ES2901230T3

ES2901230T3 - Cortadora CNC de plasma para analizar metales

Info

Publication number: ES2901230T3
Application number: ES17870045T
Authority: ES
Inventors: Matthew Fagan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2022-03-21
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: WO2018087610A1; EP3538316A1; EP3538316A4; EP3538316B1; US10195683B2; AU2017258847A1; US20170246703A1

Abstract

Una máquina de corte CNC por plasma de análisis de metales (100), que comprende: un soplete de corte por plasma (120) controlable para cortar una pieza de trabajo (110) con un arco de plasma; una lente (182) colocada y configurada para capturar la luz del arco de plasma; un espectrómetro (180) acoplado para recibir la luz capturada de la lente (182) a través de un trayecto de fibra óptica (184) y adaptado para determinar los datos espectrales de la luz; al menos un ordenador (135) que tiene un procesador y una memoria que almacena un software de análisis espectral (188) que incluye instrucciones legibles por máquina que, cuando se ejecutan por el procesador, hacen que el procesador analice los datos espectrales y genere una composición determinada indicativa de una composición de la pieza de trabajo (110), el software de análisis espectral (188) comprende además instrucciones legibles por máquina almacenadas en la memoria que, cuando se ejecutan por el procesador, hacen que el procesador compare la composición determinada con una composición esperada de la pieza de trabajo (110) y genere una alerta en una interfaz de usuario del al menos un ordenador (135) cuando la composición determinada no coincide con la composición esperada.

Description

DESCRIPCIÓN

Cortadora CNC de plasma para analizar metales

Campo de la invención

La presente invención se refiere al corte de metales por plasma mediante el uso de una máquina de control numérico y análisis espectral para determinar la composición metalúrgica del metal.

Antecedentes

Cuando se compra acero de múltiples fuentes, la calidad del acero puede no ser tan confiable y estable como cuando se compra acero de una sola fuente. Además, algunos aceros tienen una composición inusual como, por ejemplo, componentes de aleación como el boro, que reduce los derechos de importación, pero afecta el comportamiento del metal y requiere una soldadura diferente. Cuando esta composición química se oculta en la cadena de suministro de acero, el acero puede ser peligroso.

Originalmente, solo el análisis químico podía determinar los componentes metalúrgicos del acero, y los proveedores de aceros especiales empleaban metalúrgicos con equipo de laboratorio para probar el acero. Con la rápida disponibilidad de microordenadores de alto rendimiento, las máquinas autónomas pesadas utilizan un arco para el análisis espectrográfico de una muestra de metal. Los equipos de prueba más nuevos utilizan tecnología de fluorescencia de rayos X de dispersión de energía (ED-XRF, por sus siglas en inglés) para el análisis espectral del acero, aunque son costosos y no prácticos para los talleres de procesamiento de acero.

Los cortadores de plasma se han vuelto comunes para el trabajo de metales, incluido el trabajo con acero, aluminio y otros metales. En el corte por plasma, un plasma formado por un gas calentado por un arco eléctrico sirve para conducir electricidad hacia, y eliminar el metal fundido de, una pieza de trabajo de metal. Los cortadores de plasma se pueden usar con máquinas de corte controladas por ordenador, "controladas numéricamente" (NC, por sus siglas en inglés), o pueden ser manuales.

El documento DE 102012 021265 A1 describe el control sin contacto de los procesos de soldadura por plasma y pulverización de plasma, que comprende evaluar las emisiones de plasma generadas entre una pieza de trabajo y un quemador mediante un espectrómetro y espectroscopía de emisión. Las líneas espectrales características se analizan en un espectro de emisión, donde se analizan hidrógeno, oxígeno, cobre, tungsteno y materiales adicionales que se utilizan durante un proceso de soldadura o inyección. Además, se describe para detectar el desgaste del quemador y detectar materiales en un revestimiento pulverizable de plasma que se puede aplicar a una pieza de trabajo como, por ejemplo, hidrógeno, representativo de la contaminación por agua.

El documento US 2010/133247 A1 también describe un proceso de soldadura que agrega adiciones de metal caliente a una pieza de trabajo. Al comparar un espectro obtenido de una pluma de plasma durante la soldadura con un espectro esperado, se puede ajustar el proceso de soldadura.

Compendio

La presente invención se define en la reivindicación 1.

Una máquina de corte con control numérico por ordenador de plasma (CNC, por sus siglas en inglés) es controlada por un ordenador como, por ejemplo, un ordenador personal capaz de ejecutar un sistema operativo y programas de software. En la invención, el ordenador ejecuta un programa CNC para controlar el movimiento de un soplete de plasma para cortar partes de una pieza de trabajo mientras un espectrómetro determina los espectros de emisión de luz emitida cuando el soplete corta la pieza de trabajo. El espectrómetro coopera con el software que se ejecuta en un ordenador para analizar el metal a medida que la cortadora CNC lo corta y determinar una composición. En las realizaciones, la composición se compara con una composición esperada y se guarda en una base de datos con información de identificación; en una realización particular, se consulta la base de datos para proveer información de identificación del metal que tiene una composición similar a la pieza de trabajo.

