WO2022003222A1 - Estimation and compensation of errors in the positioning of a precision machine - Google Patents

Estimation and compensation of errors in the positioning of a precision machine Download PDF

Info

Publication number
WO2022003222A1
WO2022003222A1 PCT/ES2021/070467 ES2021070467W WO2022003222A1 WO 2022003222 A1 WO2022003222 A1 WO 2022003222A1 ES 2021070467 W ES2021070467 W ES 2021070467W WO 2022003222 A1 WO2022003222 A1 WO 2022003222A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
machine
spheres
artifact
axis
calibration
Prior art date
Application number
PCT/ES2021/070467
Other languages
Spanish (es)
French (fr)
Inventor
Eneko Gomez-Acedo
Brahim Ahmed CHEKH OUMAR
Original Assignee
Fundación Tekniker
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fundación Tekniker filed Critical Fundación Tekniker
Publication of WO2022003222A1 publication Critical patent/WO2022003222A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/401—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/44—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms
    • B23Q1/50—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with rotating pairs only, the rotating pairs being the first two elements of the mechanism
    • B23Q1/54—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with rotating pairs only, the rotating pairs being the first two elements of the mechanism two rotating pairs only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/22—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring existing or desired position of tool or work

Definitions

  • the present invention relates to the field of precision machines.
  • the invention relates to both methods and precision machines capable of estimating errors in the positioning of a tool thereof. In some cases, methods and machines can also reduce such errors.
  • Precision machines for example machine tools, are widely used machines for processing workpieces by one tool or series of tools. To this end, machine tools incorporate one or more tools to perform different processing operations. The precise positioning of the tool or tools is essential for the correct manufacture of the part under the required tolerances.
  • Precision machines have been improved in recent decades, however, they are still prone to positioning errors whereby the tool arranged on them will move from a planned position, thus processing workpieces incorrectly. Differences between the predicted position and the actual position of the tool negatively impact the resulting work pieces; workpieces must be processed with high precision to be fully functional and / or meet certain quality requirements.
  • There are techniques to measure positioning errors in this type of machine both direct techniques, that is, those that measure or estimate errors along one axis at a time, and indirect techniques, that is, those that need the multi-axis movement of the machine to measure errors.
  • a first aspect of the invention relates to a method for estimating (and, preferably, compensating for) positioning errors of a precision machine having a machine table, for example a machine tool, comprising:
  • the calibration device comprising a row with a plurality of spheres, the calibration device being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration device can be placed in the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact is not positioned on the machine table and is not parallel to a plane containing the surface of the machine table (for example, in an inclined semi-vertical position);
  • Each of the parameters ⁇ px ⁇ , ⁇ py ⁇ , ⁇ pz ⁇ is defined by a matrix of points along each of the axes of the machine, thus the positioning error px ⁇ for any point (defined by the index i) intermediate to those defined, can be calculated as a linear interpolation between the errors of adjacent defined points (defined by the indices i-1 and i + 1 respectively), as follows:
  • dAB
  • dAB is the theoretical distance between the centers of the spheres A and B of the calibration device
  • uvwA and uvwB are the theoretical positions of the centers A and B of the calibration device that are ordered to the machine and They are made up of the machine coordinates u, v and w, respectively
  • xyzA and xyzB are the real positions taken by the machine when it is commanded to go to the theoretical points uvwA and uvwB, and they are made up of the real coordinates x, y, z, errorA and errorB are the errors when the machine is positioned in
  • f (P) f (Po) + f '(Po) * (P- Po) (1 .3)
  • f is the non-linear function defined with the formula (1 .2)
  • f (P) is the approximate calculation of the function f at point P
  • f (Po) is the exact calculation of the function f at the point Po
  • f '(Po) is the derivative of the function f (the Jacobian in the multiparametric system) evaluated at the point Po;
  • the method also comprises: after performing the aforementioned calculations, machine axis positioning errors ⁇ px ⁇ , ⁇ py ⁇ , ⁇ pz ⁇ and machine axis perpendicularity errors a, b and Y are obtained-
  • the displacement of the tool with respect to a predicted position can be estimated in the form of a total positioning error. Accordingly, the inaccuracies that the precision machine has in the positioning of the same can be established in such a way that the errors expected in the processing of the work pieces can be taken into account. In this way, if the positioning error is not compensated for, it can be determined whether the resulting workpiece can meet the quality requirements set for it. Therefore, the error estimate can be used for quality control and / or verification purposes.
  • the estimation of the error is based on the measurement of the calibration artifact with the contact probe.
  • the calibration artifact is an artifact that has been previously calibrated with a coordinate measuring machine (CMM);
  • the method may further comprise calibrating the calibration artifact with a CMM.
  • the positioning of the calibration device can be done manually or automatically, the latter is achieved by means of a precision machine control device that operates a machine table (which, at least in these cases, is a rotary table), to reposition the calibration artifact.
  • a precision machine control device that operates a machine table (which, at least in these cases, is a rotary table), to reposition the calibration artifact.
  • the automatic positioning of the calibration artifact requires having data indicative of how the artifact is initially arranged on the machine table (i.e., the rotary table) in such a way that, by rotating the rotary table, the artifact is positions according to a predetermined position of the plurality of positions.
  • the contact probe may first have to measure the first and last spheres in the row of the calibration artifact when the artifact is on the rotary table to determine how the artifact is arranged on it; a user can manually move the rotary table for this initial measurement of the first and last spheres; Specifically, the precision machine moves in such a way that the probe contacts the first sphere in the row and measures said first sphere, and then moves in such a way that the probe contacts the last sphere in the row. row and measures that last sphere.
  • the precision machine is provided with optical means configured to perform computer vision; digitally processing measurements from optical media, for example a camera, a laser, etc., where and how the artifact is arranged on the machine table (ie rotary table) can be determined. With said data, the control device determines how the rotary table will move so that the artifact is positioned according to each predetermined position.
  • the positioning error of any point P within the measured volume can be digitally estimated in order to evaluate machine errors that can be used to assess whether a workpiece will be processed as a way that will not meet quality requirements, for example if the workpiece will be processed in such a way that one or more parts of the workpiece are expected to have or will have dimensions and / or surfaces that are not within a dimension set and / or predetermined surface requirements.
  • the mathematical model parameters and / or the positioning error values obtained can be output (for example, with wired / wireless communication means of the precision machine, can be transmitted to a display device, e.g. a screen, on a precision machine display device, eg human machine interface, etc.);
  • the positioning error values can be generated as sets of error values, each set corresponds to one of the X, Y and Z axes.
  • These sets which can be provided in different ways, for example, as tables, graphs , etc., indicate the displacement of the probe or contact tool on the respective axis at each measured position.
  • the error values for the unmeasured positions can be calculated using the model provided with the estimated parameters ⁇ px ⁇ , ⁇ py ⁇ , ⁇ pz ⁇ , a, by and.
  • the method has been disclosed in such a way that the parameters ⁇ px ⁇ , ⁇ py ⁇ , ⁇ pz ⁇ and the parameters a, b and y are calculated, a person skilled in the art will observe that the method can also be performed for only one of the two sets of parameters, that is, only the parameters ⁇ px ⁇ , ⁇ py ⁇ , ⁇ pz ⁇ are calculated in such a way that the error P consists of the error P (positioning of axes), or only the parameters a, b and y are calculated in such a way that the error P consists of the error P (perpendicularity of axes), so that only one set of errors is estimated, specifically, only errors are estimated at one point along the three machine axes due to to the positioning errors of the X axis, the Y axis and the Z
  • Such embodiments of the method are also within the scope of the present disclosure.
  • Such embodiments can reduce the calculation burden for the calculation of the model parameters, which in some cases is preferable when the positioning errors or the perpendicularity errors of the precision machine are insignificant with respect to the other type of errors; In other words, when the positioning errors or the perpendicularity errors of the precision machine are several times greater than the perpendicularity errors or the positioning errors, respectively, only the most significant errors can be calculated in order to reduce the calculation load.
  • a control device for example a numerical control, operates the precision machine and performs the various numerical calculations to estimate the positioning errors.
  • the method also makes it possible to compensate machine errors to improve tool positioning accuracy and increase the quality of processed workpieces and the resulting finished parts.
  • the method further comprises compensating for a precision machine positioning error by moving the precision machine in accordance with the error values obtained for each of the X, Y and Z axes based on a position. precision machine.
  • the estimated positioning error can be digitally processed in such a way that movement commands are obtained to move the precision machine in order to compensate for said error. Due to this movement, the positioning error of the tool when processing the workpiece can be reduced.
  • only one of the two sets of model parameters is computed in the method.
  • compensation for the positioning error at any point is made according to the set of calculated parameters and not both.
  • both sets of model parameters are computed, but only one of them is considered for compensation.
  • the method further comprises, before compensating for the positioning error, removing the contact probe from the precision machine and arranging a tool for processing a workpiece on the precision machine.
  • the method further comprises processing a workpiece with the tool; and compensation for positioning error performed while the workpiece is being processed with the tool.
  • the position of the precision machine is digitally processed in order to retrieve the estimated error values for that position, and the precision machine moves according to said error values in order to to compensate for the positioning error.
  • the plurality of predetermined positions in which the calibration artifact is to be positioned comprises the following predetermined positions that are visually explained in Figure 2: artifact along an XX axis of the precision machine; artifact along a YY axis of the precision machine; artifact along an XY axis of the precision machine; artifact along an XZ axis of the precision machine; artifact along a precision machine ZY axis; and artifact along an XYZ axis of the precision machine.
  • a second aspect of the invention relates to a machine for precision, for example a machine tool, comprising: a machine table; a tool holder; a contact probe arranged in the tool holder; a tool for processing a workpiece, the tool being available on the tool holder; a calibration artifact comprising a row with a plurality of spheres, the calibration artifact being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration artifact can be placed on the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact is not placed on the machine table and is not parallel with a plane containing the surface of the machine table; and a control device at least configured to command the following:
  • the precision machine is capable of estimating its positioning errors in its working area in such a way that, when a tool is placed in it, an estimated displacement in the position of the tool is obtained.
  • a workpiece processed with the tool will be subject to processing with a tool offset, therefore, estimation of positioning errors is desirable to assess the expected quality of the workpiece if processed by the precision machine.
  • the control device can be, for example, a numerical control that operates the precision machine.
  • the machine table is or comprises a rotary table.
  • control device is further configured to command the following: cause the contact probe to measure at least the first and last spheres of the plurality of spheres when the calibration artifact is arranged on the machine table (i.e. , the rotary table); and moving the machine table to position the artifact in accordance with each of the plurality of predetermined positions.
  • the precision machine further comprises one or more optical devices
  • the control device is further configured to command the following: determining the position of the calibration artifact based on measurements from one or more optical devices when the artifact calibration is arranged on the machine table (i.e. rotary table); and move the machine table to position the artifact in accordance with each position of the plurality of predetermined positions.
  • control device is further configured to command the following: estimate a positioning error of any point P within the measured volume in order to evaluate precision machine errors that can be used to evaluate whether a part of I work will process in such a way that it will not meet the quality requirements.
  • control device is further configured to compensate for a precision machine positioning error by commanding the precision machine to move in accordance with the error values obtained for each of the X, Y, and Z axes based on a precision machine position.
  • the control device of the precision machine is capable of ordering the compensation for the positioning error in the X, Y and Z axes based on the error values estimated by moving the precision machine.
  • control device is further configured to command the processing of a workpiece with the tool; and the control device compensates for the positioning error while processing the workpiece with the tool.
  • the control device compensates for the positioning error during the processing of the workpiece, that is, the compensation is carried out in real time.
  • a third aspect of the invention relates to a computer program product having instructions which, when executed by a control device of a precision machine, for example a machine tool, comprising a machine table, make the control device order:
  • the calibration artifact comprising a row with the plurality of spheres, the calibration artifact being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration artifact can be placed on the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact is not placed on the machine table and is not parallel with a plane containing the surface of the machine table;
  • the positioning error of the precision machine and the tools arranged therein can be estimated and preferably also reduced.
  • the computer program product is embedded in a non-transient computer-readable medium.
  • the instructions make the control device further command to automatically move the machine table (when the precision machine comprises a machine table in the form of a rotary table) to position the artifact according to each position of the machine. the plurality of predetermined positions.
  • a fourth aspect of the invention relates to a data stream that is representative of a computer program product according to the third aspect of the invention.
  • Figure 1 schematically shows a positioning error of a precision machine and a tool arranged therein.
  • Figure 2 schematically shows different positions of a calibration device of the embodiments of the invention.
  • Figures 3 and 4 schematically show an axis positioning error model and a perpendicularity error model, respectively, of embodiments of the invention.
  • Figure 5 shows graphical representations representing measured positioning errors and estimated positioning errors at different positions of the measurements.
  • Figures 6 and 7 show errors in the distances measured between different pairs of spheres before and after the application of the compensation calculated for the positioning error.
  • Figure 8 shows an example of calibration artifacts of in accordance with achievements.
  • Figure 1 schematically shows a precision machine 10.
  • the precision machine 10 comprises a control device 11, a machine table, which can be a rotary table and a tool holder 15 adapted to receive a contact probe 17 or a tool 18 to process a workpiece 30.
  • the precision machine 10 During the operation of the precision machine 10, it is positioned based on a predicted position such that the contact probe 17 or the tool 18 has a predicted position 20, which has coordinates [X, Y, Z]. to the positioning errors 25, the precision machine 10 and therefore the contact probe 17 or the tool 18 are displaced to an erroneous position 21, which has the coordinates [X, Y ', 71 Consequently, the Workpiece 30 will not be processed properly if said positioning errors 25 are not taken into account or are not compensated for.
  • Figure 2 schematically shows different positions of a calibration artifact 50 of embodiments of the invention, each illustrated with a different set of markers as indicated in the legend.
  • the calibration artifact 50 includes a row with a plurality of spheres 51 that are used for the calibration of a precision machine such as, for example, the precision machine 10 of Figure 1.
  • Each illustrated calibration artifact 50 is the same calibration artifact arranged in accordance with a predetermined position different from a plurality of predetermined positions.
  • a control device of a precision machine commands the movement of the machine rotary table of the precision machine in such a way that the calibration artifact 50 arranged on the rotary table is positioned sequentially in accordance with each of the illustrated arrangements. Accordingly, the calibration artifact 50 will be arranged in accordance with each of the following: along the XX axis of the precision machine, along the YY axis of the precision machine, along a localized line within the XY plane of the precision machine, along a line located within the XZ plane of the precision machine, along a line located within the ZY plane of the precision machine, and along a localized line within the XYZ plane of the precision machine.
  • a contact probe arranged in the precision machine measures the different spheres 51 of the row in such a way that, based on its measurements, the control device numerically establishes the center of each sphere 51. With these central measurements and determinations, and knowing the distance between each pair of spheres, since it is a calibration artifact 50, the control device is then able to estimate the positioning errors at any point within the working volume. measured.
  • Figure 3 schematically shows an axis positioning error model, for example for one of the X, Y and Z axes, therefore a similar model is provided for each of the three axes.
  • points A and B represent any two adjacent spheres of the calibration artifact.
  • the line with a shape similar to a sinusoidal is the positioning error of the axis considered.
  • dABn is the calibrated distance between the two spheres.
  • Figure 3 shows a generic pair of spheres that do not they are arranged along a single machine axis, but rather in a generic XYZ plane.
  • the positioning error is modeled by positions of interest, that is, poses, for the axis in question where the parameter that characterizes the positioning error is defined, in that position. Accordingly, in the representation of Figure 3, the modeled error is illustrated for any machine axis, for example; As mentioned, similar representations can be made for the Y and Z axes.
  • px, py, and pz are parameters that define the positioning error models of the X axis, of the Y axis. and the Z axis, respectively. There will be as many functions as distances are measured between the spheres. Finally, the three parameters px, py and pz are obtained.
  • Figure 4 schematically shows a perpendicularity error model.
  • the X axis is taken as the reference axis in such a way that the Z axis lacks perpendicularity with respect to the X and Y axes, and the Y axis lacks perpendicularity with with respect to the X axis.
  • Figure 5 shows graphical representations representing measured positioning errors and estimated positioning errors at different positions of the measurements.
  • each of the graphic representations the positioning error for one of the three axes is represented.
  • the upper graphic representation shows the positioning error in the X axis versus the position of the precision machine along said X axis
  • the positioning error in the Y axis is shown versus the position of the precision machine along said Y axis
  • the graphical representation The lowermost is the Z axis positioning error versus the precision machine position along the Z axis.
  • the positioning errors measured for the positions along said axis where the precision machine has measured the spheres of the calibration artifact are shown with circles, and the estimated positioning errors for some positions along said axis are shown with squares. different axis of the positions where the precision machine has measured the spheres of the calibration artifact.
  • Figure 6 shows errors in the distances measured between different pairs of spheres before and after the application of the compensation calculated for the positioning error. More particularly, what is represented is, on the one hand, the errors (with circle markers) of the distances initially measured between pairs of spheres of the artifact when the errors of the machine affect the positioning of the machine and, therefore , to these measurements, and on the other hand the error residuals (with square markers) of the final measured distances between pairs of spheres when the positioning errors of the machine have been corrected.
  • One of the curves shows these differences when the precision machine is compensating for the positioning error and the other shows these differences when the precision machine is not making such compensation.
  • Figure 7 shows the initial positioning errors (with circle markers) of the machine along its X axis, and the positioning errors ends (with square markers) of the machine along its X-axis after those errors have been compensated for.
  • Figure 8 shows exemplary calibration artifacts 50 in accordance with embodiments.
  • Each calibration artifact 50 comprises a row with a plurality of spheres 51.
  • a first sphere 51 a and a last sphere 51 b can be identified from the plurality of spheres 51 such as spheres 51a, 51 b at the ends of the row.
  • the first sphere has been referenced with the number 51a and the last sphere has been referenced with the number 51b, it is clear that the reverse would also be possible since the contact probe of a precision machine can measure both.
  • One of the calibration artifacts 50 is arranged horizontally in relation to an XY plane, for example, on the machine table of a precision machine, while the other of the calibration artifacts 50 is arranged diagonally such that it lies in an XZ plane.
  • the supports 52 may be arranged to support the calibration artifact 50 such that different parts of it are in different vertical positions.
  • the horizontally arranged calibration artifact 50 is disposed along the XX axis
  • the diagonally disposed calibration artifact 50 is disposed along the XZ axis.
  • the calibration artifact 50 depicted in Figure 8 or Figure 2 is a single calibration artifact 50 that can be arranged such that the first part thereof (the part arranged horizontally) can be placed on a machine table and a second part of it (the part arranged diagonally) is not parallel to a plane containing the surface of the machine table.
  • first part thereof the part arranged horizontally
  • second part of it the part arranged diagonally

