AUTOMATIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE MECANIZADO A ALTA VELOCIDAD

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Automatización de los procesos de mecanizado a alta velocidad:Estado de la investigación en el Instituto de Automática Industrial

Portugal, Junio 2004

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AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN DE LOS PROCESOSDE LOS PROCESOSDE MECANIZADO A DE MECANIZADO A ALTA VELOCIDADALTA VELOCIDAD

Estado de la investigación en elEstado de la investigación en elINSTITUTO DE AUTOMÁTICA INDUSTRIALINSTITUTO DE AUTOMÁTICA INDUSTRIAL

CTRA. CAMPO REAL, Km. 0,20028500 ARGANDA DEL REY(MADRID) ESPAÑATEL.: 91 871 19 00FAX: 91 871 70 50

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José Ramón Alique LópezPortugal, Junio 2004




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Procesos de fresado a alta velocidad:Procesos de fresado a alta velocidad:

-- Incremento de la productividad (TAV)

-- Reducción de fuerzas de corte.

-- Disminución tiempos de corte.

-- Integridad superficial mejorada.

-- Proceso más estable (menores vibraciones).

-- Textura superficial mejorada.

-- Mecanizado paredes delgadas (aeronáutica).

-- Reducción de espirales de viruta.




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Características mecanizado a alta velocidad:Características mecanizado a alta velocidad:

- Incertidumbre (vaguedad y ambigüedad) y conocimiento incompleto.

Nuevos retos:Nuevos retos:

- Alta velocidad.- Incorporación de funciones objetivos.

Nuevo paradigma:Maximizar la tasa de arranque de viruta, minimizando la tasa dedesgaste de la herramienta y manteniendo la calidad, dimensional y superficial, de TODASTODAS las piezas mecanizadas.




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Nuevas estructuras de control jerárquico multinivel:Nuevas estructuras de control jerárquico multinivel:

- Nivel máquina: - Nivel máquina: Optimizar el comportamiento dinámico de la máquina.

- Nivel proceso:- Nivel proceso: Incrementar la productividad extremando parámetros tecnológicos sujeto a restricciones.

- Nivel supervisor:- Nivel supervisor: Dirigir el proceso de forma optimizada de acuerdo con la función objetivo establecida.

Nivel máquina:Nivel máquina: Sistemas CNC de arquitectura abierta actuales




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Nivelmáquina

Supervisiónproceso

mecanizado

Supervisiónproceso

mecanizado

Controlproceso

mecanizado

Controlproceso

mecanizado

Sistemasensorial

mecanizado

Sistemasensorial

mecanizado

CNCCNC

Procesomecanizado

Procesomecanizado

Variables de procesoy condiciones de corte(Fc, ....)

Estrategiasmecanizado

Parámetros decorte (f, ....)

Programaspieza

Señales internas(IS, ....)

Señales externas(PS,ac,AE, ....)

Proceso Máquina Herramienta

Monitorizaciónherramienta

Monitorizaciónherramienta

Sistema jerárquico para la automatizaciónde los procesos de mecanizado a alta velocidad

Fuerzas cortedesgaste/rotura

Colisiones

Monitorizaciónmáquina

Monitorizaciónmáquina

Estrategias demecanizado

de cada pieza

Nivelsupervisor

Nivelproceso

en-proceso pre-proceso

Monitorizaciónproceso

Monitorizaciónproceso

Programaspieza

Datosmecanizado

Funcionesobjetivo

Sistema de ayudaa la programaciónSistema de ayudaa la programación

Sistema de tomade decisiones

Sistema de tomade decisiones




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Nivel proceso:Nivel proceso:

- Control de variables de proceso que afectan directamente la productividad de la máquina.- Control de las fuerzas de corte.

Control de las fuerzas de corte:Control de las fuerzas de corte:

- F=K dß v f (ganancia: K dß v)- Proceso de ganancia variable.

Técnicas de Control adaptativo:Técnicas de Control adaptativo:

- Ganancia variable con estimación explícita de parámetros

- Modelo de referencia:

* Controlador con linealización* Con transformación logarítmica* Controlador no lineal* Controlador robusto.




