Trabajo Práctico Especial de Señales y Sistemas: ANÁLISIS DE SEÑALES DE EMISIÓN ACÚSTICA, MONITOREO DE CONDICIÓN DE LA HERRAMIENTA DE UN TORNO 1 16 de noviembre de 2004 Objetivo El análisis de señales de Emisiones Acústicas (EA) es un campo de investigación actual que se inició hace varias décadas. Los primeros trabajos sólo eran para detectar la presencia de un número importante de emisiones que podían indicar la inminente falla catastrófica de una estructura. En la actualidad los progresos en la detección y sobre todo en el análisis de las señales han convertido a esta técnica en una herramienta sofisticada para discriminar entre distintos mecanismos de falla, ubicar el inicio de fractura, detectar tempranamente desgaste de herramientas, pérdidas en tuberías etc. Los procesos generados por este tipo de eventos, dan origen a señales elásticas que se propagan dentro del material y que tienen un rango de ultrasonido. Cuando estas señales alcanzan la superficie pueden ser medidas por sensores adecuados y luego estudiadas por los métodos de análisis de señales. En este trabajo práctico analizaremos señales de monitoreo de un torno, que nos permitirán anticipar el momento de máximo desgaste de la herramienta. El contenido específico del TP es: Observación y análisis de las señales de emisión acústica y detección cualitativa del tipo de eventos contenidos mediante un análisis tiempo frecuencia. Parametrización del momento de máximo desgaste estructural de la herramienta. Requisitos para la aprobación: El presente Trabajo Práctico Especial será evaluado con nota, la cual tiene participación en el cálculo de la nota de la cursada y final de la materia (ver reglamento de la materia). 1 Las señales de este TP fueron extraídas y adaptadas a partir de un trabajo más completo realizado por el Grupo Ondas Elásticas, Unidad de Actividad Ensayos No Destructivos y Estructurales, Comisión Nacional de Energía Atómica. 1
Este trabajo práctico será evaluado exclusivamente en las fechas indicadas en el calendario y en el turno en el cual el alumno se halle inscripto. Se dispondrá de dos fechas de evaluación de las cuales el alumno deberá optar por una de ellas. Bajo ningún concepto se podrá rendir en ambas fechas. Es aconsejable rendir en la primera fecha y dejar la segunda solo para eventuales imponderables (problemas personales, fallas técnicas en la impresión del tp, etc) ya que no habrá posibilidad alguna de rendir fuera de las mismas. La evaluación del tp es individual y se hará en forma oral o escrita por los docentes auxiliares. Puede incluir preguntas sobre: - Items particulares sobre los ejercicios de esta guía y su implementación en Matlab. - Conceptos teóricos necesarios para realizar los ejercicios. Puede requerirse también al alumno que implemente alguno de los ejercicios o similares en la computadora en el momento de la evaluación. Por lo tanto el alumno debe presentarse el día de la evaluación con: * Esta guía. * Las soluciones a los problemas planteados: Cuando el problema requiera una implementación, la misma debe estar adecuadamente descripta y debidamente justificada. Es decir, si es necesario justificación teórica esta debe estar desarrollada. Si se pide una implementación práctica la misma debe estar adecuadamente documentada de modo que el docente pueda constatar que las especificaciones requeridas se cumplen. Esto incluye la presentación del programa de MATLAB utilizado, y los gráficos necesarios para mostrar los resultados obtenidos. Los programas de MATLAB deben incluirse en la presentación impresos y en medio legible por la computadora (disquete, CD, mail). Todos los gráficos deberán tener título, comentarios en ambos ejes sobre la unidad a representar y el eje de abscisas debe estar en unidades de tiempo o frecuencia según corresponda. Nota del trabajo práctico especial: vendrá dada por (ver reglamento): 0: Tp no entregado, con errores conceptuales o errores en la evaluación que evidencien la no realización personal del trabajo práctico. 40: Tp en el que el alumno cumple con los mínimos requisitos de aprobación 70: Tp en el que el alumno realiza y demuestra conocimiento de todos los puntos solicitados. 100: Tp en el que el alumno demuestra una clara conceptualización del trabajo realizado y excede las pautas básicas solicitadas. 2