La presente invención incluye capturar la luz de un arco de plasma de la máquina cortadora CNC de plasma cuando el arco de plasma corta una parte de la pieza de trabajo; generar datos espectrales a partir de la luz; y procesar los datos espectrales para generar una composición determinada indicativa de la composición de la pieza de trabajo.

En otra realización, se describe una máquina cortadora CNC de plasma del tipo que tiene una plataforma para soportar una pieza de trabajo a cortar, un pórtico que atraviesa la plataforma, un aparato de cabezal de corte por plasma montado en el pórtico y un ordenador que tiene un procesador y una memoria que almacena el software de control que tiene instrucciones ejecutables por el procesador para controlar el pórtico y el aparato de cabezal de corte por plasma para cortar la pieza de trabajo con un arco de plasma.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 muestra un ejemplo de una máquina cortadora CNC por plasma de análisis de metales, en una realización.

La Figura 2 muestra el cabezal de bisel de la máquina de corte CNC por plasma de la Figura 1 en mayor detalle que muestra un analizador espectral acoplado ópticamente a una lente colocada cerca del arco de plasma, en una realización.

La Figura 3 muestra el ordenador de la Figura 1 con más detalle a modo de ejemplo, en una realización.

La Figura 4 es un gráfico espectral que ilustra datos espectrales a modo de ejemplo capturados por la máquina cortadora CNC de plasma de análisis de metales de la Figura 1 cuando se corta la pieza de trabajo.

La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un método a modo de ejemplo para analizar metal mediante el uso de la máquina cortadora CNC por plasma de análisis de metal de la Figura 1.

Descripción detallada de las realizaciones

La Figura 1 muestra una máquina de corte CNC por plasma de análisis de metales 100 a modo de ejemplo. De manera similar a las máquinas de corte por plasma convencionales, la máquina 100 incluye una plataforma 140, un pórtico 150 y un aparato de cabezal 125 que sostiene y manipula un soplete de plasma 120. Un ordenador 135 (p. ej., un ordenador personal capaz de ejecutar un sistema operativo y programas de software) se comunica con una caja de amplificación remota 137 que genera señales a través del cable 130 para controlar los servomotores del pórtico 150, el aparato del cabezal 125 y el soplete de plasma 120. Una pieza de trabajo metálica 110 a cortarse por la máquina 100 se coloca sobre la plataforma 140. En el ejemplo de la Figura 1, la pieza de trabajo 110 es una rejilla de acero, pero puede representar cualquier material metálico que pueda cortarse por la máquina 100 como, por ejemplo, acero, aluminio o una hoja o placa de latón de hasta seis pulgadas de grosor.

En ciertas realizaciones, el aparato de cabezal 125 puede ser un aparato de cabezal biselado como, por ejemplo, el que se puede encontrar en la Patente de Estados Unidos 8,865,056. El aparato de cabezal biselado 125 sostiene, gira e inclina el soplete 120 hasta 57 grados en cualquier plano. El aparato de cabezal biselado 125 incluye un brazo de pantógrafo 127 que está montado en una caja de accionador 128 que contiene motores y controladores que manipulan el brazo de pantógrafo y el soplete de plasma 120 para cortar la pieza de trabajo 110. La caja de accionador 128 está compuesta de metal y actúa como una ‘jaula de Faraday’ para proteger los componentes electrónicos allí incluidos de la radiación y del calor generado por el arco de plasma. La caja 128 se puede enfriar en algunas realizaciones como, por ejemplo, mediante ventiladores.

En una realización particular, el soplete de plasma 120 se inicia con 5.000 voltios a una frecuencia de 2 MHz que ioniza el gas liberado en una corriente de alta presión para formar un arco de plasma con una temperatura de alrededor de 10.000°C. Este arco de plasma consume una corriente CC de entre 10 amperios y 1200 amperios a alrededor de 150 voltios una vez establecido. La potencia liberada por el arco de plasma puede alcanzar los 180 kW y es típicamente de alrededor de 37 kW, y es suficiente para derretir acero grueso rápidamente usando solo electricidad y aire (aunque se pueden usar otras mezclas de gases). El arco de plasma y el acero fundido están calientes y emiten luz que lleva una gran cantidad de información espectral sobre el acero que se está cortando, particularmente en el rango del espectro electromagnético de la luz ultravioleta (UV).

El arco de plasma crea un entorno difícil para los dispositivos electrónicos, ya que está muy caliente, salpica metal fundido y su fuente de alimentación de formación de arco de 5.000 voltios a una frecuencia de 2 MHz genera una radiación electromagnética considerable que interfiere con los dispositivos electrónicos cercanos. Por tanto, es difícil colocar equipos electrónicos sensibles cerca del soplete de plasma 120.

Un cable de fibra óptica permite que la electrónica de detección se aísle de manera segura dentro de una jaula de Faraday de metal mientras recolecta luz continuamente del arco de plasma. La jaula de Faraday protege la electrónica de detección de la radiación electromagnética (interferencia de radiofrecuencias) y del calor generado por el arco de plasma.

