ES2222836B1 - Sistema de muestreo de las fuerzas de corte en procesos de mecanizado de piezas de geometrias complejos. - Google Patents

Abstract

Sistema de muestreo de las fuerzas de corte en procesos de mecanizado de piezas de geometrías complejas. Consiste en la obtención de los mapas de fuerza de corte que surgen durante el mecanizado de una pieza simple o compleja en función de la geometría de la misma y comprende la unión de una mesa dinamométrica (1) para la captación de la fuerza de corte (8) en sus tres componentes, y una conexión (7) a la máquina herramienta (6) que recoge las posición (9) en sus tres coordenadas, de la herramienta correspondientes a cada instante de la aplicación de las fuerzas de corte. Las señales de fuerza,(8) y posición (9) se someten a muestreo y se registran conjuntamente en una tarjeta de adquisición de datos (4). Tras el mecanizado de una pieza, el fichero de fuerzas-posiciones se postprocesa, dando lugar a diferentes mapas de vectores y cromáticos donde de forma intuitiva para el usuario se muestran las componentes de la fuerza, o magnitudes relacionadas, en el espacio X,Y,Z donde se produjeron, oen planos proyecciones de las mismas.

Description

Sistema de muestreo de fuerzas de corte en procesos de mecanizado de piezas de geometrías complejas.

Objeto de la invención

La invención se encuadra en el sector técnico de los procesos de mecanizado por arranque de viruta, aplicados al mecanizado de materiales tales como aceros, aceros especiales, y otras aleaciones metálicas y no metálicas.

Es objeto de la invención un sistema de monitorización de un proceso de mecanizado, basado en la captación y monitorización de las fuerzas de corte aplicadas sobre una pieza durante su mecanizado y simultáneamente de las posiciones de la herramienta sobre la pieza durante la aplicación de esas fuerzas de corte. Este sistema permite analizar con posterioridad las condiciones de mecanizado, detectando condiciones no previstas de la herramienta y cambios bruscos de la pieza de corte, permitiendo aumentar el rendimiento de las operaciones posteriores de mecanizado de las piezas.

Antecedentes de la invención

La importancia de las fuerzas de corte para estudiar el rendimiento de una operación de mecanizado es un hecho de sobra conocido. La intensa interacción herramienta/pieza, intrínseca al proceso de arranque de viruta, se manifiesta por el valor de las fuerzas de corte. Esta interacción posee una relación directa con el desgaste de la herramienta y en el peor de los casos con la probabilidad de fallo catastrófico de las herramientas.

Por otro lado, la magnitud y periodicidad de la fuerza de corte son unos factores determinantes en el estudio de la estabilidad de los procesos de corte.

Esta inestabilidad se origina por la falta de rigidez de la pieza, de la herramienta + máquina o de ambas simultáneamente. El objetivo en este caso es evitar la aparición de chatter regenerativo durante el mecanizado. La modelización de estos fenómenos requiere la determinación de las fuerzas de corte.

Y por último las fuerzas de corte pueden tener una gran influencia en la calidad de las piezas generadas, dado que afectan a la precisión de las superficies y a la rugosidad real, casi siempre mayor que la teórica estimada desde fórmulas geométricas.

Por tanto poder medir de forma precisa y registrar el valor de las fuerzas de corte en cada instante de tiempo es muy interesante para poder analizar el rendimiento del proceso de fresado.

Las máquinas modernas de fresado están gobernadas por controles numéricos, que ejecutan el movimiento continuo de la máquina. En muchos casos la pieza o superficie a mecanizar posee una geometría que obliga a trayectorias espaciales, con necesidad de interpolación en los tres, cuatro o cinco ejes de la máquina. El control numérico varía de forma instantánea la velocidad en función de lo abrupto de la geometría con objeto de conseguir superficies de forma precisa. Por tanto no se puede predecir ni estimar el tiempo exacto en que una herramienta alcanza una posición determinada en el espacio. Incluso aunque se hayan registrado el valor de la fuerza de corte en todo momento no se puede correlacionar el valor de la fuerza con la posición donde se produjo. Como consecuencia la medición de fuerzas no ofrece ninguna ventaja de análisis del proceso si la pieza posee una geometría no plana.

Algunos sistemas de monitorización de fuerzas, como los mostrados en las patentes de invención KR189437, DE3930457 o DE19632148, buscan medir la magnitud de las mismas de forma indirecta, por ejemplo mediante medición instantánea del consumo de los motores de avance o de los motores del husillo principal. Sin embargo no se obtiene una medición exacta de la magnitud de las fuerzas. Su finalidad es mejorar los avances de trabajo de la máquina siguiendo una estrategia adaptativa, o bien impedir que exista una sobrecarga en la herramienta de corte.

