Método de inspección no destructiva de piezas

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con métodos y dispositivos de inspección no destructiva de piezas.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

Son conocidos métodos y dispositivos de inspección no destructiva de piezas. La inspección no destructiva de piezas puede ser útil por ejemplo para realizar el mantenimiento periódico de piezas ya instaladas en una máquina, o para validar las piezas obtenidas de un proceso de fabricación.

US5886263A describe un método y un dispositivo de inspección no destructiva basado en ultrasonidos. El método comprende una primera etapa en la que se crea un modelo de elementos finitos de una pieza basándose en su geometría y en las propiedades de su material. A continuación, el método predice las frecuencias resonantes basándose en dicho modelo de elementos finitos. Posteriormente, el método ajusta el modelo de elementos finitos basándose en datos empíricos, obteniendo así un modelo de elementos finitos validado. El método mide entonces experimentalmente las frecuencias de resonancia de una pieza una vez ésta ha sido fabricada, y compara las frecuencias de resonancia experimentales con las obtenidas mediante el análisis del modelo de elementos finitos, almacenando en memoria los datos comparativos. El método realiza la inspección anterior a intervalos de mantenimiento, comparando los datos obtenidos en cada inspección con las frecuencias de resonancia de una pieza buena, indicando a continuación si se trata de una pieza buena o mala en base a las desviaciones entre ambas. EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es el de proporcionar un método de inspección no destructiva de piezas, según se define en las reivindicaciones.

El método de inspección no destructiva de la invención permite obtener las propiedades y características del material de una pieza en toda su geometría, es decir, tanto en la superficie de la pieza como en su interior.

El método comprende una primera etapa de creación de un modelo matemático que describa el comportamiento dinámico de una pieza a inspeccionar teniendo en cuenta la geometría de la pieza a inspeccionar y las propiedades del material en los distintos puntos de la pieza a inspeccionar representadas mediante un conjunto de parámetros.

El método de inspección no destructiva comprende además una etapa de excitación de la pieza a inspeccionar en al menos un punto de excitación de la pieza a inspeccionar y con una orientación de excitación, y una etapa de medición de la respuesta vibratoria de la pieza a inspeccionar en al menos un punto de medida y con una orientación de medida.

El método de inspección no destructiva de la invención se caracteriza porque comprende además una etapa de optimización de condiciones de contorno que se ejecuta a continuación de la etapa de creación del modelo matemático.

En la etapa de optimización de condiciones de contorno se ejecutan de manera iterativa las subetapas de selección de condiciones de contorno, a continuación la subetapa de obtención de formas modales y valores propios asociados a dichas formas modales para las condiciones de contorno previamente seleccionadas en la subetapa anterior, y una última subetapa de cálculo de la sensibilidad de los valores propios obtenidos en la subetapa anterior de la misma iteración a las propiedades y características del material de la pieza, para las condiciones de contorno seleccionadas en la subetapa de selección de condiciones de contorno de la misma iteración.

El método de inspección no destructiva de la invención comprende además una etapa de selección de formas modales que se ejecuta a continuación de la etapa de optimización de condiciones de contorno en donde se seleccionan las combinaciones de condiciones de contorno y formas modales para las cuales la sensibilidad de los valores propios a las propiedades y características del material de la pieza sea máxima.

El método de inspección no destructiva de la invención comprende una etapa de selección de al menos un punto de excitación, de la orientación de excitación, y de al menos un punto de medida y de la orientación de medida en función de las formas modales seleccionadas en la etapa de selección de formas modales, iniciándose a continuación la etapa de excitación.

El método de inspección no destructiva de la invención permite la determinación de las propiedades y características del material tanto en su superficie como en cualquier punto de su geometría interna mediante la utilización de un modelo matemático. En una realización preferente del método de inspección de la invención, el método matemático es un método matemático lineal.

El método permite determinar con precisión la existencia o no de un fallo en cualquier zona de la geometría de la pieza, y caracterizar el material en la zona en la que se ha producido el fallo, identificando las propiedades y características del material en dicha zona. El método permite la representación gráfica de las propiedades y características del material en tres dimensiones, preferentemente mediante tomografías.

