Estos objetos no pueden ser utilizados para la verificación de máquinas herramienta (MHs) en la mayor parte de los casos, o bien por carencia de un palpador o por falta de un software de medición adecuado en muchos MHs.

Estos problemas se solucionan utilizando la presente invención, es decir, con el desarrollo de un palpador específico para ensayos de posicionamiento de MHs.

Problemática y Tarea El concepto fundamental de ensayos de errores de posicionamiento de máquinas herramientas (MHs) con objetos de referencia es que se sustituye la herramienta por un palpador, se programa la máquina herramienta (MH) para mover los ejes a posiciones definidas poniendo así el palpador en contacto con las esferas de referencia u otros elementos de referencia en el objeto de referencia (en este documento se trata sólo de esferas de referencia).

Sin embargo existen varios problemas que impiden que se utilicen los tipos de palpadores conocidos de máquinas de medir por coordenadas (MCs).

En la mayoría de los casos no va a ser posible utilizar un palpador dinámico, como es muy frecuente en MCs. Este palpador da un pulso-cuando toca el objeto-para leer los contadores de posición de la máquina de medir por coordenadas (MC). Su uso no es posible o no es cómodo porque o bien falta la conexión al control numérico para la señal del palpador y/o falta la posibilidad

de transferir los datos medidos al ordenador en el cual se evaluarán las mediciones de ensayo.

Los controls de MHs que realmente tienen una entrada para tal tipo de palpador, no tienen software de medición apto para mediciones complejas. Sus algoritmos son demasiado limitados, por ejemplo, no soportan mediciones de esferas.

No solo la programación, también la ejecución de la medición es lenta y complicada si se palpa cada elemento de referencia con varios puntos, en vez de ir con la MH solo de punto a punto, como es el uso con interferómetros láser cuando se verifica una MH.

Para estos ensayos sería conveniente tener un palpador que indicare la desviación en X, Y, Z simultáneamente, para cada posición programada en la cual el palpador contacta una esfera de referencia en un objeto de referencia como una barra de bolas. Así se programaría fácilmente y se ejecutarían los programas rápidamente, y ni siquiera sería necesario conectar el ordenador ni el palpador con el control numérico de la MH. Todo eso es posible con un palpador autocentrable. Con este tipo de palpador se puede captar al mismo tiempo el error de posición en tres coordenadas cuando se posiciona la MH con este palpador encima de una esfera de referencia de una barra de bolas o equivalente. Las posiciones programadas deben corresponder a las posiciones verdaderas (calibradas) de los centros de las esferas de referencia de la barra de bolas ; si no corresponden, hay que tomar en cuenta los desvíos de los valores programados a los valores calibrados.

Existen palpadores analógicos para MCs, que permiten montar puntas de palpador autocentrables en forma de tres bolas o un cono.

Pero no son aptos para MHs por falta de rango de medición. Tienen solo una fracción de un milímetro pero suelen tener por lo menos 3 milímetros para compensar los errores de posicionamiento y el mal alineamiento del objeto de referencia con respecto a los ejes de la MH para facilitar la medición.

Estos palpadores no son aptos tampoco porque tienen componentes movibles con masas grandes, creando el peligro de impactos fuertes en los objetos y

problemas con vibraciones. Ocurre esto porque están construidos de manera kinemática secuencial ; esto significa que hay tres sistemas de movimiento lineal (X, Y, Z) : el primero lleva el vástago, el segundo lleva el primero y el vástago, y el tercero lleva el segundo y el primero y el vástago. Así, los componentes móviles llevan mucha masa y deben ser de altísima precisión porque se suman los errores de los componentes en la cadena kinemática entre la punta del palpador y el cuerpo del palpador que está amarrado al cabezal de la MH.

