BR102019018683A2

BR102019018683A2 - SYSTEM AND METHOD OF DAMAGE DETECTION IN PARTS SUBMITTED TO MACHINING PROCESSES

Info

Publication number: BR102019018683A2
Application number: BR102019018683-6A
Authority: BR
Inventors: Felipe Aparecido Alexandre; Paulo Roberto De Aguiar; Eduardo Carlos Bianchi
Original assignee: Universidade Estadual Paulista Julio De Mesquita Filho
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-03-23

Abstract

sistema e método de detecção de danos em peças submetidas a processos de usinagem. a presente invenção se refere a sistema de monitoramento e método de detecção de danos em peças nos processos de usinagem, mais especificamente no processo de retificação. o referido sistema é composto essencialmente de dois diafragmas piezelétricos que se localizam diametralmente opostos, um atuando como emissor de sinais e outro atuando como receptor de sinais, bem como um hardware gerador de sinais com frequências determinadas, um hardware de aquisição dos sinais provenientes da aplicação técnica, e uma interface computacional para tratamento dos sinais e diagnóstico da superfície da peça. o método abrange principalmente as etapas de: a) envio de pacotes de sinais com frequências determinadas do diafragma emissor para o diafragma receptor antes de iniciar o processo de usinagem; b) reenvio do pacote de sinais após o processo de usinagem; c) processamento e seleção de bandas de frequência específicas; d) aplicação de um filtro digital nas bandas determinadas nos sinais de recepção; e) aplicação de tratamento estatístico.system and method of detecting damage to parts subjected to machining processes. the present invention refers to a monitoring system and method for detecting damage to parts in machining processes, more specifically in the grinding process. said system is essentially composed of two piezoelectric diaphragms that are diametrically opposed, one acting as a signal emitter and the other acting as a signal receiver, as well as a signal generating hardware with determined frequencies, a hardware for acquiring the signals from the application technique, and a computational interface for treatment of the signals and diagnosis of the part surface. the method mainly covers the steps of: a) sending signal packets with determined frequencies from the emitting diaphragm to the receiving diaphragm before starting the machining process; b) resending the signal package after the machining process; c) processing and selection of specific frequency bands; d) application of a digital filter in the bands determined in the reception signals; e) application of statistical treatment.

Description

SYSTEM AND METHOD OF DAMAGE DETECTION IN PARTS SUBMITTED TO MACHINING PROCESSES

Field of the invention:

[001] A presente invenção se insere no campo das técnicas de detecção de danos em peças submetidas a usinagem, principalmente no processo de retificação, mais especificamente no campo das técnicas acústicas que utilizam diafragmas piezelétricos de baixo custo. O sistema se baseia na emissão e recepção de um par de diafragmas diametralmente opostos em conjunto com processamento de sinais que promovem a aplicação de parâmetros estatísticos e a seleção de bandas de frequência.[001] The present invention is part of the field of damage detection techniques in parts subjected to machining, mainly in the grinding process, more specifically in the field of acoustic techniques that use low-cost piezoelectric diaphragms. The system is based on the emission and reception of a pair of diametrically opposed diaphragms together with signal processing that promote the application of statistical parameters and the selection of frequency bands.

Ends of the invention:

[002] Diversos processos de usinagem têm sido aplicados ao longo dos anos com o intuito de promover o processamento de materiais, desenvolvendo soluções voltadas principalmente para os materiais metálicos. No entanto, com o advento de novas tecnologias de monitoramento, o desenvolvimento de sistemas e métodos para detecção de danos em processos de usinagem se tornou um amplo campo tecnológico.[002] Several machining processes have been applied over the years in order to promote the processing of materials, developing solutions focused mainly on metallic materials. However, with the advent of new monitoring technologies, the development of systems and methods for detecting damage in machining processes has become a broad technological field.

[003] O processo de retificação, por exemplo, é usualmente um processo abrasivo de usinagem com o objetivo de conferir a superfície da peça um acabamento de alta qualidade, características geométricas bem definidas e baixa rugosidade. No entanto, o referido processo não se limita somente ao acabamento superficial das peças ou a baixa taxa de remoção de material, sendo capaz de competir em termos econômicos com outros processos de manufatura, tais como torneamento e fresamento, de modo a ser aplicado nas indústrias automotivas, aeroespacial, marinha, nuclear, dentre outras.[003] The grinding process, for example, is usually an abrasive machining process with the aim of giving the part surface a high quality finish, well-defined geometric characteristics and low roughness. However, this process is not limited to the surface finish of the parts or the low rate of material removal, being able to compete economically with other manufacturing processes, such as turning and milling, in order to be applied in industries automotive, aerospace, marine, nuclear, among others.

[004] A operação de retificação envolve seis elementos distintos: a máquina de retificação, o rebolo, a peça, o fluido de refrigeração ou fluido de corte, a atmosfera e os cavacos. (MARINESCU et. al., 2006)[004] The grinding operation involves six distinct elements: the grinding machine, the grinding wheel, the part, the coolant or cutting fluid, the atmosphere and the chips. (MARINESCU et. Al., 2006)

[005] Os elementos que diferenciam o processo de retificação de outros processos de usinagem são as características únicas da ferramenta de corte (rebolo) e o mecanismo de remoção do material. O rebolo é composto por partículas abrasivas muito pequenas, de forma irregular, posicionadas e orientadas de forma aleatória, sendo unidas por um ligante. Essa característica da ferramenta de corte torna o processo de retificação complexo e dependente de um grande número de variáveis.[005] The elements that differentiate the grinding process from other machining processes are the unique characteristics of the cutting tool (grinding wheel) and the material removal mechanism. The wheel is made up of very small abrasive particles, irregularly shaped, positioned and oriented at random, being joined by a binder. This feature of the cutting tool makes the grinding process complex and dependent on a large number of variables.

[006] No decorrer do processo de retificação os grãos abrasivos do rebolo sofrem desgaste, enquanto que, os poros da superfície do rebolo são preenchidos com os cavacos advindos da remoção do material, tornando a ferramenta de corte imprópria para o processo de retificação. Nessas condições, o rebolo não é capaz de dissipar o calor de forma eficiente na zona de corte, podendo provocar alterações microestruturais indesejadas na peça advindas do aumento de temperatura localizado, inutilizando a mesma e acarretando em grande prejuízo para a manufatura.[006] During the grinding process, the abrasive grains of the grinding wheel suffer wear, while the pores on the grinding surface are filled with chips resulting from the removal of the material, making the cutting tool unsuitable for the grinding process. Under these conditions, the grinding wheel is not able to efficiently dissipate heat in the cutting zone, which can cause unwanted microstructural changes in the part due to the localized temperature increase, rendering it unusable and causing great damage to the manufacture.

[007] Na maioria das vezes a identificação das condições topográficas do rebolo é efetuada por operadores treinados. Apesar da maestria e perspicácia neste tipo de operação, os operadores estão sujeitos a erros que podem acarretar na inutilização de uma peça e consequentemente gerar prejuízo para a cadeia de manufatura. Além disso, o próprio controle de qualidade superficial das peças é oneroso, pois muitas vezes, utiliza métodos que demandam muito tempo ou acarretam na destruição da própria peça.[007] Most of the time the identification of the topographic conditions of the wheel is carried out by trained operators. Despite the mastery and perspicacity in this type of operation, operators are subject to errors that can result in the unusability of a part and consequently generate losses for the manufacturing chain. In addition, the surface quality control of the parts itself is costly, as it often uses methods that take a long time or result in the destruction of the part itself.

[008] A rugosidade, por exemplo, é normalmente aferida por um perfilômetro ou rugosímetro portátil, necessitando da interrupção do processo de retificação, ao passo que, a alteração microestrutural é identificada por meio de um microscópio a partir de uma amostra da peça, inutilizando a mesma.[008] Roughness, for example, is usually measured by a portable profilometer or roughness meter, requiring the interruption of the grinding process, whereas the microstructural change is identified by means of a microscope from a sample of the part, making it unusable the same.

