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Nov 14, 2023

Evaluación de un tres

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 16813 (2022) Cite este artículo 703 Accesos Detalles de métricas El monitoreo en línea de las condiciones de corte es esencial en la fabricación inteligente y

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 16813 (2022) Citar este artículo

703 Accesos

Detalles de métricas

El monitoreo en línea de las condiciones de corte es esencial en la fabricación inteligente, y las vibraciones son una de las señales más efectivas para monitorear las condiciones de mecanizado. Generalmente, los acelerómetros cableados tradicionales deben instalarse en una plataforma estable o inmóvil, como un portaherramientas o un torno, para detectar vibraciones. Dichos métodos de instalación provocarían que las señales sufrieran interferencias de ruido más graves y una relación señal-ruido baja, lo que daría como resultado una menor sensibilidad a la información valiosa. Por lo tanto, este estudio desarrolló un novedoso sistema inalámbrico de detección en el rotor (ORS) de tres ejes para monitorear el proceso de giro. El nodo sensor del acelerómetro del Sistema Micro Electromecánico (MEMS) se puede montar en una pieza de trabajo giratoria o en un rotor de husillo y es más sensible a la hora de detectar las vibraciones de todo el sistema del rotor sin ninguna modificación del sistema del torno ni interferencia en el procedimiento de corte. El procesador, la adquisición de datos y los módulos Bluetooth Low Energy (BLE) 5.0+ se desarrollaron y depuraron para cooperar con un acelerómetro triaxial piezoeléctrico, con una amplitud de vibración no superior a ± 16 g. Se realizaron una serie de pruebas de torneado y los resultados se compararon con los de acelerómetros cableados comerciales, lo que demostró que el sistema ORS puede medir la señal de vibración del sistema del rotor de manera más efectiva y sensible que los acelerómetros cableados, demostrando así el monitoreo preciso del mecanizado. parámetros.

El corte es una de las tecnologías de fabricación más esenciales y fundamentales1. El seguimiento en línea del proceso de corte es esencial para mejorar la eficiencia de la producción, la calidad del producto y el rendimiento económico. Sin embargo, la adquisición de una señal es el primer y más crucial paso, y la calidad de la señal adquirida determina directamente la precisión de los procesos posteriores. Por lo tanto, el desarrollo de sensores de seguimiento inteligentes para el seguimiento en línea del proceso de corte se ha convertido en una cuestión importante2.

Se han empleado varios sensores indirectos para adquirir información dinámica3,4; sin embargo, todos estos sistemas de sensores generalmente requieren cables para la transmisión de datos y suministro de energía, así como equipos especiales de adquisición de datos, lo que limita la instalación de sistemas de sensores. Además, los sistemas de sensores comerciales suelen ser demasiado caros para que los utilicen las fábricas convencionales. Para superar estas limitaciones, el diseño y desarrollo de sensores integrados ha despertado recientemente el interés de varios investigadores.

En 1997, Santochi et al.5 describieron un nuevo concepto de herramientas de corte con la integración de galgas extensométricas para sensores dentro del vástago de la herramienta para medir las fuerzas en operaciones de torneado. Goyal et al.6 fabricaron un sistema de sensor sin contacto de bajo coste para detectar señales de vibración defectuosas en los rodamientos. Albrecht et al.7 presentaron un método para medir las fuerzas de corte a partir de los desplazamientos de los ejes giratorios del husillo. De Oliveira et al.3 y Rizal et al.8 diseñaron un prototipo funcional de un dinamómetro híbrido montado sobre un elemento sensor de fuerza de nuevo diseño. Liu diseñó y construyó un dinamómetro montado sobre un husillo giratorio basado en una rejilla de fibra de Bragg9. Ting et al. diseñó y fabricó un sensor multieje hecho de película de fluoruro de polivinilideno10.