El método de inspección no destructiva de la invención permite la obtención de las propiedades y características del material de la pieza en toda su geometría en menos tiempo que los métodos de inspección no destructiva conocidos en el estado de la técnica debido a que en el método se seleccionan unas condiciones de contorno, un conjunto de formas modales basándose en el modelo matemático y en las condiciones de contorno previamente seleccionadas, y también el punto de excitación, la orientación de excitación, el punto de medida y la orientación de medida en las que se llevará a cabo la inspección no destructiva de la pieza.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra un diagrama de flujo de las etapas de una realización del método de inspección no destructiva de la invención.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Figura 1 muestra en un diagrama de flujo las etapas del método de inspección no destructiva de piezas para la obtención de las propiedades del material de una pieza en toda su geometría de la invención.

El método de inspección no destructiva de piezas de la invención comprende una primera etapa de creación de un modelo matemático que describa el comportamiento dinámico de una pieza a inspeccionar teniendo en cuenta la geometría de la pieza a inspeccionar y las propiedades del material en los distintos puntos de la pieza a inspeccionar representadas mediante un conjunto de parámetros, tal y como se muestra en los bloques 1 y 2 de la Figura 1.

El método de inspección no destructiva comprende además una etapa de excitación de la pieza a inspeccionar en al menos un punto de excitación de la pieza a inspeccionar y con una orientación de excitación, tal y como se muestra en el bloque 8 de la Figura 1. El método de inspección no destructiva comprende a continuación una etapa de medición de la respuesta vibratoria de la pieza a inspeccionar en al menos un punto de medida y con una orientación de medida, tal y como se muestra en el bloque 9 de la Figura 1.

El método de inspección no destructiva de la invención se caracteriza porque comprende además una etapa de optimización de condiciones de contorno que se ejecuta a continuación de la etapa de creación del modelo matemático, tal y como se muestra en el bloque 5 de la Figura 1.

En la etapa de optimización de condiciones de contorno se ejecutan de manera iterativa las subetapas de selección de condiciones de contorno, a continuación la subetapa de obtención de formas modales y valores propios asociados a dichas formas modales para las condiciones de contorno previamente seleccionadas en la subetapa anterior de la misma iteración, y a continuación una última subetapa de cálculo de la sensibilidad de los valores propios obtenidos en la subetapa anterior de la misma iteración a las propiedades y características del material en toda la geometría de la pieza, o de parte de la pieza, para las condiciones de contorno seleccionadas en la subetapa de selección de condiciones de contorno de la misma iteración, tal y como se muestra en los bloques 51 , 52 y 53 de la Figura 1.

En una realización preferente del método de inspección de la invención, el cálculo de la sensibilidad de los valores propios asociados a las formas modales dará lugar a un vector de sensibilidad para cada valor propio, en el que cada elemento del vector es la derivada parcial del valor propio asociado a la forma modal con respecto a una propiedad local del material o a una característica local del material de la pieza, tal como las tensiones internas de ese material. Se considera una propiedad local del material de la pieza, a la propiedad del material en un punto determinado de la pieza. Del mismo modo, se considera una característica local del material de la pieza, a la característica del material en un punto determinado de la pieza.

El método de la invención permite focalizar la inspección en una o varias zonas o volúmenes concretos de interés de la geometría de la pieza. En función de las zonas o volúmenes a considerar en la inspección, en cada iteración, en la subetapa de selección de condiciones de contorno el método selecciona las condiciones de contorno más adecuadas para la identificación de las propiedades y características del material de la pieza en dichas zonas. Una vez seleccionadas las condiciones de contorno, a partir del modelo matemático se obtendrán las formas modales, sus frecuencias naturales y los valores propios asociados a dichas formas modales para las condiciones de contorno seleccionadas en la subetapa anterior de dicha iteración. Finalmente, para las condiciones de contorno seleccionadas y para cada una de las formas modales obtenidas en las subetapas anteriores de dicha iteración, se calculará la sensibilidad de los valores propios obtenidos a las propiedades y características del material en toda la pieza o en las zonas o volúmenes a considerar en la inspección, para las condiciones de contorno previamente seleccionadas.

