Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeroespacial Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Autor: Juan Diego López Romero Tutor: José Cañas Delgado Dep. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 iv Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeroespacial Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Autor: Juan Diego López Romero Tutor: José Cañas Delgado Catedrático de Universidad Dep. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 vi Proyecto Fin de Carrera: Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Autor: Juan Diego López Romero Tutor: José Cañas Delgado El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2015 El Secretario del Tribunal viii A mi familia A mis amigos vii 6.1.1 Observaciones preliminares 35 6.1.2 Ensayo 1 35 6.1.3 Ensayo 2 38 6.1.4 Discusión de resultados 40 6.2 Ensayo al 80% de la carga de rotura 40 6.2.1 Ensayo 40 6.2.2 Discusión de resultados 44 6.3 Ensayo al 70% de la carga de rotura 44 6.3.1 Ensayo 44 6.3.2 Discusión de resultados 48 6.4 Evaluación global 48 7 Conclusiones 49 7.1 Comentarios 49 7.2 Lecciones aprendidas 49 7.3 Propuestas de mejora 50 Referencias 51 Anexo 52 Detalles del montaje 52 Manual de uso del sistema 57 Ruta en Zig-Zag 57 Ruta circunferencial 60 Macro 61 Tablas de atenuación 63 Primer ensayo con 90% carga de rotura 63 Segundo ensayo con 90% carga de rotura 64 80% carga de rotura 65 70% carga de rotura 66 Códigos 68 viii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Imagen del USD 10 5 Figura 2-2. Interpolación de puntos en Matlab 6 Figura 2-3. Fotografía (Izquierda) y procesado en ImageJ (Derecha) 6 Figura 2-4. Imagen del Plotter 2D de Makeblock 7 Figura 2-5. Imagen del EPOCH 1000i 8 Figura 2-6. Imagen de la máquina INSTRON 8801 9 Figura 3-1. Esquema de la electrónica del plotter 12 Figura 3-2. Sujeciones del montaje frontal 12 Figura 3-3. Vista frontal del montaje frontal 13 Figura 3-4. Detalle de la flexión de las sujeciones 14 Figura 3-5. Fotografía del montaje lateral interior 14 Figura 3-6. Pinzas de sujeción para el montaje lateral interior 15 Figura 3-7. Mecanismo retraído 16 Figura 3-8. Mecanismo extraído 16 Figura 3-9. Detalle de la sujeción del palpador 1 17 Figura 3-10. Detalle de la sujeción del palpador 2 17 Figura 3-11. Detalle de gomillas de compensación 17 Figura 3-12. Detalle de gomillas de presión 17 Figura 3-13. Esquema de funcionamiento del sistema 19 Figura 3-14. Probetas 20 Figura 4-1. Interfaz Zig-Zag 1 23 Figura 4-2. Interfaz Zig-Zag 2 24 Figura 4-3. Interfaz Zig-Zag 3 25 Figura 4-4. Interfaz Zig-Zag 4 25 Figura 4-5. Puntos de exploración con desfase angular 27 ix Figura 4-6. Puntos de exploración sin desfase angular 27 Figura 4-7. Interfaz Circunferencial 1 27 Figura 4-8. Interfaz Circunferencial 2 28 Figura 4-9. Interfaz Circunferencial 3 28 Figura 5-1. Probeta ensayada a tracción 29 Figura 5-2. Indicación del manómetro durante los ensayos 30 Figura 5-3. Montaje experimental 31 Figura 5-4. Problema de placa con orificio 32 Figura 5-5. Simulación de la solución tensional (Código de poloestable.wordpress.com/) 33 Figura 5-6. Zonas de dominio de las componentes tensionales 34 1 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Objeto del proyecto Como ya se ha dicho en el resumen, este Trabajo de Fin de Grado ha consistido en el desarrollo de un montaje experimental robotizado de exploración de placas de fibra de carbono en busca de defectos mediante ultrasonidos, el desarrollo del correspondiente software de control y análisis de datos y el testeo del mismo mediante la exploración de diversos especímenes mientras eran sometidos a fatiga. En el ámbito académico, el objetivo principal del proyecto se ha centrado en un acercamiento a los detectores de defectos mediante ultrasonidos, la automatización de procesos experimentales, y en definitiva, una buena toma de contacto con los ensayos no destructivos. Los distintos montajes, pruebas de equipo y ensayos se han llevado a cabo en el Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de Materiales (LERM) de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ETSI) de Sevilla. 1.2 Alcance El alcance del proyecto sufrió distintos cambios durante su desarrollo: 1.2.1 Objetivos iniciales En un principio, los objetivos del proyecto consistían globalmente en dos tareas que a continuación se detallan: i. Exploración manual La primera parte del proyecto consistía en realizar distintos ensayos de fatiga a varias placas de fibra de carbono, variando la orientación relativa de las fibras, con el fin de ser exploradas posteriormente mediante un dispositivo de ultrasonidos en busca de defectos. La idea principal consistía en aprender a reconocer los distintos tipos de defectos que se pueden encontrar en este tipo de placas mediante la exploración de las mismas con palpadores ultrasónicos y documentar qué tipo de defectos aparecían en función de: - La orientación de las fibras - La geometría de la placa - La frecuencia - La amplitud de la carga - Condiciones de temperatura, humedad,… - Etc. Lo que sabemos es una gota de agua, lo que ignoramos es el océano. - Isaac Newton - Introducción 2 ii. Automatización del proceso Una vez realizado el primer acercamiento a los equipos y a los especímenes, el proyecto concluiría con el desarrollo de un sistema sencillo de exploración automática de las placas que detectaría los distintos tipos de defectos que puedan darse de manera automática, de manera que posteriores estudios no se centren en el manejo del equipo de ultrasonidos, sino en variar las condiciones de ensayo (Como las expuestas en la lista del punto anterior) para poder realizar investigaciones de una manera ágil y eficaz. La exploración objetivo consistía en un barrido en zig-zag de probetas de fibra de carbono in situ (Sin ser desmontadas de la máquina de ensayo), de tal manera que se pudiera realizar un estudio de imperfecciones a medida que se le aplicaban ciclos de carga 1.2.2 Objetivos finales i. Respecto a la automatización Durante los estudios preliminares (Que se detallarán más adelante) se vio necesario adquirir un nuevo equipo de ultrasonidos que permitiera una captación de datos manejable, lo cual requirió búsqueda de distintos dispositivos comerciales que cubriera los requerimientos mínimos para este proyecto. Así mismo, la búsqueda de material para la automatización, y en vista a que la segunda parte del proyecto cubriría gran parte de la carga de trabajo, se optó por solucionar la búsqueda del material en lugar de realizar los ensayos manuales, y diseñar al completo el montaje automático. ii. Respecto al ensayo Después del diseño del montaje, el desarrollo del software y las distintas pruebas realizadas al mismo, se tomó la decisión de concluir el proyecto validando el nuevo montaje experimental fatigando varias placas de fibra de carbono con orificio central (De tal manera que se ahorraría tiempo en este tipo de ensayos) y midiendo la atenuación del rebote de las ondas ultrasónicas en el espesor de las placas mientras eran ensayadas. 