ITRM20000560A1

ITRM20000560A1 - Procedimento e relativo dispositivo per la supervisione automatica del grado di usura degli utensili impiegati nelle lavorazioni meccaniche

Info

Publication number: ITRM20000560A1
Application number: IT2000RM000560A
Authority: IT
Inventors: Luca Pitolli; Giorgio Pontuale; Francis Farrelly; Alberto Petri; Giovanni Bosco Cannelli
Original assignee: Consiglio Nazionale Ricerche
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2002-04-24
Also published as: ITRM20000560A0; ATE275274T1; EP1330687A2; AU2002215193A1; DE60105307D1; EP1330687B1; WO2002036304A3; WO2002036304A2; DE60105307T2; ES2227303T3; IT1315994B1

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo:

“PROCEDIMENTO E RELATIVO DISPOSITIVO PER LA SUPERVISIONE AUTOMATICA DEL GRADO DI USURA DEGLI UTENSILI IMPIEGATI NELLE LAVORAZIONI MECCANICHE NON PRESIDIATE”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda il procedimento ed il relativo dispositivo per la supervisione automatica delle lavorazioni meccaniche nelle industrie, in particolare la rilevazione di usura e/o anomalo funzionamento dell’utensile impiegato in lavorazioni meccaniche. Detto dispositivo rappresenta l’evoluzione di una precedente versione già coperta da brevetto nazionale [1], rispetto alla quale sono state apportate sostanziali modifiche, nel seguito descritte. Esse sono volte a conferire maggiore affidabilità, e quindi incrementare le potenzialità del sistema dal punto di vista applicativo, con particolare attenzione a ciò che concerne le gravose condizioni ambientali cui esso è chiamato ad operare, quali quelle di uno stabilimento industriale in cui sono presenti notevoli livelli di disturbo elettromagnetico.

La soluzione proposta dalla tecnica oggetto del già citato brevetto [1] per la rilevazione di usura e/o anomalo funzionamento dell’utensile durante operazioni di tornitura, è basata sullo studio del segnale generato dal sistema pezzo in lavorazione - utensile nella cosiddetta “banda dell’emissione acustica” che, come risulta da numerosissimi lavori scientifici sullargomento presenti in letteratura già a partire dagli anni ’70, risulta essere particolarmente interessante per questa applicazione (vedi ad esempio: E. Kannatey-Asibu et al. “Quantitative relationship for Acoustic Emission from Orthogonal Metal Cutting”, Journal of Engineering for Industry, Agosto 1981, Voi. 103 pp. 330-340 [2]).

Per Emissione Acustica (in seguito AE) si intende il rapido rilascio di energia nei solidi, sotto forma di onde acustiche ad alta frequenza, dovuto ad esempio al riassestamento della struttura cristallina alterata da una sollecitazione di notevole entità, nel caso specifico derivante dal brusco taglio sul metallo (vedi ad es.: K.Iwata et al., “An application of Acoustic Emission to In-Process Sensing of Tool Wear”, Annals of CIRP Voi. 25, 1977, pp. 21-26, [3]). Dette onde acustiche hanno uno spettro di frequenza molto ampio che si colloca generalmente nella banda compresa tra qualche decina di kHz e qualche decina di MHz. Nell’ articolo: G.Byme et al., “Tool Condition Monitoring (TCM)- The status of Research and Industriai Application”, Annals of CIRP, Vol.44/2, 1995, pp.541-567, [4] è contenuta una eccellente rassegna circa le motivazioni ed i fondamenti dell’utilizzazione dei dispositivi basati su tecniche di Tool Condition Monitoring (di seguito TCM) nell’ industria, i sensori usati nelle applicazioni industriali, le prospettive di sviluppo nonché una ricca bibliografìa sull’argomento. In esso è sottolineata rimportanza che le tecniche di elaborazione dei segnali di AE hanno nelle applicazioni volte alla supervisione dello stato di usura degli utensili, e come la rilevazione dei segnali di AE il più vicino possibile alla zona dove essi vengono generati sia fondamentale ai fini dell’affidabilità della tecnica. Di conseguenza, una limitazione dei procedimenti noti di analisi e supervisione delle lavorazioni meccaniche, che adottano la soluzione dell’analisi delle onde nella banda AE, risiede proprio nel fatto che le caratteristiche dei trasduttori commerciali utilizzati non sono del tutto adatte a questa particolare applicazione. Infatti tali sensori hanno dimensioni dell’ordine dei centimetri e non possono essere quindi collocati in una posizione molto vicina all’inserto di taglio. Ad esempio, essi sono spesso fissati alla base del porta-inserto (3) (vedi Fig.l), ed è allora evidente che le strutture attraverso le quali il segnale acustico si propaga prima di giungere al sensore, possiedono una propria curva di risposta che altera il segnale contenente l’informazione (vedi anche il già citato documento di K. Iwata e T. Moriwaki “An Application of Acoustic Emission to In-Processing Sensing of Tool Wear” [3], e anche E. Kannatey-Asibu, E. Emel "Linear discriminant function analysis of acoustic emission signal for cutting tool monitoring", Mechanical Systems and Signal Processing, Voi. 1 (1987), pag. 333 [5]).