Recientemente, considerando las ventajas de los componentes piezocerámicos en términos de rigidez y sensibilidad, se han utilizado como sensores debido a su excelente potencial en miniaturización e integración de sensores para el control de vibraciones y el seguimiento de operaciones de corte11. Qin et al.12 diseñaron un sistema integrado de medición de la fuerza de corte para medir la fuerza axial y el par en el proceso de fresado basado en sensores del sistema microelectromecánico piezoresistivo (MEMS). Chen et al.13 diseñaron herramientas de torneado innovadoras basadas en la película piezoeléctrica. Drossel et al.14 presentaron un concepto de sensor basado en sensores de película piezoeléctricos montados directamente en la herramienta de fresado detrás del inserto indexable.

Además de los dinamómetros, las señales de vibración son una de las señales más efectivas utilizadas para monitorear el proceso de mecanizado15. Sin embargo, rara vez se han estudiado los sistemas de detección integrados para la adquisición de señales de vibración. Xie et al.16 y Zhou17 desarrollaron portaherramientas inalámbricos integrados con detección de vibración para monitorear el proceso de fresado; sin embargo, se debe modificar el portaherramientas estándar para instalar el sensor. Chung et al.18 desarrollaron un sistema de detección de acelerómetro MEMS inalámbrico de tres ejes; sin embargo, la frecuencia de muestreo fue de sólo 150 Hz, lo que no cumplió con los requisitos del proceso de molienda. Totis et al.19 y Nguyen et al.20 diseñaron una herramienta de torneado inteligente con un sensor adherido adhesivamente al vástago de la herramienta para monitorear el proceso de torneado. Sin embargo, sólo es necesario medir la fuerza de corte y modificar la estructura de la herramienta de corte.

Hasta donde saben los autores, se han realizado investigaciones limitadas sobre el desarrollo de sensores de vibración inalámbricos integrados para monitorear el proceso de corte de tornos. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo desarrollar un novedoso acelerómetro inalámbrico de detección en el rotor (ORS) de tres ejes para monitorear el proceso de giro, que mostró mejores características estáticas y dinámicas, además de ser más sensible a las señales de vibración producidas por todo el sistema del rotor. .

Se abordaron las siguientes cuestiones.

Ausencia de sistemas inalámbricos de detección de vibraciones para monitorear los procesos de torneado.

Problemas de rediseño y reensamblaje de la herramienta de torneado o máquinas de torno.

Análisis insuficiente de las características dinámicas del sistema a partir de las señales de vibración.

Este estudio desarrolló un novedoso modelo de vibración inalámbrico utilizando el sistema ORS para monitorear los procesos de torneado y las condiciones de mecanizado (como las condiciones de desgaste de la herramienta y la rotura del inserto de la herramienta), que puede medir simultáneamente señales de vibración triaxial con un rango de medición de ± 16 g. Se integró un acelerómetro piezoeléctrico en el dispositivo sensor diseñado, montado en un extremo de la pieza de trabajo, sin ningún portaherramientas ni modificaciones de la máquina.

En la Fig. 1 se muestra un esquema del sistema ORS de tres ejes. Los módulos de hardware incluían un acelerómetro de tres ejes como unidad sensora, un procesador como unidad de procesamiento de datos y un módulo de chip BLE como unidad de empaque y transmisión. Una batería de litio alimentaba los circuitos. Las señales de aceleración detectadas se transmitieron a la aplicación o a la nube a través de WIFI o Bluetooth.

Esquema del sistema ORS.

ADXL345 es un acelerómetro MEMS de tres ejes que ofrece técnicas de empaquetado estables y un rendimiento de bajo ruido de menos de \(290ug/\sqrt{Hz}\), junto con un bajo consumo de energía y costo. La frecuencia de muestreo de ADXL345 es de 3200 Hz y el ancho de banda de comunicación es de 1 Mbps. Los demás parámetros del ADXL345 se enumeran en Montaje del ORS.

