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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.6 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000600002 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°6-2006, pág.: 3-6

INGENIERIA MECANICA

Optimización del Proceso de Microfresado mediante la Reducción de Vibraciones empleando Técnicas de Generación de Ordenes de Movimiento

Optimization of the Micromilling Process using Vibration Reduction through Command Shaping Techniques

Juan J. Márquez (1), Joel Fortgang (2), William Singhose (2) y Jesús M. Pérez (1)
(1) Universidad Politécnica de Madrid, ETSII, José Gutiérrez Abascal, 2, 28006 Madrid-España (e-mail: jmarquez@etsii.upm.es)
(2) Georgia Institute of Technology, The George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Atlanta, Georgia. 30332-USA


Resumen

Se ha desarrollado un sistema de control que permite generar órdenes de movimiento sobre un sistema de microfresado existente. El sistema de control permite reducir el error de seguimiento en las trayectorias de mecanizado y por lo tanto permite aumentar las condiciones de corte y aumentar la productividad del proceso. Se hace uso de técnicas de reducción de vibraciones, basadas en el empleo de órdenes de accionamiento especiales y se propone una solución para el seguimiento de trayectorias de mecanizado. El trabajo muestra que se puede mejorar hasta en un 65% el error de seguimiento sobre una trayectoria de mecanizado con movimientos realizados a una velocidad de 1500 mm/min.

Palabras clave: microfresado, órdenes de movimiento, vibración, error de seguimiento


Abstract

A control system has been developed which permits implementation of command shaping in an existing micromilling system. The control system allows reduction of machined trajectory following error, and thus allows improving the cutting conditions and the productivity of the process. Techniques of vibration reduction are employed based on the use of special command shaping orders, and a solution is proposed for tracking machining operations. The study shows that up to 65% improvement can be obtained over trajectory following error, with movements done at feed speeds of 1500 mm/min.

Keywords: micromilling, command shaping, vibration, following error


INTRODUCCION

El microfresado es un proceso de arranque de viruta orientado al empleo de máquinas especiales para la realización de micropiezas de gran precisión, para su utilización por ejemplo, en microcavidades para el proceso de microinyección en plástico (Bissacco et al., 2005). Se consideran micropiezas aquellas con características dimensionales en el entorno de 10-20 µm, y cuyas dimensiones máximas no sobrepasan los 10 mm.

Las herramientas comerciales empleadas se sitúan entre los 150-500 µm de diámetro fabricadas en metal duro de micrograno. Debido a los reducidos diámetros de herramienta empleados, deben ser posicionadas, y efectuar movimientos con gran precisión, sólo posibles en máquinas especialmente diseñadas para tal efecto (máquinas para microfresado), de lo contrario se obtendría una calidad deficiente en las micropiezas mecanizadas, y fuerzas de corte que conducirían a un rápido desgaste en la herramienta, o a la rotura catastrófica de la misma, como muestran algunos estudios  (Uhlmann et al., 2005).

La alternativa para usar máquinas de menor precisión en el microfresado es realizar los movimientos con menores velocidades de corte y de avance, lo cual no siempre será posible, por la propia naturaleza del material de base que se esté mecanizando, lo que lleva asociada una disminución de la capacidad productiva y por tanto un aumento de los costes de producción.

Este problema se agrava por la necesidad de emplear profundidades de pasada y anchos de corte muy pequeños debido a las restricciones que impone el tamaño de las herramientas. Si se incrementa la precisión en el seguimiento de una trayectoria  (Singhose et al., 1996) de mecanizado, se pueden incrementar las velocidades de corte lo que redunda en una mejora de la capacidad productiva de la máquina. Puede concluirse que las velocidades de la máquina deben ser elevadas en el micro fresado, por dos motivos fundamentales:

1. Mantener las condiciones de corte en un rango adecuado en un proceso de arranque de viruta.
2. Rentabilizar el proceso desde el punto de vista económico.

En este trabajo se propone la aplicación de un método para aumentar las velocidades de corte y de avance en el proceso, manteniendo la calidad dimensional de las piezas fabricadas mediante el empleo de la técnica de reducción de vibraciones basada en órdenes de movimiento, también conocida como “Input Shaping”, en lugar de las técnicas basadas en controles con realimentación agrupadas de manera general bajo el término “reducción activa” (Chen et al., 2006).

DISEÑO DE ÓRDENES

La adecuada implementación de órdenes de movimiento en la máquina puede mejorar de manera drástica la respuesta dinámica de la misma.

Si la vibración producida por órdenes individuales (como un cambio en la aceleración), se compone con otros elementos de órdenes de movimiento, la vibración resultante se puede ver reducida significativamente.

Utilizando el principio de superposición, la duración de la órden de aceleración puede ser elegida de manera que la vibración del sistema se elimine.

Esta solución puede expresarse de manera física, como la eliminación de la aceleración después de un periodo de vibración. De esta manera, una vez que se fija la velocidad de avance, sólo se necesita averiguar el valor de aceleración y el pulso de duración de la misma que producirá la eliminación de la vibración.

Esta técnica puede expresarse analíticamente empleando los principios de la técnica de reducción de vibraciones, de acuerdo a lo establecido por Fortgang et al., 2004.

Una particularidad de este trabajo es que la orden especial compensa también comportamientos no lineales del sistema. Esta técnica se basa en modificar la órden de entrada de movimiento sobre un eje, de manera que contenga la mínima cantidad de energía a la frecuencia natural del sistema, de esta manera el sistema no vibrará a esta frecuencia.

Esta tarea se realizará generando una serie de impulsos, que por si mismos no inducirán ninguna vibración en el sistema, porque la respuesta vibracional de cada impulso es eliminada por la respuesta de los otros.

