ITTO990255A1 - Sistema e procedimento per la qualifica della posizione di unutensile in una macchina utensile - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema e procedimento per la qualifica della posizione di un utensile in una macchina utensile"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema ed un procedimento per la qualifica della posizione di un utensile in una macchina utensile, quale una macchina fresatrice.

Con il termine "qualifica" (certification) si intende il rilevamento di caratteristiche dimensionali, tipicamente lunghezza e diametro, di un utensile e la determinazione accurata del posizionamento dell'utensile, in particolare del centro della punta dell'utensile, nel sistema di riferimento della macchina.

L'invenzione si riferisce in particolare ad un sistema e ad un procedimento di qualifica per una macchina utensile che in modo per sé noto comprende una testa, in particolare di tipo birotativo, includente un porta-utensile in cui viene operativamente montato un utensile che, per una data lavorazione prevista, viene disposto in una direzione prefissata rilevabile tramite mezzi trasduttori associati alla testa e collegati ad un'unità di controllo della macchina cui sono inoltre collegati mezzi sensori atti a fornire segnali indicativi della posizione istantanea della testa nel sistema di riferimento della macchina, e mezzi motori atti a provocare la movimentazione controllata della testa in tale sistema dì riferimento.

Nelle macchine utensili di tali tipo l'unità di controllo della macchina è ad esempio in grado di calcolare le coordinate del centro della punta dell'utensile nel sistema di riferimento della macchina, nota la posizione della testa e l'orientamento del porta-utensile e noti (o misurati) il diametro dell'utensile e la lunghezza di tale utensile (oppure la distanza tra la punta dell'utensile e l'asse di rotazione del portautensile) .

La posizione del centro della punta dell'utensile così calcolata può differire, anche se di molto poco, dalla posizione reale di tale centro per motivi diversi, quali difetti nella geometria della testa, una non perfetta ripetibilità del posizionamento della testa o del portautensile, oppure variazioni dimensionali della testa e/o dell'utensile dovute ad effetti termici, ecc. (convenzionalmente si parla in questo caso di "errori di posizionamento non trasdotti").

Prima dell'avvio di una lavorazione occorre pertanto verificare e "qualificare" il posizionamento dell'utensile.

L'operazione di qualifica viene normalmente effettuata mediante procedure di rilevamento manuale, che richiedono tempo e possono talvolta comportare pericoli per l'operatore addetto.

Per la mera rilevazione di caratteristiche geometriche di un utensile (quale la lunghezza, il diametro, ecc.) è noto di utilizzare un'apparecchiatura fissata sulla o presso la tavola di lavoro di una macchina utensile e comprendente una sorgente laser ed un associato ricevitore, operativamente disposti in rispettive posizioni fisse ed affacciate, fra i quali è definito un campo di rilevazione o misura.

L'utensile, montato sulla testa porta-utensile della macchina, viene assoggettato ad opportune movimentazioni nel campo di misura, in modo tale da provocare secondo modalità prestabilite intercettazioni del fascio laser, la cui rilevazione permette di risalire alle caratteristiche dimensionali dell'utensile. Tali apparecchiature note non consentono tuttavia la qualifica del posizionamento dell'utensile nel sistema di riferimento della macchina.

E' dunque uno scopo dell'invenzione realizzare un sistema e proporre un procedimento che consentano di automatizzare le operazioni di qualifica del posizionamento dell'utensile al fine di eliminare gli errori indotti dai fenomeni sopra descritti.

Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con il sistema ed il procedimento le cui caratteristiche <' >salienti sono definite nelle annesse rivendicazioni 1 e 4.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'in-venzione risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati nei quali:

la figura 1 mostra una testa porta-utensile di tipo birotatìvo in cui è montato un utensile;

la figura 2 è una rappresentazione schematica parziale di una macchina utensile provvista di un sistema per la qualifica del posizionamento dell'utensile secondo l'invenzione;

le figure 3 a 10 e 12 illustrano un utensile e sue movimentazioni relativamente a fasci laser nel sistema di qualifica secondo l'invenzione; e

la figura 11 mostra una variante di realizzazione del sistema secondo l'invenzione.

Nelle figure 1 e 2 con 1 è complessivamente indicata una testa porta-utensile di una macchina utensile, quale una macchina fresatrice.

