Procedimiento y sistema para la detección en tiempo real del desbalanceo del cabezal en un mecanismo rotatorio de alta precisión.

El objeto principal de la invención es un procedimiento para detectar en tiempo real un desbalanceo del cabezal en un mecanismo rotatorio de alta precisión, así como el sistema para llevar a cabo el procedimiento. El procedimiento comprende las siguientes operaciones:a) Adquirir, mediante un medio de adquisición a una frecuencia de muestreo FS, la señal correspondiente a la aceleración de las vibraciones del cabezal;b) Determinar, a partir de la señal obtenida, si el cabezal está desbalanceado

Procedimiento y sistema para la detección en tiempo real del desbalanceo del cabezal en un mecanismo rotatorio de alta precisión.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento para detectar en tiempo real un desbalanceo del cabezal en un mecanismo rotatorio de alta precisión, así como el sistema para llevar a cabo dicho procedimiento.

Antecedentes de la invención

Es conocido que pequeños desbalanceos del cabezal de un mecanismo rotatorio de alta precisión puede dar lugar a graves pérdidas de calidad en el resultado del proceso en cuestión.

Por ejemplo, en el campo del mecanizado de ultra-precisión, en ocasiones el objetivo es conseguir superficies con una baja rugosidad, adecuadas para aplicaciones en que la calidad superficial es un factor clave. Un cabezal desbalanceado produce vibraciones que tienen una influencia directa en la precisión del corte, y por lo tanto en la calidad del acabado superficial. Por tanto, el estudio de las vibraciones en los procesos de mecanizado tiene una gran importancia para la detección de anomalías.

La monitorización del mecanizado en tiempo real es conocida en la técnica. En particular, los documentos US 4131837, US 5917726, US 6161055, US 6549869 y US 6947800 reivindican dispositivos o métodos para la monitorización en tiempo real de diferentes variables o eventos en el mecanizado convencional empleando diferentes tipos de sensores, ya sean piezoeléctricos u opto-electrónicos. La patente US 7024063 también describe un método y aparato para la monitorización en tiempo real de la operación de pulido de capas de obleas semiconductoras.

Las vibraciones en elementos rotatorios de rodamientos mecánicos, bien en máquinas centrífugas o en máquinas herramientas convencionales, también se han estudiado a fondo, desarrollándose diferentes métodos y dispositivos para su detección y posterior análisis. En particular, las patentes US 3908444, EP 0011101, US 5537182, EP 1140405, US 6323943, US 6694213, US 7043376, US 7073384 y US 7386401 describen diferentes métodos para la medición o detección de vibraciones en los ejes de máquinas rotativas empleando indistintamente sensores opto-electrónicos o piezoeléctricos.

La patente US 4432253 describe el diseño de un sistema de auto-compensación del desbalanceo de masas para cabezales de centrífugas y tornos de alta velocidad, entre otros, mediante la inyección automática de fluidos en el sistema de rodamiento del eje.

También relacionada con el desbalanceo de cabezales de motores, la solicitud US 2007/0263321 describe un sistema de control del desbalanceo de masas en el cabezal del motor de discos duros.

La patente US 5356225 presenta un sistema para controlar el flujo de aire en rodamientos hidrostáticos de mecanismos con un alto nivel de rigidez, manteniendo un bajo nivel de presencia de vibraciones.

Finalmente, para tareas de acabado superficial de lentes ópticas mediante mecanizado de ultra-precisión se ha desarrollado en la patente US 5861114 un método para la supresión automática de las vibraciones que se producen en la herramienta de corte. Las patentes US 7036408 y US 7178433 describen dispositivos para fresado o torneado que utilizan herramientas con punta de diamante para la fabricación de lentes ópticas.

Descripción de la invención

En el presente documento, el término "mecanismo rotatorio de alta precisión" pretende hacer referencia a todo tipo de procesos donde existe un cabezal que rota a alta velocidad, incluyendo por ejemplo mecanismos rotatorios con rodamientos hidrostáticos. En particular, se hace especial referencia a los procesos de mecanizado de ultra precisión dirigidos a obtener rugosidades superficiales en la nano-escala, y más particularmente al torneado con punta de diamante y otros procesos similares.

Así, a través de una monitorización inteligente del balanceo del cabezal de un mecanismo rotatorio de alta precisión, se puede garantizar que el giro del cabezal se lleve a cabo en las condiciones idóneas y no se produzcan balanceos que afecten a la calidad del proceso en cuestión.

Un primer aspecto de la invención está dirigido a un procedimiento para la detección en tiempo real del desbalanceo del cabezal en un mecanismo rotatorio de alta precisión, donde el cabezal gira a una velocidad RPM, que comprende las siguientes operaciones:

a) Adquirir, mediante un medio de adquisición a una frecuencia de muestreo FS, la señal X(t) correspondiente a la aceleración de las vibraciones del cabezal.