Por lo tanto, al combinar el analizador espectral, acoplado por la fibra óptica a la máquina cortadora CNC de plasma, los espectros de emisiones de los componentes metalúrgicos del acero que se está cortando pueden monitorearse de manera periódica o continua, y dichos espectros de emisiones pueden analizarse para determinar los componentes metalúrgicos del acero que se está cortando. Este análisis es similar al análisis llevado a cabo para el análisis de chispas, que también utiliza un arco eléctrico para generar luz para determinar la composición de una muestra de metal. Sin embargo, las ventajas de la máquina 100 incluyen que el análisis no requiere tiempo o esfuerzo adicional al necesario para cortar la pieza de trabajo 110.

El brazo del pantógrafo 127 se modifica para incluir una lente 182, colocada para capturar la radiación electromagnética, particularmente en la porción de luz ultravioleta del espectro, del arco de plasma formado por el soplete de plasma 120 mientras el arco de plasma está cortando la pieza de trabajo 110. Por ejemplo, la lente 182 tiene una distancia focal basada en su posición con respecto al arco de plasma, para capturar la luz (a saber, al menos una porción del espectro electromagnético) generada por el arco de plasma. Un trayecto óptico 184, que puede ser un cable de fibra óptica de un solo hilo o de varios hilos, acopla ópticamente la lente 182 a un espectrómetro 180 colocado dentro de la caja 128. Por lo tanto, el espectrómetro 180 está protegido de la interferencia del arco de plasma, pero recibe la luz emitida por el arco de plasma, a través de la lente 182 y del trayecto óptico 184, mientras se corta la pieza de trabajo 110. El espectrómetro 180 se selecciona según los rangos espectrales de luz producidos por el arco de plasma del soplete de corte como se conoce en la técnica del análisis espectral. En un ejemplo, el espectrómetro 180 es un dispositivo de espectrómetro de fibra óptica en miniatura Blue-Wave de StellarNet Inc., sin embargo, se pueden usar otros dispositivos de espectrómetro sin apartarse de su alcance.

El espectrómetro 180 está acoplado comunicativamente al ordenador 135 a través de un cable de comunicación 186 como, por ejemplo, un cable eléctricamente blindado o un cable de comunicaciones de fibra óptica. El espectrómetro 180 puede compartir un trayecto de comunicación entre el aparato de cabezal biselado 125 y el ordenador 135 sin apartarse de su alcance. En una realización particular, el cable de comunicación 186 es un cable USB. El ordenador 135 incluye software 188 que procesa los datos recibidos del espectrómetro 180 para determinar el contenido metalúrgico de la pieza de trabajo 110 según un espectro capturado por el espectrómetro 180 mientras la pieza de trabajo 110 se está cortando por la máquina 100.

La Figura 2 muestra el aparato de cabezal biselado 125 de la máquina cortadora CNC de plasma de análisis de metales 100 de la Figura 1 con más detalles a modo de ejemplo. La lente 182 se coloca en una armadura inferior 230 del brazo del pantógrafo 127 en alineación 238 con un arco de plasma 210 formado por el soplete de plasma 120. Como tal, la posición de la lente 182 con respecto al arco de plasma 210 es constante, ya que, debido a las ventajas del diseño del pantógrafo, el centro del arco de plasma 210 no se mueve con respecto a la armadura inferior 230. Además, cuando el soplete de plasma 120 se mueve para cortar la pieza de trabajo 110, la lente 182 permanece en una posición constante con respecto al arco de plasma 210. Es decir, la lente 182 se coloca en el brazo que soporta el soplete de plasma 120 y se mueve con el soplete. Cuando se utilizan otras formas de cabezal de corte en lugar del aparato de cabezal biselado 125, la lente 182 se coloca de manera similar para asegurar que la lente 182 esté alineada con el arco de plasma 210, y permanece muy cerca del arco de plasma para capturar la luz del arco de plasma mientras se excluye la mayor parte de la luz ambiente circundante, y se mueve a medida que el arco de plasma se mueve para cortar la pieza de trabajo 110. Por ejemplo, cuando el aparato de cabezal biselado 125 se mueve hacia arriba y hacia abajo con respecto a un panel de conexión 250, que, a su vez, se mueve hacia la izquierda y derecha en relación con el pórtico 150, que, a su vez, se mueve hacia atrás y hacia delante con respecto a la plataforma 140, la lente 182 permanece alineada con, y muy cerca del, arco de plasma 210.

El trayecto óptico 184 transporta la luz capturada por la lente 182 al espectrómetro 180 que analiza espectralmente la luz para generar datos espectrales 181. Los datos espectrales 181 son, por ejemplo, una representación digital del contenido espectral de la luz capturada por la lente 182 del arco de plasma 210. Lente 182 se mueve junto con el aparato de cabezal biselado 125 mientras se controla el soplete 120 para cortar la pieza de trabajo 110 y el espectrómetro 180 se coloca a una distancia segura del arco de plasma 210 y se acopla a través del trayecto óptico 184.

