| JP3732494 | SIMULATION APPARATUS |
| JP08087316 | CONTROLLER |
| JP2004318276 | MACHINING METHOD AND DEVICE |
ARAMENDI LARRAÑAGA, Gorka (E- Azpeitia, 20730, ES)
RIVERO RASTRERO, Mª Asunción (Magdalena Kalea, N°17-19 3°A, Renteria, E-20100, ES)
PEÑA PELLICER, Begoña (Polígono Ibaitarte, N°5, Elgoibar, E-20870, ES)
ARAMENDI LARRAÑAGA, Gorka (E- Azpeitia, 20730, ES)
RIVERO RASTRERO, Mª Asunción (Magdalena Kalea, N°17-19 3°A, Renteria, E-20100, ES)
R E I V I N D I C A C I O N E S
1 .- Método de monitorización de Ia formación de rebabas en los procesos de taladrado de piezas en el que se utiliza un cabezal porta-broca, el regulador del motor del cabezal, estableciéndose previamente un proceso fijado de taladrado en el que se fija el valor de las variables del proceso en las condiciones de producción y entre ellas el valor de una o varias velocidades de avance, caracterizado porque en cada proceso de taladrado de piezas:
a) se fija Ia altura admisible de rebaba;
b) se capta Ia señal asociada al par procedente del regulador del motor del cabezal, se determina en dicha señal Ia "zona de corte" comprendida entre el punto en el que Ia broca toca Ia superficie de entrada en el material hasta que Ia broca se encuentra de nuevo fuera del agujero después del retroceso del cabezal;
c) se definen varias zonas dentro de Ia "zona de corte": se establece el "punto de salida" como el punto en el que Ia punta de Ia broca atraviesa Ia superficie de salida del agujero; se establece Ia "zona de salida" como Ia zona inmediatamente posterior al "punto de salida"; se calcula el "nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el tramo correspondiente a Ia última velocidad de avance empleada;
d) se define el valor de mínimo relativo (N) como el cociente entre el valor mínimo (Minimun) alcanzado por una señal en la "zona de salida" y el "nivel de referencia" (RL):
N = Minimun / RL e) se calcula para el proceso fijado el valor de mínimo relativo y se establece un valor de mínimo relativo de comparación (Nc) con una tolerancia preestablecida;
f) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante el proceso de taladrado industrial en producción, se calcula en
Ia "zona de corte" el valor de mínimo relativo (N) para cada agujero, decidiéndose que Ia altura de Ia rebaba es admisible si dicho valor (N) es inferior al valor del mínimo relativo de comparación (Nc) con Ia tolerancia preestablecida: N < Nc.
2.- Método de monitorización de Ia formación de rebabas en los procesos de taladrado de piezas, según reivindicación anterior, caracterizado porque en cada proceso de taladrado de piezas:
a) se definen varias zonas dentro de Ia "zona de corte": se establece el "punto de salida" como el punto en el que Ia punta de Ia broca atraviesa Ia superficie de salida del agujero; se establece Ia "zona de salida" como Ia zona inmediatamente posterior al "punto de salida"; se establece una "zona post-salida" que incluye sucesivamente Ia "zona de salida" y el retroceso de Ia broca hasta quedar fuera del agujero; se calcula el "nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el cual es aproximadamente constante una vez fijados las variables del proceso;
b) se definen tres magnitudes fundamentales:
bi) el valor de anchura (W) de las perturbaciones cuya altura está por encima de un valor preestablecido (que denotaremos HP) que pudieran aparecer en Ia "zona post-salida"; b2) el valor máximo de altura (H) de las perturbaciones que pudieran aparecer en Ia "zona post-salida";
D3> el valor de pendiente (S) calculada en Ia "zona de salida";
c) se calculan para el proceso fijado los valores de anchura, máximo de altura y pendiente (W, H, S), se fija un valor HP y se establece un valor de comparación para cada una de las magnitudes (Wc, Hc, Sc) con una tolerancia preestablecida;
d) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante el proceso de taladrado industrial en producción, se calcula en Ia "zona de corte" el valor de anchura, máximo de altura y pendiente (W, H, S) para cada agujero, decidiéndose que Ia altura de Ia rebaba es admisible si se cumple sucesivamente con Ia tolerancia preestablecida:
3.- Método de monitorización de Ia formación de rebabas en los procesos de taladrado de piezas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en cada proceso de taladrado de piezas:
a) se definen varias zonas dentro de Ia "zona de corte": se establece el "punto de salida" como el punto en el que Ia punta de Ia broca atraviesa Ia superficie de salida del agujero; se establece una "zona pre-salida" inmediatamente anterior al "punto de salida"; se calcula el "nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el cual es aproximadamente constante una vez fijados los parámetros del proceso; b) se define el valor de máximo relativo (M) como el cociente entre el valor máximo (Maximun) alcanzado por Ia señal en Ia "zona pre-salida" y el "nivel de referencia" (RL) :
M = Maximun / RL
c) se calcula para el proceso fijado el valor de máximo relativo y se establece un valor de máximo relativo de comparación (Mc) con una tolerancia preestablecida;
d) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante el proceso de taladrado industrial en producción, se calcula en Ia "zona de corte" el valor de máximo relativo (M) para cada agujero, decidiéndose que Ia altura de Ia rebaba es admisible si dicho valor (M) es inferior al valor del mínimo relativo de comparación (Mc) con Ia tolerancia preestablecida: M < Mc.