Solución según la invención Teniendo en cuenta que no se necesita medir ni cualquier tipo de superficie ni cualquier tipo de topografía, sino que los objetos van a ser siempre esferas de alta dureza, baja rugosidad y pequeño error de forma, el sistema del palpador autocentrable es susceptible de ser simplificado y hecho mas apto para la tarea de autocentrar en esferas de referencia con posiciones relativamente lejanos de las posiciones del palpador autocentrable.

Por esta razón se podría desarrollar un concepto de palpador autocentrable totalmente nuevo, basado en una kinemática paralela, significando en este caso, que se hace la medición directamente a la superficie de la esfera de referencia por los por lo menos tres sistemas de medición unidimensionales que forman el palpador autocentrable tridimensional.

Así se podría, reducir masas de los componentes movibles, reducir volumen del palpador, reducir fuerzas de palpado. Simultáneamente se podría mejorar la precisión con respecto a un palpador de kinemática secuencial por falta de un "stack"de ejes con errores sumándose. Menos componentes de precisión, un montaje mas sencillo y una calibración del palpador autocentrable mas rápida y fácil dan como resultado también un precio mas bajo.

Según esta invención, el palpador autocentrable contiene los siguientes componentes : Al menos tres puntas de palpador que contactan la esfera de referencia, con superficies típicamente esféricas, planas o cilindricas-no limitando las

alternativas a éstas formas; las puntas de palpador deben tener una alta precisión y la geometría debe ser conocida cada punta de palpador está fijada en un vástago que se mueve cuando se centra el palpador autocentrable en una esfera de referencia; el movimiento puede ser de tipo lineal o rotatorio, u una combinación entre lineal y rotatorio en caso de que se quiere realizar un movimiento puramente lineal o rotatorio, los vástagos son guiados con alta precisión para que ejecuten o bien un movimiento lineal o un movimiento rotatorio cuando se contactan y autocentran en una esfera de referencia 'dichos movimientos deben ser en direcciones distintas para tocar la esfera de referencia en puntos suficientemente lejanos entre ellos para mantener el contacto con la esfera de referencia, muelles pretensionados, elementos neumáticos o hidráulicos, u otros elementos que sirven el mismo fin, empujan los vástagos en dirección a la esfera de referencia; si no hay una esfera de referencia en el rango de medición del palpador autocentrable, topes mecánicos limitan el movimiento del vástago. el movimiento de cada vástago está medido por un sensor de desplazamiento lineal o rotativo (según la alternativa de realización); si el sensor de desplazamiento es un sensor incremental óptico-sin limitar la invención a este tipo de sensor-la regla de lectura está normalmente fijada en el vástago y el cabezal de lectura fijo en el cuerpo del palpador autocentrable ; los, por lo menos, tres desplazamientos medidos están transferidos a un programa de ordenador donde se calcula la posición del palpador autocentrable relativa a la esfera de referencia que se está palpando, teniendo en cuenta los valores de desplazamiento y el modelo de la geometría de los componentes del palpador autocentrable ; dicho cálculo de posición del palpador autocentrable relativo a la esfera de referencia requiere conocer por un lado los valores indicados por los sensores de desplazamiento y por otro lado los parámetros que describen con alta exactitud la geometría del palpador autocentrable, eso quiere decir :

posición y orientación de cada uno de los elementos; estos parámetros se llaman"parámetros del modelo"del palpador autocentrable.

Dicho modelo depende de la forma en la cual se realica el palpador autocentrable y depende de la precisión que se quiera obtener (mas parámetros pueden ser necesarios si se quiere mas precisión); Para una realización de un palpador autocentrable con vástagos linealmente movibles, los parámetros básicos son los siguientes : coordenadas X, Y, Z del ceritro de la punta del palpador orientación del vector normal del plano de la punta del palpador (p, A orientación del eje del vástago (p, 6 En total son 21 parámetros más el diámetro de la esfera de referencia.

