ES2337330A1 - Procedimiento y sistema para la estimacion en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precision. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y sistema para la estimación en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precisión. El objeto principal de la presente invención es un procedimiento para estimar, en tiempo real, la rugosidad superficial de una pieza obtenida mediante un proceso de mecanizado de ultra-precisión. El procedimiento comprende las siguientes operaciones: - adquirir la fuerza de corte y la posición de los ejes; - determinar, a partir de los datos adquiridos en la operación anterior, si se está mecanizando una pieza; - estimar la rugosidad superficial de la pieza que se está mecanizando.
Description
Procedimiento y sistema para la estimación en
tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de
ultra-precisión.
El objeto principal de la presente invención es
un procedimiento para estimar, en tiempo real, la rugosidad
superficial de una pieza obtenida mediante un proceso de mecanizado
de ultra-precisión. Otro objeto de la invención es
un sistema para llevar a cabo el dicho procedimiento.
La rugosidad superficial de una superficie
obtenida mediante un proceso de mecanizado es un factor clave, y por
ello se han desarrollado gran cantidad de métodos para la
monitorización en tiempo real de diferentes variables o eventos de
procesos de mecanizado convencional.
Por ejemplo, las patentes US 4131837, US
5917726, US 6161055, US 6549869, US 6947800, así como la solicitud
US 2006/0188351 describen dispositivos o métodos para la
monitorización en tiempo real de diferentes variables o eventos en
el mecanizado convencional, empleando diferentes tipos de sensores
piezoeléctricos u opto-electrónicos. Igualmente, la
patente US 7024063 desarrolla un método y aparato para la
monitorización, también en tiempo real, de la operación de pulido de
capas de obleas semiconductoras.
También se conocen métodos para medir la
rugosidad superficial de una superficie obtenida mediante un proceso
de mecanizado convencional una vez terminado el proceso de
mecanizado. Las patentes US 4145140, US 4180324 y JP 63037205, por
ejemplo, describen métodos de medición de la rugosidad superficial
en procesos de mecanizado convencional empleando métodos ópticos de
medición, o bien elementos palpadores.
En lo que respecta al mecanizado de
ultra-precisión, en concreto con relación al
mecanizado de lentes ópticas, se conocen multitud de patentes
dirigidas a métodos de fabricación. Por ejemplo, la patente US
5861114, que describe un método de fabricación de lentes, o la
patente US 7036408, que describe un método para la supresión
automática de las vibraciones que se producen en la herramienta de
corte. La patente US 7178433 describe el diseño de un dispositivo
para fresado o torneado que utiliza una herramienta con punta de
diamante para la fabricación de lentes ópticas. Igualmente, JP
02232101 reivindica un método de corte para operaciones de
nano-acabado en superficies de germanio. La patente
US 5802937 reivindica un dispositivo para el mecanizado de
superficies a nano-escala empleando una señal de
corriente eléctrica entre la herramienta de corte y la pieza, como
señal de realimentación en un sistema de control de la profundidad
de corte. La patente US 6966820 describe un procedimiento para el
pulido de superficies de aluminio, que combina las técnicas de
torneado con punta de diamante con el pulido convencional,
obteniendo superficies con una rugosidad superficial de menos de 5
\ring{A}.
Finalmente, en lo que respecta a la medición de
la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de
ultra-precisión, las patentes US 5032734 y US
6683683 describen diferentes métodos para la inspección de las
obleas semiconductoras con el objeto de detectar partes defectuosas.
Finalmente, la patente US 6876453 reivindica dispositivos de
medición de posición basados en interferometría que se pueden
emplear en la comprobación de la geometría o la calidad superficial
de lentes ópticas.
La rugosidad superficial, así como la exactitud
en la forma geométrica de una pieza mecanizada mediante mecanizado
de ultra-precisión, constituyen los dos parámetros
de calidad fundamentales para evaluar el acabado de la pieza. Ambos
parámetros se evalúan normalmente post proceso de corte, mediante
instrumentos de laboratorio de alta precisión, basados, ya sea en
interferometría de luz blanca, luz láser o microscopía de fuerza
atómica. Por tal motivo, la obtención de un procedimiento, que
permita estimar algunos de estos parámetros u ofrezca
recomendaciones inteligentes sobre estos, en tiempo real durante la
operación de corte, resultaría de gran utilidad.