Abstract

Disclosed is a method for estimating and compensating errors in the positioning of a precision machine having a machine table, which comprises: arranging a contact probe on the precision machine; arranging a calibration device on the machine table; positioning the device on the machine table of the precision machine in a plurality of predetermined positions; measuring, with the contact probe, each sphere of a plurality of spheres, for each position of the plurality of predetermined positions of the calibration device; determining, digitally, a position of the centre of each sphere of the plurality of spheres; and obtaining, digitally, parameters {px}, {py}, {pz}, α, β and ɣ of a mathematical model.

Description

ESTIMACIÓN Y COMPENSACIÓN DE ERRORES EN EL POSICIONADO DE ESTIMATION AND COMPENSATION OF ERRORS IN THE POSITIONING OF
UNA MÁQUINA DE PRECISIÓN A PRECISION MACHINE
CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere al campo de las máquinas de precisión.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of precision machines.
Más en particular, la invención se refiere tanto a métodos como a máquinas de precisión capaces de estimar errores en el posicionado de una herramienta de las mismas. En algunos casos, los métodos y las máquinas también pueden reducir tales errores. ESTADO DE LA TÉCNICA More particularly, the invention relates to both methods and precision machines capable of estimating errors in the positioning of a tool thereof. In some cases, methods and machines can also reduce such errors. STATE OF THE ART
Las máquinas de precisión, por ejemplo, las máquinas herramienta, son máquinas ampliamente usadas para procesar piezas de trabajo mediante una herramienta o una serie de herramientas. Con este fin, las herramientas de máquina incorporan una o más herramientas para realizar diferentes operaciones de procesamiento. El posicionado preciso de la herramienta o herramientas es esencial para la fabricación correcta de la pieza bajo las tolerancias requeridas. Precision machines, for example machine tools, are widely used machines for processing workpieces by one tool or series of tools. To this end, machine tools incorporate one or more tools to perform different processing operations. The precise positioning of the tool or tools is essential for the correct manufacture of the part under the required tolerances.
Las máquinas de precisión se han mejorado en las últimas décadas, sin embargo, todavía son propensas a errores de posicionado mediante los cuales la herramienta dispuesta en las mismas se desplazará de una posición prevista, procesando de este modo las piezas de trabajo de manera incorrecta. Las diferencias entre la posición prevista y la posición real de la herramienta impactan negativamente en las piezas de trabajo resultantes; las piezas de trabajo deben procesarse con alta precisión para ser completamente funcionales y/o cumplir con ciertos requisitos de calidad. Existen técnicas para medir los errores de posicionado en este tipo de máquinas, tanto las técnicas directas, es decir, aquellas que miden o estiman errores a lo largo de un eje a la vez, como las técnicas indirectas, es decir, aquellas que necesitan el movimiento de varios ejes de la máquina para medir los errores. Por ejemplo, existen técnicas que dependen de artefactos de calibración, técnicas que usan interferometría láser, técnicas que usan inclinómetros para que los errores puedan medirse en dos ángulos, por nombrar unas pocas. Algunas limitaciones de estas técnicas son, sin embargo, que pueden necesitar un posicionado y una alineación cuidadosa y lenta del artefacto, que los láseres tienen un alto coste tanto para la instalación como para la operación de los mismos, entre otras. Precision machines have been improved in recent decades, however, they are still prone to positioning errors whereby the tool arranged on them will move from a planned position, thus processing workpieces incorrectly. Differences between the predicted position and the actual position of the tool negatively impact the resulting work pieces; workpieces must be processed with high precision to be fully functional and / or meet certain quality requirements. There are techniques to measure positioning errors in this type of machine, both direct techniques, that is, those that measure or estimate errors along one axis at a time, and indirect techniques, that is, those that need the multi-axis movement of the machine to measure errors. For example, there are techniques that rely on calibration artifacts, techniques that use laser interferometry, techniques that use inclinometers so that errors can be measured at two angles, to name a few. Some limitations of these techniques are, however, that they may require careful and slow positioning and alignment of the artifact, that lasers have a high cost both for their installation and operation, among others.
Sería conveniente poder estimar los errores de posicionado mencionados de una manera simple y rentable. De igual forma, sería conveniente poder reducir dichos errores de posicionado una vez que se hayan estimado los mismos. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN It would be desirable to be able to estimate the aforementioned positioning errors in a simple and cost-effective way. Similarly, it would be convenient to be able to reduce such positioning errors once they have been estimated. DESCRIPTION OF THE INVENTION
Un primer aspecto de la invención se refiere a un método para estimar (y, preferentemente, compensar) errores de posicionado de una máquina de precisión que tiene una mesa de máquina, por ejemplo, una máquina herramienta, que comprende: A first aspect of the invention relates to a method for estimating (and, preferably, compensating for) positioning errors of a precision machine having a machine table, for example a machine tool, comprising:
- disponer una sonda de contacto en la máquina de precisión, por ejemplo, en un portaherramientas de la misma; - arranging a contact probe in the precision machine, for example, in a tool holder thereof;
- disponer un artefacto de calibración en la mesa de máquina, comprendiendo el artefacto de calibración una fila con una pluralidad de esferas, estando el artefacto de calibración disponible en al menos dos configuraciones: una primera configuración tal que el artefacto de calibración pueda colocarse en la mesa de máquina, y una segunda configuración tal que el artefacto de calibración no se coloque en la mesa de máquina y no sea paralelo con un plano que contiene la superficie de la mesa de máquina (por ejemplo, en una posición semivertical inclinada); - arranging a calibration device on the machine table, the calibration device comprising a row with a plurality of spheres, the calibration device being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration device can be placed in the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact is not positioned on the machine table and is not parallel to a plane containing the surface of the machine table (for example, in an inclined semi-vertical position);
- posicionar el artefacto en la mesa de máquina de precisión (y, por lo tanto, en la zona de trabajo de la máquina de precisión) de acuerdo con una pluralidad de posiciones predeterminadas; - positioning the artifact on the precision machine table (and, therefore, in the working area of the precision machine) according to a plurality of predetermined positions;
- medir cada esfera de la pluralidad de esferas con la sonda de contacto para cada posición del artefacto de calibración de la pluralidad de posiciones predeterminadas; - measuring each sphere of the plurality of spheres with the contact probe for each position of the calibration artifact of the plurality of predetermined positions;
- después de medir las esferas, determinar digitalmente la posición del centro de cada una de las esferas de la pluralidad de esferas para cada posición del artefacto de calibración de la pluralidad de posiciones predeterminadas; - after measuring the spheres, digitally determining the position of the center of each of the spheres of the plurality of spheres for each position of the calibration artifact of the plurality of predetermined positions;
- después de determinar digitalmente las posiciones de los centros de las esferas para todas las posiciones predeterminadas del artefacto de calibración: - after digitally determining the positions of the centers of the spheres for all the predetermined positions of the calibration artifact:
■ calcular digitalmente los valores de las distancias basándose en las posiciones determinadas, siendo cada distancia aquella entre un par diferente de esferas adyacentes A y B de la pluralidad de esferas para la posición de artefacto predeterminada respectiva; ■ digitally calculating the values of the distances based on the determined positions, each distance being that between a different pair of adjacent spheres A and B of the plurality of spheres for the respective predetermined artifact position;
■ determinar digitalmente los valores de los parámetros de un modelo matemático que estima el error en cualquier punto P del volumen medido (que puede ser cualquier punto dado dentro del volumen medido, incluyendo el punto dado, pero no limitado a, el centro de una esfera), como se define en la siguiente ecuación: xyzP = uvwP + errorP donde: uvwP es la posición teórica del punto P a la que se ordena dirigirse a la máquina y se compone por las coordenadas de máquina u, v, w; xyzP es la posición real adoptada por la máquina cuando se le ordena dirigirse al punto teórico uvwP del punto P y se compone por las coordenadas reales x, y y z; errorP es el error de posicionado total en un punto P, definido a lo largo de las direcciones de los tres ejes lineales X, Y, Z, cuando la máquina se posiciona en el punto ordenado uvwP; errorP se compone de dos componentes de error: errorP = errorP (posicionado de ejes) + errorP (perpendicularidad de ejes) donde: i) error P (posicionado de ejes) es el componente de error de posicionado en un punto P debido a los errores de posicionado inherentes a los tres ejes lineales de la máquina, que se expresan con los tres parámetros vectoriales {px}, {py}, {pz}, que expresan el error de posicionado a lo largo de los tres ejes lineales en un punto P. Cada uno de los parámetros {px}, {py}, {pz} se define por una matriz de puntos a lo largo de cada uno de los ejes de la máquina, así el error de posicionado px¡ para cualquier punto (definido por el índice i) intermedio a los definidos, puede calcularse como una interpolación lineal entre los errores de puntos definidos adyacentes (definidos por los índices i-1 e i+1 respectivamente), de la siguiente manera:
Figure imgf000006_0001
■ digitally determine the values of the parameters of a mathematical model that estimates the error at any point P of the measured volume (which can be any given point within the measured volume, including the given point, but not limited to, the center of a sphere ), as defined by the following equation: xyzP = uvwP + errorP where: uvwP is the theoretical position of the point P to which the machine is ordered to go and is made up of the machine coordinates u, v, w; xyzP is the real position adopted by the machine when it is ordered to go to the theoretical point uvwP of point P and it is composed by the real coordinates x, y and z; errorP is the total positioning error at a point P, defined along the directions of the three linear axes X, Y, Z, when the machine is positioned at the ordered point uvwP; errorP is made up of two error components: errorP = errorP (axis positioning) + errorP (axis perpendicularity) where: i) P error (axis positioning) is the component of positioning error at a point P due to errors of positioning inherent to the three linear axes of the machine, which are expressed with the three vector parameters {px}, {py}, {pz}, which express the positioning error along the three linear axes at a point P . Each of the parameters {px}, {py}, {pz} is defined by a matrix of points along each of the axes of the machine, thus the positioning error px¡ for any point (defined by the index i) intermediate to those defined, can be calculated as a linear interpolation between the errors of adjacent defined points (defined by the indices i-1 and i + 1 respectively), as follows:
Figure imgf000006_0001
¡i) error P (perpendicularidad de ejes) es el componente de error de posicionado en un punto P debido a los errores de perpendicularidad inherentes a los tres ejes lineales de la máquina, definiéndose estos errores de perpendicularidad con los tres ángulos a, b y y; los errores de perpendicularidad a, b y y producen un error de posicionado en un punto P a lo largo de los tres ejes de la máquina como se define con la expresión: errorP(perpendicularidad de ejes)
Figure imgf000007_0001
por lo tanto, la ecuación: errorP = errorP (posicionado de ejes) + errorP (perpendicularidad de ejes) puede reescribirse como:
Figure imgf000007_0002
Con el objetivo de determinar digitalmente los valores de los parámetros¡I) P error (axis perpendicularity) is the component of the positioning error at a point P due to the perpendicularity errors inherent to the three linear axes of the machine, these perpendicularity errors being defined with the three angles a, b and y; perpendicularity errors a, b and y produce a positioning error at a point P along the three axes of the machine as defined by the expression: errorP (perpendicularity of axes)
Figure imgf000007_0001
therefore the equation: errorP = errorP (axis positioning) + errorP (axis perpendicularity) can be rewritten as:
Figure imgf000007_0002
In order to digitally determine the values of the parameters
{px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático (1.1 ), se define la siguiente fórmula (1 .2) para cada distancia entre pares de esferas adyacentes del artefacto de calibración: dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | (1 .2) donde: dAB es la distancia teórica entre los centros de las esferas A y B del artefacto de calibración, uvwA y uvwB son las posiciones teóricas de los centros A y B del artefacto de calibración que se ordenan a la máquina y se componen de las coordenadas de máquina u, v y w, respectivamente, xyzA y xyzB son las posiciones reales adoptadas por la máquina cuando se le ordena dirigirse a los puntos teóricos uvwA y uvwB, y se componen de las coordenadas reales x, y, z, errorA y errorB son los errores cuando la máquina se posiciona en los puntos ordenados uvwA y uvwB, y | | es la función de norma que se usa para calcular la distancia entre dos puntos. {px}, {py}, {pz}, a, b and y from the mathematical model (1.1), the following formula (1 .2) is defined for each distance between pairs of adjacent spheres of the calibration artifact: dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | (1 .2) where: dAB is the theoretical distance between the centers of the spheres A and B of the calibration device, uvwA and uvwB are the theoretical positions of the centers A and B of the calibration device that are ordered to the machine and They are made up of the machine coordinates u, v and w, respectively, xyzA and xyzB are the real positions taken by the machine when it is commanded to go to the theoretical points uvwA and uvwB, and they are made up of the real coordinates x, y, z, errorA and errorB are the errors when the machine is positioned in the ordered points uvwA and uvwB, and | | is the norm function used to calculate the distance between two points.
Para resolver esta fórmula (que es una función llamada de ahora en adelante f), se usará el método conocido de Idealización en torno a un punto elegido: f (P) = f (Po) + f'(Po) * (P-Po) (1 .3) donde: f es la función no lineal definida con la fórmula (1 .2); f (P) es el cálculo aproximado de la función f en el punto P; f (Po) es el cálculo exacto de la función f en el punto Po; f '(Po) es la derivada de la función f (el Jacobiano en el sistema multiparamétrico) evaluada en el punto Po; To solve this formula (which is a function called from now on f), we will use the known method of Idealization around a chosen point: f (P) = f (Po) + f '(Po) * (P- Po) (1 .3) where: f is the non-linear function defined with the formula (1 .2); f (P) is the approximate calculation of the function f at point P; f (Po) is the exact calculation of the function f at the point Po; f '(Po) is the derivative of the function f (the Jacobian in the multiparametric system) evaluated at the point Po;
P-Po es la diferencia escalar entre los valores P y Po; y así, la fórmula (1.2) se resuelve digitalmente con la fórmula linealizada (1.3), reescrito como en (1.4):
Figure imgf000008_0001
donde: dAB es la distancia medida entre dos esferas adyacentes A y B, dABo es la distancia calibrada conocida entre dos esferas adyacentes A y B, la función se evalúa inicialmente para unos parámetros iniciales predeterminados (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0), a continuación se realizan múltiples iteraciones mediante un método numérico tal como Newton-Raphson para calcular los valores reales de los parámetros {px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático, {px}, {py} y {pz} son los parámetros de vector mencionados anteriormente que definen los errores de posicionado del eje X, del eje Y y del eje Z, respectivamente, y a, b y y son los parámetros escalares mencionados que definen los errores de perpendicularidad entre el eje X, el eje Y y el eje Z. P-Po is the scalar difference between the P and Po values; and so formula (1.2) is digitally solved with linearized formula (1.3), rewritten as in (1.4):
Figure imgf000008_0001