La testa 1 è connessa in modo girevole intorno ad un asse verticale (asse z) all'estremità inferiore di un braccio 2 spostabile secondo tre assi (x, y, z) mediante dispositivi motori, quali quelli indicati con MI, M2, M3 nella figura 2, pilotati da un'unità di controllo ECU della macchina. A tale unità sono connessi sensori SI, S2, S3 atti a fornirle segnali nel complesso indicativi della posizione istantanea della testa 1 nel sistema di riferimento della macchina.

La testa 1 comprende un corpo 3 connesso al braccio 2 in modo girevole intorno ad un asse verticale. Al corpo 3 è connesso un porta-utensile 4, girevole rispetto a tale corpo intorno ad un asse orizzontale indicato con W nella figura 1.

Nel porta-utensile 4 è operativamente montato un utensile T, quale una fresa. L'utensile T ha una forma in generale cilindrica e la sua estremità distale può presentare una faccia terminale piana, oppure sostanzialmente semi-sferica, oppure può avere una conformazione essenzialmente toroidale, ecc..

In vista di effettuare una data lavorazione, l'utensile T viene orientato in una direzione prefissata, a mezzo di motori non illustrati, atti a determinare il posizionamento angolare (angolo a della figura 1) del corpo 3 della testa nel piano x, y, nonché il posizionamento angolare del portautensile 4 (angolo β fra l'asse del porta-utensile e dell'utensile e la verticale). Mediante corrispondenti trasduttori, indicati con TI e T2 nella figura 2, l'unità di controllo ECU della macchina acquisisce l'informazione circa l'avvenuto posizionamento dell'utensile nella direzione di orientamento prevista per la lavorazione.

L'utensile T presenta dimensioni nominali, in particolare una lunghezza ed un diametro, generalmente noti, che l'operatore addetto alla macchina può comunicare all'unità di controllo ECU della stessa mediante un'unità di introduzione dati (IU nella figura 2), quale una tastiera od altro.

L'unità di controllo ECU della macchina, nota la posizione della testa 1 rispetto al sistema di riferimento x, y, z, nonché gli angoli a e β che definiscono l'orientamento operativo impostato dell'utensile T, il diametro φ dell'utensile e la lunghezza di quest'ultimo, ovvero la distanza L (figura 1) fra la punta dell'utensile e l'asse W di rotazione del porta-utensile, è in grado di calcolare le coordinate del centro C (figura 1) della punta dell'utensile T nel sistema di riferimento x, y, z della macchina.

La posizione del centro C così come calcolata dall'unità di controllo ECU può peraltro differire, anche se di poco, rispetto alla posizione reale del centro dell'utensile, per motivi diversi, quali quelli indicati nell'introduzione della presente descrizione.

Per consentire la qualifica del posizionamento dell'utensile T, secondo l'invenzione alla macchina utensile viene associata un'apparecchiatura quale quella che verrà ora descritta con riferimento alla figura 2.

In tale figura con 10 è indicata una tavola rotante montata girevole, in modo continuo oppure a scatti, in un piano parallelo alla tavola o piano di lavoro 11 della macchina utensile.

Alla tavola 10 sono fissati, in posizioni affacciate, una sorgente di radiazione laser 12 ed un associato ricevitore 13. Nel funzionamento, la sorgente 12 invia un fascio laser LB verso il ricevitore 13. Tale fascio è preferibilmente focalizzato in un punto intermedio fra la sorgente ed il ricevitore.

La sorgente 12 ed il ricevitore 13 sono convenientemente collegati ad un'unità di controllo che può essere vantaggiosamente costituita dalla stessa unità di controllo ECU della macchina utensile. A tale unità di controllo può essere eventualmente inoltre collegato un sensore di posizione atto a fornire a tale unità un'informazione circa la posizione angolare della tavola 10 e cioè della posizione del fascio LB. Il dispositivo ricevitore 13 è collegato all'associata unità di controllo, e quest'ultima è in grado di rilevare, esaminando il segnale fornito da tale dispositivo, una condizione di intercettazione del fascio LB.

Presupposto fondamentale è che la posizione geometrica del fascio laser è nota all'unità di controllo ECU.

