2 estado del arte stefan christiansen v.3

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Estado del Arte de Proyecto de Titulación

“Desarrollo de una interfaz gráfica de configuración, supervisión y adquisición de

datos para una herramienta de torque”

Presentado por: Stefan Christiansen ZúñigaROL USM: 2730007-3

Profesor guía: Manuel Olivares Salinas

Tutor en KRRC: Gonzalo Arroyo

Fecha: 14/08/14

Proyecto de Titulación

TÓPICOS A TRATAR

En un mundo moderno altamente competitivo, la calidad de los productos y servicios juegan un rol fundamental al momento de posicionarse como empresa. Es por esto que cada día se están automatizando más los procesos con el fin de estandarizar los resultados que garanticen que el producto o servicio cumple con los estándares de calidad requeridos, además de eliminar carga física sobre los operarios. Asimismo el disponer de una buena trazabilidad es indispensable para poder detectar errores, analizar los procedimientos realizados y servir como soporte cuando se deban aplicar políticas de garantías.

Una herramienta de torque consiste en un atornillador manual, eléctrico o neumático que posee un sensor de torque, el cual mide la tensión hasta llegar a un punto predeterminado, y se utiliza para efectuar aprietes de tornillos, tuercas, birlos y sujetadores donde se requiera precisión en la tensión de dichos aprietes. En el caso de los componentes electrónicos reparados en Komatsu Reman Center Chile se requiere dicha precisión al realizar los atornillados, por lo que se debe trabajar con alguna herramienta de torque.

Un valor agregado que tiene Komatsu Reman Center Chile es la trazabilidad que dispone en sus operaciones, sobre todo pensando en que se trabaja en la reparación de partes de maquinarias muy costosas y que trabajan en ambientes hostiles, por lo que es de gran utilidad disponer de la información de a qué partes se le realizaron qué procesos, y todo esto idealmente respaldado por datos técnicos. Para cumplir con ello, Komatsu Reman Center Chile dispone de un sistema propio de almacenamiento y gestión de datos llamado RESO. En RESO se registra toda la información asociada a cada reparación, y existen hojas de rutas que indican cada trabajo a realizar desde que ingresa un componente hasta que sale, pudiendo anexar informes que especifiquen los detalles técnicos de esas pruebas. Es por esto que para el caso de los componentes electrónicos es útil tener un registro en base de datos sobre cada trabajo de atornillado realizado, ya que malos atornillados, ya sea por quedar muy sueltos provocando desprendimientos o muy apretados provocando rupturas, pueden desencadenar en fallas imprevistas.

Es ideal poder integrar todos los elementos mencionados anteriormente, juntando el utilizar la herramienta de precisión, adquirir datos, monitorear el estado en tiempo real, guiar al operario y guardar la información en una base de datos, todo en un mismo proceso. Para ello se debe poder crear una interfaz humano máquina (HMI) que tenga conectividad entre la herramienta y un computador.

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TRABAJOS RELACIONADOS CON LOS TEMAS A TRATAR

1) Sensores de Torque:

En cuanto a las herramientas de torque, el componente fundamental para obtener la precisión de los aprietes es el sensor de torque. La base de los sensores de torque consiste en la utilización de Galgas Extensométricas en configuración de un puente de Wheatstone, como se aprecia en la Figura 1, las cuales son colocadas en un eje mecánico y así se puede medir la torsión.

Usando como base el mismo principio de detección de torque mediante la torsión de las Galgas Extensométricas, existen dos grandes categorías de sensores de torque: estáticos y dinámicos. Estos se diferencian según la aplicación que se desea medir y dónde se desea realizar la medición.

Figura 1. Puente de Wheatstone

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1.1) Sensores de torque estáticos:

Los sensores de torque estáticos miden el torque de reacción. Utilizan las Galgas Extensométricas en configuración de puente completo en un eje no rotativo, por lo que todo el sensor de par está sometido a la torsión que se le aplique en extremos. Pueden ser usados para comprobar el torque residual en sujetadores y determinar el torque para vencer los efectos de la fricción.

La simplicidad de los sensores de torque estáticos hace que sean menos costosos y que su implementación sea fácil, evitando la conexión eléctrica al sensor en una aplicación rotatoria, por lo que si la aplicación no requiere una medición dinámica donde haya predominancia de la aceleración angular, estos sensores son ideales.

