| REIVINDICACIONES I1- Dispositivo anticolisión para cabezal de corte por chorro de agua para detecciones de impacto en planos horizontales de trabajo de las coordenadas espaciales XY caracterizado porque comprende un sensor resistivo basado en galgas extensiométricas (1) , dispuesto entre un eje (5) y una boquilla (2) , con su focalizador de corte (3) y receptor de abrasivo (4) conectado a un equipo de regulación y ajuste de sensibilidad de sensor galga (1) en vista en alzado de su célula de carga y su cable (13), regleta de bornes (14), tarjeta de circuito integrado (15) , botones de control (16) y display numérico digital (17) para visualización y medición de un valor umbral adimensional en función del aumento o reducción de sensibilidad del sensor por parte del usuario. 2.- Dispositivo anticolisión para cabezal de corte por chorro de agua para detecciones de impacto en planos horizontales de trabajo de las coordenadas espaciales XY conforme a Ia Reivindicación.1 caracterizado porque comprende un sensor resistivo de tipo galga extensiométrica (1), dispuesto dentro de un regulador de altura (6) con su fuelle (7) y guía del regulador (8), dispuesto en una base de giro (10) que contiene un soporte de boquilla (9), con su boquilla (2), su focalizador de corte (3), junto con una junta rotatoria (11 ) y base del cabezal (12). |
DESCRIPCIÓN
Sector técnico
La invención que se protege en esta patente consiste en un dispositivo anticolisión para un cabezal de corte por chorro de agua para cortar planos bidimensionales y tridimensionales de diversos materiales rígidos (metales, piedra, cerámica, madera, etc.) mediante el uso de un abrasivo, y de materiales blandos (goma, alimentos, espuma, etc.) mediante el uso de agua pura; que detecta Ia colisión ante obstáculos imprevistos permitiendo Ia modificación y corrección inteligente de su trayectoria de navegación y trabajo programado, mediante una secuencia de acciones planificadas de percepción-acción.
Se trata, por tanto, de un dispositivo para un cabezal de corte que consta de dos piezas principales: Una, un sensor de reacción al impacto basado en dos galgas extensiométricas proyectado en las direcciones de las coordenadas cartesianas en el espacio horizontal XY que constituye el núcleo del dispositivo; y Ia otra, un equipo de vigilancia, ajuste y regulación de sensibilidad constituido por una tarjeta electrónica y los periféricos necesarios para Ia transmisión de señales desde el sensor a Ia tarjeta y de Ia tarjeta al control desde el cual se ejecuta Ia acción planificada de respuesta.
El dispositivo, de acuerdo con Ia invención, posee un circuito sensorial con varios elementos dispuestos sobre Ia boquilla del cabezal o montado en el módulo del palpador. En el caso de que se produzca una colisión entre el cabezal y una obstrucción o Ia pieza de trabajo, dicho circuito previene Ia avería o destrucción del cabezal y/o focalizador. Dicho sensor de detección de colisiones es acoplado al aparato y configurado para proporcionar una señal en el caso en que Ia aproximación de Ia herramienta a Ia pieza de corte esté dentro del límite de distancia de colisión y/o obstrucción.
Técnica anterior
En progreso con respecto a los métodos térmicos convencionales utilizados en el corte, tales como plasma y láser, el uso de un método de corte por chorro de fluido abrasivo no térmico está siendo extendido por sus ventajas.
La utilización de agua a presión para el corte de agua, incluyendo el corte con abrasivo, ya es una técnica conocida por sus virtudes de limpieza, precisión, flexibilidad de materiales y producción, capacidad de trabajo en ambientes agresivos así como Ia no deformación térmica de los productos trabajados.
Actualmente, varios sistemas que conducen un fluido a alta presión a Io largo de un camino definido están ya son conocidos. Los términos "agua a alta presión" y "chorro de agua" incluidos en Ia presente invención se entiende que pueden incluir y se definen para todo tipo de fluidos a alta presión, incluyendo pero no limitando el agua a alta presión y Ia mezcla agua - abrasivo.
A tales sistemas nos referimos comúnmente como máquinas de dos, tres y cinco ejes. Las máquinas convencionales de tres ejes montadas sobre un cabezal permiten movimientos verticales a Io largo del eje Z, hacia y desde Ia pieza de trabajo. La base del cabezal se monta sobre un puente que se mueve de forma paralela al eje longitudinal del puente sobre el plano horizontal de trabajo. El puente se monta sobre uno o dos raíles que permiten el movimiento de forma perpendicular al eje longitudinal del puente. De esta manera, el chorro del fluido a alta presión generado en el cabezal se mueve a Io largo de un camino definido en el plano X-Y de forma relativa a Ia pieza de trabajo.