1.3 Antecedentes Por ensayo no destructivo (END) se entiende todo tipo de prueba o examen en la cual, sin destruir el objeto o alterar notablemente sus propiedades, se puede obtener información del mismo; en contraste con los destructivos, en los que se aplican directamente procedimientos físicos y en consecuencia algún tipo de daño en la pieza a ensayar. En términos industriales, este segundo tipo de ensayo no es aplicable a la producción de manera global, pues dañar componentes de productos fabricados para probar su funcionalidad o estado es cuanto menos impracticable. Actualmente, los nuevos retos de fabricación, el continuo crecimiento de la industria, la introducción de la automatización de procesos, y los desafíos tecnológicos, hacen de los END una solución de compromiso para poder realizar seguimientos del estado de los productos, durante su fabricación y su etapa de servicio, de una manera rápida y eficaz. Así mismo, y en relación con la aplicación en el presente trabajo, también permiten llevar a cabo labores de investigación o seguimiento para determinar propiedades o comportamientos de materiales ante diferentes solicitaciones o condiciones de ensayo. Siguiendo esa línea general, pueden distinguirse varias aplicaciones de los END: - Caracterización: Naturaleza, estado, determinación de tratamientos térmicos o superficiales, etc. - Metrología: Comprobación de tolerancias, registros de fabricación, etc. - Detección de defectos: Ya pueden ser para comprobar el estado de deterioro de una pieza o componente en servicio y validar o no su utilidad, o bien, en relación con el control de calidad en 3 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos fabricación, detectar imperfecciones o fallos en el proceso e igualmente validar o no los productos fabricados. Los métodos END se basan en emplear un principio o fenómeno físico conocido, de tal manera que se pueda obtener información mediante la respuesta del material ante el mismo. Así encontramos distintos procedimientos: - Ensayo ultrasónico (UT): Ondas elásticas - Ensayo por radiación (RT): Ondas electromagnéticas - Ensayo por corrientes de Foucault (ET): Corriente eléctrica inducida - Ensayo con partículas magnéticas (MT): Campo magético - Ensayo con líquido penetrante (PT): Capilaridad - Ensayo visual (VT): Luz visible - Ensayo por emisión acústica (AET): Ondas sonoras - Ensayo térmico por infrarrojos (IRT): Temperatura Siendo solo los 2 primeros los únicos aplicables a materiales compuestos. Este trabajo se ha realizado mediante el uso de dispositivos de detección de defectos mediantes ondas ultrasónicas. La razón del empleo de este tipo de onda para detectar defectos en materiales radica en que los medios sólidos atenúan las ondas ultrasónicas de dos formas: - Dispersión (Desviación de la dirección de la onda) - Absorción (Conversión de energía ultrasónica en calor) Estos dos fenómenos de atenuación se dan en zonas no homogéneas de un material, es decir, en presencia de algún tipo de inclusión o defecto. En este sentido, se puede decir que a mayor homogeneidad, menor atenuación de las ondas ultrasónicas. En cuanto a la generación de este tipo de ondas, se emplean dos principios físicos atendiendo al tipo de transductor (Palpador o dispositivo de generación) que se utilice: - Magnetoestricción: Deformación de ciertos metales ante la aplicación de un campo magnético. Su aplicación es limitada a grandes piezas de hormigón. - Piezoeletricidad: Deformación por excitación eléctrica (Función de “Emisor”) y aparición de cargas eléctricas en superficie ante vibraciones del cristal (Función de “Receptor”). El funcionamiento básico de esta tecnología es simple: el palpador (Generador de ondas), una vez en contacto con la superficie de la pieza, propaga un haz ultrasónico dentro del material, dando lugar a lo que se conoce como “Campo ultrasónico”, que no es más que la zona “iluminada” por el haz. Cuando el haz incide sobre algún tipo de defecto, la onda “rebota” en esa zona de heterogeneidad, pasando a ser ésta un emisor ultrasónico. Este eco puede ser recogido por el mismo palpador (Como en el caso de este TFG, en el que el palpador es un Emisor/Receptor). Estudio preliminar 4 2 ESTUDIO PRELIMINAR En líneas generales, los requisitos del proyecto implicaban el uso de un detector por ultrasonidos que, por una parte, permitiera la obtención y transferencia de datos de A-Scan (Lectura de ecos en tiempo real) a un PC para posterior tratamiento y análisis de los mismos, y por otra, admitiera la recepción de comandos de control desde el PC en caso de necesidades de cambios de configuración para el tipo de especimen en cuestión de manera automática, o bien órdenes de registro de datos en su caso. Además, la exploración automatizada de las placas implicaría la adquisición de algún tipo de robot con desplazamiento 2D, con la idea de que posicionara el palpador ultrasónico de manera controlada, siguiendo algún tipo código implementado en ordenador que determinara rutas de exploración. Desde un principio se consideró la idea de emplear 2 motores paso a paso controlados por una placa tipo ARDUINO, pues admiten control versátil desde Matlab, habiendo cientos de manuales, ejemplos de montaje y tutoriales en Internet. Respecto al software de programación, se tenía claro desde un principio que se debían emplear paquetes de software de programación con lenguaje de alto nivel del tipo que se lleva empleando durante años en la escuela de ingenieros, tales como Matlab, Octave, C++, entre otros, dado que parte de las asignaturas cursadas han implicado en mayor o menor medida su uso, y cualquier tipo de modificación o ampliación futura del software de este proyecto se verá facilitada para otros alumnos también familiarizados con el mismo lenguaje de programación. 2.1 Primeras decisiones Al realizar una primera planificación y vista general de las tareas a realizar, se decidió resolver en primer lugar la búsqueda del material necesario para la automatización de las exploraciones, pues se hizo evidente que el grueso del proyecto radicaría en el desarrollo de un montaje de laboratorio compatible con las máquinas de ensayo de las que se dispone en la escuela, así como el desarrollo de un código de control, tanto del detector como del robot, junto con una interfaz gráfica de manejo de todo el sistema que facilitara el desarrollo del ensayo. El objetivo consistía en que todo el sistema desarrollado se ocupara “por sí solo” de la toma de datos, siendo el único cargo de aquella persona que maneje el montaje analizar los datos que se obtienen y gestionar los resultados. "Es el verdadero arte del maestro despertar la alegría por el trabajo y el conocimiento". - Albert Einstein - 11 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos absolutos o relativos, posibilidad de desplazarse en milímetros o pulgadas, cambios de velocidad, movimientos circulares, y un largo etcétera. Ésto, además de ofrecer muchas posibilidades, facilita la comprensión del control pues existen asignaturas en el Grado en las que se ha estudiado en mayor o menor medida el G-Code, o código CNC, con lo que ninguno de los lenguajes hasta ahora tratados es desconocido para posibles alumnos que aborden cualquier ampliación o modificación de este proyecto. Adicionalmente, se comprobó que el robot permite comunicación mediante objeto serial virtual desde Matlab, con lo que se podría enviar G-Code fácilmente de forma directa, así como implementar códigos de control. Algunos ejemplos del tipo de código que se utilizó, junto con su significado: G90 Desplazamiento en coordenadas absolutas G91 Desplazamiento en coordenadas relativas G92 Definición de punto actual como origen de coordenadas G00 X10 Y20 Desplazamiento rápido de 10 milímetros en sentido positivo del eje X y de 20 milímetros en sentido positivo del eje Y si se trabaja en coordenadas relativas o desplazamiento al punto (10,20) si se trabaja en coordenadas absolutas. G03 X20 Y0 I10 J0 Desplazamiento circular en sentido contrario a las agujas del reloj (COMPROBAR) al punto (20,0) con centro de giro 10 milímetros en sentido positivo del eje X relativo al punto actual. Con lo que se cubrieron gran parte de las necesidades de desplazamiento a la hora de explorar las placas. Los primeros pasos con el robot fueron comprobar su correcto funcionamiento con el Firmware que se le transfirió. Desde el software de Benbox, se probó la función “de fábrica” del plotter, y se probó a dibujar imágenes predeterminadas del programa, así como enviar G-Code directo desde Benbox, obteniéndose resultados bastante buenos. Sin embargo, se encontraron algunos problemas en cuanto a la transferencia de comandos y al control del robot: - El envío de grandes cantidades de comandos satura la placa controladora, y bloquea el movimiento del Plotter. Este hecho podría general problemas a la hora de realizar las exploraciones, por lo que se debería incluir tiempos de espera (Pausas) entre comandos. - El servomotor no respondió en ningún momento ante los comandos G-Code. Tras varios emails a Makeblock, y a la empresa desarrolladora del Firmware de Benbox, se concluyó que, o bien el servomotor estaba defectuoso, o bien había algún problema con el Firmware, y se debía esperar a futuras actualizaciones. Se probó desde el programa base de ARDUINO (Firmware de ARDUINO con lenguaje de programación desconocido), y su funcionamiento era correcto. Para no obstaculizar el desarrollo del proyecto, y continuar con el uso de un Firmware que admitiera del que