Los inventores de la presente invención han
descubierto que es posible estimar la rugosidad superficial que se
obtiene al final de un proceso de mecanizado de
ultra-precisión mientras se está efectuando el
corte, a partir de las fuerzas de corte que se producen, y que
proporcionan información relacionada directamente con los parámetros
de corte empleados, las vibraciones producidas durante el corte, el
nivel de desgaste de la herramienta empleada, el grado de dureza del
material cortado y la orientación de los átomos y cristales de este.
Todos estos parámetros o variables influyen directamente en la
calidad de la superficie obtenida y a mucha mayor medida en el
mecanizado de ultra precisión.
En el presente documento, el término
"mecanizado de ultra-precisión" pretende hacer
referencia en general a cualquier tipo de mecanizado dirigido a
obtener rugosidades superficiales en la nano-escala.
Como ejemplo concreto, se puede mencionar el torneado con punta de
diamante y otros procesos similares.
\newpage
Un primer aspecto de la presente invención
describe un procedimiento para la estimación en tiempo real de la
rugosidad superficial en procesos de mecanizado de
ultra-precisión que comprende las siguientes
operaciones:
1) Adquirir la fuerza de corte y la posición de
los ejes.
En primer lugar, se adquieren los datos
necesarios para llevar a cabo el procedimiento, que son la fuerza de
corte y la posición de los ejes.
La señal de la fuerza de corte se puede obtener
de cualquier modo, aunque normalmente es necesario emplear sensores
externos, como, por ejemplo, sensores de fuerza piezoeléctricos que
producen un voltaje proporcional a la carga que se les aplica. El
sensor se debe situar cerca de la zona de corte aunque sin
interferir en dicho proceso de corte. Posteriormente, en función de
la colocación particular del sensor se determinan los ejes
vinculados a la fuerza de corte. Sin embargo, la señal obtenida es
sensible a cualquier tipo de carga que se produzca en el entorno
donde están instalados, ya sea producto del movimiento de los ejes o
de la propia operación de corte.
En cuanto a la posición de los ejes, se puede
obtener de cualquier modo, bien mediante sensores externos o bien a
partir de una señal interna de la máquina herramienta.
2) Determinar, a partir de los datos adquiridos
en la operación anterior, los momentos en que se está mecanizando
una pieza.
Puesto que la señal de fuerza de corte obtenida
puede ser debida tanto a movimientos de los ejes como al propio
corte, es necesario determinar si realmente se está mecanizando una
pieza. Para ello, se emplea un procedimiento que analiza los
resultados de aplicar una transformada Wavelet a la señal de fuerza
de corte y que observa el comportamiento de la aceleración en el
movimiento de los elementos mecánicos: el movimiento mecánico de los
accionamientos (o motores de accionamiento) es muy suave durante
operaciones de acabado de ultra-precisión, sin
cambios en su velocidad lineal, lo cual implica que la aceleración
de estos accionamientos mecánicos se mantiene constante, y por lo
tanto no se registran cambios en la señal de fuerza de corte debido
al movimiento.
Así, empleando la transformada wavelet se
detecta cualquier cambio que se produzca en la señal de fuerza de
corte, y si además no se detectan cambios en la aceleración de los
accionamientos de la máquina, entonces el cambio producido en la
fuerza es debido al comienzo y final de la operación de corte.
Así, en una realización preferida de la
invención, el procedimiento para determinar si se está mecanizando
una pieza comprende las siguientes operaciones:
- -
- filtrar los datos de fuerza de corte y posición adquiridos;
- -
- obtener la transformada de Wavelet de la señal de fuerza de corte;
- -
- obtener la aceleración de los ejes a partir de su posición;
- -
- determinar, si la fuerza de corte supera un primer valor umbral, y al mismo tiempo la aceleración en el mismo sentido que la fuerza de corte es menor que un segundo valor umbral, que se está realizando un corte.
- Además, se puede detectar el comienzo del corte porque el valor absoluto de la fuerza de corte experimenta un escalón positivo (incremento notable en la fuerza en muy poco tiempo) cuando comienza el corte. Equivalentemente, se detecta el final del corte porque se produce un escalón negativo (decremento notable en la fuerza en muy poco tiempo).
3) Estimar, si se está realizando un corte, la
rugosidad superficial de la pieza que se está mecanizando.
En tercer lugar, si se ha determinado que se
está produciendo un corte, se estima la rugosidad superficial. Para
ello, los inventores han descubierto que la rugosidad superficial es
función de la fuerza media resultante y del grado de utilización de
la herramienta de corte utilizada. Matemáticamente, esto significa
que la rugosidad superficial se estima mediante una expresión del
tipo:
donde:
DCP es el grado de utilización de la
herramienta de corte;
F_{MR} es la fuerza media de corte.
