ES2263342A1 - Proceso de monitorizacion de fallo en herramientas multifilo para mecanizado en serie. - Google Patents
Proceso de monitorizacion de fallo en herramientas multifilo para mecanizado en serie.Info
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Abstract
Proceso de monitorización de fallo en herramientas multifilo para mecanizado en serie. De aplicación para herramientas multifilo usadas en máquinas herramientas de mecanizado en serie de piezas. Se efectúa la medición de la corriente consumida por los motores encargados de mover la herramienta en diferentes direcciones y se lleva a cabo su procesamiento de segmentación y de tipo estadístico para detectar averías como la rotura o el astillamiento del filo, así como para realizar una estimación del desgaste del conjunto de la herramienta para un mejor aprovechamiento de su vida útil. Mediante el almacenamiento de la evolución de los parámetros estadísticos de los consumos de los filos de la herramienta multifilo se permite la detección rápida de las averías y el almacenamiento de históricos que permitan al sistema adaptarse a cambios en la configuración de la máquina herramienta. Resuelve algunos problemas tecnológicos derivados de la variación de condiciones de mecanizado, haciendo innecesaria la recalibración.
Description
Proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie.
La presente invención es de aplicación en
máquinas herramientas de control numérico para el mecanizado de
piezas en serie.
Es objeto de la invención definir un proceso de
monitorización que permita controlar en tiempo real el fallo de la
herramienta multifilo empleada durante el mecanizado de piezas en
serie, así como que actúe sobre la máquina parándola
instantáneamente cuando se da esa circunstancia para evitar la
producción de piezas fuera de las tolerancias previstas.
El mecanizado por arranque de viruta constituye
uno de los principales métodos de fabricación de piezas en muchos
sectores de la industria. El mecanizado en serie de piezas permite
producir gran cantidad de piezas con una calidad, tolerancias y
acabado superficial homogéneos, como se requiere por ejemplo en la
industria del automóvil. La degradación inherente al proceso de
mecanizado en sus diferentes variantes (rotura, astillado, desgaste,
...), constituye uno de los problemas centrales del mecanizado, que
limitan los parámetros de corte (velocidad de corte y de
avance), y por lo tanto limita la tasa de volumen de material
que puede eliminarse con la calidad y tolerancia exigidas. Para
lograr la mejora de la calidad del producto fabricado así como una
reducción de los costes asociados a su fabricación resulta
imprescindible una monitorización y control efectivos del proceso de
mecanizado.
La monitorización del estado de la herramienta
es un campo de investigación muy activo. Existen numerosos trabajos
en los que a través de la medida de alguna señal en el entorno de la
herramienta se correlaciona con el estado de la misma, lo que
permite detectar fenómenos anómalos de su comportamiento como la
rotura del filo de corte. Las medidas usadas en estos trabajos son
de restringida utilidad a la hora de su implantación industrial,
bien por su elevado costo, bien por la necesidad de colocar un
sensor sobre la propia herramienta lo que dificulta el recambio de
una herramienta gastada y el empleo en herramientas con un gran
número de filos de corte como las empleadas en multitud de
operaciones de fabricación en serie. Por otra parte, los trabajos de
investigación, frecuentemente se encuentran desarrollados bajo unas
condiciones de trabajo muy controladas y limitadas como por ejemplo
las condiciones de corte (velocidad de corte y avance) fijadas para
la operación, y se aplican en operaciones de mecanizado
particulares.
Con el empleo de medidas indirectas en la
máquina herramienta se han paliado los inconvenientes de una
sensorización invasiva. La monitorización de la corriente consumida
por los accionamientos de una herramienta se ha mostrado como una
alternativa fiable para la monitorización de la herramienta de
mecanizado. La implantación a escala industrial de un sistema de
monitorización basado en el análisis de la corriente plantea una
serie de dificultades como son una presencia de ruido industrial
propia de las potencias puestas en juego y de la heterogeneidad de
las diferentes instalaciones. Además el proceso de mecanizado se
encuentra sometido a diferentes perturbaciones como la
heterogeneidad de la materia prima usada (sobre todo en operaciones
de desbaste), la flexibilidad exigida a las máquinas capaces de
mecanizar diferentes tipos de materiales y piezas o los cambios
efectuados en las consignas de fabricación para lograr las
tolerancias exigidas.
