DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE TORQUE
EN TIEMPO REAL PARA EL PROCESO DE SOLDADURA POR FRICCIÓN
AGITACIÓN (SFA)
Ing. SAÚL ANTONIO PÉREZ PÉREZ
Universidad Autónoma del Caribe
Facultad de Ingeniería
Maestría en Ingeniería Mecánica con Énfasis en Gestión Energética
Barranquilla
2015
DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE TORQUE
EN TIEMPO REAL PARA EL PROCESO DE SOLDADURA POR FRICCIÓN
AGITACIÓN (SFA)
Ing. SAÚL ANTONIO PÉREZ PÉREZ
TESIS DE MAESTRIA
DIRECTOR DE TESIS:
Ing. JOSÉ POSADA AGUILAR. MSc
Ing. JIMY UNFRIED SILGADO. PhD
Universidad Autónoma del Caribe
Facultad de Ingeniería
Maestría en Ingeniería Mecánica con Énfasis en Gestión Energética
Barranquilla
2015
II
Nota de Aceptación:
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
Firma del Presidente del Jurado
___________________________
Firma del Jurado
___________________________
Firma del Jurado
Barranquilla
24 de Abril de 2015
III
DEDICATORIA
Este nuevo logro que hoy consigo se lo dedico a Dios en primera instancia por
tenerme con vida y con ganas de seguir luchando obtener nuevos logros.
A mis padres por la paciencia y el apoyo en los últimos años dándome sus consejos.
A mi linda novia que ha estado conmigo en todo momento brindándome su amor y
comprensión durante el tiempo ausente.
IV
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Autónoma del Caribe que ha sido mi segundo hogar en mi etapa
de pregrado y ahora posgrado.
A los Ingenieros Armando Robledo, Franz Quesada, Valmiro Maldonado, William
Arnedo y Saling Pallares por brindarme la oportunidad de cursar la maestría.
Al Ingeniero Jimy Unfried por darme la oportunidad de hacer parte del grupo de
investigación y ser, junto al Ingeniero José Posada, mis directores de tesis brindado
lo mejor de sus conocimientos.
V
CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................. 11
1. INTRODUCCION ............................................................................................ 12
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 15
3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 17
4. OBJETIVOS .................................................................................................... 18
4.1
Objetivo General ....................................................................................... 18
4.2
Objetivos Específicos................................................................................ 18
5. MARCO REFERENCIAL ................................................................................. 19
5.1
Marco teórico ............................................................................................... 19
5.1.1 Conceptos de electrónica básica ............................................................ 19
5.2.2 Construcción del modelo matemático implementado ............................. 29
5.2
ESTADO DEL ARTE .................................................................................... 33
6. METODOLOGÍA .............................................................................................. 48
6.1
Preparación de la máquina ....................................................................... 48
6.1.1 Características del dispositivo de medición ............................................... 49
6.2
DESCRIPCION ANALITICA DEL CÁLCULO DE TORQUE ..................... 51
6.2.1
Etapa de detección............................................................................. 51
6.2.2
Cálculos analíticos del voltaje de salida de las galgas ....................... 55
6.3
SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS ............................................................. 55
6.3.1 Etapa de transmisión y recepción ............................................................. 59
6.3.2 Dispositivo de sujeción de la electrónica ................................................... 60
6.3.3 Etapa de visualización de los datos ........................................................... 62
6.4
MONTAJE Y MEDICIÓN .......................................................................... 64
6.4.1 Materiales y equipos............................................................................... 64
6.4.2
Sensor ................................................................................................ 66
6.4.3
Acondicionamiento de señal .............................................................. 66
6.4.4
Módulo de transmisión y recepción .................................................... 67
VI
7
6.4.5
Visualización y almacenamiento ........................................................ 68
6.4.6
Calibración del torquímetro ................................................................ 68
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 70
7.1 Torquímetro y electrónica ............................................................................. 70
7.2 Resultados de la calibración ......................................................................... 74
7.3 Resultados de medición ............................................................................... 77
8
CONCLUSIONES ............................................................................................ 82
9
RECOMENDACIONES ................................................................................... 84
REFERENCIAS ..................................................................................................... 85
VII
LISTA DE GRAFICAS
Figura 1. Herramienta para SFA y sus partes [4] ................................................... 12
Figura 2. Secuencia del proceso de soldadura por fricción – agitación (SFA) [6] . 13
Figura 3. Forma de la galga extensiométrica [15]. ................................................. 19
Figura 4. Puente de Wheatstone [18]. ................................................................... 21
Figura 5. Amplificador de instrumentación construido con tres operacionales [19].
............................................................................................................................... 22
Figura 6. Amplificador de instrumentación usado para acondicionar la señal de las
galgas (INA 129) [20]. ............................................................................................ 22
Figura 7. Amplificador en configuración diferencial................................................ 23
Figura 8. Circuito de alimentación.......................................................................... 23
Figura 9. Diagrama de conexión del XBEE® [23] .................................................. 24
Figura 10. Forma del Arduino uno® [28] ................................................................ 28
Figura 11. Barra sometida a torsión [30] ................................................................ 29
Figura 12. Ángulo de torsión longitudinal y transversal [33]. .................................. 31
Figura 13. Torque, fuerza y temperatura obtenidas [34] ........................................ 33
Figura 14. a) Fuerza axial y torque obtenido durante la inmersión en SFA para
acero 1018 y b) Fuerza axial y Torque durante la etapa de soldadura SFA para
acero 1018 [35] ...................................................................................................... 34
Figura 15. Torque obtenido con respecto a la distancia de soldadura [36] ............ 36
Figura 16. Curvas de torque y generación de calor [37] ........................................ 37
Figura 17. Torque obtenido de acuerdo a las velocidades de rotación [38] ........... 38
Figura 18. Resultados de la Velocidad de Rotación Contra el Torque [39] ............ 39
Figura 19. Dinamómetro 9124 B [40] ..................................................................... 39
Figura 20. Torque registrado durante el proceso SFA [41] .................................... 40
Figura 21. Torque registrado en la SFA de aleaciones disimiles [42] .................... 41
Figura 22. Torque contra revoluciones por minuto [43] .......................................... 42
Figura 23. a. Torque registrado contra el tiempo durante SFA, b. Medidor de
parámetros LOWSTIR [44] ................................................................................... 43
Figura 24. Torque registrado contra el tiempo durante SFA [45] ........................... 44
Figura 25. Dinamómetro Kistler 9123C [46] ........................................................... 45
Figura 26. a. Diagrama del medidor de torque inalámbrico implementado b. Curva
de torque obtenida para AA6061 [2] ...................................................................... 46
Figura 27. Diagrama de bloques de la metodología .............................................. 48
Figura 28. Fresadora utilizada en la SFA ............................................................... 49
Figura 29. Herramienta de Hombro Plano Usada en FSW .................................... 50
VIII
Figura 30. Forma de la galga extensiométrica para medir torsión [47] .................. 51
Figura 31. Puente de Wheatstone para la ubicación de las galgas [47] ................ 52
Figura 32. Conexión de las Galgas Sobre la Herramienta [47] .............................. 52
Figura 33. Circuito Electrónico Para Acondicionamiento de la Señal Proveniente de
las galgas ............................................................................................................... 56
Figura 34. a. Conectores utilizados para las galgas, b. Conector para circuito
impreso [50] ........................................................................................................... 57
Figura 35. Circuito para compensación del cero .................................................... 57
Figura 36. Circuitos impresos a. etapa de instrumentación y b. etapa de
transmisión............................................................................................................. 58
Figura 37. Forma del Transmisor de Datos Inalámbricos (XBEE serie 1) [52]. ...... 59
Figura 38. Espacio Disponible Para Dispositivo de Sujeción ................................. 60
Figura 39. Diseño del Dispositivo de Sujeción en SolidWorks@ ........................... 61
Figura 40. Dispositivo de Sujeción de los Dispositivos Electrónicos ...................... 61
Figura 41. Panel frontal de visualización del torque ............................................... 62
Figura 42. Montaje experimental de las Placas y del Torquimetro......................... 65
Figura 43. Placas de Aluminio Soldadas con SFA en la fresadora convencional .. 65
Figura 44. Diagrama de bloques del sistema de medición .................................... 66
Figura 45. Circuito de Acondicionamiento de Señal .............................................. 67
Figura 46. Montaje de la Herramienta Para Calibración ........................................ 69
Figura 47. a. Torquímetro y su ubicación en la fresadora b. Distribución interna de
la electrónica .......................................................................................................... 71
Figura 48. Graficas de torque medido, registrado y corregido ............................... 75
Figura 49. Grafica de la diferencia aritmética de los valores de torque medido y
registrado ............................................................................................................... 76
Figura 50. Torque registrado contra el tiempo en la SFA, para aluminio AA1100 . 77
Figura 51. Transformada rápida de Fourier de los datos de torque registrados para
la soldadura realizada en AA1100 ......................................................................... 78
Figura 52. Torque registrado contra el tiempo en la SFA, para materiales disimiles
AA6061 y AA2024.................................................................................................. 79
Figura 53. Transformada rápida de Fourier de los datos de torque registrados .... 80
IX
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Ventajas y desventajas de la SFA ........................................................... 14
Tabla 2. Valor comercial de dispositivos de medición de torque............................ 15
Tabla 3. Configuración del XBEE® [25]. ................................................................ 27
Tabla 4. Parámetros de cálculo del valor de deformación ..................................... 54
Tabla 5. Valores de conversión de torque a voltaje ............................................... 55
Tabla 6. Análisis del tiempo de muestreo .............................................................. 63
Tabla 7. Costo de los dispositivos electrónicos para octubre de 2013 ................... 72
Tabla 8. Costo de los materiales de la etapa de instrumentación a octubre de 2013
............................................................................................................................... 72
Tabla 9. Valores Medidos Vs Registrados. ........................................................... 74
X
RESUMEN
En este trabajo se desarrolló un dispositivo de medición de torque de baja inversión
($ 617.385 pesos colombianos, US$ 308,69 para Julio de 2013), con tecnología
disponible en el mercado. El dispositivo desarrollado se empleó para medir torque,
en tiempo real, generado durante el proceso de soldadura por fricción – agitación
(SFA).
Las soldaduras se realizaron en dos etapas: en la primera etapa de las medidas se
utilizó aluminio AA1100-O de 6 𝑚𝑚 de espesor, obteniendo un valor de torque
máximo de 5,4 𝑁 ∙ 𝑚. En la segunda etapa se usaron materiales disimiles (AA6061
T6 y AA2024 T6). El valor de torque máximo registrado fue de 26 𝑁 ∙ 𝑚. Para
garantizar las medidas de torque se realizó la calibración del dispositivo mediante
el empleo de un torquímetro. Como primera medida se encontró un factor de
corrección y luego se empleó para validar los valores registrados el programa
Statgraphics®Centurion XVI, donde se observó que las muestras de torque real y
registrado siguen una distribución normal y que además estos datos son iguales.
Con el análisis estadístico se garantiza la exactitud de las medidas, además de esto
se realizó en MatLab@ el análisis rápido de Fourier (FFT) en busca de ruido
presente en el sistema. La FFT realizada evidenció que no existe ruido en los datos
analizados de torque.
11
1. INTRODUCCION
La soldadura por fricción – agitación (SFA) (Friction Stir Welding – FSW, por su
acrónimo en inglés) es un proceso que se desarrolló en el Instituto de Soldadura de
Cambridge (The Welding Institute - TWI, por su acrónimo en inglés) por W. Thomas
[1]. Este proceso con el pasar de los años, ha tenido un crecimiento importante en
industrias especializadas como la naval, automovilística, aeroespacial, entre otras
[2], convirtiéndose en uno de los procesos más revolucionarios de los últimos
tiempos puesto que permite la soldadura de diversos materiales en fase solida sin
necesidad de usar consumibles para lograrlo [3].
Con SFA se pueden realizar soldaduras de aleaciones ferrosas y no ferrosas, con
alto y bajo punto de fusión. El proceso tiene mejores prestaciones en aleaciones del
segundo tipo (bajo punto de fusión); el más soldado es el aluminio. El proceso se
realiza con una herramienta que posee en uno de los extremos el pin no consumible
y el hombro cuya geometría depende del material a soldar y la calidad de la junta
(como se muestra en la figura 1)
Figura 1. Herramienta para SFA y sus partes [4]
Durante el proceso de SFA, las partes a ser soldadas se unen borde contra borde y
se fijan a una placa de respaldo. La junta de soldadura, requiere poca preparación
y se forma al penetrar la herramienta con el pin no consumible en su extremo que
se introduce lentamente en la unión con velocidad de rotación (𝑣𝑤 ) hasta que el
hombro de la herramienta entra en contacto con la superficie de la pieza de trabajo.
El calentamiento provocado por la fricción hace que junto con el desplazamiento de
la herramienta (𝑉𝑆 ), el material fluya creando una unión permanente entre ambas
12
piezas. En FSW se suministra fuerza en el sentido axial (𝐹𝐴 ), perpendicular al plano
de soldadura para mantener el flujo de material encausado en la junta (como se
muestra en la figura 2) [5].
Figura 2. Secuencia del proceso de soldadura por fricción – agitación (SFA) [6]
3
2
1
4
5
La figura 2 muestra el proceso de SFA en el cual la unión de las dos placas se
produce debido a la deformación plástica severa del material, el calentamiento y la
presión ejercidas por la fuerza axial, la velocidad de rotación y la velocidad de
soldadura que son las variables del proceso de soldadura por fricción – agitación
[7].
La importancia de la soldadura SFA radica en que no hay consumibles, se necesita
poca preparación de las piezas a soldar y se eliminan los problemas de
solidificación. A continuación se muestra en la tabla 1 las ventajas y desventajas del
proceso.
13
Tabla 1. Ventajas y desventajas de la SFA