Supponendo che per una data lavorazione prevista l'utensile T, che in via esemplificativa ma non limitativa è supposto con estremità semisferica come è illustrato nella figura 3, sia orientato secondo una direzione parallela al piano x, z e formante un angolo β rispetto alla verticale (figura 4), la qualifica del posizionamento dell'utensile può essere ad esempio realizzata nel modo seguente.

Si suppongono già note (perché precedentemente misurate o inserite manualmente) le dimensioni geometriche (lunghezza e diametro) dell'utensile T in esame.

E' da notare che, a causa dei citati errori, l'unità di controllo ECU suppone di posizionare il centro dell'utensile in una determinata posizione x, y, z, però ciò in realtà non avviene. La figura 5 mostra la discrepanza fra la posizione ideale in cui l'unità ECU presuppone di posizionare l'utensile e la posizione reale. Nella figura 5, DX e DZ rappresentano gli errori di posizionamento commessi rispettivamente secondo gli assi x e z. Ovviamente in generale si ha inoltre un errore DY non raffigurato nella figura 5.

Passo 1

La tavola 10 viene posizionata in modo tale per cui il fascio laser LB si estende parallelamente all'asse y del sistema di riferimento della macchina, cioè perpendicolare al primo movimento di intercettazione che si vuole compiere '(secondo x). L'unità di controllo della macchina ECU determina quindi uno spostamento controllato della testa 1, tale da portare l'utensile T in una posizione nota in prossimità del fascio laser LB, ad esempio nella posizione mostrata nella figura 6.

In tale posizione l'unità ECU presume che il centro dell'utensile sia alla stessa quota z del fascio laser. In realtà così non è, a causa degli errori illustrati nella figura 5.

A partire da tale posizione nota, l'unità di controllo ECU determina uno spostamento dell'utensile T in direzione del fascio laser LB, secondo l'asse x, come indicato dalla freccia FI della figura 6, sino a che tale utensile intercetta il fascio in corrispondenza di un punto B di una sua generatrice. La condizione di intercettazione viene rilevata dall'unità di controllo analizzando il segnale fornito dal dispositivo ricevitore 13. L'unità di controllo ECU acquisce e memorizza la misura della posizione dell'utensìle nella direzione di spostamento (x).

Bisogna notare che l'intercettazione avviene in corrispondenza di un punto B dell'utensile, che è situato ad una distanza D rispetto al punto A in cui la unità di controllo ECU presume di avere intercettato il fascio laser (figura 7).

Note le dimensioni geometriche dell'utensile e presupponendo di avere interrotto il fascio laser nel punto A dell'utensile, l'unità di controllo ECU determina la posizione "reale" del centro utensile, "reale" in quanto essa dovrebbe differire del valore DX (figura 5) rispetto a quella ipotizzata dall'unità di controllo.

In realtà il punto calcolato non sarà C (posizione reale del centro utensile) ma bensì CI (come illustrato nella figura 7). L'unità di controllo ECU a questo punto presumerà di avere calcolato l'esatta posizione del centro utensile secondo l'asse x e la memorizza.

Passo 2

L'unità di controllo ECU può quindi determinare il posizionamento dell'utensile T in una posizione nota, quale quella mostrata nella figura 8, in cui presume di posizionare il centro C dell'utensile alla stessa quota x del fascio laser LB. In realtà sarà il punto Cl ad essere in asse con il raggio laser LB, per i motivi precedentemente descritti ed illustrati.

A partire da tale posizione iniziale, l'unità determina quindi lo spostamento dell'utensile secondo la freccia F2 (fig. 8; direzione secondo z decrescente) sino ad intercettare il fascio, ed acquisisce e memorizza la posizione in z in cui tale intercettazione avviene.

Bisogna notare (figura 9) che l'intercettazione avviene in corrispondenza di un punto B1 dell'utensile, che è situato ad una distanza DI rispetto al punto Al in cui la unità di controllo ECU presume di avere intercettato il fascio laser.

Note le dimensioni geometriche dell'utensile e presupponendo di avere interrotto il fascio laser nel punto Al dell'utensile, l'unità di controllo ECU determina la posizione "reale" del centro utensile, "reale" in quanto essa dovrebbe differire del valore DZ (figura 5) rispetto a quella ipotizzata dall'unità di controllo.