Invenciones precedentes (EP0969340, WO 03/019301
A2, US4831365, US4351029, US4207567) han aplicado la medición y
procesado de la señal de consumo eléctrico a la detección de
anomalías en la herramienta (desgaste, rotura o desprendimiento).
Sin embargo, el método propuesto basado en la comparación de los
niveles de consumo con umbrales o curvas de referencia para la
declaración de averías, representa una limitación ocasionada por
cambios en el punto de trabajo de la máquina (condiciones de
mecanizado, materiales diversos, diferentes tipos de piezas, etc)
que hace imprescindible una recalibración con el fin de evitar
falsas alarmas. Por otra parte, existe una sensibilidad de la señal
de corriente a otro tipo de fenómenos que no representan una avería
y que deben tenerse en cuenta para no dar falsos diagnósticos.
El mecanizado en serie de piezas exige unas
calidades de fabricación y unos tiempos de producción alcanzables
mediante máquinas altamente especializadas. Para estos trabajos se
recurren a complejas herramientas diseñadas específicamente para
cada operación (como la presentada en la invención US 2003/0143045).
Este tipo de útiles cuenta con una gran cantidad de filos de corte
con el fin de robustecer su funcionamiento y minimizar los tiempos
muertos durante los cambios de herramientas desgastadas. La
monitorización de estas herramientas necesita una metodología
adaptada a su configuración que tenga en cuenta las diferentes zonas
de cada herramienta y que permita aislar y estudiar el consumo de
cada una de ellas.
El proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie que constituye el
objeto de esta invención contempla la medida de las señales de
consumo de cada uno de los ejes que mueven la herramienta multifilo
de mecanizado durante el ciclo completo de trabajo para cada pieza
mecanizada, sometiendo las señales de consumo a un proceso de
segmentación que aísle el consumo de cada zona de la
herramienta.
El proceso de segmentación consiste en extraer
la parte de consumo correspondiente al filo de cada herramienta para
cada una de las señales de los diferentes ejes que mueven la
herramienta. El análisis de la disposición de los diferentes filos
de corte en la herramienta junto con las señales de consumo permite
establecer la correspondencia entre las diferentes zonas en que se
puede dividir el útil y el consumo de cada eje de movimiento de la
herramienta.
Para obtener cada segmento de consumo debe
recurrirse al procesamiento de una señal auxiliar medida de forma
simultánea a los consumos, como por ejemplo las velocidades de cada
eje o una señal auxiliar programada en el control numérico de la
máquina que distinga la zona de trabajo de la herramienta multifilo.
La segmentación viene definida por los instantes de inicio
k_{i} y fin k_{i+1} calculados a partir de eventos
característicos e_{j} de la señal auxiliar procesada, por ejemplo
a partir de la velocidad de giro de la herramienta se calculan las
aceleraciones y deceleraciones que se encuentran programadas en el
programa de mecanizado de la pieza.
Una vez realizado el procesado de segmentación
de los consumos de cada eje, se deben extraer las características
estadísticas que reflejan la evolución del estado de cada zona de la
herramienta multifilo conforme se mecanizan las sucesivas piezas.
Estas características son la corriente máxima, media, rms y
desviación estándar para cada eje de movimiento de cada segmento de
corriente asociado a cada grupo de la herramienta. La evolución de
los parámetros asociados a cada zona de la herramienta multifilo
refleja el incremento del desgaste con el tiempo como aumento del
consumo. Además las averías producidas en las diferentes zonas de la
herramienta se reflejan como variaciones bruscas en los parámetros
estadísticos calculados a partir de la segmentación.