La placa de la unidad de procesamiento y la batería se integraron en una carcasa cilíndrica como se muestra en la Fig. 3. La unidad de detección se montó en el centro de la parte inferior de la carcasa cilíndrica, que estaba separada de la unidad de procesamiento para reducir la influencia de las vibraciones en el Placa procesadora y batería. La carcasa cilíndrica se fabricó utilizando tecnología de impresión 3D con resina ABS para garantizar una alta calidad de transmisión de BLE 5.0. La carcasa tenía un botón de interruptor y un puerto de interfaz de carga y se ensamblaba en la placa de conexión apretando los pernos. Se utilizó un manguito de conexión para conectar el sensor a la pieza de trabajo apretando los pernos. En consecuencia, todo el ORS inalámbrico de tres ejes podría girar junto con el sistema de rotor objetivo para obtener información de vibración en línea.

La unidad sensora se conectó al procesador y se integró en una placa de circuito impreso (PCB) separada, como se muestra en la Fig. 2. El acelerómetro MEMS rectangular no fue diseñado para estar en el centro de la PCB.

Componentes configurados del sistema de sensores.

La señal digitalizada a través de un convertidor analógico digital se transmitió al procesador nRF52840, construido en una CPU ARM® Cortex™-M4 de 32 bits con una simultaneidad de protocolo completo como Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread y Zigbee. En la configuración actual, las señales digitales se transmitían a través de Bluetooth LE 5.0, con una velocidad de transmisión del puerto serie de hasta 1 Mbps.

La unidad de procesamiento de datos era la principal responsable de recibir, guardar, empaquetar y enviar la señal digitalizada de la unidad sensora MEMS. Mientras tanto, se desarrolló un software host inteligente basado en Arduino para convertir datos hexadecimales en números decimales. Se extrajeron las señales de vibración del sistema de tres ejes, se realizó un análisis de frecuencia y se mostró la señal de vibración final tanto en el dominio de tiempo como de frecuencia en la aplicación.

Los módulos de procesamiento de datos y transmisión inalámbrica se integraron en una PCB de doble cara para reducir el tamaño estructural y facilitar la instalación. Se utilizó una batería de litio de 3,7 V para alimentar todo el sistema. Los componentes configurados del ORS se ilustran en la Fig. 2 (Tabla 1).

La placa de la unidad de procesamiento y la batería se integraron en una carcasa cilíndrica como se muestra en la Fig. 3. La unidad de detección se montó en el centro de la parte inferior de la carcasa cilíndrica, que estaba separada de la unidad de procesamiento para reducir la influencia de las vibraciones en el Placa procesadora y batería. La carcasa cilíndrica se fabricó utilizando tecnología de impresión 3D con resina ABS para garantizar una alta calidad de transmisión de BLE 5.0. La carcasa tenía un botón de interruptor y un puerto de interfaz de carga y se ensamblaba en la placa de conexión apretando los pernos. Se utilizó un manguito de conexión para conectar el sensor a la pieza de trabajo apretando los pernos. En consecuencia, todo el ORS inalámbrico de tres ejes podría girar junto con el sistema de rotor objetivo para obtener información de vibración en línea.

Ilustración tridimensional del modelo estructural: (a) estructura de montaje y (b) apariencia física.

El peso de la unidad sensora era de sólo 0,6 gy la unidad de procesamiento pesaba aproximadamente 4,2 g. El peso total del ORS junto con la placa de conexión fue de 87 g cuando todos los componentes están ensamblados en la carcasa cilíndrica impresa en 3D. El peso del ORS es relativamente pequeño en comparación con el del sistema de husillo del torno y se instaló axial y simétricamente en un extremo de la pieza de trabajo a través del manguito de conexión. Por lo tanto, el diseño y la instalación del sensor tuvieron poco efecto sobre el desequilibrio dinámico del sistema de husillo.