Cuando se realiza la convolución de estos impulsos con la órden de movimiento deseado, como se muestra en la Fig. 1, se genera una nueva órden que tampoco induce vibración sobre el sistema (Singhose et al., 1996 y Fortgang et al., 2005).

EVALUACIÓN EXPERIMENTAL

En la microfresadora utilizada µF-ETSII (Fig. 2), desarrollada en la ETSII-UPM, el cabezal puede alcanzar 120000 rpm, y la velocidad de avance máximo se sitúa en 6000 mm/min con aceleración máxima de 1 m/s2. Sin embargo resulta complicado mantener la velocidad lineal máxima si se desea mantener la precisión requerida en microfresado (Fig. 3).

Fig. 1: Técnica de la reducción de vibraciones


Fig. 2: Microfresadora µF-ETSII

Incluso con bajas velocidades y aceleraciones, se producen niveles de vibración que provocan errores de seguimiento en las trayectorias. La Fig. 4 muestra el error de seguimiento en la trayectoria para un perfil de velocidad trapecial sobre uno de los ejes de la máquina con un avance de 3000 mm/min, que puede llegar a un valor de hasta 8 µm, y también muestra cómo se puede reducir el error al modificar la ganancia (Kp) en la realimentación. Estos errores conducen a un acabado superficial irregular, debido a que la herramienta vibrará en la dirección de avance.

Fig. 3: Operación de microfresado


Fig. 4: Error de seguimiento según ganancia

Si se realizan por ejemplo trayectorias bidimensionales según el plano XY, este tipo de error provocará errores dimensionales sobre la pieza, dado que la dirección de vibración puede no estar según la dirección de avance (por ejemplo, en el mecanizado de esquinas y contornos), y mal acabado. El control multieje Newport MM4006, empleado en la microfresadora, es apropiado para su uso en aplicaciones de micromecanizado y posee una arquitectura cerrada similar a la de otros sistemas de control numérico. Implementar un nuevo esquema de generación de órdenes de  movimiento representa una tarea complicada, en la que son sólo posibles pequeñas modificaciones si se desea mantener la precisión en cortos intervalos de tiempo.

El procedimiento descrito ha sido aplicado sobre la microfresadora µF-ETSII, para el caso de un perfil trapecial de velocidad de valor máximo de 1500 mm/min. La Fig. 5 muestra la mejora en los casos de mecanizado sobre aleación de aluminio (Al), también en el caso de movimiento en vacío. Puede observarse que la respuesta dinámica de la máquina es la misma con o sin mecanizado, tanto con reducción de vibraciones (RV) como sin RV. Con RV los valores alcanzados se sitúan dentro de los valores establecidos de repetibilidad, y de las pruebas realizadas se observa un comportamiento análogo con otros materiales (plásticos y metales blandos). La mejora de las prestaciones del sistema esta sujeta a un límite máximo de velocidad asociada a la capacidad del control de generar y transmitir órdenes de movimiento elaboradas con la técnica descrita.

Esta circunstancia puede explicarse en base a los reducidos valores de fuerzas de corte que se producen. El ajuste de órdenes de movimiento descrito ha mejorado la respuesta dinámica de la máquina de manera sensible. Utilizando RV, el error total de seguimiento en la trayectoria se reduce en un 68% para el caso de movimiento en vacío,  y en un 65% en el mecanizado sobre aleación de base aluminio.

Fig. 5: Resultados para RV con Kp = 0.5

CONCLUSIONES

La técnica de diseño de órdenes empleada, involucra menos cambios dependientes del tiempo con respecto a la órden de referencia,  que otros esquemas empleados en la técnica de reducción de vibraciones tradicional, y por lo tanto permite su empleo en máquinas herramienta de control numérico, cuyas arquitecturas de control, habitualmente no permiten modificaciones sensibles sobre las órdenes de movimiento.

Se ha demostrado que el efecto de estar o no cortando afecta de forma poco sensible sobre la respuesta dinámica de la máquina. Los reducidos esfuerzos de corte que se producen en el microfresado facilitan el empleo de órdenes especiales para mejorar el seguimiento de trayectorias de mecanizado.

El presente trabajo proporciona una solución a la variación en frecuencia frente a la aceleración, esta técnica ha permitido, mediante el empleo de órdenes especiales, mejorar en un 65% el error de seguimiento sobre una trayectoria en mecanizado con movimientos realizados a 1500 mm/min.

REFERENCIAS

Bissacco, G., H.N. Hansen, L. Chiffre, Micromilling of hardened tool steel for mould making applications, Journal of Materials Processing Technology, 167, 201–207 (2005).        [ Links ]

Chen, C.S., Y.H. Fan, S.P. Tseng, Position command shaping control in a retrofitted milling machine, Int. Journal of Machine Tools & Manufacture,  46, 293–303 (2006).        [ Links ]

Fortgang, J., J.J. Marquez, W. Singhose,  Applications of Command Shaping On Micro-Mills, Japan-USA Symposium on Flexible Automation, Denver, Colorado, USA (2004).        [ Links ]

Fortgang, J., W. Singhose, J.J. Marquez, J.M. Perez, Command Shaping For Micro-Mills And CNC Controllers, American Control Conference, Portland, Oregon, USA, 7, 4531-4536  (2005).        [ Links ]

Singhose, W., W.P. Seering, N.C. Singer, Improving repeatability of coordinate measuring machines with shaped command signals, Precision Engineering, 18, 138-146 (1996).        [ Links ]

Uhlmann, E. y K. Schauer, Dynamic Load and Strain Analysis for the Optimization of Micro End Mills, CIRP Annals, STC C, 54, 1, 75-78 (2005).        [ Links ]

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