La detección de variaciones bruscas en los
parámetros estadísticos de cada zona de la herramienta se lleva a
cabo mediante un algoritmo de detección de atípicos. A partir de la
regresión lineal realizada sobre una ventana de datos de tamaño
L los consumos de las nuevas piezas mecanizadas se comparan
con la tendencia calculada con la regresión. El residuo obtenido se
estandariza con la varianza de la regresión, y permite detectar
variaciones relativas del consumo significativas que indiquen la
aparición de una avería en alguna zona de la herramienta.
Para fiabilizar la detección de la avería se
utiliza un lote inspección para calcular la diferencia del consumo
de varias piezas mecanizadas consecutivamente respecto de la
tendencia calculada con la ventana de datos de tamaño L. De
esta forma, únicamente se declaran averías en el caso de que mas de
una pieza mecanizada de forma consecutiva, presente un consumo
diferente al de la tendencia. Este esquema de detección de averías,
mejora el diagnóstico respecto al uso de umbrales absolutos o
curvas de referencia, ya que los cambios en el consumo se detectan
como cambios relativos. Esto permite detectar averías aunque el
punto de trabajo de la máquina cambie, lo que hace innecesario una
nueva recalibración.
El establecimiento de los parámetros óptimos del
algoritmo de detección de averías se realiza a partir de las medidas
de rendimiento de un algoritmo de detección de cambios: el tiempo
medio entre falsas alarmas (MTFA) y el retardo de detección
(MTD).
La ventana debe ser lo suficientemente grande
para que proporcione una estimación estable de la desviación
estándar del ruido presente. No debe ser demasiado grande para que
pueda detectar averías en el caso de que la segmentación presente
una rápida variación. Además el tamaño de la ventana limita la
detección de averías próximas entre sí.
El tamaño del lote de inspección representa un
compromiso entre fiabilidad del diagnóstico (tamaño de lote grande)
y rapidez en la detección de la avería (tamaño de lote pequeño).
El umbral se debe ajustar para conseguir el
nivel de significación deseado en la detección de atípicos. En la
práctica, el estudio del histórico de averías permite fijar el
umbral de forma óptima.
Para llevar a cabo el proceso de monitorización
objeto de esta invención se precisan los siguientes elementos:
- \circ
- Una medida de la corriente consumida por los accionamientos eléctricos de los motores de cada eje de movimiento de la herramienta. Esta medida puede ser un voltaje equivalente del valor rms instantáneo o puede ser una medida de la corriente alterna medida mediante una pinza amperimétrica colocada en las fases de alimentación de cada motor.
- \circ
- Un sistema de adquisición de datos formado por ejemplo por un ordenador y una tarjeta de adquisición de datos. Dicho sistema de adquisición de datos deberá ser resistente al ambiente industrial de una línea de mecanizado.
- \circ
- El ordenador debe poseer la potencia de cálculo suficiente para realizar el procesado del algoritmo descrito de tal forma que posteriormente al mecanizado de cada pieza se emita el diagnóstico del estado de la herramienta antes del mecanizado de la siguiente pieza y pueda pararse la máquina herramienta para su revisión en caso de avería. Dicho ordenador deberá contar también con una capacidad de memoria suficientes para almacenar los históricos de consumo de piezas mecanizadas, segmentaciones y diagnósticos necesarios para realizar el ajuste inicial de los diferentes umbrales de declaración de averías.
La tarjeta de adquisición de datos debe contar
con un número de canales analógicos suficiente para medir los
consumos, velocidades y resto de señales auxiliares procedentes de
la máquina herramienta. Debe contar asimismo con varios canales
digitales de entrada y salida para realizar la comunicación lógica
con la máquina herramienta monitorizada. Esta tarjeta deberá ser
capaz de muestrear cada una de las señales de consumo con una
frecuencia mínima de 6 KHz en el caso de que se midan señales de
corriente alterna o de 1000 Hz si se miden directamente señales RMS
de los variadores de los accionamientos de la herramienta.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un esquema de los elementos
intervinientes en la invención como son las señales de consumo,
velocidad, inicio de ciclo y señales auxiliares y el sistema de
adquisición de datos.