1.2) Sensores de torque dinámicos:

Los sensores de torque dinámicos se utilizan cuando se desea medir una aplicación donde existe una aceleración angular, principalmente cuando hay involucrado movimiento a un alto nivel de revoluciones. También tienen la particularidad de poder venir integrados con sensores de posición y poder medir velocidad y ángulo.

Como se puede ver en [3], para lograr la conexión entre los sensores rotatorios y la electrónica estacionaria, existen varios métodos con distintas características mecánicas y capacidades.

Uno de los métodos más utilizados corresponde al de utilizar anillos deslizantes. Estos anillos rotan con el sensor, y para transmitir las señales se utilizan escobillas que entran en contacto con los anillos. Tanto los anillos como las escobillas presentan desgaste a largo plazo, y su rendimiento disminuye a altas velocidades. Por lo que si bien es una solución económica, se debe tener presente en qué aplicación será utilizada.

Otro método es el del transformador rotatorio, donde se debe proporcionar externamente un voltaje de excitación AC al puente Wheatstone. El puente luego conduce un segundo bobinado, obteniendo la señal del sensor rotatorio. Como este método no presenta desgaste, se hace más conveniente para aplicaciones más duraderas, pero debido a la fragilidad de los componentes del sistema también tiene limitaciones de velocidad, y se pueden provocar señales de ruido producto del alineamiento de los bobinados primario y secundario. Otra consideración es

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que hay que tener acondicionamiento de señal para poder producir una señal aceptable para la mayoría de los sistemas de adquisición de datos, lo cual agrega mayor costo.

Otro método que realiza lo mismo sin contacto, es el infrarrojo. El sensor rotatorio es directamente energizado. A diferencia del método del transformador, en vez de excitar directamente el puente, se usa para energizar un circuito del sensor, el cual excita al puente y digitaliza la señal para poder ser enviada por infrarrojo, donde otro circuito la recibe y la convierte nuevamente en señal análoga. Este método si bien es más costoso, ofrece las ventajas de ser menos susceptible a ruido provocado por motores o campos magnéticos, es completamente sin contacto y sin mantenimiento, y puede trabajar a altas velocidades.

Por último existe un método de Telemetría FM. Este método utiliza un transmisor FM, que sirve para conectar remotamente cualquier sensor al sistema de adquisición de datos, realizando una conversión de señal análogo-digital, y es transmitida a un receptor FM, que realiza la conversión digital-análoga. Es fácil de implementar y es reusable para varios sensores personalizados, pero tiene el problema de necesitar una fuente de poder para el sensor rotatorio.

Los sensores de torque modernos aprovechan el desarrollo de la electrónica para lograr implementar circuitos que tengan mediciones cada vez más estables y robustas, tendiendo a realizar conversiones análogo-digital y viceversa. Para el desarrollo futuro se espera que la base sigan siendo las Galgas Extensométricas, y que hayan sensores inteligentes que almacenen los datos. En la Figura 2. se muestra un esquema general de cómo es un sensor de torque moderno.

Figura 2. Sensor de torque moderno con electrónica integrada

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En el caso del proyecto “Desarrollo de una interfaz gráfica de configuración, supervisión y adquisición de datos para una herramienta de torque”, la herramienta de torque a utilizar que posee Komatsu Reman Center Chile, llamada Handy 2000, tiene un sensor de torque rotatorio, con sensor de posición integrado, detectando velocidad y ángulo.

2) Tipos de herramientas de torque:

2.1) Manuales:

Las herramientas de torque manuales funcionan exactamente como un atornillador o llave manual, donde el operario realiza todo el movimiento de apriete. Al llegar al torque predeterminado, la herramienta acciona un mecanismo de aviso y detención para que no se siga realizando el apriete. Son útiles cuando se requieren realizar trabajos sencillos y a baja escala, donde la cantidad, frecuencia y fuerza de aprietes no sea una carga para el operario.

2.2) Neumáticas:

Las herramientas de torque neumáticas son utilizadas cuando se requiere realizar torques de gran magnitud, y con mayor velocidad. Se pueden encontrar normalmente en la industria de ensamble automotriz, en aplicaciones aeroespaciales y marinas. Son las más usadas y por lo tanto existe una mayor variedad de tipos que funcionan bajo el mismo principio.