where: dAB is the measured distance between two adjacent spheres A and B, dABo is the known calibrated distance between two adjacent spheres A and B, the function is initially evaluated for some predetermined initial parameters (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0), then multiple iterations are performed using a numerical method such as Newton-Raphson to calculate the real values of the parameters {px}, {py}, {pz}, a, b and y of the mathematical model, {px}, {py} and {pz} are the vector parameters mentioned above that define the positioning errors of the X axis, the Y axis and the Z axis, respectively, and a, b and y are the aforementioned scalar parameters that define the perpendicularity errors between the X axis, the Y axis and the Z axis.
Y el método comprende además: después de realizar los cálculos mencionado anteriormente, son obtenidos errores de posicionado de eje de máquina {px}, {py}, {pz} y errores de perpendicularidad de eje de máquina a, b y Y-And the method also comprises: after performing the aforementioned calculations, machine axis positioning errors {px}, {py}, {pz} and machine axis perpendicularity errors a, b and Y are obtained-
Por medio del presente método, el desplazamiento que tiene la herramienta con respecto a una posición prevista puede estimarse en la forma de un error de posicionado total. Por consiguiente, las imprecisiones que tiene la máquina de precisión en el posicionado de la misma pueden establecerse de tal manera que puedan tenerse en cuenta los errores esperados en el procesamiento de las piezas de trabajo. De esta manera, si el error de posicionado no se compensara, puede determinarse si la pieza de trabajo resultante puede cumplir los requisitos de calidad establecidos para la misma. Por lo tanto, la estimación del error puede usarse para fines de control de calidad y/o verificación. By means of the present method, the displacement of the tool with respect to a predicted position can be estimated in the form of a total positioning error. Accordingly, the inaccuracies that the precision machine has in the positioning of the same can be established in such a way that the errors expected in the processing of the work pieces can be taken into account. In this way, if the positioning error is not compensated for, it can be determined whether the resulting workpiece can meet the quality requirements set for it. Therefore, the error estimate can be used for quality control and / or verification purposes.
La estimación del error se basa en la medición del artefacto de calibración con la sonda de contacto. El artefacto de calibración es un artefacto que se ha calibrado anteriormente con una máquina de medición de coordenadas (CMM); En este sentido, el método puede comprender además calibrar el artefacto de calibración con una CMM. Al posicionar el artefacto de calibración de acuerdo con diferentes posiciones predeterminadas en la zona de trabajo de la máquina de precisión, la medición permite la determinación de la posición del centro de todas las esferas para cada una de las posiciones predeterminadas, calculando de este modo cuánto está desplaza la sonda de contacto (y, por lo tanto, cuando está dispuesta la herramienta en la máquina de precisión) de lo previsto y, por lo tanto, la posición esperada. The estimation of the error is based on the measurement of the calibration artifact with the contact probe. The calibration artifact is an artifact that has been previously calibrated with a coordinate measuring machine (CMM); In this regard, the method may further comprise calibrating the calibration artifact with a CMM. By positioning the calibration artifact according to different predetermined positions in the working area of the machine precision, the measurement allows the determination of the position of the center of all the spheres for each of the predetermined positions, thus calculating how much the contact probe is displacing (and, therefore, when the tool is arranged in the precision machine) than expected and therefore the expected position.
El posicionado del artefacto de calibración puede realizarse de manera manual o automática, esta última se logra mediante un dispositivo de control de la máquina de precisión que opera una mesa de máquina (que, al menos en estos casos, es una mesa rotatoria), para reposicionar el artefacto de calibración. En algunos casos, el posicionado automático del artefacto de calibración requiere tener datos indicativos de cómo está dispuesto el artefacto inicialmente en la mesa de máquina (es decir, la mesa rotatoria) de tal manera que, al hacer rotar la mesa rotatoria, el artefacto se posiciona de acuerdo con una posición predeterminada de la pluralidad de posiciones. En este sentido, la sonda de contacto puede tener, en primer lugar, que medir las esferas primera y última de la fila del artefacto de calibración cuando el artefacto está en la mesa rotatoria para determinar cómo está dispuesto el artefacto sobre la misma; un usuario puede mover manualmente la mesa rotatoria para esta medición inicial de las esferas primera y última; en concreto, la máquina de precisión se mueve de tal manera que la sonda entra en contacto con la primera esfera de la fila y mide dicha primera esfera, y a continuación se mueve de tal manera que la sonda entra en contacto con la última esfera de la fila y mide dicha última esfera. De igual forma, en algunas realizaciones, la máquina de precisión está provista de medios ópticos configurados para realizar una visión informática; procesando digitalmente las medidas de los medios ópticos, por ejemplo, una cámara, un láser, etc., puede determinarse dónde y cómo se dispone el artefacto en la mesa de máquina (es decir, la mesa rotatoria). Con dichos datos, el dispositivo de control determina cómo se moverá la mesa rotatoria para que el artefacto se posicione de acuerdo con cada posición predeterminada. The positioning of the calibration device can be done manually or automatically, the latter is achieved by means of a precision machine control device that operates a machine table (which, at least in these cases, is a rotary table), to reposition the calibration artifact. In some cases, the automatic positioning of the calibration artifact requires having data indicative of how the artifact is initially arranged on the machine table (i.e., the rotary table) in such a way that, by rotating the rotary table, the artifact is positions according to a predetermined position of the plurality of positions. In this sense, the contact probe may first have to measure the first and last spheres in the row of the calibration artifact when the artifact is on the rotary table to determine how the artifact is arranged on it; a user can manually move the rotary table for this initial measurement of the first and last spheres; Specifically, the precision machine moves in such a way that the probe contacts the first sphere in the row and measures said first sphere, and then moves in such a way that the probe contacts the last sphere in the row. row and measures that last sphere. Similarly, in some embodiments, the precision machine is provided with optical means configured to perform computer vision; digitally processing measurements from optical media, for example a camera, a laser, etc., where and how the artifact is arranged on the machine table (ie rotary table) can be determined. With said data, the control device determines how the rotary table will move so that the artifact is positioned according to each predetermined position.
Una vez que se obtienen los valores del modelo matemático, el error de posicionado de cualquier punto P dentro del volumen medido puede estimarse digitalmente con el fin de evaluar los errores de la máquina que pueden usarse para evaluar si una pieza de trabajo se procesará de tal manera que no cumplirá los requisitos de calidad, por ejemplo, si la pieza de trabajo se procesará de tal manera que se espere que una o más partes de la misma tengan o tendrán dimensiones y/o superficies que no estén dentro de un conjunto de dimensiones y/o requisitos de superficies predeterminados. Once the mathematical model values are obtained, the positioning error of any point P within the measured volume can be digitally estimated in order to evaluate machine errors that can be used to assess whether a workpiece will be processed as a way that will not meet quality requirements, for example if the workpiece will be processed in such a way that one or more parts of the workpiece are expected to have or will have dimensions and / or surfaces that are not within a dimension set and / or predetermined surface requirements.
Los parámetros del modelo matemático y/o los valores de error de posicionado obtenidos pueden emitirse (por ejemplo, con medios de comunicación cableados/inalámbricos de la máquina de precisión, pueden transmitirse a un dispositivo de presentación, por ejemplo, una pantalla, en un dispositivo de presentación de la máquina de precisión, por ejemplo, una interfaz hombre máquina, etc.); sobre este último, los valores de error de posicionado pueden generarse como conjuntos de valores de error, cada conjunto corresponde a uno de los ejes X, Y y Z. Estos conjuntos, que puede proporcionarse de diferentes maneras, por ejemplo, como tablas, gráficas, etc., indican el desplazamiento de la sonda o herramienta de contacto en el eje respectivo en cada posición medida. Por consiguiente, los valores de error para las posiciones no medidas pueden calcularse usando el modelo proporcionado con los parámetros estimados {px}, {py}, {pz}, a, b y y. Aunque el método se ha divulgado de tal manera que se calculan los parámetros {px}, {py}, {pz} y los parámetros a, b y y, un experto en la materia observará que el método también puede realizarse para uno solo de los dos conjuntos de parámetros, es decir, solo se calculan los parámetros {px}, {py}, {pz} de tal manera que el error P consiste en el error P (posicionado de ejes), o solo se calculan los parámetros a, b y y de tal manera que el error P consista en el error P (perpendicularidad de ejes), por lo que solo se estima un conjunto de errores, en concreto, solo se estiman los errores en un punto a lo largo de los tres ejes de máquina debido a los errores de posicionado del eje X, del eje Y y del eje Z de la máquina, o solo se estiman los errores en un punto a lo largo de los tres ejes de máquina debido a errores de perpendicularidad de máquina entre el eje X, el eje Y y el eje Z. Dichas realizaciones del método también están dentro del alcance de la presente divulgación. Tales realizaciones pueden reducir la carga de cálculo para el cálculo de los parámetros del modelo, que en algunos casos es preferible cuando los errores de posicionado o los errores de perpendicularidad de la máquina de precisión son insignificantes con respecto al otro tipo de errores; dicho de otra forma, cuando los errores de posicionado o los errores de perpendicularidad de la máquina de precisión son vahas veces mayores que los errores de perpendicularidad o los errores de posicionado, respectivamente, solo pueden calcularse los errores más significativos con el fin de reducir la carga de cálculo. The mathematical model parameters and / or the positioning error values obtained can be output (for example, with wired / wireless communication means of the precision machine, can be transmitted to a display device, e.g. a screen, on a precision machine display device, eg human machine interface, etc.); On the latter, the positioning error values can be generated as sets of error values, each set corresponds to one of the X, Y and Z axes. These sets, which can be provided in different ways, for example, as tables, graphs , etc., indicate the displacement of the probe or contact tool on the respective axis at each measured position. Therefore, the error values for the unmeasured positions can be calculated using the model provided with the estimated parameters {px}, {py}, {pz}, a, by and. Although the method has been disclosed in such a way that the parameters {px}, {py}, {pz} and the parameters a, b and y are calculated, a person skilled in the art will observe that the method can also be performed for only one of the two sets of parameters, that is, only the parameters {px}, {py}, {pz} are calculated in such a way that the error P consists of the error P (positioning of axes), or only the parameters a, b and y are calculated in such a way that the error P consists of the error P (perpendicularity of axes), so that only one set of errors is estimated, specifically, only errors are estimated at one point along the three machine axes due to to the positioning errors of the X axis, the Y axis and the Z axis of the machine, or only errors are estimated at one point along the three machine axes due to machine perpendicularity errors between the X axis, the Y-axis and the Z-axis. Such embodiments of the method are also within the scope of the present disclosure. Such embodiments can reduce the calculation burden for the calculation of the model parameters, which in some cases is preferable when the positioning errors or the perpendicularity errors of the precision machine are insignificant with respect to the other type of errors; In other words, when the positioning errors or the perpendicularity errors of the precision machine are several times greater than the perpendicularity errors or the positioning errors, respectively, only the most significant errors can be calculated in order to reduce the calculation load.
Un dispositivo de control, por ejemplo, un control numérico, opera la máquina de precisión y realiza los diferentes cálculos numéricos para estimar los errores de posicionado. A control device, for example a numerical control, operates the precision machine and performs the various numerical calculations to estimate the positioning errors.
Además, en algunos casos, el método también hace posible compensar los errores de máquina para mejorar la precisión del posicionado de la herramienta y aumentar la calidad de las piezas de trabajo procesadas y las piezas terminadas resultantes. Con este fin, en algunas realizaciones, el método comprende además compensar un error de posicionado de la máquina de precisión moviendo la máquina de precisión de acuerdo con los valores de error obtenidos para cada uno de los ejes X, Y y Z basándose en una posición de la máquina de precisión. Furthermore, in some cases, the method also makes it possible to compensate machine errors to improve tool positioning accuracy and increase the quality of processed workpieces and the resulting finished parts. To this end, in some embodiments, the method further comprises compensating for a precision machine positioning error by moving the precision machine in accordance with the error values obtained for each of the X, Y and Z axes based on a position. precision machine.
El error de posicionado estimado puede procesarse digitalmente de tal manera que se obtengan comandos de movimiento para mover la máquina de precisión con el fin de compensar dicho error. Debido a este movimiento, puede reducirse el error de posicionado de la herramienta al procesar la pieza de trabajo. The estimated positioning error can be digitally processed in such a way that movement commands are obtained to move the precision machine in order to compensate for said error. Due to this movement, the positioning error of the tool when processing the workpiece can be reduced.
Como se ha observado anteriormente, en algunas realizaciones, en el método solo se calcula uno de los dos conjuntos de parámetros del modelo. En algunas de estas realizaciones, la compensación del error de posicionado en cualquier punto se efectúa de acuerdo con el conjunto de parámetros calculados y no con ambos. De igual forma, en algunas realizaciones, se calculan ambos conjuntos de parámetros del modelo, pero solo se considera uno de ellos para la compensación. As noted above, in some embodiments, only one of the two sets of model parameters is computed in the method. In some of these embodiments, compensation for the positioning error at any point is made according to the set of calculated parameters and not both. Similarly, in some embodiments, both sets of model parameters are computed, but only one of them is considered for compensation.
En algunas realizaciones, el método comprende, además, antes de compensar el error de posicionado, retirar la sonda de contacto de la máquina de precisión y disponer una herramienta para procesar una pieza de trabajo en la máquina de precisión. In some embodiments, the method further comprises, before compensating for the positioning error, removing the contact probe from the precision machine and arranging a tool for processing a workpiece on the precision machine.
En algunas realizaciones, el método comprende además procesar una pieza de trabajo con la herramienta; y la compensación del error de posicionado se realiza mientras se procesa la pieza de trabajo con la herramienta. In some embodiments, the method further comprises processing a workpiece with the tool; and compensation for positioning error performed while the workpiece is being processed with the tool.
Durante el procesamiento de la pieza de trabajo, la posición de la máquina de precisión se procesa digitalmente con el fin de recuperar los valores de error estimados para dicha posición, y la máquina de precisión se mueve de acuerdo con dichos valores de error con el fin de compensar el error de posicionado. During workpiece processing, the position of the precision machine is digitally processed in order to retrieve the estimated error values for that position, and the precision machine moves according to said error values in order to to compensate for the positioning error.
