MONITOREO DE LA CONDICION DE UNA HERRAMIENTA DE CORTE MEDIANTE SENSORES DE FIBRA OPTICA

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1 MONITOREO DE LA CONDICION DE UNA HERRAMIENTA DE CORTE MEDIANTE SENSORES DE FIBRA OPTICA Guillermo de Anda Rodríguez CIDESI-Instituto Tecnológico de S.L.P. Eduardo Castillo Castañeda Universidad Autónoma de Querétaro RESUMEN: El monitoreo del desgaste y fractura, como papel importante en la predicción de la vida de la herramienta, ha sido estudiado por muchos investigadores por un largo período de tiempo. (Taylor 1907), (Wu 1964), (Dornfeld 1987), (Chryssolouris 1995). En el presente trabajo el desgaste sufrido por las herramientas de corte será estimado directamente utilizando un sensor de fibra óptica con características de alta resolución y un gran ancho de banda. El sensor podrá medir la distancia entre la salida del haz de luz y la herramienta, a través de dos grupos de fibras ópticas distribuidas en una configuración aleatoria, un grupo trasmitirá luz y el otro recibirá la luz reflejada por la superficie de la herramienta. La luz emitida por este sensor se generará desde un fotodiodo, lo que evita daños en la salud, siendo segura comparada con los sensores de luz láser. Esa técnica permitirá observar en tiempo real el desgaste de la herramienta mientras ésta se encuentra rotando y con una exactitud y precisión menor a una micra. ABSTRACT The monitoring of the wear and fracture, as important paper in the prediction of the life of the tool, it has been investigated by many investigators by a long period of time. (Taylor 1907), (Wu 1964), (Dornfeld 1987), (Chryssolouris 1995). In this work the wear suffered by the cutting tools will be dear directly using a fiber optic sensor with characteristic of high resolution and a great band width. The sensor will be able to measure the distance between the exit of the sheaf of light and the tool. The sensor will have two groups of optic fibers distributed in a random configuration, a group will transmit light and the other one will receive the light reflected by the surface of the tool. The light emitted by this sensor was generated from a photodiode, what avoids damages in the health, being safe bought with the laser sensors. This technique will allow to observe in real time the wear of the tool while this is rotating and with a very accuracy.