Para estudiar las salidas del ORS montado en el sistema de rotor del husillo, se definieron tres sistemas de coordenadas cartesianas, como se muestra en la Fig. 4. \(XYZ\) es la coordenada del marco estacionario del sistema de rotor, que actúa como referencia para cualquier objeto giratorio. La \({X}_{O}{Y}_{O}{Z}_{O}\) es una coordenada giratoria debido a la vibración dinámica de la deformación por flexión estática del eje giratorio bajo la influencia de la fuerza de corte, como se muestra en la Fig. 4a. El centro del eje giratorio se desplazó a \({O}_{0}\), y la vibración dinámica se expresa como \(\ddot{x}(t),\ddot{y}(t)\) en el sistema de coordenadas fijo \(XYZ\). El \(UVW\) también es una coordenada giratoria, que se alineó con las salidas positivas del ORS durante la rotación a una velocidad angular de \(\omega\). El acelerómetro MEMS se montó al final de la pieza de trabajo y se supuso que tenía una fase inicial \({\theta }_{0}\), normal a la dirección \(Z\), con su dirección V orientada radialmente y U -dirección tangencial. Además, hubo un desplazamiento de \(r\) para el ORS porque se instaló axial y simétricamente en un extremo de la pieza de trabajo, mientras que el acelerómetro MEMS no fue diseñado para estar en el centro de la PCB (Fig. 2).

(a) Sistema de rotor de husillo con el ORS montado en un extremo de la pieza de trabajo y (b) análisis de salida del sensor MEMS en el sistema de rotor.

Como se muestra en la Fig. 4b, tanto la aceleración centrífuga \({a}_{c}\) como la dirección radial y el acelerómetro tangencial \({a}_{t}\) podrían ser detectados por el ORS en el Direcciones V y U, respectivamente. Además, se sabe por el principio del acelerómetro MEMS que generalmente detecta una aceleración de 1,0 g en el campo gravitacional pero en dirección opuesta a la gravedad terrestre. Esto significa que siempre hay una aceleración de 1,0 g verticalmente hacia arriba, independientemente de si el sistema está girando. Por lo tanto, los resultados del ORS son:

donde \({a}_{t}\) y \({a}_{c}\) se pueden expresar como:

Entonces el formato de matriz para la ecuación. (1) es:

La ecuación (3) revela que las señales medidas consisten en aceleración, que refleja las características dinámicas de la rotación del sistema del rotor debido a la operación de mecanizado y los componentes de las aceleraciones gravitacionales. Esta última no es la señal deseada y debe eliminarse para mejorar las señales dinámicas adecuadas del rotor para identificar el estado de corte21.

Suponiendo que el rotor gira a una velocidad angular variable en el tiempo \(\omega\), como \(\omega ={\omega }_{0}+{\omega }^{^{\prime}}\), donde \({\omega }_{0}\) es la velocidad angular constante y \({\omega }^{^{\prime}}\) es el componente fluctuante de la velocidad. Entonces, las aceleraciones centrípeta \({a}_{c}\) y tangencial \({a}_{t}\) se pueden escribir como:

Debido a que la fluctuación dinámica de la velocidad angular de un rotor \({\omega }^{^{\prime}}\) es significativamente pequeña en comparación con la de la velocidad angular constante \({\omega }_{0}\) , el término cuadrático \(r{{\omega }^{^{\prime}}}^{2}\) es insignificante. En consecuencia, la aceleración centrípeta dinámica \({a}_{c}^{^{\prime}}\) se puede aproximar como:

Además, la velocidad angular dinámica puede considerarse periódica y ampliarse como una serie de Fourier de la siguiente manera:

donde \({A}_{n}\) y \({\varphi }_{n}\) son la amplitud y la fase del enésimo armónico, respectivamente.

Finalmente, las aceleraciones dinámicas centrípetas \({a}_{c}^{^{\prime}}\) y dinámicas tangenciales \({a}_{t}^{^{\prime}}\) se pueden expresar como una combinación de componentes armónicos de la siguiente manera:

En el sistema de coordenadas \({X}_{O}{Y}_{O}{Z}_{O}\), el \(\omega t\) se puede expresar de la siguiente manera:

donde \({\theta }_{0}\) es la fase inicial, y el tercer componente puede despreciarse en comparación con los dos primeros componentes. Posteriormente, la vibración dinámica variable en el tiempo, como se muestra en la ecuación. (3) se puede reorganizar como