La corretta implementazione sui segnali di AE di algoritmi sia di tipo statistico che basati su tecniche di “pattern recognition” (entrambi noti nel settore), applicabili al monitoraggio dell'usura, richiede l'esatta conoscenza della forma originale del segnale, sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza, per ottenere la quale occorrerebbe effettuare la deconvoluzione del segnale acquisito con la trasformata della funzione di trasferimento della struttura. Ciò comporterebbe un notevole dispendio di tempo e denaro, oltre alla perdita di generalità circa le potenziali utilizzazioni del procedimento e del relativo dispositivo. Infatti, si dovrebbero effettuare delle lunghe operazioni preliminari con del personale specializzato, per ogni tipo di macchina utensile. Inoltre, anche una parziale modifica alla catena di produzione, richiederebbe la ripetizione di tutta la procedura di installazione. Oltre alle maggiori difficoltà nell'ottenere il segnale originale, dovute alla necessità di studiare la sua propagazione sino al sensore, i segnali nella banda dell'emissione acustica si attenuano rapidamente, con il relativo insorgere di problemi di amplificazione del segnale (rapporto segnale-rumore).

Un ulteriore svantaggio della tecnica nota risiede nel fatto che dispositivi del genere devono necessariamente escludere l' impiego di cavi di collegamento per la trasmissione dei dati dal sensore al sistema di elaborazione. Il cavo, infatti, impedisce di realizzare una supervisione automatica dell'usura e/o anomalia dell'utensile (inserto) nei casi in cui il porta-inserto (3) (dove solitamente si colloca il sensore) risulta fare parte di un dispositivo meccanico complesso, capace di lavorazioni diverse e quindi dotato di più torrette porta-utensile, spesso in movimento e operanti in bagno d'olio. Nel caso di operazioni automatiche di lavorazione con delle torrette rotanti che supportano diversi utensili, eventualmente differenti tra loro, l’eventuale presenza di cavi di collegamento rappresenterebbe un ostacolo ai movimenti della torretta. Recentemente sono stati sperimentate le seguenti tecniche allo scopo di superare questa difficoltà (G.Byrne et al ) .

a) trasmissione dei segnali tramite dispositivi funzionanti sul principio dell’induzione elettromagnetica;

b) trasmissione dei segnali per mezzo del fluido refrigerante; tale tecnica presenta la necessità di utilizzare fluidi refrigeranti privi di bolle d’aria, ed inoltre è molto sensibile ai disturbi prodotti dal passaggio dei trucioli nel liquido stesso;

c) trasmissione dei segnali per mezzo di un fluido diverso da quello refrigerante con proprietà magnetiche (H20 Fe3O4).

La fattibilità e l’affidabilità di queste tecniche sono tuttavia da dimostrare, ancorché presentino comunque degli inconvenienti noti cui di seguito verrà fatto cenno (G.Byrne et al.).