La señal X(t) se adquiere utilizando un medio de adquisición adecuado, en particular un acelerómetro conectado a una tarjeta de adquisición. El acelerómetro se sitúa en cualquier línea radial al eje de giro, preferentemente sobre el eje X del cabezal, ya que cuanto más cerca esté del cabezal mayor será la potencia de la señal obtenida, aunque siempre sin interferir en el proceso en cuestión.

b) Determinar, a partir de la señal X(t) obtenida, si el cabezal está desbalanceado.

En esta segunda operación, se emplean los datos obtenidos en la operación anterior para determinar si las vibraciones obtenidas se deben a un desbalanceo de dicho cabezal. Para ello, se realizan las siguientes operaciones:

b1) Eliminar la componente de DC de la señal X(t) y aplicar a X(t) una transformación para pasar al dominio de la frecuencia, obteniendo la transformada T[X(t)].

1. Procedimiento para la detección en tiempo real del desbalanceo del cabezal en un mecanismo rotatorio de alta precisión, donde el cabezal gira a una velocidad RPM, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

a) Adquirir, mediante un medio de adquisición a una frecuencia de muestreo FS, la señal X(t) correspondiente a la aceleración de las vibraciones del cabezal;

b) Determinar, a partir de la señal X(t) obtenida, si el cabezal está desbalanceado.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende la operación de:

c) Estimar el grado de desbalanceo del cabezal.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio de adquisición que adquiere la señal X(t) se coloca sobre el eje X del cabezal.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la operación de determinar si el cabezal está desbalanceado comprende las siguientes operaciones:

b1) Eliminar la componente de DC de la señal X(t) y aplicar a X(t) una transformación para pasar al dominio de la frecuencia, obteniendo la transformada T[X(t)].

b2) Buscar el máximo de la transformada T[X(t)] y su frecuencia correspondiente, obteniendo MAX(T[X(t)]) y f_MAX(T[X(t)]).

b3) Buscar, dentro del rango de análisis (1 pm p) • f_MAX(T[X(t)]), aquellos armónicos cuyo valor supera un valor umbral TH.

b4) Buscar, entre los armónicos localizados en la operación anterior, grupos de armónicos separados entre sí por distancias correspondientes a la frecuencia de giro del cabezal.

b5) Determinar, si existe al menos un grupo de dichos armónicos separados entre sí por distancias correspondientes a la frecuencia de giro del cabezal, que el cabezal está desbalanceado.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el parámetro p está dentro del rango [0,05, 0,20].

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el parámetro p está dentro del rango [0,08, 0,12].

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la transformación que se aplica a X(t) es la Transformada Rápida de Fourier (FFT).

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el número de puntos utilizado para calcular la transformada que se aplica a X(t) es proporcional a la relación entre la frecuencia de muestreo FS y la frecuencia de giro del cabezal RPM.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el valor umbral TH es proporcional a la media aritmética del espectro en el rango de análisis.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el valor umbral TH es proporcional a la media geométrica del nivel de ruido del espectro y el nivel del armónico principal del espectro.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el valor umbral TH es proporcional al armónico principal dentro del rango en análisis.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el valor umbral TH es fijo.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la operación de estimar el grado de desbalanceo del cabezal comprende las siguientes operaciones:

c1) Seleccionar, de entre los grupos de armónicos localizados, el grupo principal que tiene el mayor número de armónicos con mayor potencia.

c2) Calcular un parámetro PR que mide la potencia relativa de los armónicos del grupo principal respecto al armónico principal de dicho grupo principal.

c3) Estimar, a partir del parámetro PR, el grado de desbalanceo del cabezal.

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque el parámetro PR se calcula mediante la siguiente expresión:

donde:

BPG es la potencia del armónico principal del grupo;

BP es la componente frecuencial de mayor potencia en el rango de de análisis;

HSPG es la suma de las potencias de los armónicos del grupo principal.

15. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque la operación de estimar el grado de desbalanceo del cabezal se realiza mediante la siguiente ecuación:

donde:

UL es el grado de desbalanceo del cabezal;

n y m son coeficientes que se ajustan experimentalmente.

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 la reivindicación 16, caracterizado porque está almacenado en unos medios de grabación.

18. Programa de ordenador según la reivindicación 16, caracterizado porque es portado por una señal portadora eléctrica.

19. Sistema para la detección en tiempo real del desbalanceo del cabezal en un mecanismo rotatorio de alta precisión mediante el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende los siguientes elementos:

- Un acelerómetro, situado sobre el eje X del cabezal, que adquiere la señal correspondiente a las aceleraciones de las vibraciones del cabezal;

- Un medio de procesamiento, conectado al medio de adquisición, que recibe dicha señal y determina si las vibraciones medidas son provocadas por un desbalanceo del cabezal.