Reducción de problemas de vibraciones en procesos de mecanizado

El centro tecnológico IK4- Ideko ha participado, junto al resto de socios, en el proyecto Europeo POPJIM, que ha dado como resultado diferentes productos para el sector de la máquina-herramienta. En concreto, los participantes presentaron a mediados de septiembre los desarrollos realizados para aumentar la capacidad de corte en una fresadora, un torno, y un portaherramientas.

Liderado por el prestigioso centro sueco KTH de Estocolmo, el proyecto POPJIM ‘Componentes Plug-and-Produce para control adaptativo’, ha supuesto un reto estratégico para sus 10 socios de 7 países comunitarios, dando lugar a la creación de uniones mecatrónicas activas (‘JIMs’) para la unión de componentes en máquinas herramienta o módulos adicionales de amortiguación (‘AIMs’) para ser añadidos en estructuras de máquina. Estos elementos son capaces de adaptarse a las condiciones de cada proceso de mecanizado y eliminar las vibraciones autoexcitadas, dando lugar a importantes aumentos de capacidad de corte.

Tradicionalmente la inestabilidad de mecanizado se resuelve variando los parámetros de corte para ajustarlos a los requisitos establecidos por las características dinámicas de la máquina, dando lugar en muchos casos, a un descenso de la productividad. Con los prototipos desarrollados en este proyecto, en cambio, son las características dinámicas de la máquina, las que se ajustan en función del mecanizado a realizar. Durante el proyecto se han abordado dos conceptos diferenciados para conseguir el citado aumento de capacidad de corte. Por un lado, se ha sustituido la interfaz convencional de la máquina herramienta por un módulo mecatrónico autoconfigurable y optimizable llamado unión mecatrónica activa (Joint Interface Module, JIM. Este concepto es válido para estructuras ligeras como los portaherramientas o maquinaria y utillajes de pequeño tamaño. Por otro lado en este caso para estructuras de gran tamaño, se han desarrollado módulos adicionales de amortiguación (Added Interface Module, AIM), que son estructuras de amortiguación añadidas a la máquina o al utillaje. Estos elementos son apropiados para máquinas o utillajes de gran tamaño.

Los dos sistemas, JIMs y AIMS, se comunican con un dispositivo que controla la correcta sintonización de cada uno de ellos a través de una red inalámbrica. Al mismo tiempo, los controladores de todas las unidades (JIMs y AIMS) se comunican con una plataforma de soporte central, que recoge toda la información de las unidades de amortiguación en planta, las configura y las coordina entre sí.

• Uniones mecatrónicas activas (JIMs). La unión mecatrónica activa consiste básicamente en varias capas de material viscoelástico precargado a través de placas metálicas medianteun actuador. El sistema incorpora sensores para el control de la precarga y la monitorización del proceso de mecanizado, así como puertos wifi para la comunicación con su controlador unión mecatrónica activa proporciona amortiguamiento y rigidez variable en función del mecanizado a realizar.
• Módulos adicionales de amortiguación (AIMs). Los módulos adicionales de amortiguación consisten en amortiguadores autosintonizables a partir de variaciones de precarga de material viscoelástico o variaciones de rigidez de la rigidez del sistema mediante un actuador. Al igual que los JIMs, los AIMs incorporan sensores para la monitorización del proceso y se comunican con un controlador central mediante puertos wifi. El amortiguador se sintoniza automáticamente según la frecuencia de vibración, aportando al mismo tiempo amortiguamiento al sistema. Este proyecto se enmarca dentro de la línea de Investigación ‘Dinámica y Control’ de IK4- Ideko dedicada a la Caracterización y optimización del comportamiento dinámico de máquinas y procesos.

Esta línea cuenta más de 20 años de experiencia relacionadas con la eliminación de vibraciones en procesos de arranque de viruta y el diseño dinámico de estructuras por medio de metodología MEF. El trabajo desarrollado por IK4- Ideko ha sido el de realizar la definición de los requisitos a satisfacer por las uniones activas y determinar las operaciones objetivo que fueron testadas durante el proyecto. También lideró la actividad de modelado de las uniones activas y el acoplamiento de sus características en el modelado de la máquina completa por medio de la técnica de acoplamiento de subestructuras. Por último, el centro tecnológico ha tenido un papel destacado en las actividades de demostración de los prototipos construidos.

• Mejora de la productividad y calidad de procesos

El resultado principal de este proyecto ha sido desarrollar una nueva generación de componentes autosintonizables según el proceso de mecanizado y fácilmente integrables en máquinas, utillajes o portaherramientas para mejorar la productividad y la calidad de los procesos de la cadena de producción. En concreto, se ha desarrollado un torno con dos uniones mecatrónicas activas (JIMs), un portaherramientas con un JIM integrado, un utillaje para aleaciones ligeras con un JIM y un utillaje para maquinaria de gran tamaño con dos AIMs integrados.

• Fácil instalación y operaciones más complejas

Los componentes “plug-and-produce” desarrollados integran sensores, actuadores avanzados, software de fácil uso y en varias de las aplicaciones materiales inteligentes. La fácil instalación en máquina herramienta, permite aumentar la funcionalidad y productividad de las mismas, capacitándolas para abordar operaciones más complejas y reduciendo al mismo tiempo el riesgo de defectos y/o accidentes.

Los centros Tecnológicos y universidades han desarrollado tecnologías de vanguardia para el diseño conceptual de los prototipos construidos a lo largo del proyecto, así como los algoritmos de control necesarios para el correcto funcionamiento de las uniones mecatrónicas activas (JIMs) y los módulos adicionales de amortiguación.

Por su parte los fabricantes de Máquina Herramienta, han sido los encargados de transmitir al resto de socios las necesidades actuales y futuras de la industria y han llevado a cabo la integración de los componentes desarrollados en sus máquinas.

Por último, los fabricantes de componentes han construido una nueva generación de componentes para funciones específicas de los JIMS y AIMS, tales como los actuadores, sistemas de comunicación wireless o los materiales viscoelásticos necesarios para realizar el amortiguamiento.

Los resultados del proyecto han dado lugar al inicio de la solicitud de patentes para el concepto JIM aplicado a un torno, el mismo concepto aplicado a un portaherramientas y también el concepto AIM. La explotación industrial a partir de la finalización del proyecto será realizada por los fabricantes de maquinaria presentes en este proyecto. Los centros de investigación, por su parte, seguirán trabajando en el modelado de los módulos activos para poder predecir el comportamiento de forma más precisa y poder abordar nuevos desarrollos.

Este Proyecto Popjim comenzó en septiembre del 2010 y se enmarca dentro del 7º Programa Marco de I+D, puesto en marcha por la Comisión Europea en el periodo 2007-2013 y cuenta con la participación de un consorcio compuesto por 6 socios industriales, 2 centros tecnológicos y 2 universidades. Como socios españoles cabe destacar la participación de Soraluce S. Coop., además de la de IK4- Ideko. Todos ellos se darán cita el próximo 11 de Septiembre en las instalaciones de Soraluce S.Coop para presentar todos estos desarrollos a la Comisión Europea. El proyecto ha contado con un presupuesto de 4,4 M€, con una financiación comunitaria de 3,3 M€.

Los interesados pueden obtener más información sobre el proyecto en http://www.popjim.com/

Los vídeos de los demostradores están disponibles en el canal de youtube https://www.youtube.com/channel/UC_09ZcxLUum1x5wr8ankjAw