Como se muestra en la Figura 2, la lente 182 se coloca en un extremo distal de la armadura inferior 230 para capturar al menos parte del espectro electromagnético generado por el arco de plasma 210 cuando corta la pieza de trabajo 110. La lente 182 puede incluir un elemento frontal o ventana que es reemplazable en caso de daño causado por el arco de plasma 210 o metal fundido salpicado. El trayecto óptico 184 puede colocarse dentro de la armadura inferior 230 para protección contra daños por el arco de plasma 210 y es, por ejemplo, un cable de fibra óptica flexible que transporta luz de la lente 182 al espectrómetro 180. En una realización alternativa, el trayecto óptico 184 se encuentra dentro de un conducto tubular para protegerlo de daños. El espectrómetro 180 es, por ejemplo, un microespectrómetro que utiliza una rejilla de difracción y una matriz de sensores para derivar los datos espectrales 181 de la luz recibida a través del trayecto óptico 184, los datos espectrales incluyen una distribución de intensidad y longitud de onda (o equivalentemente frecuencia) de la luz generada por el arco de plasma 210. Los datos espectrales 181 se envían al ordenador 135 para un mayor análisis.

La Figura 3 muestra el ordenador 135 con más detalles a modo de ejemplo. El ordenador 135 incluye al menos un procesador 302 acoplado comunicativamente a la memoria 304. La memoria 304 no es transitoria y representa una o ambas de la memoria no persistente (p. ej., RAM, SRAM, DRAM, etc.) y la memoria persistente (p. ej., ROM, PROM, EPROM, FLASH, medios magnéticos y medios ópticos). La memoria 304 se muestra almacenando software 188 que incluye un sistema operativo 310, una función de controlador CNC 320 y una rutina de analizador espectral 330. El sistema operativo 310 provee un entorno multitarea en tiempo real dentro del ordenador 135 para ejecutar simultáneamente el controlador CNC 320 y el analizador espectral 330. El sistema operativo 310 se selecciona del grupo que incluye Microsoft® Windows ™, Apple® OS™, etc. Por ejemplo, el sistema operativo 310 coordina la ejecución del controlador CNC 320 y del analizador espectral 330.

El controlador CNC 320 sigue un programa CNC 322 para controlar el movimiento y el funcionamiento del soplete de plasma 120 para cortar partes de la pieza de trabajo 110 según se desee. Por ejemplo, el controlador CNC 320 puede enviar comandos, a través de la interfaz de control CNC 324 y la caja de amplificación remota 137, a cada uno del pórtico 150, aparato de cabezal biselado 125 y soplete de plasma 120. Como se conoce en la técnica de los controladores CNC, el controlador CNC 320, el pórtico 150 y la plataforma 140 se configuran de modo que el controlador CNC 320 puede dirigir el movimiento del pórtico 150 a lo largo de la plataforma 140 y del aparato de cabezal biselado 125 a lo largo del pórtico 150, lo cual permite que el controlador CNC 320 mueva el aparato de cabezal biselado 125 para colocar el soplete de plasma 120 en cualquier coordenada X-Y en un área operativa predefinida que se encuentra dentro de un plano sobre y paralelo a la plataforma 140. De manera similar, el controlador CNC 320 se configura para controlar motores dentro de la caja 128 para operar el brazo del pantógrafo 127 para colocar el soplete de plasma 120 en cualquier coordenada Z o de altura dentro de un volumen operativo predefinido que incorpora el plano sobre y paralelo a la plataforma 140. El controlador CNC se configura, de esta manera, para colocar el soplete 120 en cualquier posición dentro del volumen operativo predefinido según sea necesario para llevar a cabo cortes preprogramados en la pieza de trabajo 110.

El sistema operativo 310 ejecuta el analizador espectral 330 simultáneamente con el controlador CNC 320 para procesar los datos espectrales 181, recibidos a través de la interfaz 308 y el cable de comunicación 186 del espectrómetro 180, y generar la composición determinada 334. El controlador CNC 320 y el analizador espectral 330 pueden comunicarse de tal manera que el analizador espectral 330 controla el espectrómetro 180 para capturar datos espectrales 181 sólo cuando el soplete de plasma 120 está activo y el arco de plasma 210 está presente.

En un ejemplo de operación, el controlador CNC 320 y el analizador espectral 330 cooperan para capturar los datos espectrales 181, los datos espectrales incluyendo la información de los espectros de emisiones, de diferentes áreas de corte de la pieza de trabajo 110 a medida que se corta por la máquina 100, y el analizador espectral 330 genera composiciones determinadas 334 para cada área de corte diferente.

Para los propósitos del presente documento, una composición de una pieza de trabajo de metal como, por ejemplo, la pieza de trabajo 110, es una lista de elementos que se pueden encontrar en las piezas de trabajo de metal junto con un porcentaje de cada elemento de la lista que está presente en la pieza de trabajo. Por ejemplo, las piezas de trabajo metálicas de hierro fundido, acero, aluminio, latón, bronce o cobre pueden contener aluminio, arsénico, berilio, bismuto, boro, carbono, cerio, cromo, cobre, hierro, plomo, magnesio, manganeso, molibdeno, níquel, fósforo, silicio, plata, azufre, estaño, titanio, tungsteno, vanadio, zinc y circonio en varios porcentajes. Se conoce que los porcentajes de cada elemento presente en una pieza de trabajo de metal pueden afectar drásticamente las propiedades físicas como, por ejemplo, la dureza de la pieza de trabajo, así como las propiedades químicas como la resistencia a la corrosión, por ejemplo, la dureza del acero se ve significativamente afectada por el contenido de porcentaje de carbono, y la resistencia a la corrosión por el cromo. y contenido de porcentaje de níquel. De manera similar, las aleaciones a base de cobre tienen propiedades físicas que se ven significativamente afectadas por los porcentajes de estaño, zinc y aluminio. En general, se conocen los espectros de emisiones de cada elemento de forma aislada. Los datos espectrales de emisiones 181 incluyen una superposición de los espectros de emisiones de los elementos incluidos en una composición de la pieza de trabajo 110.