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Control de fuerzas de corte basado en técnicas deControl de fuerzas de corte basado en técnicas deInteligencia Artificial:Inteligencia Artificial:

- - Control borroso autosintonizado. - - Control por Modelo Interno (IMC)

* Controlador directo inverso (DIC)* Controlador directo inverso (DIC) * Control con ambos modelos* Control con ambos modelos

Control borroso

Control por modelo interno




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Sistema sensorial de mecanizadoSistema sensorial de mecanizado

- Monitorización de la herramienta.- Monitorización del proceso.- Monitorización de la máquina.

Monitorización estado de la herramientaMonitorización estado de la herramienta

- Técnicas de visión artificial.- Fuerzas de corte, ratio avance/corte.- Emisión acústica

Peculiaridades mecanizado a alta velocidad y micromecanizadoPeculiaridades mecanizado a alta velocidad y micromecanizado




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Monitorización del proceso de mecanizadoMonitorización del proceso de mecanizado

- Detección de chatter regenerativo.

- Predicción calidad superficial.

- Predicción precisión dimensional.

Chatter regenerativoChatter regenerativo

- Incremento notable fuerzas de corte.

- Desgaste anómalo o rotura de herramienta.

- Muy baja calidad superficial.




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Detección chatter regenerativoDetección chatter regenerativo

-- Densidad espectral de alguna señal característica del proceso. Utilización de algún valor de umbral empírico.

-- Presión sonora / fuerza de corte / par de corte

-- Ratio: R = ( Gs / Gn) 2

Gs: Varianza señal acelerómetro baja frecuencia

Gn: “ “ “ alta “

R < < 1: Chatter regenerativo.




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Acelerómetros, sensores de emisión acústica,Acelerómetros, sensores de emisión acústica,dinamómetros en el cabezal, la bancada y la mordazadinamómetros en el cabezal, la bancada y la mordaza




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Predicción calidad superficialPredicción calidad superficial

-- Integridad superficial.

-- Textura superficial.

Rugosidad superficialRugosidad superficial

- Función del filo de corte de la herramienta.

- Función de las propiedades del material de la pieza.

Influencia directa:Influencia directa:Fricción - fatiga y resistencias electrónica y térmica




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Predicción de la rugosidad superficialPredicción de la rugosidad superficial

-- Predicción - no medida -

-- En-proceso

Los sensores basados en visión o emisión acústica no hanLos sensores basados en visión o emisión acústica no hanfuncionado en el ambiente de tallerfuncionado en el ambiente de taller

Modelos predictivosModelos predictivos

-- Modelos mecanísticos: modelado geométrico.

-- Modelos empíricos: modelado observacional.

-- Modelos semiempíricos.




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Modelos empíricos de rugosidadModelos empíricos de rugosidad

-- Modelos estadísticos, ecuaciones de regresión múltiple no lineal. -- Modelos de Inteligencia Artificial (neuroborrosos,....)

Modelos estadísticosModelos estadísticos

Relaciones funcionales del tipo:

RRa a = c h= c hffrrddss

Otros añaden la vibración por revolución.

Contribuciones contrapuestasContribuciones contrapuestas

- - La productividad y la rugosidad superficial son variables de mérito contrapuestas.




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Modelos de Inteligencia ArtificialModelos de Inteligencia Artificial

RRedes edes NNeuronales euronales AArtificiales rtificiales (RNA)(RNA)

- - Capacidad de aproximar cualquier función.

-- Funcionamiento adecuado en presencia de ruido.

-- Comportamiento correcto con falta de datos.

-- Facilidad para tener en cuenta interacciones desconocidas.

-- Buena generalización.

Las RNA constituyen una buena alternativa en el caso de Las RNA constituyen una buena alternativa en el caso de inexistencia de modelos analíticos o cuando un modelo inexistencia de modelos analíticos o cuando un modelo representado por un polinomio de bajo orden resulta representado por un polinomio de bajo orden resulta inapropiado.inapropiado.




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El nivel supervisor:El nivel supervisor:

-- Está relacionado básicamente con la calidad del producto.

-- Deberá incorporar todos los factores no explícitamente tratados y compensados en los niveles máquina y proceso.

