Datos del sensor y monitoreo de la condición de la bomba en aplicaciones de control numérico por computadora

Las bombas se utilizan en diversas aplicaciones industriales, incluida la fabricación y el mecanizado de control numérico por computadora (CNC).

Las máquinas CNC juegan un papel esencial en la fabricación de componentes para productos cotidianos. A diferencia de la fabricación aditiva (impresión 3D), las herramientas CNC de moldeo o formación, como taladros y cortadores, se utilizan para eliminar o triturar material de piezas de trabajo de acero, aluminio, carburos, latón, cobre e incluso plásticos para formar formas para un propósito específico. El material se elimina con brocas o herramientas de torno, girando a altas velocidades, que crean orificios, generan vacíos y/o eliminan capas superficiales con tolerancias estrechas. Estas herramientas de corte están montadas en una variedad de mandriles y son accionadas por servomotores de precisión que controlan la posición y el movimiento de las herramientas o piezas de trabajo bajo la supervisión de una computadora.

Además de taladrar y cortar, las máquinas CNC están diseñadas para muchos otros fines, como esmerilado, fresado y enrutamiento.

Las bombas juegan un papel clave en la función y operación de las máquinas CNC.

Por ejemplo, muchas máquinas CNC incluyen un aparato para aplicar refrigerante a la herramienta y la pieza de trabajo, a fin de facilitar un corte limpio y de alta calidad. El refrigerante suele ser una mezcla de agua con lubricante y sirve para varios propósitos, como reducir la expansión térmica del material, reducir el desgaste de las herramientas, prevenir la oxidación rápida en algunos materiales y, lo que es más importante, limpiar o evacuar las virutas de material que se producen. en el proceso de corte. La acumulación de virutas en la superficie de la herramienta o en el interior de las cavidades de corte de una pieza de trabajo puede provocar defectos en el corte y acelerar el desgaste de las herramientas. El refrigerante se bombea desde un depósito y se rocía sobre una herramienta desde una o más boquillas dirigidas a la punta de la herramienta. Este refrigerante luego regresa al depósito o sumidero, generalmente después del filtrado. La bomba utilizada en el sistema de refrigeración proporciona un flujo y una presión de refrigerante precisos, lo que la hace esencial para el correcto funcionamiento de las máquinas CNC.

En las operaciones de máquinas CNC automatizadas, las bombas también juegan un papel clave en el sistema hidráulico, la arquitectura utilizada para regular el manejo de múltiples herramientas sujetas al mandril del husillo. Este sistema hidráulico es responsable del control de las herramientas de corte de varios pesos y tamaños, la instalación de precisión y el intercambio de las herramientas de corte en el mandril del husillo, lo que requiere un alto grado de automatización con fluidos hidráulicos que operan bajo presiones que van desde 522 hasta 580 libras por pulgada cuadrada (psi).

Varios parámetros operativos medibles de los activos de la máquina CNC pueden ayudar a brindar visibilidad sobre el rendimiento de la operación general de la máquina. Examinar los datos de operación de esta máquina para determinar la necesidad de mantenimiento se ajusta a la práctica más amplia de monitoreo basado en la condición (CbM). La presión, el flujo o la velocidad del refrigerante e incluso las mediciones de vibración son tipos esenciales de datos de sensores necesarios para el monitoreo de condición. Estos datos alimentan algoritmos integrados para detectar y marcar anomalías y tendencias emergentes, brindando información procesable a los operadores y tomadores de decisiones dentro de la organización.

Para el monitoreo de la condición de la bomba, las señales de medición clave necesarias son la vibración, la presión, el caudal y la temperatura. La vibración, específicamente, tiene la mayor importancia dada su sensibilidad a varios modos de falla de la bomba. Las señales de vibración generalmente se extraen y analizan a una tasa de muestreo alta, lo que requiere técnicas de procesamiento de señales para evaluar la forma de onda de la bomba en el dominio de la frecuencia. Los indicadores de condición basados ​​en la vibración se calculan y consisten en métricas que consideran la magnitud de la vibración general y la magnitud del dominio de la frecuencia en las frecuencias características de los rodamientos, ejes y paletas. Las señales de presión, caudal y temperatura suelen tener una frecuencia de muestreo más baja. Otros indicadores de condición comunes a considerar son las características estadísticas o métricas derivadas de la curva de rendimiento de la bomba. Teniendo en cuenta que las bombas tienen muchos modos de falla diferentes, es ventajoso combinar múltiples indicadores de condición en un índice de salud para monitorear la bomba y comparar sus señales medidas con una condición de línea base de referencia. Con este indicador de estado de la bomba, se puede descubrir la detección temprana de problemas emergentes, así como información que revela qué variable del sensor contribuye más a la condición de mal estado.

