Evaluación de tres

Sep 10, 2023

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

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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. Por lo general, los acelerómetros cableados tradicionales deben instalarse en una plataforma inmóvil o estable, como un portaherramientas o una mesa de torno, para detectar vibraciones. Dichos métodos de instalación harían que las señales sufrieran interferencias de ruido más graves y una baja relación señal-ruido, lo que resultaría en una menor sensibilidad a la información valiosa. Por lo tanto, este estudio desarrolló un nuevo sistema inalámbrico de detección en el rotor (ORS) de tres ejes para monitorear el proceso de torneado. El nodo del sensor del acelerómetro del sistema microelectromecánico (MEMS) se puede montar en una pieza de trabajo giratoria o en el rotor del husillo y es más sensible para 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 los acelerómetros cableados comerciales, lo que demostró que el sistema ORS puede medir la señal de vibración del sistema del rotor con mayor eficacia y sensibilidad que los acelerómetros cableados, lo que demuestra el control preciso del mecanizado. parámetros

El corte es una de las tecnologías de fabricación más esenciales y fundamentales1. El monitoreo 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 paso y el más crucial, y la calidad de la señal adquirida determina directamente la precisión de los procesos posteriores. Por lo tanto, el desarrollo de sensores de monitoreo inteligentes para el monitoreo en línea del proceso de corte se ha convertido en un tema 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 atraído 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 mango de la herramienta para medir las fuerzas en las operaciones de torneado. Goyal et al.6 fabricaron un sistema de sensores sin contacto de bajo costo para detectar señales de vibración de rodamientos defectuosas. Albrecht et al.7 presentaron un método para medir las fuerzas de corte a partir de los desplazamientos de ejes de husillos giratorios. De Oliveira et al.3 y Rizal et al.8 diseñaron un prototipo funcional de un dinamómetro híbrido montado en un elemento sensor de fuerza de nuevo diseño. Liu diseñó y construyó un dinamómetro montado en un husillo giratorio basado en una rejilla de Bragg de fibra9. 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 control de vibraciones y monitoreo 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 los sensores piezorresistivos del sistema microelectromecánico (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 de detección de vibración inalámbricos integrados para monitorear el proceso de fresado; sin embargo, el portaherramientas estándar debe modificarse para instalar el sensor. Chung et al.18 desarrollaron un sistema de detección de acelerómetro MEMS inalámbrico de tres ejes simples; sin embargo, la frecuencia de muestreo fue de solo 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 al mango de la herramienta para monitorear el proceso de torneado. Sin embargo, solo es necesario medir la fuerza de corte y modificar la estructura de la herramienta de corte.

Según el conocimiento de los autores, se ha realizado una investigación limitada sobre el desarrollo de sensores de vibración inalámbricos de integración para monitorear el proceso de corte de los tornos. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo desarrollar un novedoso acelerómetro triaxial inalámbrico de detección en el rotor (ORS) 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 los siguientes temas.

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 tornos.

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

Este estudio desarrolló un nuevo modelo de vibración inalámbrico utilizando el sistema ORS para monitorear los procesos de torneado y las condiciones de maquinado (como las condiciones de desgaste de la herramienta y la ocurrencia de rotura del inserto de la herramienta), que puede medir simultáneamente señales de vibración triaxiales 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 en la máquina.

En la figura 1 se muestra un esquema del sistema ORS de tres ejes. Los módulos de hardware incluían un acelerómetro de tres ejes como unidad de detección, 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 empaquetamiento estables y un bajo rendimiento de ruido de menos de \(290ug/\sqrt{Hz}\), junto con un bajo consumo de energía y bajo 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 de 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 sensora se montó en el centro de la parte inferior de la carcasa cilíndrica, que se separó de la unidad de procesamiento para reducir la influencia de las vibraciones en la placa del procesador y batería. La carcasa cilíndrica se fabricó con 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 ensambló en la placa de conexión ajustando los pernos. Se utilizó un manguito de conexión para conectar el sensor a la pieza de trabajo sujetando los pernos. En consecuencia, todo el ORS inalámbrico de tres ejes podría rotar junto con el sistema de rotor objetivo para obtener información de vibración en línea.

La unidad de detección 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 se diseñó para estar en el centro de la PCB.

Componentes configurados del sistema sensor.

La señal digitalizada a través de un convertidor digital analógico se transmitió al procesador nRF52840, integrado en una CPU ARM® Cortex™-M4 de 32 bits con una concurrencia de protocolo completa, como Bluetooth LE, malla Bluetooth, 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 fue la principal responsable de recibir, guardar, empaquetar y enviar la señal digitalizada de la unidad de detección MEMS. Mientras tanto, se desarrolló un software de 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 en los dominios de tiempo y frecuencia en la aplicación.