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El grado de utilización de la herramienta se
puede calcular de diferentes modos, siempre que refleje el
progresivo deterioro de la herramienta a medida que aumenta el uso
acumulado que se ha hecho de ella.
Normalmente, los fabricantes de herramientas
proporcionan una distancia de corte máxima, a partir de la cual
desaconsejan su uso. Por este motivo, en una realización particular
de la invención el grado de utilización de la herramienta de corte
es igual a la distancia total mecanizada por dicha herramienta
(DCP = d). En este caso, una herramienta nueva tendría un
grado de utilización de 0 Km, mientras que una medianamente
utilizada tendría, por ejemplo, un grado de utilización de 10
Km.
Otra realización particular de la invención
define el grado de utilización de la herramienta de corte como un
valor porcentual de la distancia total mecanizada por dicha
herramienta en función de la distancia máxima recomendada por el
fabricante 100 . En este segundo caso, una
herramienta nueva tendría un grado de utilización del 0%, mientras
que una herramienta de corte que ha llegado al límite de uso
propuesto por el fabricante tendría un grado de utilización del
100%. Obviamente, en función del uso de la herramienta de corte, un
grado de utilización del 100% puede corresponder a una herramienta
más o menos desgastada.
Preferiblemente, la distancia total mecanizada
por la herramienta de corte se calcula de acuerdo con la
expresión:
donde:
A es el área de la superficie mecanizada,
en mm^{2};
n es la velocidad de giro de la
herramienta de corte, en rev/min;
f es la velocidad de avance de la
herramienta de corte, en mm/min.
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En particular, se ha descubierto que la
rugosidad superficial se puede estimar empleando una simple fórmula
polinomial en función de la fuerza media resultante, siendo los
coeficientes a, b y c variables en función del grado de utilización
de la herramienta. Matemáticamente:
donde los coeficientes a, b y c son
función del grado de utilización de la herramienta de corte
(DCP).
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Y, más particularmente, se ha descubierto que
los coeficientes b y c varían aproximadamente linealmente con el
grado de utilización de la herramienta, mientras que el coeficiente
a varía aproximadamente de modo exponencial. En consecuencia, se
puede estimar el valor de a, b y c empleando las siguientes
expresiones, donde los coeficientes p, q, m, n, m' y n' se
determinan experimentalmente:
Por tanto, el procedimiento descrito hasta ahora
permite estimar, en tiempo real, la rugosidad superficial obtenida
en un proceso de mecanizado de ultra-precisión.
Además, se ha determinado el grado de utilización de la herramienta,
que influye de manera determinante en la calidad de las superficies
obtenidas.
\newpage
Sin embargo, es común que en algunos sectores
industriales, como por ejemplo la aeronáutica, las normas de calidad
obliguen a una verificación a posteriori de la calidad
superficial de todas las piezas. Esta verificación a
posteriori consume gran cantidad de tiempo, por lo que sería
deseable detectar las piezas que no cumplen las especificaciones
antes de que lleguen a esta verificación, ahorrando así tiempo e
incrementando la productividad.
Con este objetivo, se añaden al procedimiento de
la invención algunas operaciones adicionales que sugieren o
recomiendan las acciones a tomar en función de la calidad
superficial estimada. En particular, una realización preferente de
la invención describe la operación adicional de informar si la
herramienta está poco utilizada, medianamente utilizada o utilizada
en exceso.
Se pueden utilizar diferentes criterios a la
hora de decidir dónde se encuentran los límites entre una
herramienta de corte poco utilizada, medianamente utilizada o
utilizada en exceso, aunque en una realización preferida de la
invención se toman los siguientes rangos:
- Poco utilizada:
- entre 0% y 20% de la distancia máxima de corte recomendada.
- Medianamente utilizada:
- entre el 20% y el 100% de la distancia máxima de corte recomendada.
- Utilizada en exceso:
- más del 100% de la distancia máxima de corte recomendada.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta información ayuda al operario de la máquina
herramienta a tomar las acciones adecuadas con las piezas
mecanizadas. Por ejemplo, las probabilidades de mecanizar una pieza
fuera de las especificaciones es mayor si la herramienta está
utilizada en exceso que si está poco utilizada, y por lo tanto la
verificación a posteriori se realizará en ese caso con
especial cuidado.