-- Deberá tener en cuenta las estrategias de mecanizado específicas para cada operación.

-- Deberá suministrar, en tiempo real, los valores de las condiciones de corte y variables de proceso.

Funcionalmente:Funcionalmente:

-- Supresión automática del chatter.

-- Control de la calidad, superficial y dimensional, de las piezas mecanizadas.

-- Implementación de las estrategias de mecanizado.




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Supresión automática del chatter:Supresión automática del chatter:

-- En base a los diagramas de lóbulos de estabilidad. -- En base a la modificación (modulación) de la velocidad de corte.

Métodos de identificaciónMétodos de identificación

-- Métodos analíticos-- Métodos analítico-experimentales, predicción analítica del chatter donde la función de

transferencia de sistemas de varios grados de libertad se identifica mediante ensayos dinámicos estructurales

no destructivos.

Diagramas de lóbulos de estabilidadDiagramas de lóbulos de estabilidad




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Modificación de la velocidad de corte:Modificación de la velocidad de corte:

-- Supresión activa mediante la modulación adaptativa de la velocidad de corte.

-- Supresión pasiva mediante fresas cuyos dientes están irregularmente espaciados.

Control en proceso de la calidad de las piezas:Control en proceso de la calidad de las piezas:

- - Predicción en proceso de la rugosidad superficial.

- - Análisis de los factores que afecten la rugosidad superficial.

-- Modificación en proceso de las variables más asequibles.




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Factores que afectan a la rugosidad superficial:Factores que afectan a la rugosidad superficial:

-- Parámetros y variables de mecanizado.

-- Propiedades de la herramienta de corte.

-- Propiedades de la pieza a mecanizar.

- - Fenómenos de corte (vibraciones, aceleraciones, ....)

Posibles estrategias de control de rugosidad:Posibles estrategias de control de rugosidad:

- - Operaciones libres del chatter.

- - Valor optimizado de las velocidades de corte.

-- Valor optimizado de las velocidades de avance.




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Estrategias de mecanizado de acuerdo con la función objetivoEstrategias de mecanizado de acuerdo con la función objetivo

Sistemas de ayuda a la programación:Sistemas de ayuda a la programación:

- - Funcionan pre-proceso.

- - Simuladores geométricos.

-- Simuladores del proceso

- - En Red, Internet.




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Consideraciones finales:Consideraciones finales:

-- Resultados notables a nivel laboratorio. Escasa implantaciónen taller.

-- Falta de coordinación. Se trabaja por modas. -- Escasez de CNC de arquitectura abierta. - - Falta de estandarización de estos procesos. -- Demasiados fracasos prácticos.

Líneas de investigación:Líneas de investigación:

- - Sistemas de monitorización, supervisión y control embebidos - - Redes de datos, sin cable. -- Papel de Internet. -- Localización de los talleres, máquinas y procesos dejará

de tener importancia.




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L ínea de Investigación

G rupo de investigaciones avanzadas en la automatizaciónde los procesos de mecanizado (G A MHE )

INSTITUTO DE AUTOMÁTICA INDUSTRIAL

AUTOMATIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE FRESADO A ALTA VELOCIDADAUTOMATIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE FRESADO A ALTA VELOCIDAD

Estimación analítica de los esfuerzos de corte. Predicción del estado de la herramienta. Predicción de la calidad superficial piezas en proceso.

MODELADO DEL

PROCESO DE FRESADO

MODELADO DEL

PROCESO DE FRESADO

Sistema experto para recomendaciones de las condiciones de corte optimas, sujeto a restricciones. Detección de chatter. Supresión automática de chatter, sujeto a restricciones

ESTABILIDAD DEL

PROCESO DE FRESADO

Control variables de proceso, función objetivo maximizar MRR.

CONTROL AUTOMÁTICODEL

PROCESO DE FRESADO

SUPERVISIÓN AUTOMÁTICA DEL

PROCESO DE FRESADO

Sistema distribuido en tiempo real, sobre Internet. Supervisión con función objetivo, local.

Proyectos




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Muito obrigado por sua atençao.Muito obrigado por sua atençao.

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