[009] Em torno deste contexto, surge o monitoramento do processo de retificação por meio de sensores, que permite estabelecer o momento da troca de uma ferramenta, realizar mudanças nos parâmetros de operação, dentre outros. Os sensores mais utilizados no monitoramento do processo de retificação são os sensores de emissão acústica (EA), de vibração (acelerômetro), de força (dinamômetro) e potência.[009] Around this context, monitoring of the grinding process by means of sensors appears, which allows to establish the moment of changing a tool, making changes in the operating parameters, among others. The most used sensors in the monitoring of the rectification process are the sensors of acoustic emission (EA), of vibration (accelerometer), of force (dynamometer) and power.

[010] O problema principal em utilizar a emissão acústica (EA) para monitoramento do processo está na sensibilidade associada à localização do sensor, uma vez que quanto mais próximo o sensor da região de corte, melhor a leitura dos dados, sendo que essa proximidade pode prejudicar a ergonomia do processo.[010] The main problem in using the acoustic emission (EA) for monitoring the process is in the sensitivity associated with the location of the sensor, since the closer the sensor to the cutting region, the better the data reading, being that proximity can impair the process ergonomics.

[011] No entanto, a maioria dos processos conhecidos faz uso de sensores na forma passiva, ao contrário da presente invenção que utiliza dois sensores opostos (diafragmas piezelétricos), um atuando ativamente como emissor, e o outro atuando passivamente como receptor. As principais vantagens destes sensores em relação aos sensores de deformação tradicionais é a sua alta sensibilidade à deformação. Além disso, ressalta-se que o suprimento de energia não é necessário e os cristais piezelétricos são susceptíveis de operação em a altas temperaturas, aumentando a amplitude de aplicações.[011] However, most known processes make use of sensors in the passive form, unlike the present invention which uses two opposite sensors (piezoelectric diaphragms), one acting actively as an emitter, and the other acting passively as a receiver. The main advantages of these sensors over traditional strain sensors are their high sensitivity to strain. In addition, it is emphasized that the energy supply is not necessary and the piezoelectric crystals are susceptible to operation at high temperatures, increasing the range of applications.

State of the art:

[012] Alguns documentos do estado da técnica descrevem processos e/ou métodos de detecção de danos em peças submetidas a um processo de usinagem.[012] Some state-of-the-art documents describe processes and / or methods for detecting damage to parts subjected to a machining process.

[013] O documento de patente PI9903456-5, intitulado "Dispositivo de mapeamento de rebolos através do som" descreve um dispositivo constituído por um sensor piezelétrico, um circuito eletrônico de amplificação da tensão elétrica gerada pelo sensor e por uma interface computacional desenvolvida para converter os sinais amostrados em imagens do mapa de superfície do rebolo, possibilitando ao usuário visualizar a superfície do rebolo e assim monitorar o mesmo de maneira visual, ou por monitoramento automático por meio de estratégias de controle.[013] Patent document PI9903456-5, entitled "Grinding wheel grinding device" describes a device consisting of a piezoelectric sensor, an electronic circuit for amplifying the electrical voltage generated by the sensor and a computer interface developed to convert the signals sampled in images of the wheel surface map, allowing the user to view the surface of the wheel and thus monitor it visually, or by automatic monitoring using control strategies.

[014] Apesar de permitir um monitoramento da superfície de trabalho do rebolo por meio do som, não há um monitoramento das condições superficiais da peça no processo, pois a mesma se restringe a visualização da superfície do rebolo que permite ao operador da máquina um melhor controle do processo.[014] Although it allows monitoring of the wheel's working surface by means of sound, there is no monitoring of the surface conditions of the part in the process, as it is restricted to viewing the surface of the wheel, which allows the machine operator to better process control.

[015] O documento US2015/0038058 descreve um método para detecção e/ou prevenção de queima na retificação de engrenagens por meio de testes de emissão acústica, correntes parasitas e avaliação dos cavacos gerados durante o processo. As correntes parasitas são utilizadas para monitorar a condição do rebolo e seu nivel de empastamento, o qual é realizada por meio de uma sonda e um limiar pré-estabelecido. De maneira similar, o sensor de emissão acústica é utilizado e o nivel do sinal amostrado é comparado a um limiar, sendo que, no caso de o limiar ser excedido, é possivel detectar o indicio da ocorrência da queima. Por fim, os cavacos podem ser coletados e inspecionados de forma manual sendo outro possivel indicativo da ocorrência de queima de acordo com a coloração, ou alteração de espessura do cavaco.[015] The document US2015 / 0038058 describes a method for detecting and / or preventing burning in the rectification of gears by means of acoustic emission tests, eddy currents and evaluation of the chips generated during the process. Eddy currents are used to monitor the condition of the grinding wheel and its level of filling, which is carried out by means of a probe and a pre-established threshold. In a similar way, the acoustic emission sensor is used and the level of the sampled signal is compared to a threshold, being that, in case the threshold is exceeded, it is possible to detect the indication of the occurrence of the burning. Finally, the chips can be collected and inspected manually, another possible indication of the occurrence of burning according to the color, or change in the thickness of the chip.

[016] A diferença principal está na ausência de utilização de diafragmas piezelétricos no documento supracitado, de modo que o sensor de emissão acústica apresenta o problema da sensibilidade relacionada à localização do sensor, uma vez que, quanto mais próximo o sensor da região de corte, melhor a leitura dos dados, sendo que essa proximidade normalmente pode prejudicar a operacionalidade do processo.[016] The main difference is the lack of use of piezoelectric diaphragms in the aforementioned document, so that the acoustic emission sensor presents the problem of sensitivity related to the location of the sensor, since the closer the sensor is to the cutting region , the better the reading of the data, being that this proximity can normally impair the operationality of the process.

[017] No artigo "MEMS Ultrasonic transducers for testing of solids" aborda-se a utilização e desenvolvimento de um conjunto de transdutores baseados em sistemas microeletromecânicos com foco na detecção de danos em sólidos utilizado como fonte de emissão as ondas ultrassônicas e que podem ser utilizados com transdutores piezoelétricos na faixa de 1 a 5 MHz. Além disso, foi possivel a contrução de um arranjo em fase de vários transdutores para determinar a direção e distância de uma fonte ultrassônica. O estudo também é direcionado para análises sobre os meios de acoplamento entre o transdutor e o componente a ser estudado.[017] The article "MEMS Ultrasonic transducers for testing of solids" addresses the use and development of a set of transducers based on microelectromechanical systems with a focus on detecting damage to solids used as an emission source for ultrasonic waves and which can be used with piezoelectric transducers in the 1 to 5 MHz band. In addition, it was possible to construct a phased arrangement of several transducers to determine the direction and distance of an ultrasonic source. The study is also directed to analyzes on the coupling means between the transducer and the component to be studied.

[018] No entanto, ressaltou-se que os niveis de sinal neste sistema supracitado foram baixos, principalmente pelo fato de que há uma diminuição considerável do sinal que resulta da capacitância parasita entre o terminal de saida e o terra, que pode chegar a duas ordens de grandeza. Além disso, o "gap" do diafragma é relativamente grande, de modo que uma redução apreciável no intervalo melhoraria a qualidade do sinal. Na presente invenção não se identificou problemas tais como os demonstrados, principalmente devido ao posicionamento dos dois sensores que diminuem a influência de efeitos externos, principalmente em relação aos efeitos elétricos.[018] However, it was emphasized that the signal levels in this system were low, mainly due to the fact that there is a considerable decrease in the signal that results from the parasitic capacitance between the output terminal and the ground, which can reach two orders of magnitude. In addition, the diaphragm gap is relatively large, so that an appreciable reduction in the gap would improve the signal quality. In the present invention, no problems were identified, such as those demonstrated, mainly due to the positioning of the two sensors that reduce the influence of external effects, mainly in relation to electrical effects.

[019] Nas dissertações "Avaliação de diafragma piezelétrico no monitoramento das condições da superficie da peça em processo de retificação plana tangencial" e "Utilização de diafragmas piezelétricos para o monitoramento da qualidade superficial de peças de aço na retificação plana" do mesmo grupo de pesquisa, a coleta dos sinais brutos relativos a um processo de retificação plana foi realizada por meio de um sensor de emissão acústica, consistindo de um sensor fixo ao suporte da peça com módulo amplificador e processador de sinais, juntamente com um diafragma piezelétrico de baixo custo composto por Titanato Zirconato de Chumbo (PZT), que foi colado no suporte com uma cola de alta aderência e protegido com silicone. A aquisição de sinais foi realizada por meio de um osciloscópio de alta amostragem.[019] In the dissertations "Evaluation of piezoelectric diaphragm in monitoring the surface conditions of the part in tangential flat grinding process" and "Use of piezoelectric diaphragms for monitoring the surface quality of steel parts in flat grinding" of the same research group , the collection of raw signals related to a flat grinding process was carried out by means of an acoustic emission sensor, consisting of a sensor fixed to the part support with an amplifier module and signal processor, together with a low-cost piezoelectric diaphragm composed by Lead Titanium Zirconate (PZT), which was bonded to the support with a high-adhesion glue and protected with silicone. Signal acquisition was performed using a high sampling oscilloscope.