En algunas realizaciones, la pluralidad de posiciones predeterminadas en las que debe posicionarse el artefacto de calibración comprende las siguientes posiciones predeterminadas que se explican visualmente en la figura 2: artefacto a lo largo de un eje XX de la máquina de precisión; artefacto a lo largo de un eje YY de la máquina de precisión; artefacto a lo largo de un eje XY de la máquina de precisión; artefacto a lo largo de un eje XZ de la máquina de precisión; artefacto a lo largo de un eje ZY de la máquina de precisión; y artefacto a lo largo de un eje XYZ de la máquina de precisión. In some embodiments, the plurality of predetermined positions in which the calibration artifact is to be positioned comprises the following predetermined positions that are visually explained in Figure 2: artifact along an XX axis of the precision machine; artifact along a YY axis of the precision machine; artifact along an XY axis of the precision machine; artifact along an XZ axis of the precision machine; artifact along a precision machine ZY axis; and artifact along an XYZ axis of the precision machine.
Estas posiciones se consideran suficientes para lograr una solución en el cálculo, posiciones adicionales mejorarán la precisión del resultado del cálculo. No obstante, un experto en la materia observará que son posibles y suficientes otros conjuntos de posiciones diferentes a los anteriores para lograr una solución en el cálculo y que también son parte de la presente divulgación. Por consiguiente, un experto en la materia puede estimar y, opcionalmente, corregir errores de posicionado con el método de la presente divulgación con otras pluralidades de posiciones predeterminadas, incluyendo pluralidades de posiciones predeterminadas con un mayor número de posiciones para mejorar la precisión del resultado del cálculo. These positions are considered sufficient to achieve a solution in the calculation, additional positions will improve the precision of the calculation result. However, one skilled in the art will observe that other sets of positions than the above are possible and sufficient to achieve a solution in the calculation and that they are also part of the present disclosure. Accordingly, a person skilled in the art can estimate and optionally correct positioning errors with the method of the present disclosure with other pluralities of predetermined positions, including pluralities of predetermined positions with a greater number of positions to improve the accuracy of the result of the calculation.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a una máquina de precisión, por ejemplo, una máquina herramienta, que comprende: una mesa de máquina; un portaherramientas; una sonda de contacto dispuesta en el portaherramientas; una herramienta para procesar una pieza de trabajo, estando la herramienta disponible en el portaherramientas; un artefacto de calibración que comprende una fila con una pluralidad de esferas, estando el artefacto de calibración disponible en al menos dos configuraciones: una primera configuración tal que el artefacto de calibración pueda colocarse en la mesa de máquina, y una segunda configuración tal que el artefacto de calibración no se coloque en la mesa de máquina y no sea paralelo con un plano que contiene la superficie de la mesa de máquina; y un dispositivo de control al menos configurado para ordenar lo siguiente: A second aspect of the invention relates to a machine for precision, for example a machine tool, comprising: a machine table; a tool holder; a contact probe arranged in the tool holder; a tool for processing a workpiece, the tool being available on the tool holder; a calibration artifact comprising a row with a plurality of spheres, the calibration artifact being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration artifact can be placed on the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact is not placed on the machine table and is not parallel with a plane containing the surface of the machine table; and a control device at least configured to command the following:
- hacer que la sonda de contacto mida cada esfera de la pluralidad de esferas cuando el artefacto de calibración se posicione de acuerdo con cada posición de una pluralidad de posiciones predeterminadas; - causing the contact probe to measure each sphere of the plurality of spheres when the calibration artifact is positioned according to each position of a plurality of predetermined positions;
- determinar una posición del centro de cada una de las esferas de la pluralidad de esferas después de medirlas con la sonda de contacto en cada posición de la pluralidad de posiciones de artefacto predeterminadas; y - determining a position of the center of each of the spheres of the plurality of spheres after measuring them with the contact probe at each position of the plurality of predetermined artifact positions; Y
- realizar los cálculos descritos haciendo referencia al primer aspecto de la invención con el fin de obtener errores de posicionado de eje de máquina {px}, {py}, {pz} y errores de perpendicularidad de eje de máquina a, b y y que constituyen los parámetros del modelo matemático. - carry out the calculations described with reference to the first aspect of the invention in order to obtain positioning errors of the machine axis {px}, {py}, {pz} and errors of perpendicularity of the machine axis a, b and y that constitute the parameters of the mathematical model.
La máquina de precisión es capaz de estimar sus errores de posicionado en la zona de trabajo de la misma de tal manera que, cuando se dispone una herramienta en la misma, se obtiene un desplazamiento estimado en la posición de la herramienta. Una pieza de trabajo procesada con la herramienta estará sujeta a un procesamiento con un desplazamiento de la herramienta, por lo tanto, es conveniente la estimación de los errores de posicionado para evaluar la calidad esperada de la pieza de trabajo si se procesa por la máquina de precisión. The precision machine is capable of estimating its positioning errors in its working area in such a way that, when a tool is placed in it, an estimated displacement in the position of the tool is obtained. A workpiece processed with the tool will be subject to processing with a tool offset, therefore, estimation of positioning errors is desirable to assess the expected quality of the workpiece if processed by the precision machine.
El dispositivo de control puede ser, por ejemplo, un control numérico que opera la máquina de precisión. The control device can be, for example, a numerical control that operates the precision machine.
En algunas realizaciones, la mesa de máquina es o comprende una mesa rotatoria. In some embodiments, the machine table is or comprises a rotary table.
En algunas realizaciones, el dispositivo de control está configurado además para ordenar lo siguiente: hacer que la sonda de contacto mida al menos las esferas primera y última de la pluralidad de esferas cuando el artefacto de calibración está dispuesto en la mesa de máquina (es decir, la mesa rotatoria); y mover la mesa de máquina para posicionar el artefacto de acuerdo con cada posición de la pluralidad de posiciones predeterminadas. En algunas otras realizaciones, la máquina de precisión comprende además uno o más dispositivos ópticos, y el dispositivo de control está configurado además para ordenar lo siguiente: determinar la posición del artefacto de calibración basándose en las mediciones de uno o más dispositivos ópticos cuando el artefacto de calibración está dispuesto en la mesa de máquina (es decir, mesa rotatoria); y mueva la mesa de máquina para posicionar el artefacto de acuerdo con cada posición de la pluralidad de posiciones predeterminadas. In some embodiments, the control device is further configured to command the following: cause the contact probe to measure at least the first and last spheres of the plurality of spheres when the calibration artifact is arranged on the machine table (i.e. , the rotary table); and moving the machine table to position the artifact in accordance with each of the plurality of predetermined positions. In some other embodiments, the precision machine further comprises one or more optical devices, and the control device is further configured to command the following: determining the position of the calibration artifact based on measurements from one or more optical devices when the artifact calibration is arranged on the machine table (i.e. rotary table); and move the machine table to position the artifact in accordance with each position of the plurality of predetermined positions.
En algunas realizaciones, el dispositivo de control está configurado además para ordenar lo siguiente: estimar un error de posicionado de cualquier punto P dentro del volumen medido con el fin de evaluar los errores de la máquina de precisión que pueden usarse para evaluar si una pieza de trabajo se procesará de tal manera que no cumplirá los requisitos de calidad. In some embodiments, the control device is further configured to command the following: estimate a positioning error of any point P within the measured volume in order to evaluate precision machine errors that can be used to evaluate whether a part of I work will process in such a way that it will not meet the quality requirements.
En algunas realizaciones, el dispositivo de control está configurado además para compensar un error de posicionado de la máquina de precisión ordenando mover la máquina de precisión de acuerdo con los valores de error obtenidos para cada uno de los ejes X, Y y Z basándose en una posición de la máquina de precisión. In some embodiments, the control device is further configured to compensate for a precision machine positioning error by commanding the precision machine to move in accordance with the error values obtained for each of the X, Y, and Z axes based on a precision machine position.
El dispositivo de control de la máquina de precisión es capaz de ordenar la compensación por el error de posicionado en los ejes X, Y y Z basándose en los valores de error estimados moviendo la máquina de precisión. The control device of the precision machine is capable of ordering the compensation for the positioning error in the X, Y and Z axes based on the error values estimated by moving the precision machine.
En algunas realizaciones, el dispositivo de control está configurado además para ordenar el procesamiento de una pieza de trabajo con la herramienta; y el dispositivo de control compensa el error de posicionado mientras procesa la pieza de trabajo con la herramienta. In some embodiments, the control device is further configured to command the processing of a workpiece with the tool; and the control device compensates for the positioning error while processing the workpiece with the tool.
El dispositivo de control compensa el error de posicionado durante el procesamiento de la pieza de trabajo, es decir, la compensación se realiza en tiempo real. The control device compensates for the positioning error during the processing of the workpiece, that is, the compensation is carried out in real time.
Un tercer aspecto de la invención se refiere a un producto de programa informático que tiene instrucciones que, cuando se ejecutan por un dispositivo de control de una máquina de precisión, por ejemplo, una máquina herramienta, que comprende una mesa de máquina, hacen que el dispositivo de control ordene: A third aspect of the invention relates to a computer program product having instructions which, when executed by a control device of a precision machine, for example a machine tool, comprising a machine table, make the control device order:
- hacer que una sonda de contacto de la máquina de precisión mida cada esfera de una pluralidad de esferas de un artefacto de calibración cuando el artefacto de calibración esté tanto dispuesto en la mesa de máquina como posicionado de acuerdo con cada posición del conjunto de posiciones predeterminadas, comprendiendo el artefacto de calibración una fila con la pluralidad de esferas, estando el artefacto de calibración disponible en al menos dos configuraciones: una primera configuración tal que el artefacto de calibración pueda colocarse en la mesa de máquina, y una segunda configuración tal que el artefacto de calibración no se coloque en la mesa de máquina y no sea paralelo con un plano que contiene la superficie de la mesa de máquina; - having a precision machine contact probe measure each sphere of a plurality of spheres of a calibration artifact when the calibration artifact is both arranged on the machine table and positioned according to each position of the set of positions predetermined, the calibration artifact comprising a row with the plurality of spheres, the calibration artifact being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration artifact can be placed on the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact is not placed on the machine table and is not parallel with a plane containing the surface of the machine table;
- determinar una posición del centro de cada una de las esferas de la pluralidad de esferas después de medirlas con la sonda de contacto en cada posición de la pluralidad de posiciones de artefacto predeterminadas; y - determining a position of the center of each of the spheres of the plurality of spheres after measuring them with the contact probe at each position of the plurality of predetermined artifact positions; Y
- realizar los cálculos descritos haciendo referencia al primer aspecto de la invención con el fin de obtener errores de posicionado de eje de máquina {px}, {py}, {pz} y errores de perpendicularidad de eje de máquina a, b y y que constituyen los parámetros del modelo matemático. - carry out the calculations described with reference to the first aspect of the invention in order to obtain positioning errors of the machine axis {px}, {py}, {pz} and errors of perpendicularity of the machine axis a, b and y that constitute the parameters of the mathematical model.
Al ejecutar las instrucciones en el dispositivo de control de la máquina de precisión, puede estimarse el error de posicionado de la máquina de precisión y las herramientas dispuestas en la misma y, preferentemente, también reducirse. By executing the instructions in the control device of the precision machine, the positioning error of the precision machine and the tools arranged therein can be estimated and preferably also reduced.
En algunas realizaciones, el producto de programa informático está embebido en un medio legible por ordenador no transitorio. In some embodiments, the computer program product is embedded in a non-transient computer-readable medium.
En algunas realizaciones, además, las instrucciones hacen que el dispositivo de control ordene adicionalmente mover automáticamente la mesa de máquina (cuando la máquina de precisión comprende una mesa de máquina en la forma de mesa rotatoria) para posicionar el artefacto de acuerdo con cada posición de la pluralidad de posiciones predeterminadas. In some embodiments, furthermore, the instructions make the control device further command to automatically move the machine table (when the precision machine comprises a machine table in the form of a rotary table) to position the artifact according to each position of the machine. the plurality of predetermined positions.
Un cuarto aspecto de la invención se refiere a un flujo de datos que es representativo de un producto de programa informático de acuerdo con el tercer aspecto de la invención. A fourth aspect of the invention relates to a data stream that is representative of a computer program product according to the third aspect of the invention.
Las mismas ventajas que las descritas para el primer aspecto de la invención también pueden aplicarse al segundo, tercer y/o cuarto aspectos de la invención. The same advantages as those described for the first aspect of the invention can also be applied to the second, third and / or fourth aspects of the invention.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripción e ¡lustran las realizaciones de la invención, que no deberían interpretarse como una restricción del alcance de la invención, sino solo como ejemplos de cómo puede realizarse la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras: To complete the description and in order to provide a better understanding of the invention, a set of drawings is provided. Said drawings form an integral part of the description and illustrate embodiments of the invention, which should not be construed as a restriction of the scope of the invention, but only as examples of how the invention can be carried out. The drawings include the following figures:
La figura 1 muestra esquemáticamente un error de posicionado de una máquina de precisión y una herramienta dispuesta en la misma. Figure 1 schematically shows a positioning error of a precision machine and a tool arranged therein.
La figura 2 muestra esquemáticamente diferentes posicionados de un artefacto de calibración de las realizaciones de la invención. Figure 2 schematically shows different positions of a calibration device of the embodiments of the invention.
Las figuras 3 y 4 muestran esquemáticamente un modelo de error de posicionado de eje y un modelo de error de perpendicularidad, respectivamente, de las realizaciones de la invención. Figures 3 and 4 schematically show an axis positioning error model and a perpendicularity error model, respectively, of embodiments of the invention.
La figura 5 muestra unas representaciones gráficas que representan errores de posicionado medidos y errores de posicionado estimados en posiciones diferentes de las medidas. Figure 5 shows graphical representations representing measured positioning errors and estimated positioning errors at different positions of the measurements.