1. Introducción La Emisión Acústica (EA) es el fenómeno por el cual se generan ondas elásticas transitorias en los materiales, debido a la rápida liberación de energía a partir de fuentes localizadas. En general el origen de esta liberación de energía corresponde a eventos de interés tales como movimiento de dislocaciones (en los metales), deformación (en las pruebas de la fabricación de aceros), fractura de inclusiones, creación y propagación de fracturas de rocas o metales o de estructuras que deberían mantener su integridad (un tanque o el ala de un avión por ejemplo), llegada de la herramienta a un cambio de densidad en el material (pozos de petróleo) etc, etc. La energía que se propaga en el material, llega eventualmente a la superficie y puede ser detectada por transductores piezoeléctricos, dando lugar a señales eléctricas que son las señales de EA. Estas señales son en realidad muestras de procesos estocásticos. Mediante el estudio de tales señales es posible inferir propiedades del estado de los materiales, envejecimiento, distancia de la fuente de producción del evento a la superficie, tipo de evento (deformación, fractura) que produjo esa señal, etc. En este trabajo práctico el fenómeno de Emisión Acústica EA será utilizado para monitorear la integridad de herramientas en procesos industriales en servicio. Mediante el análisis de la señal de EA será posible predecir el momento en el cual la herramienta está entrando en su punto de desgaste máximo. Este tipo de análisis tiene la ventaja importante de que es posible aplicarlo sin mayores intrusiones en el sistema, y sin poner a la herramienta fuera de servicio para su realización, formando parte de lo que se denomina en análisis de señales Ensayos no Destructivos. 2. Obtención de las señales Figura 1: Disposición experimental. El sistema de EA utilizado fue MISTRAS 2001 de Physical Acoustics Corporation (PAC). Las ondas de EA provenientes del proceso se convirtieron en señales eléctricas por medio de un sensor piezoeléctrico y luego las mismas fueron amplificadas por medio de un preamplificador de 40dB y medidas con la placa AEDSP-32/16B. El sensor se coloca con una cera acoplante sobre la 3
parte posterior del soporte de la muestra. El rango de las frecuencias de interés (ultrasonido) es significativamente más alto que las correspondientes a las vibraciones y a los ruidos ambientales, y por tanto se aplicó un filtro pasa-banda 20 khz - 1200 khz a la señal, la cual fue digitalizada a 4 Megasamples por segundo y una resolución de 16 bits. La Fig. 1 muestra la disposición experimental. 3. Fenómenos de generación de las señales En la Fig. 2 se muestra un esquema del detalle del trabajo de la punta del torno sobre un material. Es común dividir los tipos de deformaciones por zonas, para luego hacer un modelo matemático de la producción de la señal en cada una: Figura 2: Zonas de deformación. Zona de deformación primaria: la herramienta de corte, mientras se acerca cada vez más al material y aumenta la presión sobre el mismo, produce el corte del material que está frente a ella. La viruta formada se mueve avanzando por encima de la herramienta y se deforma parcialmente. Zona de deformación secundaria: se encuentra en la interfaz viruta/herramienta donde ocurre abrasión y deformación parcial. Zona de deformación terciaria: es donde ocurre la abrasión entre la nueva superficie generada por el despegado de la viruta y el borde cortante. De este modo se considera (por distintos autores) que las principales fuentes de EA en el maquinado de metales son los procesos de deformación y fractura. Se debe mencionar además que también hay fuentes espúreas de señales que no están relacionadas a la condición de la herramienta como por ejemplo la separación y caída de la viruta, tanto continua como discontinua, y el consiguiente impacto sobre la herramienta. 4