Además, de acuerdo con otra realización
preferida de la invención, si la herramienta está medianamente
utilizada el procedimiento comprende las siguientes operaciones
adicionales:
- b1)
- Sugerir, si la rugosidad superficial estimada (Ra) es menor que el 90% de la rugosidad superficial requerida (RSR), que la pieza cumple con las especificaciones.
- b2)
- Recomendar, si la rugosidad superficial estimada (Ra) está entre el 90% y el 110% de la rugosidad superficial requerida (RSR), una verificación cuidadosa de la rugosidad.
- b3)
- Sugerir, si la rugosidad superficial estimada (Ra) es mayor que el 110% de la rugosidad superficial requerida (RSR), que la pieza no cumple con las especificaciones.
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Se obtiene así una de las ventajas fundamentales
de la invención, ya que el procedimiento permite ahorrar el tiempo
de verificar a posteriori piezas cuya rugosidad estimada está
cierto nivel por encima de la rugosidad superficial requerida.
En un segundo aspecto de la invención, se
describe un sistema para para la estimación en tiempo real de la
rugosidad superficial en procesos de mecanizado de
ultra-precisión, que comprende los siguientes
elementos:
- Un medio de adquisición de la fuerza de
corte;
- Un medio de adquisición de la velocidad de los
ejes;
- Un medio de procesamiento, conectado a dichos
medios de adquisición, que recibe dicha señal y estima la rugosidad
superficial de la pieza que se está mecanizando.
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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 algoritmo para la
estimación de la zona de corte de acuerdo con una realización
particular de la invención.
Figuras 2a y 2b.- Muestran los puntos donde se
realizó la medición de la rugosidad superficial de una lente
mecanizada.
Figura 3.- Muestra una gráfica que relaciona la
rugosidad media (R_{a}) con la fuerza media aplicada
(F_{MA}).
Figura 4.- Representa la rugosidad media
(R_{a}) frente a la fuerza aplicada (F_{MA}) con diferentes
grados de utilización de la herramienta.
Figuras 5a, 5b, y 5c.- Muestran el
comportamiento de los coeficientes del modelo de rugosidad
superficial empleado en una realización particular de la invención
en función de la distancia de corte de la herramienta.
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Se describe a continuación un ejemplo concreto
de realización de la invención donde se hace referencia a las
figuras adjuntas. En este ejemplo, se describe un procedimiento para
predecir la rugosidad superficial de lentes para aplicaciones
aeronáuticas especiales con especificación nanométrica de rugosidad
superficial (R_{a} < 100\ring{A}). Además, el procedimiento
del ejemplo ofrece recomendaciones inteligentes durante la operación
de corte que resultan de gran utilidad.
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Uno de los retos más importantes es determinar
la zona de corte, es decir, identificar y conocer cuando se está
realizando un corte. Este problema no está aún resuelto en el
mecanizado convencional, donde la amplitud de las señales es varios
órdenes de magnitud mayor que en el mecanizado de
ultra-precisión. Por tanto, distinguir, en un
proceso de mecanizado de ultra-precisión, si una
fuerza de corte de 40 mN es debida a un corte o un movimiento de un
eje es un gran desafío tecnológico. En la Figura 1 se muestra el
algoritmo implementado en esta realización de la invención.
Se aprecia como en una primera operación se toma
la fuerza de corte en los ejes X y Z, y la posición de los ejes en
el eje X, en este ejemplo con una frecuencia de muestreo de 50 kHz.
La componente Z de la fuerza de corte corresponde a la dirección
aproximadamente perpendicular a la superficie de mecanizado. A
continuación, se filtran ambas señales empleando un filtro
Butterworth de orden 3. En tercer lugar, se aplica la transformada
de Wavelet a la fuerza de corte en el eje Z, y al mismo tiempo se
integra la posición de los ejes para obtener la aceleración del eje
X.
Si la fuerza de corte en el eje X supera un
primer valor umbral, que en este ejemplo es 7 mN, significa que, o
bien se está produciendo un corte o bien los ejes están en
movimiento. Si, además, la aceleración de los ejes está por debajo
de un segundo valor umbral, que en este ejemplo es 5 \mum/s^{2},
se puede deducir que se está produciendo un corte. Además, se puede
determinar los momentos en los que el corte comienza y termina, ya
que se produce respectivamente un escalón positivo o negativo en la
fuerza de corte en el eje Z.
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Se describen a continuación los experimentos
realizados para el estudio de la estimación de la rugosidad
superficial. Se fijó la velocidad de giro del cabezal en 2000 RPM y
la profundidad de corte (DOC, Depth Of Cut) en 2 \mum.