De la ecuación. (9), la aceleración dinámica reconstruida \(\ddot{u}\left(t\right)\) y \(\ddot{v}\left(t\right)\), \(\mathrm{respectivamente}, \) proyectadas en el eje U y el eje V, se componen de dos componentes: la vibración dinámica de \(\ddot{x}\left(t\right)\) y \(\ddot{y}(t) \) relacionada con la operación de corte, y las aceleraciones dinámicas centrífugas \({a}_{c}^{^{\prime}}\) y tangenciales \({a}_{t}^{^{\prime} }\). Al realizar una transformada de Fourier en las señales de vibración, es necesario eliminar la proyección de los componentes de la aceleración gravitacional, permitiendo así la reconstrucción de una señal de vibración significativa de la aceleración centrípeta dinámica \({a}_{c}^{^{\prime }}\), aceleración tangencial dinámica \({a}_{t}^{^{\prime}},\) y vibración dinámica \(\ddot{x}\left(t\right)\), \( \ddot{y}(t)\) debido al mecanizado. Los pasos para reconstruir la señal de aceleración del sistema de rotor son los siguientes.

Calcule y determine la posición de la frecuencia de rotación del sistema rotor después de la transformada de Fourier.

Reste 1,0 g de la amplitud en los dominios complejos, tanto en la proyección de la dirección X como de la dirección Y a la frecuencia de rotación.

Reconstruya la señal en el dominio del tiempo utilizando la transformada inversa de Fourier.

Considerando que el conjunto husillo-mandril tiene un efecto no despreciable sobre la dinámica de las piezas mecanizadas22,23, se estableció mediante el método de elementos finitos un sistema de múltiples grados de libertad compuesto por husillo, engranajes, mandril y pieza de trabajo. (FEM), como se muestra en la Fig. 5. El grupo de rodamientos delanteros estaba compuesto por dos rodamientos NSK 51214 y NSK 32014 montados en DBB. El rodamiento trasero es un rodamiento de rodillos cilíndricos de dos hileras del tipo NSK NN3019K. Los principales parámetros de los rodamientos se presentan en la Tabla 2. La rigidez se calculó utilizando el método teórico establecido en un estudio previo24 y se presenta en la Tabla 3.

Modelo de elementos finitos del sistema rotor del husillo.

La Tabla 4 resume los resultados modales del sistema de rotor del husillo. Se observaron cuatro bandas de frecuencia a aproximadamente 46 Hz, 350–450 Hz, 750–900 Hz y 1000–1200 Hz.

Como se muestra en la Fig. 5, el sistema de rotor del husillo es axialmente simétrico y sus características dinámicas se suponen idénticas en las direcciones X e Y. \({F}_{x}\) y \({F}_{y}\) son las proyecciones de la fuerza de corte en los ejes X e Y, respectivamente. La fuerza tangencial \({F}_{x}\) es la fuerza de corte principal y representa más del 95% de la fuerza de corte resultante, y la fuerza radial \({F}_{y}\) representa menos. del 10%. En consecuencia, el centro del rotor del husillo muestra una ligera oscilación lateral en la dirección X. Las órbitas dinámicas del sistema de rotor de husillo presentan entonces fluctuaciones significativas en comparación con las órbitas circulares o elípticas estándar.

La ecuación dinámica correspondiente del sistema de rotor del husillo excitado por la fuerza de corte se expresa como4

donde \(m,\) \({\omega }_{n},\) y \(\zeta\) son la masa equivalente, la frecuencia natural y la relación de amortiguación, respectivamente, del sistema. \(F(t)\) denota la fuerza de corte radial instantánea. \({F}_{\sigma }\left(t\right)\) es la fuerza de corte estocástica debido a la fricción o las incertidumbres en el mecanizado, que pueden excitar la resonancia estocástica del sistema de la máquina.