[020] Neste documento utilizou-se a técnica de impedância eletromecânica com diafragmas eletromecânicos de baixo custo (buzzers) com o intuito de compará-lo com o sensor de emissão acústica, já amplamente utilizado, de modo que o diafragma atua de forma simultânea como emissor e receptor de ondas ultrassônicas.[020] In this document we used the technique of electromechanical impedance with low cost electromechanical diaphragms (buzzers) in order to compare it with the acoustic emission sensor, already widely used, so that the diaphragm acts simultaneously as ultrasonic wave emitter and receiver.

[021] O sistema de impedância eletromecânica (EMI) baseado em um diafragma piezelétrico de baixo custo apresenta métricas diferentes, uma vez que o principio do método EMI é baseado na relação entre a impedância elétrica do diafragma piezelétrico e a impedância mecânica da estrutura a ser monitorada, tais como: Desvio da raiz média quadrática (RMSD) e Desvio do coeficiente de correlação (CCDM).[021] The electromechanical impedance system (EMI) based on a low-cost piezoelectric diaphragm presents different metrics, since the principle of the EMI method is based on the relationship between the electrical impedance of the piezoelectric diaphragm and the mechanical impedance of the structure to be monitored, such as: Mean square root deviation (RMSD) and Correlation coefficient deviation (CCDM).

[022] Em contrapartida, na presente invenção, o diafragma piezelétrico configurado no modo receptor tem o seu sinal de resposta avaliado por diversos parâmetros, tais como: Média do valor médio quadrático (RMS), contagem de eventos (counts), Razão de Potência (ROP), contagem de picos.[022] In contrast, in the present invention, the piezoelectric diaphragm configured in the receiver mode has its response signal evaluated by several parameters, such as: Mean of the mean square value (RMS), count of events (counts), Power Ratio (ROP), peak count.

[023] Em vista disso, uma das vantagens que a presente tecnologia apresenta em relação ao sistema tradicional de impedância eletromecânica com diafragma piezelétricos, consiste na simplicidade de instalação e do método, uma vez que basta fixar dois diafragmas piezelétricos de forma diametralmente oposta em um suporte para peças no processo de manufatura monitorado, um emissor de ondas do tipo chirp e um receptor dessas ondas.[023] In view of this, one of the advantages that the present technology presents in relation to the traditional electromechanical impedance system with piezoelectric diaphragms, consists in the simplicity of installation and the method, since it is enough to fix two piezoelectric diaphragms diametrically opposite in one support for parts in the monitored manufacturing process, a chirp wave emitter and a receiver for these waves.

[024] Enquanto que, no sistema de impedância eletromecânica é necessária a instalação do diafragma piezelétrico, a instalação de um circuito para aferir a impedância, o emissor de ondas do tipo chirp e o receptor dessas ondas, além de um sistema especifico de aquisição de dados, que torna a análise mais susceptível a influências externas e, portanto, com menor acurácia.[024] While, in the electromechanical impedance system, it is necessary to install the piezoelectric diaphragm, the installation of a circuit to measure the impedance, the emitter of the chirp type and the receiver of these waves, in addition to a specific system of acquisition of data, which makes the analysis more susceptible to external influences and, therefore, with less accuracy.

[025] Além disso, ressalta-se que somente o sistema e método propostos promovem o monitoramento contínuo das condições superficiais da peça nos processos de usinagem sem interrupção, e é uma técnica considerada pouco invasiva e não destrutiva, uma vez que ao serem instalados os sensores não há alteração da configuração do processo durante monitoramento.[025] In addition, it is emphasized that only the proposed system and method promote continuous monitoring of the surface conditions of the part in the machining processes without interruption, and it is a technique considered to be non-invasive and non-destructive, since when installing the sensors there is no change in the process configuration during monitoring.

Brief description of the invention:

[026] A presente invenção se refere a sistema de monitoramento e método de detecção de danos em peças nos processos de usinagem, mais especificamente no processo de retificação. O referido sistema é composto essencialmente de dois diafragmas piezelétricos que se localizam diametralmente opostos, um atuando como emissor de sinais e outro atuando como receptor de sinais, bem como um hardware gerador de sinais com frequências determinadas, um hardware de aquisição dos sinais provenientes da aplicação técnica, e uma interface computacional para tratamento dos sinais e diagnóstico da superficie da peça. O método abrange principalmente as etapas de: a) Envio de pacotes de sinais com frequências determinadas do diafragma emissor para o diafragma receptor antes de iniciar o processo mecânico; b) Reenvio do pacote de sinais após o processo mecânico; c) processamento e seleção de bandas de frequência específicas; d) aplicação de um filtro digital nas bandas determinadas nos sinais de recepção; e) aplicação de tratamento estatístico.[026] The present invention refers to a monitoring system and method for detecting damage to parts in machining processes, more specifically in the grinding process. Said system is essentially composed of two piezoelectric diaphragms that are diametrically opposed, one acting as a signal emitter and the other acting as a signal receiver, as well as a signal generating hardware with determined frequencies, a signal acquisition hardware from the application technique, and a computational interface for the treatment of signals and diagnosis of the surface of the part. The method mainly covers the steps of: a) Sending signal packets with determined frequencies from the emitting diaphragm to the receiving diaphragm before starting the mechanical process; b) Resending the signal package after the mechanical process; c) processing and selection of specific frequency bands; d) application of a digital filter in the bands determined in the reception signals; e) application of statistical treatment.

Brief description of the figures:

[027] Para auxiliar na identificação das principais características deste sistema e método de detecção de danos, são apresentadas as figuras às quais se faz referências, conforme se segue:
Na Figura 1 apresenta-se um esquema do referido sistema aplicado ao processo de retificação;
Na Figura 2 apresenta-se uma superficie de uma peça de aço ABNT 4340 em condições de dano e sem dano;
Na Figura 3 apresenta-se um gráfico relativo ao perfil de rugosidade (Ra) da superficie das peças de aço ABNT 4340, em condições de dano e sem dano;
Na Figura 4 apresenta-se um gráfico de barras relativo a rugosidade média da superficie das peças de aço ABNT 4340, em condições de dano e sem dano;
Na Figura 5 apresenta-se um gráfico relativo ao perfil de dureza Vickers (HV) da superficie das peças de aço ABNT 4340, em condições de dano e sem dano;
Na Figura 6 apresenta-se um gráfico relativo a média da dureza Vickers (HV) da superficie das peças de aço ABNT 4340, em condições de dano e sem dano;
Na Figura 7 apresentam-se os sinais de emissão e recepção para a configuração PZT emissor e EA receptor de ondas acústicas em duas condições superficiais da peça: com e sem dano;
Na Figura 8 apresentam-se os sinais de emissão e recepção para a configuração PZT emissor e PZT receptor de ondas acústicas nas condições superficiais da peça: com e sem dano;
Na Figura 9 apresenta-se o índice de correlação linear entre os sinais de emissão e recepção para a configuração PZT emissor e EA receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem dano;
Na Figura 10 apresenta-se o índice de correlação linear entre os sinais de emissão e recepção para a configuração PZT emissor e PZT receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem dano;
Na Figura 11 apresenta-se o espectro de frequências dos sinais de recepção para a configuração PZT emissor e EA receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem dano;
Na Figura 12 apresenta-se o espectro de frequências dos sinais de recepção para a configuração PZT emissor e PZT receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem dano;
Na Figura 13 apresenta-se a comparação entre a ampliação das bandas de frequência para o sinal de recepção do sensor EA: a) 132 a 136 KHz, b) 162 a 168 kHz;
Na Figura 14 apresenta-se a comparação entre a ampliação das bandas de frequência para o sinal de recepção do sensor PZT: a) 131 a 138 KHz, b) 153 a 159 kHz;
Na Figura 15 apresenta-se dados de amplitude normalizada de todas as estatísticas do processamento para diversos parâmetros: RMS, Picos, Counts, MARSE e ROP; relativos aos sinais de recepção originais do conjunto PZT emissor e EA receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem danos;
Na Figura 16 apresenta-se dados de amplitude normalizada de todas as estatísticas do processamento para diversos parâmetros estatísticos: RMS, Picos, Counts, MARSE e ROP; relativos aos sinais de recepção originais do conjunto PZT emissor e PZT receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem danos;
Na Figura 17 apresenta-se dados de amplitude normalizada relativos aos sinais de recepção filtrados nas bandas selecionada de 132 a 138 kHz para diversos parâmetros estatísticos RMS, Picos, Counts, MARSE e ROP relativos aos sinais de recepção originais do conjunto PZT emissor e EA receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem danos;
Na Figura 18 apresenta-se dados de amplitude normalizada relativos aos sinais de recepção filtrados nas bandas selecionada de 132 a 138 kHz para diversos parâmetros estatísticos RMS, Picos, Counts, MARSE e ROP relativos aos sinais de recepção originais do conjunto PZT emissor e PZT receptor de ondas acústicas nas duas condições superficiais da peça: com e sem danos;[027] To assist in the identification of the main characteristics of this system and damage detection method, the figures to which reference is made are presented, as follows:
Figure 1 shows a scheme of the system applied to the rectification process;
Figure 2 shows a surface of an ABNT 4340 steel part in damage and without damage;
Figure 3 shows a graph regarding the roughness profile (Ra) of the surface of ABNT 4340 steel parts, in damage and without damage conditions;
In Figure 4 a bar graph is presented regarding the average roughness of the surface of ABNT 4340 steel parts, in damage conditions and without damage;
Figure 5 shows a graph relating to the Vickers hardness profile (HV) of the surface of ABNT 4340 steel parts, in damage and without damage conditions;
Figure 6 shows a graph relative to the average Vickers hardness (HV) of the surface of ABNT 4340 steel parts, in damage conditions and without damage;
Figure 7 shows the emission and reception signals for the PZT configuration emitting and receiving the acoustic wave in two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 8 shows the emission and reception signals for the configuration PZT emitter and PZT receiver of acoustic waves in the surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 9 shows the linear correlation index between the emission and reception signals for the PZT configuration emitting and receiving the acoustic wave in the two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 10 presents the linear correlation index between the emission and reception signals for the PZT emitter and PZT configuration of acoustic waves in the two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 11 shows the frequency spectrum of the reception signals for the configuration of the PZT emitter and EA receiver of acoustic waves in the two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 12 shows the frequency spectrum of the reception signals for the PZT emitter and PZT acoustic wave configuration in the two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 13 shows the comparison between the amplification of the frequency bands for the EA sensor reception signal: a) 132 to 136 KHz, b) 162 to 168 kHz;
Figure 14 shows the comparison between the amplification of the frequency bands for the reception signal of the PZT sensor: a) 131 to 138 KHz, b) 153 to 159 kHz;
Figure 15 presents normalized amplitude data for all processing statistics for several parameters: RMS, Picos, Counts, MARSE and ROP; relative to the original reception signals of the PZT emitter and EA receiver of acoustic waves in the two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 16 presents normalized amplitude data for all processing statistics for several statistical parameters: RMS, Picos, Counts, MARSE and ROP; relative to the original reception signals of the PZT emitter and PZT receiver set for acoustic waves in the two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 17 presents normalized amplitude data for the filtered reception signals in the bands selected from 132 to 138 kHz for various statistical parameters RMS, Peaks, Counts, MARSE and ROP relative to the original reception signals of the sending and receiving PZT set. of acoustic waves in the two surface conditions of the piece: with and without damage;
Figure 18 presents normalized amplitude data for the filtered reception signals in the bands selected from 132 to 138 kHz for various statistical parameters RMS, Peaks, Counts, MARSE and ROP relative to the original reception signals of the sending and receiving PZT PZT set of acoustic waves in the two surface conditions of the piece: with and without damage;

Detailed description of the invention:

[028] A presente invenção se refere a sistema de monitoramento e método de detecção de danos em peças nos processos de usinagem, mais especificamente no processo de retificação. O cerne da invenção está na aplicação de ondas com diafragmas piezelétricos de baixo custo, sendo estes confeccionados de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT), com o objetivo de monitorar a integridade de peças durante o processo de retificação.[028] The present invention relates to a monitoring system and method for detecting damage to parts in machining processes, more specifically in the grinding process. The core of the invention is the application of waves with low-cost piezoelectric diaphragms, which are made of Lead Zirconate Titanate (PZT), in order to monitor the integrity of parts during the grinding process.

[029] O referido sistema de monitoramento e detecção de danos em processo de manufatura compreende:

(1) um par de diafragmas piezelétricos que se localizam diametralmente opostos, um atuando como emissor de sinais (1.1) e outro atuando como receptor de sinais (1.2);
(2) um hardware gerador de sinais com frequências determinadas;
(3) um hardware de aquisição dos sinais provenientes da aplicação técnica;
(4) e uma interface computacional para tratamento dos sinais e diagnóstico da superficie da peça;

[029] The aforementioned damage monitoring and detection system in the manufacturing process comprises:

(1) a pair of piezoelectric diaphragms that are diametrically opposed, one acting as a signal emitter (1.1) and the other acting as a signal receiver (1.2);
(2) hardware that generates signals with determined frequencies;
(3) hardware for acquiring the signals from the technical application;
(4) and a computational interface for processing the signals and diagnosing the surface of the part;

[030] Os diafragmas piezelétricos de baixo custo (PZT) são fixados no suporte da peça, de forma a ficarem diametralmente opostos. Estes diafragmas são compostos de cerâmica piezelétrica PZT em forma de disco (elemento ativo) com um diâmetro especifico aderida concentricamente em um disco de latão com diâmetro maior do que o do elemento ativo.[030] Low-cost piezoelectric diaphragms (PZT) are attached to the workpiece support, so that they are diametrically opposed. These diaphragms are composed of piezoelectric PZT ceramics in the form of a disc (active element) with a specific diameter adhered concentrically to a brass disc with a diameter larger than that of the active element.

[031] O hardware gerador de sinais é preferencialmente um dispositivo de aquisição de dados (DAQ), que gera o sinal de excitação do diafragma de PZT após o passe de retificação. O sinal de excitação possui duração de 500 ms com frequências de 1Hz até 250 KHz. Além disso, cinco pacotes de excitação espaçados de forma regular foram enviados ao PZT configurado no modo emissor, permitindo assim executar a verificação de repetibilidade do método.[031] The signal generating hardware is preferably a data acquisition device (DAQ), which generates the excitation signal from the PZT diaphragm after the rectification pass. The excitation signal has a duration of 500 ms with frequencies from 1Hz to 250 KHz. In addition, five evenly spaced excitation packages were sent to the PZT configured in the emitter mode, thus allowing to perform the method repeatability check.

[032] O hardware de aquisição de sinais é preferencialmente um oscilógrafo que atua a uma taxa de aproximadamente 2 MHz, quando aplicado na retificação.[032] The signal acquisition hardware is preferably an oscillograph that operates at a rate of approximately 2 MHz, when applied to the rectification.

[033] A interface computacional para tratamento dos sinais e diagnóstico da superficie da peça atua a partir dos dados coletados por meio dos sensores, configurados como receptores de ondas acústicas, por meio de um processamento digital auxiliado por softwares interativo de alta performance voltado para o cálculo numérico. Além disso, um estudo sobre os espectros dos sinais brutos foi executado objetivando a identificação de bandas de frequência que melhor ser relacionavam com as condições encontradas na superficie de cada peça retificada.[033] The computational interface for the treatment of signals and diagnosis of the surface of the part acts from the data collected by means of sensors, configured as acoustic wave receivers, through a digital processing aided by high performance interactive software aimed at the numerical calculation. In addition, a study on the raw signal spectra was carried out aiming at the identification of frequency bands that best be related to the conditions found on the surface of each rectified part.