Las ventajas en general de las herramientas de torque neumáticas son precisión, buena relación de poder-peso (para un mismo tamaño, una herramienta de torque neumática capacidad de realizar torques de mayor magnitud que una eléctrica), gran capacidad de trabajar ininterrumpidamente, gran variedad de niveles de torque y velocidad disponibles, y fácil mantenimiento.

2.3) Eléctricas:

Las herramientas de torque eléctricas son utilizadas principalmente en atornillados de aplicaciones de armado ligeros, como ensamble de componentes electrónicos o pequeñas piezas en general. Utilizan motores con y sin cepillos, y tienen la ventaja de poder atornillar a altas velocidades. Son útiles para aumentar la productividad, logrando atornillados y desatornillados a gran velocidad y con menor carga para el operario.

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Dentro de las herramientas de torque eléctricas, se encuentran las con transductor DC, que además de realizar los aprietes a alta velocidad y detectar el torque final, incluyen un sistema de control utilizando variables precisas de torque, velocidad y ángulo, pudiendo así verificar procesos y repetir de manera exacta. No poseen ajustes mecánicos, sino que todas las variables se realizan mediante la programación de un controlador.

Las ventajas en general de las herramientas de torque eléctricas son su precisión en control de torque, bajos niveles de sonido, bajos niveles de vibración, no contaminan el aire, son versátiles y fácilmente portables, eficientes energéticamente y fáciles de calibrar.

La herramienta Handy 2000 corresponde a una herramienta de torque eléctrica con transductor DC. Según [4], la herramienta Handy 2000 cumple las normas ISO descritas en [5] y [6], donde se asegura que la herramienta tenga una precisión de atornillado acorde a lo requerido, con una performance de desviación del 3% del torque en 6 sigma. Además las mediciones de torque y ángulo se realizan cada 0.5 milisegundos, asegurando la rapidez necesaria para efectuar correctamente las curvas de torque configuradas. Otro detalle visto en [4] es que esta herramienta de torque consume 1/20 de energía de lo que consumen las herramientas de torque neumáticas.

3) Características de los controladores:

3.1) Funcionalidades y análisis disponibles:

El común de las herramientas de torque funciona en modo directo, es decir, se aplica torque de forma continua. Como se puede ver en [7], ESTIC Corporation posee una tecnología patentada para trabajar en modo de pulso, donde se sigue la forma de la curva de torque de manera discontinua, como se observa en la Figura 3. Este modo sirve para reducir considerablemente la fuerza de reacción al realizar un apriete, de modo que su utilización es más segura y aliviana la carga sobre el operario.

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Figura 3. Curvas de torque y de nivel de pulsos en modo de pulso

En [7] se puede ver que la herramienta, sin considerar accesorios adicionales, consta de 3 funciones básicas: “Channel”, “Multichannel” y “Job”. En Channel se pueden configurar todos los parámetros para realizar una operación de atornillado o desatornillado, de modo de lograr una curva como en la Figura 4. El controlador de la herramienta puede guardar hasta 99 Channels distintos.

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Figura 4. Curva de torque con sus parámetros a configurar

En la función Multichannel, se puede configurar una secuencia de hasta 8 Channels distintos. Se utiliza normalmente para aclimatar el atornillador como en una secuencia “Atornillar-Desatornillar-Atornillar”, o “Preatornillar-Detección de torque restante-Atornillar”. Los Multichannel se configuran en el mismo sector que los Channel, ocupando espacio dentro los 99 Channels a programar.

Por último se encuentra la función Job, donde se puede configurar una secuencia de Channels y Multichannels, indicando además cuántas repeticiones se desean para cada paso de la secuencia. Por cada Job se pueden configurar 30 pasos. Esto sirve para elegir una secuencia de atornillados y desatornillados a aplicar a distintos tornillos de algún componente.

Para realizar todo lo anterior la única configuración necesaria es cablear el controlador a la herramienta, tal como se muestra en la Figura 5.