Il precedente brevetto [1] si proponeva di risolvere i problemi precedenti realizzando un procedimento, e relativo dispositivo, molto versatile ed applicabile in generale ai diversi tipi di macchine utensili e di lavorazioni, nel quale ai segnali AE vengono applicati algoritmi di tipo statistico. In quel caso la soluzione del problema relativo alla presenza dei cavi di collegamento viene affidata ad un dispositivo miniaturizzato di condizionamento e trasmissione dei dati in radiofrequenza; in esso il segnale di AE, preventivamente amplificato e filtrato, modula un segnale portante a radiofrequenza di circa 400 MHz, generato da un oscillatore, e viene trasmesso all’antenna del dispositivo di ricezione ed elaborazione. Questi provvede a generare un segnale di controllo circa lo stato di usura dell’utensile controllato, fornendo le informazioni relative o, qualora le condizioni lo richiedano, interrompendo la lavorazione.

Il presente brevetto propone un metodo alternativo per la trasmissione del segnale di AE senza la presenza dei cavi per la trasmissione del segnale e con la sottrazione dei disturbi elettromagnetici mediante l’ausilio di una seconda ceramica piezoelettrica di riferimento. Il segnale così ottenuto viene usato per modulare una portante generata nella banda dell ’IR. Tale soluzione presenta diversi vantaggi.

a) la facilità nell’ottenere una elevata direttività dei segnali nella banda delI’IR rispetto alla banda delle microonde rende praticamente inesistenti problemi di interferenza (cross-talk) fra dispositivi simili presenti su macchine utensili adiacenti, e quindi rende non necessarie operazioni di codifica del segnale; b) i disturbi elettromagnetici emessi dalle apparecchiature presenti nello stabilimento industriale si riducono drasticamente all’aumentare della frequenza; ciò rende le comunicazioni nella banda dell’ IR maggiormente esenti da tale problema;

c) un secondo trasduttore di riferimento (1a), identico al primo, viene utilizzato per sottrarre al segnale ricevuto dal primo gli eventuali disturbi di natura non acustica. Infatti esso essendo acusticamente disaccoppiato dal porta-inserto (3), riceve solo i segnali derivanti da disturbi elettromagnetici, ricevuti quindi anche dal primo trasduttore (1). Ciò è fondamentale al fine di cancellare i disturbi elettromagnetici, incidenti sul trasduttore stesso, dagli eventi prettamente di natura acustica, mediante una sottrazione effettuata tramite una semplice elettronica dedicata.

Lo scopo della modifica proposta è quello di superare i problemi che la precedente versione [1] presentava a causa della ingente presenza di disturbi elettromagnetici negli stabilimenti industriali, disturbi che peraltro rendono praticamente inutilizzabili la maggior parte delle tecniche sopra citate la cui introduzione nel controllo delle lavorazioni è stata tentata. Basti pensare che laddove sia in corso nelle vicinanze una operazione di saldatura ad arco, la radiazione elettromagnetica emessa è tale da accecare per un cospicuo intervallo di tempo qualunque dispositivo dedicato alla trasmissione di segnali via etere, sia esso quello precedentemente proposto, sia quelli basati su altri principi come la trasmissione elettromagnetica di tipo induttivo, o sulla trasmissione per mezzo di fluidi, diversi da quello di raffreddamento, con proprietà magnetiche. Si tenga presente a tal proposito che nell’ambito dei dispositivi già esistenti ed installati nelle industrie, ben il 38 % è stato eliminato o sostituito a causa della loro non rispondenza ai requisiti richiesti (G.Byme et al ).