[034] O referido método de detecção de danos compreende as etapas de:

(A) Envio de pacotes de sinais com frequências determinadas do diafragma emissor para o diafragma receptor, antes de iniciar o processo mecânico;
(Β) Reenvio do pacote de sinais após o processo mecânico;
(C) Processamento e seleção de bandas de frequência especificas;
(D) Aplicação de um filtro digital nas bandas determinadas nos sinais de recepção;
(E) Aplicação de tratamento de sinais, por meio de parâmetros, tais como: Média do valor médio quadrático (RMS), contagem de eventos (counts), Razão de Potência (ROP), contagem de picos.

[034] The aforementioned damage detection method comprises the steps of:

(A) Sending signal packets with determined frequencies from the emitting diaphragm to the receiving diaphragm, before starting the mechanical process;
(Β) Resending the signal package after the mechanical process;
(C) Processing and selection of specific frequency bands;
(D) Application of a digital filter in the bands determined in the reception signals;
(E) Application of signal processing, by means of parameters, such as: Average of the mean square value (RMS), count of events (counts), Power Ratio (ROP), peak count.

[035] Assim, de acordo com as etapas supracitadas o método é baseado nas análises dos sinais recebidos pelo PZT configurado como receptor. Vale ressaltar, que é necessário que seja efetuado o recebimento dos pacotes de sinais pelo diafragma receptor antes de iniciar o processo mecânico. Após o processo mecânico ser finalizado os mesmos pacotes são reenviados.[035] Thus, according to the aforementioned steps, the method is based on the analysis of the signals received by the PZT configured as a receiver. It is worth mentioning that it is necessary to receive the signal packets through the receiving diaphragm before starting the mechanical process. After the mechanical process is completed, the same packages are resent.

[036] Dessa forma, é possivel por meio de análise de bandas de frequência e aplicações de filtros digitais, selecionar as componentes dos sinais mais sensíveis as variações que o processo mecânico tenha causado às peças analisadas. Em seguida, com os sinais recebidos filtrados nas bandas selecionadas e as aplicações de parâmetros, tais como: Média do valor médio quadrático (RMS), contagem de eventos (counts), Razão de Potência (ROP), contagem de picos, é possível diagnosticar a condição da peça analisada, por meio de comparações entre as condições (sem dano e com dano) .[036] In this way, it is possible, through frequency band analysis and digital filter applications, to select the components of the most sensitive signals to variations that the mechanical process has caused to the analyzed parts. Then, with the received signals filtered in the selected bands and the application of parameters, such as: Mean of the mean square value (RMS), count of events (counts), Power Ratio (ROP), peak count, it is possible to diagnose the condition of the analyzed part, through comparisons between the conditions (without damage and with damage).

Comparative tests PZT x EA

[037] De moda a evidenciar os efeitos técnicos da referida invenção, realizou-se a comparação entre o conjunto PZT emissor e PZT receptor de ondas acústicas com o conjunto PZT emissor e sensor de emissão acústica (EA) atuando como receptor. A peça avaliada, é de aço ABNT 4340, com dimensões de 150 X 7 X 43 mm, sendo estas medidas o comprimento, a largura e a altura, respectivamente. A integridade da mesma foi avaliada em termos de parâmetros de rugosidade, análise visual e microdureza, com o intuito de validar a acurácia do sistema e do método de acordo com a comparação com metodologias já conhecidas.[037] In order to highlight the technical effects of the aforementioned invention, a comparison was made between the emitter PZT set and the acoustic wave receiver PZT set with the emitter PZT set and acoustic emission sensor (EA) acting as receiver. The evaluated piece is made of ABNT 4340 steel, with dimensions of 150 X 7 X 43 mm, these measures being length, width and height, respectively. Its integrity was evaluated in terms of roughness parameters, visual analysis and microhardness, in order to validate the accuracy of the system and method according to the comparison with known methodologies.

[038] Para avaliação da eficiência da técnica proposta realizou-se um ensaio de retificação baseado em parâmetros escolhidos para provocar danos na superficie da peça, e, assim, fez-se o ensaio, com uma passada de retificação sobre a superficie da peça, com penetração de trabalho (ae) de 20 μm. A ferramenta de corte utilizada foi um rebolo de óxido de aluminio e não foi utilizado fluido de corte durante a passada de retificação.[038] To evaluate the efficiency of the proposed technique, a grinding test was carried out based on parameters chosen to cause damage to the surface of the part, and, thus, the test was carried out, with a grinding pass on the surface of the part, with working penetration (ae) of 20 μm. The cutting tool used was an aluminum oxide wheel and cutting fluid was not used during the grinding pass.

[039] Conforme mencionado, os diafragmas piezelétricos de baixo custo (PZT) foram fixados no suporte da peça, de forma a ficarem diametralmente opostos, enquanto que, o sensor de emissão acústica (EA) foi fixado ao suporte da peça próximo ao transdutor piezelétrico configurado no modo receptor.[039] As mentioned, the low-cost piezoelectric diaphragms (PZT) were fixed to the workpiece support, in order to be diametrically opposed, while the acoustic emission sensor (EA) was fixed to the workpiece support next to the piezoelectric transducer configured in receiver mode.

[040] De acordo com a Figura 2, é possivel identificar imagens da superficie da peça de aço ABNT 4340 em duas condições, sem dano e com dano. A peça em condições normais de retificação, possui coloração uniforme indicando a não ocorrência de dano em sua superficie. No entanto, ao observar a peça após a retificação severa é identificado a variação na coloração, bem como, a tonalidade azulada de sua superficie. A coloração mais escura é devida a formação de uma camada de óxido durante a remoção do material, sendo que essas características são indícios da ocorrência de danos no processo de retificação, tal como a queima.[040] According to Figure 2, it is possible to identify images of the surface of the ABNT 4340 steel part in two conditions, without damage and with damage. The part, under normal grinding conditions, has a uniform color indicating that no damage has occurred on its surface. However, when observing the part after severe rectification, the variation in color is identified, as well as the bluish tint of its surface. The darker coloration is due to the formation of an oxide layer during the removal of the material, and these characteristics are indications of the occurrence of damages in the rectification process, such as burning.

[041] Em alguns casos, a coloração mais escura da superfície da peça pode ser um aspecto cosmético, não sendo suficiente para determinar a ocorrência de queima. Para investigar se de fato ocorreu queima ou houve dano superficial na peça, outros métodos de avaliação de integridade da peça podem ser utilizados, por exemplo, a rugosidade e a medição de dureza.[041] In some cases, the darker coloration of the piece's surface may be a cosmetic aspect, not being sufficient to determine the occurrence of burning. In order to investigate whether burns have actually occurred or there has been superficial damage to the part, other methods of assessing the integrity of the part can be used, for example, roughness and hardness measurement.

[042] Em correspondência com a Figura 3, é possível verificar a rugosidade média (Ra) da superfície da peça em duas condições, sem dano (baseline) e com dano, ao longo do comprimento da peça retificada.[042] In correspondence with Figure 3, it is possible to check the average roughness (Ra) of the part surface in two conditions, without damage (baseline) and with damage, along the length of the ground part.

[043] A rugosidade média da superfície da peça (Ra) foi obtida por meio de um rugosímetro portátil. De acordo com as recomendações da ISO 4288-1996, foram utilizados um cut-off de 0.8 mm e comprimento da amostra de 1.6 mm. A rugosidade média foi obtida ao longo da superfície da peça, que foi dividida em 12 partes igualmente espaçadas, onde foram efetuadas três repetições. É possível observar o aumento acentuado dos valores de rugosidade para a condição de retificação severa, o que pode ser considerado como um parâmetro indicativo de queima.[043] The average roughness of the part surface (Ra) was obtained by means of a portable roughness meter. According to the recommendations of ISO 4288-1996, a cut-off of 0.8 mm and a sample length of 1.6 mm were used. The average roughness was obtained along the surface of the piece, which was divided into 12 equally spaced parts, where three repetitions were performed. It is possible to observe the sharp increase in the roughness values for the condition of severe grinding, which can be considered as an indicative parameter of burning.

