WO2010029205A1 - Procedimiento y sistema para la estimación en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precisión - Google Patents

Procedimiento y sistema para la estimación en tiempo real de la rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precisión Download PDF

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WO2010029205A1
WO2010029205A1 PCT/ES2009/070375 ES2009070375W WO2010029205A1 WO 2010029205 A1 WO2010029205 A1 WO 2010029205A1 ES 2009070375 W ES2009070375 W ES 2009070375W WO 2010029205 A1 WO2010029205 A1 WO 2010029205A1
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WO
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cutting
surface roughness
tool
dcp
machined
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PCT/ES2009/070375
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Inventor
Raúl Mario DEL TORO MATAMOROS
Michael Charles Schmittdiel
Rodolfo Elias Haber Guerra
Original Assignee
Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/30—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D15/00—Control of mechanical force or stress; Control of mechanical pressure

Definitions

  • the main object of the present invention is a method to estimate, in real time, the surface roughness of a piece obtained by means of an ultra-precision machining process.
  • Another object of the invention is a system for carrying out said procedure.
  • the surface roughness of a surface obtained through a machining process is a key factor, and therefore a large number of methods have been developed for real-time monitoring of different variables or events of conventional machining processes.
  • patents US 4131837, US 5917726, US 6161055, US 6549869, US 6947800, as well as application US 2006/0188351 describe devices or methods for real-time monitoring of different variables or events in conventional machining, using different types of piezoelectric or opto-electronic sensors.
  • US Patent 7024063 develops a method and apparatus for the monitoring, also in real time, of the polishing operation of semiconductor wafer layers.
  • JP 63037205 for example, describe methods of measuring roughness surface in conventional machining processes using optical measurement methods, or sensing elements.
  • patents US 5032734 and US 6683683 describe different methods for the inspection of semiconductor wafers in order to detect defective parts.
  • US patent 6876453 claims position measuring devices based on interferometry that can be used in checking the geometry or surface quality of optical lenses. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the inventors of the present invention have discovered that it is possible to estimate the surface roughness that is obtained at the end of an ultra-precision machining process while cutting, from the cutting forces that are produced, and that provide information directly related to the cutting parameters used, the vibrations produced during the cutting, the level of wear of the tool used, the degree of hardness of the cut material and the orientation of the atoms and crystals thereof. All these parameters or variables directly influence the quality of the surface obtained and to a much greater extent in ultra precision machining.
  • ultra-precision machining is intended to refer in general to any type of machining aimed at obtaining surface roughness in the nano-scale.
  • a first aspect of the present invention describes a procedure for the real-time estimation of surface roughness in ultra-precision machining processes comprising the following operations:
  • the necessary data are acquired to carry out the procedure, which are the cutting force and the position of the axes.
  • the signal of the shear force can be obtained in any way, although it is usually necessary to use external sensors, such as, for example, piezoelectric force sensors that produce a voltage proportional to the load applied to them.
  • the sensor must be located near the cutting area but without interfering with said cutting process. Subsequently, depending on the particular placement of the sensor, the axes linked to the cutting force are determined.
  • the signal obtained is sensitive to any type of load that occurs in the environment where they are installed, either as a result of the movement of the axes or the cutting operation itself.
  • the position of the axes it can be obtained in any way, either by external sensors or from an internal signal of the machine tool.
  • the obtained cutting force signal may be due to both axis movements and the cutting itself, it is necessary to determine if a piece is actually being machined.
  • a procedure is used that analyzes the results of applying a Wavelet transform to the shear force signal and that observes the behavior of the acceleration in the movement of the mechanical elements: the movement
  • the mechanical mechanism of the drives or drive motors
  • the mechanical mechanism of the drives is very smooth during ultra-precision finishing operations, without changes in their linear speed, which implies that the acceleration of these mechanical drives remains constant, and therefore they are not recorded Changes in the signal of shear force due to movement.
  • any change that occurs in the shear force signal is detected, and if changes in the acceleration of the drives of the machine are also not detected, then the change produced in the force is due to the beginning and end of the cutting operation.
  • the method for determining if a part is being machined comprises the following operations:
  • the beginning of the cut can be detected because the absolute value of the cutting force experiences a positive step
  • the surface roughness is a function of the resulting average force and the degree of use of the cutting tool used. Mathematically, this means that surface roughness is estimated by an expression of the type:
  • DCP is the degree of use of the cutting tool
  • F MR is the average cutting force
  • the degree of use of the tool can be calculated in different ways, as long as it reflects the progressive deterioration of the tool as the accumulated use made of it increases.
