menos dos elementos de soporte (4), en el que dicho sistema de detección (14) comprende al menos un actuador (14') capaz de mover al menos uno de dichos elementos de soporte (4) para variar notablemente la distancia con respecto a otro de dichos al menos dos elementos de soporte y en el que la constante de rigidez se obtiene mediante los medios de cálculo procesando las medidas de las diferentes deformaciones de la barra en función de la variación de dicha distancia.
5. Aparato de medición (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el primer sistema de detección (5) está adaptado para adquirir las coordenadas de una pluralidad de puntos (P1, P2,..., Pn) de la superficie de la barra junto a al menos tres secciones transversales (Z1, Z2,..., Zn) y dicho módulo de adquisición y procesamiento de datos (10') está programado para calcular la posición del eje longitudinal de la barra junto a dichas tres secciones, partiendo de las coordenadas de dicha pluralidad de puntos.
6. Aparato según una de las reivindicaciones 1-5, en el que los sensores ópticos que detectan el perfil geométrico bidimensional y/o tridimensional de la barra se seleccionan entre: sensores láser de triangulación óptica, sensores de medición que proyectan luz estructurada, cámaras de tiempo de vuelo, sistemas de visión estereoscópica, y/o en general cualquier dispositivo óptico de medición adaptado para detectar una pluralidad de coordenadas de puntos pertenecientes a la superficie de la barra que se está midiendo.
7. Aparato según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios de movimiento para mover los primeros sensores (7), que a su vez comprenden al menos una guía (8) mediante la cual uno o más de dichos primeros sensores (7) pueden trasladarse a través de actuadores apropiados accionados por la unidad de control central, a lo largo de la dirección longitudinal de la barra.
8. Aparato según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos segundos sensores (7A) para detectar las fuerzas están directamente integrados en los mismos elementos de soporte y comprenden:
- al menos un sensor de fuerza biaxial acoplado a cada elemento de soporte (4); o
- al menos dos sensores de fuerza monoaxiales acoplados a cada elemento de soporte y capaces de detectar todos los vectores de fuerza que la barra aplica a dichos elementos de soporte (4).
9. Sistema que comprende un aparato según una de las reivindicaciones anteriores, dispuesto en línea con una planta de producción de barras, en el que la unidad de control central (10) está interconectada con la planta de producción de barras exterior para reajustar los parámetros de producción basándose en el error de rectitud cada vez detectado en las barras.
10. Procedimiento de medición para medir los errores de rectitud de elementos de forma alargada, denominados barras (2), mediante un aparato de medición (1) que comprende un sistema de soporte (3) estático durante el ciclo de medición, sobre el que se dispone la barra a medir, un primer sistema detector (5) para detectar el desarrollo del eje longitudinal de la barra, comprendiendo a su vez uno o más primeros sensores (6), para detectar la geometría tridimensional de la barra bajo medición,
en el que dichos primeros sensores (6) son sensores ópticos y comprenden:
- al menos un sensor óptico y medios para posicionarlo junto a al menos tres secciones diferentes de la barra a lo largo del eje longitudinal de la misma; si no
- al menos tres sensores ópticos estacionarios dispuestos cada uno junto a una sección diferente de la barra a lo largo de su eje longitudinal, comprendiendo además el aparato de medición un segundo sistema de detección (7) para detectar las fuerzas que actúan sobre la barra y combinado con dicho sistema de soporte, medios de adquisición (10) para adquirir los valores de los parámetros físicos de la barra que se está midiendo, pudiendo comprender dichos parámetros físicos el módulo de elasticidad de la barra, y una unidad central de control (10), comprendiendo el procedimiento las etapas de:
a) posicionar una barra sobre el sistema de soporte de manera que quede dispuesta en una posición de equilibrio estático;
b) adquirir los valores de los parámetros físicos de la barra mediante los medios de adquisición;
c) detectar, mediante el segundo sistema de detección (7), los vectores de las fuerzas que la barra aplica al sistema de soporte;
d) detectar, mediante dichos uno o más primeros sensores (6) del primer sistema de detección (5), las coordenadas de una pluralidad de puntos (P1, P2, ..., Pn) de la superficie de la barra junto a al menos tres secciones transversales (Z1, Z2,... Zn) de la barra;
e) calcular las coordenadas del eje longitudinal de la barra junto a dichas al menos tres secciones transversales, basándose en la detección de la etapa d);
f) utilizar los datos detectados por dichos primer y segundo sistemas de detección y los valores de los parámetros físicos de la barra detectados por los medios de adquisición para estimar la geometría de la barra en ausencia de fuerzas aplicadas;
g) determinar cualquier error de rectitud real (E) de la barra, sobre la base de los datos detectados por dichos primer y segundo sistemas de detección y de la geometría de la barra estimada en la etapa f), para que el error no se vea influenciado por las restricciones del sistema de soporte.
11. Procedimiento de medición según la reivindicación 10, en el que el sistema de soporte comprende al menos dos elementos de soporte con los que se combina el segundo sistema de detección, para detectar las fuerzas que la barra aplica a cada sistema de soporte.
12. El procedimiento según la reivindicación 10 u 11, en el que, adoptando un sistema de referencia cartesiano X,Y,Z integral con la barra bajo medición cuyo origen del sistema se ubica en el centro de la primera sección de la barra y el eje Z está orientado a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la barra:
- la etapa d) prevé la adquisición de las coordenadas X, Y de una pluralidad de puntos (P1, P2, ..., Pn) de la superficie de la barra, en cada una de al menos tres secciones (Z1, Z2,..., Zn) a lo largo del eje Z;
- la etapa e) prevé la realización de una interpolación por mínimos cuadrados de las coordenadas de los puntos (P1, P2, ..., Pn) con un modelo de referencia de la sección de la barra, para determinar las coordenadas (Xc, Yc) del centro de cada sección transversal (Z1, Z2, ... Zn), es decir, la posición del eje de la barra en al menos tres secciones transversales;
- la etapa f) prevé la utilización de una modelización de la deformación teórica de la barra según el procedimiento de la curva elástica, que se puede aplicar a cuerpos delgados deformables, sobre la base de los valores de los parámetros físicos adquiridos en la etapa b) y de los vectores de las fuerzas aplicadas en el punto c) y restando dicha deformación teórica de la deformación calculada en la etapa e) para determinar cualquier error de rectitud real (E) de la barra;
- la etapa g) prevé calcular el error de rectitud como una distancia entre dos líneas paralelas (R<1>, R<2>), una de ellas pasando por los centros de dos secciones transversales y la otra pasando por el centro, entre los dos centros anteriores, de una tercera sección transversal.
13. El procedimiento según una de las reivindicaciones 10 a 12, en el que los datos relativos al error de rectitud real cada vez detectado en las barras, se envían a una planta de producción de barras con el fin de retroalimentar el ajuste de los parámetros de producción.
14. El procedimiento según una de las reivindicaciones 10 a 13, en el que las barras se clasifican en función de la cantidad del error de rectitud medido y, en su caso, se descargan del sistema de soporte en diferentes líneas según la cantidad de error.
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