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Figura 5. Conexión entre herramienta Handy 2000 y su controlador

Un accesorio que tiene la herramienta Handy 2000 es el “Tracer Arm”. Como se ve en [8], este accesorio corresponde a un brazo con detección de posición donde se coloca la herramienta. Sus principales funciones son que el brazo sirva como soporte de fácil movimiento para alivianar la carga sobre el operario, y poder detectar posiciones para así configurar secuencias de atornillado donde la herramienta haga el trabajo correcto en el orden establecido, evitando así error humano. Para realizar esto último, se dispone de la función “Trace Job”. Utilizando la unidad de control del Tracer Arm, se pueden guardar las posiciones de los tornillos a realizar los aprietes. Se pueden guardar un total de 66 posiciones distintas para cada trabajo, y en total se pueden guardar 99 trabajos distintos. Luego, con Trace Job se le asocia a cada posición un Channel/Multichannel en particular, y cuando el brazo detecta una posición, se selecciona automáticamente en el controlador el canal correspondiente. Otra capacidad que tiene el Tracer Arm es el asegurar la secuencialidad, bloqueando la herramienta cuando no se encuentre en la posición correspondiente.

La configuración para conectar la herramienta, las unidades de control y el Tracer Arm se muestra en la Figura 6.

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Figura 6. Configuración y cableado del sistema utilizando el Tracer Arm

En cuanto a la interfaz humano-máquina (HMI) y la adquisición de datos de una herramienta de torque, en [9] se puede ver que Norbar, empresa que manufactura herramientas de torque, tiene un instrumento llamado T-Box y un software Torque Data Management System (TDMS). T-Box es una pantalla táctil con una interfaz gráfica en la que se puede seleccionar la herramienta a utilizar, teniendo plantillas predeterminadas para las herramientas de Norbar, y pudiendo crear plantillas nuevas. También se pueden configurar torques deseados para objetivos específicos (tornillos o tuercas), pudiendo incorporar secuencialidad. Luego de eso se pueden guardar las curvas de torque asociadas al trabajo realizado. Mediante la utilización de TDMS, toda la información se puede archivar en una base de datos, y se pueden generar certificados de calibración.

En [10] se puede ver el instrumento Torque Tool Tester Series TT02, que es capaz de indicar el torque real que se está efectuando con la respectiva herramienta de torque. Como se describe en [11], esa información se puede guardar en tiempo real, generar gráficos, reportes estadísticos completos configurables con información tal como límites en los que se encontró (pasar prueba o no), torques, curvas, tiempos, etc.

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Tanto en el caso de [9] como de [10], estas interfaces ya implementadas en los productos están enfocadas en el proceso de calibración de las herramientas, ya que los tornillos y tuercas para realizar los aprietes son parte del hardware de los instrumentos mismos con sus propios transductores, no pudiendo así realizar las mediciones, monitoreo de torque y de secuencialidad, y guardado de reportes estadísticos, en tornillos externos. Esto se debe principalmente a la imposibilidad de acceder al sensor de torque propio de la herramienta, o al de colocar uno en cada base de los tornillos a apretar. Para lograr esa completa adquisición de datos y monitoreo con cualquier tornillo, se necesita que la misma herramienta tenga conectividad con un controlador y que disponga de un monitor con interfaz o un software propio, o en su defecto que el controlador tenga salidas de comunicación hacia un PC.

Un controlador simple asociado directamente a una serie de herramientas de torque, pudiendo configurar así distintas curvas y guardar la información asociada a los aprietes realizados a cualquier tornillo, se puede ver en [12]. Posee únicamente la posibilidad de configurar 8 canales distintos con sus respectivas curvas de torque.

Ya entrando a las soluciones más complejas que se encuentran en el mercado, se puede ver en [13] un controlador asociado a una serie de herramientas de torque, teniendo la capacidad de configurar distintos modos de curvas de torque y guardarlos en 99 canales distintos. En [14] se puede ver que consta de un software propio que es capaz de almacenar los datos asociados a los aprietes realizados, configurar de reportes, mostrar curvas de torque, y hasta mostrar un monitoreo de procesos.

En cuanto al asegurar la secuencialidad mediante un detector de posiciones y no tan solo indicando cuál es la secuencia de torques a aplicar, en [15] se puede ver un brazo con su respectivo controlador que consta con un encoder de posición, y puede indicar si se está efectuando correctamente la secuencia previamente programada. Además sirve para reducir el torque de reacción, minimizando así la carga sobre el operario. Tiene prácticamente el mismo funcionamiento que el brazo descrito en [8], sirviendo también para cierta familia de productos de una marca, pudiendo además conectarse con el respectivo controlador.

3.2) Flexibilidad:

Para poder desarrollar una interfaz de usuario personalizada según necesidades propias, o simplemente para poder procesar y almacenar los datos a conveniencia sin tener que utilizar las funciones y sistema predeterminado del software de una herramienta, es necesario tener acceso a las señales del controlador.