Posteriormente, se realizaron experimentos con 10 valores diferentes
de la velocidad de avance, en series de 3 repeticiones. En cada
experimento se midió la rugosidad superficial, tanto media como RMS,
en tres puntos diferentes de la superficie de la lente tal y como se
muestra en la Figura 2.
Los datos de los experimentos realizados se
muestran en la siguiente tabla:
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
donde VA es la velocidad de avance
en (mm/min), F_{MR} es la fuerza media resultante y R_{a \ AVE}
es la rugosidad superficial promedio entre los tres
puntos.
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Esta tabla muestra en la primera columna, en el
orden en el que fue realizado, el número del experimento, a
continuación se muestra la velocidad de avance, seguidamente, las
medidas de rugosidad superficial correspondientes a los tres puntos
representados en la Fig. 2, tanto el valor RMS como la media en la
región medida. En la siguiente columna, se muestra el valor medio de
la fuerza resultante de la combinación de las fuerzas en los ejes X
y Z, obtenidas empleando un medio de medida de la fuerza, como por
ejemplo una plataforma dinamométrica, y, por último, las dos últimas
columnas muestran la rugosidad promedio entre los puntos medidos, el
valor RMS y la media.
Así, representando únicamente los datos
01-10 de la tabla en la Figura 3, se observa que la
rugosidad superficial tiene un comportamiento no lineal ante la
variación de la fuerza de corte. Sin embargo, como se puede apreciar
también en la curva que relaciona rugosidad y fuerza, existe un
comportamiento prácticamente lineal por debajo de 40 mN, lo que se
corresponde con las velocidades de avance más bajas y herramienta de
corte nueva. Para fuerzas mayores que 40 mN, que se corresponde con
este conjunto de experimentos, para velocidades de avance a partir
de 4 mm/min, es posible realizar un ajuste de tipo polinomial, que
relaciona la rugosidad superficial y la fuerza media de corte.
En la Figura 4 se representan tres conjuntos de
experimentos, cada uno de los cuales se corresponde con los
conjuntos de pruebas realizadas, pero solamente para velocidades de
avance entre 4 y 25 mm/min. El conjunto de puntos nombrados en la
leyenda como "Test 01_10" se refiere a las pruebas desde la
número 01 a la 10 y de la misma forma con el resto de los conjuntos
de puntos. Mediante estos puntos, se relacionan los datos obtenidos
experimentalmente de rugosidad superficial media de la superficie y
la fuerza media resultante.
A cada conjunto de puntos se le realizó un
análisis de regresión lineal, escogiéndose en este ejemplo un ajuste
tipo polinomial de 2º orden para cada conjunto. Se muestra, además,
para cada línea de tendencia, el coeficiente de determinación
(R^{2}), que determina la confiabilidad de la línea de tendencia:
cuanto más se acerque a 1, mayor será la confiabilidad del ajuste
realizado.
Expresando cada polinomio cuadrático según la
expresión f(x) =
a(x-b)^{2} + c, donde x
es la fuerza media de corte resultante, expresada en mili Newtons
(mN) y f(x) es la rugosidad superficial estimada,
calculada en nanómetros (nm), se obtienen los siguientes parámetros
de ajuste para cada polinomio.
Se observa que los coeficientes de ajuste de los
polinomios obtenidos varían entre conjuntos de puntos. La variable
causante del diferente comportamiento de la rugosidad superficial
ante la fuerza de corte, entre los conjuntos de puntos, es el
desgaste de la herramienta. El desgaste de la herramienta se estima
en función de su grado de utilización, que en este ejemplo se estima
a partir de la distancia de corte previa recorrida por la
herramienta. Los fabricantes de herramientas de punta de diamante,
dan recomendaciones de uso de las herramientas según la distancia
recorrida, de tal forma que sobrepasando cierto criterio
desaconsejan su utilización.
La distancia de corte en cada operación de
mecanizado se puede estimar a partir del conocimiento de la
geometría de la pieza y de los parámetros de corte. A partir del
avance por revolución f_{rev} (feed per revolution), que se
calcula como:
donde f es la velocidad de
avance y n la velocidad de giro, la distancia del corte queda
estimada como d = A/f_{rev}, donde A es el área de
la superficie
mecanizada.
En los experimentos realizados, se calculó la
distancia de corte previa a cada experimento, sabiendo que la
herramienta era nueva al comenzar el experimento. Los resultados se
muestran en la siguiente tabla, donde VA es la velocidad de avance
en mm/min y DCP es el grado de utilización como distancia de corte
previa en km (la distancia de corte máxima recomendada por el
fabricante es 30 Km.).