Las máquinas convencionales de cinco ejes trabajan de forma similar pero permiten movimientos sobre dos ejes de rotación adicionales, normalmente un eje horizontal y otro vertical
En un sistema de corte por chorro de agua típico, un fluido de alta presión - agua - fluye a través de un cabezal con un focalizador que dirige el chorro de agua a muy alta velocidad hacia Ia pieza de trabajo que se encuentra a escasos milímetros del focalizador. Dicho fluido se encuentra bajo una presión que puede llegar hasta 6000 bares en los sistemas que existen en Ia actualidad, con Ia posibilidad de mejorar esta limitación en sistemas futuros. La boquilla del cabezal incluye un tubo de mezcla para introducir el abrasivo dentro del sistema de corte para formar un chorro de corte de agua y abrasivo, haciendo posible el tratamiento de un mayor número de materiales.
Una distinción importante entre métodos térmicos y métodos de corte por chorro de fluido reside en que Ia fuente de energía de los métodos térmicos se transfiere muy cercana a Ia pieza de trabajo de forma óptima. En el corte por chorro de fluido, no existe este tratamiento térmico, no alterando las propiedades del material de Ia pieza de trabajo.
Es fundamental que en ambos métodos térmicos y de corte por chorro de fluido se mantenga una distancia óptima de corte desde Ia base de Ia herramienta hasta Ia pieza de trabajo.
El cabezal es controlado para que ejecute determinados movimientos a través de Ia pieza de trabajo y el corte se produzca con Ia forma deseada. Finalmente, después que el chorro haya atravesado Ia pieza de corte, Ia energía del chorro es disipada y el fluido se recoge en un tanque para su disposición o tratamiento posterior. En conclusión, la invención que se describe resuelve incidencias sobre uno de los planos de trabajo: el plano horizontal, frente a una situación de percepción de obstáculos durante el corte de los cuales se deriva una acción y una respuesta en el movimiento del cabezal.
En Ia actualidad, como hemos expuesto, ya se conocen y son utilizados diversos medios de dispositivos anticolisión para corte por chorro de agua; pero todos presentan inconvenientes tanto operativos como funcionales, con Io cual los medios ya desarrollados presentan siempre ciertas limitaciones frente a Ia invención que se presenta.
Así, son ya conocidos como dispositivos, las invenciones con número de publicación siguientes: La patente norteamericana US6852002 STEWART y otros (2001 ) sobre un método y aparato para el control del eje Z y detección de colisión y recuperación para sistemas de corte de agua y abrasivo sobre un sensor de impacto montado sobre una máquina compuesta de dos soportes, de forma que en caso de colisión, éstos se sueltan evitando un mayor daño al cabezal y vuelven a posicionarse tras Ia colisión. La patente norteamericana
US6814649 SCHMALL (2003) sobre un sensor de proximidad inductivo para materiales metálicos, y táctil para los no metálicos.
O en Ia misma línea, Ia aplicación de sensores por ultrasonido como Ia patente japonesa 2004-45600 SEKIYA (2004), sensores de proximidad también inductivos como Ia patente internacional WO 96/39255 de CH. HEIST CORP.
(1996), o de un conjunto de sensores interconectados como Ia patente internacional sobre guiado de contornos de superficies, 2006/023813 de FLOW
INTERNATIONAL CORP (2006). Igualmente, y no en relación a Ia capacidad de detección por sensores, sino de acción mecánica a una respuesta frente a una presencia detectada, Ia patente internacional publicada WO 97/20323 de COMPAGNIE GENÉRALE DES MATIERES NUCLEAIRES (1997).
Todas ellas como anterioridades a Ia invención que se presenta, pero alejadas con respecto al dispositivo de Ia invención, ya que se centran en el empleo de diversos sistemas de detección por sensores, y de movimiento mecánico de respuesta. Siendo en mayor medida las actuales necesidades de precisión y anticipación de riesgos de colisión, como verdaderas medidas preventivas, las exigencias de nuevos desarrollos tecnológicos como el que se plantea.
Este concepto inventivo de dispositivo anticolisión, sirve de complemento a Ia patente internacional solicitada y en tramitación n Q PCT/ES2009/070026 de Cabezal de corte por chorro de agua con cinco ejes de giro infinito de E. MATEU SENTAMANS, como un accesorio técnico.
