Información Tecnológica-Vol. 17 N°4-2006, pág.: 23-28

AUTOMATIZACION Y CONTROL

Dispositivo para la Evaluación y Diagnóstico del Estado del Cabezal en Centros de Mecanizado de Alta Velocidad

Device for the Evaluation and Diagnosis of the Headstock Condition in High Speed Machining Centers

Adriana C. Ramírez (1), José R. Alique (1) y Andrés Bustillo (2)
(1) Instituto de Automática Industrial, Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
Depto. de Informática Industrial,  Crta. Campo Real Km. 0,200, La Poveda, 28500 Arganda del Rey, Madrid-España (e-mail: aramirez@iai.csic.es)
(2) Nicolás Correa S.A., Departamento de I+D+I, Alcalde Martín Cobos, s/n, 09007 Burgos-España (e-mail: a.bustillo@correa.es)

Resumen

En este trabajo se presenta un dispositivo portátil, capaz de identificar el estado del cabezal en máquinas-herramienta de alta velocidad. El dispositivo desarrollado, está fundamentado en la normativa correspondiente sobre los límites de funcionamiento y de alarma, de los distintos parámetros que intervienen en el proceso. Al finalizar una prueba, la aplicación es capaz de mostrar la señal de vibración RMS y evaluarla según los limites establecidos en la normativa ISO 10816-3 e ISO 1940-1. El dispositivo desarrollado permite obtener información acerca del estado del cabezal, así como su tendencia de degradación y facilita la realización de históricos.

Palabras claves: centro de mecanizado, máquina-herramientas, vibraciones mecánicas, cabezales

Abstract

A portable testing device has been design for the evaluation, testing and diagnosis of the headstock condition in high speed machines tool. The device is based the standards that define the limits for the different parameters that intervene during the process.  At the end of a test, the device is able to show the operator the RMS vibration signal and to evaluate this signal under the standards ISO 1940/1 and ISO 10816-3. The testing device is in consequence, of extreme interest for customers and for machine tool manufacturers. The device allows to obtain information related to the headstock condition, can show the wear-out curve of the headstock and facilitates obtaining of historical data.

Keywords: high speed machining center, headstock, diagnosis, vibration severity

INTRODUCCIÓN

El diagnóstico de las vibraciones que el sistema experimenta destaca de manera notable como una de las manifestaciones susceptibles de ser medida con relativa facilidad y que muestra una clara dependencia del estado del mismo (Liang et al., 2004). Por tanto, el sistema desarrollado tiene como objetivo conocer: “el funcionamiento y estado del electromandrino (husillo directo de alta velocidad)” en centros de mecanizado de alta velocidad.

El desarrollo de un dispositivo para el diagnóstico de vibraciones en centros de mecanizado de alta velocidad es fundamental, tanto para usuarios como para fabricantes de máquinas-herramienta, ya que, con el cambio de mecanizado convencional a mecanizado de alta velocidad (MAV), se vio también implicado el daño de muchos cabezales de alta velocidad, esto debido, a que muchas de las estrategias de mecanizado tradicionales, una vez aplicadas a cabezales de MAV, producen un deterioro mecánico en los cabezales, surgiendo daños principalmente en los rodamientos cerámicos.

Un diagnóstico de vibraciones es una herramienta importante dentro de los programas de mantenimiento preventivo, fundamental en máquinas que incorporan electromandrinos. A través de un diagnóstico se verifica el estado del cabezal, lo que permite aplicar acciones de mantenimiento basadas en las condiciones del cabezal y de alguna manera, es posible conocer el desgaste de la máquina a través del tiempo, entre otros (Bosch, 1995; Bossmanns y Tu, 2001; Drew y Stone, 1997). El desarrollo de un dispositivo para la evaluación y diagnóstico del estado del cabezal en centros de mecanizado de alta velocidad, implica: el desarrollo de una metodología de diagnóstico de severidad de vibración, el diseño y construcción de un dispositivo físico (prototipo) capaz de realizar un diagnóstico completamente independiente de la máquina (Altintas, 2000).

DIAGNOSTICO DE VIBRACION

En general, para efectos de este artículo, una prueba de severidad de vibración en máquinas-herramienta de alta velocidad, consiste en relacionar los valores de las señales medidas, a partir de un proceso dinámico real (máquina trabajando al vacío), con datos históricos y los parámetros establecidos como límites en la norma, de modo, que al final de la prueba se pueda tener una idea más clara acerca del funcionamiento y estado del  electromandrino, y en general de la máquina (Matthews, 2002; Rao, 1997; Rehorn et al., 2004).