La fuerza de corte tangencial \(F(t)\) se puede obtener utilizando la fórmula empírica25:

donde \({K}_{c}\) es el coeficiente relacionado con los materiales de la herramienta y la pieza de trabajo y los parámetros de corte, \(h\left(t\right)\) es el espesor de corte real, también conocido como profundidad del corte, \(w(t)\) es el ancho de corte real, y \(q\) denota el exponente que se puede determinar experimentalmente. Los parámetros de \(h\left(t\right)\) y \(w(t)\) están relacionados con la fluctuación instantánea de vibraciones en el plano XOZ y se pueden expresar como4:

donde los términos \({x}_{0}\) y \({z}_{0}\) son la profundidad y el ancho de corte originales, respectivamente. \(x(t)-x(t-\frac{2\pi }{\omega })\) denota la fluctuación del espesor dinámico de la viruta producida por vibraciones radiales, y \(z(t)-z\left( t-\frac{2\pi }{\omega }\right)\) es la fluctuación del ancho instantáneo de la viruta producida por las vibraciones axiales.

De las ecuaciones. (9), (10) y (12), se sabe que las variaciones transitorias en los parámetros de corte, como la profundidad de los cortes, la fuerza de corte y las órbitas de los ejes, pueden reflejarse a través de la fluctuación de la aceleración que detecta el ORS.

Para verificar el rendimiento de la señal de vibración adquirida del ORS en un proceso de mecanizado práctico, se realizaron experimentos de torneado en un torno horizontal universal (CZ6132A). Para la adquisición de datos se utilizaron tanto el ORS como el sensor de aceleración con cable tradicional, como se muestra en la Fig. 6. El ORS se montó en un extremo de la pieza de trabajo, que se colocó a través del orificio de un mandril de tres mordazas, y su señal de vibración podría transmitirse a la aplicación en un teléfono u otro terminal inteligente. Sin embargo, el acelerómetro cableado (122A200, con una sensibilidad de 10,2 m2/s producido por YMC Piezotronics Inc) se fijó en el portaherramientas a una frecuencia de muestreo de 100 kHz. Los demás parámetros de corte se presentan en la Tabla 5.

Configuración experimental.

Como se muestra en la Fig. 6, el ORS desarrollado puede detectar directamente las señales de vibración proyectadas en las direcciones X, Y y Z. Sin embargo, el acelerómetro cableado de un solo eje solo mostró la vibración en la dirección de la fuerza de corte radial y no pudo capturar la característica dinámica del rotor del husillo. La pieza se mecanizó de 21,9 a 10 mm. El experimento de torneado se realizó de forma continua, registrándose los datos experimentales para cada corte. Luego se pasó a la siguiente capa cortada hasta que la pieza de trabajo se cortó a aproximadamente 10 mm.

La Figura 7 muestra la comparación de las señales de vibración recopiladas del ORS y del acelerómetro cableado en el dominio del tiempo de 0,4 s cuando la profundidad de corte era de 0,5 mm. La Figura 8 muestra la misma señal en el dominio de la frecuencia después de la reconstrucción, siguiendo los pasos descritos en "Reconstrucción de la señal de aceleración".

Comparación de señales de vibración en el dominio del tiempo.

Comparación de señales de vibración en el dominio de la frecuencia.

El espectro que se muestra en la Fig. 8 del ORS fue modulado principalmente por una frecuencia de rotación del husillo de 18 Hz, que tenía una amplitud significativamente mayor que la generada por la vibración del mecanizado. Por el contrario, este acoplamiento de señal recopilado del acelerómetro cableado quedó ahogado por el ruido. Había tres bandas de frecuencia evidentes con amplitudes significativamente mayores, que mostraban el fenómeno de resonancia excitado por la señal aleatoria. Las bandas de frecuencia resonante oscilaron entre 350 y 480 Hz, 600–700 Hz y 1000–1200 Hz, de acuerdo con los resultados del FEM. Estas vibraciones de aproximadamente 680 Hz fueron detectadas únicamente por el acelerómetro cableado. Este espectro representa la vibración transversal de la pieza de trabajo en el extremo libre (presentada en la Tabla 4 y descrita en "Análisis modal del sistema de rotor del husillo") y solo puede ser capturada por el acelerómetro cableado instalado en el portaherramientas al lado del extremo libre de la pieza de trabajo. la pieza de trabajo; mientras que el ORS se fijó en el extremo de sujeción y se colocó en el portabrocas.