[044] A análise da média da rugosidade da superfície da peça (Ra) em duas condições, sem dano e com dano, está contemplada na Figura 4. A média da Ra para a peça sem dano é de cerca de 0,4 0 μm, enquanto que a média da Ra para a peça com dano é de aproximadamente 1,15 μm. Ou seja, ocorreu um aumento percentual da ordem de 88%.[044] The analysis of the average roughness of the part surface (Ra) in two conditions, without damage and with damage, is contemplated in Figure 4. The average of Ra for the part without damage is about 0.4 0 μm , while the average Ra for the damaged part is approximately 1.15 μm. In other words, there was a percentage increase in the order of 88%.

[045] Além disso, os ensaios de microdureza foram realizados, de modo que as identações foram executadas com uma carga de 300 g, sendo 12 medições igualmente espaçadas ao longo da superficie da peça com três repetições. As medidas de dureza foram efetuadas de acordo com a norma ASTM E92.[045] In addition, microhardness tests were performed, so that the indentations were performed with a load of 300 g, with 12 measurements being equally spaced along the surface of the part with three repetitions. The hardness measurements were carried out in accordance with the ASTM E92 standard.

[046] Os dados de microdureza da superficie da peça em duas condições, sem dano (baseline) e com dano, pode ser verificado na Figura 5. Semelhantemente ao comportamento apresentado pelo perfil de rugosidade foi possivel observar um aumento acentuado da dureza na condição da peça danificada, provavelmente proveniente de formação de fase e/ou devido ao encruamento da superficie da peça.[046] The microhardness data of the part surface in two conditions, without damage (baseline) and with damage, can be seen in Figure 5. Similar to the behavior presented by the roughness profile, it was possible to observe a sharp increase in the hardness in the condition of the damaged part, probably due to phase formation and / or due to hardening of the part surface.

[047] A queima pode causar uma re-austenitização da superficie de peças de aço, causando o re-endurecimento de zonas próximas a superficie da peça, após o resfriamento, caso não seja aplicado nenhum tratamento térmico, elevando assim a dureza da mesma. Assim, baseado no comportamento da dureza, pode-se observar uma diferença significativa nos valores entre a superficie da peça sem dano (baseline) e a superficie da peça com dano, ou seja, há indícios de um re-endurencimento da zona próxima a superfície da peça com dano, sendo uma característica usual da retificação com ocorrência do fenômeno de queima.[047] Burning can cause a re-austenitization of the surface of steel parts, causing the re-hardening of areas close to the surface of the part, after cooling, if no heat treatment is applied, thus increasing its hardness. Thus, based on the behavior of the hardness, a significant difference in values can be observed between the surface of the part without damage (baseline) and the surface of the part with damage, that is, there are indications of a re-hardening of the area close to the surface. of the part with damage, being a usual feature of grinding with the occurrence of the burning phenomenon.

[048] A média da dureza da superfície da peça nas duas condições, sem dano (baseline) e com dano, está contida na Figura 6 em forma de gráfico. A média da dureza da superficie da peça sem dano é de cerca de 400 HV. Após o processo de retificação severa a dureza média da superficie da peça alcançou um valor médio de 700 HV, ou seja, ocorreu um crescimento de aproximadamente 75%. Esse aumento brusco na dureza da superficie da peça indica a ocorrência de danos no processo de retificação, como a queima, uma vez que a re-austenitização e o re-endurecimento da superficie da peça ocorrem durante esse fenômeno.[048] The average hardness of the part surface in both conditions, without damage (baseline) and with damage, is contained in Figure 6 in the form of a graph. The average hardness of the undamaged part is about 400 HV. After the severe grinding process, the average hardness of the part surface reached an average value of 700 HV, that is, there was a growth of approximately 75%. This sudden increase in the hardness of the part's surface indicates the occurrence of damages in the grinding process, such as firing, since re-austenitization and re-hardening of the part's surface occur during this phenomenon.

[049] Um conjunto de sinais de emissão e recepção de ondas acústicas para o conjunto PZT emissor e EA receptor é apresentado na Figura 7. Ressalta-se que foram enviados cinco pacotes com frequências determinadas. É possivel observar que algumas frequências foram transmitidas com maior efetividade em relação a outras. No entanto, ao comparar o sinal de recepção no domínio do tempo nas duas condições observadas não se identifica grande diferenças. Isso demonstra que a análise de sinais no domínio do tempo, não considerando a análise no domínio da frequência, pode acarretar em prejuízos no diagnóstico da condição da peça. Devido a similaridade entre os sinais de recepção das condições observadas, é necessário a análise no domínio da frequência, de modo a encontrar as componentes desses sinais que são mais sensíveis as variações que a peça sofreu durante os processos mecânicos.[049] A set of acoustic wave emission and reception signals for the sending and receiving PZT set is shown in Figure 7. It should be noted that five packets were sent with determined frequencies. It is possible to observe that some frequencies were transmitted more effectively in relation to others. However, when comparing the reception signal in the time domain in the two conditions observed, no major differences are identified. This demonstrates that the analysis of signals in the time domain, not considering the analysis in the frequency domain, can cause losses in the diagnosis of the condition of the part. Due to the similarity between the reception signals of the observed conditions, it is necessary to analyze the frequency domain, in order to find the components of these signals that are more sensitive to the variations that the part suffered during the mechanical processes.

[050] Em contrapartida, um conjunto de sinais de emissão e recepção de ondas acústicas para o conjunto PZT emissor e PZT receptor é apresentado na Figura 8.[050] In contrast, a set of acoustic wave emission and reception signals for the sending and receiving PZT set is shown in Figure 8.

[051] Inicialmente selecionou-se três pacotes de dados dos cinco disponíveis, sendo que os pacotes selecionados são formados pelo sinal de excitação, emitido pelo PZT, e pelo sinal de recepção, recebido pelo PZT passivo ou sensor de EA. Ou seja, são comparados os dois conjuntos de sensores, sendo estes PZT-EA e PZT-PZT.[051] Initially, three data packages were selected from the five available, and the selected packages are formed by the excitation signal, emitted by the PZT, and by the reception signal, received by the passive PZT or EA sensor. That is, the two sets of sensors are compared, these being PZT-EA and PZT-PZT.

[052] Após a seleção destes pacotes foi efetuada a correlação entre os sinais emitidos e recebidos pelos sensores (PZT e EA) para cada condição da peça, sem dano (baseline) e com dano. O coeficiente de correlação de duas variáveis é a medida de sua dependência linear, e a correlação para os sinais de emissão e recepção dos pacotes selecionados relativos ao conjunto PZT - EA e PZT - PZT são apresentadas na Figura 9 e 10, respectivamente. É importante ressaltar que o desvio entre os valores de correlação dos pacotes é muito baixo, da ordem de 1 a 2%, ou seja, os pacotes emitidos e recebidos possuem repetibilidade, tornando o diagnóstico da superficie da peça mais confiável.[052] After selecting these packages, a correlation was made between the signals sent and received by the sensors (PZT and EA) for each condition of the part, without damage (baseline) and with damage. The correlation coefficient of two variables is the measure of their linear dependence, and the correlation for the signals of emission and reception of the selected packets related to the set PZT - EA and PZT - PZT are shown in Figure 9 and 10, respectively. It is important to note that the deviation between the values of correlation of the packages is very low, of the order of 1 to 2%, that is, the packages sent and received have repeatability, making the diagnosis of the surface of the part more reliable.

[053] O estudo de bandas de frequência foi efetuado para os pacotes de recepção de ambos os conjuntos de sensores, PZT - EA e PZT - PZT, com o objetivo de encontrar as bandas de frequências que mais fortemente se relacionassem com as condições superficiais da peça. A transformada Rápida de Fourier (FFT) foi aplicada aos pacotes selecionados), em seguida, a FFT média entre esses pacotes foi obtida. O critério para seleção de bandas foi baseado na busca de bandas de frequências que apresentam as maiores diferenças de magnitudes entre as condições observadas no processo, no caso desta proposta duas condições foram observadas, peça sem dano (baseline) e peça com dano. Após a seleção de bandas, filtros digitais Butterworth (ordem 4), para cada banda de frequência previamente escolhida, foram aplicados aos sinais de recepção originais, e assim, novos vetores de dados foram obtidos.[053] The study of frequency bands was carried out for the reception packages of both sets of sensors, PZT - EA and PZT - PZT, in order to find the frequency bands that most strongly related to the surface conditions of the piece. The Fast Fourier transform (FFT) was applied to the selected packages), then the average FFT between these packages was obtained. The criterion for band selection was based on the search for frequency bands that present the greatest magnitude differences between the conditions observed in the process, in the case of this proposal two conditions were observed, part without damage (baseline) and part with damage. After the selection of bands, digital Butterworth filters (order 4), for each frequency band previously chosen, were applied to the original reception signals, and thus, new data vectors were obtained.