4,- Método de monitorización de Ia formación de rebabas en los procesos de taladrado de piezas en el que se utiliza un cabezal porta-broca, el regulador del motor del cabezal, estableciéndose previamente un proceso fijado de taladrado en el que se fija el valor de las variables del proceso en las condiciones de producción, caracterizado porque en cada proceso de taladrado de piezas:
a) se fija Ia altura admisible de rebaba;
b) se capta Ia señal asociada al par procedente del regulador del motor del cabezal, se determina en dicha señal Ia "zona de corte" comprendida entre el punto en el que Ia broca toca Ia superficie de entrada en el material hasta que Ia broca se encuentra de nuevo fuera del agujero después del retroceso del cabezal; c) se definen varias zonas dentro de Ia "zona de corte": se establece el "punto de salida" como el punto en el que Ia punta de Ia broca atraviesa Ia superficie de salida del agujero; se establece Ia "zona de salida" como Ia zona inmediatamente posterior al "punto de salida"; se calcula el "nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el tramo correspondiente a Ia última velocidad de avance empleada;
d) se define el valor de mínimo relativo (N) como el cociente entre el valor mínimo (Minimun) alcanzado por una señal en Ia "zona de salida" y el "nivel de referencia" (RL) :
N = Minimun / RL
e) se calcula el valor de mínimo relativo N;
f) se diseña y se entrena una red neuronal que utilice como una entrada Ia magnitud N definida en 1 d), se establecerá como una salida de Ia red el nivel de rebaba, que podrá adoptar distintos niveles de rebaba definidos por el interés del usuario;
g) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante los procesos de taladrado industrial en producción, se calcula para cada agujero el valor de las magnitudes que se utilizan como entradas de Ia red neuronal, Ia salida de Ia red neuronal indicará el nivel de rebaba.
5.- Método de monitorización de Ia formación de rebabas en los procesos de taladrado de piezas, según reivindicación 4, caracterizado porque en cada proceso de taladrado de piezas: a) se definen varias zonas dentro de Ia "zona de corte": se establece el "punto de salida" como el punto en el que Ia punta de Ia broca atraviesa Ia superficie de salida del agujero; se establece Ia "zona de salida" como Ia zona inmediatamente posterior al "punto de salida"; se establece una "zona post-salida" que incluye sucesivamente Ia "zona de salida" y el retroceso de Ia broca hasta quedar fuera del agujero; se calcula el "nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el cual es aproximadamente constante una vez fijados las variables del proceso;
b) se definen tres magnitudes fundamentales:
bi) el valor de anchura (W) de las perturbaciones cuya altura está por encima de un valor preestablecido (que denotaremos HP) que pudieran aparecer en Ia "zona post-salida";
b2) el valor máximo de altura (H) de las perturbaciones que pudieran aparecer en Ia "zona post-salida";
b3) el valor de pendiente (S) calculada en Ia "zona de salida";
c) se diseña y se entrena una red neuronal que utilice como entradas las magnitudes W, H, S definidas en 2d), se establecerá como una salida de Ia red el nivel de rebaba, que podrá adoptar distintos niveles de rebaba definidos por el interés del usuario;
d) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante los procesos de taladrado industrial en producción, se calcula para cada agujero el valor de las magnitudes que se utilizan como entradas de Ia red neuronal, Ia salida de Ia red neuronal indicará el nivel de rebaba.