In realtà il punto calcolato non sarà C (posizione reale del centro utensile) ma bensì CI (come illustrato dalla figura 9). L'unità di controllo ECU a questo punto presumerà di avere calcolato l'esatto valore della posizione del centro utensile in direzione z e la memorizza.

A questo punto l'unità di controllo ECU ha determinato in maniera più precisa, rispetto alla figura 5 e ai relativi errori DX e DZ, la posizione del centro utensile.

Si dimostra matematicamente (essendo DKD). che ripetendo ora la procedura partendo dal passo 1, il ciclo converge verso una soluzione sempre più precisa. Il ciclo termina quando è stata raggiunta una precisione soddisfacente delimitata da un minimo errore ammissibile nella variazione dei vari D e DI relativi ad iterazioni successive.

Grazie alle informazioni conseguite con le operazioni sopra descritte, l'unità di controllo è in grado di verificare ed eventualmente correggere le coordinate del centro della punta dell'utensile relativamente agli assi x, z.

Passo 3

La procedura di qualifica prevede quindi che la tavola 10 venga ruotata in modo tale da disporre il fascio LB secondo una nuova direzione prefissata, vantaggiosamente a 90° rispetto alla direzione precedente. In tale condizione la sorgente 12, il ricevitore 13 ed il raggio laser LB sono disposti come è illustrato a tratteggio nella figura 2.

Passo 4

L'unità di controllo determina allora il posizionamento dell'utensile T in una posizione nota, in prossimità del fascio LB, quale quella illustrata nei tre grafici della figura 10.

E' da notare che nel passo 4, a seguito delle operazioni compiute nei passi 1 e 2, il centro dell'utensile viene effettivamente posizionato alla quota in z del fascio laser LB.

A partire da tale posizione, e mediante spostamenti controllati dell'utensile T sino ad intercettare il fascio LB e l'acquisizione delle corse così compiute, l'unità di controllo è in grado di verificare se l'orientamento effettivo dell'asse dell'utensile e la posizione dell'utensile relativamente agli assi corrispondono o meno a quanto precedentemente calcolato sulla base dei parametri geometrici del sistema. Se del caso, l'unità ECU può attuare le opportune correzioni, in modo tale per cui il centro C dell'utensile si trovi effettivamente in una posizione predeterminata per l'avvio di una lavorazione.

In alternativa alla realizzazione mostrata nella figura 2, il sistema di qualifica secondo l 'invenzione può essere realizzato con il ricorso a due sorgenti laser, quali le sorgenti 12 e 112 della figura 11, ed associati ricevitori 13 e 113 ad esse rispettivamente affacciati. La disposizione di dette sorgenti e degli associati ricevitori è tale per cui i relativi fasci laser, LB1 e LB2 nella figura 11 si estendono secondo due direzioni formanti un angolo, preferibilmente di 90°.

Peraltro altre disposizioni delle sorgenti e dei ricevitori possono essere adottate in luogo di quella esemplificativamente mostrata nella figura 11.