Soldadura por Fricción – Agitación (SFA)
Ventajas
Desventajas
Mejora
las
propiedades
 Tecnología
costosa
de
mecánicas
implementar.
Reduce las tensiones residuales

Necesita sistemas de fijación
Reduce los defectos

Geometría de juntas limitadas
No modifica la química de los

Puede necesitar protección
materiales
contra corrosión
Elimina
los
consumibles

Materiales
y
espesores
(ambientalmente amigable)
limitados
Simplifica
las
uniones
disimilares
Reducción de las variables de
proceso
Fácil automatización
Mejora reproductibilidad y los
tiempos de producción
Reduce los riesgos a la salud del
operario
Mejora el desempeño a la
fractura de juntas
Menor dependencia de la
habilidad del operario
En el proceso de soldadura por fricción – agitación la velocidad de giro de la
herramienta, la fuerza axial que permite la inserción del pin entre la junta del material
a unir, la oposición de las placas al giro de la herramienta y el endurecimiento del
material como respuesta a la deformación producen el torque que se mide. Es
importante medir este último porque permite determinar el consumo energético,
controlar la máquina, evaluar la posible construcción de un dispositivo para SFA y
validar el modelo matemático del proceso. Por lo que en este estudio se busca medir
experimentalmente el torque que se presenta durante el proceso SFA realizado a
través de una fresadora convencional adaptada para realizar el proceso. El torque
será medido sobre la herramienta como respuesta a los procesos metalográficos
que ocurren durante la deformación del material en todas las etapas del proceso
SFA.
14
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La soldadura por fricción - agitación (SFA) es un proceso revolucionario y por esta
razón se ha venido estudiando un sin número de variables presentes durante el
mismo como temperatura en los materiales a soldar y la herramienta, fuerza axial,
la deformación de la herramienta con el objetivo de medir el torque del motor. La
medición de este último es compleja porque se realiza cuando la herramienta se
encuentra girando a alta velocidad y avanzando sobre la junta a soldar.
Para realizar la SFA es necesario adquirir una máquina especializada para el
proceso o adaptar una al proceso, como es el caso. La soldadura se realiza en una
máquina fresadora universal, la cual no tiene ningún equipo de medición. Para
dimensionarla y determinar los materiales que se pueden soldar, es necesario medir
el torque. Existen desarrollos en este sentido pero son de alto costo de adquisición
(Como se observa en la tabla 2). Al comparar el precio de estos dispositivos con el
de la fresadora convencional adaptada al proceso SFA (alrededor de US$ 8000
Dólares), se nota que algunos de estos son más costosos que la fresadora misma.
Tabla 2. Valor comercial de dispositivos de medición de torque
Transductor
Sensor Data
Torque
Sensing
Pulley
ATI
Axis
Cell
Multi
Load
ATI Multi Axis
Load Cell
Imagen
Modelo
T211
(Galgas
Extensiométrica
s)
Capacidad
maxima
255 𝑁 ∙ 𝑚
Precio Referencias
US$
[8]
5,000
Omega 160
(Galgas
extensiométrica
s de silicio)
[9]
400 𝑁 ∙ 𝑚
8,172
Omega 190
(Galgas
extensiométrica
s de silicio)
15
[10]
1400 𝑁 ∙ 𝑚
11,997
Transductor
LowStir
Welding
System
Rotary torque
sensor
Rotary
torque
sensor
Imagen
LowStir Mk.2
Galgas
Extensiométricas
100 𝑁 ∙ 𝑚
Precio Referencias
US$
[11]
24,000
QRT-901
200 𝑁 ∙ 𝑚
4,000
RTSX
0,11 𝑁 ∙ 𝑚 −
2033 𝑁 ∙ 𝑚
Modelo
Capacidad
maxima
[12]
[13]
2,450
a
6,395
Al alto costo de los dispositivos de medición de torque disponibles en el mercado,
se le suma la escasa información sobre el método de medida utilizado para
determinar esta variable en tiempo real. Se debe tener en cuenta que la fresadora
no posee ningún tipo de dispositivo de medición y esto es muy importante para el
grupo de investigación. Existe dificultad para tomar la medida, porque la
herramienta gira a alta velocidad, por lo cual el dispositivo debe ser inalámbrico.
Otras dificultades presentes se encuentran en el espacio disponible para adherir el
sistema de adquisición de datos, la temperatura que deben soportar los sensores,
el ruido electromagnético, los niveles de tensión de los sensores, etc.
La señal se debe acondicionar y registrar, previa conversión de la medida a torque
de una forma que se pueda ver y almacenar para realizar análisis posteriores. Por
esta razón se debe realizar la transmisión, recepción y visualización de los datos
tomados en tiempo real con equipos disponibles en el mercado local, que sean de
baja inversión y fácil adquisición. Se plantea por medio de esta investigación
evidenciar la forma como se mide el torque en SFA, realizando un dispositivo de
baja inversión y con tecnología disponible en el mercado.
16
3. JUSTIFICACIÓN
La Universidad Autónoma del Caribe dentro de su proceso investigativo tiene varios
años trabajando con el proceso de soldadura por fricción – agitación en una
fresadora convencional adaptada. Debido a que esta no posee ningún dispositivo
que permita la medida en tiempo real de los parámetros de procesamiento, que
permitan determinar las características que se presentan durante el proceso, el
presente proyecto busca suplir esta deficiencia
Es posible medir los parámetros del proceso SFA, por medio de la construcción de
dispositivos usando los recursos humanos, técnicos y tecnológicos de la
Universidad Autónoma del Caribe. La institución avala varios grupos de
investigación interdisciplinarios, que cuentan con un personal capacitado para
diseñar e implementar los dispositivos necesarios. En este caso el Torquímetro, que
cumpla con todas las prestaciones necesarias para la medición y que además el
costo de inversión sea bajo, partiendo de elementos disponibles en el mercado.
La solución construida brindará la posibilidad de medir el torque que se presenta
durante el proceso SFA. De esta forma la universidad inicia un camino en el
desarrollo de capacidades y experiencias necesarias, para crear dispositivos
innovadores cuando sea necesario, solucionando la insuficiencia de equipos de
medición, cumpliendo con los estándares de calidad necesarios para otorgar
medidas idóneas.
17
4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo General
Desarrollar un sistema de bajo costo de inversión para la medición del torque, en
tiempo real, con registro de señales inalámbricas para una máquina fresadora
convencional, usando como base la deformación que se presenta en la herramienta
durante el proceso de soldadura por fricción – agitación (SFA).
4.2 Objetivos Específicos
1. Determinar el tipo de sensor de deformación a utilizar a partir del modelo
matemático para conversión a torque.
2. Diseñar e implementar el sistema electrónico de acondicionamiento,
transmisión y recepción de señal en tiempo real con el programa de
visualización y registro de datos.
3. Validar experimentalmente el sistema de medición de torque con el desarrollo
de pruebas en tiempo real del proceso de soldadura por fricción – agitación,
(SFA)
18
5. MARCO REFERENCIAL
5.1 Marco teórico
Para el desarrollo de la medición de torque en tiempo real es necesario conocer