Las figuras 6 y 7 muestran errores en las distancias medidas entre diferentes pares de esferas antes y después de la aplicación de la compensación calculada para el error de posicionado. Figures 6 and 7 show errors in the distances measured between different pairs of spheres before and after the application of the compensation calculated for the positioning error.
La figura 8 muestra unos artefactos de calibración a modo de ejemplo de acuerdo con realizaciones. Figure 8 shows an example of calibration artifacts of in accordance with achievements.
DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZAR LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION
La figura 1 muestra esquemáticamente una máquina de precisión 10.Figure 1 schematically shows a precision machine 10.
La máquina de precisión 10 comprende un dispositivo de control 11, una mesa de máquina, que puede ser una mesa rotatoria y un portaherramientas 15 adaptado para recibir una sonda de contacto 17 o una herramienta 18 para procesar una pieza de trabajo 30. The precision machine 10 comprises a control device 11, a machine table, which can be a rotary table and a tool holder 15 adapted to receive a contact probe 17 or a tool 18 to process a workpiece 30.
Durante la operación de la máquina de precisión 10, la misma se posiciona basándose en una posición prevista de tal manera que la sonda de contacto 17 o la herramienta 18 tengan una posición prevista 20, que tiene unas coordenadas [X, Y, Z] Debido a los errores de posicionado 25, la máquina de precisión 10 y, por lo tanto, la sonda de contacto 17 o la herramienta 18 están desplazadas a una posición errónea 21 , que tiene las coordenadas [X, Y', 71 Por consiguiente, la pieza de trabajo 30 no se procesará adecuadamente si dichos errores de posicionado 25 no se tienen en cuenta o no se compensan. During the operation of the precision machine 10, it is positioned based on a predicted position such that the contact probe 17 or the tool 18 has a predicted position 20, which has coordinates [X, Y, Z]. to the positioning errors 25, the precision machine 10 and therefore the contact probe 17 or the tool 18 are displaced to an erroneous position 21, which has the coordinates [X, Y ', 71 Consequently, the Workpiece 30 will not be processed properly if said positioning errors 25 are not taken into account or are not compensated for.
La figura 2 muestra esquemáticamente diferentes posicionados de un artefacto de calibración 50 de las realizaciones de la invención, cada uno ¡lustrado con un conjunto diferente de marcadores como se indica en la leyenda. Figure 2 schematically shows different positions of a calibration artifact 50 of embodiments of the invention, each illustrated with a different set of markers as indicated in the legend.
El artefacto de calibración 50 incluye una fila con una pluralidad de esferas 51 que se usan para la calibración de una máquina de precisión tal como, por ejemplo, la máquina de precisión 10 de la figura 1. Cada artefacto de calibración ¡lustrado 50 es el mismo artefacto de calibración dispuesto de acuerdo con una posición predeterminada diferente de una pluralidad de posiciones predeterminadas. The calibration artifact 50 includes a row with a plurality of spheres 51 that are used for the calibration of a precision machine such as, for example, the precision machine 10 of Figure 1. Each illustrated calibration artifact 50 is the same calibration artifact arranged in accordance with a predetermined position different from a plurality of predetermined positions.
Un dispositivo de control de una máquina de precisión ordena el movimiento de la mesa rotatoria de la máquina de la máquina de precisión de tal manera que el artefacto de calibración 50 dispuesto en la mesa rotatoria se posiciona secuencialmente de acuerdo con cada una de las disposiciones ¡lustradas. Por consiguiente, el artefacto de calibración 50 se dispondrá de acuerdo con cada uno de los siguientes: a lo largo del eje XX de la máquina de precisión, a lo largo del eje YY de la máquina de precisión, a lo largo de una línea localizada dentro del plano XY de la máquina de precisión, a lo largo de una línea localizada dentro del plano XZ de la máquina de precisión, a lo largo de una línea localizada dentro del plano ZY de la máquina de precisión y a lo largo de una línea localizada dentro del plano XYZ de la máquina de precisión. A control device of a precision machine commands the movement of the machine rotary table of the precision machine in such a way that the calibration artifact 50 arranged on the rotary table is positioned sequentially in accordance with each of the illustrated arrangements. Accordingly, the calibration artifact 50 will be arranged in accordance with each of the following: along the XX axis of the precision machine, along the YY axis of the precision machine, along a localized line within the XY plane of the precision machine, along a line located within the XZ plane of the precision machine, along a line located within the ZY plane of the precision machine, and along a localized line within the XYZ plane of the precision machine.
En cada una de estas disposiciones o posicionados, una sonda de contacto dispuesta en la máquina de precisión mide las diferentes esferas 51 de la fila de tal manera que, basándose en sus medidas, el dispositivo de control establece numéricamente el centro de cada esfera 51 . Con dichas mediciones y determinaciones centrales, y conociendo la distancia entre cada par de esferas, ya que es un artefacto de calibración 50, el dispositivo de control es capaz de estimar, a continuación, los errores de posicionado en cualquier punto dentro del volumen de trabajo medido. In each of these arrangements or positions, a contact probe arranged in the precision machine measures the different spheres 51 of the row in such a way that, based on its measurements, the control device numerically establishes the center of each sphere 51. With these central measurements and determinations, and knowing the distance between each pair of spheres, since it is a calibration artifact 50, the control device is then able to estimate the positioning errors at any point within the working volume. measured.
La figura 3 muestra esquemáticamente un modelo de error de posicionado de eje, por ejemplo para uno de los ejes X, Y y Z, por lo tanto, para cada uno de los tres ejes se proporciona un modelo similar. En la figura 3, los puntos A y B representan dos esferas adyacentes cualquiera del artefacto de calibración. La línea con una forma similar a una sinusoidal es el error de posicionado del eje considerado. dABn es la distancia calibrada entre las dos esferas. Figure 3 schematically shows an axis positioning error model, for example for one of the X, Y and Z axes, therefore a similar model is provided for each of the three axes. In Figure 3, points A and B represent any two adjacent spheres of the calibration artifact. The line with a shape similar to a sinusoidal is the positioning error of the axis considered. dABn is the calibrated distance between the two spheres.
Se observará que la figura 3 muestra un par genérico de esferas que no están dispuestas a lo largo de un eje de máquina único, sino en un plano genérico XYZ. It will be noted that Figure 3 shows a generic pair of spheres that do not they are arranged along a single machine axis, but rather in a generic XYZ plane.
El error de posicionado se modela mediante posiciones de interés, es decir, poses, para el eje en cuestión donde se define el parámetro que caracteriza el error de posicionado, en esa posición. Por consiguiente, en la representación de la figura 3, se ¡lustra el error modelado para cualquier eje de máquina, por ejemplo; como se ha mencionado, pueden realizarse representaciones similares para los ejes Y y Z. The positioning error is modeled by positions of interest, that is, poses, for the axis in question where the parameter that characterizes the positioning error is defined, in that position. Accordingly, in the representation of Figure 3, the modeled error is illustrated for any machine axis, for example; As mentioned, similar representations can be made for the Y and Z axes.
Siendo dABo la función evaluada para los parámetros iniciales (pxo, pyo, pzo), que a continuación se actualizan en cada iteración, y px, py, y pz son parámetros que definen los modelos de error de posicionado del eje X, del eje Y y del eje Z, respectivamente. Habrá tantas funciones como distancias se midan entre las esferas. Finalmente, se obtienen los tres parámetros px, py y pz. Being dABo the function evaluated for the initial parameters (pxo, pyo, pzo), which are then updated in each iteration, and px, py, and pz are parameters that define the positioning error models of the X axis, of the Y axis. and the Z axis, respectively. There will be as many functions as distances are measured between the spheres. Finally, the three parameters px, py and pz are obtained.
La figura 4 muestra esquemáticamente un modelo de error de perpendicularidad. Figure 4 schematically shows a perpendicularity error model.
Con el fin de caracterizar este modelo, se establecen los siguientes criterios: el eje X se toma como eje de referencia de tal manera que el eje Z carece de perpendicularidad con respecto a los ejes X e Y, y el eje Y carece de perpendicularidad con respecto al eje X. In order to characterize this model, the following criteria are established: the X axis is taken as the reference axis in such a way that the Z axis lacks perpendicularity with respect to the X and Y axes, and the Y axis lacks perpendicularity with with respect to the X axis.
La figura 5 muestra unas representaciones gráficas que representan errores de posicionado medidos y errores de posicionado estimados en posiciones diferentes de las medidas. Figure 5 shows graphical representations representing measured positioning errors and estimated positioning errors at different positions of the measurements.
En cada una de las representaciones gráficas se representa el error de posicionado para uno de los tres ejes. En particular, en el representación gráfica superior se muestra el error de posicionado en el eje X frente a la posición de la máquina de precisión a lo largo de dicho eje X, en el medio de la representación gráfica se muestra el error de posicionado en el eje Y frente a la posición de la máquina de precisión a lo largo de dicho eje Y, y en el representación gráfica más inferior se muestra el error de posicionado en el eje Z frente a la posición de la máquina de precisión a lo largo de dicho eje Z. In each of the graphic representations the positioning error for one of the three axes is represented. In particular, the upper graphic representation shows the positioning error in the X axis versus the position of the precision machine along said X axis, in the middle of the graphical representation the positioning error in the Y axis is shown versus the position of the precision machine along said Y axis, and in the graphical representation The lowermost is the Z axis positioning error versus the precision machine position along the Z axis.
Se muestran con círculos los errores de posicionado medidos para las posiciones a lo largo de dicho eje donde la máquina de precisión ha medido las esferas del artefacto de calibración, y se muestran con cuadrados los errores de posicionado estimados para algunas posiciones a lo largo de dicho eje diferentes de las posiciones donde la máquina de precisión ha medido las esferas del artefacto de calibración. The positioning errors measured for the positions along said axis where the precision machine has measured the spheres of the calibration artifact are shown with circles, and the estimated positioning errors for some positions along said axis are shown with squares. different axis of the positions where the precision machine has measured the spheres of the calibration artifact.
La figura 6 muestra errores en las distancias medidas entre diferentes pares de esferas antes y después de la aplicación de la compensación calculada para el error de posicionado. Más en particular, lo que se representa es, por un lado, los errores (con marcadores de círculo) de las distancias medidas inicialmente entre pares de esferas del artefacto cuando los errores de la máquina afectan el posicionado de la máquina y, por lo tanto, a esas mediciones, y por otro lado los residuos de error (con marcadores cuadrados) de las distancias medidas finales entre pares de esferas cuando se han corregido los errores de posicionado de la máquina. Una de las curvas muestra dichas diferencias cuando la máquina de precisión está compensando el error de posicionado y la otra muestra dichas diferencias cuando la máquina de precisión no está realizando dicha compensación. Figure 6 shows errors in the distances measured between different pairs of spheres before and after the application of the compensation calculated for the positioning error. More particularly, what is represented is, on the one hand, the errors (with circle markers) of the distances initially measured between pairs of spheres of the artifact when the errors of the machine affect the positioning of the machine and, therefore , to these measurements, and on the other hand the error residuals (with square markers) of the final measured distances between pairs of spheres when the positioning errors of the machine have been corrected. One of the curves shows these differences when the precision machine is compensating for the positioning error and the other shows these differences when the precision machine is not making such compensation.
La figura 7 muestra los errores de posicionado iniciales (con marcadores de círculo) de la máquina a lo largo de su eje X, y los errores de posicionado finales (con marcadores cuadrados) de la máquina a lo largo de su eje X después de que esos errores se hayan compensado. Figure 7 shows the initial positioning errors (with circle markers) of the machine along its X axis, and the positioning errors ends (with square markers) of the machine along its X-axis after those errors have been compensated for.
La figura 8 muestra los artefactos de calibración a modo de ejemplo 50 de acuerdo con las realizaciones. Figure 8 shows exemplary calibration artifacts 50 in accordance with embodiments.
Cada artefacto de calibración 50 comprende una fila con una pluralidad de esferas 51 . En la fila, pueden identificarse una primera esfera 51 a y una última esfera 51 b a partir de la pluralidad de esferas 51 como son las esferas 51a, 51 b en los extremos de la fila. Aunque la primera esfera se ha referenciado con el número 51a y la última esfera se ha referenciado con el número 51b, es evidente que al revés también sería posible ya que la sonda de contacto de una máquina de precisión puede medir ambas. Each calibration artifact 50 comprises a row with a plurality of spheres 51. In the row, a first sphere 51 a and a last sphere 51 b can be identified from the plurality of spheres 51 such as spheres 51a, 51 b at the ends of the row. Although the first sphere has been referenced with the number 51a and the last sphere has been referenced with the number 51b, it is clear that the reverse would also be possible since the contact probe of a precision machine can measure both.
Uno de los artefactos de calibración 50 está dispuesto horizontalmente en relación con un plano XY, por ejemplo, en la mesa de máquina de una máquina de precisión, mientras que el otro de los artefactos de calibración 50 está dispuesto diagonalmente de tal manera que se encuentra en un plano XZ. Con este fin, los soportes 52 pueden estar dispuestos para sostener el artefacto de calibración 50 de tal manera que diferentes partes del mismo estén en diferentes posiciones verticales. One of the calibration artifacts 50 is arranged horizontally in relation to an XY plane, for example, on the machine table of a precision machine, while the other of the calibration artifacts 50 is arranged diagonally such that it lies in an XZ plane. To this end, the supports 52 may be arranged to support the calibration artifact 50 such that different parts of it are in different vertical positions.
Cuando los ejes X, Y y Z ¡lustrados son los de la máquina de precisión, el artefacto de calibración 50 dispuesto horizontalmente está dispuesto a lo largo del eje XX, y el artefacto de calibración 50 dispuesto diagonalmente está dispuesto a lo largo del eje XZ. When the illustrated X, Y, and Z axes are those of the precision machine, the horizontally arranged calibration artifact 50 is disposed along the XX axis, and the diagonally disposed calibration artifact 50 is disposed along the XZ axis. .
En algunas realizaciones, el artefacto de calibración 50 representado en la figura 8 o en la figura 2 es un artefacto de calibración único 50 que puede disponerse de tal manera que la primera parte del mismo (la parte dispuesta horizontalmente) pueda colocarse sobre una mesa de máquina y una segunda parte del mismo (la parte dispuesta diagonalmente) no sea paralela a un plano que contiene la superficie de la mesa de máquina. Un experto en la materia observará que son posibles diferentes artefactos de calibración y disposiciones de los mismos dentro del alcance de la presente divulgación. In some embodiments, the calibration artifact 50 depicted in Figure 8 or Figure 2 is a single calibration artifact 50 that can be arranged such that the first part thereof (the part arranged horizontally) can be placed on a machine table and a second part of it (the part arranged diagonally) is not parallel to a plane containing the surface of the machine table. One skilled in the art will appreciate that different calibration artifacts and arrangements thereof are possible within the scope of the present disclosure.