6.- Método de monitorización de Ia formación de rebabas en los procesos de taladrado de piezas, según reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque en cada proceso de taladrado de piezas:
a) se definen varias zonas dentro de Ia "zona de corte": se establece el "punto de salida" como el punto en el que Ia punta de Ia broca atraviesa Ia superficie de salida del agujero; se establece una "zona pre-salida" inmediatamente anterior al "punto de salida"; se calcula el "nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el cual es aproximadamente constante una vez fijados los parámetros del proceso;
b) se define el valor de máximo relativo (M) como el cociente entre el valor máximo (Maximun) alcanzado por Ia señal en Ia "zona pre-salida" y el "nivel de referencia" (RL) : M = Maximun / RL
c) se diseña y se entrena una red neuronal que utilice como una entrada Ia magnitud M definida en 3d), se establecerá como una salida de Ia red el nivel de rebaba, que podrá adoptar distintos niveles de rebaba definidos por el interés del usuario;
d) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante los procesos de taladrado industrial en producción, se calcula para cada agujero el valor de las magnitudes que se utilizan como entradas de Ia red neuronal, Ia salida de Ia red neuronal indicará el nivel de rebaba. |
"MéTODO DE MON1TORIZACIóN DE LA FORMACIóN DE REBABAS EN LOS PROCESOS DE TALADRADO DE PIEZAS"
D E S C R I P C I ó N
Las operaciones de taladrado producen habitualmente rebabas tanto en Ia superficie de entrada como en Ia de salida. Se forman como resultado de Ia deformación plástica, que depende en gran medida de Ia ductilidad del material. Las rebabas durante el taladrado constituyen un obstáculo ineludible en Ia automatización de los procesos de ensamblado por Ia necesidad de una etapa de desbarbado. Las rebabas son una fuente de errores dimensionales y desalineamientos; pueden causar cortocircuitos en componentes eléctricos; reducen el tiempo de vida a fatiga de las piezas remachadas; y pueden actuar como puntos iniciales de grietas. Por estas razones, Ia reducción en Ia calidad de las operaciones de taladrado es un problema crucial, en especial para las industrias aeronáutica y aeroespacial. En éstas se permiten rebabas pequeñas, por debajo de una cierta altura que se encuentra entre 100 y 150 mieras.
Por estas razones, en Ia mayoría de los casos no se puede evitar Ia fase de desbarbado después del taladrado. En el ensamblado aeronáutico, por ejemplo, los componentes a unir se taladran juntos
(multicapa), se separan a continuación para eliminar las rebabas
(desbarbado) y finalmente se remachan. El proceso de desbarbado supone un trabajo adicional que constituye un 30% del coste total en operaciones de precisión.
La mayoría de los problemas están asociados a Ia rebaba a Ia salida, ya que es mucho más grande que a Ia entrada. Por esta razón,
Ia mayor parte de Ia investigación sobre este tema, y en particular este invento se ha centrado en desarrollar estrategias para minimizar Ia rebaba a Ia salida del material.
Por un lado, diversos grupos de investigación han optimizado Ia geometría de Ia herramienta (broca) para que se reduzca en Io posible las dimensiones de Ia rebaba a Ia salida. Por otro lado, también existe una extensa investigación orientada a Ia optimización de los parámetros del proceso para minimizar Ia rebaba. La mayor parte de los trabajos son experimentales y se han elaborado por ejemplo cartas de control para tener mapas con los que poder estimar Ia altura o Ia forma de Ia rebaba en función de los parámetros del proceso. También se han desarrollado modelos de elementos finitos para conocer mejor el proceso de formación de rebaba y predecir el resultado.
Los resultados de estos trabajos son de gran importancia para Ia optimización del proceso de taladrado, pero no son capaces de asegurar Ia calidad de los agujeros, ya que no tienen en cuenta por ejemplo el desgaste de Ia herramienta que influye en Ia formación de rebabas o las componentes estocásticas que no se pueden controlar. Por estas razones, incluso estableciendo un proceso industrial en condiciones óptimas en cuanto a herramienta utilizada y a parámetros de proceso, existe siempre un porcentaje no despreciable de agujeros que presentan una altura de rebaba por encima de los requerimientos del cliente.
En los sectores aeronáutico y aeroespacial en los que Ia calidad de los componentes mecanizados es de vital importancia para asegurar Ia seguridad de sus productos, los requerimientos en cuanto a Ia máxima altura de rebaba permitida son muy rigurosos. Por ello, no se admiten agujeros con rebaba aunque sólo constituyan un bajo porcentaje y Ia fase de desbarbado no puede eliminarse. Además, como no se sabe qué agujeros tienen rebaba se desbarban todos ellos, aumentando el coste de Ia operación sin realmente obtener beneficio de todo el tiempo invertido.
En este invento desarrollamos el primer método para Ia monitorización on-line de rebabas enfocado a condiciones de alta velocidad, de gran interés en aeronáutica. Con él se puede evitar el desbarbado de todos los agujeros, reduciendo esta operación a aquellos agujeros que incumplan los requerimientos del cliente. Métodos para Ia monitorización del desgaste de herramienta han sido extensamente investigados, pero no existe ningún método aplicado a Ia altura de Ia rebaba.
