dispositivo para medir y comparar dilataciones termicas en

k
OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
19
k
ES 2 048 787
kInt. Cl. : B23Q 11/00
11 N.◦ de publicación:
5
51
ESPAÑA
k
G01B 5/00
TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA
12
kNúmero de solicitud europea: 89110355.8
kFecha de presentación : 08.06.89
kNúmero de publicación de la solicitud: 0 349 783
kFecha de publicación de la solicitud: 10.01.90
T3
86
86
87
87
k
54 Tı́tulo: Procedimiento para medir y compensar dilataciones condicionadas térmicamente en
máquinas, especialmente máquinas herramientas.
k
73 Titular/es: Günter Spur Prof. Dr.-Ing. Drs. h.c.
k
72 Inventor/es: Spur, Günter;
30 Prioridad: 06.07.88 DE 38 22 873
Richard-Strauss-Strasse 20
D-14193 Berlin, DE
Eduard Hoffmann, Dr.-Ing.,
Klaus-J. Benzinger, Dr.-Ing. y
Zdravko Paluncic, Dipl.-Ing.
45 Fecha de la publicación de la mención BOPI:
01.04.94
k
45 Fecha de la publicación del folleto de patente:
01.04.94
Aviso:
k
k
Hoffmann, Eduard;
Benzinger, Klaus-J. y
Paluncic, Zdravko
k
74 Agente: Ungrı́a Goiburu, Bernardo
En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletı́n europeo de patentes,
de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina
Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar
motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de
oposición (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascı́culos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
1
2 048 787
DESCRIPCION
La invención se refiere a un procedimiento
conforme al concepto general de la reivindicación
1a¯ , como por ejemplo se conoce a partir de
“Brinkelsmeier; E., Wulfsberg, J.P.: “Diagnose
thermischer Verlagerungen in Schleifmaschinen”,
wt 77 (1987) 6, págs. 311 - 314.
El calentamiento de cojinetes, guı́as y motores
etc. condicionado por el ambiente y el funcionamiento contribuye en el caso de máquinas a que
éstas se deformen. Cuando se trata de máquinas
herramienta, tales deformaciones perjudican considerablemente la exactitud del trabajo. Por esta
razón se tiende a impedir, reducir al mı́nimo o
compensar estas deformaciones.
Las influencias perturbadoras térmicas sobre
máquinas herramienta pueden reducirse con medidas constructivas o compensatorias.
Las medidas constructivas pueden consistir
en que los elementos de construcción que determinan la exactitud de trabajo están dispuestos
en una posición neutra con respecto a la deformación (Spur, G; Hoffmann, E; Paluncic, Z :
“Reduzierung thermisch bedingter Verformungen
von Drehmaschinen-Spindelstöcken durch konstruktive Massnahmen”, Konstruktion 38 (1986)
8, págs 292 - 296), o, porque se hace que se dilaten uno respecto al otro dos elementos de construcción con diferentes coeficientes de dilatación
térmica (memoria de patente de Estados Unidos
3, 429, 224, memoria de patente alemana 16 27
038). Muchas veces no es posible la primera solución por razones funcionales, la segunda perjudica el comportamiento estático y dinámico tan
fuertemente que hasta ahora no ha adquirido ninguna relevancia práctica. Además de ello, ambas
son muy caras. Por esta razón, en el caso de sistemas de fabricación numéricamente controlados
son necesarias medidas de compensación.
Por procedimientos que actúan de manera
compensatoria se entienden aquéllos en cuyo caso
se trata de manera regulada o controlada de que
no puedan formarse en la pieza defectos condicionados térmicamente que tienen como causa a la
máquina (Haas, P. de; Heisel, U.: “Kompensation
thermischer Deformationen an Werkzeugmaschinen”, ZwF 73 (1978) 11, págs. 555 - 560).
A fin de reducir el defecto que resulta a causa
de las deformaciones térmicas, se han aplicado
hasta ahora dos procedimientos distintos:
- influencia intencionada sobre el comportamiento térmico de la máquina mediante refrigeración o calentamiento regulados (memoria de patente de la República Democrática Alemana 145 074).
- Reajuste compensatorio controlado o regulado de la herramienta, de la pieza o
del sistema de coordenadas en función de
parámetros significativos sin intervención
en la economı́a energética de la máquina
(Pascher, M.: “Kompensation thermisch
bedingter Verlagerungen an Wekzeugmaschinen”, Ind. Anz. 106 (1984) 75, págs.
55 - 56).