se disponía, se decidió desmontar el servomotor junto con su mecanismo (Se detallarán los cambios en el montaje más adelante). No por ello el plotter dejaría de tener utilidad, pues se dejó más espacio para colocar algún tipo de sujeción para el palpador, y se redujo la complejidad, tanto de la mecánica de la plataforma, como la del código en sí, pues se elimina la coordenada ‘Z’. Se implementaron distintos códigos de cálculo de coordenadas, así como interfaces GUIDE para realizar los ensayos de manera sencilla. Más adelante se explicará detalladamente el funcionamiento del software. Montaje y puesta a punto 12 3.1.2 Montaje La disposición vertical del robot conllevó al reto de buscar una sujeción adecuada a la máquina de fatiga, teniendo en cuenta los posibles problemas que podrían darse, como el hecho de que el robot estaría expuesto durante largos periodos de tiempo a vibraciones producidas por los ensayos, así como buscar sujeciones lo suficientemente rígidas como para aguantar los casi 3 kg de peso del robot. Se probaron dos tipos de montaje: 3.1.2.1 Montaje frontal La primera idea consistió en realizar un montaje con 4 sujeciones a la máquina, dos en cada uno de los pistones. Cada sujeción consistía en un fijador de tuberías (Figura 3-2) empleados generalmente en fachadas o paredes de edificios. A cada sujeción se atornilló un segmento de barra roscada como el de la figura. Se incluyó una goma adhesiva interior a los fijadores para proteger los pistones de posibles daños, así como proveer a la estructura del robot de un amortiguador de vibraciones. Se emplearon dos barras de aluminio de sección en “U”, con taladros convenientemente realizados para atornillar la barra al robot, así como fijar el robot a las sujeciones antes citadas a través de las barras roscadas. Figura 3-1. Esquema de la electrónica del plotter Figura 3-2. Sujeciones del montaje frontal 13 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Ventajas de este montaje: - Se trata de una solución válida para el objetivo del proyecto. - El tipo de sujeción elegido protege tanto a los pistones de cualquier tipo de daño por presión o roce, como al plotter por incluir un amortiguador de vibraciones. - Las varillas roscadas permiten ajustar la inclinación del plotter respecto al plano de la placa, permitiendo así conseguir la máxima perpendicularidad palpador-placa. - El montaje frontal permite observar fácilmente el movimiento plano del robot, y detectar rápidamente errores de desplazamiento. Desventajas: - Montaje relativamente complicado (Al menos dos personas para ello) - Las barras en “U” mostraban ligera flexión en los extremos cercano a la unión con las sujeciones - Las sujeciones parecían no ser suficientemente recias, y el peso del plotter flexionaba ligeramente la estructura. (Figura 3-4). - Los cabezales de la 8801 podían girarse, según se reflejaba en el manual, pero tal y como indicó el técnico de laboratorio, el giro de los cabezales conllevaba a una pérdida de calibración de éstos, lo que daría lugar a un tedioso proceso de calibración que podría ser perfectamente evitable con un montaje lateral que hiciera innecesario tornar los cabezales. Figura 3-3. Vista frontal del montaje frontal Montaje y puesta a punto 14 Figura 3-4. Detalle de la flexión de las sujeciones 3.1.2.2 Montaje lateral interior Dada la cantidad de problemas encontrados en el primer montaje, se optó por buscar nuevas sujeciones para el robot, de tal manera que se consiguiera un montaje lateral en uno de los pistones. Figura 3-5. Fotografía del montaje lateral interior 15 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Se realizaron pequeños cambios al montaje previo: - Se sustituyeron las barras de aluminio de sección en “U” por otras similares de sección cuadrada (Cerrada) y de menos longitud (Dado que en este montaje, la sujeción sería en la zona central), las cuales responderían con mayor estabilidad para formar parte de la estructura de sujeción. - Se disponía en el laboratorio de dos mordazas de aluminio (Figura 3-5) propias de la 8801, a la cual - se le realizaron dos taladros con rosca, para atornillar las barras de aluminio. Ventajas: - Montaje mucho más sencillo - Perpendicularidad palpador-placa dependiente del giro del montaje respecto del pistón, y no de 4 puntos de atornillado. - Sujeción mucho más rígida. Desaparecen los problemas de flexión. - Se evita la pérdida de calibración por giro de cabezales. Desventajas: - Robot expuesto a vibraciones al tratarse de una estructura muy rígida fijada a uno de los pistones sin ningún tipo de amortiguación. - Detección de fallos de desplazamiento no tan sencilla. - Perpendicularidad sujeta a precisión de los taladros La decisión final fue dar por válido el montaje lateral, pues, como ya se ha comprobado, soluciona gran parte de los problemas que se daban con el montaje frontal, y posee unas desventajas no críticas para el desarrollo correcto de los ensayos. Figura 3-6. Pinzas de sujeción para el montaje lateral interior Montaje y puesta a punto 16 3.1.2.3 Palpador Respecto al montaje del palpador, la idea principal consistía en montar el palpador en la plataforma móvil para desplazarlo por las placas a voluntad. Se probaron distintas sujeciones para el palpador: - Pequeña varilla hueca de plástico cortada convenientemente por uno de sus extremos para fijar el palpador. La sujeción a la plataforma se probó en un principio con pequeñas piezas de aluminio sobrantes del plotter (Repuestos), a través de las cuales se hizo pasar la varillas. Para ejecer cierta presión y asegurar contacto aceptable entre placa y palpador, se colocó una desde el extremo opuesto de la varilla hasta la plataforma. Los resultados no fueron del todo aceptables, pues no se conseguía perpendicularidad entre la varilla-palpador y la placa, se producía flexión en algunos cambios de dirección, e incluso se producían rebotes del palpador. - Se buscaron dos tubos de aluminio huecos, uno de ellos de un diámetro algo menor, de tal manera que éste deslizaba dentro del otro. Se fijó la varilla de plástico dentro del tubo pasante (Pues la varilla sujetaba el palpador en su extremo bastante bien), de tal manera que se consiguió un mecanismo de extracción retracción (Figuras 3-7 y 3-8). Aprovechando la idea original de Makeblock, se le fijó un par de placas atornilladas cerca del extremo del palpador para colocar una gomilla que presionara el mecanismo hacia la placa, así como un par más de compensación para no aplicar una presión excesiva (Figuras 3-11 y –12). El mecanismo se fijó a la plataforma mediante bridas, aprovechando una placa de aluminio (Parte de la estructura de la plataforma) dispuesta de forma perpendicular a donde estaría colocada la placa. Los resultados fueron muy buenos, y se eliminaron los problemas de rebote y flexión. Figura 3-7. Mecanismo retraído Figura 3-8. Mecanismo extraído 17 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos 3.2 EPOCH 1000i El uso principal que se le dio al EPOCH 1000i fue, una vez configurados todos los parámetros de exploración para la placa en cuestión, fue el de almacenamiento de los datos de señales de eco de cada punto de exploración. El uso de las puertas (Rangos de señal recibida donde se realiza alguna medición) ha sido la base sobre la que se ha trabajado para realizar la adquisición de los datos de interés de la señal recibida. En este sentido, el dispositivo permite fijar qué parámetros son de interés para el operador, así como fijarlos en el registro de datos para que se almacenen y puedan ser recuperados más adelante. Figura 3-9. Detalle de la sujeción del palpador 1 Figura 3-10. Detalle de la sujeción del palpador 2 Figura 3-11. Detalle de gomillas de compensación Figura 3-12. Detalle de gomillas de presión Montaje y puesta a punto 18 Entre otras variables, permite guardar: - Nivel de Eco en puerta 1 (%) - Nivel de Eco en puerta 2 (%) - Profundidad en eco de puerta 1 (mm) - Profundidad en eco de puerta 2 (mm) - Parámetros de configuración - Imagen de la señal de ecos - Etc Con las 4 primeras se podía jugar para barrer todo el espesor de la placa en busca de imperfecciones, y así, por ejemplo, colocar una puerta en el eco de fondo para medir su atenuación, y otra a lo largo de todo el espesor para detectar nuevos picos que se traducen en posibles delaminaciones o defectos en general. El palpador es de tipo emisor/receptor, con un delay de metacrilato. 