BRPI0721773B1

BRPI0721773B1 - compensação de erros de medição devido às deformações dinâmicas em uma máquina de medição de coordenadas

Info

Publication number: BRPI0721773B1
Application number: BRPI0721773A
Authority: BR
Inventors: Russo Domenico; Guasco Giampiero; Verdi Michele
Original assignee: Hexagon Metrology Spa
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2018-11-21
Also published as: KR101464148B1; KR20100050493A; TWI475185B; CN101784863B; ES2359801T5; JP2010531451A; TW200912249A; PL2167912T5; JP5331802B2; US8908194B2; TW200912242A; WO2009001385A1; US20110102808A1; EP2160565A1; BRPI0721773A2; EP2167912A1; WO2009001165A1; CN101821582B; US20110060542A1; DE602007012317D1

Description

(54) Título: COMPENSAÇÃO DE ERROS DE MEDIÇÃO DEVIDO ÀS DEFORMAÇÕES DINÂMICAS EM UMA MÁQUINA DE MEDIÇÃO DE COORDENADAS (73) Titular: HEXAGON METROLOGY S.P.A., Sociedade Italiana. Endereço: Via Vittine Di Piazza Delia Loggia, 6, Moncalieri 10024, ITÁLIA(IT) (72) Inventor: MICHELE VERDI; GIAMPIERO GUASCO; DOMENICO RUSSO.

Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 21/11/2018, observadas as condições legais

Expedida em: 21/11/2018

Assinado digitalmente por:

Alexandre Gomes Ciancio

Diretor Substituto de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados

1/20

COMPENSAÇÃO DE ERROS DE MEDIÇÃO DEVIDO ÃS DEFORMAÇÕES DINÂMICAS EM UMA MÁQUINA DE MEDIÇÃO DE COORDENADAS CAMPO TÉCNICO

A presente invenção se refere a uma máquina de medição de coordenadas e a um método para compensação dos erros de medição devido às deformações dinâmicas.

ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR

Como é sabido, máquinas de medição de coordenadas geralmente compreendem três carrinhos móveis ao longo dos eixos de coordenadas de um sistema de referência cartesiano e são projetadas para deslocar um sensor de medição em um volume de medição. A máquina é projetada para produzir as coordenadas de uma peça detectada pelo sensor de medição,

calculadas como uma função	da posição	dos	carrinhos	ao
longo dos eixos respectivos.
Mais particularmente,	máquinas	de	medição	de
coordenadas compreendem: uma	estrutura de	base provida	com

guias ao longo de um primeiro eixo, por exemplo, um leito feito de granito ou outro material ou então uma estrutura de pilar; um primeiro carrinho, o qual é móvel sobre a estrutura de base ao longo do primeiro eixo; um segundo carrinho, o qual é transportado pelo primeiro carrinho e é móvel ao longo de um segundo eixo ortogonal ao primeiro; e um terceiro carrinho, o qual é transportado pelo segundo carrinho e é móvel com relação a esse ao longo de um terceiro eixo ortogonal aos primeiros dois eixos. O sensor de medição é transportado pelo terceiro carrinho.

O primeiro eixo é geralmente horizontal; de acordo com o tipo de máquina, o segundo eixo pode ser horizontal e o terceiro eixo vertical, ou vice-versa.

2/20

Por exemplo, nas máquinas do tipo ponte ou pórtico, o primeiro carrinho compreende um membro transversal horizontal definindo o segundo eixo no qual desliza o segundo carrinho, e o terceiro carrinho é constituído por uma coluna, a qual é carregada pelo segundo carrinho e é verticalmente móvel.

Nas máquinas do tipo de braço horizontal, em vez disso, o primeiro carrinho compreende uma coluna vertical definindo o segundo eixo, ao longo do qual desliza o segundo carrinho, e o terceiro carrinho é constituído de um braço horizontal, o qual é carregado pelo segundo carrinho e é horizontalmente móvel.

Para deslocamento dos carrinhos, são usados motores elétricos, os quais transmitem força de acionamento aos carrinhos por intermédio de mecanismos apropriados ou, alternativamente, motores elétricos lineares fixos com relação aos carrinhos.

As acelerações necessárias para realizar os ciclos de medição em tempos cada vez mais curtos requerem elevadas forças de acionamento, tal como para induzir deformações elásticas das partes móveis da máquina em razão do efeito dinâmico (inercial). As deformações, as quais também se devem à estrutura tornada mais leve das partes móveis, podem ser significativas para a precisão da medição.