El considerable gasto en cuanto a aparatos en
el caso del primer procedimiento ha tenido como
2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
2
consecuencia que no se ha impuesto todavı́a en la
práctica. Solamente se utiliza cuando se trata de
máquinas de precisión, en las que otros procedimientos de compensación no consigue suficiente
exactitud.
El desarrollo en el sector de la técnica de microprocesadores recomienda el reajuste compensatorio. En tal caso se tiene la posibilidad de
introducir el valor de corrección directamente en
el circuito regulador de posición o en el control de
la máquina. Pero hasta ahora solamente se han
publicado unos pocos informes sobre investigaciones que tratan de posibilidades de compensación
en sistemas concretos (Mathes, H.: “Steuerungstechnische Massnahmen zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit von numerisch gesteuerten Mehrspindeldrehmaschinen”, Ind. Anz. 103 (1981)
32, págs. 24 - 25).
Estos ensayos presentan datos comunes en
cuanto al modo de procedimiento. Se parte del
hecho de que el desfase de la coordinación del
par activo (coordinación de herramienta y pieza)
guarda relación exclusivamente con temperaturas
en puntos de medición muy determinados.
Estos procedimientos se basan la mayor parte
de las veces en varios puntos de medición de temperatura y en una función correlativa entre estas
temperaturas y el desplazamiento. Para esta relación se utilizan cálculos lineales y también no lineales. Los coeficientes de estos cálculos se determinan experimentalmente, al correlacionarse los
desplazamientos medidos con temperaturas medidas. En las funciones de corrección entran temperaturas momentáneas, pero también aquéllas que
distan temporalmente.
La compensación se lleva a cabo midiendo
temperaturas durante el funcionamiento. A partir de ellas se calculan con la función de corelación
los desplazamientos y por medio del control se
desplazan en la medida correspondiente la herramienta, la pieza o el sistema de coordenadas.
Pero en el caso de todos los procesos no estacionarios no basta caracterizar todo el campo
de temperaturas con pocas tmperaturas medidas.
Cuando se trata del cambio de velocidad, la información sobre la carga térmica modificada en
los puntos de medición de la temperatura llega
con un retardo de tiempo, mientras que el elemento de construcción situado en la proximidad
de la fuente de calor se ha calentado y dilatado ya
considerablemente. Tomar en consideración este
retardo requiere la multipicación de los puntos de
medición de la temperatura. Pero no se puede
aumentar arbitrariamente el número de puntos
de medición, porque en tal caso la búsqueda de
la función de correlación requiere un gasto absolutamente elevado, la transmisión de valores de
medición, sobre todo en el caso de elementos de
construcción movidos, resulta demasiado cara y
no se dispone del sitio necesario para varias unidades de transmisión que funcionan sin contacto.
En la DE-A-1 36 20 118 se describe
la compensación de dilataciones condicionadas
térmicamente con ayuda de criterios lineales, tales como se utilizan por ejemplo en máquinas de
medición o máquinas herramienta.
Las deformaciones térmicas se miden también
por medio de registros holográficos de conjun-
3
2 048 787
tos de módulos completos (Sata, T.; y otros.:
“Measurement of Three -Dimensional Displacement of Machine Tool Structure by Means of Holography”, Annals of CIRP 23 (1974) 1, págs. 137
y 138). En otro caso se ha comprobado la rectangularidad de diferentes conjuntos de módulos
entre sı́ con un laser en una gran máquina herramienta (Rogel, E.: “Statisches und thermisches Verformungsverhalten von Fräsmaschinen”,
VDI-Z 126 (1984) 8, págs. 47 - 52). En tal caso,
la deformación estática se encontraba en la parte
anterior. Pero estos procedimientos ópticos solamente son idóneos en una medida limitada para
mediciones durante el funcionamiento.
En una rectificadora plana se midió el desplazamiento del eje del husillo en sentido de la coordinada Y con una barra de dilatación de acero invar (Brinksmeier, E.; Wulfsberg, J.P.: “Diagnose
thermischer Verlagerungen in Schleifmaschinen”,
wt 77 (1987) 6, págs. 311 - 314). Para ello se unió
la barra calorı́fica por toda su longitud a la bancada de la máquina y se fijó en sus extremos por
medio de un dispositivo de apriete en la máquina.
La dilatación de la barra se medió por medio de
calibres extensométricos. Los inconvenientes de
este procedimiento consisten en que:
el caso de máquinas herramienta CNC la
mencionada señal puede utilizarse mediante
una sencilla transformación para corregir la
coordinación del par activo.
5
10
15
- las deformaciones de los elementos de
apriete perjudican la exactitud de medida,
20
- La sonda es insensible frente a la suciedad
y a las sacudidas.
