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| SISTEMA OPTO-ELECTRÓNICO
INTELIGENTE PARA LA DETECCIÓN DE GRIETAS EN ESLABONES
Y DESGASTE DE BULONES EN UNA CADENA DE PRODUCCIÓN |
| Datos
básicos |
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| Resumen |
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Se ha desarrollado un sistema de detección
automática de grietas en los eslabones
de una cadena de producción, así como
del desgaste de los bulones de la misma,
con el fin de evitar posibles rupturas y
facilitar las tareas de mantenimiento. El
sistema está gobernado por una tarjeta
electrónica diseñada y fabricada
en el Departamento, cuyo núcleo fundamental
es un microcontrolador de la familia 8051.
Actualmente el sistema está funcionando
en una de las plantas de Volkswagen Navarra
S.A.
| Descripción
del problema |
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Algunos procesos de fabricación requieren que el producto
que desarrollan viaje a lo largo de las líneas de producción
mientras se realizan las tareas oportunas para su acabado.
Para esta misión muchas empresas emplean cadenas de
las que cuelga el producto mientras realiza el recorrido a
través del proceso. Estas cadenas normalmente se mueven
a una velocidad aproximadamente constante, pero a lo largo
de todo el recorrido someten a los eslabones que las conforman
a unas tensiones variables en el tiempo. Las cadenas están
dimensionadas para poder soportar sin problema alguno estas
tensiones, pero es inevitable que con el uso y el desgaste
se produzcan roturas en alguno de los eslabones. El fenómeno
por el cual sucede esto se llama fatiga y se presenta cuando
sometemos a un material a esfuerzos variables en el tiempo.
Cuando esto sucede la tensión necesaria para romper
dicho material es mucho menor que en el caso de un esfuerzo
constante.
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| Figura 1: Esquema de las
partes que conforman la cadena. |
El proceso de rotura por fatiga tiene lugar en tres periodos
claramente diferenciados: incubación, fisuración
progresiva y rotura final. El primer periodo se produce a nivel
atómico acabando en una fisura microscópica.
En el segundo periodo esta fisura aumenta de tamaño
progresivamente. Finalmente, debido a la reducción de
la sección del material y a la aparición de zonas
de concentración de tensiones en los alrededores de
la grieta se produce la rotura. Cualquier irregularidad o cambio
brusco en el material puede ser origen de una grieta que finalice
en rotura del material, si los esfuerzos variables son de un
valor suficiente.
Los materiales que rompen a fatiga son fácilmente
identificables (después de que han roto) ya que la
superficie de la fractura presenta dos zonas claramente diferenciables:
una de grano fino y otra de grano grueso. En la zona de grano
fino se distinguen a veces una serie de líneas que
parecen haber avanzado concéntricamente a partir de
un punto, esta zona es la que se da en el periodo de fisuración
progresiva y por eso aparecen las líneas, que reflejan
el avance de la grieta. La zona de grano grueso se da en
el proceso de rotura.
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| Figura 2: Fotografía
de la fractura de un eslabón. |
La fractura de uno de los eslabones implica la parada inmediata
de la cadena de montaje y otras muchas consecuencias indirectas,
lo que supone una pérdida de dinero considerable para
la empresa.
Si se quiere evitar la rotura de los eslabones es necesario
inspeccionar la cadena a fin de detectar las grietas en un
estado poco avanzado, antes de que alcancen el tamaño
suficiente como para romper los eslabones.
Hasta el momento, la inspección de los eslabones
de la cadena para detectar las grietas es simplemente visual.
Hay operarios destinados a inspeccionar visualmente los eslabones,
y a advertir en caso de detectar una grieta, o un eslabón
partido. El principal inconveniente de este sistema es su
baja eficacia, debido a que si la inspección se realiza
durante el funcionamiento de la cadena, los eslabones van
a una velocidad que puede ser bastante elevada, de forma
que un eslabón pasa por delante de un puesto de inspección
en menos de dos de segundos y, por lo tanto, resulta muy
difícil distinguir las grietas finas. Si la inspección
se realiza cuando la cadena está parada existen muchos
inconvenientes ya que en ciertos puntos del recorrido la
cadena no es accesible para poder ser revisada con detalle.
Así pues, se propuso a la universidad diseñar
un sistema para la detección de eslabones agrietados,
antes de que llegaran a fracturarse.
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| Figura 3: Fotografía
de una de las grietas antes de la fractura total. |
Además de la formación de grietas, el uso de las cadenas conlleva
el desgaste de las diferentes partes que la componen aumentando la separación
entre los eslabones. Si se multiplica la distancia que se separa cada eslabón
por el número de eslabones se obtiene la distancia que se ha alargado
la cadena con el uso. Esta distancia que se alarga provoca que la cadena se destense,
empeorando su funcionamiento.
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| Figura 4: Detalle de la cadena de montaje.
Se pueden ver las mallas, un bulón y un eslabón. |
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| Figura 5: Fotografía del desgaste
de los bulones. |
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Por otro lado, una monitorización de estos desgastes puede utilizarse
como indicador del estado de envejecimiento de las cadenas.
Técnicos de VW Navarra, S.A. ya habían desarrollado un sistema
de detección de bulones desgastados, así que se propuso emplear
una réplica del sistema, con alguna mejora en su diseño.
| Principios
de detección |
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Detección del desgaste
de bulones |
El principio de detección del desgaste de bulones es muy sencillo, ya
que con el desgaste crece la separación entre los eslabones. Si se colocan
dos haces láser en la línea de paso de los eslabones, separados
una distancia D, sólo pasaran los dos haces a la vez cuando la separación
entre los eslabones sea mayor o igual a D, en caso contrario siempre habrá al
menos un haz interrumpido.