unos conceptos básicos para entender la disposición del dispositivo ya que debe
ser capaz de detectar la deformación en la herramienta captando la señal para
acondicionarla, enviarla y luego recibirla para procesarla. Lo primero para realizar
la medición del torque es identificar un sensor que detecte la deformación de la
herramienta. El sensor más simple es la galga extensiométrica.
5.1.1 Conceptos de electrónica básica
La galga extensiométrica es un transductor que cambia su resistencia en función de
la deformación a la que está sometida; es decir, convierte fuerza o desplazamientos
mecánicos pequeños en señales eléctricas. Las galgas son utilizadas para medir
torque, presión, peso o los esfuerzos a que se ve sometido un determinado material.
Además de ser capaz de medir movimiento vibratorio que tengan señales variables
en frecuencia hasta de 100 𝑘ℎ𝑧. Su nombre se debe a que al deformarse
longitudinalmente la galga cambia su resistencia [14]. Ejemplo de una galga, se
ilustra en la figura 3.
Figura 3. Forma de la galga extensiométrica [15].
Marcas de
alineación
Puntos de
Soldadura
Rejilla activa
La figura 3 muestra una galga de propósito general, donde se puede observar la
rejilla, su alineación y la forma como se realiza la soldadura de los cables. El cambio
19
de resistencia depende del factor de galga el cual es un número adimensional que
el fabricante entrega y que también se puede calcular como lo indica la ecuación 1
𝑲=
∆𝑹
𝑹
∆𝑳
𝑳
Ecuación 1
Donde R indica resistencia y L longitud. La ecuación 1 indica entonces que al
cambiar la longitud de la galga extensiométrica cambia la resistencia. La intensidad
de la fuerza sobre la galga se llama esfuerzo y se denota por 𝜎 el cual se calcula de
acuerdo a la ecuación 2
𝝈=
𝑷
Ecuación 2
𝑨
Donde:
𝜎 = Esfuerzo aplicado al objeto [𝑁⁄𝑚2 ].
P = Tensión, fuerza, peso, carga [N].
A = Área transversal de la estructura [𝑚2 ].
Al presentarse deformación cambia la longitud de la galga volviéndose más larga o
más corta (tensión y compresión) este concepto se conoces como deformación
unitaria y se representa con la letra griega 𝜀 (Épsilon) y se calcula de acuerdo a la
ecuación 3.
𝜺=
∆𝑳
Ecuación 3
𝑳
Épsilon (𝜀) representa el cambio de longitud sobre la longitud inicial. Al analizarlo
desde el punto de vista eléctrico un cambio en la longitud representa un cambio de
resistencia como se muestra en la ecuación 4 [16].
𝑅=
𝜌𝑙
𝐴
Ecuación 4
Donde:
20
R = Resistencia del conductor [Ω].
𝑙 = Longitud del conductor [m].
A = Área de la sección transversal [m].
𝜌 = Resistividad [Ω𝑚].
Una variación de la resistencia no es suficiente para realizar la medición. Además
es necesario realizar acondicionamiento de señal, es decir, tener un parámetro
medible en este caso es el voltaje. Debido a que los cambios de resistencia son muy
pequeños para acondicionar la señal, se utiliza el puente de Wheatstone el cual se
usa para medición con sensores resistivos, produciendo en la salida una diferencia
de voltaje. Dentro del puente las galgas pueden ser una (cuarto de puente), dos
(medio puente), o cuatro (puente completo) [17]. La figura 4 muestra el puente de
Wheatstone.
Figura 4. Puente de Wheatstone [18].
𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑉𝑆 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑅𝑛 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒
En la figura 4 se observa la forma como se alambre el puente. A la salida del puente
se debe acondicionar su señal y para esto es necesario utilizar un dispositivo que
sea capaz de tener altas ganancias (𝐺) y alto rechazo al ruido en modo común
(𝐶𝑀𝑅𝑅). El dispositivo que usa para realizar acondicionamiento de señal es el
amplificador operacional diferencial configurado como amplificador de
instrumentación. Este se puede construir con tres amplificadores operacionales o
adquirirse ya como amplificador de instrumentación como es el caso de los INA 129,
como se ve en las figuras 5 y 6.
21
Figura 5. Amplificador de instrumentación construido con tres operacionales [19].
Figura 6. Amplificador de instrumentación usado para acondicionar la señal de las
galgas (INA 129) [20].
B: Protección al sobre voltaje
La figura 5 y 6 se muestra el amplificador de instrumentación, internamente tiene
tres amplificadores operacionales y su ganancia se ajusta solo con modificar el valor
de la resistencia 𝑅𝑔 , permitiendo obtener amplios márgenes de amplificación. Se
debe tener en cuenta que un aumento en la ganancia significa una disminución en
la relación señal a ruido [19].
Amplificar la señal de las galgas es sencillo, pero todo sensor resistivo posee una
tolerancia y por esta razón es necesario ajustar el cero cuando no hay deformación.
22
Un amplificador operacional con ganancia unitaria, usado en forma diferencial
permite realizar la puesta a cero. Para realizar el ajuste se utiliza un dispositivo de
resistencia variable llamado potenciómetro con dos voltajes en sus extremos, que
al variar su resistencia cambia el voltaje y con esto se puede poner en cero el valor
de voltaje de que sale del amplificador de instrumentación [21]. Un ejemplo del
circuito es el que se muestra en la figura 7.
Figura 7. Amplificador en configuración diferencial
Los elementos mostrados en las figuras 6 y 7, para su funcionamiento deben ser
alimentados por una fuente de voltaje, que usualmente se conectan a un
tomacorriente, lo que implica conexión por medio de alambres. Debido a que las
mediciones a realizar se ejecutan sobre un dispositivo giratorio no es posible
cablear; es necesario el uso de baterías en este caso para alimentar los equipos
sujetos a la fresadora. Por teoría básica de circuitos se puede utilizar dos baterías
en serie y sacando de la unión positiva y negativa el punto de referencia como se
observa en la figura 8. [22]
Figura 8. Circuito de alimentación
23
La figura 8 muestra el circuito alimentación, donde las baterías se encuentran en
serie y el punto en el que se unen las dos es la referencia, así se garantiza el voltaje
positivo y negativo necesario. Al ser alimentados los circuitos, se puede detectar
las variaciones de las galgas como diferencias de voltaje, que luego deben ser
enviadas a un sistema de adquisición de datos, teniendo en cuenta que no se puede
cablear. Para esta tarea se emplea un transmisor - receptor llamado XBEE® que
trabaja con el protocolo de comunicaciones inalámbricas Zigbee basado en el
estándar de comunicaciones para redes inalámbricas IEEE_802.15.4. Este
funciona a 2,4 𝐺𝐻𝑧 y con la opción de escoger entre 16 canales posibles. El alcance
depende de la potencia con que se transmita y de la antena que se utilice [23]. El
diagrama esquemático del XBee® se muestra en la figura 9.
Figura 9. Diagrama de conexión del XBEE® [23]
La figura 9 muestra la forma de un XBEE®, estos dispositivos poseen 4 analógicas
– digitales, tiene una velocidad de transmisión que va desde 100 𝑚 hasta 10 𝐾𝑚 en
exteriores, sin embargo en interiores esta distancia se reduce. La velocidad de
transmisión de estos dispositivos es de hasta 256 𝑘𝑏𝑝𝑠, por lo cual este tipo de red
puede manejar hasta 65535 equipos, presentando además las siguientes ventajas:



Bajo costo de inversión para construcción.
Ultra-bajo consumo de potencia. (3,3 𝑣 𝑦 150 𝑚𝐴).
Uso de bandas de radio libres y sin necesidad de licencias.
24


Instalación barata y simple.
Redes flexibles y extensibles.
Otra ventaja de los XBEE® de la serie 1 es que permiten trabajar en tres modos de
transmisión distintos, cada uno de los cuales tiene sus especificaciones propias. Los
tres modos de transmisión son: el modo transparente, por tramas API y el cable
virtual.
En el primer modo, que es el transparente, los datos ingresan de forma serial
(UART, por su acrónimo en inglés Universal Asynchronous Receiver - Transmitter)
por el pin 3 (Data in) y son almacenados en un buffer de entrada para luego ser
transmitidos. Todo lo que ingresa como paquete de RF, es guardado en un buffer
de salida y luego enviado por el pin 2 (Data out). El modo transparente está
destinado principalmente para comunicaciones punto a punto, donde no es
necesario realizar ningún tipo de control y es capaz de reemplazar conexiones
seriales por cable.
El segundo modo de operación es el de tramas API (Por su acrónimo en
inglés Application Programming Interface) es más complejo pero permite el uso de
paquetes de datos (Frames) con cabeceras que aseguran los datos. Cuando el
XBEE® se encuentra en este modo toda la información que entra y sale se
encuentra empaquetada. Las tramas pueden variar de acuerdo a la aplicación que
deseamos realizar. Pero en general la trama API tiene la siguiente forma:
7E 00 16 92 00 13 A2 00 40 60 20 5A 9E 11 01 01 00 0C 03 00 04 02 2F
03 FF A7
La trama hexadecimal se describe a continuación:

7E es el delimitador de las tramas API, toda trama API debe empezar por 7E.

00 16 son los 2 bytes que representan la longitud de la trama, quiere decir
que a partir de ahí el número de datos es 16H, o sea 22 en decimal, sin contar
el último byte que es el algoritmo de verificación de que la información llegó
completa.
25

92 es el tipo de trama API, ésta específicamente es la recepción de muestras
de I/O Zigbee.

00 13 A2 00 40 60 20 5A son la dirección o serial del módulo fuente, es decir
el enrutador que envía la información.

9E 11 es la dirección corta o de 16 bits del módulo fuente asignada por el
coordinador.

01 es el ACK o acknowledgement que debe devolver el receptor para indicar
que llegó la trama, debe ser un número diferente de cero.

01 número de muestras solicitadas, en este caso solo una muestra de todas
las I/O configuradas.

00 0C entradas (o) salidas digitales configuradas. Recordemos que las
digitales D2 y D3 las tenemos como salida digital alta y entrada digital
respectivamente, entonces el 00 0C debe ser consecuente con esto, veamos:

0000 0000 0000 1100 = 00 0C. Los dos unos son efectivamente D2 y D3.

03 entradas análogas configuradas 0000 0011 = 03 los dos unos implican
que D0 y D1 están configuradas como entradas análogas.

00 04 representa el estado de las I/O digitales configuradas, es decir D2 y
D3, en este caso viéndolo en binario 0000 0000 0000 0100 = 00 04 indica
que la salida D2 está entregando nivel alto y que la entrada D3 está
recibiendo un nivel bajo.