En concreto, el método del invento se caracteriza por ser un método de monitorización de Ia formación de rebabas en los procesos de taladrado de piezas en el que se utiliza un cabezal porta-broca, el regulador del motor del cabezal, estableciéndose previamente un proceso fijado de taladrado en el que se fija el valor de las variables del proceso en las condiciones de producción y entre ellas el valor de una o varias velocidades de avance, en el que en cada proceso de taladrado de piezas:
a) se fija Ia altura admisible de rebaba;
-A-
b) se capta Ia señal asociada al par procedente del regulador del motor del cabezal, se determina en dicha señal Ia "zona de corte" comprendida entre el punto en el que Ia broca toca Ia superficie de entrada en el material hasta que Ia broca se encuentra de nuevo fuera del agujero después del retroceso del cabezal;
c) se definen varias zonas dentro de Ia "zona de corte": se establece el "punto de salida" como el punto en el que Ia punta de Ia broca atraviesa Ia superficie de salida del agujero; se establece Ia "zona de salida" como Ia zona inmediatamente posterior al "punto de salida"; se calcula el "nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el tramo correspondiente a Ia última velocidad de avance empleada;
d) se define el valor de mínimo relativo (N) como el cociente entre el valor mínimo (Minimun) alcanzado por una señal en Ia "zona de salida" y el "nivel de referencia" (RL) :
N = Minimun / RL
e) se calcula para el proceso fijado el valor de mínimo relativo y se establece un valor de mínimo relativo de comparación (Nc) con una tolerancia preestablecida;
f) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante el proceso de taladrado industrial en producción, se calcula en Ia "zona de corte" el valor de mínimo relativo (N) para cada agujero, decidiéndose que Ia altura de Ia rebaba es admisible si dicho valor (N) es inferior al valor del mínimo relativo de comparación (Nc) con Ia tolerancia preestablecida: N < Nc.
También se caracteriza porque:
a) se definen tres magnitudes fundamentales:
ai) el valor de anchura (W) de las perturbaciones cuya altura está por encima de un valor preestablecido (que denotaremos HP) que pudieran aparecer en Ia "zona post-salida";
a2) el valor máximo de altura (H) de las perturbaciones que pudieran aparecer en Ia "zona post-salida";
a3) el valor de pendiente (S) calculada en Ia "zona de salida";
b) se calculan para el proceso fijado los valores de anchura, máximo de altura y pendiente (W, H, S), se fija un valor HP y se establece un valor de comparación para cada una de las magnitudes (Wc, Hc, Sc) con una tolerancia preestablecida;
c) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante el proceso de taladrado industrial en producción, se calcula en Ia "zona de corte" el valor de anchura, máximo de *
altura y pendiente (W, H, S) para cada agujero, decidiéndose que Ia altura de Ia rebaba es admisible si se cumple sucesivamente con Ia tolerancia preestablecida:
También se caracteriza porque:
a) se define el valor de máximo relativo (M) como el cociente entre el valor máximo (Maximun) alcanzado por Ia señal en Ia "zona pre-salida" y el "nivel de referencia" (RL) :
M = Maximun / RL
b) se calcula para el proceso fijado el valor de máximo relativo y se establece un valor de máximo relativo de comparación (Mc) con una tolerancia preestablecida;
c) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante el proceso de taladrado industrial en producción, se calcula en
Ia "zona de corte" el valor de máximo relativo (M) para cada agujero, decidiéndose que Ia altura de Ia rebaba es admisible si dicho valor (M) es inferior al valor del mínimo relativo de comparación (Mc) con Ia tolerancia preestablecida: M < Mc.
También se caracteriza porque:
a) se diseña y se entrena una red neuronal que utilice como una entrada Ia magnitud N definida en 1 d), se establecerá como una salida de Ia red el nivel de rebaba, que podrá adoptar distintos niveles de rebaba definidos por el interés del usuario;
b) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante los procesos de taladrado industrial en producción, se calcula para cada agujero el valor de las magnitudes que se utilizan como entradas de Ia red neuronal, Ia salida de Ia red neuronal indicará el nivel de rebaba.
También se caracteriza porque:
a) se diseña y se entrena una red neuronal que utilice como entradas las magnitudes W, H, S definidas en 2d), se establecerá como una salida de Ia red el nivel de rebaba, que podrá adoptar distintos niveles de rebaba definidos por el interés del usuario;
b) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante los procesos de taladrado industrial en producción, se calcula para cada agujero el valor de las magnitudes que se utilizan como entradas de Ia red neuronal, Ia salida de Ia red neuronal indicará el nivel de rebaba.