Dado que se habían establecido dos umbrales de detección, el
primero para detectar lo que se denominó como “bulón desgastado” y
el segundo para los “bulones a cambiar” era preciso utilizar tres
haces de detección el lugar de 2. A continuación se presenta
una figura esquemática del sistema de detección y su comportamiento
ante el paso de varios eslabones.
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| Figura 6: Representación esquemática
del paso de varios eslabones por delante del sistema de detección
de desgaste de bulones. |
Como puede verse en el esquema anterior, la distancia entre
los eslabones 1 y 2 no es suficiente como para que pasen dos
haces a la vez. La distancia entre los eslabones 2 y 3 es suficiente
para dejar pasar el haz B2 y el haz B1 por su hueco, por lo
que se detectará lo que se denominó “bulón
desgastado”. La separación entre los eslabones
3 y 4 es suficientemente grande como para que, además
de pasar los haces B2 y B1 a la vez, pasen los haces B1 y B3,
por lo que se detectará primero como “bulón
desgastado” y después como “bulón
a cambiar” (prevalece la segunda).
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Detección de eslabones agrietados |
El principio para la detección de grietas se basa en
el estudio de la potencia óptica que refleja un haz de
luz láser proyectado sobre una superficie metálica,
que es, en este caso, el perfil de los eslabones de la cadena.
Cuando un eslabón presenta una grieta, la potencia óptica
reflejada disminuye considerablemente. Es a través de
estas atenuaciones en la reflexión como se detectan las
grietas.
Para seleccionar el sensor láser, hay que tener en
cuenta dos problema a la hora de realizar la detección:
el primero es la posibilidad de que la grieta sea suficientemente
grande como para que el haz pudiera reflejarse en la cara
opuesta del eslabón y el segundo es la vibración
vertical que presentan los eslabones conforme pasan por delante
del detector. Según esto, el láser más
adecuado era un láser oblicuo de haz lineal.
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| Figura 7: Esquema del sensor
láser empleado. |
Se aprovechan las señales de los sensores de detección de desgaste de bulones para activar y desactivar los sensores láser de detección de grietas (se utilizaron dos, para muestrear los eslabones por ambos lados) de tal forma que sólo se muestree la zona central de los eslabones (zona de menor sección), ya que las grietas únicamente aparecen ahí.
| Descripción
del sistema |
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El sistema consta de dos partes fundamentales: el armazón y el armario. El armazón se ajusta a la viga rail de la cadena para poder colocar los sensores frente a los eslabones. Es importante que el armazón esté firmemente sujeto para evitar el movimiento de los sensores. Éstos tienen a su vez varios grados de libertad con respecto al armazón para poder ser ajustados con precisión, ya que su colocación es crítica para el correcto funcionamiento del sistema.
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| Figura 8: Sistema colocado en una de las cadenas
de producción de VW Navarra, S.A. |
Junto con los sensores, sujeta al armazón hay una pistola de pintura que
se activa a través de una electroválvula controlada por un relé.
Esta pintura se colocó ya que la cadena no puede detenerse cuando el sistema
detecte un eslabón agrietado. Así pues, cuando esto suceda, el
sistema almacena el número de eslabón que presenta la grieta en
la memoria interna y lo marca mediante un disparo de la pistola de pintura para
facilitar su posterior identificación.
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| Figura 9: Vista de la cadena de producción
a su paso por el sistema detector. En la esquina superior derecha puede
verse el sensor de detección de inicio de cadena. |
El armario, que cuelga debajo del armazón, sirve para proteger los componentes
que forman el sistema de la suciedad, el polvo o posibles golpes. En la parte
frontal del mismo hay un display y unos botones a través de los cuales
se puede visualizar la información del estado de la cadena, acceder a
los menús para configurar el sistema y visualizar los datos almacenados
en memoria.
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| Figura 10: Vista de la parte frontal del armario.
Pueden verse los leds de aviso de error y de funcionamiento de los láser,
los botones y el display, mostrando los indicadores del estado de la cadena. |
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| Figura 11: Fotografía de la tarjeta
desarrollada para el proyecto. |
Además de mostrar la información en el display y almacenarla en
la memoria interna, el detector ofrece la posibilidad de recibir los datos en
un ordenador en tiempo real a través de un puerto RS232 situado en la
parte posterior del armario.
El sistema se desarrolló en su fase inicial en la universidad y una
vez que se obtuvieron resultados satisfactorios se llevó a la planta
de VW para realizar diversas pruebas con el fin de comprobar su funcionamiento
in-situ y para ajustar diversos parámetros que no podían hacerse
en la universidad.
Una vez ajustados los parámetros y comprobado su correcto funcionamiento
en las primeras pruebas el sistema fue instalado en una de las cadenas de producción
de la planta de VW para su utilización como herramienta de mantenimiento
preventivo de la misma. Además de prevenir la rotura de los eslabones
de la cadena, detectando las grietas cuando éstas todavía son
pequeñas, si se revisa periódicamente el estado general de los
eslabones y bulones de las cadenas puede determinarse el grado de deterioro
de las mismas pudiendo programarse los cambios de las mismas con precisión,
sin necesidad de utilizar las estimaciones de vida proporcionadas por los fabricantes.
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| Figura 12: Instalación del sistema
en una de las primeras pruebas. De izquierda a derecha: técnico
de VW, Javier Bravo, David Galbarra e Ignacio R. Matías (investigador
principal, con los brazos cruzados), miembros del equipo investigador que
desarrolló el sistema. |
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| Figura 13: Imagen del sistema funcionando
en su ubicación final. |
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