  • the total distance machined by the cutting tool is calculated according to the expression:
  • the surface roughness can be estimated using a simple polynomial formula based on the resulting average force, the coefficients a, b and c being variable depending on the degree of use of the tool.
  • the coefficients a, b and c are a function of the degree of use of the cutting tool (DCP). And, more particularly, it has been found that the coefficients b and c vary approximately linearly with the degree of use of the tool, while the coefficient a varies approximately exponentially. Consequently, the value of a, b and c can be estimated using the following expressions, where the coefficients p, q, m, n, m 'and n' are determined experimentally:
  • the procedure described so far allows estimating, in real time, the surface roughness obtained in an ultra-precision machining process.
  • the degree of use of the tool has been determined, which has a decisive influence on the quality of the surfaces obtained.
  • a preferred embodiment of the invention describes the additional operation of informing if the tool is underused, moderately used or used in excess. Different criteria can be used when deciding where the boundaries are between a little used, moderately used or excessively used cutting tool, although in a preferred embodiment of the invention the following ranges are taken:
  • This information helps the operator of the machine tool to take the appropriate actions with the machined parts. For example, the probability of machining a part outside the specifications is greater if the tool is used in excess than if it is little used, and therefore the subsequent verification will be carried out in that case with special care.
  • the method comprises the following additional operations:
  • a system for the real-time estimation of surface roughness in ultra-precision machining processes, comprising the following elements:
  • a processing means connected to said acquisition means, which receives said signal and estimates the surface roughness of the piece being machined.
  • Figure 1. Shows an algorithm for the estimation of the cutting area according to a particular embodiment of the invention.
  • Figures 2a and 2b.- They show the points where the measurement of the surface roughness of a mechanized lens was performed.
  • Figure 3. Shows a graph that relates the average roughness (R a ) with the average force applied (F M A) -
  • Figure A Represents the average roughness (R a ) against the applied force (FMA) with different degrees of use of the tool.
  • Figures 5a, 5b, and 5c- Show the behavior of the coefficients of the surface roughness model used in a particular embodiment of the invention as a function of the cutting distance of the tool.
  • the cutting force on the Z axis, and at the same time the position of the axes is integrated to obtain the acceleration of the X axis.
  • a first threshold value which in this example is 7 mN
  • the acceleration of the axes is below a second threshold value, which in this example is 5 ⁇ m / s 2 , it can be deduced that a cut is occurring.
  • a second threshold value which in this example is 5 ⁇ m / s 2
  • This table shows in the first column, in the order in which it was performed, the number of the experiment, then the speed of advance is shown, then the surface roughness measurements corresponding to the three points represented in Fig. 2, both the value
  • Figure 4 shows three sets of experiments, each of which corresponds to the sets of tests performed, but only for feed rates between 4 and 25 mm / min.
  • the set of points named in the legend as "Test 01 10" refers to the tests from number 01 to 10 and in the same way with the rest of the sets of points.
  • Each set of points Ie conducted a linear regression analysis, being chosen in this example a polynomial fit type 2nd order for each set.
  • the coefficient of determination (R 2 ) is shown, which determines the reliability of the trend line: the closer to 1, the greater the reliability of the adjustment made.
  • the adjustment coefficients of the polynomials obtained vary between sets of points.
  • the variable that causes the different behavior of the surface roughness before the cutting force, between the sets of points, is the wear of the tool.
  • the wear of the tool is estimated based on its degree of use, which in this example is estimated from the previous cutting distance traveled by the tool.
  • the manufacturers of tools of diamond tip give recommendations of use of the tools according to the distance traveled, of such that exceeding certain criteria do not advise its use.
  • the cutting distance in each machining operation can be estimated from the knowledge of the geometry of the piece and the cutting parameters. From the advance per revolution f rev (feed per revolution), which is calculated as:
  • 5a, 5b and 5c shows the behavior of the coefficients of the surface roughness model, according to the change of the initial cutting distance for each cutting region and a function adjusted by linear regression, which describes this behavior quite well.
  • the initial initial cutting distance of each cutting region could be used, as well as the current one of each cutting operation, the average errors do not differ much, except for the first region, in which the The best estimate would be with the initial DCP of that region.
  • Knowing the cutting distance it can be determined if the tool is new or very little used, or if it is too used, it can be expected that its wear is greater, and rules of the type can be implemented:
  • the estimated roughness value must be compared with the value specified (desired or required) by the manufacturer of the piece.
  • three zones, traffic light type, have been established around the desired or required value of the surface roughness (RSR, Required Surface Roughness):
  • the described embodiments of the invention with reference to the drawings also comprise computer systems and processes performed in computer systems, the invention also extends to computer programs, more particularly to computer programs in or on carrier media , adapted to put the invention into practice.