El procesador de datos y los módulos de transmisión inalámbrica se integraron en una PCB de doble cara para reducir el tamaño estructural y facilitar la instalación. Se utilizó un paquete de baterías 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 sensora se montó en el centro de la parte inferior de la carcasa cilíndrica, que se separó de la unidad de procesamiento para reducir la influencia de las vibraciones en la placa del procesador y batería. La carcasa cilíndrica se fabricó con 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 ensambló en la placa de conexión ajustando los pernos. Se utilizó un manguito de conexión para conectar el sensor a la pieza de trabajo sujetando los pernos. En consecuencia, todo el ORS inalámbrico de tres ejes podría rotar junto con el sistema de rotor objetivo para obtener información de vibración en línea.

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

El peso de la unidad de detección era de solo 0,6 g y 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 se ensamblaron 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 el referencia para cualquier objeto giratorio. El \({X}_{O}{Y}_{O}{Z}_{O}\) es una coordenada giratoria debido a la deformación de flexión estática vibración dinámica del eje giratorio bajo la influencia de la fuerza de corte, como se muestra en la figura 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 tangencialmente. 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 se diseñó 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 la dirección opuesta a la gravedad de la tierra. Esto significa que siempre hay una aceleración de 1,0 g verticalmente hacia arriba, sin importar si el sistema está girando. Por lo tanto, las salidas del ORS son:

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

Entonces el formato de matriz para la Ec. (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 componentes de las aceleraciones gravitatorias. Esta última no es la señal deseada y debe eliminarse para mejorar las señales dinámicas del rotor adecuadas 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 despreciable. En consecuencia, la aceleración centrípeta dinámica \({a}_{c}^{^{\prime}}\) se puede aproximar como:

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

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

Finalmente, las aceleraciones dinámica centrípeta \({a}_{c}^{^{\prime}}\) y dinámica tangencial \({a}_{t}^{^{\prime}}\) 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 primeros dos 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 \(\ddot{v}\left(t\right)\), \(\mathrm{respectivamente}, \) proyectados en el eje U y el eje V, se componen de dos componentes: la vibración dinámica de \(\ddot{x}\left(t\right)\) y \(\ddot{y}(t) \) relacionado 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 gravitatoria, lo que permite reconstruir 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.

Calcular y determinar la posición de la frecuencia de rotación del sistema del 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 en 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 mandril-husillo tiene un efecto no despreciable en la dinámica de las piezas mecanizadas22,23, se estableció un sistema de múltiples grados de libertad compuesto por husillo, engranajes, mandril y pieza mediante el método de los elementos finitos. (FEM), como se muestra en la Fig. 5. El grupo de rodamientos delantero 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 anterior24 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 de 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 se supone que sus características dinámicas son 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, 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 del huso exhiben entonces fluctuaciones significativas en comparación con las órbitas circulares o elípticas estándar.

La ecuación dinámica correspondiente del sistema 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 amortiguamiento, 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 incertidumbres en el mecanizado, que puede excitar la resonancia estocástica del sistema de la máquina.

La fuerza de corte tangencial \(F(t)\) se puede obtener usando 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 de corte original y el ancho de corte, respectivamente. \(x(t)-x(t-\frac{2\pi }{\omega })\) denota la fluctuación del espesor dinámico de viruta producido por vibraciones radiales, y \(z(t)-z\left( t-\frac{2\pi }{\omega }\right)\) es la fluctuación del ancho de viruta instantáneo producido por las vibraciones axiales.

De las Ecs. (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 desempeño de la señal de vibración adquirida del ORS en un proceso de maquinado práctico, se realizaron experimentos de torneado en un torno horizontal universal (CZ6132A). Tanto el ORS como el sensor de aceleración cableado tradicional se usaron para la adquisición de datos, 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 podía transmitirse a la aplicación en un teléfono u otro terminal inteligente. Sin embargo, el acelerómetro con cable (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 otros 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 con cable 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 de trabajo se mecanizó de 21,9 a 10 mm. El experimento de torneado se realizó de forma continua, con datos experimentales registrados para cada corte. Luego se movió al siguiente corte de capa 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 el 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 eje 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 se ahogó en el ruido. Había tres bandas de frecuencia evidentes con amplitudes significativamente mayores, que mostraban el fenómeno resonante excitado por la señal aleatoria. Las bandas de frecuencia de resonancia oscilaron entre 350 y 480 Hz, entre 600 y 700 Hz y entre 1000 y 1200 Hz, de acuerdo con los resultados de 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 (presentado en la Tabla 4 y descrito en "Análisis modal del sistema del rotor del husillo") y solo puede ser capturado por el acelerómetro cableado instalado en el portaherramientas al lado del extremo libre de la pieza de trabajo; mientras que el ORS se fija en el extremo de sujeción y se coloca en el portabrocas.