También se caracteriza porque:
a) se diseña y se entrena una red neuronal que utilice como una entrada Ia magnitud M definida en 3d), se establecerá como una salida de Ia red el nivel de rebaba, que podrá adoptar distintos niveles de rebaba definidos por el interés del usuario;
b) se capta Ia señal del regulador del motor del cabezal durante los procesos de taladrado industrial en producción, se calcula para cada agujero el valor de las magnitudes que se utilizan como entradas de Ia red neuronal, Ia salida de Ia red neuronal indicará el nivel de rebaba.
Para comprender mejor el objeto de Ia presente invención, se representa en los planos una forma preferente de realización práctica, susceptible de cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento.
La figura 1 es una representación en coordenadas par/tiempo de Ia señal completa del regulador asociado al motor del cabezal.
La figura 2 son representaciones en coordenadas par/penetración (mm). (a) Zona de corte de una señal antes y después de un filtrado en el espacio de Fourier. (b) Zona de corte de una señal antes y después de un filtrado utilizando Wavelets.
La figura 3 es una representación en coordenadas par/tiempo de una estimación del punto de entrada de Ia broca en el material como Ia intersección entre dos rectas.
La figura 4 es una representación en coordenadas par/tiempo de Ia zona de corte con Ia zona de presalida, zona de salida, zona de post-salida, punto de salida y nivel de referencia:
a) con una velocidad de avance
b) con dos velocidades de avance.
La figura 5 es una representación de Ia figura 4b con las cinco magnitudes sensibles o fundamentales a Ia formación de rebaba en el caso concreto de utilizar dos velocidades de avance.
La figura 6 son cuatro representaciones (a), (b), (c), (d) de coordenadas par/penetración (mm) de señales con diferente nivel de rebaba cambiando Ia velocidad de avance mm/rev.
Se describe a continuación un ejemplo de realización práctica, no limitativa, del presente invento.
Punto de partida
En un proceso industrial de taladrado Ia mayor parte de las condiciones de trabajo están fijadas. Tanto Ia herramienta, como el material de trabajo, como las dimensiones del agujero están bien definidas. Además, los parámetros del proceso suelen ser también fijos y están determinados por Ia velocidad de corte (giro del cabezal) y Ia velocidad de avance.
Partimos de una situación así para aplicar el método de monitorización de rebabas: herramienta, material y dimensiones del agujero fijados, y Ia velocidad de corte y de avance definidas en un intervalo estrecho.
En nuestro caso se ha utilizado un centro de mecanizado de alta velocidad de tres ejes, motores lineales y control Fidia. Sus especificaciones son:
N: 24000 rpm
Avance: 1 20 m /min
Aceleración: 2g m/s2
Potencia nominal: 27 kW
Par nominal: 1 6.97 Nm
El material de ensayo ha sido aluminio en sus aleaciones utilizadas en aeronáutica.
Sistema de adquisición de señales
Durante los ensayos de taladrado se ha capturado Ia salida analógica del regulador correspondiente al motor del cabezal, que está asociada al par (torque). Internamente es una señal de corriente en el bucle del motor, pero externamente se presenta como señal de voltaje en un rango entre -1 0 y + 1 0 V. Conviene ajustar el fondo de escala para utilizar al máximo Ia resolución de Ia medida.
La señal del motor del cabezal es una medida indirecta del par (torque), que frente a las medidas directas presenta Ia ventaja de
no necesitar aparatos adicionales y de facilitar la implementación del método de monitorización en el propio control CNC de Ia máquina.
En Ia Figura 1 se muestra una señal capturada durante un ensayo de taladrado a modo de ejemplo en el que se realizó un sólo agujero. Se distinguen claramente cuatro zonas diferentes. El primer rango de grandes oscilaciones corresponde a Ia "Zona de aceleración" del cabezal. Una vez alcanzada Ia velocidad de corte impuesta, el par decrece casi hasta cero. Entonces comienza Ia "Zona de aproximación" de Ia herramienta hasta el material de trabajo. El par medido crece en Ia "Zona de corte", comprendida entre el punto en el que Ia broca toca Ia superficie de entrada en el material hasta que Ia broca se encuentra de nuevo fuera del agujero después del retroceso del cabezal. Esta zona incluye tanto Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el material en dirección y sentido del taladrado, como el recorrido de retroceso de Ia broca en sentido inverso hasta que Ia punta de Ia herramienta vuelve a Ia superficie de entrada del agujero. Finalmente se tiene Ia "Zona de deceleración", representado en el plano negativo. Como resultado de los ensayos efectuados hemos llegado a Ia conclusión que sólo Ia Zona de corte propiamente dicha contiene información relevante para Ia monitorización de las rebabas.
La señal procedente del regulador se puede reescalar en unidades de par con Ia apropiada calibración. Esto depende obviamente de Ia curva de potencia de Ia máquina particular. En nuestro caso particular Ia transformación se reduce a Ia siguiente ecuación:
5[V)
donde TN = 1 6.97 N m es el par nominal que equivale a 5 V.
Además por comodidad y para entender mejor el proceso, resulta útil representar Ia señal en función del recorrido de Ia herramienta (sin tener en cuenta si es hacia adelante o hacia atrás). Bien se puede realizar una transformación de tiempo a longitud a partir de las velocidades de avance del carro Z, o bien capturando Ia señal propia del control asociada a Ia posición del carro Z. Lo más útil es considerar el cero de Z cuando Ia punta de Ia broca toca Ia superficie de entrada del material.
Sistema de monitorización
De los ensayos efectuados se obtiene como resultado básico que algunas magnitudes de Ia señal en Ia zona de corte dan información relevante del tamaño de rebaba originado, por Io que Ia esencia el invento reside en Ia monitorización del proceso en base a Ia cuantificación de dichas magnitudes.
a) Procesado de Ia señal
Antes de calcular las magnitudes/atributos que nos interesan de Ia señal capturada resulta imprescindible filtrar el ruido y las frecuencias que enmascaran Ia información relevante. La información que se necesita para el sistema de monitorización está contenida en Ia envolvente de Ia señal en Ia "Zona de corte".
Para esta tarea se puede utilizar el filtrado habitual
(aplicación de ventana y filtro) o bien utilizar un método más avanzado como Ia transformada Wavelet. En Ia Figura 2 se muestran dos ejemplos de señales filtradas, una en el espacio de Fourier con un filtro
Butterworth y Ia segunda mediante Wavelets Daubechies.
b) Cálculo de las magnitudes/atributos sensibles a Ia rebaba
Una vez que se ha filtrado Ia señal, se analiza Ia "Zona de corte" de cada una de las señales en el dominio del tiempo, concretamente Ia parte alrededor de Ia salida de Ia herramienta, ya que en ese tramo se forma Ia rebaba. Para localizar ese tramo se pueden utilizar diferentes estrategias. La más sencilla es a partir de Ia posición del carro Z: bastaría tomar el cero sobre Ia superficie de entrada; se analizaría el rango entorno a Ia Z correspondiente al espesor del material.
En el caso de que no se disponga de Ia posición del carro Z de forma directa se puede proceder de Ia siguiente manera (Figura 3) :
• Se ajusta a una recta el tramo de Ia señal en el que Ia herramienta se aproxima al material. Será una recta prácticamente horizontal.
" Se aproxima a otra recta el tramo de Ia señal en el que aumenta el torque hasta que se estabiliza en Ia zona de corte.
" El punto en el que intersecan se puede considerar el punto en el que Ia herramienta toca Ia superficie. Se toma este punto como cero.
" A partir de Ia velocidad de avance se estima el "Punto de salida", convirtiendo el tiempo en profundidad a Io largo del agujero (no es necesario cambiar el signo al cambiar el sentido del recorrido de Ia herramienta) . Coincide normalmente con el punto en el que el valor del torque decrece.
Una vez delimitada Ia "Zona de corte" y el "Punto de salida" se definen varias zonas dentro de Ia "Zona de corte" (Figuras 4 a y 4b):
• se establece Ia "zona de salida" como Ia zona inmediatamente posterior al "punto de salida", que comprende desde que Ia punta de Ia broca toca Ia superficie de salida del agujero hasta que comienza a retroceder;
• se establece una "zona post-salida" que incluye sucesivamente Ia "zona de salida" y el retroceso de Ia broca hasta quedar fuera del agujero;
• se establece una "zona pre-salida" inmediatamente anterior al "punto de salida".
Además se define el "Nivel de referencia" (RL) como el valor medio alcanzado por Ia señal en Ia zona en Ia que Ia broca atraviesa el tramo interno del agujero en el cual es aproximadamente constante para unas condiciones fijas del proceso. En Ia Figura 4a se muestra un ejemplo en el que se ha utilizado una sola velocidad de avance a Io largo de todo el agujero, mientras que en Ia Figura 4b se han utilizado dos velocidades de avance diferentes. En el primer caso el nivel de referencia se calcula como el promedio del valor de Ia señal en Ia parte central del agujero, mientras que en el segundo caso se calcula como el promedio en el tramo correspondiente a Ia segunda velocidad. Se calcularía de forma similar si se utilizaran 3 velocidades a Io largo del agujero, sólo que calculado en el tramo correspondiente a Ia última velocidad. En el caso 4b sólo se ha variado Ia velocidad de avance, pero se obtendría un comportamiento similar cambiando Ia velocidad de corte o ambas (aunque no son casos frecuentes).