Varios organismos, incluida la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE, por sus siglas en inglés) y ASTM International, han publicado especificaciones con nombre para metal como, por ejemplo, acero SAE grado 440, ASTM A1 para rieles de ferrocarril, ASTM A182 para accesorios de tubería de acero inoxidable, A354 para pernos de aleación de acero, y A514 para chapa de acero soldable; cada especificación incluye un rango de porcentajes permisibles de elementos específicos para la composición del metal aceptable según la especificación, así como otros factores como, por ejemplo, los tratamientos térmicos, utilizados en la producción de objetos metálicos para cumplir con la especificación. Agencias gubernamentales y militares han publicado otras especificaciones como, por ejemplo, las de los cañones de los rifles, la placa y los pernos de blindaje, los tornillos y las chapas metálicas utilizadas en la construcción de aeronaves. Aquellos que solicitan metal a las fundiciones pueden hacer referencia a dichas especificaciones.

En cada especificación, algunos elementos se consideran componentes de aleación deseados y obligatorios como, por ejemplo, el hierro y el carbono en el acero, que normalmente se agregan intencionalmente cuando las piezas de trabajo se fabrican en una fundición y para los cuales los porcentajes asociados aparecen en las especificaciones como rangos con un valor mínimo diferente de cero y un valor máximo. Otros elementos como, por ejemplo, el exceso de boro o azufre en el acero, pueden considerarse impurezas objetables, con solo un máximo enumerado para algunas especificaciones, pero a veces están presentes en las piezas de trabajo. Incluso otros elementos como, por ejemplo, los elementos de tierras raras o los elementos de la serie de actínidos, pueden estar presentes en trazas, sus porcentajes en la composición de las piezas de trabajo son útiles para tomar huellas dactilares de las piezas de trabajo, aunque pueden no estar enumerados en las especificaciones comunes y pueden estar en concentraciones suficientemente bajas de modo que no alteran significativamente las propiedades del material de la pieza de trabajo.

El analizador espectral 330 incluye instrucciones legibles por máquina que, cuando se ejecutan, llevan a cabo métodos conocidos en la técnica para identificar picos en los datos espectrales 181 y ajustan los espectros de emisiones conocidos de cada elemento de una composición de la pieza de trabajo 110 a los espectros de emisiones observados, identificando así los porcentajes de cada elemento en la pieza de trabajo 110 y determinando la composición determinada 334 de la pieza de trabajo 110. Si bien los porcentajes de la mayoría de los elementos en la pieza de trabajo 110 se pueden identificar usando aire como el gas a partir del cual se forma el plasma, en algunas realizaciones se usa un gas inerte como, por ejemplo, el argón, como el gas suministrado de modo que los porcentajes de oxígeno y nitrógeno en la pieza de trabajo 110 puedan determinarse durante el corte.

En la presente invención, una composición esperada 352 de la pieza de trabajo 110 se define antes del corte de la pieza de trabajo 110. En las realizaciones, la composición esperada 352 incluye rangos de contenido aceptable para elementos particulares. En una realización particular, la presente composición deseada se ingresa en el ordenador 135 como composición esperada 352. En una realización alternativa, se ingresa un identificador de especificación en el ordenador 135, tras lo cual el ordenador 135 consulta una base de datos 139 en un servidor 136, que devuelve rangos de composición esperados de una entrada de especificación 141 de la base de datos 139 al ordenador 135 como composición esperada 352. En cualquier realización, una vez que se inicia el corte de la pieza de trabajo 110 por la máquina 100, el analizador espectral 330 determina la composición determinada 334 a partir de la luz del arco de plasma 210 y compara la composición determinada 334 con la composición esperada 352 y, de esta manera, genera una alerta 354 cuando la composición determinada 334 indica que la pieza de trabajo 110 no es de la composición esperada 352. Por ejemplo, el analizador espectral 330 y el ordenador 135 pueden configurarse para ignorar variaciones en la composición que están dentro de los límites de una especificación o para ignorar otras variaciones menores en la composición y/o pueden configurarse para generar la alerta 354 cuando se identifican contaminantes no deseados en la pieza de trabajo 110 o la composición determinada se encuentra fuera de los límites de una especificación específica.

El ordenador 135 también puede incluir una interfaz de usuario 350 para interactuar con un operador de la máquina 100, y la interfaz de usuario 350 puede mostrar una o ambas de la composición determinada 334 y alertas 354 al operador cuando la máquina 100 corta la pieza de trabajo 110.

En una realización, el ordenador 135 se acopla a través de una red de ordenadores 138, que en una realización particular es una red local y en otra realización particular es Internet, al servidor 136 que tiene información de composición de acero en la base de datos 139.