La prologanción porcentual de un elemento
de construcción a base de acero al cabono es
aproximadamente del 0,0012 % por Kelvin
(coeficiente de dilatación térmica lineal).
Pero el aumento relativo de resistencia de
un conductor de platino es del 0,4 % por
Kelvin. Hay que medir una magnitud que
con la temperatura varı́a aproximadamente
330 veces más intensamente que el desplazamiento propiamente dicho.
- La medición de resistencia proporciona una
señal de medida eléctrica que puede transmitirse muy sencillamente. Por ejemplo, en
- es superfluo establecer una función de correlación.
- Si se utilizan como resistencias materiales
habituales con conocida caracterı́stica de
temperatura, en tal caso no se debe calibrar
la sonda.
- Si se conectan en serie resistencias, pueden
medirse asimismo desplazamientos de elementos de composición complicada.
25
- Es posible medir desplazamientos angulares
en elementos de construcción.
30
A continuación, con ayuda de ejemplos de realización se va a explicar la invención más detalladamente aún por medio de los dibujos.
Presentan
la figura 1 un modelo de husillo,
la figura 2 un diagrama,
35
- a causa del bloqueo de la barra el peligro de
histéresis es grande.
La invención tiene como base la misión de
compensar los desfases de la coordinación del par
activo condicionados térmicamente con ayuda de
una señal de medida que guarda relación inmediata con el campo de temperaturas que produce
estos desfases. Se han de compensar desplazamientos en dirección X, Y y Z ası́ como desplazamientos angulares.
Esta misión se resuelve por medio de un procedimiento con las caracterı́sticas de la reivindicación 1a¯ .
En comparación con las soluciones conocidas
hasta ahora la invención tiene múltiples ventajas:
- La señal es directamente proporcional a la
dilatación;
- Para la medición del desplazamiento de un
elemento de construcción solamente se necesita una señal de medida.
- es inadcuado para medir desplazamientos
en elementos de construcción rotatorios,
- las curvaturas del bastidor de la máquina
repercuten sobre la exactitud de las medidas,
4
la figura 3 una unidad de husillo de máquina
herramienta,
la figura 4 un cabezal de husillo y
40
45
la figura 5 una regla graduada lineal.
Con un calentamiento de ∆ϑ la dilatación de
un elemento longitudinal dz es proporcional a su
longitud y a la sobretemperatura. αL es el coeficiente de temperatura del elemento longitudinal.
∆dz = αL ∆ϑdz
50
Para pequeños márgenes de temperatura, 0◦
a 100◦ C, se puede considerar lineal el incremento
de la resistencia con la temperatura:
∆dR = α0;100 ∆ϑdR
55
60
65
(1)
(2)
α0;100 es el coeficiente medio de temperatura.
Este indica la variación media relativa de resistencia de una resistencia de medición por grado
entre 0 y 100◦ C.
La comparación entre la dilatación, ec. (1)
y el incremento de resistencia, ec. (2), muestra
que ambos son proporcionales entre sı́. Si esta
caracterı́stica es independiente de la temperatura,
en tal caso esto vale asimismo para las magnitudes
integrales:
R
∆ R dz
(3)
= ∆z αL L
∆R α0;100R0
∆ dR
3
5
2 048 787
L es la longitud del elemento de construcción que
se ha de medir, R0 es una resistencia de referencia.
De la ec. (1) se puede deducir una norma
para la medición de dilataciones longitudinales.
Un elemento de construcción cuya dilatación se
quiere medir se pone en contacto térmico con una
resistencia en sentido de dilatación. Al tener lugar el calentamiento, el aumento de resistencia del
conductor eléctrico es proporcional a la dilatación
lineal del elemento de construcción. Es irrelevante
el hecho de que el elemento de construcción tenga
una temperatura unitaria o no, el que las temperaturas se modifiquen temporalmente o sean
constantes. La resistencia es en cada momento la
medida de la dilatación momentánea o la temperatura media del elemento de construcción. Estas
relaciones se comprobaron en un modelo de husillo, figura 1. Para ello se bombeó un lı́quido
caliente con una temperatura máxima de 70◦ C a
través del taladro 1 dispuesto en el extremo derecho del husillo S, con lo cual se estableció en el
lado izquierdo del husillo un perfil de temperatura
axial. Este se detectó indirectamente por medio
de la variación media de resistencia de una resistencia de platino 2 que se incluyó a lo largo del
husillo S, y, además de ello, se midió la dilatación
del tramo con dos registradores de trayecto inductivos, 3 y 4. El resultado correspondiente está
reprsentado en la figura 2. La figura 2 presenta
la dependencia lineal entre la variación de resistencia ∆R y la variación de longitud medida ∆z.