[054] Pela Figura 11 é possivel verificar os espectros para os sinais de recepção do conjunto PZT-EA, de modo a identificar uma atividade maior no espectro em relação as frequências de 20 a 40 kHz e de 120 a 150 kHz. Além disso, a condição superficial com dano apresentou maiores amplitudes na maior parte do espectro, indicando assim que as condições do processo influenciam de forma direta no espectro de frequência dos sinais amostrados.[054] By Figure 11, it is possible to check the spectra for the reception signals of the PZT-EA set, in order to identify a greater activity in the spectrum in relation to the frequencies of 20 to 40 kHz and 120 to 150 kHz. In addition, the damaged surface condition showed greater amplitudes in most of the spectrum, thus indicating that the process conditions directly influence the frequency spectrum of the sampled signals.

[055] Pela Figura 12 é possivel verificar os espectros para os sinais de recepção do conjunto PZT-PZT. Observa-se uma atividade maior no espectro em relação as frequências de 120 a 180 kHz. De forma semelhante ao comportamento apresentado anteriormente pelos sinais de recepção do sensor de EA, a condição superficial com dano apresentou maiores amplitudes na maior parte do espectro. As maiores amplitudes observadas para a superficie da peça com dano em frequências mais elevadas podem ser explicadas pela alteração na microestrutura do material, isto é, a alteração na característica do meio desempenhou um papel chave na propagação das ondas acústicas.[055] By Figure 12 it is possible to check the spectra for the reception signals of the PZT-PZT set. Greater activity is observed in the spectrum in relation to frequencies from 120 to 180 kHz. Similar to the behavior previously presented by the EA sensor reception signals, the damaged surface condition showed greater amplitudes in most of the spectrum. The greater amplitudes observed for the surface of the part with damage at higher frequencies can be explained by the change in the microstructure of the material, that is, the change in the characteristic of the medium played a key role in the propagation of acoustic waves.

[056] Algumas das bandas de frequência selecionadas a partir dos sinais de recepção do PZT e EA que melhor se correlacionaram com a integridade da peça (sem dano e com dano) foram ampliadas e são mostradas na Figura 13. Nota-se que a amplitude do sinal se altera de acordo com a condição superficial da peça. De forma análoga, e visando a comparação entre o método que emprega sensor de PZT ativo e o sensor de EA passivo, também foram selecionadas bandas de frequência dos sinais obtidos pelo conjunto PZT emissor e PZT receptor de ondas acústicas.[056] Some of the frequency bands selected from the reception signals of the PZT and EA that best correlated with the integrity of the part (without damage and with damage) have been expanded and are shown in Figure 13. It is noted that the amplitude of the signal changes according to the surface condition of the part. In an analogous way, and aiming at the comparison between the method that employs active PZT sensor and the passive EA sensor, frequency bands of the signals obtained by the emitting PZT set and PZT receiver of acoustic waves were also selected.

[057] A ampliação de duas bandas de frequências selecionadas no espectro obtido a partir dos sinais de recepção do PZT ativo e PZT passivo são mostradas na Figura 14. O mesmo comportamento exibido pelo conjunto PZT-EA é apresentado pelo conjunto PZT-PZT, ou seja, em relação ao espectro dos sinais, de acordo com a condição da peça há alteração na amplitude do próprio espectro.[057] The amplification of two frequency bands selected in the spectrum obtained from the active PZT and passive PZT reception signals are shown in Figure 14. The same behavior shown by the PZT-EA set is shown by the PZT-PZT set, or that is, in relation to the spectrum of the signals, according to the condition of the piece, there is a change in the amplitude of the spectrum itself.

[058] No que tange ao tratamento dos sinais salienta-se que o parâmetro mais utilizado em pesquisas de monitoramento no processo de retificação é o RMS. O RMS é altamente sensível na detecção do contato entre o rebolo e a peça, possibilitando a extração de inúmeras características e o diagnóstico do processo. O valor de RMS pode ser calculado utilizando-se a equação:

[058] Regarding the treatment of signals, it should be noted that the parameter most used in monitoring surveys in the rectification process is the RMS. The RMS is highly sensitive in detecting the contact between the grinding wheel and the part, enabling the extraction of numerous characteristics and the diagnosis of the process. The RMS value can be calculated using the equation:

[059] Onde AE (t) é o sinal de AE original, ΔT é a constante de tempo de integração. O RMS dos sinais de recepção para cada sensor foi obtido utilizando um bloco de dados de 2048 pontos, que corresponde a 1 ms.[059] Where AE (t) is the original AE signal, ΔT is the integration time constant. The RMS of the reception signals for each sensor was obtained using a data block of 2048 points, which corresponds to 1 ms.

[060] Em relação a outros parâmetros, a estatística counts se configura como a quantidade de vezes que o sinal atravessa um limiar por unidade de tempo. Assim, essa estatística auxilia na estimação da atividade acústica do sinal.[060] In relation to other parameters, the counts statistic is configured as the number of times that the signal crosses a threshold per unit of time. Thus, this statistic helps to estimate the acoustic activity of the signal.

[061] Além disso, uma maneira de mensurar a energia do sinal é a "medida da área sob a forma de onda retificada" conhecida como MARSE. Essa medida "MARSE" é capaz de expressar a quantidade proporcional de energia transmitida a peça durante o processo.[061] In addition, one way to measure signal energy is to "measure the area under the rectified waveform" known as MARSE. This "MARSE" measure is capable of expressing the proportional amount of energy transmitted to the part during the process.

[062] Em relação a análise no domínio da frequência, a estatística razão de potência (ROP) é aplicada em alguns trabalhos de monitoramento de processos de manufatura, sendo definida pela equação:

[062] Regarding the analysis in the frequency domain, the statistical power ratio (ROP) is applied in some works of monitoring of manufacturing processes, being defined by the equation:

[063] Onde Ν é o comprimento do segmento de dados de EA, n1 e n2 definem a faixa de frequências para análise, e Xk é a k-nésima saída da DFT.[063] Where Ν is the length of the EA data segment, n1 and n2 define the frequency range for analysis, and Xk is the k-nth output of the DFT.

[064] O comprimento do bloco de dados de RMS de 2048 pontos foi aplicado para as outras estatísticas, como o counts, picos e MARSE. Vale destacar que as estatísticas foram aplicadas aos vetores dos sinais de recepção originais e filtrados, para cada um dos pacotes inicialmente selecionados.[064] The RMS data block length of 2048 points was applied to the other statistics, such as counts, peaks and MARSE. It is worth noting that the statistics were applied to the vectors of the original and filtered reception signals, for each of the initially selected packages.

[065] A média e o desvio entre cada estatística (RMS, MARSE, picos e counts) aplicada em cada pacote de recepção para ambas condições (sem dano e com dano) e para os dois sensores de recepção (EA e PZT) foi efetuada. A estatística ROP, foi aplicada inicialmente desconsiderando o critério de seleção de bandas de frequência apresentado anteriormente. Em seguida, efetuou-se a ROP nos sinais de recepção considerando as bandas selecionadas. De modo a comparar as estatísticas aplicadas, fez-se a normalização dos valores obtidos.[065] The average and the deviation between each statistic (RMS, MARSE, peaks and counts) applied in each reception package for both conditions (without damage and with damage) and for the two reception sensors (EA and PZT) was performed . The ROP statistic was initially applied disregarding the frequency band selection criterion previously presented. Then, the ROP was performed on the reception signals considering the selected bands. In order to compare the applied statistics, the values obtained were normalized.

[066] De acordo com as figuras 15 e 16 verificam-se os valores de todas as estatísticas de processamento dos sinais puros, do conjunto PZT-EA e do conjunto PZT-PZT, respectivamente.[066] According to figures 15 and 16, the values of all processing statistics of pure signals, of the PZT-EA set and of the PZT-PZT set, respectively, are verified.