  • the computer program may be in the form of source code, object code or intermediate code between source code and object code, such as partially compiled form, or in any other form suitable for use in the implementation of the agreement processes. with the invention.
  • the carrier medium can be any entity or device capable of carrying the program.
  • the carrier medium may comprise a storage medium, such as a ROM, for example a CD ROM or a semiconductor ROM, or a magnetic recording medium, for example a floppy disc or a hard disk.
  • the carrier means may be a transmissible carrier medium such as an electrical or optical signal that can be transmitted via electrical or optical cable or by radio or other means.
  • the carrier means may be constituted by said cable or other device or medium.
  • the carrier means can be an integrated circuit in which the computer program is encapsulated (embedded), said integrated circuit being adapted to perform, or to be used in the realization of, the relevant processes.

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Abstract

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
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto principal de Ia presente invención es un procedimiento para estimar, en tiempo real, Ia rugosidad superficial de una pieza obtenida mediante un proceso de mecanizado de ultra-precisión. Otro objeto de Ia invención es un sistema para llevar a cabo el dicho procedimiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
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 Ia 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 Ia solicitud US 2006/0188351 describen dispositivos o métodos para Ia monitorización en tiempo real de diferentes variables o eventos en el mecanizado convencional, empleando diferentes tipos de sensores piezoeléctricos u opto-electrónicos. Igualmente, Ia patente US 7024063 desarrolla un método y aparato para Ia monitorización, también en tiempo real, de Ia operación de pulido de capas de obleas semiconductoras.
También se conocen métodos para medir Ia 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 Ia rugosidad superficial en procesos de mecanizado convencional empleando métodos ópticos de medición, o bien elementos palpadores.
En Io 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, Ia patente US 5861114, que describe un método de fabricación de lentes, o Ia patente US 7036408, que describe un método para Ia supresión automática de las vibraciones que se producen en Ia 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 Ia 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 Ia herramienta de corte y Ia pieza, como señal de realimentación en un sistema de control de Ia 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 A.
Finalmente, en Io que respecta a Ia medición de Ia rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precisión, las patentes US 5032734 y US 6683683 describen diferentes métodos para Ia inspección de las obleas semiconductoras con el objeto de detectar partes defectuosas. Finalmente, Ia patente US 6876453 reivindica dispositivos de medición de posición basados en interferometría que se pueden emplear en Ia comprobación de Ia geometría o Ia calidad superficial de lentes ópticas. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La rugosidad superficial, así como Ia exactitud en Ia forma geométrica de una pieza mecanizada mediante mecanizado de ultra-precisión, constituyen los dos parámetros de calidad fundamentales para evaluar el acabado de Ia 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, Ia obtención de un procedimiento, que permita estimar algunos de estos parámetros u ofrezca recomendaciones inteligentes sobre estos, en tiempo real durante Ia operación de corte, resultaría de gran utilidad.
Los inventores de Ia presente invención han descubierto que es posible estimar Ia 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 Ia herramienta empleada, el grado de dureza del material cortado y Ia orientación de los átomos y cristales de este. Todos estos parámetros o variables influyen directamente en Ia calidad de Ia 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 Ia nano-escala. Como ejemplo concreto, se puede mencionar el torneado con punta de diamante y otros procesos similares. Un primer aspecto de Ia presente invención describe un procedimiento para Ia estimación en tiempo real de Ia rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precisión que comprende las siguientes operaciones:
1 ) Adquirir Ia fuerza de corte y Ia posición de los ejes.
En primer lugar, se adquieren los datos necesarios para llevar a cabo el procedimiento, que son Ia fuerza de corte y Ia posición de los ejes.
La señal de Ia 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 Ia carga que se les aplica. El sensor se debe situar cerca de Ia zona de corte aunque sin interferir en dicho proceso de corte. Posteriormente, en función de Ia colocación particular del sensor se determinan los ejes vinculados a Ia fuerza de corte. Sin embargo, Ia 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 Ia propia operación de corte.
En cuanto a Ia posición de los ejes, se puede obtener de cualquier modo, bien mediante sensores externos o bien a partir de una señal interna de Ia máquina herramienta.
2) Determinar, a partir de los datos adquiridos en Ia operación anterior, los momentos en que se está mecanizando una pieza.
Puesto que Ia 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 Ia señal de fuerza de corte y que observa el comportamiento de Ia 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, Io cual implica que Ia aceleración de estos accionamientos mecánicos se mantiene constante, y por Io tanto no se registran cambios en Ia señal de fuerza de corte debido al movimiento.