En una primera ejecución de las subetapas de la etapa de optimización de condiciones de contorno del método de la invención, el método seleccionará unas primeras condiciones de contorno, obteniendo a continuación las formas modales asociadas a las primeras condiciones de contorno, y finalmente calculando la sensibilidad de los valores propios asociados a dichas formas modales, a las propiedades y características del material. En una segunda ejecución de las subetapas de la etapa de optimización de condiciones de contorno del método, el método seleccionará unas segundas condiciones de contorno, obteniendo a continuación las formas modales asociadas a las segundas condiciones de contorno, y finalmente calculando la sensibilidad de los valores propios asociados a las formas modales asociadas a las segundas condiciones de contorno, a las propiedades y características del material. La ejecución iterativa de las subetapas anteriores se realizará tantas veces como sea necesario para obtener las condiciones de contorno y formas modales óptimas para la inspección.

El método de inspección no destructiva de la invención comprende además una etapa de selección de formas modales que se ejecuta a continuación de la etapa de optimización de condiciones de contorno, tal y como se muestra en el bloque 6 de la Figura 1. En la etapa de selección de formas modales se seleccionan las combinaciones de condiciones de contorno y formas modales para las cuales la sensibilidad de los valores propios a las propiedades y características del material de la pieza sea máxima, siendo los valores propios para los cuales se calcula la sensibilidad, los correspondientes a cada combinación de condiciones de contorno y formas modales.

En una realización preferente del método de inspección de la invención, el método de inspección minimiza el número de modos necesarios para alcanzar la resolución espacial requerida, preferentemente mediante un análisis de componentes principales. Se considera un modo, la combinación de una forma modal con su valor propio asociado. La selección se realiza entre todas las combinaciones de condiciones de contorno y formas modales obtenidas en la etapa de optimización de condiciones de contorno, tal y como se muestra en el bloque 6 de la Figura 1.

El método de inspección no destructiva de la invención comprende una etapa de selección de al menos un punto de excitación, de la orientación de excitación, y de al menos un punto de medida y de la orientación de medida, tal y como se muestra en el bloque 7 de la Figura 1 , iniciándose a continuación la etapa de excitación. La selección de al menos un punto de excitación, de la orientación de excitación, y de al menos un punto de medida y de la orientación de medida se realiza en función de las formas modales seleccionadas en la etapa de selección de formas modales.

En una realización preferente, se utilizará el CAD de la pieza a inspeccionar para proporcional al modelo matemático la información sobre la geometría de la pieza a inspeccionar. En una realización preferente del método de inspección no destructiva de la invención, el modelo matemático será un modelo de elementos finitos (FEM). El modelo matemático describirá mediante una pluralidad de ecuaciones matemáticas el comportamiento dinámico de la pieza a inspeccionar. En dichas ecuaciones, el modelo matemático utilizará una pluralidad de matrices de valores de parámetros, de modo que cada matriz de valores de un parámetro representará una de las propiedades del material en la geometría de la pieza. Las propiedades del material representadas mediante cada uno de dichos parámetros comprenden entre otras la masa, la rigidez y el amortiguamiento en los distintos puntos de la pieza. Las características del material, aunque no se obtienen directamente de los parámetros del modelo matemático, sí se derivan de dichos parámetros. Las características del material comprenden las tensiones internas del material en diferentes direcciones en los distintos puntos de la pieza.

Mediante el método de inspección de la invención se pueden determinar las tensiones internas del material de la pieza a inspeccionar, lo cual supone una ventaja con respecto a los métodos de inspección no destructiva conocidos en el estado anterior de la técnica.

En una realización preferente la excitación será un barrido en frecuencia que excite mecánicamente la pieza en el rango acústico y/o en el de ultrasonidos, aunque en otras realizaciones la excitación podría ser un impacto o un ruido blanco. El barrido en frecuencia comprenderá las frecuencias naturales asociadas a las formas modales seleccionadas en la etapa de selección de formas modales del método de la invención. En otra realización del método de inspección de la invención, la excitación podría ser cualquier tipo de excitación con un ancho de banda suficiente que comprenda las frecuencias naturales de interés.