[067] Observa-se que os valores das estatísticas são muito próximos para cada condição. As diferenças percentuais entre a superfície com dano e sem dano para cada estatística e cada conjunto de sensores (EA - PZT e PZT -PZT) foram de:

[067] It is observed that the values of the statistics are very close for each condition. The percentage differences between the damaged and undamaged surface for each statistic and each set of sensors (EA - PZT and PZT -PZT) were:

[068] Por meio dos dados supracitados não é possível diagnosticar com alto grau de confiabilidade as condições da superfície da peça devido à pouca diferença entre valores obtidos pelas estatísticas (RMS, Picos, Counts, MARSE, ROP) para cada condição observada na superfície da peça. A diferença percentual entre essas condições superficiais (baseline e dano) para cada estatística é menor que 5% na maioria das estatísticas.[068] Using the above data, it is not possible to diagnose the surface conditions of the part with a high degree of reliability due to the little difference between values obtained by the statistics (RMS, Picos, Counts, MARSE, ROP) for each condition observed on the surface of the part. piece. The percentage difference between these surface conditions (baseline and damage) for each statistic is less than 5% in most statistics.

[069] De acordo com as figuras 15 e 16 verificam-se os valores de todas as estatísticas de processamento dos sinais puros, do conjunto PZT-EA e do conjunto PZT-PZT, respectivamente, porém focando-se em uma única banda selecionada de 132 kHz a 138 kHz.[069] According to figures 15 and 16, the values of all processing statistics of pure signals, of the PZT-EA set and of the PZT-PZT set, respectively, are verified, however focusing on a single selected band of 132 kHz to 138 kHz.

[070] Observa-se que os valores das estatísticas são relativamente próximos para cada condição. As diferenças percentuais entre a superfície com dano e sem dano para cada estatística e cada conjunto de sensores (EA - PZT e PZT -PZT) foram de:

[070] It is observed that the values of the statistics are relatively close for each condition. The percentage differences between the damaged and undamaged surface for each statistic and each set of sensors (EA - PZT and PZT -PZT) were:

[071] Em relação as estatísticas aplicadas no domínio do tempo para o conjunto de sensores PZT - EA, a diferença percentual entre os resultados obtidos para cada característica superficial da peça (sem dano e com dano) é de cerca de 19%, com destaque para a estatística counts que apresentou diferença percentual de 21,7% entre as características superficiais da peça, sendo mais sensível que o RMS do sinal de recepção filtrado.[071] Regarding the statistics applied in the time domain for the set of sensors PZT - EA, the percentage difference between the results obtained for each surface characteristic of the part (without damage and with damage) is about 19%, with emphasis for the counts statistic that presented a percentage difference of 21.7% between the surface characteristics of the piece, being more sensitive than the RMS of the filtered reception signal.

[072] Em relação ao domínio da frequência a estatística ROP apresentou uma diferença considerável, da ordem de 54,5 por cento, entre as duas condições superficiais identificadas, alcançando o melhor desempenho entre todas as estatísticas abordadas nessa proposta. Devido ao fato da ROP considerar a potência do espectro de uma determinada banda em relação ao espectro total, o resultado apresentado para determinadas bandas de frequência é esperado, pois as diferenças de magnitudes dos espectros entre as condições são evidenciadas por meio dessa estatística.[072] Regarding the frequency domain, the ROP statistic showed a considerable difference, of the order of 54.5 percent, between the two surface conditions identified, achieving the best performance among all the statistics addressed in this proposal. Due to the fact that ROP considers the power of the spectrum of a given band in relation to the total spectrum, the result presented for certain frequency bands is expected, since the differences in the magnitudes of the spectra between the conditions are evidenced by means of this statistic.

[073] Em relação as diferenças percentuais das estatísticas aplicadas aos sinais de recepção para o conjunto de sensores PZT-EA e PZT-PZT, identifica-se maiores diferenças na utilização do sensor PZT como receptor das ondas acústicas em relação ao sensor de EA. As estatísticas aplicadas ao sinais de recepção do sensor PZT apresentam uma diferença média entre as condições superficiais da ordem de 30 por cento enquanto que as mesmas estatísticas aplicadas aos sinais de recepção do sensor de EA apresentaram uma diferença média de cerca de 18 por cento.[073] Regarding the percentage differences in the statistics applied to the reception signals for the set of PZT-EA and PZT-PZT sensors, greater differences are identified in the use of the PZT sensor as a receiver of acoustic waves in relation to the EA sensor. The statistics applied to the reception signals of the PZT sensor show an average difference between the surface conditions of the order of 30 percent while the same statistics applied to the reception signals of the EA sensor showed an average difference of about 18 percent.

[074] Em suma, o PZT atuando como receptor apresentou desempenho superior, possibilitando um melhor diagnóstico da superficie da peça, pois, quanto maior a diferença entre as condições superficiais, menos custosa se torna a identificação das mesmas. No domínio da frequência, a estatística ROP manteve o mesmo comportamento observado nos sinais de recepção EA, sendo a melhor estatística para classificação dos danos superficiais.[074] In short, the PZT acting as a receiver showed superior performance, enabling a better diagnosis of the surface of the part, because the greater the difference between the surface conditions, the less costly it becomes to identify them. In the frequency domain, the ROP statistic maintained the same behavior observed in the EA reception signals, being the best statistic for the classification of superficial damage.

[075] Além disso, é importante ressaltar que os sinais de recepção de ondas acústicas obtidos pelos sensores de recepção (EA e PZT) após a aplicação das técnicas de processamento digital de sinais apesentaram correlação com os principais parâmetros de avaliação da integridade da superfície das peças normalmente utilizados em estudos de retificação: rugosidade da superfície, imagens das superfícies das peças retificadas e microdureza.[075] Furthermore, it is important to note that the acoustic wave reception signals obtained by the reception sensors (EA and PZT) after the application of digital signal processing techniques showed a correlation with the main parameters for assessing the surface integrity of the signals. parts normally used in rectification studies: surface roughness, images of the surfaces of the rectified parts and microhardness.

[076] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.[076] Those skilled in the art will value the knowledge presented here and will be able to reproduce the invention in the modalities presented and in other variants, covered by the scope of the attached claims.

Claims

DAMAGE DETECTION SYSTEM IN PARTS SUBMITTED TO MACHINING PROCESSES characterized by comprising:
a pair of piezoelectric diaphragms (1), signal generating hardware (2), signal acquisition hardware (3), and a computational interface (4);
in which the signal generating hardware (2) excites the emitting piezoelectric diaphragm (1.1) after the machining pass; the emitting piezoelectric diaphragm (1.1) emits a signal; the receiver piezoelectric diaphragm (1.2) captures said signal; the signal acquisition hardware (3) reconstitutes the form of oscillation captured by the receiver piezoelectric diaphragm (1.2); and the computational interface (4) treats the wave signals reconstituted by the acquisition hardware (3);
where the piezoelectric diaphragms (1), emitter (1.1), receiver (1.2), are located diametrically opposite.

SYSTEM, according to claim 1, characterized in that the piezoelectric diagrams (1) are preferably made of Lead Titanium Zirconate (PZT).

SYSTEM according to claim 1, characterized in that the signal generating hardware (2) is preferably a data acquisition device (DAQ).

SYSTEM, according to claim 1, characterized in that the signal acquisition hardware (3) is preferably an oscillograph.

SYSTEM, according to claim 1, characterized in that the computational interface (4) has digital processing aided by high performance interactive methods aimed at numerical calculation.

METHOD OF DAMAGE DETECTION IN PARTS SUBMITTED TO MACHINING PROCESSES characterized by understanding the steps of:

(A) Sending signal packets with determined frequencies from the emitting diaphragm (1.1) to the receiving diaphragm (1.2), before starting the machining process;
(B) Resending the signal package after the machining process;
(C) Processing and selection of specific frequency bands;
(D) Application of a digital filter in the bands determined in the reception signals;
(E) Application of signal processing, by means of parameters, which are preferably Average of the mean square value (RMS), event count (counts), Power Ratio (ROP) or peak count.

METHOD OF DAMAGE DETECTION IN PARTS SUBMITTED TO MACHINING PROCESSES, according to claim 6, characterized in that the preferred parameter of step (e) is the mean of the mean square value (RMS).