Así, empleando Ia transformada wavelet se detecta cualquier cambio que se produzca en Ia señal de fuerza de corte, y si además no se detectan cambios en Ia aceleración de los accionamientos de Ia máquina, entonces el cambio producido en Ia fuerza es debido al comienzo y final de Ia operación de corte.
Así, en una realización preferida de Ia 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 Ia transformada de Wavelet de Ia señal de fuerza de corte;
obtener Ia aceleración de los ejes a partir de su posición;
determinar, si Ia fuerza de corte supera un primer valor umbral, y al mismo tiempo Ia aceleración en el mismo sentido que Ia 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 Ia fuerza de corte experimenta un escalón positivo
(incremento notable en Ia 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 Ia fuerza en muy poco tiempo).
3) Estimar, si se está realizando un corte, Ia rugosidad superficial de Ia pieza que se está mecanizando.
En tercer lugar, si se ha determinado que se está produciendo un corte, se estima Ia rugosidad superficial. Para ello, los inventores han descubierto que
Ia rugosidad superficial es función de Ia fuerza media resultante y del grado de utilización de Ia herramienta de corte utilizada. Matemáticamente, esto significa que Ia rugosidad superficial se estima mediante una expresión del tipo:
Ra = f(FMR,DCP)
donde: DCP es el grado de utilización de Ia herramienta de corte;
FMR es Ia fuerza media de corte.
El grado de utilización de Ia herramienta se puede calcular de diferentes modos, siempre que refleje el progresivo deterioro de Ia 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 Ia cual desaconsejan su uso. Por este motivo, en una realización particular de Ia invención el grado de utilización de Ia herramienta de corte es igual a Ia 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 Ia invención define el grado de utilización de Ia herramienta de corte como un valor porcentual de Ia distancia total mecanizada por dicha herramienta en función de Ia distancia máxima recomendada por el fabricante (DCP = 100 . En este segundo caso, max fabricante 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 Ia herramienta de corte, un grado de utilización del 100% puede corresponder a una herramienta más o menos desgastada.
Preferiblemente, Ia distancia total mecanizada por Ia herramienta de corte se calcula de acuerdo con Ia expresión:
f
donde: A es el área de Ia superficie mecanizada, en mm2; n es Ia velocidad de giro de Ia herramienta de corte, en rev/min; / es Ia velocidad de avance de Ia herramienta de corte, en mm/min.
En particular, se ha descubierto que Ia rugosidad superficial se puede estimar empleando una simple fórmula polinomial en función de Ia fuerza media resultante, siendo los coeficientes a, b y c variables en función del grado de utilización de Ia herramienta. Matemáticamente:
Ra = f(Fm,DCP) = a(Fm -bf +c
donde los coeficientes a, b y c son función del grado de utilización de Ia herramienta de corte (DCP). Y, más particularmente, se ha descubierto que los coeficientes b y c varían aproximadamente linealmente con el grado de utilización de Ia 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:
a(DCP) = p - e-qDCP
b(DCP) = m - DCP + n
c(DCP) = m'-DCP + rí
Por tanto, el procedimiento descrito hasta ahora permite estimar, en tiempo real, Ia rugosidad superficial obtenida en un proceso de mecanizado de ultra-precisión. Además, se ha determinado el grado de utilización de Ia herramienta, que influye de manera determinante en Ia calidad de las superficies obtenidas.
Sin embargo, es común que en algunos sectores industriales, como por ejemplo Ia aeronáutica, las normas de calidad obliguen a una verificación a posteriori de Ia calidad superficial de todas las piezas. Esta verificación a posteriori consume gran cantidad de tiempo, por Io que sería deseable detectar las piezas que no cumplen las especificaciones antes de que lleguen a esta verificación, ahorrando así tiempo e incrementando Ia productividad.
Con este objetivo, se añaden al procedimiento de Ia invención algunas operaciones adicionales que sugieren o recomiendan las acciones a tomar en función de Ia calidad superficial estimada. En particular, una realización preferente de Ia invención describe Ia operación adicional de informar si Ia herramienta está poco utilizada, medianamente utilizada o utilizada en exceso. Se pueden utilizar diferentes criterios a Ia 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 Ia invención se toman los siguientes rangos:
Poco utilizada: entre 0% y 20% de Ia distancia máxima de corte recomendada.
Medianamente utilizada: entre el 20% y el 100% de Ia distancia máxima de corte recomendada.
Utilizada en exceso: más del 100% de Ia distancia máxima de corte recomendada.