La órbita del eje es la trayectoria de movimiento del eje del rotor y normalmente se compone de señales de desplazamiento en dos direcciones en un ángulo de 90° entre sí. Como se describió anteriormente, el ORS desarrollado podría detectar la aceleración en tres direcciones y girar con el sistema del rotor de manera que pudiera trazar la trayectoria del rotor del husillo fácilmente en comparación con el sensor de aceleración cableado. Además, la órbita de un eje puede reflejar directamente las condiciones operativas de un sistema de rotor y se utiliza ampliamente para monitorear las condiciones del rotor y diagnósticos defectuosos26. La órbita del sistema de rotor del husillo se calculó en base a este fenómeno, como se muestra en la Fig. 9.

Órbita de los rotores del husillo.

Después de eliminar la gravedad de 1,0 gy reconstruir los datos de aceleración en el dominio del tiempo, como se mencionó anteriormente, se utilizó el filtro de Chebyshev para filtrar la frecuencia de rotación después de la transformada de Fourier. Los datos de aceleración en las direcciones X e Y se integraron luego en el dominio de la frecuencia. Como se muestra en la Fig. 9, la trayectoria correspondiente muestra un circuito no repetitivo similar al movimiento cuasiperiódico.

La Figura 9a(1)–(4) muestra la órbita de la profundidad de corte de 0,5 mm, b(1)–(4) muestra la órbita de la profundidad de corte de 1,0 mm y c(1)–(4) muestra la órbita de la profundidad de corte de 1,5 mm. El diámetro disminuye como se muestra en las figuras (1) a (4), lo cual se simula durante el proceso de corte. La fluctuación de la trayectoria del eje aumenta a medida que disminuye el diámetro de la pieza de trabajo. Además, muestra que cuanto mayor es la profundidad del corte, más elíptica y caótica es la órbita, lo que indica que los parámetros de corte podrían reconocerse a través de las órbitas.

Para monitorear el proceso de corte y reconocer las diferentes profundidades del corte, se adoptaron dos filtros de paso de banda basados ​​en las características del espectro descritas en “Comparación de las señales del ORS y el acelerómetro cableado”. Para la señal de vibración recopilada por el ORS, la primera banda de frecuencia resonante se configuró de 200 a 600 Hz, lo que fue consistente con los resultados de la prueba de impacto, y la segunda banda de frecuencia resonante se configuró de 800 a 1200 Hz. Para los datos recopilados por el acelerómetro cableado, se configuraron dos filtros de paso de banda de 400 a 800 Hz y de 7000 a 8500 Hz por separado, lo que es significativamente mayor que el del ORS.

Después de aplicar el filtro de frecuencia de paso de banda, se calculó la raíz cuadrática media (RMS) en cada corte. La Figura 10 muestra los resultados de la comparación, que sugieren que se pueden reconocer diferentes profundidades de corte mediante la señal de vibración del ORS, ambas filtradas por el primer y segundo filtro de paso de banda de frecuencia resonante. Por el contrario, los datos de vibración del acelerómetro cableado no distinguen entre diferentes profundidades de corte, lo que demostró que la ORS propuesta es más efectiva a pesar de sus diferentes tendencias.

RMS bajo diferentes profundidades de corte.

La razón principal para obtener diferentes tendencias de datos fueron las diferentes posiciones de montaje de los sensores. El acelerómetro cableado se instaló en el portaherramientas y, por lo tanto, la señal de vibración se vio muy afectada por todo el sistema portaherramientas; sin embargo, el ORS se montó en la pieza de trabajo y se hizo girar sincrónicamente con el husillo; por tanto, se vio afectado por el sistema de husillo. En conclusión, debido a las diferentes excitaciones de vibración externa y características dinámicas de los dos sensores, los resultados mostraron diferentes tendencias.

Estos resultados demostraron que el sistema ORS de tres ejes de medición de vibraciones desarrollado puede detectar cambios en la señal de vibración bajo diferentes profundidades de corte de manera más efectiva y sensible que un acelerómetro con cable.