Para una realización de un palpador autocentrable con vástagos rotatóriamente movibles, los parámetros básicos son los siguientes : coordenadas X, Y, Z del centro de la punta del palpador diámetro de las puntas del palpador (normalmente todas son de igual diámetro) orientación del eje de rotación del vástago cep, 6 distancia entre el centro de la punta del palpador y el eje de rotación distancia entre la regla de lectura angular y el eje de rotación del vástago translación del eje de rotación en dos coordenadas Xi, Y en función del angulo de rotación a ; se asumen funciones cuadráticas en caso de utilizar pivotes elásticos para realizar ejes rotatorios : 6 coeficientes por vástago En total son 15 x 3 = 45 parámetros mas el diámetro de la esfera de referencia.

La invención ofrece las siguientes tres alternativas para alcanzar con alta precisión los valores de estos parámetros del modelo : 1. medirlos directamente con un sistema de medición independiente como una MC

2. medirlos indirectamente, posicionando el palpador en contacto con una esfera de referencia, y-manteniendo el contacto entre la esfera de referencia y el palpador autocentrable-moviendo el palpador o la esfera de referencia a posiciones conocidas (posiciones que dan distintos desplazamientos relativos entre la esfera de referencia y el palpador autocentrable).

3. medirlos indirectamente, posicionando el palpador en contacto con una esfera de referencia situada en un útil de calibración según este invención, siempre posicionando el palpador autocentrable a la misma posición con alta precisión (o bien dejándolo en esta posición sin moverlo) ; se coloca dicho útil de calibración de distintas maneras en sus puntas de sujetación, desplazando así la esfera de referencia; se mide con el palpador autocentrable la posición de la esfera de referencia.

Ad 1 : En caso del palpador autocentrable con vástagos linealmente movibles (11), se miden las orientaciones de los vástagos, las orientaciones de las puntas del palpador (12) y las coordenadas X, Y, Z del punto de intersección del eje del vástago con el plano de contacto de la punta del palpador.

En caso del palpador autocentrable con vástagos rotatorios (21), se mide la dirección del eje de rotación. Si el eje no es directamente accesible, se lo mide indirectamente, midiendo la posición y orientación del vástago en un número de posiciones rotatorias. Así se determina también el desplazamiento del eje como una función del angulo de rotación. Se mide también el centro de la punta del palpador (22) y su diámetro (todas las puntas del palpador deben ser de igual diámetro). Se calcula la distancia del centro de la punta del palpador al eje de rotación. También se mide la distancia entre el eje de rotación y la escala de lectura (26).

Otra variante de medir los parámetros del modelo del palpador es, establecer directamente la relación entre las posiciones de las puntas del palpador y los valores indicados por los sensores rotatorios, generando una tabla de correspondencia. Eso se efectúa con una MC. La tabla de correspondencia se

interpola cuando se utiliza el palpador autocentrable para efectuar una medición verdadera.

Ad 2.

La segunda variante según la invención es mover el palpador con una MC o MH precisa a un número de posiciones conocidas, mientras las puntas del palpador están en contacto con una esfera de referencia. Se registran los valores indicados por los sensores de rotación y las posiciones del palpador autocentrable. Este método permite también verificar un palpador autocentrable, previamente calibrado. Para calcular los parámetros del modelo, se utiliza por ejemplo un programa de tipo mejor ajuste de parámetros según el método de mínimos cuadrados (método Gauss) o un programa de tipo mejor ajuste de parámetros según el método Simplex.

Ad 3.

Según la invención, la tercera alternativa es sustituir la MC en la alternativa anterior por un útil de calibración con esferas de referencia en posiciones conocidas. Con el palpador autocentrable manteniendo su posición o posicionado siempre en la misma posición, se coloca dicho útil en contacto con el palpador autocentrable, realizando con el útil un número de posiciones de esferas de referencia. Se registran las posiciones verdaderas de las esferas de referencia y las indicaciones de los sensores. Se procede como en la alternativa anterior.

Dicho útil de calibración es parte de la invención. El útil requiere una base de sujetación (32) para arrastrar el útil de manera repetible en distintas posiciones.