2 1 INTRODUCCION Es un hecho ampliamente conocido que la efectividad de las máquinas herramientas, se relaciona a problemas, respecto al husillo de la herramienta o fractura de la herramienta. Un criterio que opera de manera importante, para atacar el problema de productividad, es la condición de operación de la herramienta de corte y el proceso de corte. Las herramientas de corte estropeadas llevan a reducir directamente la capacidad del proceso, si los resultados del proceso se reducen, también se reduce la calidad del producto. La fractura es más que un solo problema, ya que hay la necesidad de reemplazo, lo que se refleja en las pérdidas del tiempo de proceso y en el aumento adicional de tiempos, así como con una interrupción severa de la capacidad de proceso y de la calidad del producto. Estos problemas pueden complicarse, con la adopción de materiales más extremos. Éstos tienen a menudo una necesidad de velocidad más alta en los procesos de mecanizado y utilizan tecnologías y herramientas de corte más avanzadas. No siempre es posible adoptar las reglas comúnmente aplicadas para evaluar la condición de la herramienta y optimización del proceso. Bajo estas condiciones, se necesita sin embargo, hacer que las velocidades de el husillo trabajen en forma óptima, en función de los avances tecnológicos en el mecanizado ofrecido por las máquinas herramientas especiales. El Monitoreo la condición de operación de las herramientas de corte utilizadas dentro de estas circunstancias se vuelve una parte vital del proceso para mejorar los niveles de productividad. Gran parte de la investigación se ha dedicado a la tarea del monitoreo de la herramienta de corte. Mucho de este trabajo se ha encaminado a poner a punto el funcionamiento adecuado de la herramientas, respecto a las condiciones que se detectan durante el proceso del monitoreo. Existen varias técnicas que se han desarrollado para el monitoreo en línea del desgaste de la herramienta o su rotura. El método más común es el monitoreo de la corriente eléctrica del motor de husillo principal de la máquina. Cuando esta corriente excede un valor predefinido, el proceso de maquinado es parado automáticamente enviando un mensaje al operador para que revise el sistema o cambie la herramienta [1]. Un segundo método, que ha sido utilizado con éxito por varias empresas, es el monitoreo de la señal acústica emitida y producida durante el proceso de corte. Igual que el método anterior, cuando la señal alcanza un límite predefinido se detiene inmediatamente el proceso de corte. En la Technical University of Warsaw se desarrolló la técnica para detectar fallas en la herramienta utilizando análisis estadísticos de la señal acústica. Igualmente en la Technical University of Chemnitz, también han usado el método de la emisión acústica para estimar la calidad de la superficie maquinada. La emisión acústica es una oscilación de frecuencia muy alta, la deformación ocurre cuando los metales están cortados o fracturados. Generalmente se acepta que la emisión acústica se une al proceso de la deformación plástica, que ocurre durante la formación de la rebaba debido a la interacción entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte. La dificultad que presenta este método en el proceso de maquinado intermitente, es muy alta, dado que el pulso que se genera a la entrada y salida de cada diente de la herramienta en la pieza de trabajo es posible que la magnitud de estos pulsos sea equivalente a aquéllos generados durante las fracturas del diente [3] En el Mechanical Engineering Laboratory in Tsukuba, Japón, se desarrolló la técnica del monitoreo de la fuerza de corte. En esta técnica, se obtiene normalmente una señal de fuerza de corte, montando un dinamómetro durante el proceso de mecanizado. Estos dinamómetros miden la fuerza cortante rotacional en tres direcciones perpendiculares, el eje X, el eje Y y eje de Z. Durante el movimiento en el eje de Z la componente de fuerza cortante proporciona información pequeña, pero los ejes X, Y, envían señales para permitir planear el proceso. El dinamómetro se sujeta entre la pieza de trabajo y la mesa de trabajo, estableciendo las integraciones entre los parámetros secundarios del mecanizado y la fuerza cortante. Las características físicas del dinamómetro pueden limitar el tamaño físico de la pieza de trabajo, así como su costo [3,4]. En la University of Paderborn, Germany se presentó un sistema multisensor basado en una red neuronal para monitorear diferentes variables correlacionadas con la condición de la herramienta

3 después del corte, Estos sensores, se relacionan con los modos de fallas en la máquina herramienta así como con el sistema hidráulico y de lubricación [1]. La estrategia de todos los trabajos anteriores ha sido la implementación de métodos indirectos para estimar la condición de la herramienta, basados en el monitoreo de señales físicas que están correlacionadas con el desgaste y la fractura. Para incrementar la efectividad de los métodos anteriores se han propuesto técnicas basadas en el monitoreo de la fuerza de corte y la medida del desgaste utilizando sistemas de visión. Se han estimado curvas de desgaste de la herramienta de una manera experimental. En el Mechanical Engineering Laboratory in Tsukuba, Japón se han desarrollado métodos directos de monitoreo para detectar fallas y desgaste en la herramienta utilizando sensores de rayo láser. Recientemente se han desarrollado métodos utilizando fibras ópticas con las técnicas de interferencia, polarización y modulación de onda. Actualmente en la Universidad Autónoma de Querétaro. se está desarrollando la técnica de modulación de intensidad de la luz, utilizando fibras ópticas con sensores de desplazamiento [5]. 2 DESCRIPCIÓN DE EQUIPO PARA LA EXPERIMENTACIÓN Se utilizó un sentor KD-300 fabricado por Mechanical Technology Inc. con control manual de intensidad y +/- 10voltios como señal de salida con distribución de fibras ópticas de forma aleatoria ( fig. 1). Un osciloscopio Tektronic THS710A 60 Mhz Scope DMM con adquisición de señal en tiempo real a 250 µ s/s, ( fig. 2) Centro de maquinado vertical ( VMC) SHIZUOKA MILL MASTER ( fig.3) Figura 1. Sensor de fibra óptica