02 2F en decimal 559, es el valor de la entrada análoga D0. Partiendo de que
el voltaje de referencia en los módulos XBEE® serie 2 es interno y tiene un
valor de 1,2 voltios y dado que el módulo ADC es de 10 bits, podemos decir
que el voltaje en esa entrada es calculado como se muestra en la ecuación
5.
Valor señal análoga = Resolución * valor digital leído.
Ecuación 5
(1,2 𝑉/1023)𝑥 559 = 0,65𝑉. Que se pueden leer en el pin 20 del módulo XBEE.
26

03 FF en decimal 1023, es el valor de la entrada análoga D1, realizando el
mismo cálculo, tenemos que el valor de voltaje en el pin 19 del módulo
XBEE® es de:
(𝟏, 𝟐 𝑽 / 𝟏𝟎𝟐𝟑) 𝒙 𝟏𝟎𝟐𝟑 = 𝟏, 𝟐 𝑽 Ecuación 6

A7 es el checksum o algoritmo de verificación de información recibida
completa [24].
El tercer modo es el cable virtual que permite realizar una comunicación
transparente debido a que cada pin de entrada tiene su propio pin de salida ya
definido entre nodos. Lo anterior permite una forma sencilla de enviar información,
controlar o medir de manera sencilla y rápida, sin necesidad de complicadas
configuraciones. Si la entrada es digital y se toma por el pin 20 del transmisor, el
receptor la entrega por el pin 20 y con el mismo valor. Si la señal es análoga y la
toma por el pin 20 (𝐴0 ), la entrega por el pin 6 (𝑃𝑊𝑀0 ) en forma de modulación por
ancho de pulso (PWM) con un periodo de 64 𝜇𝑠 [25].
Para configurar el XBEE® en forma de cable virtual se debe hacer con el programa
X-CTU@ [26], tal como lo muestra la tabla 3.
Tabla 3. Configuración del XBEE® [25].
Tabla de configuración XBee®
MODULO 1
MODULO 2
MY
MY
0x1234
0x5678
DL
DL
0x5678
0x1234
D0
2
P0
2
D1
2
P1
2
D2
0
D2
0
IR
0x14
UI
1
IT
1
IT
0x1234 (O 0xFFFF)
Para el módulo 1 los valores indican que para 𝐷0 𝑦 𝐷1 cargado con el valor 2 se
habilitan como entrada de conversión análoga y digital los pines correspondientes.
27
El pin 𝐷2 en 0 indicada que la entrada esta inactiva. IR en 14 hexadecimal indica
que se está utilizando un periodo de muestreo de 20 𝑚𝑠 y se toma una sola muestra
porque IT está en 1. MY y DL sus valores están cruzados lo que indica que los dos
XBEE® van a trabajar juntos uno como transmisor y otro receptor.
Para el módulo 2 (receptor) los valores indican que para 𝑃0 𝑦 𝑃1 se debe cargar con
el número dos (2), de esta forma habilitan las salidas PWM del receptor y entregan
lo que se está detectando por 𝐷0 𝑦 𝐷1 respectivamente; mientras que UI se debe
cargar con el numero uno (1) indica que las tramas API se pueden utilizar también
como parte de la solución a implementar [25].
El Arduino® es un sistema de desarrollo libre y de código abierto por lo que su
diseño es de libre distribución y utilización. Está basado en una placa que posee el
microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñado para facilitar el uso de la
electrónica en proyectos multidisciplinares, el cual posee 6 pines de entrada
analógica y 13 de entrada/salida digital. De los 13 de entrada/salida digital, 2 sirven
para comunicación serial y 6 son de salida PWM [27]. La figura 10 muestra el
Arduino uno®.
Figura 10. Forma del Arduino uno® [28]
El Arduino® es muy versátil y permite ser utilizado como placa de adquisición de
datos de bajo costo esto en combinación con LabView@. Este es un software que
es utilizado en sistemas de controles simulados y reales y pues acelera la
productividad, debido a su sencillo lenguaje de programación y fácil conectividad
con diversos dispositivos [29].
28
5.2.2 Construcción del modelo matemático implementado
Para realizar la medición de torsión y cizallamiento, la galga de tensión no mide
directamente el voltaje de cizallamiento, pero detecta la deformación por
tracción, compresión o torsión a que son sometidos algunos materiales. La torsión
produce la deformación, a continuación se describe la forma como se realiza la
conversión de torque a diferencia de voltaje. Para el caso de elementos cilíndricos
se debe tener en cuenta el diámetro de la sección transversal (d).
El valor de este diámetro se mide en la herramienta en la cual se va a medir el valor
de torque puesto que es de forma cilíndrica y con esta se puede calcular el módulo
de sección polar (𝑍𝑝 ), siendo este solo una característica geométrica de la sección.
No tiene significado físico pero es indispensable para el estudio de tensiones que
se producen en un eje circular sometido a torsión y se calcula con la ecuación 7.
𝝅
𝒁𝒑 = 𝟏𝟔 𝒅𝟑
Ecuación 7
𝑑 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙
El módulo de sección polar es una variable que sirve dentro de los cálculos de
torsión que en este caso es valor de fuerza aplicada al cilindro y la deformación
presente (𝑻 = 𝑭𝑳, 𝐄𝐜𝐮𝐚𝐜𝐢ó𝐧 8) [30]. Como se ve en la figura 11.
Figura 11. Barra sometida a torsión [30]
La figura 11 muestra una barra cilíndrica que se encuentra sometida a dos fuerzas
en distintas direcciones, motivo por el cual se produce una deformación de la barra
que permite medir torque. El módulo de cizallamiento o rigidez (G) para la barra
representa la constante elástica que caracteriza el cambio experimentado por un
material elástico cuando es sometido a esfuerzos cortantes. El módulo de
29
cizallamiento indica que tan rígido es un material, siendo un indicador de cuanta
fuerza se le debe aplicar a un material. La ecuación 9 muestra la forma de calcula
el módulo de rigidez.
𝑮=
𝑬
Ecuación 9
𝟐(𝟏+𝒗)
Donde:
𝐸: Es el módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young.
𝑣: Es el coeficiente de Poisson. [31]
El coeficiente de Poisson es un valor constante que da una medida del
estrechamiento de sección que se produce en materiales que se encuentran
sometidos a deformación y dependiendo de la dirección en que se aplica la fuerza
aparece el módulo de Young que es un parámetro que caracteriza el
comportamiento del material elástico.
Con todos estos parámetros a la mano es necesario calcular el esfuerzo cortante
(𝜏) que es el que tiende a cortar o cizallar el elemento en una dirección que es
tangente a la cara sobre la cual actúa y se calcula como se ve en la ecuación 10
[32].
𝝉=
𝑻
Ecuación 10
𝒁𝒑
𝜏: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑍𝑝 : 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑃𝑜𝑙𝑎𝑟
𝑇: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒
El módulo de Young se relaciona con el esfuerzo cortante y permite realizar el
cálculo del módulo de elasticidad cortante (𝛾) el cual no tiene dimensiones y se
calcula como se ve en la ecuación 11 [30].
30
𝜸=
𝝉
Ecuación 11
𝑮
𝛾: 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒.
𝜏: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒.
𝑍𝑃 : 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟.
Calculando el módulo de elasticidad cortante se puede calcular el ángulo en que se
deforma la herramienta llamado ángulo de torsión longitudinal e inicial que se
obtienen partiendo del análisis de la figura 12.
Figura 12. Ángulo de torsión longitudinal y transversal [33].
𝛿: Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑜𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙.
𝜃: Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑜𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙.
𝑑: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙.
𝑙: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜.
𝐴 𝑦 𝐵: 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑒 𝑒𝑗𝑒𝑟𝑐𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖ó𝑛.
El ángulo de torsión longitudinal muestra cuanto se ha deformado la barra cilíndrica
debido a la fuerza a la que se está sometiendo, se calcula de acuerdo a la ecuación
12.
𝝉 𝟏𝟖𝟎
𝜹= (
𝑮
𝝅
)
Ecuación 12
El ángulo de torsión inicial se presenta cuando el eje se tuerce, pasando el punto A
al punto B, el cual se calcula de la acuerdo a la ecuación 13.
31
𝜽=
𝟐𝒍𝜹
Ecuación 13
𝒅
La ecuación correspondiente al torque sale al sustituir las ecuaciones anteriores en
una sola quedando de la siguiente forma
𝑻=
𝜺𝟎 ∙𝑽∙𝒁𝒑
Ecuación 14
𝟏+𝒗
Donde:
𝑉: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛.
𝜀0 : Es la deformación de la galga. [33]
𝑇: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒
𝑣: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛
𝑍𝑃 : 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟
El valor de la deformación (𝜀0 ) indicada cuanto cambia la galga extensiométrica al
ser sometida a un esfuerzo mecánico y se calcula despejando la ecuación 14
𝜺𝟎 =
𝑻∙(𝟏+𝒗)
Ecuación 15
𝑽∙𝒁𝒑
Donde:
𝑉: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝜀0 : 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑙𝑔𝑎 [33]
𝑇: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒
𝑣: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛
𝑍𝑃 : 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟
Primero se convierte el valor de torque en su correspondiente a voltaje y luego se
hace el paso contrario para obtener el valor que se detecta sobre la barra cilíndrica
o cualquier objeto que tenga esta geometría y se quiera medir la deformación que
se presenta sobre de esta debido a cualquier fuerza externa.
32
5.2 Estado del arte
En la medición del torque varios autores muestran resultados, algunos usaron
simulaciones para observar los parámetros, otros tomaron mediciones por medio de
dispositivos especializados de medición y unos pocos construyeron el dispositivo
para tomar las mediciones correspondientes. En este sentido:
North, et al [34] desarrollaron un trabajo para la Tower Automotive Inc, en el
cual evaluaron un modelo tridimensional para el proceso de SFA, utilizando un
programa de simulación llamado STIR3D@ (solución de las ecuaciones de NavierStokes en 3D), para que el programa funcione se le deben entregar la geometría de
la herramienta, las propiedades del material y las condiciones de operación como la
velocidad de rotación de la herramienta, velocidad de soldadura, ángulo de
inclinación y la profundidad de inmersión de la soldadura. STIR3D@ es capaz de
entregar resultados de los perfiles 3-D velocidad del material y distribuciones de
presión, generación de campos de temperatura y de calor, mediciones de fuerza en
todas las superficies de la herramienta y el torque. Los resultados mostraron
mediciones de parámetros como temperatura (290 °𝐶), consumo energético y el
torque que se presenta durante el proceso de soldadura (14 𝑁 ∙ 𝑚) en aluminio
AA6061. Los resultados obtenidos y los parámetros de soldadura son mostrados en
la figura 13.
Figura 13. Torque, fuerza y temperatura obtenidas [34]