Esta información ayuda al operario de Ia 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 Ia herramienta está utilizada en exceso que si está poco utilizada, y por Io tanto Ia verificación a posteriori se realizará en ese caso con especial cuidado.
Además, de acuerdo con otra realización preferida de Ia invención, si Ia herramienta está medianamente utilizada el procedimiento comprende las siguientes operaciones adicionales:
b1 ) Sugerir, si Ia rugosidad superficial estimada (Ra) es menor que el
90% de Ia rugosidad superficial requerida (RSR), que Ia pieza cumple con las especificaciones.
b2) Recomendar, si Ia rugosidad superficial estimada (Ra) está entre el 90% y el 110% de Ia rugosidad superficial requerida (RSR), una verificación cuidadosa de Ia rugosidad. b3) Sugerir, si Ia rugosidad superficial estimada (Ra) es mayor que el 110% de Ia rugosidad superficial requerida (RSR), que Ia pieza no cumple con las especificaciones.
Se obtiene así una de las ventajas fundamentales de Ia invención, ya que el procedimiento permite ahorrar el tiempo de verificar a posteriori piezas cuya rugosidad estimada está cierto nivel por encima de Ia rugosidad superficial requerida.
En un segundo aspecto de Ia invención, se describe un sistema para para Ia estimación en tiempo real de Ia rugosidad superficial en procesos de mecanizado de ultra-precisión, que comprende los siguientes elementos:
Un medio de adquisición de Ia fuerza de corte;
Un medio de adquisición de Ia velocidad de los ejes;
Un medio de procesamiento, conectado a dichos medios de adquisición, que recibe dicha señal y estima Ia rugosidad superficial de Ia pieza que se está mecanizando.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:
Figura 1.- Muestra un algoritmo para Ia estimación de Ia zona de corte de acuerdo con una realización particular de Ia invención. Figuras 2a y 2b.- Muestran los puntos donde se realizó Ia medición de Ia rugosidad superficial de una lente mecanizada.
Figura 3.- Muestra una gráfica que relaciona Ia rugosidad media (Ra) con Ia fuerza media aplicada (FMA)-
Figura A - Representa Ia rugosidad media (Ra) frente a Ia fuerza aplicada (FMA) con diferentes grados de utilización de Ia herramienta.
Figuras 5a, 5b, y 5c- Muestran el comportamiento de los coeficientes del modelo de rugosidad superficial empleado en una realización particular de Ia invención en función de Ia distancia de corte de Ia herramienta.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación un ejemplo concreto de realización de Ia invención donde se hace referencia a las figuras adjuntas. En este ejemplo, se describe un procedimiento para predecir Ia rugosidad superficial de lentes para aplicaciones aeronáuticas especiales con especificación nanométrica de rugosidad superficial (Ra < 100A). Además, el procedimiento del ejemplo ofrece recomendaciones inteligentes durante Ia operación de corte que resultan de gran utilidad.
Determinación de Ia zona de corte
Uno de los retos más importantes es determinar Ia 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 Ia 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 Ia Figura 1 se muestra el algoritmo implementado en esta realización de Ia invención.
Se aprecia como en una primera operación se toma Ia fuerza de corte en los ejes X y Z, y Ia posición de los ejes en el eje X, en este ejemplo con una frecuencia de muestreo de 50 kHz. La componente Z de Ia fuerza de corte corresponde a Ia dirección aproximadamente perpendicular a Ia superficie de mecanizado. A continuación, se filtran ambas señales empleando un filtro
Butterworth de orden 3. En tercer lugar, se aplica Ia transformada de Wavelet a
Ia fuerza de corte en el eje Z, y al mismo tiempo se integra Ia posición de los ejes para obtener Ia aceleración del eje X.
Si Ia 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, Ia aceleración de los ejes está por debajo de un segundo valor umbral, que en este ejemplo es 5 μm/s2, 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 Ia fuerza de corte en el eje Z.
Estimación de Ia rugosidad superficial
Se describen a continuación los experimentos realizados para el estudio de Ia estimación de Ia rugosidad superficial. Se fijó Ia velocidad de giro del cabezal en 2000 RPM y Ia profundidad de corte (DOC, Depth Of Cut) en 2 μm. Posteriormente, se realizaron experimentos con 10 valores diferentes de Ia velocidad de avance, en series de 3 repeticiones. En cada experimento se midió Ia rugosidad superficial, tanto media como RMS, en tres puntos diferentes de Ia superficie de Ia lente tal y como se muestra en Ia Figura 2.
Los datos de los experimentos realizados se muestran en Ia siguiente tabla:
Figure imgf000015_0001
donde VA es Ia velocidad de avance en (mm/min), FMR es Ia fuerza media resultante y RaAVE es Ia rugosidad superficial promedio entre los tres puntos.