Para garantir a classe de exatidão das máquinas de medição, o erro de medição causado pela deformação elástica deve ser estimado e então compensado.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

O objetivo da invenção é o de prover uma máquina de medição que possibilitará estimação exata dos erros de

3/20 medição devido às deformações dinâmicas, assim como um método para compensação dos erros anteriormente mencionados.

Os propósitos anteriormente mencionados são alcançados por intermédio de uma máquina de medição de acordo com a reivindicação 1, e por intermédio de um método de acordo com a reivindicação 9.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

Para um melhor entendimento da invenção, são descritas a seguir algumas modalidades preferidas, providas como exemplos não-limitadores e com referência aos desenhos anexos, em que:

A Figura 1 ilustra uma máquina de medição de ponte de acordo com a presente invenção;

A Figura 2 é uma vista frontal em seção transversal parcial da máquina da Figura 1;

A Figura 3 é uma vista em perspectiva esquemática de um carrinho da máquina da Figura 1, em um primeiro modo de deformação dinâmica;

A Figura 4 é uma vista frontal esquemática do carrinho da Figura 3, em um segundo modo de deformação dinâmica;

A Figura 5 é um diagrama de blocos de um método para compensação das deformações dinâmicas que pode ser usado em uma máquina de medição de acordo com a presente invenção;

A Figura 6 é um diagrama de blocos de um modelo para implementação do método;

A Figura 7 mostra os gráficos de tempo de quantidades físicas correlacionadas a um ciclo de movimento do carrinho da Figura 3;

A Figura 8 é uma vista em perspectiva esquemática do

4/20 carrinho da máquina de medição da Figura 1, de acordo com uma modalidade diferente da invenção;

A Figura 9 é uma vista em perspectiva esquemática de uma coluna da máquina da Figura 1, de acordo com uma modalidade variante da presente invenção;

A Figura 10 é uma vista em perspectiva esquemática de uma máquina de medição de braço horizontal fabricado de acordo com a presente invenção;

A Figura 11 é uma vista em perspectiva esquemática e parcial de uma máquina de pórtico fabricada de acordo com a presente invenção.

MODALIDADE PREFERIDA DA INVENÇÃO

Na primeira modalidade descrita, a máquina de medição 1 é do tipo ponte e compreende um leito 5 provido com uma superfície superior plana horizontal 6 ou superfície de referência e uma unidade móvel 7.

A unidade móvel 7 compreende um carrinho acionado a motor 8, o qual desliza sobre o leito 5 ao longo de um primeiro eixo horizontal (eixo Y) do sistema de referência cartesiano X, Y, Z do volume de medição.

O carrinho 8 tem uma estrutura de ponte e compreende dois montantes verticais 8a, 8b e um membro transversal horizontal superior 8c que se estende entre as extremidades superiores dos montantes verticais 8a, 8b.

O montante 8a compreende em sua extremidade inferior um deslizador acionado a motor 9, o qual é deslizável sobre guias 11 paralelos ao eixo Y e obtidos, de uma forma conhecida, nas proximidades de uma borda longitudinal do leito 5.

membro transversal 8c carrega um deslizador 10 que

5/20 desliza sobre guias (não ilustrados) ao longo de um eixo paralelo a um segundo eixo (eixo X) do sistema de referência.

Montada no deslizador 10 existe uma coluna vertical 12, móvel ao longo de um terceiro eixo (eixo Z) do sistema de referência. A coluna vertical 12 carrega em sua extremidade inferior um sensor de medição 3 (de um tipo conhecido).

O carrinho 8, o deslizador 10 e a coluna 12 são providos com motores respectivos 13, por exemplo, motores lineares (apenas um dos quais é visível na Figura 2) , que controlam o deslocamento do mesmo ao longo dos eixos de coordenadas, respectivos.

A máquina de medição 1 é controlada por uma unidade de controle 14 provida com uma seção de energia 14a, a qual fornece as correntes de fornecimento I_Y, I_x, I_z aos motores elétricos dos carrinhos respectivos 8, 10, 12 para deslocamento do sensor de medição 3 ao longo dos eixos Y, X e Z e, portanto, o seu posicionamento no volume de medição.

A máquina de medição 1 produz - através de um software baseado em algoritmos de um tipo conhecido - a posição xa, ya, za do sensor de medição 3 no volume de medição mediante detecção da posição dos deslizadores ao longo dos eixos respectivos X, Y e Z.

Nas condições de operação descritas acima, a posição do sensor de medição 3 é afetada por um erro de posição ex, ey, ez de um tipo dinâmico com relação aos valores medidos xa, ya, za, devido ao fato de que a estrutura mecânica da unidade móvel 7 que carrega o sensor de medição 3 (principalmente o montante vertical 8a, o membro

6/20

transversal	8c, e a	área	de conexão	entre a extremidade
superior	do	montante	8a	e o membro	transversal	8c) se
deforma	elasticamente	em	decorrência	das forças	geradas

pelos motores elétricos acionando os deslizadores, 8 e 10.

A deformação da unidade móvel 7 da máquina de medição 1 é exemplificada com referência às Figuras 3 e 4.

A Figura 3 ilustra as deformações causadas pelo deslocamento do carrinho 8 ao longo do eixo Y. As deformações compreendem principalmente:

• curvatura do montante 8a;

• curvatura do membro transversal 8c;

• torção do montante 8a em torno do eixo Z; e • torção do membro transversal 8c em torno do eixo X.

A Figura 4 ilustra, em vez disso, as deformações causadas pelo deslocamento do deslizador 10 ao longo do eixo X.

As deformações compreendem principalmente:

• uma deformação da junta entre o montante 8a e o membro transversal 8c ;

• curvatura do membro transversal 8c;

• rotação do montante 8a em torno do eixo Y; e • uma translação do membro transversal 8c ao longo do eixo X.

Na etapa de calibração (identificação do modelo dinâmico) , o erro de posição ex, ey ao longo dos eixos Y e X é medido diretamente mediante montagem na superfície de referência 6 de um transdutor de posição bidimensional 15 (de um tipo conhecido) não submetido às deformações das partes móveis da máquina, e mediante medição da diferença

7/20 (isto é, o erro de posição ex, ey) entre a posição xg, yg da cabeça do sensor de medição 3 obtida no transdutor de posição bidimensional 15 e a posição (xa e ya) conforme detectada pela máquina, isto é, ex = xg-xa, ey = yg-ya. O erro de posição ez é insignificante.

Por exemplo, as funções do transdutor de posição bidimensional 15 podem ser providas pelo sistema de comparação VM 182 produzido pela companhia HEIDENHAIN usado para calibração das máquinas.

Além disso, é instalado na máquina de medição 1 um sensor de laser 16, o qual fornece uma informação sobre as deformações dinâmicas as quais é submetida à unidade móvel 7 durante os movimentos do carrinho 8 e do deslizador 10 (com relação às deformações vide o que é dito com referência às Figuras 3 e 4).

Com referência específica à Figura 2, o sensor de laser 16 é alojado em uma cavidade longitudinal 24 do membro transversal 8c e compreende um emissor a laser 22 montado em uma extremidade da cavidade 24 e um alvo 2 8 montado na extremidade oposta da cavidade 24. O emissor 22 emite um feixe de laser 2 6 que percorre a cavidade 24 paralelo ao eixo X e atinge o alvo 28.

Convenientemente, o emissor 22 é carregado por uma barra vertical 20, a qual é tão rígida quanto possível, que se estende dentro de uma cavidade vertical 19 do montante 8a e tem uma primeira extremidade inferior 20a fixada rigidamente ao deslizador 9 (e, portanto, não afetada pelas deformações do montante vertical 8a) e uma segunda extremidade superior que sai do montante 8a na cavidade 24 do membro transversal 8c, na qual está fixado o dispositivo

8/20 emissor de laser 22.

alvo 28 é constituído de um PSD (Dispositivo

Sensível à Posição, de um tipo conhecido) , o qual detecta os deslocamentos do ponto de incidência do feixe de laser

6 ao longo de dois eixos paralelos aos eixos Y e Z do sistema de referência, como uma estrutura mecânica, com relação a uma posição de referência correspondendo a uma condição deformada.

Os deslocamentos my, mz do feixe de laser detectado sobre o alvo 28 ao longo dos eixos Y e Z, em conjunto com outra informação, possibilitam localizar retroativamente (por exemplo, por intermédio das técnicas descritas em seguida) as deformações dinâmicas sofridas pela estrutura mecânica como um resultado do movimento dos eixos Y

Em uma etapa de calibração inicial (bloco 100, e X.

Figura

2) , um modelo de entrada-saída M é definido, o qual descreve o comportamento dinâmico da máquina de medição 1 (a etapa também é definida como etapa de identificação de modelo).

Particularmente, o modelo de entrada-saída M (Figura recebe na entrada (u) as correntes de fornecimento dos dois motores para controlar os deslocamentos respectivos ao longo dos eixos X (verificou-se preliminarmente que a dinâmica devido aos deslocamentos do deslizador ao longo do eixo Z leva a erros (y) uma pluralidade de quantidades que compreendem a medição 3 obtido a partir dos eixos da máquina, os erros de de posição ey, ex, introduzidos pela elasticidade da máquina 1 ao longo dos eixos x e y medidos por intermédio do

9/20 transdutor de posição bidimensional 14, e as deformações my, mz da máquina, medidas pelo sensor de laser 16.

Devido à linearidade do fenômeno para pequenas perturbações, o modelo inteiro é dividido em dois modelos:

- um primeiro modelo Ml, o qual recebe na entrada a corrente Iy do motor do eixo Y e produz a posição ya ao longo do eixo Y, assim como os erros de posição ey, ex e as medições de deformação my, mz ao longo dos eixos Y e Z; e

- um segundo modelo M2, completamente equivalente ao modelo Ml, o qual recebe na entrada a corrente Ix do motor do eixo X, e produz a posição xa ao longo do eixo X, assim como os erros de posição ey, ex e as medições de deformação my, mz ao longo dos eixos Y e Z.

Na realidade, para uma tensão ao longo de um dos eixos corresponde um componente de erro principal ao longo do mesmo eixo e um componente secundário (devido aos acoplamentos mecânicos) ao longo do eixo ortogonal. O erro total da máquina resulta da sobreposição dos efeitos dos componentes de erro fornecidos pelos dois modelos (essa parte será esclarecida em seguida).

Ê descrita a seguir a definição do primeiro modelo Ml com relação a um dos eixos (o eixo Y) na medida em que o método de definição do segundo modelo M2 com relação ao outro eixo (eixo X) é completamente equivalente.

O modelo Ml tem como quantidade de entrada u a corrente Iy. As quantidades de saída Y são:

•	a posição ya ao longo	do	eixo	Y fornecida pela
máquina	1;
•	as deformações my, mz	ao	longo	dos eixos y e z
medidas	pelo sensor de laser 16;	e

10/20 • o erro de posição ey, ex ao longo dos eixos y e x medidos pelo transdutor de posição bidimensional 15.

As equações diferenciais que caracterizam o modelo Ml são:

x = Ax + Bu + Κε y = Cx+ Du + ε onde u é a entrada medida (a as quantidades produzidas, x dinâmica, e é o processo identificação. Finalmente, A, do modelo.

Particularmente, « - [fy] corrente Iy para o motor) , y as variáveis de estado da de inovação resultante da

B, C, D e K são as matrizes

να my mz ex ey

	Al ^al2 ^β13 ^fl14 Aí Aó		Ai
	Al ^fl22 ^23 ^fl24 Aí Aô		Αι
II	Αι α₃₂ a_3i As a₃₆	II	Ai
	Al A? ^α43 ^α44 ^45 Aé		Ai
	^fl51 ^fl52 ^C53 ^fl54 A$ ^β56		A.
	.Al A? Aj «64 Αβ_		1

Al	Ai	^C13	^C14	«15	a/
Ai	^C22	^C23	^C24	As	«26		d»
Ai	A2	Aa	A<	As	«36	D=
Ai	A?	Aa	«44	As	«46		4.,
.At	C52	Aa	«54	As	«56.		jAl.

11/20

A._n	^Λ12	^Λ13	^14	n.,5
*21	*22	*23	*24	*25
*3!	*32	*33	*34	*35
*4)	*42	*43	*44	*45
*51	*52	*53	*54	*55
	*62	*63	k ^ft64	*65

Com relação à definição do processo de inovação, podese fazer referência ao texto de Lennart Ljung intitulado System Identification - Theory for the user, PrenticeHall; Upper Saddle River, N.J., 1999.

As quantidades de entrada u e as quantidades de saída y são medidas e registradas durante uma série de ciclos de trabalho (bloco 110) nos quais o carrinho 8 é induzido a se deslocar ao longo do eixo Y, mediante sujeição da máquina 1 a uma aceleração que causa a deformação da própria máquina, como resultado do efeito dinâmico. Então, o modelo de entrada-saída dinâmico Ml que descreve o comportamento elástico da máquina é identificado, mediante estabelecimento de relação das quantidades de entrada u com as quantidades de saída y.

Um exemplo típico de ciclo de trabalho, usado para a identificação, é mostrado na Figura 3b.

O carrinho 8 do eixo Y é induzido a realizar, com um controle de circuito fechado, um deslocamento, começando a partir de uma condição estacionária, com uma lei de movimento que considera (Figura 7) uma primeira etapa de aceleração que corresponde a uma rampa de velocidade Tl, uma segunda etapa de velocidade constante, uma terceira etapa de desaceleração T3, até que ele para outra vez.

12/20

Correspondendo a essa lei de movimento, está um ciclo atual caracterizado por uma etapa positiva durante aceleração, um valor reduzido durante movimento em velocidade constante e uma etapa negativa durante a desaceleração.

Durante a etapa de calibração, as quantidades de entrada u e as quantidades de saída y são amostradas, com um período de amostragem de 500 gs e armazenadas.

As amostras das quantidades de entrada e de saída são fornecidas a um algoritmo de identificação o qual, com uma abordagem de probabilidade máxima aplicada a um modelo de inovação linear caracterizado por um quíntuplo das matrizes A, B, C, D, K, identifica o modelo de entrada-saída Ml conforme descrito pelo sistema de equações diferenciais fornecido acima (para a definição do algoritmo de probabilidade máxima pode-se consultar o texto de Lennart Ljung intitulado System Identification - Theory for the user, Prentice-Hall; Upper Saddle River, N.J., 1999).

Para ser preciso, o modelo não é constante por todo o volume de medição da máquina, de modo que diferentes etapas de calibração são realizadas similares àquelas descritas acima para cobrir o volume de medição inteiro.

A variabilidade do modelo considera os eixos X e Z, de modo que o volume de medição foi dividido em uma pluralidade de seções (por exemplo, nove seções: esquerda inferior, centro inferior, direita inferior, centroesquerda,...) nas quais modelos respectivos Mia, Mlb, Mlc,..., Min foram definidos.

Um modelo global Mlcompl foi definido o qual aproxima os vários modelos Mia, Mlb, Mlc, . . ., Min no volume de medição.

13/20

Particularmente, foi observado como as matrizes A, B, D e K dos vários modelos são substancialmente constantes por todo o volume de medição, enquanto apenas parte da matriz C muda no volume de medição.

O modelo global Mlcompl consequentemente compreende as matrizes A, B, D e K que não variam no volume de medição e uma matriz C tendo uma porção (as fileiras correspondendo aos sinais de erro ex, ey) com parâmetros variáveis, a qual é uma função das coordenadas dos eixos X e Y e, portanto, varia no volume de medição:

C=C(xa, za)

A função C=C(xa, za) é não-linear com relação aos eixos X e Z e é obtida mediante interpolação das matrizes C dos vários modelos Mia, Mlb, Mlc, . . ., Min nas diferentes seções do volume de medição utilizando funções b-spline (com relação à definição das funções spline vide o texto de M. Broen, C. Harris intitulado NeuroFuzzy Adaptive Modelling and Control, Prentice-Hall International (UK) Limited, 1994).

No fim da etapa de calibração, o transdutor de posição bidimensional 15 é removido.

Após a definição do modelo global Mlcomplt que representa a assinatura da máquina específica passando por calibração, a etapa 100 é então seguida por uma etapa 200 na qual, começando a partir do modelo global Mlcompl, um filtro estimador 1 é projetado.

Para essa etapa de projeto o modelo Mlcompl é representado (no domínio de tempo, uma representação similar sendo possível de uma maneira discreta) da seguinte forma:

14/20 χ = Αχ + Bu + Κε y - CIx + Z)1m z = C2x + D2u onde:

mz z

ex ey

	^all ^fl12 13 14 *15 ^a!6
	21 22 ^a23 ^a2i *25 ^U2Ó
A =	*31 a₃₂ a₃₃ a_3i a₃₅ a_3(t	B-
	*41 a £44 α₄₅
	*si a₅₂ c₅₃ a₅4 a₅₅ a₅₆
	_61 62 ^a6i ^a64 *65


	’*h	*12	*13	*14	*15	*16
Cl =	*21	*22	*23	*24	*25	*26	£>1 =	</_2l
	.*31	*32	*33	*34	*35	*36.		_^31.
C2 =	*41	*42	*43	*44	*45	*46	D2=	1-------------
	_*51	*52	*53	*54	*55	*56_		_“sj_

Destacadas entre as saídas estão as saídas medidas (distinguidas pelo símbolo y no sistema ilustrado acima) as saídas não-medidas, as quais devem ser estimadas (distinguidas pelo símbolo z no sistema ilustrado acima).

A matriz Cl compreende as primeiras três fileiras da matriz C, e a matriz C2 as duas últimas fileiras da matriz

C. Similarmente, a matriz Dl compreende as primeiras três

15/20 fileiras da matriz D, e a matriz D2 as últimas duas fileiras da matriz D.

Com relação à variabilidade no volume de medição, de acordo com essa nova representação do modelo, apenas a matriz C2 é efetivamente uma função da posição dos eixos X e Z, enquanto todas as outras matrizes são constantes:

C2=C2(xa,za)

O filtro estimador 1 é projetado mediante aplicação de técnicas analíticas de filtração robusta (a esse respeito, vide o texto de P. Colaneri, A. Locatelli, J.C. Jeromel intitulado Control theory and design, a RH2-RH-inf viewpoint, Academic Press, 1977) com base no modelo global Mlcompl identificado previamente.

Uma técnica efetiva que possibilita melhorar a precisão do estimador consiste em aceitar que o filtro fornecerá uma estimativa retardada em tempo (interpolação). Essa técnica é descrita, por exemplo, no artigo de P. Bolzerem, P. Colaneri, e G. De Nicolao intitulado Discrete-Time H-Infinity fixed lag smoothing IEEE Trans. On Signal Processing, Vol. 52, η. 1, pp. 132-141, 2004.

Em outras palavras, no instante de tempo (t) o estimador disponibiliza a estimativa das deformações dinâmicas correspondendo ao instante (t-Delta). Delta é um retardo de tempo que é suficientemente curto de modo a não colocar em risco a eficiência da máquina em tornar prontamente disponível as medições realizadas, mas é suficientemente longo de modo a melhorar a exatidão da estimativa. Praticamente, descobriu-se que um valor de Delta igual a uns poucos centésimos de um segundo é conveniente.

16/20

O filtro estimador Aí1 fornece uma estimativa do erro em resposta aos valores medidos da entrada u e das quantidades de saída y (medições ya ao longo do eixo Y e valores de deformação my, mz.

A

O filtro estimador Aí 1 é representado pelas equações:

x - Ax + Bu + Ky z = C2(xa,za) x + D2u onde y é o vetor das saídas medido pela máquina e u é

A * o vetor das entradas, e onde as matrizes Ã,K são _oresultado do modelo do estimador começando a partir das matrizes A, B, K, Cl, Dl, de acordo com as técnicas de

filtração robusta referidas acima.	A Aí 1	produz uma
Desse	modo,	o filtro estimador
estimação	do erro	de um tipo dinâmico. A
As matrizes	do filtro estimador Aí 1	de um	tipo linear

após a definição das mesmas são armazenadas e integradas no software de medição da máquina para a estimação do erro desconhecido (bloco 400).

As operações ilustradas acima são repetidas para a corrente do eixo X para definir um filtro estimador M2, o A A resultado proveniente dos filtros Aí 1 e Aí 2 é somado em conjunto como um resultado da superposição dos efeitos.

O método descrito acima é um exemplo não-limitador de como as medições my, mz podem ser usadas analiticamente para se estimar o comportamento dinâmico da máquina. Evidentemente é possível utilizar qualquer outro método analítico adequado para o propósito.

As Figuras 8 a 11 ilustram várias modalidades de máquinas de medição, ou partes das mesmas, que utilizam

17/20 sensores a laser para a estimação das deformações de um tipo dinâmico.

A Figura 8 ilustra uma máquina de ponte 30 similar aquela da Figura 1, na qual, contudo, o sensor de laser 16 é usado para obter as medições mx, my correlacionadas a outros componentes de deformação da máquina.

Mais particularmente, o emissor de laser 22 é carregado por uma barra horizontal 31, a qual é alojada dentro da cavidade 24 do membro transversal 8c e tem uma extremidade fixada rigidamente na extremidade superior do montante 8a do cartucho 8 e uma extremidade oposta sustentando o emissor de laser 22. O emissor 22 emite um feixe de laser 26 no sentido para baixo. O feixe 26 atravessa uma cavidade vertical do montante 8b do carrinho 8 e atinge um PSD 28 montado na base do montante 8b.

Esse tipo de configuração possibilita a detecção específica de torção do membro transversal em torno do eixo X e curvatura do membro transversal 8c no plano XY, após o que o PSD 28 mede os valores de desalinhamento mx, my do feixe de laser 26 com relação a uma posição não-deformada.

A Figura 9 ilustra outra modalidade na qual um sensor de laser 16 é instalado dentro da coluna 12, com o emissor 22, fixado com relação a um suporte rígido 32, o qual é fixado na extremidade superior da própria coluna, e com o PSD 28 fixado na extremidade inferior 33. Consequentemente, essa configuração detecta a curvatura dinâmica da coluna 12 nas direções X e Y.

Os sistemas das Figuras 8 e 9 podem ser combinados entre si e/ou com aquele da Figura 2 de tal modo a ter disponível um número superior de quantidades mensuráveis de

18/20 saída do modelo e, consequentemente, estimar as deformações efetivas de um tipo dinâmico da unidade móvel 7 mais precisamente.

As Figuras, 10 e 11, ilustram soluções similares aplicadas a outros tipos de máquina.

Por exemplo, a Figura 10 ilustra uma máquina de braço horizontal 40 compreendendo: uma coluna vertical 42, a qual é móvel sobre um leito 4 3 ao longo de um primeiro eixo X; um carrinho móvel 44, o qual é carregado pela coluna 42 e é móvel ao longo de um segundo eixo vertical Z; e um braço horizontal 45, o qual é carregado pelo carrinho 44 e é longitudinalmente móvel ao longo de um terceiro eixo horizontal Y.

Nesse caso, o sensor de laser 16 tem um emissor 22, montado em um suporte rígido 32, fixo com relação a uma base 4 6 da coluna, e o PSD 28 montado nas proximidades de uma extremidade livre superior 47 da própria coluna. Qualquer curvatura da coluna, nas direções X e Y, é assim detectada.

Um sistema similar poderia ser instalado também no braço horizontal 45 para detecção de qualquer curvatura do próprio braço nas direções X e Z.

A Figura 11 ilustra o carrinho 50 de uma máquina de pórtico 51. O carrinho 50 é móvel ao longo de um eixo Y sobre um par de guias 52, 53 suportados por pilares (não ilustrados) .

O carrinho 50 é constituído de um deslizador acionado a motor 54 móvel ao longo do guia 52, um deslizador de suporte 55 móvel ao longo do guia 53, e uma viga 56 transversal aos guias

52,

53, a qual tem as extremidades

19/20 fixadas respectivamente aos deslizadores 52, 53. A viga 56 define guias (não ilustrados) para deslizamento na direção X de um carrinho adicional (também não ilustrado), projetado para carregar uma coluna que é móvel em uma direção vertical (Z).

O sensor de laser compreende nesse caso um emissor 22, fixado com relação ao deslizador 54, e um PSD 28, fixado com relação ao deslizador 55. Essa configuração é adequada para detecção de qualquer curvatura da viga 56 na direção Y.

A partir de um exame das características das máquinas 1, 30, 40 e 51 as vantagens possibilitadas pela presente invenção são evidentes.

Particularmente, o uso de sensores a laser 16 possibilita que se detecte de uma forma simples e não dispendiosa as quantidades mensuráveis correlacionadas com as deformações das partes móveis da máquina resultando do efeito dinâmico.

As quantidades podem ser usadas em tempo real para se calcular e compensar os erros de medição causados pelas deformações estruturais da máquina mediante uso de métodos matemáticos apropriados.

Particularmente, é possível definir um modelo de entrada-saída da máquina que é mais ou menos complexo, de acordo com o tipo de máquina e com a maior ou menor incidência de certos componentes do erro, as entradas (que podem ser medidas) sendo as correntes de fornecimento dos motores e as saídas sendo quantidades mensuráveis (particularmente, aquelas fornecidas pelo sensor de laser) e quantidades não-mensuráveis (os erros de medição).

20/20

Consequentemente é possível definir um filtro estimador, que fornece, em resposta às quantidades de entrada e às quantidades mensuráveis de saída, os valores estimados das quantidades não-mensuráveis.

Finalmente, é evidente que modificações e variações podem ser feitas nas máquinas e no método descrito, sem desse modo se afastar do escopo de proteção definido pelas reivindicações.

1/4

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Máquina de medição compreendendo uma unidade móvel (7) para mover um sensor de medição (3) em um volume de medição, a unidade móvel (7) compreendendo ao menos um membro (8; 12; 42; 56) móvel ao longo de um eixo sob o empuxo do meio de acionamento (13) e sendo submetida às deformações dinâmicas, a máquina sendo caracterizada pelo fato de compreender um sensor de laser (16) provido com um emissor de laser (22) fixado a uma primeira porção do membro móvel e um alvo (28) fixado a uma segunda porção do membro móvel (8; 12; 42; 56) e projetado para receber um feixe de laser (26) gerado pelo emissor (22); a primeira e a segunda porção estando sujeitas a um deslocamento relativo após as deformações dinâmicas, e meio (14) para compensar os erros de medição da máquina (1) em consequência das deformações dinâmicas da unidade móvel (7) em resposta ao deslocamento de um ponto de incidência do feixe de laser (26) no alvo (28) com relação a uma posição de referência em condições não-deformadas.
2. Máquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o alvo (28) é um dispositivo sensível de posição.
3. Máquina, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o membro móvel compreende um elemento semelhante a viga (10, 12, 56), o emissor (22) alvo (28) sendo montados em extremidades opostas do elemento semelhante viga (10).

4. Máquina, de acordo com a reivindicação 1 ou

2, caracterizada pelo fato de que o membro móvel compreende ao menos um primeiro elemento (8a) tendo uma

Petição 870180125698, de 03/09/2018, pág. 9/12

2/4 primeira extremidade e uma segunda extremidade, e um segundo elemento (8c) tendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, o primeiro e o segundo elemento (8a, 8b) sendo conectados entre si em uma área correspondendo à primeira extremidade respectiva, o primeiro, e o segundo, elementos sendo ocos; o emissor (22) sendo disposto nas primeiras extremidades do segundo elemento (8c) e sendo fixado em um suporte rígido (20), o qual é fixado com relação a uma segunda extremidade (9) do primeiro elemento (8a), o alvo (28) sendo fixado na segunda extremidade do

segundo elemento (8c). acordo com qualquer uma das 5. Máquina, de reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o sensor de laser (16) é alojado dentro do membro móvel (8c; 56), o feixe de laser (26) se estendendo através de uma cavidade (24) do membro móvel. 6. Máquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o membro móvel (8) é um carrinho, o qual é móvel sobre um

leito (5) e tem uma estrutura de ponte provida com dois montantes (8a, 8b) e um membro transversal (8c), um primeiro montante (8a) do carrinho compreendendo um deslizador acionado a motor (9), o qual é deslizável sobre o leito (5).

7. Máquina, de acordo com as reivindicações 4 e 6, caracterizada pelo fato de que o primeiro elemento é constituído pelo primeiro montante (8a) e em que o segundo elemento é constituído pelo membro transversal (8c); o suporte rígido sendo constituído por uma barra (20) que se estende dentro do primeiro montante (8a) e tendo uma

Petição 870180125698, de 03/09/2018, pág. 10/12

3/4 extremidade inferior (20a) fixada no deslizador (9) do primeiro montante (8a) e uma extremidade superior se estendendo dentro do membro transversal (8c) em uma sua primeira extremidade, o emissor (22) sendo fixado na extremidade superior da barra (20), o receptor sendo montado dentro do membro transversal (24), em uma sua extremidade oposta.
8. Máquina, de acordo com as reivindicações 4 e 6, caracterizada pelo fato de que o primeiro elemento é o membro transversal (8c) e o segundo elemento é o segundo

montante (8b), o suporte rígido sendo constituído por uma barra (31) que se estende dentro de uma cavidade longitudinal (24) do membro transversal (8c) e tendo uma extremidade fixada ao primeiro montante (8a), o emissor

(22) sendo fixado em uma extremidade oposta da barra (31), e o alvo (28) sendo alojado em uma base do segundo montante (8b).
9. Método para compensação dos erros de medição devido às deformações dinâmicas em uma máquina de medição (1), conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, provida com uma unidade móvel (7) para mover um sensor de medição (3) em um volume de medição, a unidade móvel (7) compreendendo ao menos um membro (8; 12; 42; 56) móvel ao longo de um eixo sob o empuxo do meio de acionamento (13) e sendo submetido às deformações dinâmicas, o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:

gerar um feixe de laser (26) por intermédio de um emissor (22) fixado em uma primeira porção de um membro móvel (8; 12; 42; 56) da unidade móvel (7);

detectar o deslocamento de um ponto de incidência do

Petição 870180125698, de 03/09/2018, pág. 11/12

4/4 feixe de laser (26) sobre um alvo (28) fixado em uma segunda porção do membro móvel (8; 12; 42; 56) com relação a uma posição de referência correspondendo a uma condição não-deformada da unidade móvel (7); e compensar os erros de medição da máquina de medição (1) como uma função ao menos do deslocamento.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de detecção do deslocamento do ponto de incidência do feixe de laser é realizada por intermédio de um dispositivo sensível de posição (28) definindo o alvo.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que a etapa de compensação dos erros de medição é obtida por intermédio de um filtro estimador( M ), o qual fornece uma estimativa do erro de medição em resposta aos valores medidos das quantidades de entrada (u) e de valores medidos de um subconjunto e quantidades de saída (y) compreendendo o deslocamento do ponto de incidência do feixe de laser.

Petição 870180125698, de 03/09/2018, pág. 12/12

1/3

1/9