33
Velocidad de soldadura de
20 𝑚𝑚⁄𝑠
Velocidad
de
rotación
de
1200 𝑟𝑝𝑚
3° de ángulo de inclinación.
El pin de la herramienta sobresale
de 0,2 𝑎 0,3 𝑚𝑚 por debajo de la
superficie de la placa
Las placas soldadas de AA6061
tienen 7 mm de espesor
La figura 13 muestra la temperatura, la fuerza de empuje y el torque que se
obtienen al realizar la validación experimental de la simulación, que se hace en una
máquina CNC.
Lienert, et al [35] estudiaron la viabilidad de la SFA para la unión de acero simple
al carbono, logrando soldaduras libres de defectos en placas de 6,3 𝑚𝑚. La
referencia del material usado fue AISI 1018, los parámetros de soldadura utilizados
fueron: velocidad de soldadura varió entre 0,42 𝑎 1,46 𝑚𝑚⁄𝑠 y la velocidad de
rotación estaba entre las 450 𝑎 650 𝑟𝑝𝑚. Las placas soldadas tenían
20,3 𝑐𝑚 𝑥 10,1 𝑐𝑚, el hombro de la herramienta era de 19 𝑚𝑚 de diámetro y la
longitud del pin era de 6,22 𝑚𝑚. Dentro del cual realizaron la medición de
parámetros como la fuerza axial (18,7 KN) y el torque (55 𝑁 ∙ 𝑚). La medición del
torque se realizó por medio de un dispositivo creado por los autores, con galgas
extensiométricas y transmisión por antena. Los resultados de las mediciones de
carga y torque se pueden observar en la figura 14 a y 14 b.
Figura 14. a) Fuerza axial y torque obtenido durante la inmersión en SFA para acero
1018 y b) Fuerza axial y Torque durante la etapa de soldadura SFA para acero 1018
[35]
a.
34
b.
La figura 14 a y b son sometidas a la transformada rápida de Fourier (FFT), para
verificar la existencia componentes de alta frecuencias (Análisis de ruido). El autor
manifiesta que la FFT mostró componentes de altas frecuencias que incluyen las
correspondientes a las rpm de la herramienta y sus armónicos, así como las
frecuencias de 60 Hz, que se deben a los equipos eléctricos cercanos. La figura 14
a muestra el tiempo mientras el pin ingresa y el hombro toca las placas, se debe
notar que el proceso tarda 180 𝑠, luego en la figura 14 b muestra el torque durante
el proceso de soldadura, en este caso con respecto a la distancia.
Lienert, et al [36] realizaron un estudio de factibilidad para soldar acero en el
proceso de soldadura por fricción – agitación, para esto usaron la MTS que es una
máquina de soldadura desarrollada en la Universidad de Carolina del Sur. La SFA
se realizó con una velocidad de rotación de 400 𝑟𝑝𝑚, con una velocidad de
desplazamiento de 203,2 𝑎 254 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛. Se demostró que se limitaron las
tensiones residuales y que la herramienta no tuvo desgaste concluyendo que SFA
puede soldar acero, mejorando el proceso debido a la falta de unión que se observó
en la zona de agitación. Uno de los parámetros medidos en este proceso fue el
torque obteniendo la curva que se observa en la figura 15.
35
Figura 15. Torque obtenido con respecto a la distancia de soldadura [36]
La curva de la figura 15 se obtuvo de una máquina que se desarrollo en la
Universidad de Carolina del Sur. En la curva se muestra el comportamiento del
torque conforme se mueve la herramienta y se forma la junta.
Schmidt, et al [37] proporcionaron un modelo analítico para la generación de
calor durante el proceso de SFA, basado en diferentes supuestos del contacto
condición entre la superficie de la herramienta giratoria y la pieza de soldadura. El
torque y la fuerza axial se usan para determinar las condiciones de contacto. Para
realizar las pruebas se usó una fresadora CNC adaptada para el proceso. La
soldadura se realiza sobre dos placas de aluminio (AA2024) con 3 𝑚𝑚 de espesor,
60 𝑚𝑚 de ancho y 150 𝑚𝑚 de largo. Los parámetros usados fueron una velocidad
de soldadura de 400 𝑟𝑝𝑚, una velocidad de soldadura de 120 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛 y un ángulo
de inclinación de 1°. Las curvas de generación de calor y torque se pueden observar
en la figura 16.
36
Figura 16. Curvas de torque y generación de calor [37]
La figura 16 se obtuvo mientras se realizaba la soldadura, mostrando el valor
de torque, el calor generado, la fuerza axial y el consumo energético. Donde el autor
toma el valor del torque para obtener el consumo energético de la máquina utilizada.
Ávila [38], realizó en su tesis de doctorado la medición y el análisis de las fuerzas
aplicadas y la respuesta del material (Aluminio AA6061) en el proceso de SFA cuyo
objetivo es relacionar la medición de la fuerza y la energía para observar las
propiedades mecánicas del material durante el proceso dinámico, basado en los
modelos matemáticos con la ayuda de simulaciones por computador (Software LSDYNA). Las mediciones se realizaron sobre una máquina CNC marca Mazak VTC
– 300C, en la cual se usaron varias formas para medir las fuerzas desde galgas
extensiométricas hasta dinamómetros y sus resultados se utilizan en la construcción
del modelo mecánico variacional para SFA, que busca la minimización del torque
aplicado, obteniendo la siguiente curva de respuesta de torque contra rotación.
Como se muestra en la figura 17.
37
Figura 17. Torque obtenido de acuerdo a las velocidades de rotación [38]
La figura 17 muestra los resultados de la simulación realizada, donde se observa
como desciende el torque cuando aumenta la velocidad de rotación. Evidentemente
por ser una simulación no se cuenta con una máquina y dispositivos de medición
Crawford, et al [39] realizaron una simulación tridimensional, que luego se validó
con experimentación del proceso de soldadura por fricción - agitación (SFA) para
obtener el modelado numérico en el programa CFD Fluent. Se simulan el flujo de
fluido de Couette y el visco-platico para aluminio A6061. Los experimentos se
realizaron en una fresadora universal (marca Milwaukee). Los resultados
experimentales se comparan con los simulados mostrando que el aumento de la
velocidad de rotación (1500 𝑎 5000 𝑟𝑝𝑚) tiene una relación inversa con la
disminución de la fuerza. La velocidad de soldadura vario de 4,66 𝑎 26,7 𝑚𝑚⁄𝑠. Uno
de los parámetros analizadas en la máquina fue el torque que se mantuvo en un
valor de 60 𝑁𝑚 para el Couette y el visco-plastico. El valor de torque se midió por
medio de un dinamómetro (RCD) tipo 9124 B. Como se observa en la figura 18.
38
Figura 18. Resultados de la Velocidad de Rotación Contra el Torque [39]
La figura 18 muestra diferencia significativas entre los experimentos y las
simulaciones, se observa que a mayor velocidad de soldadura y de rotación más
diferencias existen. El medidor de parámetros fue adquirido, lo que obliga adaptar
la fresadora al dispositivo y no lo contrario. La figura 19 muestra el dispositivo de
medición.
Figura 19. Dinamómetro 9124 B [40]
La figura 19 muestra el dinamómetro que se usó para medir los parámetros
importantes del proceso, por ejemplo fuerza axial y torque.
39
Longhurst, et al [41] realizaron un estudio en el cual usaron el torque en lugar
de fuerza axial para controlar un proceso de soldadura por fricción – agitación sobre
placas de aluminio AA6061. El control se realizó sobre una maquina fresadora
Milwaukee Modelo K a la cual se le adaptaron unos motores más avanzados y
dispositivos de instrumentación, por ejemplo el medidor de torque y fuerza axial. El
código para la recepción de los datos y el control del torque se escribieron en C #,
además el programa permite seleccionar los parámetros de velocidad de rotación y
soldadura, profundidad de penetración del pin y la posición de soldadura. Los datos
obtenidos del torque y la fuerza axial se recolectaron por medio de un dinamómetro
de la marca Kistler. El valor obtenido se ve en la figura 20.
Figura 20. Torque registrado durante el proceso SFA [41]