De acuerdo con estas definiciones, y de acuerdo con el invento, se definen a su vez cinco magnitudes que son sensibles a Ia formación de rebaba (Figura 5):
• Mínimo relativo (N) después de Ia salida de Ia herramienta. Se mide el mínimo en Ia "Zona de salida" (Minimun) y se divide por el nivel de referencia (Reference Level).
N = Minimun/Reference Level
Si este mínimo es demasiado alto indica que Ia rebaba está fuera de los requerimientos.
Esta magnitud es Ia que mejor detecta las señales asociadas a rebabas muy grandes.
• Anchura (Width, W) de las perturbaciones en Ia "Zona post-salida". Si es demasiado grande indica rebaba fuera de requerimientos.
• Altura (Height, H) de las perturbaciones en Ia "Zona postsalida". Si es demasiado grande indica rebaba fuera de requerimientos.
• Pendiente (Slope, S) de Ia curva durante Ia salida de Ia herramienta. Si es pequeña rebaba fuera de requerimientos.
Las 3 últimas (W, H, S) son las más interesantes para rebabas intermedias, cercanas a los umbrales permitidos en el sector aeronáutico.
• Máximo relativo (M) antes de Ia salida de Ia herramienta. Para calcularlo se mide el máximo de Ia señal en un cierto rango antes
de Ia salida de Ia herramienta (Maximun) y se divide por el promedio de Ia señal durante el tiempo de corte (Reference Level):
M = Maximun/Reference Level
Si este máximo es demasiado alto indica que Ia rebaba está fuera de los requerimientos.
Esta es Ia magnitud menos interesante, ya que se incumple en una proporción muy baja de casos, aunque para procesos muy rigurosos es también útil.
Las características H y W están más allá de Ia propia operación de taladrado, ya que el intervalo en el que se calculan incluye el retroceso del cabezal. Una vez hecho el agujero, Ia broca sale una cierta distancia más allá de Ia superficie de salida y retrocede rápidamente. Idealmente ya no debería cortar durante este tramo de Ia señal y por tanto el par debería adquirir valores próximos a cero. Sin embargo, en muchas ocasiones aparecen perturbaciones, que indican una formación no deseada de rebaba. De ahí que también sea necesario tener en cuenta estas magnitudes.
c) Calibración del sistema de monitorización
Una vez desarrollado un algoritmo para calcular automáticamente los atributos sensibles a Ia formación de rebaba se procede a calibrar el sistema de monitorización:
• Se establece un proceso fijado de taladrado en el que se fija el valor de las variables del proceso en las condiciones de
producción que interesen al usuario (máquina, herramienta, parámetros del proceso, etc).
• Se establece Ia máxima altura de rebaba admitida a partir de los requerimientos del usuario.
• Se establece un plan de ensayos en las condiciones del proceso fijado.
• Se realizan los ensayos y en cada uno de ellos se capta Ia señal procedente del regulador asociado al motor del cabezal.
• Se miden mediante un método directo estándar (rugosímetro, microscopio, etc.) las alturas máximas alcanzadas por Ia rebaba a Ia salida de cada agujero. Se obtendrán diferentes niveles de rebaba.
• Se implementa un algoritmo para calcular los atributos descritos (N, W, H, S, M) a partir de las señales capturadas en los ensayos de calibración.
• Dependiendo del valor de altura máxima admitida se deberán uno o varios de estos atributos:
" Si los requerimientos en altura máxima de rebaba no son excesivamente rigurosos el parámetro fundamental es el valor del mínimo relativo (N).
" Si los requerimientos en altura máxima de rebaba son muy rigurosos se deberá utilizar el valor de anchura y altura de las perturbaciones y Ia pendiente (W, H y S). Además se puede incluir el
valor del máximo relativo (M), aunque el porcentaje de agujeros que incumplen esta condición es muy bajo.
• Por comparación con las medidas directas de rebaba en cada agujero se determina los atributos que se van a utilizar.
• Se diseña un método para monitorizar rebabas por encima de los requerimientos:
" Puede establecerse un valor de comparación para cada uno de los atributos elegidos por diferentes métodos estándar: mínimo que satisface los requerimientos, ajuste lineal por mínimos cuadrados, métodos de lógica borrosa, etc. La rebaba será aceptable si se cumple sucesivamente: N < Nc, M < Mc, W< Wc, H < Ho, S > Sc, (si no se eligen todos los atributos, se sigue el mismo orden para los elegidos).