Este útil de calibración tiene la forma de un cubo o de un octaedro o de un duodecaedro, aunque otras formas son también posibles. En las caras del objeto de calibración se encuentran esferas de calibración (33) las cuales deben ser palpables con el palpador autocentrable. El objeto de calibración contiene en las caras también elementos de sujetación en forma de esferas (34), las cuales corresponden a elementos de sujetación (36), en la base (32) fija del útil.

Cambiando las posiciones del útil sobre la base de manera que arrastren cada vez otras combinaciones de elementos de sujetación en el útil, y elementos de sujetación en la base de sujetación, se realizan un número de posiciones de las esferas de calibración distintas y conocidas. Las posiciones de las esferas de calibración se miden con un sistema de medición independiente, tipicamente con una máquina de medición por coordenadas (MC). Efectuando una serie de mediciones con posiciones de las esferas de calibración distintas, genera los datos requeridos para calcular un mejor ajuste de los parámetros del modelo.

Este método permite también verificar un palpador autocentrable, previamente calibrado, y extender su intervalo de calibración.

Descripción de una realización A continuación se describen dos posibles realizaciones, porque son las dos posibilidades básicas. Existen también mezclas entre estas posibilidades básicas"limpias"para realizar el palpador autocentrable. Por eso no se limita la invención a las dos realizaciones, descritas aquí en detaille.

1. Palpador autocentrable con vástagos linealmente movibles Fig. 2 demuestra el principio de funcionamiento, y Fig. 4 el palpador autocentrable entero. Se trata en este apartado un palpador autocentrable que consiste en tres vástagos cilíndricos, linealmente movibles (11), con una punta de palpador plana y un sensor de desplazamiento lineal fijado en cada de estos vástagos. Los ejes de movimiento de los vástagos tienen entre ellos angulos de idealmente 90° y los ejes se interseccionan ficticiamente en un punto en el exterior del cuerpo del palpador autocentrable. Este punto es aproximadamente el punto al cual se posicionará el palpador con respecto a cada esfera de referencia que se quiere medir. Los vástagos, guiados linealmente por guias de precisión (13) están empujados por muelles pretensados en la dirección de dicho punto. Así, las puntas de palpador, que son con sus planos de contacto perpendiculares a los vástagos, mantienen contacto con dicha esfera de referencia si ésta se encuentra dentro del rango de medir del palpador autocentrable. Los vástagos llevan una regla óptica (17) que forma parte de un sensor de desplazamiento para medir los posiciones de los vástagos. Un cabezal de lectura (16) fijado en el cuerpo del palpador autocentrable forma la otra parte de este sensor. La invención no es dependiente del tipo de sensor de desplazamiento. Si no hay una esfera en el rango de medir, los vástagos se encuentran en su posición límite, extremo definido por un tope mecánico. Este límite extremo sirve como posición CERO del vástago en el cual se inicializan los contadores del sensor de desplazamiento.

Siendo los vástagos y las puntas de palpador elementos de alta precisión y siendo estos elemento accesibles en el estado montado del palpador, se miden estos elementos fácilmente con una MC, para determinar los parámetros del modelo geométrico del palpador autocentrable. Dichos parámetros son las

orientaciónes de los vástagos, las orientaciónes de las puntas de palpador y las coordenadas de los puntos de intersección entre los ejes de los vástagos y los planos de contacto de las puntas del palpador. Los cabezales de lectura (16) conectan a un interface de contadores en el ordenador. Leyendo los valores de desplazamiento de los contadores, se calcula en un programa de ordenador la posición de la esfera de referencia, tomando en cuenta que los valores de desplazamiento dan los desplazamientos de las posiciones de los planos relativos a su posición CERO (paralelos a si mismo) y siendo tangenciales los planos de las puntas del palpador a la esfera de referencia (con su diámetro conocido); queda solo interseccionar 3 planos para obtener el centro de la esfera de referencia.