Problema técnico
El corte de agua, es un sector técnico del tratamiento de materiales duros (metales, piedra, cerámica, madera, etc.) usando agua con abrasivo y el corte de materiales blandos (goma, alimentos, espuma, etc.); o, usando agua pura para Ia realización y configuración de piezas que exigen un nivel de corte preciso frente a herramientas o medios convencionales mecánicos (sierras, cuchillas, fresadoras, taladros, etc.) sin alterarse Ia temperatura de los materiales tratados.
Durante el trabajo de corte pueden suscitarse incidencias en el trabajo programado que se suceden bien por imprevistos en Ia superficie de corte que se trabaja - metálica o no - , o bien en el cabezal de corte y su mecanismo articulado. Los problemas que suelen producirse con mayor asiduidad por colisiones o choques en el proceso de corte por agua y abrasivo, podemos enumerarlos y agruparlos por:
- Rotura del sensor.
- Rotura de Ia boquilla y del focalizador de corte.
- Pérdida de tiempos.
- Deterioros o damnificación de los materiales y piezas cortadas. - Desecho de los materiales y piezas cortadas.
Solución técnica
El dispositivo procede a actuar de Ia siguiente manera: los sensores de colisión se basan en unas galgas dispuestas sobre Ia boquilla del cabezal en forma concéntrica al eje vertical a modo de anillo para el caso de cabezales de corte en 2 dimesiones, o implantadas dentro del módulo palpador para el caso de cabezales de corte en 3 dimensiones. Cuando el focalizador colisiona o golpea Ia pieza de trabajo u otra obstrucción, el detector detecta Ia colisión y envía una señal de parada al control para paralizar el movimiento del cabezal y evitar Ia colisión.
Un problema esencial con los sensores de colisión es que el sensor debe garantizar Ia parada del proceso en un mínimo de tiempo para evitar el daño del focalizador. Debido al tamaño y velocidad de los sistemas de corte, Ia tarea de parar el control rápidamente para evitar una colisión puede resultar difícil. Otro problema que surge es, que cualquier cambio de los componentes del cabezal requiere una rutina de recalibración para asegurar Ia distancia óptima de corte. Una colisión seria puede provocar que el sensor sea inutilizable. En puridad, se trata de Ia disposición de un sensor de desplazamiento y/o deformación de tipo resistivo basado en dos galgas extensiométricas montado sobre uno de los ejes de corte por encima de Ia boquilla en máquinas de corte de 3 ejes, o bien dentro del regulador de altura en máquinas de corte de 5 ejes. Dicho sensor es conectado a una tarjeta electrónica con display de siete segmentos u otro tipo similar para visualizar un valor umbral adimensional que informa de Ia sensibilidad del sensor. Conteniendo a su vez unos botones que permiten Ia operatividad del usuario en funciones como regulación de Ia sensibilidad del sensor.
La emisión de una señal eléctrica a un dispositivo lógico programable que a su vez, envía dicha señal al control numérico en forma de alarma, permite Ia detección de Ia colisión producida por parte del control numérico que interrumpirá y parará el movimiento del cabezal, y posteriormente, ejecutará una acción-respuesta definida por el usuario en función de las necesidades del momento: Parar y finalizar el proceso de corte de forma definitiva, retirar Ia pieza u obstrucción que dificulta el corte y si es posible, continuar el proceso de corte, etc.
Todo ello se produce sobre el plano X-Y horizontal sobre toda Ia superficie de Ia mesa de corte.
Efectos ventajosos
Las principales ventajas que facilita Ia presente invención son de orden técnico, operativo y económico. Técnico, porque implica el funcionamiento del cabezal de corte por chorro de agua con una medida preventiva frente a colisiones que de manera automatizada y regulada paraliza Ia acción de trabajo desarrollada, minimizando y suprimiendo averías o roturas de piezas trabajadas o de focalizadores, boquillas, y cabezales. Operativo, puesto que Ia capacidad de anticipar colisiones suprime el riesgo de daños y perjuicios sobre el dispositivo de corte por chorro de agua o de desecho de Ia pieza trabajada, y con una simple maniobra de corrección - sobre el dispositivo o sobre Ia pieza - se subsana Ia incidencia. Además, Ia sensibilidad del sensor - Ia relación que existe entre Ia variación del sensor y Ia del efecto medido- es regulable a interés del usuario mediante Ia regulación de un umbral de sensibilidad.
Y finalmente, concurre una ventaja económica, pues, Ia evitación de daños en maquinaria o piezas de trabajo (metales, plásticos, maderas, etc.) suponen un no coste en el usuario, que de otra manera y no aplicando este dispositivo preventivo de choques, sería habitual y probable.
Descripción de las figuras
Para una mejor comprensión de las características generales anteriormente mencionadas, se acompañan varios dibujos a Ia presente invención los cuales exponen como se especifica a continuación:
Figura 1 : Vista de sensor galga (1) , dispuesto entre un eje (5) y una boquilla (2) , con su focalizador de corte (3) y receptor de abrasivo (4).
Figura 2: Vista de sensor galga (1) , dispuesto dentro de un regulador de altura (6) con su fuelle (7) y guía del regulador (8), dispuesto en una base de giro (10) que contiene un soporte de boquilla (9), con su boquilla (2) , su focalizador de corte (3), junto con una junta rotatoria (11) y base del cabezal
(12). Figura 3: Vista frontal de un equipo de vigilancia, regulación y ajuste de sensibilidad de sensor galga (1) en vista en alzado de su célula de carga y su cable (13), regleta de bornes (14), tarjeta de circuito integrado (15), botones de control (16) y display numérico digital (17) para visualización y medición de un valor umbral adimensional en función del aumento o reducción de sensibilidad del sensor por parte del usuario.
Modo de realizar Ia invención
El modo de funcionamiento del dispositivo es el siguiente. Si no se produce una colisión, el funcionamiento del cabezal realiza los movimientos programados de forma correcta.
Mientras que, si se produce una colisión entre el focalizador y Ia pieza de trabajo o algún elemento externo a Ia máquina, y en particular, al cabezal, el sensor (galga) detectará dicha colisión. La colisión será detectada en Ia dirección XY horizontal ya que el sensor o galga está dispuesto en esas direcciones, no en Ia dirección vertical Z. Aunque un golpe enérgico sobre el eje Z puede ser detectado también por Ia galga en Ia dirección horizontal, ya que el golpe produciría una desviación en Ia dirección horizontal. Ello, indistintamente si el sensor-galga se encuentra dispuesto en forma concéntrica en Ia boquilla o en el interior de un regulador de altura.
Al producirse Ia colisión, el sensor experimentará una variación de su resistencia eléctrica en función de Ia deformación producida en el mismo por el golpe. Esta variación de resistencia se acondiciona de forma que se pueda leer en una tarjeta electrónica implementada en el mismo módulo del cabezal. Esta tarjeta contiene un display numérico que muestra un valor umbral adimensional función del aumento o reducción de sensibilidad del sensor y que puede ser regulado según las necesidades o intereses por parte del usuario. Cuanto más alto sea este valor, menor es Ia sensibilidad del sensor en Ia detección de colisión, y viceversa. Este valor se puede configurar discrecional mente por el usuario mediante el uso de los botones de Ia tarjeta electrónica.
La tarjeta envía una señal eléctrica de 24 Voltios al Controlador Lógico Programable (PLC) que controla de modo automatizado Ia lógica de funcionamiento del dispositivo, y éste a su vez envía Ia señal al control numérico. A su vez, el control numérico detectará Ia señal mediante el encendido de un Diodo emisor de luz (LED) o elemento electroluminiscente en el monitor y una señal de texto de alarma también mostrada en el monitor. El programa de control numérico estará programado para en caso de detectar esta alarma indicando colisión, se produzca una parada del programa. En este momento, el usuario puede elegir Ia siguiente acción a realizar, ya sea quitar Ia pieza o elemento que ha producido Ia colisión, mover el cabezal a otra posición de forma manual, empezar de nuevo desde el principio, etc.
Una de las múltiples aplicaciones en las que puede ser utilizado el sensor de colisión es Ia posibilidad de conocer Ia posición de Ia pieza de corte en el plano de trabajo en Ia dirección horizontal XY. Al detectar Ia colisión con Ia pieza de trabajo, el control lee esta posición en las coordenadas XYZ para conocer Ia situación de Ia pieza con respecto al plano que forman los ejes del cabezal.
En conclusión, dicho procedimiento resulta operativo mediante el empleo de los siguientes medios técnicos:
Un sensor resistivo -galga (1) , dispuesto entre un eje (5) y una boquilla
(2) , con su focalizador de corte (3) y receptor de abrasivo (4) conectado a un equipo de regulación y ajuste de sensibilidad de sensor galga (1) en vista en alzado de su célula de carga y su cable (13), regleta de bornes (14), tarjeta de circuito integrado (15) , botones de control (16) y display numérico digital (17) para visualización y medición de un valor umbral adimensional en función del aumento o reducción de sensibilidad del sensor por parte del usuario.
Un segundo modo de realización, sería el mismo sensor galga (1), dispuesto dentro de un regulador de altura (6) con su fuelle (7) y guía del regulador (8), dispuesto en una base de giro (10) que contiene un soporte de boquilla (9), con su boquilla (2), su focalizador de corte (3), junto con una junta rotatoria (11) y base del cabezal (12).