En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (como "comprendiendo", etc.) no deberían entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo que se describe y define puede incluir elementos, etapas, etc. Por otro lado, la invención obviamente no se limita a la o las realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda considerarse por cualquier experto en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, la configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones. In this text, the term "comprises" and its derivations (such as "comprising", etc.) should not be understood in an exclusive sense, that is, these terms should not be construed as excluding the possibility that what is described and defined It can include elements, stages, etc. On the other hand, the invention is obviously not limited to the specific embodiment (s) described herein, but also encompasses any variation that may be considered by any person skilled in the art (for example, regarding the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within the general scope of the invention as defined in the claims.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un método para estimar errores de posicionado (25) de una máquina de precisión (10) que tiene una mesa de máquina, que comprende: - disponer una sonda de contacto (17) en la máquina de precisión (10);A method for estimating positioning errors (25) of a precision machine (10) having a machine table, comprising: - arranging a contact probe (17) in the precision machine (10);
- disponer un artefacto de calibración (50) en la mesa de máquina, comprendiendo el artefacto de calibración (50) una fila con una pluralidad de esferas (51), estando el artefacto de calibración (50) disponible en al menos dos configuraciones: una primera configuración tal que el artefacto de calibración (50) pueda colocarse en la mesa de máquina, y una segunda configuración tal que el artefacto de calibración no se coloque en la mesa de máquina y no sea paralelo con un plano que contiene la superficie de la mesa de máquina; - arranging a calibration device (50) on the machine table, the calibration device (50) comprising a row with a plurality of spheres (51), the calibration device (50) being available in at least two configurations: one first configuration such that the calibration artifact (50) can be placed on the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact is not placed on the machine table and is not parallel with a plane containing the surface of the machine. machine table;
- posicionar el artefacto (50) en la mesa de la máquina de precisión (10) de acuerdo con una pluralidad de posiciones predeterminadas; - medir cada esfera de la pluralidad de esferas (51) con la sonda de contacto (17) para cada posición del artefacto de calibración (50) de la pluralidad de posiciones predeterminadas; - positioning the artifact (50) on the table of the precision machine (10) according to a plurality of predetermined positions; - measuring each sphere of the plurality of spheres (51) with the contact probe (17) for each position of the calibration artifact (50) of the plurality of predetermined positions;
- después de medir las esferas (51), determinar digitalmente una posición del centro de cada una de las esferas de la pluralidad de esferas (51) para cada posición del artefacto de calibración (50) de la pluralidad de posiciones predeterminadas; y - after measuring the spheres (51), digitally determining a position of the center of each of the spheres of the plurality of spheres (51) for each position of the calibration artifact (50) of the plurality of predetermined positions; Y
- después de determinar digitalmente las posiciones de los centros de las esferas para todas las posiciones predeterminadas del artefacto de calibración (50): ■ calcular digitalmente los valores de las distancias basándose en las posiciones determinadas, siendo cada distancia aquella entre un par diferente de esferas adyacentes A y B de la pluralidad de esferas (51 ) para la posición de artefacto predeterminada respectiva; - after digitally determining the positions of the centers of the spheres for all the predetermined positions of the calibration artifact (50): ■ digitally calculate the values of the distances based on the determined positions, each distance being that between a different pair of adjacent spheres A and B of the plurality of spheres (51) for the respective predetermined artifact position;
■ determinar digitalmente los valores de los parámetros de un modelo matemático que estima el error en cualquier punto P del volumen medido, como se define en la siguiente ecuación: xyzP = uvwP + errorP donde: uvwP es la posición teórica del punto P a la que se ordena dirigirse a la máquina (10) y se compone por las coordenadas de máquina u, v, w, xyzP es la posición real adoptada por la máquina (10) cuando se le ordena dirigirse al punto teórico uvwP del punto P y se compone por las coordenadas reales x, y y z, errorP es el error de posicionado, definido a lo largo de las direcciones de los tres ejes lineales X, Y, Z, cuando la máquina se posiciona en el punto ordenado uvwP, y con la primera fórmula: rpxp errorp PJp ■ digitally determine the values of the parameters of a mathematical model that estimates the error at any point P of the measured volume, as defined by the following equation: xyzP = uvwP + errorP where: uvwP is the theoretical position of point P at which it is ordered to go to the machine (10) and it is composed by the machine coordinates u, v, w, xyzP is the real position adopted by the machine (10) when it is ordered to go to the theoretical point uvwP of the point P and it is composed by the real coordinates x, y and z, errorP is the positioning error, defined along the directions of the three linear axes X, Y, Z, when the machine is positioned at the ordered point uvwP, and with the first formula: rpxp errorp PJp
-PZP
Figure imgf000027_0001
los valores de los parámetros {px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático que se determina resolviendo una segunda fórmula, que se define para cada distancia entre pares de esferas adyacentes (51 ) del artefacto de calibración (50): dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | donde dAB es la distancia teórica entre los centros de las esferas A y B del artefacto de calibración (50), uvwA y uvwB son las posiciones teóricas de los centros A y B del artefacto de calibración (50) a las que se ordenan dirigirse a la máquina (10) y están compuestas por las coordenadas de máquina u, v y w, respectivamente, xyzA y xyzB son las posiciones reales adoptadas por la máquina (10) cuando se le ordena dirigirse a los puntos teóricos uvwA y uvwB, y se componen por las coordenadas reales x, y, z, errorA y errorB son los errores cuando la máquina se posiciona en los puntos ordenados uvwA y uvwB, y -PZ P
Figure imgf000027_0001
the values of the parameters {px}, {py}, {pz}, a, b and y of the mathematical model that is determined by solving a second formula, which is defined for each distance between pairs of adjacent spheres (51) of the calibration artifact ( 50): dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | where dAB is the theoretical distance between the centers of spheres A and B of the calibration device (50), uvwA and uvwB are the theoretical positions of the centers A and B of the calibration device (50) to which they are ordered to go to the machine (10) and are composed of the machine coordinates u, v and w, respectively, xyzA and xyzB are the real positions adopted by the machine (10) when it is ordered to go to the theoretical points uvwA and uvwB, and they are composed by the real coordinates x, y, z, errorA and errorB are the errors when the machine is positioned at the points sorted uvwA and uvwB, and
| | es la función de norma que se usa para calcular la distancia entre dos puntos; resolviéndose la segunda fórmula por medio de la tercera fórmula:
Figure imgf000028_0001
donde: dAB es la distancia medida entre dos esferas adyacentes A y B, dABo es la distancia calibrada conocida entre dos esferas adyacentes A y B, la función se evalúa inicialmente para parámetros iniciales predeterminados (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0), a continuación se realizan múltiples iteraciones para calcular los valores reales de los parámetros {px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático, y | | is the norm function used to calculate the distance between two points; solving the second formula by means of the third formula:
Figure imgf000028_0001
where: dAB is the measured distance between two adjacent spheres A and B, dABo is the known calibrated distance between two adjacent spheres A and B, the function is initially evaluated for predetermined initial parameters (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0 ), then multiple iterations are performed to calculate the real values of the parameters {px}, {py}, {pz}, a, b and y of the mathematical model, and
{px}, {py} y {pz} son los parámetros de vector mencionados anteriormente que definen los errores de posicionado del eje X, del eje Y y del eje Z, respectivamente, y a, b y y son los parámetros escalares que definen los errores de perpendicularidad entre el eje X, el eje Y y el eje Z. {px}, {py} and {pz} are the vector parameters mentioned above that define the positioning errors of the X axis, the Y axis and the Z axis, respectively, and a, b and y are the scalar parameters that define the errors of perpendicularity between the X axis, the Y axis and the Z axis.
2. El método de la reivindicación 1, que comprende además estimar digitalmente el error de posicionado (25) de cualquier punto P dentro del volumen medido con el fin de evaluar los errores y evaluar si una pieza de trabajo (30) se procesará de tal manera que una o más partes de la misma que se espera o tenga dimensiones y/o superficies de la misma que no estén dentro de un conjunto de dimensiones predeterminadas y/o requisitos de superficies. The method of claim 1, further comprising digitally estimating the positioning error (25) of any point P within the measured volume in order to evaluate the errors and assess whether a workpiece (30) will be processed in such a way. such that one or more parts thereof that are expected or have dimensions and / or surfaces thereof that are not within a set of predetermined dimensions and / or surface requirements.
3. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además compensar un error de posicionado (25) de la máquina de precisión (10) moviendo la máquina de precisión (10) de acuerdo con los valores de error obtenidos para cada uno de los ejes X, Y y Z basándose en una posición de la máquina de precisión (10). The method of any one of the preceding claims, further comprising compensating for a positioning error (25) of the precision machine (10) by moving the precision machine (10) according to the error values obtained for each one. of the X, Y and Z axes based on a position of the precision machine (10).
4. El método de la reivindicación 3, que comprende además, antes de compensar el error de posicionado (25), retirar la sonda de contacto (17) de la máquina de precisión (10) y disponer una herramienta (18) para procesar una pieza de trabajo (30) en la máquina de precisión (10). The method of claim 3, further comprising, prior to compensating for the positioning error (25), removing the contact probe (17) from the precision machine (10) and providing a tool (18) to process a workpiece (30) on the precision machine (10).
5. El método de la reivindicación 4, que comprende además procesar una pieza de trabajo (30) con la herramienta (18); y en el que la compensación del error de posicionado (25) se realiza mientras se procesa la pieza de trabajo (30) con la herramienta (18). The method of claim 4, further comprising processing a workpiece (30) with the tool (18); and wherein the compensation for the positioning error (25) is performed while the workpiece (30) is processed with the tool (18).
6. El método con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una de: 6. The method with any one of the preceding claims, which further comprises one of:
- medir, con la sonda de contacto (17), al menos unas esferas primera y última (51a, 51 b) de la pluralidad de esferas (51 ) cuando el artefacto de calibración (50) está dispuesto en la mesa de máquina; y - measuring, with the contact probe (17), at least some first and last spheres (51a, 51 b) of the plurality of spheres (51) when the calibration device (50) is arranged on the machine table; Y
- determinar una posición del artefacto de calibración (50) basándose en las mediciones de uno o más dispositivos ópticos de la máquina de precisión (10) cuando el artefacto de calibración (50) está dispuesto en la mesa de máquina; y comprendiendo el método además: después de medir las al menos primera y última esferas (51a, 51 b) o después de determinar la posición del artefacto de calibración (50), mover la mesa de máquina para posicionar el artefacto de calibración (50) de acuerdo con cada posición de la pluralidad de posiciones predeterminadas; y en el que la mesa de máquina comprende una mesa rotatoria. - determining a position of the calibration device (50) based on the measurements of one or more optical devices of the precision machine (10) when the calibration device (50) is arranged on the machine table; and the method further comprising: after measuring the at least first and last spheres (51a, 51b) or after determining the position of the calibration artifact (50), moving the machine table to position the calibration artifact (50) according to each position of the plurality of predetermined positions; and wherein the machine table comprises a rotary table.
7. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además calibrar el artefacto de calibración (50) con una máquina de medición de coordenadas. The method of any one of the preceding claims, further comprising calibrating the calibration artifact (50) with a coordinate measuring machine.
8. Una máquina de precisión (10) que comprende: una mesa de máquina; un portaherramientas (15); una sonda de contacto (17) disponible en el portaherramientas (15); una herramienta (18) para procesar una pieza de trabajo (30), estando la herramienta (18) disponible en el portaherramientas (15); un artefacto de calibración (50) que comprende una fila con una pluralidad de esferas (51), estando el artefacto de calibración (50) disponible en al menos dos configuraciones: una primera configuración tal que el artefacto de calibración (50) pueda colocarse en la mesa de máquina, y una segunda configuración tal que el artefacto de calibración (50) no se coloque en la mesa de máquina y no sea paralelo con un plano que contiene la superficie de la mesa de máquina; y un dispositivo de control (11 ) al menos configurado para ordenar lo siguiente: 8. A precision machine (10) comprising: a machine table; a tool holder (15); a contact probe (17) available in the tool holder (15); a tool (18) for processing a workpiece (30), the tool (18) being available in the tool holder (15); a calibration artifact (50) comprising a row with a plurality of spheres (51), the calibration artifact (50) being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration artifact (50) can be placed on the machine table, and a second configuration such that the calibration artifact (50) is not placed on the machine table and is not parallel with a plane containing the surface of the machine table; and a control device (11) at least configured to command the following:
- hacer que la sonda de contacto (17) mida cada esfera de la pluralidad de esferas (51 ) cuando el artefacto de calibración (50) se posicione de acuerdo con cada posición de una pluralidad de posiciones predeterminadas; - causing the contact probe (17) to measure each sphere of the plurality of spheres (51) when the calibration artifact (50) is positioned according to each position of a plurality of predetermined positions;
- determinar una posición del centro de cada una de las esferas de la pluralidad de esferas (51 ) después de medirlas con la sonda de contacto (17) en cada posición de la pluralidad de posiciones de artefacto predeterminadas; - determining a position of the center of each of the spheres of the plurality of spheres (51) after measuring them with the contact probe (17) at each position of the plurality of predetermined artifact positions;
- calcular los valores de las distancias basándose en las posiciones determinadas, siendo cada distancia aquella entre un par diferente de esferas adyacentes A y B de la pluralidad de esferas (51 ) para la posición de artefacto predeterminada respectiva; y - calculating the values of the distances based on the determined positions, each distance being that between a different pair of adjacent spheres A and B of the plurality of spheres (51) for the respective predetermined artifact position; Y
- determinar los valores de los parámetros de un modelo matemático que estima el error en cualquier punto P del volumen medido, como se define en la siguiente ecuación: xyzP = uvwP + errorP donde: uvwP es la posición teórica del punto P a la que se ordena dirigirse a la máquina (10) y se compone por las coordenadas de máquina u, v, w, xyzP es la posición real adoptada por la máquina (10) cuando se le ordena dirigirse al punto teórico uvwP del punto P y se compone por las coordenadas reales x, y y z, errorP es el error de posicionado, definido a lo largo de las direcciones de los tres ejes lineales X, Y, Z, cuando la máquina se posiciona en el punto ordenado uvwP, y con la primera fórmula: errorp
Figure imgf000032_0001