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A partir de los datos de esta tabla es posible
establecer cuatro regiones diferentes de trabajo:
\vskip1.000000\baselineskip
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A partir del valor inicial para DCP en cada
región en las que se enmarcan los conjuntos de datos, es posible
relacionar los coeficientes de los polinomios ajustados para el
cálculo de la rugosidad superficial. En las figuras 5a, 5b y 5c se
muestra el comportamiento de los coeficientes del modelo de
rugosidad superficial, según el cambio de la distancia de corte
inicial para cada región de corte y una función ajustada mediante
regresión lineal, que describe bastante bien este
comportamiento.
Las ecuaciones de las curvas de ajuste del
comportamiento de los coeficientes a, b y c de los
polinomios de rugosidad, según el cambio en la distancia de corte de
la herramienta, se muestran con detalle en la siguiente tabla, donde
y es el valor respectivo de cada coeficiente y x es la distancia de
corte inicial de la región de corte:
\newpage
Por último, en la tabla siguiente se resume el
error porcentual de estimación de la rugosidad empleando el modelo
descrito en la presente realización particular del procedimiento de
la invención, en cada experimento realizado. El error calculado es
relativo a la rugosidad experimental. Además se realiza una
estimación para cada experimento, utilizando como dato de entrada al
modelo, la DCP inicial de la región de corte y también la actual de
cada prueba.
Donde:
- R_{a1}
- Rugosidad superficial estimada considerando la DCP inicial de la región de corte.
- R_{a2}
- Rugosidad superficial estimada considerando la DCP de cada operación de corte.
- E_{1}
- Valor porcentual del error absoluto entre R_{a1} y R_{a} relativo a R_{a}.
- E_{2}
- Valor porcentual del error absoluto entre R_{a2} y R_{a} relativo a R_{a}.
- EM
- Valor medio de cada uno de los errores calculados.
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Como se puede inferir de los datos obtenidos en
la tabla anterior, para la estimación del modelo pudiera emplearse
tanto la distancia de corte previa inicial de cada región de corte,
como la actual de cada operación de corte, los errores medios no
difieren mucho, excepto para la primera región, en la que la mejor
estimación sería con la DCP inicial de esa región.
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A partir del conocimiento de la región de corte
y del valor estimado de rugosidad superficial, es posible hacer
recomendaciones inteligentes, empleando un sistema de toma de
decisiones.
En primer lugar, dada la distancia de corte
actual de la herramienta, es posible estimar su nivel de desgaste a
través el grado de utilización. A continuación, analizando el grado
de utilización de la herramienta y a partir de una estimación de la
rugosidad superficial según el modelo descrito anteriormente, es
posible realizar recomendaciones inteligentes después de finalizada
la pieza. El objetivo de estas recomendaciones es reducir el tiempo
de producción, muy alto en el departamento de calidad donde se
frecuentemente se debe verificar que el acabado de la pieza cumple
con las especificaciones.
Conociendo la distancia de corte se puede
determinar si la herramienta está nueva o muy poco utilizada, o si
está demasiada utilizada cabe esperar que su desgaste sea mayor, y
se puede implementar reglas del tipo:
\vskip1.000000\baselineskip
Como se observa en las reglas anteriores en el
caso que estemos en la región de corte 1 o 2 se debe comparar el
valor de la rugosidad estimada con el valor especificado (deseado o
requerido) por el fabricante de la pieza. Para realizar esta
comparación se han establecido tres zonas, tipo semáforo, alrededor
del valor deseado o requerido de la rugosidad superficial (RSR,
Rugosidad Superficial Requerida):
\vskip1.000000\baselineskip
Una vez determinada la zona en la que se
encuentra el valor estimado de la rugosidad superficial, es posible
realizar las siguientes recomendaciones inteligentes:
\vskip1.000000\baselineskip
A pesar también de que las realizaciones
descritas de la invención con referencia a los dibujos comprenden
sistemas de computación y procesos realizados en sistemas de
computación, la invención también se extiende a programas de
ordenador, más particularmente a programas de ordenador en o sobre
unos medios portadores, adaptados para poner la invención en
práctica. El programa de ordenador puede estar en forma de código
fuente, de código objeto o en un código intermedio entre código
fuente y código objeto, tal como en forma parcialmente compilada, o
en cualquier otra forma adecuada para usar en la implementación de
los procesos de acuerdo con la invención. El medio portador puede
ser cualquier entidad o dispositivo capaz de portar el programa.