En realizaciones que tienen la base de datos 139, la base de datos 139 puede configurarse con entradas de especificación 141 para cada una de varias especificaciones de metal como, por ejemplo, acero, con rangos de composición para cada especificación. En una realización particular, la base de datos 139 se configura con una tabla de composiciones aceptables, típicamente ingresadas como rangos de porcentajes para cada uno de varios elementos, indexados por identificadores de especificación publicados.

En realizaciones que tienen la base de datos 139, la base de datos 139 también puede configurarse con entradas de la base de datos de composición 143 que tienen determinadas composiciones, o huellas dactilares, para el metal de cada una de varias especificaciones según lo producido por cada una de varias fundiciones. Estas composiciones determinadas pueden medirse mediante máquinas de corte por plasma descritas en la presente memoria, o pueden determinarse mediante análisis espectrométrico con otro equipo. En realizaciones que tienen entradas de base de datos de composición 143, el ordenador 135 se configura para cargar una composición determinada 334 de cada pieza de trabajo 110 a la base de datos 139 como una entrada de base de datos de composición 143 adicional con cualquier especificación identificada e identificación de la fundición o acería en la que se originó la pieza de trabajo. Se conoce que el mineral de hierro varía en composición de una mina a otra, y que las impurezas que se encuentran en el mineral pueden aparecer en el metal fundido. Por ejemplo, el mineral de hierro de la mina Dannemora en Suecia tenía un bajo contenido de fósforo y azufre, mientras que tenía un alto contenido de algunos otros metales; durante los siglos XVII y XVIII, los cañones de hierro fundido hechos con mineral de Dannemora adquirieron la reputación de tener muchas menos probabilidades de explotar cuando se disparaban que los cañones hechos de mineral de hierro de muchas otras fuentes debido al bajo contenido de azufre y fósforo del mineral. Si bien las principales impurezas y cantidades de elementos de aleación, incluidos el azufre y el fósforo, con frecuencia se corrigen durante las operaciones modernas de fundición, es posible que otros elementos de aleación e impurezas menores no se corrijan y se mostrarán como elementos menores en una composición determinada 334. Normalmente, las principales impurezas y los elementos de aleación están asociados a una especificación de metal en la pieza de trabajo 11, mientras que los elementos menores en la pieza de trabajo 110 están asociados a una fuente a partir de la cual se originó la pieza de trabajo. Por tanto, el patrón de dichas impurezas en determinadas composiciones en la base de datos 139 puede servir para ayudar a identificar una fuente para la pieza de trabajo. En una realización, después de determinar la composición determinada 334, el ordenador 135 y el servidor 136 se configuran para buscar en la base de datos 139 las entradas de la base de datos de composición 143 que más coinciden en los elementos de aleación principales con la composición determinada 334 y proporcionar información de identificación a un usuario con respecto a las especificaciones asociadas a las entradas de composición más cercanas. Además, el ordenador 135 y el servidor 136 se configuran para buscar en la base de datos 139 las entradas de la base de datos de composición 143 que más coinciden en elementos menores con la composición determinada 334 y proporcionar información de identificación de huellas dactilares a un usuario con respecto a una fuente probable de metal en la pieza de trabajo 110. Por ejemplo, para una pieza de trabajo de acero inoxidable, el hierro, el níquel y el cromo son los principales elementos de aleación que se agregan con porcentajes superiores al uno por ciento durante las operaciones de fundición y son indicativos de una especificación para el acero inoxidable, mientras que ciertos otros elementos de composición determinada 334 en general no se agregan intencionalmente y sus concentraciones son parte de la huella dactilar para identificar una fuente del metal en la pieza de trabajo 110. La Figura 4 muestra un ejemplo de datos espectrales 181 capturados por la máquina cortadora CNC de plasma de análisis de metales 100 de la Figura 1 cuando corta la pieza de trabajo 110. En el presente ejemplo, la pieza de trabajo 110 es acero inoxidable y contiene molibdeno y los datos espectrales 181 muestran múltiples características espectrales 402 que corresponden a la presencia de molibdeno en acero. La composición determinada 334 puede generarse a partir de datos espectrales 181 casi instantáneamente cuando los datos espectrales 181 se envían al ordenador 135 a medida que la máquina 100 corta la pieza de trabajo 110. La composición determinada 334 muestra los elementos constituyentes de la pieza de trabajo 110 en proporción. Para el acero, un componente principal es el hierro (Fe), pero puede incluir otros componentes como, por ejemplo, el cromo para el acero inoxidable, el carbono, el molibdeno, el vanadio, el titanio y el boro, y también puede incluir impurezas como, por ejemplo, el azufre y otros elementos. Al proporcionar a la máquina 100 capacidad de análisis espectral y de corte simultáneo, el operador puede verificar que la pieza de trabajo 110 tiene la composición correcta y se le advierte de impurezas no deseadas o presencia inesperada de elementos de aleación cruciales como, por ejemplo, el boro. El ser consciente de la composición inesperada en el primer corte de la pieza de trabajo 110 ahorra tiempo potencialmente perdido al cortar e intentar soldar acero contaminado con boro, por ejemplo. El análisis espectral de cada pieza de trabajo también evita una reducción inesperada en la calidad del artículo terminado.