los valores de los parámetros {px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático que se determina resolviendo una segunda fórmula, que se define para cada distancia entre pares de esferas adyacentes (51 ) del artefacto de calibración (50): dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | donde: dAB es la distancia teórica entre los centros de las esferas A y B del artefacto de calibración (50), uvwA y uvwB son las posiciones teóricas de los centros A y B del artefacto de calibración (50) a las que se ordena dirigirse a la máquina (10) y se componen por las coordenadas de máquina u, v y w, respectivamente, xyzA y xyzB son las posiciones reales adoptadas por la máquina (10) cuando se le ordena dirigirse a los puntos teóricos uvwA y uvwB, y se componen de las coordenadas reales x, y, z, errorA y errorB son los errores cuando la máquina se posiciona en los puntos ordenados uvwA y uvwB, y - determine the values of the parameters of a mathematical model that estimates the error at any point P of the measured volume, as defined in the following equation: xyzP = uvwP + errorP where: uvwP is the theoretical position of the point P at which the commands to go to the machine (10) and is composed by the machine coordinates u, v, w, xyzP is the real position adopted by the machine (10) when it is ordered to go to the theoretical point uvwP of point P and is composed by the real coordinates x, y and z, errorP is the positioning error, defined along the directions of the three linear axes X, Y, Z, when the machine is positioned at the ordered point uvwP, and with the first formula: errorp
Figure imgf000032_0001
the values of the parameters {px}, {py}, {pz}, a, b and y of the mathematical model that is determined by solving a second formula, which is defined for each distance between pairs of adjacent spheres (51) of the calibration artifact ( 50): dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | where: dAB is the theoretical distance between the centers of the spheres A and B of the calibration device (50), uvwA and uvwB are the theoretical positions of the centers A and B of the calibration device (50) to which it is ordered to go to the machine (10) and are composed by the machine coordinates u, v and w, respectively, xyzA and xyzB are the real positions adopted by the machine (10) when it is ordered to go to the theoretical points uvwA and uvwB, and are composed of the real coordinates x, y, z, errorA and errorB are the errors when the machine is positioned at the ordered points uvwA and uvwB, and
| | es la función de norma que se usa para calcular la distancia entre dos puntos; resolviéndose la segunda fórmula por medio de la tercera fórmula:
Figure imgf000032_0002
donde: dAB es la distancia medida entre dos esferas adyacentes A y B, dABo es la distancia calibrada conocida entre dos esferas adyacentes A y B, la función se evalúa inicialmente para parámetros iniciales predeterminados (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0), a continuación se realizan múltiples iteraciones para calcular los valores reales de los parámetros {px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático, y | | is the norm function used to calculate the distance between two points; solving the second formula by means of the third formula:
Figure imgf000032_0002
where: dAB is the measured distance between two adjacent spheres A and B, dABo is the known calibrated distance between two adjacent spheres A and B, the function is initially evaluated for predetermined initial parameters (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0), then multiple iterations are performed to calculate the actual values of the parameters {px}, {py}, {pz}, a, b and y of the mathematical model, and
{px}, {py} y {pz} son los parámetros de vector mencionados anteriormente que definen los errores de posicionado del eje X, del eje Y y del eje Z, respectivamente, y a, b y y son los parámetros escalares que definen los errores de perpendicularidad entre el eje X, el eje Y y el eje Z. {px}, {py} and {pz} are the vector parameters mentioned above that define the positioning errors of the X axis, the Y axis and the Z axis, respectively, and a, b and y are the scalar parameters that define the errors of perpendicularity between the X axis, the Y axis and the Z axis.
9. La máquina de precisión de la reivindicación 8, en el que el dispositivo de control (11 ) está configurado además para estimar el error de posicionado (25) de cualquier punto P dentro del volumen medido con el fin de evaluar los errores y evaluar si una pieza de trabajo (30) se procesará de tal manera que una o más partes de la misma que se espera o tenga dimensiones y/o superficies de las mismas que no estén dentro de un conjunto de dimensiones predeterminadas y/o requisitos de superficies. The precision machine of claim 8, wherein the control device (11) is further configured to estimate the positioning error (25) of any point P within the measured volume in order to evaluate the errors and evaluate whether a workpiece (30) is to be processed in such a way that one or more parts thereof that are expected or have dimensions and / or surfaces thereof that are not within a set of predetermined dimensions and / or surface requirements .
10. La máquina de precisión de una cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en la que el dispositivo de control (11 ) está configurado además para compensar un error de posicionado (25) de la máquina de precisión (10) ordenando mover la máquina de precisión (10) de acuerdo con los valores de error obtenidos para cada uno de los ejes X, Y y Z basándose en una posición de la máquina de precisión (10). The precision machine of any one of claims 8-9, wherein the control device (11) is further configured to compensate for a positioning error (25) of the precision machine (10) by commanding to move the machine precision (10) according to the error values obtained for each of the X, Y and Z axes based on a position of the precision machine (10).
11. La máquina de precisión de la reivindicación 10, en la que el dispositivo de control (11 ) está configurado además para procesar una pieza de trabajo (30) con la herramienta (18); y en la que el dispositivo de control (11 ) compensa el error de posicionado (25) mientras se procesa la pieza de trabajo (30) con la herramienta (18). The precision machine of claim 10, wherein the control device (11) is further configured to process a workpiece (30) with the tool (18); and wherein the control device (11) compensates for the positioning error (25) while processing the workpiece (30) with the tool (18).
12. La máquina de precisión de una cualquiera de las reivindicaciones 8-11 , en la que la mesa de máquina comprende una mesa rotatoria; y el dispositivo de control (11) está configurado además para ordenar uno de los siguientes: 12. The precision machine of any one of claims 8-11, wherein the machine table comprises a rotary table; and the control device (11) is further configured to command one of the following:
- hacer que la sonda de contacto (17) mida al menos las esferas primera y última (51a, 51 b) de la pluralidad de esferas (51 ) cuando el artefacto de calibración (50) está dispuesto en la mesa de máquina; y - causing the contact probe (17) to measure at least the first and last spheres (51a, 51b) of the plurality of spheres (51) when the calibration device (50) is arranged on the machine table; Y
- determinar la posición del artefacto de calibración (50) basándose en las mediciones del uno o más dispositivos ópticos cuando el artefacto de calibración (50) está dispuesto en la mesa de máquina, comprendiendo la máquina de precisión (10) además el uno o más dispositivos ópticos; y en el que el dispositivo de control (11 ) está configurado además para ordenar que se mueva la mesa de máquina para posicionar el artefacto de calibración (50) de acuerdo con cada posición de la pluralidad de posiciones predeterminadas. - determining the position of the calibration device (50) based on the measurements of the one or more optical devices when the calibration device (50) is arranged on the machine table, the precision machine (10) further comprising the one or more optical devices; and wherein the control device (11) is further configured to command the machine table to move to position the calibration artifact (50) in accordance with each of the plurality of predetermined positions.
13. La máquina de precisión de una cualquiera de las reivindicaciones 8-12, o el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en los que la pluralidad de posiciones predeterminadas comprende las siguientes posiciones predeterminadas: artefacto (50) a lo largo de un eje XX de la máquina de precisión (10); artefacto (50) a lo largo de un eje YY de la máquina de precisión (10); artefacto (50) a lo largo de un eje XY de la máquina de precisión (10); artefacto (50) a lo largo de un eje XZ de la máquina de precisión (10); artefacto (50) a lo largo de un eje ZY de la máquina de precisión (10); y artefacto (50) a lo largo de un eje XYZ de la máquina de precisión (10). The precision machine of any one of claims 8-12, or the method of any one of claims 1-7, wherein the plurality of predetermined positions comprises the following positions predetermined: artifact (50) along an XX axis of the precision machine (10); artifact (50) along a YY axis of the precision machine (10); artifact (50) along an XY axis of the precision machine (10); artifact (50) along an XZ axis of the precision machine (10); artifact (50) along a ZY axis of the precision machine (10); and artifact (50) along an XYZ axis of the precision machine (10).
14. La máquina de precisión de una cualquiera de las reivindicaciones 8-13, o el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-7 o 13, comprendiendo la máquina de precisión (10) una máquina herramienta. The precision machine of any one of claims 8-13, or the method of any one of claims 1-7 or 13, the precision machine (10) comprising a machine tool.
15. Un producto de programa informático que tiene instrucciones que, cuando se ejecutan por un dispositivo de control (11) de una máquina de precisión (10) que comprende una mesa de máquina, hacen que el dispositivo de control (11 ) ordene: 15. A computer program product having instructions which, when executed by a control device (11) of a precision machine (10) comprising a machine table, cause the control device (11) to command:
- hacer que una sonda de contacto (17) de la máquina de precisión (10) mida cada esfera de una pluralidad de esferas (51 ) de un artefacto de calibración (50) cuando el artefacto de calibración (50) esté tanto dispuesto en la mesa de máquina como posicionado de acuerdo con cada posición del conjunto de posiciones predeterminadas, comprendiendo el artefacto de calibración (50) una fila con la pluralidad de esferas (51), estando el artefacto de calibración (50) disponible en al menos dos configuraciones: una primera configuración tal que el artefacto de calibración (50) pueda colocarse en la mesa de máquina, y una segunda configuración tal que el artefacto de calibración (50) no se coloque en la mesa de máquina y no sea paralelo con un plano que contiene la superficie de la mesa de máquina; - causing a contact probe (17) of the precision machine (10) to measure each sphere of a plurality of spheres (51) of a calibration device (50) when the calibration device (50) is both arranged in the machine table as positioned according to each position of the set of predetermined positions, the calibration device (50) comprising a row with the plurality of spheres (51), the calibration device (50) being available in at least two configurations: a first configuration such that the calibration device (50) can be placed on the machine table, and a second configuration such that the calibration device (50) cannot be placed on the machine table. the machine table and is not parallel to a plane containing the surface of the machine table;
- determinar una posición del centro de cada una de las esferas de la pluralidad de esferas (51) después de medirlas con la sonda de contacto (17) en cada posición de la pluralidad de posiciones de artefacto predeterminadas; - determining a position of the center of each of the spheres of the plurality of spheres (51) after measuring them with the contact probe (17) at each position of the plurality of predetermined artifact positions;
- calcular los valores de las distancias basándose en las posiciones determinadas, siendo cada distancia aquella entre un par diferente de esferas adyacentes A y B de la pluralidad de esferas (51) para la posición de artefacto predeterminada respectiva; y - determinar los valores de los parámetros de un modelo matemático que estima el error en cualquier punto P del volumen medido, como se define en la siguiente ecuación: xyzP = uvwP + errorP donde: uvwP es la posición teórica del punto P a la que se ordena dirigirse a la máquina (10) y se compone por las coordenadas de máquina u, v, w, xyzP es la posición real adoptada por la máquina (10) cuando se le ordena dirigirse al punto teórico uvwP del punto P y se compone por las coordenadas reales x, y y z, errorP es el error de posicionado, definido a lo largo de las direcciones de los tres ejes lineales X, Y, Z, cuando la máquina se posiciona en el punto ordenado uvwP, y con la primera fórmula:
Figure imgf000036_0001
los valores de los parámetros {px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático que se determina resolviendo una segunda fórmula, que se define para cada distancia entre pares de esferas adyacentes (51 ) del artefacto de calibración (50): dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | donde: dAB es la distancia teórica entre los centros de las esferas A y B del artefacto de calibración (50), uvwA y uvwB son las posiciones teóricas de los centros A y B del artefacto de calibración (50) a las que se ordenan dirigirse a la máquina (10) y están compuestas por las coordenadas de máquina u, v y w, respectivamente, xyzA y xyzB son las posiciones reales adoptadas por la máquina (10) cuando se le ordena dirigirse a los puntos teóricos uvwA y uvwB, y se componen de las coordenadas reales x, y, z, errorA y errorB son los errores cuando la máquina se posiciona en los puntos ordenados uvwA y uvwB, y | | es la función de norma que se usa para calcular la distancia entre dos puntos; resolviéndose la segunda fórmula por medio de la tercera fórmula:
Figure imgf000037_0001
donde: dAB es la distancia medida entre dos esferas adyacentes A y B, dABo es la distancia calibrada conocida entre dos esferas adyacentes A y- calculating the values of the distances based on the determined positions, each distance being that between a different pair of adjacent spheres A and B of the plurality of spheres (51) for the respective predetermined artifact position; and - determine the values of the parameters of a mathematical model that estimates the error at any point P of the measured volume, as defined in the following equation: xyzP = uvwP + errorP where: uvwP is the theoretical position of point P at which it is ordered to go to the machine (10) and it is composed by the machine coordinates u, v, w, xyzP is the real position adopted by the machine (10) when it is ordered to go to the theoretical point uvwP of the point P and it is composed by the real coordinates x, y and z, errorP is the positioning error, defined along the directions of the three linear axes X, Y, Z, when the machine is positioned at the ordered point uvwP, and with the first formula:
Figure imgf000036_0001
the values of the parameters {px}, {py}, {pz}, a, b and y of the model mathematical that is determined by solving a second formula, which is defined for each distance between pairs of adjacent spheres (51) of the calibration artifact (50): dAB = | xyzA-xyzB | = | (uvwA + errorA) - (uvwB + errorB) | where: dAB is the theoretical distance between the centers of the spheres A and B of the calibration device (50), uvwA and uvwB are the theoretical positions of the centers A and B of the calibration device (50) to which they are ordered to go to the machine (10) and are composed of the machine coordinates u, v and w, respectively, xyzA and xyzB are the real positions adopted by the machine (10) when it is ordered to go to the theoretical points uvwA and uvwB, and they are composed of the real coordinates x, y, z, errorA and errorB are the errors when the machine is positioned at the ordered points uvwA and uvwB, and | | is the norm function used to calculate the distance between two points; solving the second formula by means of the third formula:
Figure imgf000037_0001
where: dAB is the measured distance between two adjacent spheres A and B, dABo is the known calibrated distance between two adjacent spheres A and
B, la función se evalúa inicialmente para parámetros iniciales predeterminados (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0), a continuación se realizan múltiples iteraciones para calcular los valores reales de los parámetros {px}, {py}, {pz}, a, b y y del modelo matemático, y {px}, {py} y {pz} son los parámetros vectoriales que definen los errores de posicionado del eje X, del eje Y y del eje Z, respectivamente, y a, b y y son los parámetros escalares que definen los errores de perpendicularidad entre el eje X, el eje Y y el eje Z. B, the function is initially evaluated for initial default parameters (pxo = 0, pyo = 0, pzo = 0), then multiple iterations are performed to calculate the actual values of the parameters {px}, {py}, {pz}, a , byy of the mathematical model, and {px}, {py} and {pz} are the vector parameters that define the positioning errors of the X axis, the Y axis and the Z axis, respectively, and a, b and y are the scalar parameters that define the perpendicularity errors between the X axis, the Y axis and the Z axis.
PCT/ES2021/070467 2020-06-29 2021-06-24 Estimation and compensation of errors in the positioning of a precision machine WO2022003222A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ESP202030650 2020-06-29
ES202030650 2020-06-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022003222A1 true WO2022003222A1 (en) 2022-01-06