Figura 2.- Muestra un ejemplo del consumo
eléctrico durante el mecanizado de una pieza mediante una máquina
herramienta con un útil multifilo movido por dos accionamientos que
transmiten un movimiento de avance y giro.
Figura 3.- Muestra un ejemplo de segmentación de
la señal de corriente basada en la detección de eventos de
aceleración en la velocidad de giro del accionamiento eléctrico.
Figura 4.- Muestra un ejemplo de señal auxiliar
programada en un control numérico de la máquina herramienta para
determinar las diferentes fases del mecanizado de una pieza y
realizar la segmentación de la señal de corriente.
Figura 5.- Muestra la evolución de los
parámetros estadísticos calculados a partir de la segmentación, con
diferentes cambios en el consumo, asociados al desgaste de una zona
de la herramienta y a la aparición de diferentes averías.
Figura 6.- Muestra parámetros del algoritmo de
detección de cambios en las tendencias de segmentación mediante
detección de atípicos en regresión lineal.
Figura 7.- Muestra un ejemplo de detección de
averías en una tendencia de segmentación mediante el algoritmo de
detección de atípicos de parámetros: tamaño de ventana de 10 piezas
y lote de inspección de 4 piezas.
Figura 8.- Muestra un diagrama de bloques con la
secuencia del algoritmo de diagnóstico.
Se describe a continuación tomando como
referencia las figuras descritas una realización preferente del
proceso de monitorización de fallo en herramientas multifilo para
mecanizado en serie.
En la figura 1 se aprecia la relación entre una
máquina herramienta (9) y un sistema de adquisición de datos (8) que
recibe los datos de la primera consistentes entre otros en: la
corriente de un primer eje (1) hasta la corriente de un eje k (2) de
la máquina herramienta (9), la velocidad de un primer eje (3) hasta
la velocidad de un eje k (4), la señal de inicio de ciclo de la
máquina (5) y señales auxiliares (7). Asimismo se observa que la
máquina recibe una señal de parada (6) del sistema de adquisición de
datos (8) en caso de que se detecte un fallo de la herramienta
multifilo.
El proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie trascurre de acuerdo
con las fases que se reflejan en la figura 8 y que se describen a
continuación:
- -
- Inicialización del sistema de diagnóstico (91). Dependiendo del tipo de máquina monitorizada se deberá especificar la configuración necesaria para un correcto funcionamiento. Esta información incluirá entre otros: descripción del número de señales de consumo y velocidad de cada eje de movimiento de la herramienta, configuración necesaria para el almacenamiento en soporte lógico de históricos en el ordenador, configuración de las diferentes zonas que componen la herramienta multifilo monitorizada y configuración de los umbrales de alarma correspondientes a cada zona de la herramienta.
- -
- Medición (92) simultánea de las señales de consumo eléctrico (10, 11) de cada eje de movimiento de la herramienta y de una señal auxiliar (7) programada en el control numérico de la herramienta que distingue la zona de trabajo de la herramienta multifilo. En el gráfico superior de la figura 2 se ha representado la variación de la intensidad respecto al tiempo, quedando reflejadas las señales de consumo eléctrico (10) del eje de avance de la herramienta en la zona superior y las señales de consumo eléctrico del eje de giro (11) en la zona inferior, apreciándose diferentes transitorios de corriente (12, 13) debido a que la herramienta está formada por diferentes filos.
- -
- Segmentación (93) de las señales de consumo eléctrico de cada eje de movimiento de la herramienta para extraer el consumo eléctrico, tal y como se observa en la figura 3, correspondiente a cada zona (17) de la herramienta multifilo (14) para análisis de los diferentes filos de corte (15, 16) y procesado simultáneo de la señal auxiliar (7) de cada eje de la herramienta, tal como puede ser la señal de las velocidades de cada eje (21, 22) según se representa en el gráfico inferior de la figura 2, entre unos instantes de inicio k_{i} (24) y k_{i+1} fin (25), (ver figura 3), calculados a partir de eventos característicos de la señal auxiliar (7) procesada, por ejemplo la aceleración (23') representada en la figura 3 que da lugar a unas velocidades (23), que definen los límites de cada segmento de corriente (19).