La Fig. 1 resume una prueba típica mediante el método aquí propuesto. En ella se puede observar cómo a partir de una máquina real, llevada a experimentar un proceso dinámico, a través de un sistema de medición es captada una señal de vibración.

Luego,  esta señal de vibración debe de ser adquirida y procesada a través de un módulo de elementos electrónicos. En este punto se obtiene el espectro de frecuencias de vibración y los valores máximos RMS de la magnitud de vibración, tal magnitud debe de estar disponible en términos de aceleración, desplazamiento y velocidad.

Los resultados obtenidos se comparan con históricos y con valores máximos tolerables dados por las normas ISO 1940/1 e ISO 10816-3, para determinar el estado del cabezal de la máquina-herramienta. Este tipo de control de valores límite no proporciona información clara sobre las causas de la vibración, pero sí sobre el estado del cabezal, resultando muy útil para la vigilancia de situaciones catastróficas por su compatibilidad con cualquier sistema de análisis predictivo.

Finalmente, una vez comparados los valores, se tomarían decisiones a nivel de operación, reparación y/o mantenimiento de la máquina diagnosticada.

La normativa empleada en este trabajo especifica valores numéricos asignados a zonas o límites. Sin embargo, estas zonas o límites estarán sujetos al acuerdo entre el fabricante y el usuario, a la experiencia del operario y a políticas internas de la empresa. No obstante, los valores tal y como son especificados por la norma servirán como guía.

Además, es importante mencionar que dentro de la metodología propuesta, un proceso dinámico (máquina trabajando al vacío) se refiere  específicamente  a  un programa CNC de escalones previamente programado en la máquina, con este programa lo que se pretende es obtener el nivel de vibración correspondiente a una muestra significativa de las revoluciones, en las cuales la máquina es capaz de operar habitualmente.

Adicionalmente, es importante tomar en cuenta que el perfil de vibración para un centro de mecanizado de alta velocidad, es una variable importante a considerar en el proceso y en el sistema máquina-herramienta -pieza, cuya repercusión se hace evidente en la calidad superficial de la pieza.

DISPOSITIVO PORTÁTIL

El dispositivo desarrollado en este trabajo, ha sido diseñado para poder realizar una prueba de severidad de vibración tal y como se plantea en la Fig. 1.

Fig. 1: Diagnóstico de severidad de vibración mediante procesos dinámicos reales

Básicamente el dispositivo está conformado por dos partes esenciales: la primera parte está compuesta por un software programado a medida para la aplicación,  un PC y un sistema de adquisición de datos. La segunda parte está compuesta por un sistema sensorial.

El sistema de adquisición de datos consiste en un módulo de expansión IOTECH DAQBOOK/2000 que en su interior contiene dos tarjetas de adquisición de datos IOTECH DBK4. Este sistema está conectado eléctricamente al sistema sensorial del dispositivo y al PC portátil.

El PC portátil es sencillo, con procesador Pentium III, 900 MHz, un disco duro de 20GB y una memoria RAM máxima soportada de 512 MB. El software que alberga este PC ha sido creado utilizando una herramienta gráfica de prueba, control y diseño que utiliza G como lenguaje de programación. Las características propias del software se describen más adelante.

El sistema sensorial concebido para el diagnóstico utiliza dos acelerómetros KISTLER 8702B500 M1 que monitorizan en todo momento las señales tanto en el eje X como en el Y del objeto en estudio; estos acelerómetros tienen un rango de sensibilidad de ±50g con una respuesta en frecuencia de 1 a 10 kHz y capaces de operar a temperaturas de -54 hasta 100 ºC. El sistema sensorial también incluye un sensor óptico remoto capaz de leer velocidades reales del cabezal que van desde 1 hasta 250,000 RPM y de operar a una distancia máxima de 1m del elemento rotativo, este sensor le aporta al dispositivo una completa independencia del CNC y por tanto de la máquina. 

La salida del acelerómetro es integrada, una vez para obtener la magnitud de la vibración medida en velocidad y dos veces para obtener su valor en desplazamiento (Gómez de León, 1998). Las mediciones son tomadas cuando el electromandrino ha alcanzado su estado estacionario, para cada una de las revoluciones que se desean muestrear. La determinación de la severidad de vibración del cabezal, estará basada sobre el valor RMS de la vibración, ocurrida sobre cada escalón correspondiente al intervalo de revoluciones definido para una prueba en concreto.