Esta tabla muestra en Ia primera columna, en el orden en el que fue realizado, el número del experimento, a continuación se muestra Ia velocidad de avance, seguidamente, las medidas de rugosidad superficial correspondientes a los tres puntos representados en Ia Fig. 2, tanto el valor
RMS como Ia media en Ia región medida. En Ia siguiente columna, se muestra el valor medio de Ia fuerza resultante de Ia combinación de las fuerzas en los ejes X y Z, obtenidas empleando un medio de medida de Ia fuerza, como por ejemplo una plataforma dinamométrica, y, por último, las dos últimas columnas muestran Ia rugosidad promedio entre los puntos medidos, el valor RMS y Ia media.
Así, representando únicamente los datos 01-10 de Ia tabla en Ia Figura
3, se observa que Ia rugosidad superficial tiene un comportamiento no lineal ante Ia variación de Ia fuerza de corte. Sin embargo, como se puede apreciar también en Ia curva que relaciona rugosidad y fuerza, existe un comportamiento prácticamente lineal por debajo de 40 mN, Io 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 Ia rugosidad superficial y Ia fuerza media de corte.
En Ia 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 Ia leyenda como "Test 01 10" se refiere a las pruebas desde Ia número 01 a Ia 10 y de Ia misma forma con el resto de los conjuntos de puntos. Mediante estos puntos, se relacionan los datos obtenidos experimentalmente de rugosidad superficial media de Ia superficie y Ia fuerza media resultante.
A cada conjunto de puntos se Ie realizó un análisis de regresión lineal, escogiéndose en este ejemplo un ajuste tipo polinomial de 2° orden para cada conjunto. Se muestra, además, para cada línea de tendencia, el coeficiente de determinación (R2), que determina Ia confiabilidad de Ia línea de tendencia: cuanto más se acerque a 1 , mayor será Ia confiabilidad del ajuste realizado.
Expresando cada polinomio cuadrático según Ia expresión f(χ) = a(x - b)2 + c , donde x es Ia fuerza media de corte resultante, expresada en mili Newtons (mN) y f(x) es Ia rugosidad superficial estimada, calculada en nanómetros (nm), se obtienen los siguientes parámetros de ajuste para cada polinomio.
Figure imgf000017_0001
Se observa que los coeficientes de ajuste de los polinomios obtenidos varían entre conjuntos de puntos. La variable causante del diferente comportamiento de Ia rugosidad superficial ante Ia fuerza de corte, entre los conjuntos de puntos, es el desgaste de Ia herramienta. El desgaste de Ia herramienta se estima en función de su grado de utilización, que en este ejemplo se estima a partir de Ia distancia de corte previa recorrida por Ia herramienta. Los fabricantes de herramientas de punta de diamante, dan recomendaciones de uso de las herramientas según Ia 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 Ia geometría de Ia pieza y de los parámetros de corte. A partir del avance por revolución frev (feed per revolution), que se calcula como:
_ f _ [mm /min]
Jrev ~ n ~~ T [rev/ /mm • T]
donde/es Ia velocidad de avance y n Ia velocidad de giro, Ia distancia del corte queda estimada como d = A/frev , donde A es el área de Ia superficie mecanizada.
En los experimentos realizados, se calculó Ia distancia de corte previa a cada experimento, sabiendo que Ia herramienta era nueva al comenzar el experimento. Los resultados se muestran en Ia siguiente tabla, donde VA es Ia velocidad de avance en mm/min y DCP es el grado de utilización como distancia de corte previa en km (Ia distancia de corte máxima recomendada por el fabricante es 30 Km.).
Figure imgf000018_0001
A partir de los datos de esta tabla es posible establecer cuatro regiones diferentes de trabajo:
• Región 0 (herramienta muy poco usada) DCP < 5,55Km - Región 1 5,55^m < DCP < \7,60Km
' Región 2 17,60^m ≤ DCP < 30,03Km
' Región 3 (herramienta desgastada) 30,03 ≤ DCP
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 Ia 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 Ia 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 Ia distancia de corte de Ia herramienta, se muestran con detalle en Ia siguiente tabla, donde y es el valor respectivo de cada coeficiente y x es Ia distancia de corte inicial de Ia región de corte:
Figure imgf000019_0001
Por último, en Ia tabla siguiente se resume el error porcentual de estimación de Ia rugosidad empleando el modelo descrito en Ia presente realización particular del procedimiento de Ia invención, en cada experimento realizado. El error calculado es relativo a Ia rugosidad experimental. Además se realiza una estimación para cada experimento, utilizando como dato de entrada al modelo, Ia DCP inicial de Ia región de corte y también Ia actual de cada prueba.