4. Descripción del tipo de señales del ensayo La EA ocurre en forma de bursts, lo que se traduce como eventos, cuyos parámetros están definidos en la Fig. 3. Se trata entonces de un conjunto de señales que son paquetes de ondas que se solapan o no, que tienen un amplio rango de frecuencias, y provienen de un fenómeno global muy complejo de generación, propagación y detección de ondas elásticas. El fenómeno se puede describir como estocástico y no estacionario, por lo cual sólo son aplicables métodos de análisis en el plano tiempo frecuencia. La energía elástica es emitida como una secuencia de eventos. Parámetros de cada evento: Amplitud: Pico máximo de la señal. Duración: Tiempo entre el primer y el último cruce del umbral. Número de cuentas: Número de veces que la señal cruza el umbral. Energía: Área bajo la envolvente del evento de EA. Rise-time: Tiempo entre el primer curce del umbral y el pico. Parámetros de cada ensayo Número de eventos SEÑAL TÍPICA DE AE Energía acústica total registrada durante la carga del material. Fronteras. 19-21 Dic. 2002 Actividad de EA Figura 3: Parámetros que se definen en un evento de EA. Sobre una señal de EA es posible efectuar diversos niveles de análisis. El análisis más simple posible consiste en la detección de los eventos y la cuenta de los mismos. Una primera detección es llevada a cabo en el sistema de adquisición mismo, puesto que el sistema solo almacena señales cuando se supera cierto umbral de energía. De allí en adelante llena su buffer (0.25 seg), y vuelve a esperar la presencia de otro evento. Ejercicios: 1. Las señales disponibles en la página web de la materia son una secuencia de ensayos realizados a través del tiempo. Cada una de esas señales corresponde además a la concatenación de varias de las muestras de 0.25 seg que realiza el sistema. Se pide realizar una identificación cualitativa dentro de las mismas de los eventos presentes. 2. Detecte (si existieran) en cada señal la presencia de un golpe de viruta sobre la herramienta y deséchelo. Otro tipo de análisis podría apuntar a medir los parámetros de cada evento, y ver la evolución de los mismos en función del tiempo para poder caracterizar de este modo el estado de la 5
herramienta. Por ejemplo, existe un incremento de la duración de los eventos hasta alcanzar un punto máximo, luego del cual nuevamente la duración empieza a decaer. Este punto puede ser tomado como referencia para indicar una condición extrema de la herramienta. En ese punto la señal es prácticamente sinusoidal. Se puede decir que hasta este punto la herramienta era joven todavía, pero a partir de ese momento comienzan una serie de eventos importantes que determinarán su posterior desgaste hasta el punto en que ya no sirva más. Los ensayos suministrados terminan cuando la herramienta alcanza el grado de deformación máximo permitido, que se determinó por observación al microscopio de la herramienta con al norma ISO 3685. Ejercicios: 3. Implemente la medición de (algunos de) los parámetros de los eventos mencionados anteriormente. 4. Determine en base a los parámetros anteriores una medición cuantitativa del momento de máxima estacionariedad de las señales. 5. Pautas para la realización del TP El TP que se presenta es de realización abierta. Es decir, se considera que a partir de lo estudiado en las teóricas y en las clases prácticas el alumno debería haber alcanzado un punto de madurez en el manejo de las señales que les permita proponer sistemas capaces de determinar los parámetros solicitados. Es deseable que se muestre en la realización del TP que los métodos elegidos son lo más simple y al punto posible. Pero también es deseable que el alumno muestre que el diseño de sus sistemas fue evaluado como el mejor entre una serie de posibilidades, por ejemplo: determinación de la energía de la señal en el tiempo o en la frecuencia. Igualmente se evaluará como muy positivo que el alumno encuentre otros parámetros de las señales distintos de los tradicionales detallados en la Fig. 3, y que también permitan caracterizar el grado de máxima estacionariedad. Para la parte cualitativa de análisis de las señales no se debe presentar un informe gráfico de cada señal, sino mediante uno o dos de estos gráficos mostrar que se tiene el criterio para realizar la identificación de los eventos pedidos. Recordar asimismo que un informe esquemático, conciso y al punto puede también expresar un conocimiento acabado de los temas y es mejor leído por el docente a la hora de realizar la evaluación. 6