- -
- Análisis de las señales (94), consistente en la obtención de las características estadísticas representativas del consumo de cada zona (17) de la herramienta que reflejan la evolución del estado de cada zona conforme se mecanizan las piezas.
- -
- Análisis de las características estadísticas de consumo (96) para detección de cambios entre la corriente consumida durante el mecanizado consecutivo de una serie de piezas R (42) (ver figura 6) respecto a la tendencia lineal de corriente consumida por un conjunto de piezas L anteriores a los que se asocia una ventana de datos de tamaño L (41), siendo L>R, llevando a cabo la comprobación (98) de si los residuos (43) de la regresión lineal correspondiente a las piezas del lote R son superiores a un umbral establecido.
- -
- Interrupción del ciclo de mecanizado (99) al declararse una avería en el caso de que más de una pieza mecanizada de forma consecutiva presente un consumo diferente al de la tendencia calculada con la ventana de datos L (41) al comprobar que los residuos (43) de la regresión lineal correspondiente a las piezas del lote R son superiores al umbral establecido. Las averías se reflejan como variaciones bruscas (27, 27', 28) en los parámetros estadísticos calculados a partir de la segmentación, tal y como se observa en la figura 5.
Se contempla que, preferentemente entre la fase
de análisis de las señales (94) y el análisis de las características
estadísticas de consumo de las señales (96) se efectúe una
comprobación de modo de funcionamiento (95) consistente en el
análisis para detección de modo anómalo correspondiente al
funcionamiento de la máquina en vacío o mecanizado incompleto con el
fin de evitar falsas alarmas. En el caso de detectarse un modo
anómalo el proceso prosigue con la medida de consumos (92) de la
siguiente pieza.
Asimismo se ha previsto que a continuación del
análisis de las características estadísticas de consumo (96) se
pueda efectuar un análisis del residuo (97) de los parámetros
estadísticos procedentes de la segmentación de cada zona de la
herramienta para detectar una falsa alarma debida a un cambio en el
entorno de la herramienta que provoque una variación simultánea de
los parámetros estadísticos calculados no debida a la avería en una
zona de la herramienta.
Se contempla el almacenamiento en soporte lógico
de las señales de consumo (10, 11) y señales auxiliares (7) durante
el mecanizado de la pieza, las características estadísticas
representativas del consumo de cada zona de la herramienta, así como
los residuos (43) de la regresión lineal correspondiente a las
piezas del lote R, para su posterior análisis fuera de línea con el
fin de realizar un ajuste fino de los umbrales de detección de
alarmas.
Se puede disponer de un sistema de visualización
por medio del cual se informa al usuario de la máquina acerca de la
posición y tipo de avería encontrada. Si ningún parámetro supera su
umbral, el algoritmo continuará con la medición de las señales de
consumo (92) de la siguiente pieza mecanizada.
La figura 7 representa un parámetro de consumo
(50) de una herramienta y el residuo generado de acuerdo con el
procedimiento descrito. Las diferentes averías en la zona de la
herramienta (51, 52, 53) reflejan valores distintos de cero en el
residuo (51', 52', 53') que en el ejemplo se ha calculado con un
tamaño de ventana de datos de las 70 últimas piezas y un lote de
inspección de 4 piezas mecanizadas de forma consecutiva. Fijando un
umbral de sobreesfuerzo (54) para los aumentos bruscos de corriente
y un umbral de rotura (55) para las disminuciones del consumo se
detectan las averías que se produzcan en cada zona de la herramienta
monitorizada.
