Automatización de banco de ensayo de engranajes para el estudio de métodos de detección de estado

"La utilización de las herramientas software de NI ha permitido el desarrollo de un sistema de control abierto para un banco de ensayos comercial, posibilitando su adecuación a las nuevas condiciones de trabajo a la vez de dotarlo de nuevas prestaciones de seguridad." - Joseba Arana, Ik4-Tekniker

El Reto: Automatizar el control y adquisición de datos de un banco de ensayo de engranajes y rodamientos comercial, para permitir la realización de nuevas configuraciones de ensayo orientados al desarrollo de métodos de detección de estado en actuadores electromecánicos.

La Solución: Diseñar e implementar una solución de control que permite la definición previa de configuraciones de ensayo en hoja electrónica o procesador de textos, que posteriormente son interpretadas y ejecutadas por la máquina de forma secuencial y controlada, eliminando la necesidad de presencia humana y dotando a la instalación de un mayor grado de seguridad. Autor(es): Joseba Arana - Ik4-Tekniker Introducción El banco de ensayos Gear Prognostics Simulator está orientado al estudio de métodos de detección de estado basados en la monitorización de corriente en máquina con el objetivo de desarrollar soluciones ‘ sensorless’ para mantenimiento predictivo.También está orientado a la simulación de fallos mecánicos que se puedan dar y, analizando la señal de la corriente, caracterizar el tipo de fallo. Se trata de detectar fallos mecánicos incipientes en cajas reductoras para actuadores electromecánicos.Permite configurar ensayos tanto de detección de estado como de degradación continua (ensayos de larga duración en condiciones variables).Se trata de un equipamiento comercial adquirido hace varios años para la realización de una serie de ensayos muy específicos. Los nuevos trabajos de investigación que se están llevando a cabo en IK4-TEKNIKER dentro de proyectos europeos orientados al desarrollo de métodos de detección de estado requieren la realización de ensayos a muy diferentes condiciones de trabajo.La configuración de la máquina comercial obligaba a la definición manual de cada ensayo exigiendo una dedicación continua. Al tratarse de una máquina con un control cerrado, ello impedía la ejecución de ensayos según las nuevas especificaciones de test. La nueva configuración permite reducir al máximo el tiempo de configuración de ensayos máquina, eliminar la necesidad de presencia humana en los ensayos y a la vez dotar a la instalación de un mayor grado de seguridad.Se compone fundamentalmente de dos motores enfrentados, una reductora y una caja de engranajes monitorizada. Uno de los motores actúa como accionamiento y el otro como carga.El banco posibilita la realización, en todo el rango de revoluciones del motor, de ensayos en rampa o velocidad constante y trabajando contra diferentes cargas. Dichas cargas son configurables y pueden ser puramente resistivas (afectan fundamentalmente a los engranajes) o también axiales (afectan a los rodamientos). Los accionamientos están configurados por motores de alterna de 4.5 Kw controlados desde la aplicación LabVIEW mediante comunicación Modbus. Se programa la aceleración y velocidad de trabajo en el motor de accionamiento, la rampa de par en el motor de carga y la carga axial.

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Configuración máquina Se estudian diversas estrategias de monitorización, la mejor combinación de sensores, la influencia de diversas cargas en las medidas y estrategias que permitan una mejor monitorización de los fallos.Una de ellas se basa en la inserción de fallos en engranajes y el análisis de comportamiento de máquina.

Arquitectura La arquitectura de control está basada en una plataforma PC, que incorpora tarjetas PCI de NI de adquisición de datos con alta precisión para señales dinámicas de sensores en máquina y realiza el control de motores gracias al conjunto de bloques de función NI Modbus que posibilitan la comunicación con los variadores. La selección de parámetros idóneos para la determinación de la forma más adecuada de caracterización, exigen el empleo de múltiples y variados sensores durante el proceso de investigación. En la configuración activa se han instalado tres acelerómetros ICP que monitorizan las vibraciones en diferentes puntos de la caja de engranajes, dos sondas de corriente de efecto Hall que monitorizan el consumo del motor de accionamiento, un sensor para la medición del par en el eje de accionamiento y dos encoders incrementales que permiten relacionar el conjunto de señales medida con la posición angular a cada extremo de las cajas de engranajes. La arquitectura diseñada permite una rápida reconfiguración del hardware para la monitorización de nuevos parámetros y la adecuación del software del control. La frecuencia de adquisición configurada es de 50kHz para el conjunto de señales de forma sincronizada.Esta característica es fundamental a la hora de procesar e interpretar los resultados. El empleo de la herramienta NI labVIEW ha permitido aunar las capacidades de control y adquisición de datos con las posibilidades de gestión y comunicación. Por un lado el control de motores (variadores de frecuencia) mediante comunicación Modbus, sobre la base de condiciones de trabajo definidas en ficheros de configuración, y por otro el control de parámetros de proceso (aceleración, par, intensidad, temperatura, etc.) mediante tarjetas de adquisición de alta precisión.

Configuración ensayos Las características de los ensayos a realizar, variables en velocidad, carga y tiempo, y el elevado número de los mismos que deben ser secuenciados, han dado pie a la definición y desarrollo de una herramienta de configuración de ensayos sobre la base de software de procesamiento de textos u hoja de cálculo, que permiten una rápida edición de parámetros de ensayo y su posterior interpretación por parte de la aplicación de control. La ventana de configuración interpreta las secuencias de ensayo, verifica su validez y permite su modificación y la definición de límites de trabajo.

Herramienta de Configuración de ensayos

Control de ensayos El modulo de control interpreta, para cada configuración de ensayo, los parámetros de programación, la comunicación y el control de los variadores y la gestión de límites de trabajo o seguridad.

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Pantalla de adquisición

En caso de producirse un error debido a sobrepasarse uno de los límites establecidos, el ensayo se finaliza de forma controlada y se activa la alarma correspondiente en la pantalla de alarmas. El conjunto de datos de cada uno de los distintos ensayos se almacena en ficheros cuya estructura permite su manipulacion mediante una serie de funciones desarrolladas en Matlab que posibilitan la interpretacion y determinacion de las capacidades de cada configuración de medida con respecto al estado de los engranages o rodamientos. Conclusión: La plataforma LabVIEW ha posibilitado el desarrollo de un control autónomo de máquina, reduciendo drásticamente el tiempo de preparación y supervisión de ensayos por parte del usuario de la máquina y mejorando su seguridad. Gracias a LabVIEW se ha implementado de forma rápida una nueva herramienta de configuración y ejecución de ensayos de alta flexibilidad que posibilita una rápida adaptación del control de máquina a nuevas especificaciones de ensayo, dejando la puerta abierta a nuevas especificaciones de monitorización y control.

Información del Autor: Joseba Arana Ik4-Tekniker

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Configuración máquina

Ejemplo de fallos insertados

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Herramienta de configuracion de ensayos

Pantalla de adquisición Legal Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO "COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.

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