Family

ID=79315602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2021/070467 WO2022003222A1 (en) 2020-06-29 2021-06-24 Estimation and compensation of errors in the positioning of a precision machine

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2022003222A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4212822A1 (en) * 2022-01-14 2023-07-19 Renishaw PLC Mapping of sensor error data from a coordinate positioning machine

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5841668A (en) * 1996-11-29 1998-11-24 Snu Precision Co., Ltd. Method of assessing three dimensional volumetric errors in multiaxis machine tools

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5841668A (en) * 1996-11-29 1998-11-24 Snu Precision Co., Ltd. Method of assessing three dimensional volumetric errors in multiaxis machine tools

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GOMEZ-ACEDO ENEKO; OLARRA AITOR; ORIVE JAVIER; LOPEZ DE LA CALLE LUIS NORBERTO: "Methodology for the design of a thermal distortion compensation for large machine tools based in state-space representation with Kalman filter", INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS AND MANUFACTURE, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 75, 19 September 2013 (2013-09-19), AMSTERDAM, NL , pages 100 - 108, XP028751467, ISSN: 0890-6955, DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2013.09.005 *
UNAI MUTILBA, GOMEZ-ACEDO ENEKO, KORTABERRIA GORKA, OLARRA AITOR, YAGüE-FABRA JOSE: "Traceability of On-Machine Tool Measurement: A Review", SENSORS, MDPI, CH, vol. 17, no. 7, 11 July 2017 (2017-07-11), CH , pages 1605, XP055763919, ISSN: 1424-8220, DOI: 10.3390/s17071605 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4212822A1 (en) * 2022-01-14 2023-07-19 Renishaw PLC Mapping of sensor error data from a coordinate positioning machine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4275632B2 (en) Calibration method for parallel mechanism mechanism, calibration verification method, calibration verification program, data collection method, and correction data collection method for spatial position correction
US8931183B2 (en) Measurement method and apparatus
Wendt et al. Measuring large 3D structures using four portable tracking laser interferometers
ES2427794T3 (en) Procedure to rate the accuracy of a system with numerical control
ITTO20070318A1 (en) METHOD FOR DETERMINING GEOMETRIC ERRORS IN A MACHINE TOOL OR MEASUREMENT
CN103697824A (en) System calibration method for measuring head of coordinate measuring machine
US6587802B1 (en) Calibration device for a parallel kinematic manipulator
ES2368458T3 (en) METHOD OF MEASUREMENT OF MEASUREMENT ERRORS OF A MEASURING MACHINE ORIGINATED BY DEFORMATIONS OF THE MACHINE BANK CAUSED BY THE LOAD EXERCISED BY THE MOBILE UNIT OF THE MACHINE ON THE BANK OF THE MACHINE, AND MEASUREMENT MACHINE WITH MEASUREMENT .
CN108827149B (en) Turntable calibration method based on linear laser displacement sensor and diffuse reflection gauge block
TW201111100A (en) Machine tool calibration method
JP5968749B2 (en) Geometric error identification method and numerical control method, numerical control apparatus and machining center using the geometric error identification method
JP2019105614A (en) Spatial accuracy correction method, and spatial accuracy correction device
US11293745B2 (en) Inspection master
CN108827187A (en) A kind of measuring system for workpiece progress measuring three-dimensional profile
JP5486416B2 (en) Industrial machinery
WO2022003222A1 (en) Estimation and compensation of errors in the positioning of a precision machine
JP2021004746A (en) Inspection master
JP2023090783A (en) Method of calibrating surface sensing device, corresponding calibration program for control computer, and corresponding calibration kit
KR102035334B1 (en) Method for measuring geometric errors of 4-axis machine tools
CA1310092C (en) Method for determining position within the measuring volume of a coordinate measuring machine and the like and system therefor
ES2668930B1 (en) MARKING DEVICE FOR THE WORK PATH OF A ROBOT, A SYSTEM THAT INCLUDES SAID DEVICE AND PROCEDURE FOR IDENTIFYING THE WORK PATH OF THE ROBOT
WO2014135721A1 (en) Method and template with geometric features for calibrating and checking measurements with articulated arms for measuring using coordinates
JP6524441B2 (en) Attitude correction method of inter-surface distance measuring device
CN110125982B (en) Method for measuring motion trajectory orthogonality of three-degree-of-freedom motion control system of micro-operation robot
ES2663122T3 (en) Calibration method of the drive axes of a machine tool

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21831631

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2021831631

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021831631

Country of ref document: EP

Effective date: 20240124