VA Región 1 Región 2 Región 3
Ra Ral Ra2 Ei E2 Ra Ral Ra2 Ei E2 Ra Ral Ra2 Ei Ea
4 7.3 7,9 6,9 8,6 5,6 7,6 7,0 7,0 7,8 8,4 6,9 7,5 7,5 7,7 7,7 6 6,7 7,1 6,2 6,0 6,6 7.1 7,0 7,0 1 ,6 1 ,3 8,2 7,9 8,0 3,7 2,4 8 6,6 7,5 6,3 13,5 4,8 7.5 7,0 6,9 6,5 7,4 8,1 8,6 9,0 5,8 10,7 10 6,5 6,7 6,5 3,0 0,5 8.2 7,3 7,7 10,6 6,4 7,9 8,2 8,5 3,6 8,1
15 7,0 6,8 9,1 2,1 30,9 8,2 7,1 7,7 10,6 6,4 8,8 7,7 7,9 11 ,5 10,0
20 9.4 7,7 12,5 18,0 33,2 9.6 9,1 11 ,2 5,4 16,5 9,6 8,7 9,6 9,3 0,3 25 11 ,8 8,6 15,7 26,6 33,3 12,4 9,9 12,7 20,6 2,7 13,1 10,5 12,6 19,6 3,7
Donde:
Raí Rugosidad superficial estimada considerando Ia DCP inicial de Ia región de corte.
Ra2 Rugosidad superficial estimada considerando Ia DCP de cada operación de corte.
E1 Valor porcentual del error absoluto entre Rai y Ra relativo a R3.
E2 Valor porcentual del error absoluto entre Ra2 y Ra relativo a Ra.
EM Valor medio de cada uno de los errores calculados.
Como se puede inferir de los datos obtenidos en Ia tabla anterior, para Ia estimación del modelo pudiera emplearse tanto Ia distancia de corte previa inicial de cada región de corte, como Ia actual de cada operación de corte, los errores medios no difieren mucho, excepto para Ia primera región, en Ia que Ia mejor estimación sería con Ia DCP inicial de esa región.
Sistema de toma de decisiones para el estado de Ia herramienta y del acabado superficial.
A partir del conocimiento de Ia 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 Ia distancia de corte actual de Ia herramienta, es posible estimar su nivel de desgaste a través el grado de utilización. A continuación, analizando el grado de utilización de Ia herramienta y a partir de una estimación de Ia rugosidad superficial según el modelo descrito anteriormente, es posible realizar recomendaciones inteligentes después de finalizada Ia 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 Ia pieza cumple con las especificaciones.
Conociendo Ia distancia de corte se puede determinar si Ia 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:
En caso que REGIÓN DE CORTE sea: REGIÓN 0:
"LA HERRAMIENTA ESTÁ NUEVA O MUY POCO
UTIILIZADA." REGIÓN 1 , 2:
REGIÓN DE CORTE MODELADA, COMPARAR EL VALOR
DE LA ESTIMACIÓN DE LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL CON
EL VALOR REQUERIDO. REGIÓN 3: "LA HERRAMIENTA ESTÁ DESGASTADA."
Como se observa en las reglas anteriores en el caso que estemos en Ia región de corte 1 o 2 se debe comparar el valor de Ia rugosidad estimada con el valor especificado (deseado o requerido) por el fabricante de Ia pieza. Para realizar esta comparación se han establecido tres zonas, tipo semáforo, alrededor del valor deseado o requerido de Ia rugosidad superficial (RSR, Rugosidad Superficial Requerida):
Zona Límites Verde Ra ≤ 0.90RSR
Amarilla 0.90RSR < Ra < 1.1 ORSR
Roja 1.10RSR < Ra
Una vez determinada Ia zona en Ia que se encuentra el valor estimado de Ia rugosidad superficial, es posible realizar las siguientes recomendaciones inteligentes:
En caso que ZONA DE RUGOSIDAD SUPERFICIAL sea: VERDE:
"BUENA RUGOSIDAD SUPERFICIAL. IR A CONTROL DE CALIDAD." AMARILLA:
"VERIFICAR CUIDADOSAMENTE LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL EN
CONTROL DE CALIDAD" ROJA:
"RUGOSIDAD SUPERFICIAL POR ENCIMA DE LO ESPECIFICADO.