Nel seguito la presente invenzione verrà descritta solamente a titolo esemplificativo e non limitativo, secondo una sua applicazione ed attuazione particolare, mostrata nei disegni, in cui: FIGURA 1 mostra lo schema di principio semplificato di applicazione del procedimento dell'invenzione alla lavorazione meccanica al tornio; FIGURA 2 è uno schema a blocchi semplificato del sistema miniaturizzato di rice-trasmissione con un segnale nella banda degli infrarossi, nonché di acquisizione, elaborazione e controllo dei dati, secondo l'invenzione; FIGURA 3 illustra l'andamento dei parametri r(s) della funzione di distribuzione statistica beta applicata ai valori RMS dei segnali AE. Essa è relativa alla lavorazione al tornio del l'ottone, per utensili nuovi ed utensili usurati; FIGURA 4 mostra invece l'andamento dei parametri r(s) con riferimento alla lavorazione al tornio dell'acciaio AISI 303, per utensili nuovi ed utensili usurati. I sensori fìsici (1) e (la) (trasduttori AE piezoelettrici) sono realizzati secondo la presente invenzione nella forma di una piastrina miniaturizzata di ceramica piezoelettrica, tagliata a parallelepipedo secondo tecniche di alta precisione, e delle dimensioni di alcuni millimetri. Il sensore (1) è progettato per ricevere onde in una larga banda di frequenze tipica dell'AE. Esso è collocato sul porta-inserto (3) protetto da eventuali danni derivanti dalla lavorazione al tornio (4) del pezzo metallico (5) in lavorazione. H numero (6) indica l'utensile (inserto) da sostituire in caso di sua usura e/o anomalia. Il sensore fìsico (1) è fissato nella posizione (2) in modo tale da garantire, in corrispondenza di tale faccia del parallelepipedo in ceramica piezoelettrica, un buon accoppiamento elettrico ed acustico, nonché un sicuro fissaggio meccanico. Tale faccia rappresenta la massa (potenziale zero). L'altra faccia (opposta) del sensore (1) è collegata, tramite la linea elettrica (7), al sistema o dispositivo di elaborazione e trasmissione (8), mostrato più dettagliatamente in Fig. 2. A questo dispositivo è collegato anche il trasduttore (la), fissato in modo tale da eliminare il contatto acustico con il porta-inserto (3). La tecnica proposta nella presente invenzione è basata su un trattamento statistico dei dati, in fase di elaborazione del segnale, che rende superflua la calibrazione assoluta dei trasduttori. Si deve notare che il dispositivo miniaturizzato (8) di trasmissione nella banda dell’IR è disposto sulla (o nella) torretta porta-utensile (10) oppure nelle sue vicinanze, in modo da poter essere collegato per mezzo di un breve cavo (7) al sensore (1). Il dispositivo (9) è mostrato in Fig. 2 in maniera più dettagliata. Il sistema ricetrasmittente (8, 9) consente il trasferimento senza filo dei segnali rilevati dal sensore (1) di AE verso l’unità di acquisizione e elaborazione (18). Le possibili rotazioni o traslazioni della torretta (10), che in determinati casi può comprendere diversi utensili (6), ognuno dei quali è collegato ai suoi sensori (1) e (la), non sono di intralcio, grazie al fatto che il segnale AE viene trasmesso senza fili al sistema di elaborazione. Facendo ancora riferimento alla Fig. 2, nello schema a blocchi del dispositivo miniaturizzato di trasmissione (8), i segnali provenienti dai sensori (1) e (la) attraverso la linea (7) vengono inviati al blocco (12). Esso è formato dai due amplificatori e filtri che amplificano e filtrano i segnali in un opportuno intervallo della banda AE che interessa la presente applicazione. All'interno del blocco (13) i due segnali provenienti dal blocco precedente vengono sottratti l’uno all’altro, in modo da cancellare le componenti dovute ai disturbi elettromagnetici da quelle di natura acustica. Il segnale così ottenuto passa allo stadio (14) di trattamento, nel quale esso viene elaborato in relazione al tipo di algoritmo applicato, in modo tale da ricavare alcuni parametri significativi necessari alle successive fasi di elaborazione e controllo. Ciò allo scopo anche di ridurre in maniera rilevante le prestazioni richieste al sistema di trasmissione senza fili in termini di banda passante. Dopo tale stadio il segnale viene trasmesso con un sistema operante nella banda dell’IR, mediante il modulatore e trasmettitore (15), al blocco di ricezione (9) nel quale è contenuto l’elemento foto-sensibile di ricezione (16). Il segnale da esso prelevato viene amplificato e demodulato nello stadio (17), ed inviato all’unità centrale di acquisizione ed elaborazione (18), ed infine all’unità di controllo (19). Ciò sia nel caso di più dispositivi di monitoraggio, montati su più macchine utensili, facenti capo ad una sola unità centrale di controllo (19) collocata ad esempio in un area riservata, sia nel caso di un dispositivo unico dedicato ad una sola macchina utensile.