En el bloque 10 de la Figura 1 , el método de inspección no destructiva de la invención comprende, después de la etapa de medición, una etapa de resolución de los parámetros del modelo matemático en la que en función de las diferencias entre la respuesta vibratoria de la pieza obtenida en la etapa de medición y la respuesta proporcionada por el modelo matemático con los mismos puntos de excitación y orientaciones de excitación, y los mismos puntos de medida y orientaciones de medida, y con las mismas condiciones de contorno, se obtienen las propiedades y características del material de la pieza en toda su geometría. En la etapa de resolución de los parámetros del modelo matemático se obtienen los valores de las matrices de valores de los parámetros del modelo matemático, determinando por lo tanto las propiedades del material en la geometría de la pieza. Las características del material en la geometría de la pieza se derivan de los parámetros del modelo matemático.

En una realización preferente del método de inspección de la invención, para un modelo lineal se obtiene un sistema de ecuaciones lineales que relaciona la variación de los valores propios al cambio de las propiedades o características locales de la pieza. En dicho sistema de ecuaciones, las incógnitas son los valores de las propiedades y características locales del material en la geometría de la pieza.

En otra realización del método de inspección, el sistema de ecuaciones es indeterminado. En esta realización, las incógnitas del sistema de ecuaciones se optimizan utilizando métodos de optimización con restricciones, preferentemente métodos de compressive testing.

En una realización preferente del método de la invención, los parámetros del modelo matemático representan la masa, la rigidez, el amortiguamiento y/o las tensiones internas del material de la pieza.

En una realización preferente del método de inspección no destructiva de la invención, las condiciones de contorno comprenden la sujeción de la pieza en parte de su geometría.

En otra realización del método de inspección no destructiva de la invención, las condiciones de contorno comprenden la aplicación de una fuerza en uno o varios puntos de la geometría de la pieza.

En una realización preferente, el método de inspección no destructiva de la invención comprende una etapa de ajuste del modelo matemático en base a datos empíricos obtenidos de mediciones realizadas sobre piezas válidas obteniendo un modelo matemático validado, que se ejecuta a continuación de la etapa de creación del modelo matemático, tal y como se muestra en los bloques 3 y 4 de la Figura 1.

Se considera una pieza válida aquella pieza cuyo material tiene las propiedades y características esperadas, es decir, las correspondientes a una pieza fabricada sin errores. Sin embargo, se considera una pieza no válida, con error o con fallo, aquélla cuyo material tiene unas propiedades o características que no son las esperadas, ya sea en todo el volumen de la pieza o en una determinada zona de la pieza, ya sea en su superficie o en su interior. Cuando la inspección no se realiza como validación de la pieza tras su fabricación, sino como parte de su mantenimiento, se considera pieza válida aquella pieza cuyo material no ha visto modificadas sus propiedades y características debido al uso. Sin embargo, se considera una pieza no válida, con error o con fallo, aquélla cuyo material sí ha visto modificadas sus propiedades y características debido al uso, ya sea en todo el volumen de la pieza o en una determinada zona de la pieza, ya sea en su superficie o en su interior.

Antes de realizar las mediciones sobre piezas válidas del bloque 3 de la Figura 1 , es necesario verificar que dichas piezas tienen tanto la geometría como las propiedades y características de material precisas correspondientes a una pieza válida. Posteriormente, en el bloque 4 de la Figura 1 , las medidas obtenidas en el bloque 3 de la Figura 1 se comparan con las estimaciones proporcionadas por el modelo matemático, reconciliando ambas y obteniendo de ese modo un modelo matemático validado. Las medidas obtenidas y las estimaciones proporcionadas por el modelo matemático que se han de comparar han de ser con unas mismas condiciones de contorno, para una excitación realizada sobre el mismo punto de excitación y en la misma dirección, y medida en el mismo punto de medida y con la misma dirección.

En una realización preferente del método de inspección de la invención, las propiedades y características del material de la pieza inspeccionada se representan gráficamente mediante una tomografía. Mediante la tomografía, el método de la invención identifica, localiza y caracteriza el fallo o los fallos en la pieza inspeccionada, indicando dónde están y su magnitud, en base a las desviaciones en la respuesta en frecuencia medida con respecto a la respuesta proporcionada por el modelo matemático validado.