2. Palpador autocentrable con vástagos rotatoricamente movibles Fig. 4 demuestra el principio de funcionamiento, y Fig. 5 el palpador autocentrable entero. Se trata en este apartado un palpador autocentrable que consiste de tres vástagos rotatoricamente movibles (21), con una punta de palpador de forma esférica (22) en un extremo de cada vástago y un sensor de ángulo de rotación fijado en el otro extremo de cada de estos vástagos. Los ejes de rotación de los vástagos se encuentran en un plano ficticio y tienen entre ellos ángulos de 120°. Los vástagos (21) están guiados rotatoricamente por pivotes flexibles (24) que tienen la ventaja de no tener fricción ni holgura. El ángulo neutral de los pivotes flexibles, es decir, donde estos pivotes flexibles no exijen un momento de rotación al vástago, corresponde a las posiciones de las puntas de palpador esféricas (22) mas cercanas entre ellos. Cuando se encuentra una esfera de referencia en el rango de medición, ésta empuja las puntas de palpador a posiciones mas lejanos entre si mismos, y así giran los vástagos alrededor de sus ejes. En el otro extremo está situado el encoder angular. Una de las dos partes de este sensor es una regla óptica flexible (26) pegada encima de la parte cilíndrica del vástago rotatórico (el eje de rotación es el centro del cilíndro). La otra parte del sensor de rotación forma un cabezal de lectura (25) fijado en el cuerpo del palpador autocentrable. Cuando gira el vástago, este cabezal transmite pulsos de conteo a una tarjeta contador en un ordenador.

Siendo critica la precisión con la cual se determina el angulo CERO, existe un detector de CERO en el cabezal de lectura con el cual se genera un pulso de reset para los contadores cuando el vástago se encuentra en una posición definida como por ejemplo la posición CERO. El sensor de rotación también puede ser de otro tipo para esta invención.

El cálculo de las posiciones de las esferas de referencia relativas al palpador autocentrable (o vice-versa) se efectúa a través de los centros de las puntas del palpador. Teniendo en cuenta que todas las puntas del palpador tienen el mismo diámetro, el cálculo se reduce a calcular el centro de una esfera de referencia con diámetro conocido por tres puntos de su superficie. Los centros de las puntas del palpador se calculan transformando los coordenadas de los puntos CERO según la rotación medida, añadiendo el error translatórico del eje de rotación para la posición angular actual según los parámetros del modelo.

Este error de translación del eje de rotación es importante si se trata de utilizar pivotes elásticos.

Medir directamente todos los parámetros del modelo geométrico con una MC resulta difícil y laborioso en ésta realización del palpador autocentrable. Por eso se determinan los parámetros del modelo de manera indirecta, esto quiere decir, posicionando el palpador autocentrable por medio de una MC, y midiendo posiciones de esferas de referencia con el palpador autocentrable.

Así con las posiciones del palpador autocentrable conocidos de las coordenadas indicadas por la MC, se calcula el juego de parámetros del modelo geométrico por medio de un programa de ajuste por medio cuadrados.

Sin embargo, pueden ser aplicados los otros métodos de determinar los parámetros del modelo geométrico, quiere decir, 1) utilizar un útil de calibración o 2) estableciendo una tabla de correspondencia entre valores indicados por los sensores de rotación y las posiciones de las puntas de palpador medidos con una MC.