" Igualmente se puede diseñar y entrenar una red neuronal que utilice como entradas los atributos elegidos, entre otros (puede ser útil por ejemplo utilizar los parámetros de proceso como entradas con el fin de generalizar Ia validez de Ia red a diferentes condiciones de proceso) y como una salida de Ia red se tomará el nivel de rebaba, que puede adoptar varios niveles definidos por el interés del usuario.
Una vez desarrollado el algoritmo se ¡mplementa en el control. Las señales se capturan continuamente durante el taladrado y en el caso de que alguno de los agujeros no cumpla con los requerimientos se avisará al operario o se guardará un histórico para adoptar las medidas apropiadas, por ejemplo, desbarbar únicamente esos agujeros con altura de rebaba por encima de los requerimientos establecidos.
Ejemplo:
• Hemos considerado una broca TF B105 de Kennametal de diámetro 10mm sobre placas de aluminio Al 7075-T6 de espesores 12 y 25mm.
• No se ha utilizado lubricante (taladrado en seco).
• El rango de parámetros de proceso es el siguiente:
" Velocidad de corte: 150-250 m/min.
• Velocidad de avance: 0.2-0.5 mm/rev.
• Se ha utilizado un fondo de escala de un 200% para Ia señal de voltaje extraída de los reguladores.
• Se ha fijado el límite de altura de rebaba aceptable en 1 27 mieras (Hb).
• Se han capturado las señales con una frecuencia de muestreo de 5000 Hz. Se ha representado Ia señal en función de Ia profundidad del agujero, es decir, se ha convertido el tiempo en profundidad (mm), tomando como cero el punto donde Ia broca toca el material.
• El rango utilizado para calcular el máximo y mínimo relativo (M y N) se ha establecido en + /- 4mm entorno al punto de salida de Ia broca, equivalente al espesor del material. Por tanto, este rango incluye unos milímetros antes de que Ia broca salga del material, Ia caída en el voltaje que coincide con Ia salida de Ia herramienta y un tramo después de Ia salida. En Ia Figura 4 este rango entorno al "Punto de salida" corresponde a Ia "Zona pre-salida" y Ia "Zona de salida".
• La altura y anchura de las perturbaciones (H y W) se ha calculado en el rango que va del "Punto de salida" de Ia broca hasta que el cabezal decelera, incluyendo el retroceso del cabezal, es decir en Ia "Zona post-salida" de Ia Figura 4.
« La pendiente se ha ajustado por mínimos cuadrados en Ia
"Zona de salida", más concretamente calculando el rango en el que el valor del torque disminuye monótonamente.
• La transformación de voltios a unidades de Torque para Ia máquina utilizada es:
V τ {V) - T N {N . m)
donde TN = 16.97 (N m) es el torque nominal de Ia máquina equivalente a 5 (V) y VT es el voltaje medido del regulador del cabezal.
• Los valores de comparación establecidos son:
" Mc = nivel de referencia + 1 (V).
Se ha implementado un algoritmo eliminatorio, de manera que han de satisfacerse sucesivamente: N < Nc, M < Mc, W<Wc,
H < Hc, S>Sc. Si una condición no se satisface no es necesario calcular las siguientes- Con estos valores Ia capacidad de predicción del algoritmo de monitorización es de un 92%.
En Ia Figura 6 se muestran varios ejemplos de señales con distinto nivel de rebaba.
a) Velocidad de corte = 150 m/min, avance = 0.2 mm/rev.
b) Velocidad de corte = 150 m/min, avance = 0.3 mm/rev.
c) Velocidad de corte = 150 m/min, avance = 0.2 mm/rev.
d) Velocidad de corte = 1 50 m/min, avance = 0.3 mm/rev.
Los resultados obtenidos son los siguientes para cada uno de los atributos:
Signal M N H W S HB (μm) Output
(a) 0.12 0.39 - - - 315 Bad
(b) 0.57 0,08 1.44 10.9 56° 148 Bad
(c) 0.31 0.03 0.52 0 35° 183 Bad
(d) 0.46 0.05 0.78 0 57° 80 OK
donde HB es Ia rebaba medida en el agujero y Output es Ia salida del algoritmo de monitorización.
Normalmente los peores niveles de rebaba se manifiestan en una señal muy irregular, donde el mínimo a Ia salida M es muy alto (ejemplo de Ia Figura 6a). En ese caso ya no es necesario calcular los demás atributos.
Conclusiones
En este invento se ha desarrollado el primer método de monitorización de rebabas durante el taladrado. El algoritmo está basado en el análisis de las señales procedentes del regulador del motor del cabezal. Esto facilita y abarata Ia implementación del método en el control para utilizarlo de forma automática. La fiabilidad de este método está por encima del 92% para un rango de parámetros extenso en condiciones de alta velocidad de taladrado en seco para aleaciones de aluminio, por ejemplo, Al 7075-T6.