La órbita del eje es la trayectoria de movimiento del eje del rotor y generalmente se compone de señales de desplazamiento en dos direcciones en un ángulo de 90° entre sí. Como se describió anteriormente, el ORS desarrollado podía detectar la aceleración en tres direcciones y girar con el sistema de rotor de manera que pudiera dibujar fácilmente la trayectoria del rotor del husillo en comparación con el sensor de aceleración cableado. Además, la órbita de un eje puede reflejar directamente las condiciones de funcionamiento de un sistema de rotor y se usa ampliamente para monitorear las condiciones del rotor y los diagnósticos defectuosos26. La órbita del sistema rotor del huso 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 g y 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. Luego, los datos de aceleración en las direcciones X e Y se integraron en el dominio de la frecuencia. Como se muestra en la Fig. 9, la trayectoria correspondiente muestra un circuito no repetitivo similar al movimiento cuasi-periódico.

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 de (1) a (4), que 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 de ORS y acelerómetro cableado". Para la señal de vibración recopilada por el ORS, la primera banda de frecuencia resonante se fijó de 200 a 600 Hz, lo que coincidía con los resultados de la prueba de impacto, y la segunda banda de frecuencia resonante se fijó de 800 a 1200 Hz. Para los datos recopilados por el acelerómetro con cable, se configuraron dos filtros de paso de banda de 400 a 800 Hz y de 7000 a 8500 Hz por separado, que es significativamente mayor que el del ORS.

Después de aplicar el filtro de frecuencia de paso de banda, se calculó el Root Mean Square (RMS) en cada corte. La Figura 10 muestra los resultados de la comparación, que sugieren que la señal de vibración del ORS puede reconocer diferentes profundidades de corte, ambas filtradas por el primer y el segundo filtros de paso de banda de frecuencia resonante. Por el contrario, los datos de vibración del acelerómetro con cable no distinguen entre diferentes profundidades de corte, lo que mostró que el ORS propuesto es más efectivo a pesar de sus diferentes tendencias.

RMS bajo diferentes profundidades de corte.

La principal razón 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 giró sincrónicamente con el husillo; por lo tanto, se vio afectado por el sistema de huso. En conclusión, debido a las diferentes excitaciones de vibración externa y características dinámicas de los dos sensores, los resultados mostraron tendencias diferentes.

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 cableado.

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, en función de 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, en general, 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 nueva tecnología inalámbrica de tres ejes para monitorear el 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 modo que sea más sensible a los parámetros de corte y al sistema de rotor completo sin modificar el sistema del torno ni interferir en el procedimiento de corte.

El experimento de mecanizado mostró que el ORS desarrollado podía medir la señal de vibración del sistema del rotor con mayor eficacia y sensibilidad que el acelerómetro cableado comercial.

En estos experimentos de torneado, solo 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 un sistema de mecanizado más complicado, como el procedimiento de perforación. En el futuro, los estudios se centrarán en desarrollar e integrar varios sensores para fabricar sistemas de máquinas para un mayor reconocimiento de las condiciones de corte y monitoreo 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 el sistema de recolección de energía y la computación de borde más adelante 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 se requiere que los resultados se transmitan a la aplicación, lo que reduce la transmisión de datos, el ancho de banda y el consumo de energía y realiza el monitoreo en línea. Además, para resolver el problema de la carga de la batería, hemos estado estudiando algunas investigaciones sobre un prototipo eficaz de método 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 a pedido 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 Zhejiang Zou

Centro de ingeniería de rendimiento y eficiencia, Universidad de Huddersfield, Huddersfield, HD1 3DH, Reino Unido

Chun Li, Zhejiang 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 Ciencia y Tecnología de la Información de Beijing, Beijing, 100192, República Popular de 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 partes del sensor, el análisis de los resultados experimentales y la preparación de figuras. KL asumió la responsabilidad por la integridad del trabajo completo y 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 Zhejiang Zou.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Li, C., Zou, Z., Lu, K. et al. Evaluación del rendimiento de una detección de tres ejes en el rotor para el monitoreo 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 junio 2022

Aceptado: 27 de septiembre de 2022

Publicado: 07 octubre 2022

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

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