Útil de calibración La Fig. 6 muestra una realización del útil de calibración, en forma de un cubo (31) con una esfera de calibración (33) en cada una de sus seis caras. Cada esfera de calibración está fijada en distinta altura sobre la cara del cubo en la cual está situada. En cada cara del cubo existen también juegos de elementos de sujetación (34), cada juego consistiendo en tres parejas de bolas, formando un hexágono de parejas de bolas (12 bolas por cara). Cada una de estas parejas de bolas de sujetación (34) arrastra sobre un cilindro de sujetación en la base del útil de calibración; la base contiene tres cilindros (36), formando una estrella. Los juegos de bolas tienen diferentes desplazamientos con respecto al centro de la cara donde están colocadas. Así se realizan 36 distintas posiciones de las esferas de calibración relativas a la base del útil, arrastrando el objeto de calibración en cada una de las seis caras en seis distintas orientaciones. Se calibran las posiciones de las esferas con una MC. Según la invención la forma del útil no está limitada a un cubo, tampoco está limitada a usar esferas y cilindros para la sujetación. Existen un número de otras posibilidades clásicas para colocar objetos con alta repetibilidad. Por ejemplo se pueden usar también tres esferas sobre un cono, un V y un plano ; o se pueden usar tres esferas sobre tres Vs.

Aplicación industrial Existen varias aplicaciones industriales para la invención; las mas importantes de ellas son : 1. la verificación de errores de posicionamiento de máquinas herramienta (MHs) o de máquinas de medir por coordenadas (MCs), usando barras de bolas puestas en direcciones de los ejes de movimiento o también en diagonales y usando el palpador autocentrable para medir los desplazamientos entre las posiciones programadas y las posiciones conocidas (calibradas) de las esferas de referencia de la barra (Fig. 1).

2. La verificación de ejes rotatorios de MHs y de MCs, midiendo con el palpador autocentrable los desplazamientos de una esfera de referencia puesta en la mesa giratoria cuando se posiciona la mesa giratoria a varios ángulos, y se posicionan los ejes lineales con el palpador autocentrable puesto en el cabezal de la MH o de la MC a posiciones calculadas que en el caso ideal (sin errores de posicionamiento de los ejes) se encontrará la esfera sin desplazamiento.

Estos dos ensayos descritos, efectuados con el palpador autocentrable según la invención, resultan mas económicos que otros ensayos correspondientes.

Esto es así porque el palpador autocentrable no requiere conexión al control numérico de la máquina a verificar, porque se miden tres coordenadas a la vez, y porque la programación de la máquina resulta mas sencilla que con un palpador que tiene que tocar cada esfera de referencia en por lo menos 5 puntos distintos en vez de solo un punto a programar con el nuevo palpador según el invento. Resulta también de mas alta precisión la medición con este palpador según la invención porque no está en movimiento la máquina a verificar como ocurre con palpadores dinámicos del tipo"pulso trigger". Un movimiento durante la toma de posición tiene como resultado errores adicionales por vibraciones.

Breve descripción de los dibujos Fig. 1 : El uso de un palpador autocentrable (1) en una fresadora, comparando posiciones programadas con las posiciones calibradas de las esferas de una barra de bolas (2) Fig. 2 : Esquema de una realización de un palpador autocentrable con kinemática paralela, con vástagos lineares (11), puntas de palpador planas (12), guías de los vástagos (13), muelle pretensado (14) para mover el vástago con su punta de palpador plana (15) contra la esfera de referencia (3), la posición del vástago se mide con un sensor de desplazamiento lineal, consistiendo en un cabezal de lectura (16) y una regla óptica de lectura (17) Fig. 3 : Esquema de una realización de un palpador autocentrable con kinemática paralela, con vástagos rotatorios (21), puntas del palpador esféricas (22); El vástago tiene un solo grado de libertad de giro (23); con el eje de giro definido por un pivote flexible (24); el sensor de rotación es de tipo incremental, con un cabezal de lectura interferométrico (25) y una regla de lectura flexible (26) pegada a un segmento de arco (27), con el centro del arco en el eje de giro (24).

Fig. 4 : Sistema del palpador autocentrable según fig. 3, pero completo Fig. 5 : Sistema del palpador autocentrable según fig. 4, pero completo Fig. 6 : outil de calibración, encima de su base de sujetación (32), con seis esferas de calibración (33), con bolas como elementos de sujetación (34), y con cilindros (36) como elementos de sujetación