Naturalmente, lo stesso scopo della applicazione (identificazione della posizione reale del centro utensile) può essere ottenuta tramite procedure differenti atte a generare risultati apparentemente distinti ma sostanzialmente equivalenti a quello appena descritto. Ad esempio, eseguendo delle misure nelle posizioni PI, P2, P3, P4, P5 di figura 12, l'unità di controllo ECU sarebbe in grado di determinare non solo i valori di DX e DZ di figura 5, ma anche i valori Da e ϋβ di posizionamento degli assi rotativi della testa. Ovviamente DX e DZ sono conseguenza anche di tali errori Da e ϋβ. Non è quindi da considerarsi una variazione banale alla invenzione qui descritta il fatto di calcolare Da e ϋβ per correggere o considerare direttamente all'interno dell'unità di controllo ECU gli errori commessi dal sistema meccanico. Infatti tale procedura ha ancora come scopo ultimo l' identificazione della posizione reale del centro utensile.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, come definita nelle annesse rivendicazioni.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la qualifica di un utensile (T) in una macchina utensile che comprende una testa (1) includente un porta-utensile (4) in cui viene operativamente montato un utensile (T), che per una data lavorazione prevista viene disposto in una direzione prefissata rilevabile tramite mezzi trasduttori {TI, T2) associati alla testa (1) e collegati ad un'unità di controllo (ECU) della macchina a cui sono inoltre collegati mezzi sensori (S1-S3) atti a fornire segnali indicativi della posizione istantanea della testa (1) in un sistema di riferimento (x, y, z) della macchina, e mezzi motori atti a provocare la movimentazione controllata di detta testa (1) rispetto al sistema di riferimento (x, y, z) della macchina; il sistema comprendendo un'apparecchiatura associata alla macchina, che include mezzi generatori di radiazione laser (12; 112) ed associati mezzi ricevitori (13; 113), atti a definire un primo ed un secondo campo di misura nei quali un primo e rispettivamente un secondo fascio laser (LB; LB1, LB2) si estendono in rispettive direzioni prefissate formanti un angolo, preferibilmente di 90°, e mezzi di elaborazione e controllo (ECU) atti a provocare movimentazioni controllate della testa (1) in detti campi di misura in modo tale da determinare intercettazioni di detti fasci laser (LB; LB1, LB2) da parte dell'utensile (T) secondo modalità prestabilite, e ad acquisire ed analizzare i segnali corrispondentemente forniti da detti mezzi ricevitori (13; 113) ed a generare segnali o dati indicativi della geometria e della posizione dell'utensile (T) nel sistema di riferimento (x, y, z) della macchina.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi generatori e detti mezzi ricevitori comprendono una sorgente laser (12) e rispettivamente un ricevitore (13) montati affacciati su una struttura di supporto (10) girevole rispetto al piano di lavoro (11) della macchina, ed atta ad assumere almeno una prima ed una seconda posizione in cui il fascio (LB) emesso dalla sorgente (12) si estende in una prima e rispettivamente in una seconda direzione formanti un angolo, preferibilmente di 90°.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi generatori e detti mezzi ricevitori comprendono una prima ed una seconda coppia sorgente laser/ricevitore (12, 13; 112; 113) orientate secondo una prima e rispettivamente una seconda direzione formanti un angolo, preferibilmente di 90°.
4. 4. Procedimento per la qualifica di un utensile (T) in una macchina utensile che comprende una te-sta (1) includente un porta-utensile (4) in cui viene operativamente montato un utensile (T) che, per una data lavorazione prevista, viene disposto in una direzione prefissata rilevabile tramite mez-zi trasduttori (T1, T2) associati alla testa (1) e collegati ad un'unità di controllo (ECU) a cui sono inoltre collegati mezzi sensori (S1-S3) atti a for-nire segnali indicativi della posizione istantanea della testa (1) in un sistema di riferimento (x, y, z) della macchina, e mezzi motori (MI, M2, M3) atti a provocare la movimentazione controllata di detta testa (1) nel sistema di riferimento (x, y, z) della macchina; il procedimento comprendendo le operazioni di generare nel campo di lavoro della macchina un primo ed un secondo fascio laser (LB; LB1, LB2) che si estendono in rispettive direzioni prefissate formanti un angolo, preferibilmente di 90°; captare mediante mezzi ricevitori (13; 113) detto primo e rispettivamente detto secondo fascio laser (LB; LB1, LB2); e provocare movimentazioni controllate della testa (1) in modo da determinare l'intercettazione di detti fasci laser (LB; LB1; LB2) da parte dell'utensile (T) secondo modalità prestabilite, acquisire ed analizzare i segnali corrispondentemente forniti da detti mezzi ricevitori (13; 113) per generare segnali o dati indicativi della geometria e della posizione dell'utensile (T) nel sistema di riferimento (x, y, z) della macchina.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui vengono utilizzati un'unica sorgente di fascio laser (12) ed un associato ricevitore (13) operativamente disposti in due diverse posizioni relative nelle quali il fascio emesso dalla sorgente (12) si estende in una prima e rispettivamente in una seconda direzione.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui vengono utilizzate due coppie sorgentericevitore (12, 13; 112, 113) disposte in rispettive posizioni tali per cui i rispettivi fasci laser (LB1, LB2) si estendono secondo una prima e rispettivamente una seconda direzione formanti un angolo, preferibilmente di 90°. Il tutto sostanzialmente secondo quanto descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati.