CABEZAL DE MECANIZADO CON CORRECCIÓN ACTIVA, PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE DICHO CABEZAL, ASÍ La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un cabezal de mecanizado con corrección activa, del tipo de los utilizados asociados a un robot para realizar labores de mecanizado de alta precisión y rapidez, especialmente en piezas de la industria de fabricación aeronáutica, que dispone de sensores locales de posición y ángulo, y un motor de mecanizado o“spindle” dotado de movimiento local con respecto a la carcasa del cabezal, independiente del movimiento del robot, siendo este movimiento tanto de desplazamiento como de giro con respecto a ambos, o cualquier otro sistema de ejes que permitan pivotar a la herramienta de tal forma que permitan corregir la orientación de taladrado o mecanizado con respecto a la superficie de la pieza, y así mismo corregir la posición del punto de taladrado, en definitiva corregir posición y ángulo permitiendo una corrección activa de la posición de mecanizado sin corregir los ejes del mismo robot.

Campo de la invención La invención se refiere al campo de los cabezales de mecanizado utilizados junto con robots dentro de la fabricación industrial.

Estado actual de la técnica En la actualidad son conocidos y empleados múltiples tipos de robots, especialmente en el campo de la mecanización de precisión, especialmente en la fabricación de elementos aeronáuticos, donde el alto número de taladros y remaches a utilizar los hacen imprescindibles. Por ello se han empleado robots de vahos tipos, antropomorfos, de cinemática paralela, etc... Durante el mecanizado, el robot presiona el cabezal contra la pieza a mecanizar, o bien lo posiciona delante y es el propio cabezal el que ejerce la fuerza necesaria mediante un dispositivo interno, y luego procede al mecanizado, pero es muy frecuente que al presionar, el cabezal se desplace ligeramente, o bien cambie su normalidad, debido a que la pieza a mecanizar cede o se deforma ligeramente con la presión, o bien debido a que con la presión el propio robot cede generando que el cabezal se deslice y/o pierda o cambie su normalidad respecto a la pieza.

Para evitar los efectos de deformación de robot o pieza debidos al esfuerzo de pie de presión, existen las siguientes tecnologías, por un lado la utilización de sistemas de visión artificial para mejorar la precisión, como por ejemplo encontramos descrito en ES2522921 “Cabezal y procedimiento de mecanizado automático con visión", dispositivos como el descrito en la patente ES2336624 " Procedimiento de posicionado de una herramienta de ensamblaje en el extremo de un brazo articulado y dispositivo para su realización ." que compensa el efecto del pie de presión midiendo el ángulo de pivotamiento entre una parte solidaria de la placa de apoyo y una segunda parte susceptible de ser aplicada e inmóvil con respecto a dicha superficie permitiendo la unión entre dichas partes un movimiento relativo según por lo menos un eje de pivotamiento. También se concen la técnica descrita en US8989898 " Robot manufacturing system with accurate control", que ante la falta de rigidez y de precisión de los robots comerciales, añade un segundo sistema de medida en cada eje, de tal forma que se consigue mayor precisión y rigidez, ya que si en el proceso de aplicación de pie de presión el robot quiere deformarse, los sistemas de medida secundarios se dan cuenta de esas deformaciones de manera instantánea y las corrigen. Sin embargo, todos estos equipos y procedimientos adolecen del problema de que, una vez detectado el error de posicionamiento y/o ángulo, para volver a posicionar el cabezal en su sitio correcto, o para corregir su normalidad, es necesario mover todo el brazo robot y reposicionar en las nuevas coordenadas, y en algunos casos, volver a calcular el error, y repetir las veces necesarias hasta posicionar correctamente dentro de las tolerancias requeridas antes de proceder a mecanizar, lo cual influye negativamente en la velocidad del proceso, ya que los movimientos del robot, debido a sus grandes masas en movimiento e inercias, requieren un cierto tiempo de posicionamiento.

Cuando los requerimientos de precisión de posicionamiento y/o normalidad son muy altos y exigentes, y además se requiere gran velocidad de proceso, la mayor parte de los robots, excepto los de cinemática paralela, ya no pueden operar, impidiendo su uso.

Descripción de la invención

Para solventar la problemática existente en la actualidad en cuanto a la precisión y rapidez en el mecanizado de piezas mediante robots, se ha ideado el cabezal de mecanizado con corrección activa objeto de la presente invención, el cual consta de una carcasa que dispone de sensores de posición y ángulo, y un motor de mecanizado o“spindle” dotado de movimiento local con respecto a la carcasa del cabezal, independiente del movimiento del robot, siendo este movimiento preferentemente tanto de desplazamiento en los ejes X ,Y y Z como de giro con respecto a X y a Y, permitiendo una corrección activa de la posición de mecanizado.

El cabezal dispone para ello de

- una carcasa fijada en el extremo del robot, con un pié de presión con abertura central,

- un motor de taladrado en el interior de la carcasa, dotado de medios de avance y retroceso con respecto a la pieza a mecanizar,

- uno o varios sensores de posición y ángulo, preferentemente cámaras de video asociadas a un equipo de visión artificial,

- medios de movimiento locales, e independientes del movimiento del robot, del motor de taladrado con respecto a la carcasa y

- medios de comunicación con un equipo informático de control.

El cabezal de mecanizado con corrección activa lleva asociado un procedimiento de operación específico que comprende

- un paso de ubicación en el punto programado de la pieza a mecanizar,

- un paso de empuje del cabezal sobre la pieza a mecanizar,

- un paso de verificación mediante los sensores de la posición y ángulo del motor de taladrado y su herramienta asociada,

- en caso de que el resultado del paso de verificación mediante los sensores de la posición y ángulo del motor de taladrado y su herramienta asociada indique que el punto real de mecanizado no corresponde con el punto programado, o bien su desplazamiento y/o normalidad está fuera de la tolerancia aceptada, se realiza un paso de corrección de la posición del motor de taladrado y su herramienta con respecto a la carcasa, volviendo a repetir de nuevo a continuación el paso de verificación mediante los sensores de la posición y ángulo del motor de taladrado y su herramienta asociada, repitiendo esta parte del proceso las veces necesarias hasta que esté dentro de la tolerancia aceptada en posición y/o ángulo,

- un paso de mecanizado y

- un paso de retirada.

El uso de este cabezal de mecanizado con corrección activa con su procedimiento de operación es el mecanizado de precisión, preferentemente la realización de taladros en piezas de la industria de fabricación aeronáutica, para su posterior remachado.

Ventajas de la invención

Este cabezal de mecanizado con corrección activa que se presenta aporta múltiples ventajas sobre los sistemas disponibles en la actualidad siendo la más importante que, una vez que el cabezal está bajo presión en la pieza, el reposicionamiento posterior para corregir los errores no necesita volver a mover todo el robot, lo cual es un proceso relativamente lento por la gran masa a mover, y falta de precisión de los ejes, debido a los propios accionamientos de los mismos y las grandes palancas de acción, sino que únicamente se necesita desplazar localmente el spindle que con su reducida masa pueden moverse mucho más rápidamente, con menor inercia y mayor precisión.

Por ello es destacable que permite una corrección de los errores que se producen por parte del robot en el posicionamiento para el mecanizado de una forma muy rápida y precisa, sin necesidad de reposicionar el robot.

Es importante destacar que, si fuese necesario repetir la iteración de la verificación varias veces, al ser movimientos muy cortos y locales, no penalizan el funcionamiento del conjunto, a diferencia de los procedimientos convencionales que deben repetir el proceso moviendo todo el conjunto mediante el robot repetidas veces.

Otra importante ventaja es que esto permite utilizar robots de reducida precisión, como por ejemplo los antropomorfos, para tareas de mecanizado de precisión sin necesidad de elevados tiempos de proceso para el reposicionamiento.

Otra ventaja de la presente invención es que gracias a propiciar el uso de robots antropomorfos, es posible su reutilización en fabricaciones con mayores requerimientos de rapidez y precisión sin necesidad de hacer una gran inversión económica. No debemos dejar de citar que la utilización de sensores para la medida y verificación de la posición y ángulo, añade una mayor rapidez y precisión al funcionamiento.

Es interesante destacar que este cabezal puede utilizarse con robots de cualquier tipo, permitiendo mejorar notablemente su velocidad y precisión de posicionamiento, haciéndolos aptos para producción de mecanizados con altos requerimientos, permitiendo alargar su vida útil.

Descripción de las figuras

Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una realización práctica preferencial de un cabezal de mecanizado con corrección activa, con cámaras de video como sensores.

En dicho plano la figura -1 - muestra un diagrama general simplificado del cabezal en su posición de reposo.

La figura -2- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de ubicación en el punto programado de la pieza a mecanizar y en el paso de toma de imagen de la superficie del punto programado de la pieza a mecanizar.

La figura -3- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de empuje del cabezal sobre la pieza a mecanizar.

La figura -4- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de verificación visual de la posición del motor de taladrado y su herramienta asociada, en un caso en el que tras el paso de empuje del cabezal sobre la pieza a mecanizar se ha producido un desplazamiento lineal y/o ángular del cabezal con respecto a la pieza por efecto de la presión.

La figura -5- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de corrección de la posición del motor de taladrado y su herramienta con respecto a la carcasa.

La figura -6- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de mecanizado, una vez corregida y verificada la posición del motor de taladrado y su herramienta asociada.

La figura -7- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de verificación visual de la posición del motor de taladrado y su herramienta asociada, en un caso en el que tras el paso de empuje del cabezal sobre la pieza a mecanizar se ha producido un cambio en la normalidad del cabezal con respecto a la pieza por efecto de la presión.

La figura -8- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de corrección de la normalidad del motor de taladrado y su herramienta con respecto a la carcasa. La figura -9- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de corrección de la posición del motor de taladrado y su herramienta con respecto a la carcasa, después de haber corregido previamente la normalidad.

La figura -10- muestra un diagrama general simplificado del cabezal en el paso de mecanizado, una vez corregida y verificada tanto la normalidad como la posición del motor de taladrado y su herramienta asociada.

La figura -11- muestra un ejemplo de instalación de un robot con este cabezal.

La figura -12- muestra un detalle de parte de los elementos de un ejemplo de cabezal.

La figura -13- muestra una vista externa de un ejemplo de cabezal.

La figura -14- muestra un detalle por transparencia de parte de los elementos de un ejemplo de cabezal.

La figura -15- muestra un detalle de parte de los elementos de un ejemplo de cabezal.

Realización preferente de la invención

La constitución y características de la invención podrán comprenderse mejor con la siguiente descripción hecha con referencia a las figuras adjuntas.

Según puede apreciarse en las figuras 1 , 11 , 12, 13, 14 y 15 se ¡lustra un cabezal de mecanizado con corrección activa, del tipo de los utilizados asociados a un robot para realizar labores de mecanizado de alta precisión y rapidez que comprende

- una carcasa (1 ) fijada en el extremo del robot (2) mediante medios de enganche y conexión, dotada en un extremo de un pié de presión (3) con una abertura central (4),

- un motor de taladrado (6) o “spindle”, con una herramienta (7) asociada intercambiable, ubicado en el interior de la carcasa (1 ), dotado de medios de avance y retroceso en el eje Z con respecto a la pieza (12) a mecanizar,

- uno o vahos sensores (5) de posición y ángulo,

- medios de movimiento locales, e independientes del movimiento del robot (2), del motor de taladrado (6) con respecto a la carcasa (1 ), y

- medios de comunicación con un equipo informático de control (15).

Los medios de movimiento locales, e independientes del movimiento del robot (2), del motor de taladrado (6) con respecto a la carcasa (1 ) comprenden preferentemente

- medios de desplazamiento en el eje Y (8) del conjunto de motor de taladrado (6) y cámaras de video (5) con respecto a la carcasa (1 ),

- medios de desplazamiento en el eje X (9) del conjunto de motor de taladrado (6) y cámaras de video (5) con respecto a la carcasa (1 ),

- medios de giro con respecto al eje Y (10) del conjunto de motor de taladrado (6) y cámaras de video (5) con respecto a la carcasa (1 ), y - medios de giro con respecto al eje X (11 ) del conjunto de motor de taladrado (6) y cámaras de video (5) con respecto a la carcasa (1 ).

Los medios de desplazamiento en el eje Y (8) y los medios de desplazamiento en el eje X (9) comprenden una combinación de motores con sistemas de accionamiento, como por ejemplo piñón de ataque y cremalleras rectilíneas, husillos o levas.

Los medios de giro con respecto al eje Y (10) y los medios de giro con respecto al eje X (11 ) comprenden una combinación de motores sistemas de accionamiento, como por ejemplo piñón de ataque, guías y cremalleras curvas.

El sensor o sensores (5) pueden ser sensores ópticos, cámaras de video, sensores de distancia, sensores de presión, perfilómetros láser, etc., o cualquier combinación de ellos. En una realización preferencial los sensores (5) de posición y ángulo son al menos dos cámaras de video, solidarias con el motor de taladrado (6) y asociadas a un equipo de visión artificial.

El pié de presión (3) puede ser un pié de presión (3) fijo a la carcasa (1 ), y por tanto movido por el robot (2), o bien un pié de presión (1 ) dotado de medios de avance y retroceso independiente con respecto a la carcasa (1 ). En una realización preferente el pié de presión (3) dispone de una rótula de contacto con la superficie, dotada de sensores de posición angular que son parte de los sensores (5).

El equipo informático de control (15) comprende un software específico para el movimiento general solidario del robot (2) y la carcasa (1 ), la corrección de posición y ángulo mediante los medios de movimiento locales del motor de taladrado (6) con respecto a la carcasa (1 ), y el procesamiento de las señales de los sensores (5).

El cabezal de mecanizado con corrección activa lleva asociado un procedimiento de operación específico, ¡lustrado en las figuras 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10, que comprende

- un paso de ubicación en el punto programado (13) de la pieza (12) a mecanizar,

- un paso de empuje del cabezal (1 ) sobre la pieza (12) a mecanizar,

- un paso de verificación mediante los sensores (5) de la posición y ángulo del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) asociada,

- en caso de que el resultado del paso de verificación mediante el sensor o sensores (5) de la posición y ángulo del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) asociada indique que el punto real (14) de mecanizado no corresponde con el punto programado (13), o bien su desplazamiento y/o normalidad está fuera de la tolerancia aceptada, se realiza un paso de corrección de la posición y/o normalidad del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) con respecto a la carcasa (1 ), volviendo a repetir de nuevo a continuación el paso de verificación mediante el sensor o sensores (5) de la posición y ángulo del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) asociada, repitiendo esta parte del proceso las veces necesarias hasta que esté dentro de la tolerancia aceptada en posición y/o normalidad,

- un paso de mecanizado y

- un paso de retirada. El paso de ubicación en el punto programado (13) de la pieza (12) a mecanizar comprende

- el movimiento mediante el robot (2) de la carcasa (1 ) hasta ubicar la abertura central (4) del pié de presión (3) centrada sobre el punto programado (13), a una pequeña distancia de la pieza (12) a mecanizar pero sin llegar a hacer contacto con ella, y

- en caso de que el sensor o sensores (5) de posición y ángulo sean cámaras de video asociadas a un equipo de visión artificial, una toma de imagen de la superficie del punto programado (13) de la pieza (12) a mecanizar y almacenamiento de dicha imagen en el equipo informático de control (15).

El paso de empuje del cabezal (1 ) sobre la pieza (12) a mecanizar se realiza mediante el robot (2), desplazando la carcasa (1 ) hasta que su pié de presión (3) haga contacto con la superficie de la pieza (12) a mecanizar, manteniéndose una presión programada.

El paso de verificación mediante el sensor o sensores (5) de la posición y ángulo del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) asociada, en caso de que el sensor o sensores (5) de posición y ángulo sean cámaras de video asociadas a un equipo de visión artificial, se realiza tomando una segunda imagen de la zona donde está ubicado el pié de presión (3) mediante el sensor o sensores (5) y comparándola con la tomada anteriormente que está almacenada en el equipo informático de control (15), detectando en ambas imágenes mediante técnicas de análisis de imagen los mismos elementos de rugosidad de la superficie y calculando el posible desplazamiento existente entre ambas imágenes, que correspondería con el desplazamiento existente entre las coordenadas del punto programado (13) y las del punto real (14) de mecanizado, así como posibles alteraciones de la normalidad del cabezal.

El paso de corrección de la posición del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) con respecto a la carcasa (1 ) comprende:

- el accionamiento de los medios de movimiento locales, según la información suministrada en el paso de verificación mediante el sensor o sensores (5) de la posición y ángulo del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) asociada, para corregir el desplazamiento existente, en su caso, y/o la variación de normalidad existente, en su caso, del motor de taladrado (6) y su herramienta (7) con respecto a la carcasa (1 ).

El paso de mecanizado comprende el avance del motor de taladrado (6) a través del pié de presión (3), en la posición e inclinación actuales.

El paso de retirada comprende

- el retroceso del motor de taladrado (6) a través del pié de presión (3) al interior de la carcasa (1 ),

- una separación del pié de presión, en caso de estar dotado de medios propios de avance y retroceso,

- el movimiento mediante el robot (2) de la carcasa (1 ) hasta separarla de la pieza (12), - el accionamiento de los medios de movimiento locales para llevar al motor de taladrado (6) a su posición central, sin corrección de posición y

- el accionamiento de los medios de movimiento locales para llevar al motor de taladrado (6) a su posición paralela a la carcasa (1 ), sin corrección de normalidad,

quedando el conjunto preparado para otra operación.

El uso de este cabezal de mecanizado con corrección activa con su procedimiento de operación es el mecanizado de precisión, preferentemente la realización de taladros en piezas de la industria de fabricación aeronáutica, para su posterior remachado, remachados, fresados, mecanizados orbitales o realización de cajeras.

La persona experta en la técnica comprenderá fácilmente que puede combinar características de diferentes realizaciones con características de otras posibles realizaciones, siempre que esa combinación sea técnicamente posible.

Toda la información referida a ejemplos o modos de realización forma parte de la descripción de la invención.