En otros campos existen desarrollos como el mostrado por la patente de invención US6550361, pero que no correlacionan las fuerzas con geometrías complejas en fresado.

Descripción de la invención

El sistema de muestreo objeto de la invención está basado en la captación de las tres componentes de la fuerza de corte y simultáneamente de la posición de la herramienta durante el mecanizado de una pieza de prueba, que permite estudiar con detalle lo que sucede en puntos muy concretos de la superficie de la pieza durante su mecanizado. Este sistema es de especial aplicación al proceso de fresado, dado que éste es empleado para numerosas superficies complejas, tal como el fresado de cavidades y machos en moldes y matrices.

El sistema constituye una herramienta de diagnóstico, aplicable tras el fresado de superficies complejas o piezas de baja rigidez, que permite detectar problemas tales como condiciones de la herramienta no previstas, cambios bruscos de las fuerzas de corte, o simplemente poseer información del valor de las fuerzas.

Por medio de este sistema se puede mejorar la realización de pruebas de test de fresado, mecanizando piezas de geometría muy cercana a las piezas reales. Es por tanto una utilidad aplicable en la investigación que esté enfocada al aumento del rendimiento de operaciones de mecanizado.

Para llegar a tener los mapas de fuerza en función de la geometría de la pieza que se mecaniza, el sistema objeto de esta invención comprende la utilización de una mesa dinamométrica para la captación de las 3 componentes de la fuerza de corte, y que de forma simultánea recoge la posición de la herramienta desde la salida analógica de los lazos de posición de los ejes de la máquina herramienta. Tras el mecanizado de una pieza de una prueba concreta, el fichero de fuerzas-posiciones se postprocesa, dando lugar a diferentes mapas de vectores y cromáticos.

La mesa dinamométrica está conectada a su correspondiente amplificador de carga multicanal mediante un cable de conexión apantallado. Esta mesa detecta y mide las tres componentes de la fuerza de corte, amplificando la señal a un nivel que puede ser muestreado por un sistema de recogida de datos. El equipo de medida puede utilizar tecnología de piezoeléctricos o de tipo galgas extensiométricas.

Asimismo desde los medidores de posición instalados en los ejes de la fresadora se extraen los valores instantáneos de las coordenadas de los ejes de la máquina. Esta posición puede ser obtenida también desde los variadores de velocidad de los accionamientos, dado que estos componentes filtran la medida de los medidores de posición antes mencionados. De la misma forma puede registrase el valor instantáneo del consumo de potencia del cabezal principal de la máquina o electrohusillo, o de la intensidad que recibe este motor principal.

La salida del amplificador del sistema de medida de fuerzas y el cable que recoge la señal de la posición se llevan conjuntamente a un rack o módulo de conexión, donde se unen a una tarjeta de adquisición de datos. Esta tarjeta es del tipo denominado de conversión analógico/digital, dotada de canales suficientes para muestrear las seis señales, y con una velocidad de muestreo elevada.

Por tanto a la tarjeta de adquisición le llegan las siguientes señales: Fx, Fy, Fz, X, Y, Z, y si desea la potencia y consumo del cabezal, a sus respectivos canales. Se recogen los datos en cada intervalo de tiempo de muestreo de forma que en cada muestra se capta la posición X, Y, Z y las tres componentes de la fuerza en tres instantes muy próximos, cuando Fx es máxima, cuando la Fy es máxima, y cuando Fz es máxima. Este proceder se motiva por la necesidad de reducir la cantidad de datos a almacenar, pero pude también realizarse captando y registrando el valor de las fuerzas y posiciones en todo instante de muestreo, lo que esencialmente no altera la invención. Si se aplica el proceso de registro descrito, para cada posición son por tanto tres tríadas de componentes de fuerza las que se miden y registran en un sistema de almacenamiento de datos.

Posteriormente, y con el mecanizado ya terminado, llega una fase de análisis de datos, para lo que se propone realizar un sistema gráfico de representación de tipo intuitivo. Para ello se dará al usuario la posibilidad de seleccionar la componente de fuerza a representar, o la función relacionada con la fuerza mediante una expresión matemática que indique el usuario.