En una realización preferente del método de la invención, se utilizará un utillaje que permita la sujeción de la pieza en parte de su geometría, y/o la aplicación de una fuerza en uno o varios puntos de la geometría de la pieza. El utillaje facilitará la excitación de la pieza en al menos un punto de excitación con una orientación de excitación y la medida de la respuesta vibratoria de la pieza en al menos un punto de medida y con una orientación de medida. El utillaje puede ser adaptativo y automatizado. En una realización preferente, la automatización se realizaría mediante la utilización de brazos de robot orientables.

En una realización preferente del método de inspección no destructiva de la invención, el modelo matemático resuelve solamente el valor de uno o varios de los parámetros del modelo matemático validado, considerando conocido el valor del resto de parámetros del modelo matemático validado. En ocasiones, interesa obtener solamente el valor de una o varias de las propiedades o características del material de la pieza, es decir, interesa obtener solamente el valor de uno o varios de los parámetros del modelo matemático, dado que el proceso de fabricación de la pieza produce piezas en las que ciertas propiedades y características del material de la pieza son correctas, y los posibles fallos se concentran en ciertas otras propiedades y/o características de la pieza. En otras ocasiones, es el uso que se da a la pieza el que hace que ciertas propiedades y/o características del material de la pieza no se alteren, alterándose solamente algunas de las propiedades y/o características de esa pieza. Conocer el valor de algunos de los parámetros del modelo matemático validado permite reducir el tiempo de ejecución del método, dado que solamente se ha de obtener el valor de parte de los parámetros del modelo matemático validado.

En una realización preferente del método de inspección no destructiva de la invención, las condiciones de contorno son dinámicas. Ante una excitación en un mismo punto de excitación y una dirección de excitación, un mismo punto de medida y una dirección de medida, la repuesta vibratoria de la pieza cambia bajo condiciones de contorno dinámicas. La utilización de condiciones de contorno diferentes permite la realización de múltiples medidas con una excitación en un mismo punto de excitación y una dirección de excitación, un mismo punto de medida y una dirección de medida, proporcionando al método más información a la hora de resolver el valor de las matrices de valores de los parámetros en el sistema de ecuaciones del modelo matemático, lo cual permite reducir el tiempo de ejecución del método y una mayor precisión de los valores obtenidos para los parámetros del modelo matemático.

En una realización preferente del método de la invención, el modelo matemático es lineal. En la realización preferente del método de la invención, el modelo matemático es un modelo de elementos finitos.

En una realización preferente del método de la invención, el modelo matemático describe mediante una pluralidad de ecuaciones matemáticas el comportamiento dinámico de la pieza a inspeccionar, utilizando el modelo matemático una pluralidad de matrices de valores de parámetros, y representando cada matriz de valores de un parámetro una de las propiedades del material en la geometría de la pieza. En una realización preferente del método de la invención, la excitación utilizada en la etapa de excitación es un barrido en frecuencia que excita mecánicamente la pieza en el rango acústico y/o en el de ultrasonidos.

El método de la invención puede implementarse con un dispositivo de inspección no destructiva que comprende medios de procesamiento de información, medios de almacenamiento de información e interfaces de entrada y salida de información. Mediante los medios de procesamiento se crea el modelo matemático y se ejecutan las etapas del método. Para ello, los medios de procesamiento utilizan la información almacenada en los medios de almacenamiento de información, o la información proporcionada a través de los interfaces de entrada. La información proporcionada por el método de inspección se almacena en los medios de almacenamiento, y se representa gráficamente mediante los interfaces de salida.

Las medidas de la respuesta vibratoria de la pieza obtenidas en la etapa de medición pueden enviarse directamente al dispositivo de inspección no destructiva en el caso en el que el receptor de la señal de frecuencia esté directamente conectado a dicho dispositivo, o a través de una red de comunicaciones, la cual permite que la inspección de la pieza se realice en una localización remota a aquélla en la que se realiza el procesamiento de dichas medidas.

Del mismo modo, la información necesaria para representar gráficamente las propiedades y características del material de la pieza inspeccionada puede enviarse directamente a un interfaz de salida, o a un interfaz localizado remotamente, a través de una red de comunicación de datos.

La representación gráfica puede realizarse mediante una tomografía, o mediante otro tipo de representación conocido en el estado de la técnica que permita localizar en la geometría de la pieza el fallo o los fallos existentes en la misma, cuantificarlos y caracterizarlos.