3.2.1 Software y conectividad El paquete de software adjunto, GageView Pro, consiste en un gestor de dispositivos de la marca Olympus, admitiendo numerosas funcionalidades tanto en control de dispositivos como en administración de bases de datos, con posibilidad de volcado de datos de puntos de exploración a formato Excel. El programa incluye una sección de control remoto, tanto en envío de comandos como en manejo directo del teclado físico del EPOCH 1000i (Existe una función en la que se muestra por pantalla el teclado del dispositivo), con lo que el dispositivo es completamente controlable desde un ordenador, función interesante dado el objetivo de automatización que se tenía para este proyecto. El EPOCH 1000i posee una salida para conexión USB con un PC. La conexión con el software de Olympus es exitosa, y permite acceder a todas sus funcionalidades: Control remoto, base de datos, configuración, etc. Además, existe un manual de comandos para manejar el EPOCH 1000i mediante protocolo Serial o USB, por lo que en principio el dispositivo cumple con los requerimientos. Matlab posee diversas extensiones para comunicarse por USB con dispositivos de medida, tales como “Instrument Control Toolbox™”, con la particularidad de que solo trabaja con ciertas marcas de instrumentos, entre las cuales desgraciadamente no se encuentra Olympus. Se probó a establecer comunicación, al igual que con el plotter, entre el EPOCH 1000i y Matlab mediante creación de objetos seriales en puertos predeterminados del ordenador, pero desafortunadamente la conexión EPOCH 1000i no genera un puerto de comunicación tipo serial. Se probaron distintas opciones para conseguir conexión con Matlab: - Generación de un puerto serial virtual con distintos programas encontrados en la red. No hubo éxito: O bien no se detectaba puerto alguno, o bien el ordenador sufría un fallo crítico, y reiniciaba (Pantallazo azul) - Prueba de un cable de conversión serial-USB para intentar emplear el puerto serial real del ordenador. El resultado no fue exitoso (El PC no reconocía el dispositivo) - Prueba de los dos puntos anteriores en distintos ordenadores con el mismo resultado Finalmente, con el fin de avanzar con el proyecto, se decidió buscar soluciones alternativas aprovechando el software de Olympus que ya se ha analizado. La idea se centró en enviar una orden a GageView de “Guardado de datos” de cada punto de exploración cada vez que se le indicase desde Matlab. Tras cierto tiempo de reflexión, y aprovechando que GageView ofrece la posibilidad de manejar el teclado virtual del EPOCH 1000i, se decidió probar una “macro” de control de ratón y teclado para Windows. Hay cientos de programas grabadores de Macros en internet, pero el que ha mostrado mejores resultados es Jit Bit Macro Recorder. 19 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Jit Bit Macro Recorder es un programa grabador de Macros que admite programación de alto nivel con comandos de Windows (Movimientos de ratón, clicks, escritura de texto, apertura o cierre de ventanas, y un largo etcétera). Entre muchas de sus posibilidades, existe la opción de crear un archivo ejecutable (.exe) de tal manera que al abrirlo, se ejecute una determinada acción o conjunto de acciones. Este tipo de archivos es perfectamente ejecutable desde Matlab, pues existen comandos como “system()” que permiten realizar llamadas a archivos ajenos a la interfaz operativa de Matlab. La idea del uso de la macro consistiría en enviar la orden de guardado a “GageView” cada vez que se indicara desde Matlab. Lo único que realizaría el programa sería la acción de “hacer click” sobre el botón “SAVE” del teclado virtual cada vez que se ejecutase el archivo que generase al programar dicha acción. Ventajas: - Se soluciona el proceso automático - Funcionamiento correcto y rápido Desventajas: - No ofrece control total del sistema desde MatLab - Se inutiliza el ratón durante la exploración Al ser la única solución que parecía funcionar, y dado que se debía avanzar con el proyecto, se optó por emplear esta herramienta a pesar de que, en futuros proyectos con este sistema de inspección, deba solucionarse la comunicación entre MatLab y el EPOCH 1000i de manera directa. Con este último avance, el esquema de funcionamiento del sistema de exploración es el siguiente: Figura 3-13. Esquema de funcionamiento del sistema Montaje y puesta a punto 20 3.3 Placas de fibra de carbono Dada la geometría de las mordazas de la máquina de fatiga 8801, ésta solo permitía sujetar placas de una anchura máxima de 50 mm. En un principio se decidió realizar la exploración de placas rectangulares, pero al consumirse mucha tiempo concentrando la carga de trabajo en el montaje y preparación de los dispositivos, se decidió fatigar placas con un orificio central, de tal manera que la sección neta mínima se vería reducida, con lo que las tensiones serían mayores en puntos cercanos al orificio, y se podrían conseguir resultados en los ensayos a fatiga más rápidamente. Dado que se necesitaría espacio suficiente para explorar las placas con el robot, se decidió cortar probetas con las siguientes geometrías: - Anchura: 50 mm - Altura: 200 mm - Diámetro del orificio: 10 mm Con lo que quedaría un espacio de aproximadamente 10 cm para explorar la placa con el robot. Figura 3-14. Probetas 27 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos En el primer programa se incluyen los formularios de introducción de datos de entrada, incluyendo la función de cómputo y guardado de datos. Al pulsar este botón, aparece la placa definida junto con los puntos de exploración en una gráfica a escala. Así mismo, se realiza el cómputo de la sección neta, y del número de puntos de exploración definidos. Por último, mencionar que se ha añadido una protección para el cálculo de coordenadas, de tal manera que si algún punto cae fuera de la placa (Con cierto margen de seguridad respecto a los bordes) el programa no calcula los puntos y se muestra un aviso indicando que hay puntos fuera de la placa. El siguiente menú (Figura 4-8) es igual al segundo menú del programa zig-zag, con la particularidad de que se pide colocar el palpador sobre el “primer punto de exploración” que no coincide con el origen de coordenadas, pues este es el centro del orificio. Al pulsar el botón “Fijar origen”, el plotter se desplaza al centro del agujero, fija el origen, y posteriormente vuelve al primer punto de exploración para completar la puesta a punto, por lo que para realizar esta operación no se debe presionar el palpador contra la placa, pues este quedaría atrapado en el orificio. Figura 4-5. Puntos de exploración con desfase angular Figura 4-6. Puntos de exploración sin desfase angular Figura 4-7. Interfaz Circunferencial 1 Código desarrollado 28 El tercer programa es imilar al caso zig-zag. Mientras se realiza la exploración, se va indicando en pantalla: - Número de puntos explorados. - Número de puntos restantes. - Coordenada actual (Relativa al origen definido) - Aviso de “Exploración finalizada” al terminar. Para el caso circunferencial no se ha creado una interfaz de análisis, pues dado que se empleó este tipo de ruta para realizar un seguimiento de la atenuación del eco de fondo a lo largo de un ensayo de fatiga, se optó por tratar los datos de manera directa, y no a través de una interfaz GUIDE. Figura 4-8. Interfaz Circunferencial 2 Figura 4-9. Interfaz Circunferencial 3 29 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos 5 ENSAYOS Una vez realizado el montaje, la implementación de los distintos programas, y la configuración del dispositivo de inspección, se procedió a realizar los diversos ensayos de las placas de fibra de carbono con orificio central, midiéndose la atenuación del eco de fondo de puntos adyacentes al orificio, de tal manera que se pudieron elaborar mapas de daño progresivo a medida que se aumentaban los ciclos de carga. 5.1 Tracción Se llevó a cabo un ensayo de tracción con una de las placas con el fin de conocer el valor aproximado de la carga de rotura de todas las probetas, para así poder definir los intervalos de carga de los ensayos de fatiga. Se incluye una fotografía de la probeta después del ensayo de tracción. Carga máxima: 67502.61 N Figura 5-1. Probeta ensayada a tracción «Los hechos pueden destruir nuestros raciocinios pero no viceversa». - Alessandro Volta - Ensayos 30 5.2 Fatiga 5.2.1 Metodología Una vez realizado el montaje del plotter sobre el pistón izquierdo de la máquina de fatiga, se conectan todos los dispositivos al PC y a la red eléctrica, se conecta el palpador al detector, y se configura el programa de fatiga en la computadora de la máquina de ensayos. Las placas deben sujetarse con mordazas planas estriadas o ásperas para evitar que se deslice la probeta al aplicar las cargas. Se puede emplear papel de lija para contribuir a la sujeción de las mismas, pero en principio no es recomendable ya que puede crearse una película arenosa entre las mordazas y la probeta que puede provocar deslizamiento. Así mismo, se debe fijar la presión hidráulica de la máquina convenientemente, ya que en los primeros ensayos se vio necesario incrementarla al producirse resbalamiento de las probetas. Cada vez que se realice una toma de datos, los pasos a seguir son los siguientes: - Aplicar acoplante tanto en zona de exploración como en palpador 3 - Colocar gomilla para presionar palpador contra probeta 4 - Iniciar exploración en Guide - Retirar palpador Después de introducir los datos de geometría y exploración en GUIDE, debe realizarse con cuidado el proceso de definición de origen de coordenadas. Es aconsejable comprobar cada cierto tiempo que el origen de coordenadas no se ha desplazado, pues en tal caso el palpador puede atorarse en el orificio y dañar los motores paso a paso. La toma de datos se realiza cada cierto número de ciclos, el cual depende, como ya se ha dicho, del ensayo que se realice. Sin embargo, debe ser común con cada especimen medir la señal de eco de fondo con la placa sin fatigar para tomar esta medición como referencia y así cuantificar posteriormente la atenuación relativa al valor inicial en cada punto. La razón de tomar la referencia en cada punto radica en que el palpador no es perfectamente perpendicular a la probeta, y su inclinación dependerá de imperfecciones superficiales en cada punto, de esfuerzos de flexión (Según el moviemiento en cada punto), y de la presión que se realice contra la probeta. Con esto, se introduce una de las hipótesis experimentales que se han tenido en cuenta: El contacto entre el palpador y la placa se supone distinto en cada punto, pero cada punto mantiene (Aproximadamente) la condición de contacto inicial, por lo que en teoría, la medición de la atenuación del eco de fondo sería aceptable. Obviamente, este comentario no deja de ser una hipótesis, y como ya se verá más adelante, en algunos puntos la condición de contacto cambia 5 , y puede producirse un aumento del eco de fondo medido entre una inspección y la siguiente. Estos resultados, aunque erróneos, pueden suavizarse si se realizan el 3 Se recomienda aplicar acoplante de manera generosa para evitar que se realicen mediciones erróneas. 4 Se debe aplicar una presión adecuada. Demasiada presión provoca rebotes del palpador y escape de acoplante en el espacio existente entre el palpador y la superficie de la probeta. Una presión insuficiente atenua la señal recibida y da lugar a mediciones erróneas. Se recomienda emplear gomillas de diferente rigidez. 5 Debido a las vibraciones, a la distinta cantidad de acoplante en cada inspección, desplazamiento del origen de coordenadas, flexión de la barra, etc. Figura 5-2. Indicación del manómetro durante los ensayos 31 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos suficiente número de medidas permitiéndose estudiar su evolución y tendencia. Si se detectan errores de inspección, se recomienda eliminar el contenido del fichero de guardado que esté abierto en EPOCH 1000i 6 , y proceder a realizar los pasos citados en la lista anterior. Por último, si se produce un atasco del palpador en el orificio, se recomienda retraer inmediatamente el mecanismo de sujeción, pues los motores paso a paso pueden dañarse. Figura 5-3. Montaje experimental En la Figura 5-3 se puede observar todo el sistema conectado y funcionando. A la derecha, la pantalla del PC al que está conectada la máquina 8801. A la izquierda, el plotter montado en el pistón, conectado al ordenador y a la red eléctrica. Abajo a la izquierda, mesa de trabajo con el PC de control, y el EPOCH 1000i conectado igualmente a PC y red eléctrica. 5.2.2 Ensayos Una vez obtenido el valor de la carga de rotura en el ensayo de tracción, se definieron los parámetros de los ensayos de fatiga en función de dicho valor: - Ensayo con - Ensayo con - Ensayo con ( R = 0.1 para todos los ensayos 7 ) 6 En la metodología seguida, se ha creado un archivo de guardado para cada exploración (Es decir, un fichero por cada segmento del ensayo de fatiga) 7 El factor ‘R’ es el cociente de la mínima tensión de carga entre la máxima. Ensayos 32 5.2.2.1 Expectativas El orificio central de las placas actúa como un concentrador de tensiones que favorecerá la aparición temprana de daños durante los ensayos de fatiga. Con el fin de tener una visión general de lo que cabe esperar en cuanto a la respuesta de las placas durante los ensayos, se va a realizar la suposición de que el comportamiento de los daños en las placas de fibra de carbono (Material ortótropo) no será muy diferente del comportamiento de los mismos en una placa similar de un material isótropo si consideramos el primero cuasi-isótropo. El problema de una placa isótropa de espesor nulo traccionada con un orificio central posee la siguiente solución elástica: Figura 5-4. Problema de placa con orificio De donde se deduce que la tensión máxima se produce en la componente normal tangencial cuando: Siendo este valor: 33 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Si se representan los resultados numéricamente: Donde se observa que en principio, los daños aparecerán primero en ángulos cercanos a 90º/270º, y crecerán desde el agujero hacia los bordes de la placa. Estos resultados son perfectamente comparables a la inspección visual de la placa rota a tracción, donde se observa que la zona de mayor daño corresponde a la “cruz” de tensiones mayores en ángulos próximos a 90º/270º. Se puede decir que en esta zona la componente de tensión dominante es la normal tangencial, mientras que en ángulos próximos a 0º/180º, la componente dominante es la radial. El ensayo a fatiga dará lugar a una atenuación progresiva del eco de fondo debido a la aparición de defectos internos a medida que se le aplican ciclos de carga. A priori, se sabe por diversos estudios que la evolución de la atenuación es de la forma: Por lo que se evaluarán los resultados de los ensayos en base a estas premisas. Figura 5-5. Simulación de la solución tensional (Código de poloestable.wordpress.com/) Ciclos Atenuación Ensayos 34 Figura 5-6. Zonas de dominio de las componentes tensionales 35 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos 6 RESULTADOS Los resultados de todas las inspecciones se analizaron en Excel y en Matlab, realizándose la obtención curvas de atenuación y de tendencia en el primero, y suavizado de datos y mapas de daño en el segundo. En este capítulo se muestran las gráficas de atenuación (En porcentaje respecto al valor inicial), y los mapas de daño sobre placas virtuales a escala. Las tablas de datos se incluyen en el anexo. 6.1 Ensayos al 90% de la carga de rotura Al producirse la rotura de una primera probeta con pocos ciclos, se ensayaron dos probetas con estas condiciones: - Carga máxima: 60752.349 N - Carga mínima: 6075.2349 N 6.1.1 Observaciones preliminares Durante el ensayo, y desde el primer ciclo, se escuchaba rotura de fibras, y se observaba una deformación de la placa importante a simple vista. 