Monitorización en línea del proceso en el mandrinado ?· Monitorización en línea del proceso en…

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<ul><li><p>AAAAsociacin EEEEspaola de IIIIngeniera MMMMecnica </p><p> XIX CONGRESO NACIONAL DE INGENIERA MECNICA </p><p>Monitorizacin en lnea del proceso en el mandrinado de Monitorizacin en lnea del proceso en el mandrinado de Monitorizacin en lnea del proceso en el mandrinado de Monitorizacin en lnea del proceso en el mandrinado de componentes de gran tamaocomponentes de gran tamaocomponentes de gran tamaocomponentes de gran tamao </p><p>M. Arsuaga Berrueta (1), R. Lobato Gonzlez (1), A. Gorrio Vicandi (1), I. Sanz Achurra (1), A. Rodrguez Ezkerro (1) </p><p> (1) Dpto. de Ingeniera Mecnica. Universidad del Pas Vasco Euskal Herriko Unibertsitatea mikel.arsuaga@ehu.es </p><p>En este trabajo se presenta un sistema innovador para el control de calidad en el proceso de mandrinado de grandes componentes con el objetivo de obtener cero piezas con defecto. En los sistemas tradicionales, el control de calidad se realiza al final de la lnea de fabricacin de forma que un defecto producido en un estadio inicial se propaga a lo largo de todo el proceso. El impacto de las piezas defectuosas en la produccin es especialmente importante en sectores como el elico, aeronutico, qumico, etc. debido al gran tamao y elevado coste de produccin de las mismas. Por otra parte, el ajuste de la produccin mediante el control estadstico del proceso resulta poco eficiente debido a la complejidad de las piezas, alto nmero de parmetros a controlar y al tamao de las series generalmente cortas. </p><p>La nueva metodologa est basada en la modelizacin del proceso de corte y en su monitorizacin en lnea mediante hardware de telemetra desarrollado especficamente e integrado en el cabezal de mandrinado. Mediante las lecturas de los diferentes sensores y la modelizacin previa del proceso, el sistema reajusta la estrategia de mecanizado y los parmetros de trabajo para corregir posibles desviaciones debidas a desgastes de herramienta, flexiones de componentes mecnicos y vibraciones. </p><p>1. INTRODUCCIN </p><p>En sectores emergentes como el Elico, en el que se enmarca este trabajo, en la produccin de piezas de gran tamao, alto valor aadido y de series cortas o medias, la realizacin del control de calidad al final de proceso, con las metodologas actuales tales como la Seis-Sigma o el Control Estadstico del Proceso, es insatisfactoria debido al gran impacto econmico de producir una pieza defectuosa. Actualmente, a falta de otro procedimiento de control de calidad, las inspecciones se intercalan entre las diferentes etapas de la produccin, con el coste econmico y en tiempo que supone el movimiento de piezas entre mquinas de mecanizado y medicin. </p><p>Figura 1. Planetarios para reductoras de molinos de viento. </p><p>La nueva metodologa que se propone en este trabajo, se aproxima al problema desde dos estrategias de solucin diferentes. Por una parte, en la eliminacin de defectos que se puedan predecir con el ajuste correcto de las caractersticas de proceso (modelizacin de las </p></li><li><p>M. Arsuaga et al. XIX Congreso Nacional de Ingeniera Mecnica 2 </p><p>fuerzas y vibraciones) [1,2] y por otra, con el retrabajo en lnea de los defectos que gracias a la monitorizacin del proceso se detecten en mquina. </p><p>Los nuevos desarrollos tecnolgicos se fundamentarn en el diseo de nuevos equipos de medida y sensores que permitan la monitorizacin en tiempo real [3] del proceso de corte de material y la posterior integracin de estas mediciones en los modelos mecansticos que describen el proceso de mecanizado. De esta forma, simultaneando la fabricacin y la verificacin, se consigue minimizar el nmero de piezas con defectos al final de la lnea de fabricacin, reduciendo costos y tiempos de verificacin. De forma indirecta, tambin es posible medir los parmetros de corte mediante el muestreo de los consumos de los motores elctricos de ejes y husillo, pero el amortiguamiento que el conjunto de elementos mecnicos y elctricos intermedios produce en la seal hace que la sensibilidad no sea suficiente para poder discriminar defectos fuera del campo de tolerancia. </p><p>Aunque la nueva filosofa de fabricacin sea aplicable de forma universal a cualquier procedimiento de arranque de viruta, este trabajo se ha centrado en la operacin de mandrinado, proceso de uso extensivo en sectores como el elico, aeronutico, qumico, etc. en la fabricacin de componentes de gran tamao y elevado coste de fabricacin. </p><p>Figura 2. Detalle del cabezal DAndrea montado en el centro de mecanizado de la EUITI de Bilbao. </p><p>Debido al alto coste de operacin de las grandes mquinas empleadas en la fabricacin de planetarios y reductoras para los molinos de viento, el trabajo de validacin de la metodologa se ha realizado en el taller de ingeniera mecnica de la E.U.I.T.I de Bilbao sobre una fresadora Kondia B700 el cual se ha equipado con un cabezal de mandrinado DAndrea TA-125. </p><p>2. METODOLOGA DE CONTROL </p><p>En la forma tradicional de trabajar, se realiza el programa de mecanizado y se ajustan los parmetros de fabricacin despus de varias piezas mecanizadas en un proceso de prueba-error. Al final de la lnea de fabricacin, se realiza el control de calidad y estudian las desviaciones que hubieran podido surgir para corregirlas en las siguientes series. En el caso de la fabricacin de componentes para molinos de viento, el control se realiza de la misma forma pero entre las diferentes etapas de fabricacin de un nico componente, para evitar la propagacin de los errores. De esta forma, sigue siendo necesario parar la fabricacin para poder hacer la verificacin. Estas paradas resultan muy costosas y adems, para ciertas verificaciones de precisin es necesario mover la pieza a una mquina de medir por coordenadas, lo cual encarece todava ms el proceso. An as, sigue saliendo rentable hacer todas estas verificaciones intermedias para evitar la fabricacin de pieza defectuosa. </p><p>En la nueva metodologa que se propone en este trabajo, la fabricacin y el control de calidad se realizan en la misma mquina de mecanizado mientras se est eliminando material. Para ello, se definen dos lazos de control diferentes, el primero aplicado a la deformacin de la barra de mandrinar, y que se muestrea mediante una galga </p></li><li><p>Monitorizacin en lnea del proceso en el mandrinado de componentes de gran tamao 3 </p><p>extensiomtrica, y el segundo, a la medicin de vibraciones, medidas mediante un acelermetro (mostrados en la figura 3 en amarillo y en marrn respectivamente). </p><p>Figura 3. Diagrama de flujo de la metodologa propuesta. </p><p>Aunque las rigideces de las mquinas que habitualmente se utilizan en estos procesos son muy altas, las exigencias de fabricacin tambin lo son. Por este motivo, es de gran importancia poder medir las pequeas deflexiones que producen desplazamientos de la punta de herramienta. Para estas medidas se ha utilizado una galga extensiomtrica que previamente se ha calibrado ya montada sobre la barra de mandrinar. La seal de la galga transmite al modelo, las fuerzas de corte en punta de la herramienta, y estas a su vez, se comparan con las tericas en funcin de las condiciones de corte previstas. El producto de la diferencia entre fuerzas medidas y tericas y la rigidez del conjunto, ser igual a la deformacin y a la diferencia entre trayectorias, que una vez conocida, se corrige en tiempo real. </p><p>En cuanto a las vibraciones, las medidas del acelermetro son analizadas para estudiar las regiones en las que se este produciendo el corte. Si las vibraciones exceden de una medida en la que la calidad superficial se ve afectada, el lazo de control vara las condiciones (vc, f o ap) para retornar a la condicin de mecanizado estable. </p><p>3. MATERIAL Y MTODOS </p><p>3.1. Equipamiento experimental </p><p>Aparte del centro de mecanizado y cabezal, se han utilizado un analizador de seal OROS OR 35 (Software NVGate), Martillo de impacto modelo 086C03 y Acelermetros modelo 333B32 para la caracterizacin de los parmetros modales del cabezal y de los acelermetros integrados en la herramienta. La calibracin esttica de la galga frente a las tres fuerzas de corte, se ha realizado con un dinammetro PCE FG-5K. </p><p>El prediseo de la galga y su posicionado en la barra de mandrinar se ha realizado en Unigraphics NX7.5. </p></li><li><p>M. Arsuaga et al. XIX Congreso Nacional de Ingeniera Mecnica 4 </p><p>3.2. Diseo de instrumentacin de adquisicin y telemetra </p><p>El hardware consta del Microcontralador 18LF4620 de bajo consumo de la serie nanowatt de Microchip con memoria RAM interna de 8Kbytes y canales de conversin ADC de 10 bits para la adquisicin de las medidas de la galga y del acelermetro. Posee alta velocidad de procesamiento llegando a realizar ciclos de lectura analgica a una mxima frecuencia de 1 MHz. Comunica con el transceptor de radiofrecuencia CC1100 de TI de muy bajo consumo que tiene una mxima potencia de transmisin de 10dBm y una velocidad mxima de transmisin de datos de 500kBaudios alta velocidad de procesamiento. Para el almacenamiento de datos se dispone de una memoria FLASH con capacidad para 16 Mbit. </p><p>Figura 4. Circuito de adquisicin y telemetra con toma para galga y acelermetro. </p><p>La seal procedente de la galga en configuracin de puente de Wheatstone se acondiciona mediante el amplificador de instrumentacin MAX 4208 y el operacional dual MAX 9916 para las funciones de amplificacin y filtrado. El sistema se alimenta con una batera de litio de 3.6V y un regulador LDO para estabilizar el voltaje de salida a 3.3V. </p><p>4. MODELO ESTTICO </p><p>Para poder determinar las fuerzas de corte y las deformaciones en la barra de mandrinado [4], se han realizado los ensayos de caracterizacin de la sensibilidad de la galga extensiomtrica frente a las tres fuerzas de corte que intervienen en el proceso de forma independiente. </p><p>Figura 5. Deformaciones de la barra calculadas mediante MEF. Curvas experimentales de sensibilidad de la galga frente a las tres fuerzas de corte. </p><p>Fradial Fcorte Favance </p><p>Seal = 1,2185 Fradial + 439,45</p><p>Seal = -0,2862 Favance + 430,74</p><p>Seal = 0,1973 Fcorte + 430,59</p><p>0</p><p>200</p><p>400</p><p>600</p><p>800</p><p>1000</p><p>-50 50 150 250 350 450</p><p>Fuerzas de corte (N)</p><p>Se</p><p>a</p><p>l d</p><p>e la</p><p> ga</p><p>lga</p><p> (m</p><p>V)</p><p>Fradial</p><p>Favance</p><p>Fcorte</p></li><li><p>Monitorizacin en lnea del proceso en el mandrinado de componentes de gran tamao 5 </p><p>La medida en la galga debido a la suma de las tres fuerzas de corte, fuerza radial (FR), de oposicin al avance (FA) y de corte (FC), se puede representar mediante la siguiente ecuacin, siendo SR, SA, SC y SC las sensibilidades de la galga frente a las tres fuerzas y G0 la ganancia en reposo (valores experimentales SR=1.218, SA=0.286, SC=0.000398, SC=0.197, G0=430): </p><p> 20 R R A A C C C CG S F S F S F S F G= + + (1) </p><p>De la caracterizacin del material y de las fuerzas de corte, conocemos la relacin entre las tres fuerzas de corte, que aproximadamente es constante en la zona de trabajo y de relacin FR/FA= RFA y FR/FC= RFC (valores experimentales RFA=0,5786 RFC=0,3543); </p><p>A</p><p>A</p><p>R RF A</p><p>A F</p><p>F FR F</p><p>F R= =</p><p> C</p><p>C</p><p>R RF C</p><p>C F</p><p>F FR F</p><p>F R= = (2) </p><p>Aplicando la caracterizacin de fuerzas, la ecuacin 1 la podemos simplificar como: </p><p> 2</p><p>0 A C C</p><p>R R RR R A C C</p><p>F F F</p><p>F F FG S F S S S G</p><p>R R R </p><p>= + + </p><p> (3) </p><p>Despejando la fuerza radial en funcin de la seal de la galga tendremos: </p><p>( )2</p><p>2 0</p><p>2</p><p>4</p><p>2</p><p>A C A C C</p><p>C</p><p>C C CA AR R</p><p>F F F F F</p><p>RC</p><p>F</p><p>S S SS SS S G G</p><p>R R R R RF</p><p>S</p><p>R</p><p>=</p><p> (4) </p><p>Figura 6. Caracterizacin de las fuerzas de corte para el binomio material-herramienta. </p><p>Para determinar la deformacin en la punta de herramienta debida a las fuerzas de corte medidas con la galga, se utilizar el modelo de deformacin [5] representado en la siguiente ecuacin: </p><p> 0,751000</p><p>75).5,0(</p><p> 4,67</p><p>75</p><p>1,680,60e</p><p>...</p><p>3- </p><p>++</p><p>+++=</p><p>RCentrifRCentrifCentrifRHTAPUNTA</p><p>FqFqqF (5) </p><p>5. ESTABILIDAD DINMICA </p><p>Debido a la baja rigidez dinmica de la barra [6], es determinante a la hora de realizar una operacin de mandrinado de calidad evitar la aparicin de vibraciones. Las vibraciones en la punta de herramienta producen desde el punto de vista de proceso, el deterioro prematuro </p><p>CONDICIONES DE CORTE. </p><p>Fn=0,05mm/rev - Vc=170m/min</p><p>0</p><p>20</p><p>40</p><p>60</p><p>80</p><p>100</p><p>120</p><p>140</p><p>160</p><p>180</p><p>200</p><p>0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2</p><p>ap (mm)</p><p>FU</p><p>ER</p><p>ZA</p><p>S D</p><p>E </p><p>CO</p><p>RT</p><p>E(N</p><p>)</p><p>Fmain</p><p>Frad</p><p>Ffeed</p></li><li><p>M. Arsuaga et al. XIX Congreso Nacional de Ingeniera Mecnica 6 </p><p>de las herramientas de corte y componentes mecnicos [7] (rodamientos, engranajes, etc.) y desde el punto de vista de pieza final, acabados con mala calidad superficial. Para poder identificar en todo momento la condicin de corte estable, se ha instrumentado la barra de mandrinar con un acelermetro. </p><p>Figura 7. Circuito de adquisicin, galga y acelermetro montados sobre cabezal. </p><p>Teniendo en cuenta que el efecto en la calidad superficial producido por las vibraciones en el sentido de la fuerza de corte son despreciables y la alta rigidez del conjunto en el sentido de la fuerza de avance, el acelermetro se ha situado en el sentido radial en la punta de la barra de mandrinar. </p><p>5.1. Calibracin esttica del acelermetro </p><p>La validacin del acelermetro embebido se ha realizado en un til en voladizo cruzando las medidas experimentales con las de un acelermetro comercial. Alterando las caractersticas modales del til, se han experimentado diferentes modos en el rango del acelermetro. Se ha visto que la coherencia de las medidas de ambos acelermetros es correcta. En la figura 8 se muestra el til y una seal amortiguada del acelermetro. </p><p>Figura 8. til de calibracin esttica y seal del acelermetro durante las pruebas. </p><p>5.2. Calibracin centrfuga del acelermetro </p><p>Para poder corregir de forma correcta el Offset debido a la fuerza centrfuga en la seal del acelermetro se han realizado unos ensayos de rotacin en vaco a diferentes radios y velocidades de rotacin. Los resultados se muestran en la figura 9. A radios de giro pequeos y bajas vueltas, debido al gran rango del acelermetro (70g-s) seleccionado para evitar su saturacin a altas vueltas debido al Offset centrfugo, la constante de ganancia muestra errores no superiores al 5%. A mayores regimenes de giro el error es despreciable. </p><p>Favance </p><p>Fradial Fcorte </p><p>Galga </p><p>Acelermetro </p></li><li><p>Monitorizacin en lnea del proceso en el mandrinado de componentes de gran tamao 7 </p><p>Figura 9. Grafica de la respuesta del acelermetro frente a la fuerza centrfuga. </p><p>5.3. Determinacin de los modos dominantes del sistema </p><p>Se ha realizado una caracterizacin dinmica de los modos de vibracin del cabezal realizando un ensayo con el martillo de impacto para poder discriminar en caso de vibracin entre vibraciones forzadas o auto excitadas (Chatter) [8]. La frecuencia dominante de la barra de mandrinar es cercana a 1800Hz y la del cabezal 300Hz aproximadamente. Se determina la necesidad de adquirir a frecuencias superiores a 5KHz para poder representar el primer armnico de la barra. </p><p>6. RESULTADOS. VALIDACIN SOBRE PIEZA </p><p>En las pruebas de mecanizado sobre probeta de acero se han medido fuerzas, deformaciones y vibraciones, bajo diferentes condiciones de corte. En la figura 10 se muestra una imagen del cabezal mecanizando a 800rpm con una profundidad de pasada de 0,5mm y la seal de vibraciones adquirida por el acelermetro. Bajo ciertas condiciones de corte, se han detectado vibr...</p></li></ul>

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