La Fig. 2 muestra el dispositivo portátil para la evaluación y diagnóstico del estado del cabezal en centros de mecanizado de alta velocidad, así como su montaje típico.

Fig. 2: Dispositivo portátil para la evaluación del estado del cabezal

SOFTWARE PARA LA EVALUACION

El software para la evaluación ha sido diseñado a medida y tiene múltiples funciones como: realizar un diagnóstico nuevo de severidad de vibración, revisar los datos de un diagnóstico realizado en el pasado, analizar el comportamiento de una máquina con respecto al tiempo (historial del funcionamiento de una máquina), agregar nuevos datos de máquinas y herramientas a la base de datos, y de reconfigurar los valores pre-establecidos para los sensores y para las tarjetas de adquisición de datos.

Para realizar una prueba de severidad de vibración, en primer lugar, a través de una ventana del software se le sugiere al operario introducir previamente un programa de escalones en el CNC de la máquina. Este paso es importante, ya que, el dispositivo es completamente independiente de la máquina y por tanto, un programa de este tipo debe de ser introducido antes de iniciar una prueba.

En la base de datos del sistema se almacena la información correspondiente al tipo de máquina (modelo - código), tipo de electro-mandrino y su velocidad máxima. Estos datos son tomados en cuenta al realizar una prueba, así como los escalones de velocidad programados en máquina.

En el proceso, el software interactúa con el sistema de adquisición de datos para obtener el valor RMS de la señal de vibración, una vez procesada la señal, a través del software, se evalúa ésta con respecto a los límites asociados al desequilibrado específico permisible (Eper), desequilibrado permisible (Uper), según así lo indica la Norma ISO1940. Luego, la evaluación de la vibración en máquina se evalúa a través de medidas realizadas en el cabezal (partes   no rotativas) y una clasificación con respecto a zonas concernientes al grado de severidad de vibración, según la Norma ISO10816.  El software contempla dos variantes en el diagnóstico, pruebas realizadas con herramienta y/o sin ella.

Al finalizar una prueba, la aplicación es capaz de mostrar no sólo la señal de vibración RMS obtenida a partir de los acelerómetros en los ejes X e Y,  sino que,  al mismo tiempo evalúa estos valores según los límites establecidos en la normativa (opciones ISO 10816-3 e ISO 1940-1), muestra el comportamiento del primer armónico y un mapa espectral de pasos.

RESULTADOS

Con el objetivo de comprobar el sistema de diagnóstico desarrollado se realizaron varias pruebas en un centro de mecanizado comercial de alta velocidad (Kondia HS1000).  La Fig. 3 muestra parte de los resultados obtenidos al realizar una prueba en concreto, en ella se ha establecido una velocidad inicial de 1000RPM, una velocidad máxima de 24000RPM (capacidad máxima de la máquina), un incremento de velocidad de 100RPM con un tiempo de estabilización de 500ms en software y 5s en máquina. Hasta entonces, no se había realizado en el centro de mecanizado ninguna otra prueba similar, de modo que no existen datos históricos de severidad de vibración para esta máquina (y por lo tanto, su cabezal).

Fig. 3: Aplicación Estudio de Vibraciones Mecánicas bajo las recomendaciones dadas por ISO 10816-3 y 1940-1: Resultados de un diagnóstico realizado.

Sin embargo, el diagnóstico realizado mostró resultados muy útiles para este caso en particular, por ejemplo, como se puede observar en la Fig. 3, en el panel “ISO 10816-3” se muestra la curva de vibración en mm/s para el eje X (valor obtenido a través del acelerómetro en el eje X),  en este caso la curva obtenida es comparada con los umbrales preestablecidos por la norma ISO 10816-3, mostrando que los datos están distribuidos en 2 de las 4 zonas establecidas por la norma.

La mayoría de los puntos corresponden a la zona A (máquinas recién puestas en servicio), pero, a partir de las 22000 RPM algunos puntos de la gráfica se encuentran dentro de la zona B (valores de vibración considerados aceptables para operación por largos periodos de tiempo) y ningún punto dentro de la zona C (vibración dentro de esta zona es considerada insatisfactoria para largos periodos continuos de operación) y la zona D (valores de vibración dentro de esta zona se consideran generalmente con suficiente severidad como para causar daño a la máquina).