VERIFICAR CONDICIONES DE CORTE O REPETIR LA OPERACIÓN
DE CORTE" A pesar también de que las realizaciones descritas de Ia invención con referencia a los dibujos comprenden sistemas de computación y procesos realizados en sistemas de computación, Ia invención también se extiende a programas de ordenador, más particularmente a programas de ordenador en o sobre unos medios portadores, adaptados para poner Ia 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 Ia implementación de los procesos de acuerdo con Ia 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 Ia realización de, los procesos relevantes.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Procedimiento para Ia estimación en tiempo real de Ia rugosidad superficial en un proceso de mecanizado de ultra-precisión, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:
adquirir Ia fuerza de corte y Ia posición de los ejes;
determinar, a partir de los datos adquiridos en Ia operación anterior, si se está mecanizando una pieza;
estimar, si se está produciendo un corte, Ia rugosidad superficial de Ia pieza que se está mecanizando.
2. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia operación de detección comprende a su vez las siguientes operaciones:
filtrar los datos de fuerza de corte y posición adquiridos;
- obtener Ia transformada de Wavelet de Ia señal de fuerza;
obtener Ia aceleración de los ejes a partir de su posición;
determinar, si Ia fuerza de corte supera un primer valor umbral, y al mismo tiempo Ia aceleración en el mismo sentido que Ia fuerza de corte es menor que un segundo valor umbral, que se está realizando un corte.
3. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia operación de estimación comprende estimar Ia rugosidad superficial mediante una expresión del tipo: R0 = Z(F^DCF)
donde: DCP es el grado de utilización de Ia herramienta de corte;
Fm es Ia fuerza media de corte.
4. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 3, caracterizado porque el grado de utilización de Ia herramienta de corte es igual a Ia distancia total mecanizada por dicha herramienta.
5. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 3, caracterizado porque el grado de utilización de Ia herramienta de corte es un valor porcentual de Ia distancia total mecanizada por dicha herramienta en función de Ia distancia máxima recomendada por el fabricante.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque Ia distancia total mecanizada por Ia herramienta de corte se calcula de acuerdo con Ia expresión:
DCP = A - - f
donde A es el área de Ia superficie mecanizada; n es Ia velocidad de giro de Ia herramienta de corte; / es Ia velocidad de avance de Ia herramienta de corte.
7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque:
Ra = f(Fm , DCP) = G(F^ - b)2 + c donde los coeficientes a, b y c son función del grado de utilización de Ia herramienta de corte [DCP).
8. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 7, caracterizado porque el coeficiente a se calcula de acuerdo con Ia siguiente expresión:
-qDCP a (< DCP) = p - e
9. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 7, caracterizado porque el coeficiente b se calcula de acuerdo con Ia siguiente expresión:
b(DCP) = m - DCP + n
10. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 7, caracterizado porque el coeficiente b se calcula de acuerdo con Ia siguiente expresión:
Figure imgf000026_0001
n'
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además Ia operación adicional de informar si Ia herramienta de corte está poco utilizada, medianamente utilizada o utilizada en exceso.
12. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 11 , caracterizado porque una herramienta está poco utilizada cuando Ia distancia de corte es menor que el 20% de Ia distancia de corte máxima recomendada por el fabricante.
13. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 11 , caracterizado porque una herramienta está medianamente utilizada cuando Ia distancia de corte está entre un 20% y un 100% de Ia distancia de corte máxima recomendada por el fabricante.
14. Procedimiento de acuerdo con Ia reivindicación 11 , caracterizado porque una herramienta está desgastada cuando Ia distancia de corte es mayor que el 100% de Ia 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 Ia rugosidad superficial estimada (Ra) es menor que el 90% de Ia rugosidad superficial requerida (RSR), que Ia pieza cumple con las especificaciones;
recomendar, si Ia rugosidad superficial estimada (Ra) está entre el 90% y el 110% de Ia rugosidad superficial requerida (RSR), una verificación cuidadosa de Ia rugosidad;
sugerir, si Ia rugosidad superficial estimada (Ra) es mayor que el 110% de Ia rugosidad superficial requerida (RSR), que Ia pieza no cumple con las especificaciones.
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 Ia reivindicación 16, caracterizado porque está almacenado en unos medios de grabación.
18. Programa de ordenador según Ia reivindicación 16, caracterizado porque es portado por una señal portadora eléctrica.
19. Sistema para Ia estimación en tiempo real de Ia 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 Ia fuerza de corte;
Un medio de adquisición de Ia posición de los ejes;
Un medio de procesamiento, conectado a dichos medios de adquisición, que recibe dicha señal y estima Ia rugosidad superficial de Ia pieza que se está mecanizando.
PCT/ES2009/070375 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 WO2010029205A1 (es)

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