Un fabricante global buscaba adoptar una solución de monitoreo de condición para la rectificadora CNC en su línea de producción para optimizar el mantenimiento y aumentar la productividad general. Con la ayuda de un proveedor de soluciones de mantenimiento predictivo, esta empresa pudo aprovechar las técnicas y algoritmos avanzados de procesamiento de datos del proveedor, así como el índice de salud desarrollado, para detectar y predecir tendencias de datos indicativas de operaciones de máquinas saludables, ampliando el uso de sensores datos más allá del control operativo dentro de la práctica típica de CbM.

El sistema hidráulico y la bomba se identificaron como subsistemas clave de la rectificadora CNC. Se instaló un sistema de recopilación de datos para monitorear la vibración, la presión y el caudal de la bomba, junto con mediciones adicionales relacionadas con el funcionamiento de la máquina trituradora. El enfoque de análisis segmentó los datos ciclo por ciclo y extrajo indicadores de condición de las señales de vibración, caudal y presión. Se utilizó un período de tiempo de referencia de aproximadamente un mes para entrenar el modelo de aprendizaje automático para saber qué condición se consideraba saludable para esta bomba. Luego se compararon los indicadores de condición de vibración, presión y caudal con este modelo de referencia. El índice de salud multivariable mostró una tendencia en desarrollo y aumento en el valor de salud a medida que se degradaba la condición de la bomba. La vibración se identificó como el principal factor contribuyente, ya que presentaba la tendencia más clara y perceptible a lo largo del tiempo. También se observaron tendencias a la baja más sutiles y reducciones en el caudal y la presión.

Con esta solución, la empresa pudo reconocer el problema emergente de la bomba y repararla antes de que su caudal y presión se redujeran a un estado en el que la bomba no pudiera realizar su función. Por lo tanto, se evitaron costosos tiempos de inactividad no planificados y fallas, y la reparación de la bomba se llevó a cabo en un momento más conveniente fuera de la producción. a su línea de base original y valores más altos.

Como ilustra el estudio de caso, la propuesta de valor principal para adoptar una solución de monitoreo de la condición de la bomba es la reducción del tiempo de inactividad no planificado. Los beneficios adicionales incluyen una disminución en el tiempo de reparación de la bomba, información de diagnóstico adicional y ahorro de energía. Solo se puede lograr el ahorro de costos si el sistema de monitoreo de condición proporciona una detección temprana de los problemas de la bomba a medida que se desarrollan. Afortunadamente, muchos modos comunes de falla de la bomba (falla del cojinete, cavitación, desalineación del eje, impulsor desequilibrado, falla del sello, etc.) están cubiertos por el monitoreo de la vibración, la presión, el caudal y la temperatura. Aunque la detección y el diagnóstico tempranos suelen ser factibles, la predicción precisa de fallas depende del modo de falla y podría requerir ejemplos anteriores de fallas para que el modelo aprenda el patrón de progresión de la falla.

A medida que las máquinas se vuelvan más complejas y operen a un nivel de rendimiento más alto, los sistemas de monitoreo que aprovechan las tecnologías de sensores múltiples, el procesamiento de señales y las técnicas de análisis de datos se convertirán en el estándar para las máquinas CNC y los sistemas de bombeo modernos.

Con esta tendencia general hacia conocimientos de datos avanzados, hay varios pasos recomendados para comenzar con el monitoreo de la condición de la bomba:

Realice análisis de criticidad para seleccionar activos para el monitoreo de condición en los que el tiempo de inactividad sería costoso y las fallas no serían extremadamente raras.

Si está disponible, revise el sistema de recopilación de datos que ya existe. Según sea necesario, agregue sensores e instrumentación adicionales, teniendo en cuenta que las señales clave para el monitoreo de la bomba son la vibración, el caudal, la presión y la temperatura, siendo la vibración la más importante.

Después de implementar un sistema de recopilación de datos adecuado, se debe establecer la base adecuada para comenzar a desarrollar e implementar el sistema de monitoreo de la condición de la bomba.

Asegúrese de seleccionar una solución predictiva que sea integral y escalable, diseñada específicamente para su uso en el sector industrial y que pueda ser utilizada tanto por el personal capacitado que trabaja para desarrollar la solución como por las partes interesadas clave que harán uso de ella. la información proporcionada para garantizar que se tomen las medidas correctas antes de que ocurran problemas costosos.

Al comenzar con el análisis de datos, concéntrese en un enfoque de análisis de aprendizaje automático basado en la línea de base, ya que los datos de falla a menudo no están suficientemente disponibles, y el enfoque basado en la línea de base tiene muchos ejemplos exitosos de detección temprana, lo que proporciona valor para varias aplicaciones.

David Siegel es el director de tecnología de Predictronics. Se le puede contactar [email protected]. Para obtener más información, visite predictronics.com. Ed Spence es el fundador y director general de The Machine Instrumentation Group. Para obtener más información, visite machineinstrumentation.com.