Por tanto, a pesar de que una vez finalizada esta prueba el operario no cuenta con datos históricos,  para establecer una comparación y conocer el deterioro de la máquina a través del tiempo, gracias al sistema desarrollado, es de su conocimiento que el centro de mecanizado Kondia HS1000 se encuentra en condiciones aceptables de operación y puede ser operado por largos periodos de tiempo en estas condiciones.

A través de otros paneles del sistema se pueden observar y analizar cada uno de los  ejes por separado ya que aunque parecido, no muestran igual comportamiento.

CONCLUSIONES

Se ha desarrollado un sistema práctico, intuitivo para el operario y completamente independiente de la máquina, capaz de realizar un diagnóstico fiable a partir de una máquina en funcionamiento, y de registrarlo con el fin de estudiar su comportamiento a lo largo del tiempo. Además, con este sistema se demuestra que la tendencia de los niveles de vibración representa una herramienta eficaz en el mantenimiento industrial.

Por otra parte, en este trabajo se ha validado el funcionamiento del sistema destinado al diagnóstico de la severidad de vibración en el cabezal de una máquina-herramienta. Los resultados obtenidos son satisfactorios, ya que, el dispositivo para la evaluación y diagnóstico del estado del cabezal en centros de mecanizado de alta velocidad, presenta las siguientes ventajas: permite obtener con claridad la tendencia de degradación del cabezal, es un dispositivo  portátil y completamente independiente de la máquina; es capaz de evaluar en tiempo real, el nivel de vibración obtenido mediante un proceso dinámico real (máquina trabajando al vacío) y compararlo, con velocidades reales del cabezal y las prescripciones de la norma ISO 1940/1 e ISO 10816-3; facilita la realización de históricos para el seguimiento de evolución de severidad, lo cual permitiría tanto a usuarios como fabricantes predecir la vida útil de cabezales similares; permite llevar una base de datos de las máquinas y herramientas diagnosticadas.

En resumen, con este trabajo se ha demostrado que mediante un sistema sencillo y completamente independiente de la máquina se puede realizar un estudio fiable de la severidad de vibración en máquinas-herramienta tomando en cuenta la normativa existente por la que se rigen tanto usuarios como fabricantes, permitiendo además, establecer un estudio de tendencias sobre la evolución de la misma.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo del Grupo Nicolás Correa a través de proyecto de investigación PROFIT FIT-020200-2003-76 financiado por el Ministerio Español de Ciencia y Tecnología.

REFERENCIAS

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Bossmanns, B. y J.F. Tu “A Power Flow Model for High Speed Motorized Spindels – Heat Generation Chatacterization”. J. Manuf. Sci. Eng., 123(3), 494-505 (2001).

Drew S.J. y  B.J. Stone, “Torsional (Rotational) Vibration: Excitation of Small Rotating Machines”. J. Sound Vib., 201(4), 437-463 (1997).

ISO 1940-1, Mechanical vibration, Balance quality requirements of rigid rotors. Part 1: Determination of permissible residual unbalance, 1-15, Geneva-Suiza (1989).

ISO 10816-1, Mechanical vibration, Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. Part 1: General guidelines, 1-18, Geneva-Suiza (1986).

Gómez de León, F.C., “Tecnología del Mantenimiento Industrial”, 1ª edición, 191-279. Universidad de Murcia, Servicio de Publicaciones, Murcia, España (1998).

Liang, S.Y., R.L. Hecker y R.G. Landers, “Machining Process Monitoring and Control: The State-of-the-Art”, J. Manuf. Sci. Eng., 126(2), 297-310 (2004).

Matthews, C., “Engineers' Guide to Rotating Equipment - The Pocket Reference”, 1ª edición, 71-134. Professional Engineering Publishing Limited, London and Bury St Edmunds, UK (2002).

Rao, B.K.N., “Handbook of Condition Monitoring”, 1ª edición, 171-208. Elsevier Advanced Technology, Oxford, UK (1996).

Rehorn, A.G. J., P.E. Orban y J. Jiang, “Vibration-based machine condition monitoring with attention to the use of time-frequency methods”, Proceedings of SPIE Intelligent Manufacturing, Vol. 5263, 10-21, Providence – USA, October 27-30 (2003).

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