La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un método 500 a modo de ejemplo para analizar metal usando la máquina cortadora CNC de plasma de análisis de metal 100 de la Figura 1. El método 500 se implementa mediante la lente 182, el trayecto óptico 184, el espectrómetro 180 y el ordenador 135 de la máquina 100. En el presente ejemplo, el método 500 se inicia cuando la máquina 100 está a punto de cortar o ha comenzado a cortar la pieza de trabajo 110. Si aún no se ha introducido, una especificación o composición deseada de material de la pieza de trabajo se ingresa 501 opcionalmente en el ordenador 135. Si se ingresa un nombre de especificación, en la etapa 503, el ordenador 135 se configura para acceder a una entrada de especificación 141 correspondiente en la base de datos 139 del servidor 136 y buscar una entrada de la base de datos de composición 143 esperada de la base de datos 139 en la composición local esperada 352.

La etapa 502 es una decisión. Si, en la etapa 502, el método 500 determina que el arco se ha encendido, el método 500 continúa con la etapa 504; de lo contrario, el método 500 continúa con la etapa 518. En un ejemplo de la etapa 502, el analizador espectral 330 coopera con el controlador CNC 320 para determinar si el arco de plasma 210 está funcionando en el soplete de plasma 120. En otro ejemplo de la etapa 502, el analizador espectral 330 procesa datos espectrales 181 para determinar cuándo está funcionando el arco de plasma 210.

En la etapa 504, el método 500 captura la luz del arco de plasma. En un ejemplo de la etapa 504, la lente 182 captura luz del arco de plasma 210 y el trayecto óptico 184 transporta la luz al espectrómetro 180. En la etapa 506, el método 500 genera datos espectrales a partir de la luz. En un ejemplo de la etapa 506, el espectrómetro 180 genera, mediante el uso de una rejilla de difracción y sensores, datos espectrales 181 a partir de la luz capturada por la lente 182.

En la etapa 508, el método 500 procesa los datos espectrales y genera una composición determinada. En un ejemplo de la etapa 508, el procesador 302 ejecuta el analizador espectral 330 para procesar los datos espectrales 181 y generar una composición determinada 334.

La etapa 510 es opcional. Si se incluye, en la etapa 510, el método 500 muestra la composición determinada de la etapa 508 a un operador. En un ejemplo de la etapa 510, el analizador espectral 330 muestra la composición determinada 334 en la interfaz de usuario 350 del ordenador 135.

La etapa 511 es opcional. Si se incluye, en la etapa 511, el método 500 registra la composición determinada como una entrada en la base de datos. En un ejemplo de la etapa 511, el analizador espectral 330 registra la composición determinada 334 como entrada de especificación 141 de la base de datos 139.

Las etapas 512 a 516 también son, de manera conjunta, opcionales. Si se incluyen, en la etapa 512, el método 500 compara la composición determinada 334 con una composición esperada 352 de la pieza de trabajo. La etapa 514 es una decisión. Si, en la etapa 514, el método 500 determina que la composición determinada y la composición esperada coinciden dentro de los límites, el método 500 continúa con la etapa 518; de lo contrario, el método 500 continúa con la etapa 516.

En la etapa 516, el método 500 genera una alerta que indica una composición inesperada. En un ejemplo de la etapa 516, el analizador espectral 330 genera la alerta 354 y muestra la alerta 354 en la interfaz de usuario 350. El método 500 continúa luego con la etapa 517.

Las etapas 517 y 519 son opcionales. En la etapa 517, el método 500 inspecciona las entradas de la base de datos de composición 143 para determinar una coincidencia más cercana de la composición determinada 334 con las porciones de composición determinada de las entradas de la base de datos preexistentes, primero para los constituyentes principales para identificar una especificación de metal en la pieza de trabajo, y segundo para los constituyentes menores para identificar un molino o fundición de origen de donde se originó el metal. Luego, en la etapa 519, el método 500 muestra información como, por ejemplo, un nombre de especificación SAE o ASTM, y/o un nombre de fundición, con respecto a las entradas de la base de datos que tienen las coincidencias más cercanas a la composición determinada 334.

La etapa 518 es opcional. Si se incluye, en la etapa 518, el método 500 espera. En un ejemplo de la etapa 518, la espera es el retraso predefinido antes de repetir la etapa 502. En otro ejemplo de la etapa 518, la espera es hasta que el soplete de plasma 120 se mueva para cortar un área diferente de la pieza de trabajo 110. El método 500 luego continúa con la etapa 502. Por consiguiente, se repiten las etapas 502 a 518 para determinar la composición de la pieza de trabajo 110 mediante el uso del análisis espectral cuando la pieza de trabajo 110 se corta por el arco de plasma 210.

Al combinar el análisis espectral y el corte CNC por plasma en una sola máquina (a saber, la máquina cortadora CNC por plasma para análisis de metales 100), se logran una o más de las siguientes ventajas:

• Los datos espectrales se capturan del arco de plasma a medida que corta la pieza de trabajo, evitando así la necesidad de crear un arco separado o utilizar un láser para capturar datos espectrales. Esto también evita daños adicionales a la pieza de trabajo que serían necesarios para una prueba separada.