En este estudio, se desarrolló un novedoso sistema inalámbrico de detección de vibraciones en el rotor de tres ejes para monitorear el proceso de torneado. Luego, basándose en las salidas del acelerómetro ORS MEMS, reconstruimos la señal de vibración utilizando la transformada inversa de Fourier después de restar 1,0 g de la amplitud en los dominios complejos. Además, generalmente, realizamos los experimentos de torneado en un torno horizontal universal para verificar el rendimiento de la señal de vibración adquirida del ORS y comparar los resultados con los del acelerómetro cableado comercial. Algunas conclusiones se resumen a continuación.

En este estudio se desarrolla y construye una novedosa tecnología inalámbrica de tres ejes para el monitoreo del procesamiento de torneado, con una frecuencia de muestreo de 3200 Hz que cumple con los requisitos comunes de la máquina de corte.

El sistema de detección se puede montar en un extremo de la pieza de trabajo de manera que sea más sensible a los parámetros de corte y a todo el sistema del rotor sin ninguna modificación en el sistema del torno ni interferencia en el procedimiento de corte.

El experimento de mecanizado demostró que el ORS desarrollado podía medir la señal de vibración del sistema del rotor de manera más efectiva y sensible que el acelerómetro cableado comercial.

En estos experimentos de torneado, sólo se analizaron los datos de aceleración en las direcciones X e Y, pero la señal de vibración en las tres direcciones del ORS de tres ejes podría aplicarse en sistemas de mecanizado más complicados, como el procedimiento de perforación. En el futuro, los estudios se centrarán en el desarrollo y la integración de varios sensores en la fabricación de sistemas de máquinas para un mayor reconocimiento de las condiciones de corte y supervisión del proceso de mecanizado.

Además, existen algunas limitaciones del ORS actual, como un gran ancho de banda de comunicación y un alto consumo de energía. Exploraremos más adelante el sistema de recolección de energía y la computación de vanguardia para abordar estos problemas. De esta manera, el procesamiento de datos y el análisis de características se pueden realizar en la unidad de procesamiento, y solo es necesario transmitir los resultados a la aplicación, lo que reduce la transmisión de datos, el ancho de banda y el consumo de energía, además de realizar el monitoreo en línea. Además, para resolver el problema de la carga de la batería, hemos estado estudiando algunas investigaciones sobre un método prototipo eficaz de recolección de energía, que permitiría la carga de la batería. Se espera que el sistema ORS inalámbrico sea autoalimentado en el futuro.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención n.° 52175108), el Departamento de Ciencia y Tecnología de Guangdong (N.° 2020KTSCX188) y el Proyecto Municipal de Ciencia y Tecnología de Beijing (N.° Z201100008320004).

Escuela de Automatización Industrial, Instituto de Tecnología de Beijing, Zhuhai, 519088, República Popular China

Chun Li y Zhexiang Zou

Centro de Ingeniería de Eficiencia y Rendimiento, Universidad de Huddersfield, Huddersfield, HD1 3DH, Reino Unido

Chun Li, Zhexiang Zou, Robert Cattley y Andrew D. Ball

Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Taiyuan, Shanxi, 030024, República Popular China

Kaibo Lu

Escuela de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad de Tecnología y Ciencia de la Información de Beijing, Beijing, 100192, República Popular China

Hong Jun Wang

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CL diseñó la estructura del sensor, fue responsable del experimento del sensor y escribió el texto principal del manuscrito. ZZ fue responsable del procesamiento de las piezas de los sensores, del análisis de los resultados experimentales y de la preparación de las figuras. KL asumió la responsabilidad de la integridad del trabajo completo y de la decisión final de enviar el manuscrito. WH patrocinó el desarrollo del sensor. RC fue responsable de la revisión crítica y la interpretación de los datos. AB supervisó la redacción y el análisis de manuscritos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Zhexiang Zou.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Li, C., Zou, Z., Lu, K. et al. Evaluación del rendimiento de la detección en un rotor de tres ejes para la supervisión del proceso de mecanizado: un estudio de caso. Informe científico 12, 16813 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21415-w

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Recibido: 30 de junio de 2022

Aceptado: 27 de septiembre de 2022

Publicado: 07 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21415-w

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