Esta dependencia se midió durante un proceso de
calentamiento.
La figura 3 presenta una aplicación del procedimiento para la compensación de desplazamientos axiales en una unidad de husillo de máquina
herramienta. En un brazo voladizo 5 se ha incorporado una ranura 6 y en ésta se ha aplicado una
resistencia de platino 7. Su longitud activa corresponde a la longitud del brazo voladizo. La alimen-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
4
6
tación de corriente de la resistencia de platino 7
y la transmisión del valor medido se efectúan sin
contacto por medio de elementos 8 y 9 que no se
van a describir más detalladamente. Un procesador 10 calcula el valor de corrección y pone la
señal correspondiente a disposición de un mando
o de un circuito regulador de posición que no se
presentan aquı́.
La figura 4 muestra una aplicación del procedimiento para la compensación de desplazamientos angulares de un husillo S en un cabezal de
husillo 11. Durante el funcionamiento, el soporte
12 del lado de trabajo se calienta más intensamente que el soporte 13 del lado del accionamiento, puesto que está más cargado y por lo general tiene un tamaño mayor como soporte fijo.
Por esta razón, la pared del cabezal de husillo 14
del lado de trabajo se dilata más que la pared del
cabezal de husillo 15 del lado del accionamiento.
La consecuencia es una posición oblicua del husillo S o los defectos de mecanización resultantes
de ello. Las dilataciones de los elementos de construcción determinantes de los defectos de mecanización se miden con resistencias 16 y 17. La resistencia 16 mide el desplazamiento del soporte del
lado de trabajo 12 y la resistencia 17 el desplazamiento del soporte del lado de accionamiento 13.
Un procesador 18 calcula la inclinación del husillo
S y el valor de corrección.
En la figura 5 se representa cómo está realizada la invención con ayuda de una regla graduada lineal M. Una resistencia de platino 19 está
colocada por toda la longitud de la regla graduada
lineal M con contacto térmico ı́ntimo. Por medio
de garras de sujeción 20, 21 y 22 la regla graduada lineal M está fijada en un elemento de construcción 23 de la máquina. Por medio de cables
de conexión 24 está conectado un procesador no
representado que proporciona la energı́a auxiliar
y calcula el valor de corrección.
7
2 048 787
REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para medir y compensar dilataciones condicionadas térmicamente en
máquinas, especialmente máquinas herramienta,
y aparatos, con un dispositivo de medición y un
dispositivo de compensación, caracterizado porque el campo de temperatura, responsable de la
dilatación, de un elemento de construcción (S; 5;
14; 15; M) cuya dilatación se ha de compensar,
se mide con una resistencia (2; 6; 16; 17; 19)
dispuesta linealmente en contacto térmico ı́ntimo
con el elemento de construcción (S; 5; 14; 15; M)
y cuya señal de salida es proporcional a la temperatura media y juntamente es proporcional a
la dilatación del elemento de construcción (S; 5;
14; 15; M) y se conduce al dispositivo de compensación.
2. Procedimiento según la reivindicación 1a¯ ,
caracterizado porque la longitud de la resistencia (2, 6, 16, 17 y 19) se adapta a la longitud del
elemento de construcción (S, 5, 14, 15 y M) cuya
dilatación se ha de medir.
3. Procedimiento según la reivindicación 1a¯ ,
5
10
15
20
8
caracterizado porque con la señal de salida de
la resistencia (2, 6, 16, 17 y 19) se controla un
dispositivo que desplaza el lugar de intervención
de la herramienta en el tramo correspondiente a
esta señal de salida.
4. Procedimiento según la reivindicación 1a¯ ,
caracterizado porque con la señal de salida de
la resistencia (2, 6, 16, 17 y 19) se controla un
dispositivo que desplaza la posición de la pieza en
el tramo correspondiente a esta señal de salida.
5. Procedimiento según la reivindicación 1a¯ ,
caracterizado porque con la señal de salida de
la resistencia (2, 6, 16, 17 y 19) se controla un
dispositivo que corrige la posición de un sistema
de medición.
6. Procedimiento según la reivindicación 1a¯ ,
caracterizado porque con la señal de salida de
la resistencia (19) se controla un dispositivo que
corrige la dilatación de la regla graduada (M).
7. Procedimiento según la reivindicación 1a¯ ,
caracterizado porque a partir de las señales de
salida de múltiples resistencias se calcula una
señal de control para el dispositivo.
25
30
35
40
45
50
55
60
65
5
2 048 787
6
2 048 787
7
2 048 787
8