• El trayecto de la fibra óptica permite que el dispositivo de captura espectral se coloque lejos del arco de plasma para reducir la interferencia.

• Cuando la máquina de corte CNC utiliza un aparato de cabezal biselado, la caja del accionador está disponible para proteger el dispositivo de captura espectral; no se necesita una carcasa protectora adicional.

• En las realizaciones, la potencia de procesamiento disponible del ordenador utilizado para ejecutar el programa CNC y controlar la máquina de corte también se utiliza para analizar los datos espectrales y generar la composición determinada.

• La solución combinada hace que el análisis espectral valioso y, con frecuencia, esencial esté fácilmente disponible, sea práctico y conveniente para cada operación de corte.

• La solución combinada es más rentable que el uso de dispositivos de análisis espectral separados.

• Se pueden llevar a cabo verificaciones automáticas de composición para cada pieza de trabajo y se puede notificar al operador si la pieza de trabajo tiene una composición incorrecta.

• La solución combinada provee información para controlar la calidad y evitar que se utilicen o provean materiales incorrectos en un campo donde dos tipos de acero bastante diferentes pueden parecer idénticos en un taller de acero.

Se pueden llevar a cabo cambios en los métodos y sistemas de más arriba sin apartarse del alcance de la presente invención, que se define en la reivindicación 1. Por ejemplo, aunque la máquina 100 se ilustra con un aparato de cabezal biselado 125, pueden utilizarse otras configuraciones para sostener y manipular el soplete 120. Por tanto, debe observarse que la materia contenida en la descripción de más arriba o que se muestra en los dibujos anexos debe interpretarse como ilustrativa y no en un sentido limitativo. Las siguientes reivindicaciones pretenden cubrir todas las características genéricas y específicas descritas en la presente memoria.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una máquina de corte CNC por plasma de análisis de metales (100), que comprende:

un soplete de corte por plasma (120) controlable para cortar una pieza de trabajo (110) con un arco de plasma;

una lente (182) colocada y configurada para capturar la luz del arco de plasma;

un espectrómetro (180) acoplado para recibir la luz capturada de la lente (182) a través de un trayecto de fibra óptica (184) y adaptado para determinar los datos espectrales de la luz;

al menos un ordenador (135) que tiene un procesador y una memoria que almacena un software de análisis espectral (188) que incluye instrucciones legibles por máquina que, cuando se ejecutan por el procesador, hacen que el procesador analice los datos espectrales y genere una composición determinada indicativa de una composición de la pieza de trabajo (110),

el software de análisis espectral (188) comprende además instrucciones legibles por máquina almacenadas en la memoria que, cuando se ejecutan por el procesador, hacen que el procesador compare la composición determinada con una composición esperada de la pieza de trabajo (110) y genere una alerta en una interfaz de usuario del al menos un ordenador (135) cuando la composición determinada no coincide con la composición esperada.

2. La máquina de corte CNC por plasma de análisis de metales (100) de la reivindicación 1, en donde el software de análisis espectral (188) comprende además instrucciones legibles por máquina que, cuando se ejecutan por el procesador, hacen que el procesador guarde la composición determinada en una base de datos (139) en un servidor (136), y, cuando la composición esperada de la pieza de trabajo (110) no coincide con la composición determinada, identifique una entrada anterior de la base de datos que tenga una coincidencia más cercana a la composición determinada.

3. La máquina de corte CNC por plasma de análisis de metales (100) de la reivindicación 1 o 2, que además comprende:

una plataforma (140) para soportar la pieza de trabajo (110) mientras esta se corta;

un pórtico (150) que atraviesa la plataforma (140) bajo el control del al menos un ordenador (135); y el soplete de corte por plasma (120) montado en un aparato de cabezal (125) configurado para atravesar el pórtico (150) bajo el control del al menos un ordenador (135).

4. La máquina de corte CNC por plasma de análisis de metales (100) de la reivindicación 3, en donde el espectrómetro (180) está posicionado dentro de una caja de accionador (128) del aparato de cabezal (125) configurado para atravesar el pórtico (150), la caja de accionador (128) protegiendo el espectrómetro (180) de la interferencia y daño causado por el arco de plasma, o en donde la lente (182) se configura para permanecer en alineación fija con respecto al arco de plasma a pesar del movimiento del soplete de corte por plasma (120) sobre la plataforma (140) bajo el control del al menos un ordenador (135).

5. La máquina de corte CNC por plasma de análisis de metales (100) de la reivindicación 1, 2, 3 o 4, en donde el trayecto de fibra óptica (184) comprende un cable de fibra óptica.

6. La máquina de corte CNC por plasma (100) de la reivindicación 1, 2, 3, 4 o 5, en donde la lente (182) está colocada en un brazo de pantógrafo (127) de un aparato de cabezal (125).

7. La máquina de corte CNC por plasma (100) de la reivindicación 3, 4 o 6, o de la reivindicación 5, cuando depende de la reivindicación 3 o 4, en donde el espectrómetro (180) está posicionado dentro de una caja de accionador (128) del aparato de cabezal (125), la caja de accionador (128) configurándose para proteger el espectrómetro (180) de las interferencias y daños causados por el arco de plasma.