Por ejemplo, el medio portador puede comprender
un medio de almacenamiento, tal como una ROM, por ejemplo un
CD ROM o una ROM semiconductora, o un medio de
grabación magnético, por ejemplo un floppy disc o un disco
duro. Además, el medio portador puede ser un medio portador
transmisible tal como una señal eléctrica u óptica que puede
transmitirse vía cable eléctrico u óptico o mediante radio u otros
medios.
Cuando el programa de ordenador está contenido
en una señal que puede transmitirse directamente mediante un cable u
otro dispositivo o medio, el medio portador puede estar constituido
por dicho cable u otro dispositivo o medio.
Alternativamente, el medio portador puede ser un
circuito integrado en el que está encapsulado (embedded) el
programa de ordenador, estando adaptado dicho circuito integrado
para realizar, o para usarse en la realización de, los procesos
relevantes.
Claims (19)
1. Procedimiento para la estimación en tiempo
real de la rugosidad superficial en un proceso de mecanizado de
ultra-precisión, caracterizado porque
comprende las siguientes operaciones:
- -
- adquirir la fuerza de corte y la posición de los ejes;
- -
- determinar, a partir de los datos adquiridos en la operación anterior, si se está mecanizando una pieza;
- -
- estimar, si se está produciendo un corte, la rugosidad superficial de la pieza que se está mecanizando.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la operación de
detección comprende a su vez las siguientes operaciones:
- -
- filtrar los datos de fuerza de corte y posición adquiridos;
- -
- obtener la transformada de Wavelet de la señal de fuerza;
- -
- obtener la aceleración de los ejes a partir de su posición;
- -
- determinar, si la fuerza de corte supera un primer valor umbral, y al mismo tiempo la aceleración en el mismo sentido que la fuerza de corte es menor que un segundo valor umbral, que se está realizando un corte.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la operación de
estimación comprende estimar la rugosidad superficial mediante una
expresión del tipo:
donde:
DCP es el grado de utilización de la
herramienta de corte;
F_{MR} es la fuerza media de corte.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizado porque el grado de
utilización de la herramienta de corte es igual a la distancia total
mecanizada por dicha herramienta.
5. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizado porque el grado de
utilización de la herramienta de corte es un valor porcentual de la
distancia total mecanizada por dicha herramienta en función de la
distancia máxima recomendada por el fabricante.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la distancia
total mecanizada por la herramienta de corte se calcula de acuerdo
con la expresión:
donde
A es el área de la superficie
mecanizada;
n es la velocidad de giro de la
herramienta de corte;
f es la velocidad de avance de la
herramienta de corte.
\newpage
7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque:
donde los coeficientes a, b y c son
función del grado de utilización de la herramienta de corte
(DCP).
\vskip1.000000\baselineskip
8. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 7, caracterizado porque el coeficiente a se
calcula de acuerdo con la siguiente expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
9. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 7, caracterizado porque el coeficiente b se
calcula de acuerdo con la siguiente expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
10. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 7, caracterizado porque el coeficiente b se
calcula de acuerdo con la siguiente expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
comprende además la operación adicional de informar si la
herramienta de corte está poco utilizada, medianamente utilizada o
utilizada en exceso.
12. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11, caracterizado porque una herramienta está
poco utilizada cuando la distancia de corte es menor que el 20% de
la distancia de corte máxima recomendada por el fabricante.
13. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11, caracterizado porque una herramienta está
medianamente utilizada cuando la distancia de corte está entre un
20% y un 100% de la distancia de corte máxima recomendada por el
fabricante.
14. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11, caracterizado porque una herramienta está
desgastada cuando la distancia de corte es mayor que el 100% de la
distancia de corte máxima recomendada por el fabricante.
15. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11-14, caracterizado
porque además comprende las siguientes operaciones adicionales:
- sugerir, si la rugosidad superficial estimada
(Ra) es menor que el 90% de la rugosidad superficial requerida
(RSR), que la pieza cumple con las especificaciones;
- recomendar, si la rugosidad superficial
estimada (Ra) está entre el 90% y el 110% de la rugosidad
superficial requerida (RSR), una verificación cuidadosa de la
rugosidad;
- sugerir, si la rugosidad superficial estimada
(Ra) es mayor que el 110% de la rugosidad superficial requerida
(RSR), que la pieza no cumple con las especificaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
16. Programa de ordenador caracterizado
porque comprende instrucciones de programa para provocar que un
sistema de computación realice el procedimiento según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 15.