4 Figura. 2 Osciloscopio Tektronic (Adquisitor de señal) 3 DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO Una vez que se tiene la herramienta a la que se desea determinar el desgaste y fractura (monitorear), montada en la máquina herramienta, se procede a sensarla (fig. 5) por medio del sensor de fibras ópticas (fig. 1).Este sensor esta compuesto por varia025s fibras ópticas, algunas de ellas emiten y otras reciben la luz reflejada de la herramienta de corte. Este sensado se realiza con una velocidad de giro de la herramienta de 600 rpm ( 10 Hz). Dado que el sensor mide la proximidad de la herramienta en señales de salida en voltaje, tal señal se adquiere por medio del osciloscopio digital (fig. 2) el cual realiza una adquisición a 25 K s/s. Estas señales son procesadas en la computadora con ayuda del programa MATLAB, para visualizar el perfil de la herramienta monitoreada (fig 4) Figura. 3 VMC SHIZUOKA

5 MAQUINA HERRANIENTA SENSOR DE FIBRA OPTICA. ADQUISICIÓN DE SEÑAL PROCESAMIENTO DE SEÑAL GEOMETRÍA DE LA HERRAMIENTA DE CORTE Figura 4 Etapas del monitoreo de herramientas de corte 4 RESULTADOS La cantidad de luz reflejada por la herramienta y transmitida por las fibras ópticas, fue captada por el sensor de fibras ópticas (fig 1, fig. 5) determinando su curva de operación (fig, 6) la cual en función de la distancia de la herramienta al sensor proporciona un nivel de voltaje, con ayuda de MATLAB se procesa la señal, y las gráficas obtenidas se convierten del sistema cartesiano al polar (fig. 7), ésta representa la variación de voltaje en función del tiempo, con ello se miden los cambios de longitud entre el sensor y la herramienta. Con esta información, se logra la reconstrucción del perfil de la herramienta, verificando la condición de la herramienta de corte, apreciando la fractura y el desgaste del diente de corte (fig. 8). Se puede apreciar la herramienta sin desgaste (fig. 9) y al compararla con la figura 8, de determina la condición de la herramienta. Con lo que se propone un método directo y novedoso en el monitoreo de herramientas de corte, basado en la aplicación de un sensor de fibra óptica con inmunidad a las señales magnéticas o electrostáticas Figura 5 Sensado de la herramienta

6 Voltaje Distancia de la Hta al Sensor (Pulg) Fig. 6 Curva de calibración del sensor Figura 7 Variación de distancia-tiempo (Rectangular)

7 Figura 8 Variación de distancia-tiempo (Polar) Figura 9 Herramienta monitoreada

8 CONCLUSIONES Continuando con el desarrollo de sistemas industriales eficaces y que requieren un grado mayor de optimización del proceso, se ha desarrollado un método experimental y novedoso para determinar el desgaste y fractura de las herramientas de corte, en el proceso de macanización (en línea), capaz de sensar y determinar la condición de la herramienta de corte, aplicando sensores de fibras ópticas, en combinación con métodos de visión. Agradezco al Departamento de Instrumentación y Control de la Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ), al Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI), al Instituto de Investigaciones en Comunicaciones Opticas de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (IICO- UASLP);así como al Instituto Tecnológico de San Luis Potosí (ITSLP), por el apoyo que me brindaron para la presente investigación. BIBLIOGRAFÍA 1. Dimla, E. and Dimla, Snr., "Sensor signals for tool- wear monitoring in metal cutting operations-a review of methods", Intemational Joumal of Machine Tools & Manufacture", 40, 2000, pp Jemielniak, K. and Otman, O., "Catastrophic Tool Failure Detection Based on Acoustic Emission Signal Analysis", Annals ofcirp, Vol. 47/1, Meyer, W., Neumann, U., and H(}rl, H., "Acoustic Emission Measurement for Quality Control and Process Monitoring in Cutting Operations", Report of fue Technical University of Chemnitz, Faculty of Mechanical Engineering and Material Processing, Germany, Kasashima, N., Mori, K., and Taniguchi, N., "On line Failure Detection in Face Milling Using Discrete Wavelet Transform", Annals of the CIRP, Vol. 44, pp , Castillo Castañeda E On line wear detection study of milling tools using a displacement photonic sensor, Journal of Applied Research and Technology, México 2003.