Tras ello se realizará un sistema de representación tridimensional en X,Y,Z o en los planos coordenados de proyección, reflejando en colores o vectores los valores de las fuerzas, o de las medidas de potencia y consumo del cabezal.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1 es un esquema ilustrativo y no limitativo de la estructura del sistema, mostrando sus dos elementos principales, la mesa dinamométrica y la máquina fresadora unidas a la tarjeta de adquisición de datos.

La figura 2 es un esquema de un modo de recoger los datos en la tarjeta.

La figura 3 es un ejemplo del postprocesamiento de las señales de fuerza y posición y de su representación gráfica correspondiente al fresado de una pared delgada.

La figura 4 es otro ejemplo de la aplicación del sistema a una superficie compleja.

Realización preferente de la invención

El sistema consta de una mesa dinamométrica(1) de adquisición de las fuerzas de corte en sus tres componentes, unida mediante un cable (2) a un módulo de conexión (3) dotado de amplificadores y acondicionadores de las señales de fuerza obtenidas de la mesa dinamométrica (1). Este equipo se conecta a una tarjeta de adquisición de datos (4) del tipo de conversión analógico/digital, insertada en un equipo de computación (5), de los denominados ordenador personal. A su vez de la fresadora (6) se obtienen los datos de posición X,Y,Z, y opcionalmente del consumo del cabezal, que son enviados por un cable (7) desde los sistemas de medida de la máquina hacia la misma tarjeta de adquisición (4). Los flujos de datos son las tres componentes de la fuerza de corte (8), y las tres coordenadas (9) de la posición en cada instante de la fresadora (6).

En la figura 2 se muestra la señal de fuerza a gran velocidad, con una diferencia entre puntos registrados de pocos milisegundos, registrando en cada intervalo las tres componentes de la fuerza cuando el valor alcanzado es máximo, representándose el valor máximo de Fx (10), valor máximo de Fy (11), y valor máximo de Fz (12), que se almacenan junto al valor del tiempo (13) en un fichero de datos.

Las figuras 3 y 4 muestran una representación tridimensional en X, Y, Z o en los planos coordenados de proyección, en las que se reflejan en diferentes colores los valores de las componentes de las fuerzas seleccionadas en función de la posición donde se recogió el valor. Los diagramas muestran una escala de colores del valor de la fuerza.

En el caso de la figura 3 se representa el mapa de fuerzas correspondiente a un fresado lateral de una pared delgada de 0.8 mm de espesor, y en el segundo caso, figura 4, se trata de un mapa de fuerzas correspondiente a una matriz de pequeño tamaño.

Claims (3)

1. Sistema de muestreo de las fuerzas de corte en procesos de mecanizado de piezas de geometrías complejas, caracterizado porque se basa en la captación simultánea de las tres componentes de la fuerza de corte y de la posición de la herramienta, durante el mecanizado de una pieza de prueba, permitiendo la monitorización y análisis posterior de los datos obtenidos, y porque los datos almacenados de fuerza/posición se representan de forma gráfica, utilizando las funciones gráficas ofrecidas por un equipo de computación (5), mostrando de forma intuitiva para el usuario el valor de la fuerzas en el punto del espacio correspondiente a las coordenadas donde se produjo dicha fuerza.

2. Sistema de muestreo de las fuerzas de corte en procesos de mecanizado de piezas de geometrías complejas, según reivindicación 1ª, caracterizado porque comprende una mesa dinamométrica (1) de adquisición del valor instantáneo de las fuerzas de corte (8) en sus tres componentes aplicadas sobre la pieza durante su mecanizado, que está unida mediante un cable (2) a un módulo de conexión (3) dotado de amplificadores y acondicionadores de las señales de fuerza obtenidas de la mesa dinamométrica (1) que se conecta a una tarjeta de adquisición de datos (4) del tipo de conversión analógico/digital insertada en medios de computación (5), y una máquina herramienta (6) dotada de medidores en las guías, de donde se capta el valor instantáneo de las tres coordenadas (9) de la posición de la herramienta en cada instante en que se aplican dichas fuerzas que se envían mediante un cable (7) desde los sistemas de medida de la máquina hacia la misma tarjeta de adquisición de datos (4), donde quedan almacenados los datos de fuerza/posición de la pieza.

3. Sistema de muestreo de las fuerzas de corte en procesos de mecanizado de piezas de geometrías complejas según reivindicación 1 caracterizado porque la tarjeta de adquisición de datos (4) recibe la señal de consumo de potencia del cabezal y se representa en función de la posición del espacio donde se produjo utilizando funciones gráficas ofrecidas por el equipo de computación (5).