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Si bien gran parte de las herramientas de torque con controlador disponen únicamente de su software propio, existen varias herramientas que disponen de protocolos de comunicación para poder tener acceso a las señales y así poder manipularlas como se desee.

En [12] se puede ver que el controlador FEDIII se puede comunicar con un PC mediante el protocolo RS-232C.

En [13] se puede ver que el controlador Alpha tiene puertos Serial, Ethernet, Device-Net y Profibus.

En [7] se puede ver que el controlador de la herramienta Handy 2000 se puede comunicar mediante los protocolos DeviceNet, Profibus-DP, CC-link, EtherNet/IP, Modbus RTU, y Modbus TCP.

Con estos protocolos de comunicación se pueden obtener señales tales como el monitoreo del torque aplicado, curvas de torque, torque final, ángulo, posición actual, etapa del trabajo actual, resultado de un trabajo, etc. Por lo que se pueden realizar softwares distintos de los proporcionados por el fabricante, adecuándose a las necesidades que la empresa requiera según sus necesidades propias de monitoreo y trazabilidad.

CONCLUSIONES

La tecnología referente a las herramientas de torque ha evolucionado mucho desde su aparición, donde en la actualidad con circuitos cada vez más pequeños y estables se ha podido incrementar la precisión de los sensores de torque, llevando a las herramientas a cumplir con un nivel de confiabilidad normado según ciertos estándares. Este tipo de herramientas es ampliamente utilizada en la industria actual, donde en los procesos de armado se requiera efectuar aprietes a tornillos o tuercas con gran precisión.

En el mercado existen variadas soluciones en cuanto a hardware y software para cumplir con los requerimientos de realizar aprietes con precisión y disponer de trazabilidad guardando toda la información relevante respecto a ello. Sin embargo, las soluciones predeterminadas existentes, por más completas que sean, no dejan espacio a la adaptación e integración de las necesidades particulares que pueda poseer un usuario. Es por ello que el ideal es disponer de una herramienta que sea capaz de integrar todo el hardware necesario (herramienta-controlador-brazo) y que tenga la opción de conectividad mediante protocolos de comunicación con algún

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PC, pudiendo así disponer de las señales necesarias para programar una interfaz propia que cumpla directamente con los requisitos solicitados.

La herramienta Handy 2000 cuenta con las características anteriormente mencionadas. Al igual que el resto, también dispone de su software propio, que no es suficiente para los requerimientos de Komatsu Reman Center Chile. Es por ello que es útil la capacidad de comunicación de su controlador con el PC, para que mediante algún protocolo se pueda disponer de las señales necesarias a ser manipuladas por un software externo y así crear una interfaz propia y personalizada que cumpla con todo lo requerido por la empresa.

BIBLIOGRAFÍA

[1] Dr. Wilfried Krimmel, “Evolution and future of torque measurement technology”. Sensors & Transducers Magazine (S&T e-Digest), Vol.65, Issue 3, March 2006, pp.500-508

[2] Juan Antonio Muñoz Japón, “Puesta en marcha de un banco de ensayos para vehículos híbridos propulsados por pilas de combustible”, capítulo “5.Sensor de par”, 2011.

[3] David Schrand, Sensor Developments Inc., “The Basics of Torque Measurement”

[4] ESTIC Corporation, “Handheld nutrunner Handy 2000 web catalog”, pp.3-4

[5] ISO 5393:1994, “Rotary tools for threaded fasteners -- Performance test method”

[6] ISO 9001:2008, “Quality management systems – Requirements”

[7] ESTIC Corporation, “Handy 2000 Type 4 Operation Manual”

[8] ESTIC Corporation, “Handy 2000 Trace Control Unit Tracer Arm Operation Manual”

[9] Norbar Torque Tools, “T-Box and TDMS (Torque Data Management System) catalogue”

[10] Mark-10, “Torque Tool Tester Series TT02 Data Sheet”

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[11] Mark-10, “Measure Gauge Software Data Sheet”

[12] Technart, “FEDIII (FEDIII-h) Controller Manual”

[13] Stanley Assembly Technologies, “Alpha Controller User Manual”

[14] Stanley Assembly Technologies, “DataLinc Torque Monitoring SW”

[15] Mountz, “EZ-Glider Position Controller Torque Arm Operating Instructions”

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