6.1.2 Ensayo 1 6.1.2.1 Resultados generales La probeta rompió a 1610 ciclos. «… El experimento debería diseñarse para abrir tantas ventanas como sea posible a lo imprevisto». - Frédéric Joliot-Curie - Resultados 36 6.1.2.2 Gráficas 0 20 40 60 80 100 0 500 1000 1500 Atenuación Ciclos Curva de atenuación Curva de atenuación Tendencia 0 20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 Atenuación Ciclos 0 20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 Atenuación Ciclos 0 20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 Atenuación Ciclos -20 0 20 40 60 80 0 500 1000 1500 Atenuación Ciclos 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 200 400 600 800 1000 1200 Atenuación Ciclos 43 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos 25000 50000 30000 60000 35000 80000 40000 100000 45000 115000 Resultados 44 6.2.2 Discusión de resultados El ensayo al 80% de la carga de rotura aportó un mayor intervalo de datos de atenuación del eco de fondo. Las curvas de atenuación comienzan a parecerse en tendencia a las primeras estimaciones que se realizaron. Además, se vuelve a observar que los puntos en dañarse primero son los cercanos al punto de tensión normal tangencial máxima, tal y como puede observarse en los mapas de los primeros ciclos de carga. De nuevo, se observa que puntos más cercanos a los ángulos de 90º/270º sufren más daño que los ubicados cerca de 0º/180º. En este caso se han obtenido resultados mucho mejores que en el ensayo al 90% de la carga de rotura. Sin embargo, con el objetivo de afianzar la evaluación del sistema de inspección, y descartar cualquier tipo de duda (Existen algunas asimetrías en los daños), se decidió disminuir aún más la carga de fatiga. 6.3 Ensayo al 70% de la carga de rotura - Carga máxima: 47251.827 N - Carga mínima: 4725.1827 N 6.3.1 Ensayo 6.3.1.1 Resultados generales Se sometió el espécimen a 130000 ciclos sin producirse la rotura. El número de ciclos final se consideró suficiente para observar resultados. 45 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos 6.3.1.2 Gráficas -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 50000 100000 150000 Atenuación Ciclos -20 0 20 40 60 80 100 0 50000 100000 150000 Atenuación Ciclos -20 0 20 40 60 80 100 0 50000 100000 150000 Atenuación Ciclos -10 0 10 20 30 40 50 60 70 0 50000 100000 150000 Atenuación Ciclos -10 0 10 20 30 40 50 60 0 50000 100000 150000 Atenuación Ciclos Resultados 46 6.3.1.3 Mapas de daños Ciclos Mapa Ciclos Mapas 0 25000 5000 30000 10000 35000 15000 40000 20000 50000 47 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos 50000 77500 55000 85000 60000 100000 65000 115000 70000 130000 Resultados 48 6.3.2 Discusión de resultados El ensayo al 70% de la carga de rotura ha sido el que ha aportado unos resultados mucho más claros y visuales. Como se ha podido observar en las curvas de atenuación, la tendencia es similar a la que se había predicho en la curva de atenuación teórica: Se observa un crecimiento casi exponencial de la atenuación a lo largo de la historia de carga en la mayoría de los puntos. En defintiva, la evolución de los ecos de fondo se puede considerar correctamente medida. En cuanto a los mapas de daño, se puede observar que los daños se propagan más tarde que en los ensayos anteriores, hecho coherente al haberse aplicado menos carga. Así mismo, se hace notable la aparición temprana de daños cerca del punto de tensión normal tangencial máxima, así como la expansión de los mismos a medida que aumentan los ciclos formando la “cruz” que se describía en la sección 5.2.2.1. La zona de dominio de las tensiones radiales sufre daños de manera más tardía, hecho coherente dado que esta componente es menor que la normal tangencial. Nota: Los colores de los mapas de atenuación no se puden comparar entre ensayos distintos pues cada uno está ajustados al daño máximo de cada uno, es decir, el daño máximo del ensayo al 80% de la carga de rotura puede ser mayor que en el de 70%, pero sin embargo ambos colores son iguales. Este ajuste se ha realizado para poder exagerar los colores en un mismo mapa de daño y poder observar mejor la expansión de los daños. 6.4 Evaluación global En líneas generales, los resultados aportados por las inspecciones son aceptables a partir de las hipótesis de las que se han partido para poder evaluar el sistema. Como se ha visto, los ensayos más longevos son los que han permitido estudiar la evolución de los daños, los cuales han mostrado comportamientos muy fieles a las hipótesis y estudios realizados a priori. Las curvas de atenuación muestran la tendencia exponencial que se predecía en un principio, salvo en algunos puntos en los que la tendencia se alejaba bastante de la curva teórica. Esto puede deberse, o bien a que el material ha respondido así en dicho punto, o bien a que se ha producido un error de contacto localizado durante toda la inspección (Rebotes, pérdida de acoplante, etc.) Los mapas de daño reflejan, en general, una evolución de los daños coherente con el estudio tensional que se realizó en el capítulo anterior. Las inspecciones realizadas muestran que los daños se han expandido desde los puntos de tensión máxima hacia los bordes de las placas, tal y como se predecía con el estudio del problema elástico de placa plana con orificio sometida a tracción. El suavizado de los datos ha sido crucial para conseguir estudiar las tendencias de las atenuaciones. Las gráficas de datos “brutos” muestran grandes oscilaciones de los ecos medidos (Fundamentalmente debido a cambios en la perpendicularidad palpador-placa), por lo que en principio, el análisis bruto de datos no es aconsejable para caracterizar piezas con pocos ensayos. Globalmente, el sistema de exploración ha dado muy buenos resultados, y su empleo en inspección de placas es aceptable siempre y cuando se realicen ciertas mejoras en el montaje para optimizar las exploraciones y evitar rebotes, flexiones, o cualquier otro tipo de fenómenos que provoquen errores de medida. 49 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos 7 CONCLUSIONES 7.1 Comentarios Tal y como se ha visto, lo que en un principio parecía estar orientado al ensayo y caracterización de piezas, ha terminado por concluir en un proceso de diseño y evaluación de un sistema de inspección robotizado. Estos cambios de objetivos dieron lugar a la aparición de problemas u obstáculos desde que se comenzó a abordar el proyecto donde fue necesario emplear juicio crítico para decidir qué solución dar a dichos problemas, o bien cuál de todas las soluciones propuestas era la más acertada para avanzar un paso más. Esta dinámica problema-solución tuvo que llevarse a cabo a lo largo de todo el proyecto: En el estudio preliminar se vio necesario adquirir nuevo material para cumplir con los objetivos del proyecto; en el primer diseño del montaje aparecieron numerosos problemas (Montaje frontal), por lo que se tuvo que idear de nuevo el montaje al completo; el desarrollo del software fue largo y tedioso, pues se dieron muchos pasos en falso hasta conseguir comunicación entre el robot y MatLab; las interfaces de control tuvieron que pasar por un proceso de depurado, ya que a veces enviaban órdenes erróneas, o saturaban la placa controladora; el cambio de la configuración de placa (En un principio no incluía taladro central) obligó a volver a implementar el calculador de trayectorias, e idear rutas que sorteasen el orificio (Programa circunferencial); en los ensayos aparecieron problemas de sujeción de las placas, además de problemas de excesos de presión del palpador contra la placa; etc. Por ello, es remarcable el hecho de que cada solución adoptada ha sido meditada, valorada y comparada en su caso, con el fin de no arrastrar problemas que pudieran entorpecer o imposibilitar la conclusión del proyecto. Esta idea recuerda bastante a lo que durante toda la carrera se ha intentado inculcar a los alumnos: La ingeniería implica saber cuál es el problema, y saber cuál es la solución más acertada. El desarrollo de un sistema robotizado, tal como se introdujo en el estudio preliminar, hace ver el porqué de la cada vez más presente automatización de actividades en la industria. La necesidad de conseguir facilidades y eliminar carga de trabajo para el operario con el fin de centrar el trabajo del mismo a la caracterización o valoración de materiales se hacen evidentes, y fue a partir de este concepto donde se centró el desarrollo del software, que como ya se ha mostrado, incluye todas las funcionalidades y protecciones (Avisos y bloqueos) necesarios para asegurar la correcta ejecución del proceso El estudio del problema elástico plano, que como se ha visto posee una solución analítica, ha sido crítico para poder calificar los resultados obtenidos, sobre