Claims (5)
1. Proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie que se basa en la
medición del consumo de accionamientos eléctricos de la herramienta
multifilo caracterizado porque comprende las fases de:
- -
- medición simultánea (92) de las señales de consumo eléctrico (10, 11) de cada eje de movimiento de la herramienta y de una señal auxiliar (7) programada en el control numérico de la herramienta que distingue la zona de trabajo de la herramienta multifilo,
- -
- segmentación (93) de las señales de consumo eléctrico (10, 11) de cada eje de movimiento de la herramienta para extraer el consumo eléctrico correspondiente a cada zona de la herramienta multifilo y procesado simultáneo de la señal auxiliar (7) de cada eje de la herramienta entre unos instantes de inicio k_{i} (24) y k_{i+1} (25) fin, calculados a partir de eventos característicos de la señal auxiliar, que definen los límites de cada segmento de corriente (19),
- -
- análisis de las señales (94), consistente en la obtención de las características estadísticas representativas del consumo de cada zona (17) de la herramienta que reflejan la evolución del estado de cada zona conforme se mecanizan las piezas,
- -
- análisis de las características estadísticas de consumo (96) para detección de cambios entre la corriente consumida durante el mecanizado consecutivo de una serie de piezas R (42) respecto a la tendencia lineal de corriente consumida por un conjunto de piezas L anteriores a los que se asocia una ventana de datos de tamaño L (41), siendo L>R, llevando a cabo la comprobación (98) de si los residuos de la regresión lineal correspondiente a las piezas del lote R son superiores a un umbral establecido,
- -
- interrupción del ciclo de mecanizado (99) al declararse una avería en el caso de que más de una pieza mecanizada de forma consecutiva presente un consumo diferente al de la tendencia calculada con la ventana de datos L (41) tras comprobar que los residuos (43) de la regresión lineal correspondiente a las piezas del lote R son superiores al umbral establecido.
2. Proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie según reivindicación
1 caracterizado porque la señal auxiliar (7) consiste en la
señal correspondiente a la velocidad de cada eje de la
herramienta.
3. Proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie según reivindicación
1 caracterizado porque entre las fases de análisis de las
señales (94) y análisis de las características estadísticas de
consumo (96) se lleva a cabo un comprobación de modo de
funcionamiento (95) consistente en el análisis para detección de
modo anómalo correspondiente al funcionamiento de la máquina en
vacío o mecanizado incompleto con el fin de evitar falsas
alarmas.
4. Proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie según reivindicación
1 caracterizado porque a continuación del análisis de las
características estadísticas de consumo (96) se efectúa un análisis
del residuo (97) de los parámetros estadísticos procedentes de la
segmentación de cada zona de la herramienta para detectar una falsa
alarma debida a un cambio en el entorno de la herramienta que
provoque una variación simultánea de los parámetros estadísticos
calculados no debida a la avería en una zona de la herramienta.
5.- Proceso de monitorización de fallo en
herramientas multifilo para mecanizado en serie según reivindicación
1 caracterizado porque se efectúa el almacenamiento en
soporte lógico de:
- -
- las señales de consumo (10, 11) y señales auxiliares (7) durante el mecanizado de la pieza,
- -
- las características estadísticas representativas del consumo de cada zona (17) de la herramienta,
- -
- los residuos (43) de la regresión lineal correspondiente a las piezas del lote R,
para su posterior análisis fuera de
línea con el fin de realizar un ajuste fino de los umbrales de
detección de
alarmas.
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- 2004-07-30 ES ES200401887A patent/ES2263342B1/es not_active Expired - Fee Related
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REÑONES DOMÍNGUEZ, Aníbal; DE MIGUEL GONZÁLEZ, Luis J. 'Fault Diagnosis of Multitooth Machine Tool Based on Statistical Signal Processing'. En: Proceedings of the 15th IFAC Triennial World Congress, Junio 2002, Volume J. Editado por ELSEVIER, 2003. ISBN 0-08-044225-0, todo el documento. * |
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Publication number | Publication date |
---|---|
ES2263342B1 (es) | 2007-11-16 |
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