17. Programa de ordenador según la
reivindicación 16, caracterizado porque está almacenado en
unos medios de grabación.
18. Programa de ordenador según la
reivindicación 16, caracterizado porque es portado por una
señal portadora eléctrica.
\newpage
19. Sistema para la estimación en tiempo real de
la rugosidad superficial en un proceso de mecanizado de
ultra-precisión mediante el procedimiento de
cualquiera de las reivindicaciones 1-15, que
comprende los siguientes elementos:
- Un medio de adquisición de la fuerza de
corte;
- Un medio de adquisición de la posición de los
ejes;
- Un medio de procesamiento, conectado a dichos
medios de adquisición, que recibe dicha señal y estima la rugosidad
superficial de la pieza que se está mecanizando.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200802613A ES2337330B1 (es) | 2008-09-15 | 2008-09-15 | Procedimiento y sistema para la estimacion en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precision. |
| PCT/ES2009/070375 WO2010029205A1 (es) | 2008-09-15 | 2009-09-10 | Procedimiento y sistema para la estimación en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precisión |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200802613A ES2337330B1 (es) | 2008-09-15 | 2008-09-15 | Procedimiento y sistema para la estimacion en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precision. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2337330A1 true ES2337330A1 (es) | 2010-04-22 |
| ES2337330B1 ES2337330B1 (es) | 2011-02-08 |
Family
ID=42004830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200802613A Expired - Fee Related ES2337330B1 (es) | 2008-09-15 | 2008-09-15 | Procedimiento y sistema para la estimacion en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precision. |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2337330B1 (es) |
| WO (1) | WO2010029205A1 (es) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3834615A (en) * | 1972-03-23 | 1974-09-10 | Okuma Machinery Works Ltd | Method for monitoring machining condition of machine tool |
| JPS63271124A (ja) * | 1986-12-24 | 1988-11-09 | Ono Sokki Co Ltd | 転がり軸受の転動体表面の粗さ推定方法 |
| US5506786A (en) * | 1991-08-26 | 1996-04-09 | Konica Corporation | Cutting apparatus |
| JPH10132553A (ja) * | 1996-11-01 | 1998-05-22 | Tokyo Seimitsu Co Ltd | 表面粗さ・うねり解析方法及びその装置 |
-
2008
- 2008-09-15 ES ES200802613A patent/ES2337330B1/es not_active Expired - Fee Related
-
2009
- 2009-09-10 WO PCT/ES2009/070375 patent/WO2010029205A1/es active Application Filing
Patent Citations (4)
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| US3834615A (en) * | 1972-03-23 | 1974-09-10 | Okuma Machinery Works Ltd | Method for monitoring machining condition of machine tool |
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| A.M.K. HAFIR et al., "{}Development of Surface Roughness Prediction Model Using Response Surface Methodology in High Speed End Milling of AISI Tool Steel"{}. En: Industrial Engineering Management, 2007 IEE International Conference, IIUM, Kuala Lumpur, Malasia, ISBN 1-4244-1529-2, páginas 1869-1872. * |
| A.M.K. HAFIR et al., "Development of Surface Roughness Prediction Model Using Response Surface Methodology in High Speed End Milling of AISI Tool Steel". En: Industrial Engineering Management, 2007 IEE International Conference, IIUM, Kuala Lumpur, Malasia, ISBN 1-4244-1529-2, páginas 1869-1872. * |
| CHEN et al. "{}Establishment of Surface Roughness Prediction Mpdel for Turning Brittle Materials"{}. En: International Technology and Innovation Conference, 2006. Editado por China Academy of Engineering Physics, P.O. Box 919-71, Mianyang 621900, páginas 1364-1368. * |
| CHEN et al. "Establishment of Surface Roughness Prediction Mpdel for Turning Brittle Materials". En: International Technology and Innovation Conference, 2006. Editado por China Academy of Engineering Physics, P.O. Box 919-71, Mianyang 621900, páginas 1364-1368. * |
| Resumen Extraída de la base de datos PAJ en EPOQUE & JP 10132553 A (TOKYO SEIMITSU CO LTD) 22.05.1998 * |
| Resumen Extraída de la base de datos PAJ en EPOQUE & JP 63271124 A (ONO SOKKI CO LTD) 09.11.1988, resumen; figuras * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2337330B1 (es) | 2011-02-08 |
| WO2010029205A1 (es) | 2010-03-18 |
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