La invención también se refiere a un método de fabricación aditiva de piezas en el que se aplica el método de inspección no destructiva de la invención. Así, el método de fabricación aditiva de la invención comprende al menos una etapa de testeo de la pieza a fabricar en la que se utiliza el método de inspección no destructiva de la invención.

El método de fabricación aditiva de la invención comprende preferentemente una pluralidad de fases de fabricación, de modo que después de cada fase de fabricación hay una etapa de testeo. La geometría de la pieza a fabricar mediante fabricación aditiva va cambiando según su fabricación avanza, de modo que al final de cada una de las fases de fabricación de la pieza a fabricar, la geometría de la pieza a fabricar es una geometría determinada, y distinta a la de la fase anterior. De este modo, el método de fabricación permite un monitorizado continuo del proceso de fabricación.

El método de fabricación aditiva de la invención comprende preferentemente una etapa de control del proceso de fabricación después de cada etapa de testeo. La etapa de testeo permite conocer las propiedades y características del material de la pieza a fabricar en la fase de fabricación en la que se encuentra dicho proceso en función de la respuesta vibratoria de la pieza. Luego, si las propiedades y características del material de la pieza a fabricar no son las esperadas, en la etapa de control del proceso de fabricación se puede controlar el proceso utilizando también la información de la respuesta vibratoria de la pieza, o incluso cambiar los parámetros de control del proceso de fabricación aditiva. Del mismo modo, en dicha etapa de control del proceso de fabricación se puede activar una alerta visual o sonora, o incluso se puede parar el proceso de fabricación.

En una realización preferente del método de fabricación aditiva de la invención se utiliza una estructura de apoyo para la pieza a fabricar, de modo que al crearse el modelo matemático del método de inspección no destructiva se tiene en cuenta dicha estructura de apoyo. Es decir, el modelo matemático que se crea en el método de inspección no destructiva describe el comportamiento dinámico del conjunto formado por la pieza a fabricar y la estructura de apoyo, teniendo en cuenta por tanto la geometría del conjunto formado por ambas, pieza a fabricar y estructura de apoyo, y las propiedades del material en los distintos puntos de dicho conjunto.

La estructura de apoyo utilizada en el método de fabricación aditiva de la invención está configurada para adaptarse a una disposición de una pluralidad de sensores de excitación y sensores de medida dispuestos en una mesa sobre la cual se posiciona la pieza a fabricar. Dicha pluralidad de sensores de excitación y sensores de medida pueden estar dispuestos en la mesa sobre la cual se va a fabricar la pieza. En una realización preferente del método de fabricación podrían utilizarse sensores de excitación y de medida adicionales, además de los sensores dispuestos en la mesa. Asimismo, en otra realización del método de fabricación podrían utilizarse solamente los sensores de excitación y de medida adicionales, sin utilizar por tanto los sensores dispuestos en la mesa. Para ello, se utilizará un utillaje que permita la excitación de la pieza en al menos un punto de excitación con una orientación de excitación mediante dicho sensor de excitación adicional y la medida de la respuesta vibratoria de la pieza en al menos un punto de medida y con una orientación de medida mediante dicho sensor de medida adicional. El utillaje puede ser adaptativo y automatizado. En una realización preferente, la automatización se realizaría mediante la utilización de brazos de robot orientables.

En una realización preferente del método de fabricación aditiva de la invención, la estructura de apoyo es una guía de ondas. En una realización preferente del método de fabricación aditiva de la invención, el modelo matemático del método de inspección no destructiva tiene en cuenta la temperatura de la pieza a fabricar. Durante la fabricación de la pieza, cuando el material se deposita sobre un punto de la pieza, dicho punto adquiere una temperatura elevada que con el tiempo va progresivamente disminuyendo hasta alcanzar una temperatura final estable, de modo que los distintos puntos de la pieza van cambiando de temperatura según su fabricación avanza. Las propiedades del material con el que está siendo fabricada la pieza cambian además con la temperatura. Por todo ello, el modelo matemático tiene en cuenta la variación de la temperatura en los distintos puntos de la pieza a fabricar para determinar las propiedades del material en los distintos puntos de dicha pieza a fabricar.