todo en cuanto a distinción de zonas de propagación de daños y magnitud relativa de los mismos. La valoración de los resultados de inspección ha requerido, como ya se ha citado varias veces en el capítulo interior, un suavizado de los datos basado en la comprensión de la magnitud que se está midiendo (Intensidad de señal), teniendo en cuenta que una atenuación del eco puede deberse, o bien a defectos, o bien a mal contacto del palpador con la placa. Este comentario refleja la necesidad de introducir mejoras en el montaje por parte de futuros alumnos que aborden este sistema. Como conclusión, el proyecto ha constituido en un auténtico reto de diseño ingenieril desde la concepción de su idea, pasando por su montaje y puesta a punto, hasta su evaluación, en el cual ha sido necesario emplear todo tipo de destrezas y conocimientos para llevarlo a cabo. 7.2 Lecciones aprendidas - Abordar un proceso de diseño de principio a fin - Detectar problemas y proponer soluciones - Elección entre distintas soluciones - Búsqueda de material - Trabajo en equipo en el laboratorio - Dinámica de ensayos - Trabajo con máquinas de ensayo Conclusiones 50 - Tratamiento y análisis de resultados experimentales - Valoración del funcionamiento de un diseño propio Además, el desarrollo de este sistema automático de inspección de placas ha necesitado del empleo de numerosas herramientas aprendidas durante la carrera para poder llevarlo a cabo satisfactoriamente: Conocimientos de informática (Manipulación de software profesional, desarrollo de interfaces, control de robots, etc.), conocimientos de fabricación (Lenguaje G-Code, diseño y fabricación de especímenes, etc.), conocimientos de elasticidad (Modelado de la situación ensayada, aplicación de la teoría de la elasticidad para valorar resultados, etc.), conocimientos en inspección (Ultrasonidos, ensayos no destructivos, estado del arte, metodología, datos de interés, etc.), entre otras cosas. 7.3 Propuestas de mejora Como ya se ha mencionado, el sistema desarrollado necesita de ciertas modificaciones o mejoras para conseguir mejores resultados de inspección. Algunas de las propuestas son las siguientes: - Incluir accionamiento del servomotor para mover el mecanismo de extracción-retracción y evitar flexión por rozamiento del palpador contra la placa. - Mejorar el sistema de sujeción del palpador para conseugir máxima perpendicularidad. - Mejorar la sujeción de las pinzas para quitar vibraciones. - Combinar las interfaces GUIDE para, dentro de un mismo programa, poder configurar las rutas de exploración según el tipo de placa a explorar. - Eliminar el uso de la “Macro” para enviar la orden de guardado al EPOCH 1000i. Sustituir la llamada al ejecutable por un envío directo de comandos al dispositivo (Debe conseguirse comunicación con MatLab) - Incluir un sistema de inyección de acoplante automático. - Comunicación con la máquina de fatiga, de tal manera que realice todo el ensayo e inspección por sí solo. 51 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Carlos López Almenara, «Inspección en materiales compuestos mediante técnicas de ultrasonidos» Documentación sobre ultrasonidos aportada por el tutor Mikell P. Groover, , «Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing» Manual de uso del USD 10 KrautKramer Manual de uso de la máquina INSTRON 8801 Manual de uso del plotter 2D de Makeblock Manual de uso del EPOCH 1000i Manual de uso de GageView Pro Instrucciones del programa de Benbox 2.12.45 www.arduino.cc www.mathworks.com Anexo 52 ANEXO Detalles del montaje Los materiales empleados para realizar el montaje final han sido: - Dos barras de aluminio huecas de sección cuadrada (2x2 cm) de longitud 50 cm aproximadamente - 8 tornillos, 8 arandelas, y 8 tuercas en las uniones plotter-barras - 2 pinzas metálicas de aluminio - 8 tornillos para cierre de pinzas - 4 tornillos para unión barras-pinzas - Mecanismo de sujeción del palpador formado por dos barras de aluminio huecas circulares, y tubo de plástico interior - Bridas - Gomillas de presión y compensación A continuación, se incluyen diversas fotografías del montaje y los materiales: 59 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos El cuarto menú también es sencillo. La única particularidad que tiene es que se debe ubicar en la carpeta del programa el archivo de datos Excel con el nombre “inspección.xlsx” 9 (Para conocer como obtener el archivo Excel, se recomienda revisar el manual de uso de GageView, donde se pueden encontrar todos los pasos a llevar a cabo para ello). Una vez colocado el archivo en la misma carpeta que los códigos, simplemente se debe pulsar el botón “Cargar datos y analizar”, el cual ejecuta un códido que está preparado para leer el archivo Excel con la cantidad de puntos que se haya calculado en el primer programa. En la interfaz se muestra el número de puntos con delaminaciones, sin defectos o con lectura (inspección) errónea. Si se desea ver el criterio seguido para evaluar el estado de cada punto, se recomienda revisar el código correspondiente en la sección “Códigos implementados” del anexo de este documento. Respecto a este último programa es conveniente realizar una aclaración: En el EPOCH 1000i se debe colocar una puerta para medir el eco de fondo (Puerta 1) y otra para medir picos a lo largo de todo el espesor (Puerta 2). Así mismo, en la toma de datos del dispositivo, debe configurarse para que el primer dato de medición sea el valor de pico en la puerta 1, y el segundo el valor de pico en la puerta 2 (Esto aparece en el manual del EPOCH 1000i, por lo que no se considera necesario incluirlo aquí para no extender demasiado el documento). La ubicación de las puertas tendría el siguiente aspecto: 9 Como ya se ha indicado en el documento, se debe colocar una puerta en el eco de fondo, y otra a lo largo del espesor, para obtener los valores de señal que se emplean en este programa. Al final de esta sección se incluye una aclaración al respecto. Anexo 60 Ruta circunferencial El funcionamiento de esta interfaz es muy parecido al del programa en Zig-Zag, por lo que solo se va a hacer aclaración del primer menú, que es el que presenta más cambios. En el primer menú del programa se muestra, al igual que en Zig-Zag, los formularios para introducir los datos de entrada. El programa calcula trayectorias circulares alrededor de un orificio central de diámetro el introducido por el usuario en la interfaz. En los formularios de exploración se pide el número de radios (Número de circunferencias concéntricas), el número de sectores (Número de puntos en cada circunferencia), y la separación en milímetros entre las circunferencias. Se ha incluido una protección en el cómputo de puntos para evitar que se puedan ubicar puntos fuera de la placa, de tal manera que aparece un aviso en pantalla indicándolo. La sección neta indicada correspone con la sección transversal mínima existente en la placa (Area de la sección al cortar la placa horizontalmente por su centro). El resto de menús son muy parecidos. Las única salvedad puede encontrarse en el segundo menú, donde se pide que se ubique el palpador sobre el primer punto de exploración sin presionar el palpador con las gomillas, pues al pulsar “Fijar origen”, el palpador se desplaza al centro del agujero, que se fija como origen de coordenadas, y vuelve al primer punto para terminar la puesta a punto. 61 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Como ya se ha indicado en el documento, no se ha incluido menú de análisis de datos, pues los ensayos de estas placas se centraron en obtener un gran número de serie de datos de exploración para su posterior tratamiento y análisis, por lo que no se vio necesario implementar un programa para visualizar los datos de cada exploración. Macro El funcionamiento del programa creador de Macros es sencillo. Previo a grabar el “click” de ratón, se recomienda ubicar la ventana de teclado virtual del EPOCH 1000i a un lado de la pantalla separado de la interfaz GUIDE: Anexo 62 Para acceder al teclado virtual: - Conectar EPOCH 1000i - Inicializar dispositivo en GageView Pro - Entrar en herramientas del dispositivo - Entrar en “Remote Display” Se debe grabar una Macro de “Click” sobre el botón “SAVE” del teclado virtual. Pasos a seguir: - Abrir el programa Jit Bit - Pulsar la combinación de teclas Ctrl + R (Comenzar grabación) - Hacer click en el botón “SAVE” del teclado virtual del EPOCH 1000i - Pulsar la combinación de teclas Ctrl + R (Parar grabación) - Crear el archivo ejecutable con nombre “Macro.exe” (Archivo -> Compilar como ejecutable) - Mover archivo a carpeta de código El código grabado en la Macro puede depurarse fácilmente en la interfaz de Jit Bit. La única recomendación es no realizar una Macro muy larga, pues el programa Matlab tiene programada una pausa entre mediciones de unos 3 – 4 segundos (Perfectamente modificalble), que es el tiempo del que se dispone para ejecutar la acción de guardado con la Macro. 