Le unità di acquisizione, elaborazione (18) e controllo (19) possono essere integrate in un unico sistema computerizzato mediante il quale il segnale viene elaborato con un algoritmo (noto) nel dominio del tempo ai momenti superiori della funzione β di distribuzione statistica del segnale RMS. In particolare, i parametri statistici r ed s ad essa associati (vedi ad es.: E. Kannatey-Asibu, D.A. Domfeìà "A Study of Tool Wear Using Statistical Analysis of Metal-Cutting Acoustic Emission", Wear, Voi. 76 (1982) pp. 247-261 [6]) permettono di individuare lo stato di usura dell'utensile, come si può osservare dai risultati riportati nei diagrammi r(s) delie Figg. 3 e 4, che si riferiscono alla lavorazione dell'ottone e dell'acciaio INOX rispettivamente. In questi diagrammi, il triangolo e il rombo indicano utensili nuovi e il cerchio un utensile usurato. Si nota una netta separazione dei punti sperimentali corrispondenti. La tecnica messa a punto dalla presente invenzione, basata sulla miniaturizzazione del sensore di AE e la sua collocazione sul porta-inserto, supera tutte le difficoltà sopra menzionate ed è applicabile anche ai casi più complessi di lavorazioni meccaniche. Le unità di acquisizione, elaborazione controllo possono ricevere ed elaborare anche segnali provenienti da più dispositivi posizionati su una o più macchine utensili. In questo modo è possibile anche controllare contemporaneamente l'evoluzione del grado di usura di tutti gli inserti operanti nello stabilimento industriale. Gli utensili normalmente impiegati sono carburi di tungsteno sinterizzati, ma non è escluso l’utilizzo di altri materiali.

Claims

RIVENDICAZIONI Nelle seguenti rivendicazioni si faccia riferimento alle figure 1 e 2 1. Procedimento per la supervisione automatica delle lavorazioni meccaniche, basato sulla emissione acustica (AE), comprendente il rilevamento del segnale (AE) prodotto dalla lavorazione mediante l’utensile (6), da parte di un sensore o trasduttore (1) di conversione del segnale acustico (AE) in segnale elettrico, e l'invio del segnale (AE) cosi convertito e preventivamente elaborato, ad un'unità di ricezione, elaborazione e controllo (9) che determina i parametri statistici r, s del segnale RMS, in base ad algoritmi statistici noti, caratterizzato dal fatto che detto trasduttore (1) è costituito da una piastrina miniaturizzata di materiale piezoelettrico delle dimensioni di qualche millimetro, collocata nella posizione (2) del supporto (3) dell'utensile (6), e che è fissata per garantire un buon accoppiamento acustico ed elettrico; dal fatto che una seconda piastrina (la) di materiale piezoelettrico identica alla prima è collocata sul supporto (3) senza avere però accoppiamento acustico con esso, in modo da rilevare i soli disturbi elettromagnetici presenti, e poter sottrarre questi ultimi dal segnale prettamente di natura acustica rilevato dal trasduttore (1); dal fatto che l' informazione del segnale (AE) viene trasmessa via etere con un dispositivo ricetrasmittente nella banda dell' infrarosso (8,9) alle unità di acquisizione, elaborazione e controllo (18) e (19), utilizzando un segnale portante nella banda degli infrarossi.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la piastrina (1) è in ceramica piezoelettrica ed è atta a rivelare onde nella banda di frequenze dell’emissione acustica.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di trasmissione (8) dei segnali via etere comprende due amplificatori e filtri (12), un sottrattore (13), un condizionatore del segnale (14) e un modulatore e trasmettitore infrarosso (15).
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti amplificatori e filtri (12) operano nella banda deH’AE.
5. Procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che il dispositivo (9) di ricezione comprende un elemento fotosensibile (16) operante nella banda degli infrarossi, un amplificatore demodulatore (17).
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sensore (1) è fissato al porta-inserto o supporto (3) dell'utensile.
7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di trasmissione (8) è disposto nella o sulla torretta porta utensile (10), oppure nelle sue immediate vicinanze.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le unità (18) e (19) rappresentano un sistema di acquisizione, elaborazione e controllo che gestisce l’eventuale stato di usura e/o anomalia dell’inserto (6).