63 Evaluación del daño ante cargas de fatiga mediante ultrasonidos Tablas de atenuación Primer ensayo con 90% carga de rotura 0 500 1000 0 82 87,4 0 91,6 92,9 0 87,4 94,6 0 79 82,1 0 94,1 94,8 0 87,2 88 0 91,2 91,6 0 93,8 96,7 0 24,7 92,8 0 94 94 0 96,1 96,1 0 56,6 73,7 0 51,1 75 0 84,4 88,3 0 86,5 93,4 0 0 73,6 0 96 96,7 0 90,4 92,2 0 24,9 48,6 0 82,1 90 0 0 69,8 0 32,7 92,1 0 95,6 98,3 0 64,8 99,6 0 92,4 92,6 0 48,3 72,9 0 66,6 75 0 0 0 0 60 82,3 0 84,2 90,9 Anexo 64 Segundo ensayo con 90% carga de rotura 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 91,4 97,6 100 100 100 100 0 96,1 96,1 97,6 97,6 97,6 97,6 0 94,2 94,2 94,2 97,3 97,3 97,3 0 81,1 88,1 95,6 95,6 95,6 97,4 0 96,3 97,7 97,7 97,7 100 100 0 97,9 97,9 98,3 98,3 100 100 0 83,9 96 97 97 100 100 0 98,1 98,1 98,1 98,1 98,1 98,1 0 95,7 95,7 95,7 97,4 97,4 97,7 0 94,2 95,7 95,7 100 100 100 0 91,5 91,5 91,5 96,6 100 100 0 93,9 94,7 94,7 98,3 98,3 100 0 42,2 63,1 89,3 89,3 98 98 0 98,2 98,2 98,2 98,2 100 100 0 97,7 97,7 98,7 98,7 98,7 100 0 70 70 89,7 89,7 89,7 98,2 0 92 92 92 93,4 96,9 96,9 0 100 100 100 100 100 100 0 88,3 88,3 89,3 89,3 94,8 94,8 0 92,9 96,2 96,2 97,7 100 100 0 96 96 96 98,4 98,7 98,7 0 60,9 71,5 86,4 88,7 88,7 93 0 85,5 85,5 85,5 85,5 88,7 88,7 0 93,8 95,3 95,3 97,9 98,5 98,5 0 66,8 68,8 71,8 72,7 72,7 72,7 0 94,5 94,5 94,5 94,5 94,5 98,5 0 94,8 97,7 97,7 97,7 97,7 100 0 57,7 73,5 87,7 92,3 93 95 0 81 81 81 81 90,7 90,7 0 90,2 91,3 91,3 94,1 97,2 97,2 65 80% carga de rotura 0 1000 2000 3000 4000 5000 7500 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 50000 60000 80000 100000 115000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,7 17,5 17,5 17,5 17,5 0 82,5 82,5 87,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 90,5 92,8 0 82,6 82,6 92,6 94,6 94,6 95,3 95,3 95,3 95,3 95,3 95,3 95,3 95,3 95,3 95,3 97,8 98,5 98,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 68,6 85,7 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 94,3 94,3 94,3 0 72,6 72,6 72,6 72,6 89,7 89,7 89,7 89,7 89,7 89,7 89,7 89,7 89,7 89,7 94,2 94,2 94,2 94,2 0 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 91,8 94 94 94 94 0 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 37,8 37,8 0 44,2 44,2 44,2 44,2 44,2 44,2 44,2 44,2 44,2 44,2 73,3 73,3 73,3 73,3 73,3 75,5 75,5 75,5 0 57,4 57,4 62,5 75 76,3 78,1 81,7 88,2 88,2 88,2 94,2 94,2 94,2 94,2 94,2 94,2 94,2 94,2 0 0 0 17,3 17,3 17,3 17,3 17,3 46,7 46,7 46,7 51,2 51,2 51,2 51,2 51,2 87 87,8 87,8 0 6 6 6 6 6 6 6 79,2 79,2 79,2 79,2 79,2 79,2 79,2 79,2 79,2 82 82 0 44 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18,1 41,3 41,3 56,8 56,8 58,1 58,1 58,1 58,1 58,1 0 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 36,4 0 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 21,4 51 61 61 64,2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 17,9 17,9 23,7 0 18,1 18,1 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 60,6 72,7 75,7 75,7 75,7 75,7 80,6 0 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 23,7 87,1 87,1 87,1 87,1 87,1 87,1 87,1 90,9 93,2 96,9 0 32,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 33,5 63,5 63,5 63,5 63,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 32,8 32,8 32,8 0 0 0 40 40 40 40 40 57,6 57,6 57,6 60,5 60,5 60,5 60,5 60,5 77,4 78,9 80,4 0 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 41,9 67,3 67,3 67,3 76 76 83,8 83,8 87,5 87,5 0 46,9 46,9 46,9 51,5 51,5 51,5 51,5 51,5 51,5 51,7 62,3 62,3 62,3 62,3 62,3 62,3 62,3 62,3 0 0 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 12,7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 23,4 23,4 23,4 23,4 25,8 26,8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4,4 4,4 4,4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 20,4 42 42 68,5 74,6 0 49,2 49,2 60,7 63 63 63 63 63 63 63 63 63 79,2 79,2 79,2 89,2 89,2 94,6 Anexo 66 70% carga de rotura 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000 77500 85000 100000 115000 130000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14,3 28,9 28,9 54,5 54,5 54,5 0 27,5 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 36,9 86,6 87,3 95,3 0 8,6 8,6 8,6 8,6 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 92,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 43,9 0 57,1 57,1 57,1 58,4 58,4 81,4 83,9 89,5 89,5 89,5 89,5 89,5 89,5 92,8 92,8 92,8 92,8 92,8 95,4 0 26,8 26,8 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 75,7 75,7 85 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30,7 30,7 42,5 0 12 12 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 43,1 79,1 79,1 90,4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 42,8 42,8 42,8 42,8 42,8 42,8 42,8 52,3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8,4 8,4 39,2 39,2 39,2 67,8 67,8 67,8 82,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 91,3 91,3 93,6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8,1 75,9 80,2 84,3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,7 3,6 55,7 55,7 55,7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11,3 11,3 11,3 17 17 61,5 61,5 72 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22,2 22,2 28,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11,8 13 22,2 22,2 40,7 59,5 0 0 0 0 0 0 1,1 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 4 10,9 10,9 10,9 72 72 72 0 12,9 12,9 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 82,6 82,6 86,8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 28 28 55,7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1,8 64,8 64,8 64,8 0 5 5 5 5 5 20 20 20 20 20 61 61 61 61 61 61 69,8 69,8 69,8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40 40 40 40 40 82 90 96,8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50,4 50,4 50,4 50,4 86,8 86,8 94,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 45,7 45,7 91,3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15,2 15,2 30,2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 83,6 83,6 89,8 0 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 32,2 62,7 62,7 62,7 62,7 62,7 62,7 62,7 0 0 0 0 0 0 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 28,7 28,7 28,7 45,3 45,3 45,3 71,7 81,5 90 0 3,8 3,8 3,8 3,8 3,8 59,1 59,1 59,1 59,1 59,1 66,6 66,6 66,6 66,6 66,6 66,6 88,7 92,8 96,9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 40,2 58,6 58,6 58,6 63,6 63,6 93,1 67 Nota: Las filas se corresponden con el orden de los puntos de exploración Nota: Suavizado de datos (Se incluye en el apartado “Códigos). Algunos ejemplos del suavizado: -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 Atenuación Ciclos Suavizado Medición -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 Atenuación Ciclos Suavizado Medición 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 Atenuación Cicclos Suavizado Medición Anexo 68 Códigos Calculador de coordenadas programa Zig-Zag: load('Datos') %% Definición de las coordenadas de los puntos de exploración coordx=linspace(margenV,alto-margenV,nx); coordy=linspace(margenH,ancho-margenH,ny); %% Definición de puntos de exploración en coordenadas absolutas % Definimos el vector 'puntos' para poder graficar después resultados en 2D puntos=zeros(nx*ny,2); n=0; avance=1; % Variable para ordenar en Zig-Zag for i=1:ny puntoy=coordy(i); if avance>0 for j=1:nx n=n+1; puntox=coordx(j); puntos(n,1:2)=[puntox,puntoy]; end else for j=1:nx n=n+1; puntox=coordx(nx+1-j); puntos(n,1:2)=[puntox,puntoy]; end end if i~=ny avance=avance*(-1); else end end puntosG(:,1)=puntos(:,1)-puntos(1,1); % Corrección de coordenadas puntosG(:,2)=puntos(:,2)-puntos(1,2); puntosG(:,1)=x; puntosG(:,2)=y; puntosG(:,1)=-y;