Dimensiones de la placa de
AA6061:
6,35 𝑚𝑚 𝑥 38,1 𝑚𝑚 𝑥 203,2 𝑚𝑚
Velocidad
de
soldadura:
76,2 𝑎 152,4 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛
No se especifica la velocidad de
rotación de la herramienta
El torque máximo es de 21 𝑁𝑚
La figura 20 sirve como base para medir el consumo energético del proceso de
soldadura, para esto se tomó el área que está encerrada en las líneas punteadas
de color verde.
Firouzdor, et al [42] realizaron un estudio sobre el efecto de las condiciones de
soldadura de materiales disimiles aluminio (AA6061 – T6) y magnesio (AZ31B –
H14) con respecto a la velocidad de soldadura (𝑣𝑆 ) , desplazamiento de la
herramienta y velocidad de rotación. Las placas usadas tenían 1,6 𝑚𝑚 de espesor
y se soldaron en una máquina fresadora de la marca Lagun FTV-1 (2,2 Kw). Los
40
parámetros de la SFA variaron desde las 1000 𝑎 2200 𝑟𝑝𝑚 (velocidad de rotación)
y de 38 𝑎 305 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛. Para la medición del torque usaron una maquina fresadora
CNC (marca HAAS TM1 CNC), equipada con un dinamómetro (marca Kistler
9265B). Los resultados de torque se observan en la figura 21.
Figura 21. Torque registrado en la SFA de aleaciones disimiles [42]


La ADQ se realizó en
PC en tiempo real.
Frecuencia
de
muestreo de 250 𝐻𝑧
La figura 21 muestra el comportamiento del torque en materiales disimiles, con su
respectiva velocidad de soldadura. Los datos se toman en tiempo real y se muestran
en un computador, usando el tiempo de muestreo especificado.
Leal, et al [43] estudiaron la influencia de la cavidad del hombro y los
parámetros de soldadura como el torque, formación de defectos, microestructura y
las propiedades mecánicas de las soldaduras por fricción – agitación (SFA) en
láminas finas de cobre desoxidado utilizando tres tipos de herramientas. La máquina
usada fue una ESAB Legio FSW 3U. Se realizó control de la fuerza axial y se
establecieron la velocidad de rotación de 750 𝑜 1000 𝑟𝑝𝑚 y la velocidad de
soldadura de 160 𝑜 1000 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛. La figura 22 muestra el comportamiento del
torque con la variación de la velocidad de rotación de la herramienta.
41
Figura 22. Torque contra revoluciones por minuto [43]
Los datos de la figura 22 se obtienen de la máquina directamente. Las soldaduras
se hicieron con un dispositivo para SFA con todos los elementos de medición de
parámetros respectivos, tomando los valores de torque máximos que se presentan.
Weglowski, et al [44] realizaron SFA en una máquina fresadora convencional
(FYF 32JU2) equipada con el dispositivo LOWSTIR (acrónimo en inglés de “Low
cost processing unit for friction STIR welding”, cuyo costo es de US$ 24000). El
equipo permite observar en tiempo real valores de fuerza y torque. La soldadura se
realizó sobre placas de aluminio AA6082 de 10 𝑚𝑚 de espesor. La velocidad de
rotación y de soldadura es respectivamente 450 𝑟𝑝𝑚 𝑦 224 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛. La frecuencia
de muestreo usada fue de 100 𝐻𝑧. Los resultados del torque y el dispositivo usado
se observan en la figuras 23 a y b.
42
Figura 23. a. Torque registrado contra el tiempo durante SFA, b. Medidor de
parámetros LOWSTIR [44]
a.
b.
En la figura 23 a se muestra entre A y C la inserción del pin; de C a D cuando
el hombro de la herramienta entra en contacto con las placas y de E en adelante se
realiza la soldadura. Cabe destacar que el torque correspondiente a la figura 23 a
se usó para calcular el consumo energético de la máquina. En la figura 23 b se
muestra el dispositivo de medición cuya forma de envió de datos es Bluetooth y usa
galgas extensiométricas para medir la deformación [11].
Miara, et al [45] realizaron pruebas de la calidad de las uniones hechas con
FSW de aleaciones de magnesio (AZ91, ZRE1, MSR-B y WE43), las soldaduras
fueron realizadas con una maquina fresadora convencional (FYF32JU2). Las placas
a soldar tienen un espesor de 6 𝑚𝑚, con una velocidad de rotación de 355 𝑟𝑝𝑚 y
una velocidad de soldadura de 280 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛. Para realizar la medición de las
fuerzas y el torque se usó el dispositivo LOWSTIR (ver figura 23 b), que usó como
frecuencia de muestreo 100 𝐻𝑧. Los resultados en la medición de torque que se
observan las figuras 24 a y b.
43
Figura 24. Torque registrado contra el tiempo durante SFA [45]
a. AZ91 a 355 𝑟𝑝𝑚 y un avance de b. ZRE1 a 355 𝑟𝑝𝑚
224 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛
224 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛
y
un
avance
La figura 24 a y b muestran el valor de torque con respecto al tiempo, en la curva
se observa fluctuaciones que pueden interpretarse como ruido. El valor de torque
máximo para AZ91 fue de 40 𝑁𝑚 y para ZRE1 fue de 50 𝑁𝑚. Los valores difieren
debido a la dureza del material, por tal razón la máquina debe suministrar más
potencia para soldar y esto se ve reflejado en el aumento del torque.
Gibson [2] presentó como tesis de maestría un método alternativo de baja
inversión para medir fuerza y torque. Las pruebas se realizaron sobre una fresadora
universal (marca Milwaukee # 2K), la cual ha sido modificada para ser controlada
automáticamente, lo que permite de forma sencilla insertar los parámetros de
soldadura. La máquina contaba un dinamómetro Kistler (Referencia 9123CQ01,
como el que se ve en la figura 25), el dispositivo es capaz de medir cuatro
parámetros distintos (𝐹𝑥 , 𝐹𝑦 , 𝐹𝑧 𝑦 𝑀𝑍 ), tres fuerzas y el otro es el torque, el cual
posee aislamiento a tierra para disminuir el ruido que se pueda presentar. El cual
busca ser reemplazo por un dispositivo más robusto para un entorno de alta
vibración y temperatura, cuya principal característica es el bajo costo de inversión.
44
de
Figura 25. Dinamómetro Kistler 9123C [46]
La figura 25 muestra el medidor de parámetros que la fresadora usaba para la
adquisición de datos. Donde los parámetros importantes a medir corresponden a la
fuerza axial (𝐹𝑍 ) y el torque (𝑀𝑍 ), las otras dos fuerzas que el dispositivo puede
medir son fuerza transversal (𝐹𝑋 ) y lateral (𝐹𝑌 ). Siendo este el equipo que se buscó
reemplazar por uno de bajo costo desarrollado como objetivo de la tesis.
Para realizar la medición del torque se realizó se usaron galgas
extensiométricas, a las cuales les acondicionó (ganancia de 970) la señal por medio
de un amplificador de instrumentación (AD620). El diseño implementado se
alimentó con baterías recargables de 12.6 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠, a las cuales se le reguló el voltaje
hasta ±5 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠. La SFA se realiza con una máquina giratoria, motivo por el cual
los datos deben ser transmitidos, se usó para este ítem transmisión y recepción por
XBEE® y los datos se graficaron por medio de Payton. El diseño final del circuito y
la curva de torque observados en la figura 26 a y b respectivamente.
Se habla de la forma como se realizó de la calibración del dispositivo de
medición de torque. A pesar que se describe la calibración del dispositivo, no se
especifica si se realiza el ajuste de cero antes de las mediciones. Para la
construcción del torquimetro en equipos se invirtió US$ 638. Las pruebas se
realizaron con una velocidad de rotación de 800 𝑟𝑝𝑚 y una velocidad de soldadura
de 73,5 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛.
45
Figura 26. a. Diagrama del medidor de torque inalámbrico implementado b. Curva
de torque obtenida para AA6061 [2]
a.
b.
La figura 26 a muestra el circuito diseñado en el cual no se observa el ajuste a
cero. La figura 26 b se ve una señal que no está limpia, es decir, parece tener ruido
y no se especifica la aplicación de algún tipo de estudio que descarte la existencia
de ruido.
46
Se puede notar del estado del arte, que la mayoría de los autores cuentan con
dispositivos especializados de medición para los parámetros importantes de la SFA
como el torque y la fuerza axial. Estos equipos como lo muestra la tabla 2, son de
alto costo de adquisición. Motivo por el cual Gibson buscó reemplazar un dispositivo
de alto costo de inversión, por uno diseñado con mejores prestaciones y de baja
inversión.
47
6. METODOLOGÍA
A continuación se describirá lo realizado a fin de obtener las mediciones de torque
durante el proceso de soldadura por fricción, donde el primer paso fue recopilar el
estado del arte. Para esto se realizó una búsqueda en bases de datos, revistas,
páginas web y libros, que describieran el proceso de SFA y la forma para medir el
torque que solo en un artículo explica con claridad. La metodología utilizada se
describe en el diagrama de bloques que se observa en la figura 27.
Figura 27. Diagrama de bloques de la metodología
Máquina y
Selección
Montaje,
Cálculos
de
Calibración
Dispositivos
y Medición
6.1 Preparación de la máquina
La máquina utilizada para la SFA es una fresadora convencional Kondor® de 3,2
Hp la cual fue adaptada para el proceso cuya única modificación fue la utilización
del portaherramientas. La máquina por sí sola no es capaz de medir los parámetros.
La inserción del pin se realiza de forma manual y el avance es automático. Para el
SFA se utilizaron aluminio AA1100-O y AA6061 T6 y el AA2024 T6. La fresadora
utilizada se puede ver en la figura 28.
48
Figura 28. Fresadora utilizada en la SFA
La figura 28 muestra la fresadora adaptada para realizar SFA, máquina que no
cuenta con dispositivos de medición. Para crear un sistema capaz de medir el torque
que se presenta durante la soldadura, es necesario tener en cuenta unos
parámetros específicos, que permiten dimensionar la maquina e identificar los
materiales que se pueden soldar. Los cuales brindan las condiciones que debe
cumplir el dispositivo para que presente una alta funcionalidad. Estos se describen
en el siguiente capítulo.
6.1.1 Características del dispositivo de medición
Para realizar la SFA se usó una herramienta fabricada de acero H13 templada y
revenida (La herramienta se muestra en la figura 29), con pin cónico roscado con
dos tipos de hombro (Plano y espiral). Se soldaron placas de aluminio comercial
AA1100 con dimensiones 240 × 75 × 6 𝑚𝑚3 formando una junta cuadrada a tope
sin preparación con 0,5mm de separación y 150mm de ancho. Las láminas se
usaron limpias libres de grasas y contaminantes. La herramienta se usó con una
inclinación de 1° y los parámetros aplicados fueron 𝑉𝑊 = 955 𝑟𝑝𝑚, 𝑉𝑆 =
106 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛 y 5 𝑚𝑚 de penetración.
49
Figura 29. Herramienta de Hombro Plano Usada en FSW
En la figura 29 se muestra la herramienta en la cual se ubicara el sensor para
realizar la medición de torque, que se presenta debido a la deformación que se inicia
cuando el pin entra en contacto con las placas que se encuentran fijas y aumenta
su valor debido a la deformación plástica que se produce en el material, que
ocasiona una oposición a la rotación de la herramienta. Para realizar esta medición
se debe escoger el sensor que tenga las siguientes características:





Detección de la deformación que se presenta en la herramienta debida al
giro.
Soportar la temperatura que se presente en el punto que se escoja de la
herramienta para fijar el sensor.
El sensor debe traer los cables de fábrica.
Facilidad y seguridad para la instrumentación.
Que tenga una alta proporción S/R
Con las condiciones antes expuestas se elige el sensor, al cual se le debe
acondicionar su señal. Esto es, traducir la variación que este entregue en un nivel
de voltaje equivalente libre de cualquier perturbación que pueda afectar su
medición; teniendo en cuenta lo siguiente:


Tipo de conector para el cableado del sensor.
Amplificador con alto rechazo de ruido en modo común y alta ganancia.
Luego de elegido el sensor y el tipo de amplificación a utilizar se debe tener presente
que en el proceso de soldadura la herramienta va a estar girando por lo que no
puede existir ningún tipo de cableado hacia el computador para realizar la
adquisición de la señal, por tal motivo se debe considerar:
50





Elección de baterías según el consumo del sensor, amplificador de
instrumentación y transmisor de los datos de deformación
Dispositivo de transmisión y recepción del valor de torque
Programa para la adquisición de los datos recibidos desde el transmisor
Visualización y almacenamiento.
Tecnología de fácil adquisición y baja inversión.
6.2 Descripción analítica del cálculo de torque
Dentro de esta etapa es necesario detectar la deformación que se produce en la
herramienta desde el momento que el pin ingresa en la junta entre las dos placas a
soldar hasta que este se retira luego de realizar la soldadura. Para esto es
indispensable el sensor o transductor que detecte la deformación. Luego es
necesario amplificar la señal para eliminar el ruido eléctrico que se pueda presentar,
ajustar el cero si es necesario, transmitir y recibir la señal. Por ultimo convertirla de
un valor de voltaje a torque para visualizarlo y almacenarlo el PC para análisis
posteriores. Por esto se ha dividido en las siguientes etapas:
6.2.1 Etapa de detección
Para realizar la medición del torque se utilizaron galgas extensiométricas (sensor
de deformación) que corresponden a la referencia QFCT-2-350-11-6FB-3LT. El
sensor escogido posee resistencia de 350Ω, soporta una temperatura
máxima de 200°𝐶 y 3 metros de cables instalados de fábrica. Con las galgas se
creó el puente completo de Wheatstone. Las figuras 30 y 31 muestran la forma de
la galga, donde cada R hace parte de la galga y su forma de conexión en puente
de Wheatstone.
Figura 30. Forma de la galga extensiométrica para medir torsión [47]
51
Figura 31. Puente de Wheatstone para la ubicación de las galgas [47]
El puente de Wheatstone de la figura 31 convierte la deformación que se presenta
en la herramienta giratoria en una diferencia de voltaje (∆e). El valor de voltaje
obtenido se debe convertir en una deformación (𝜀) equivalente la ecuación 16 que
es entregada por el fabricante de las galgas permite realizar dicho cálculo.
∆𝐞 = 𝐕𝐊𝛆
𝐄𝐜𝐮𝐚𝐜𝐢ó𝐧 16 [47]
𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝐾 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑙𝑔𝑎
𝜀 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐺𝑎𝑙𝑔𝑎
La ecuación 16 tiene validez si y solo si las galgas son pegadas a la herramienta
teniendo la figura 32.
Figura 32. Conexión de las Galgas Sobre la Herramienta [47]
En la figura 32 se muestra la forma como las galgas se deben adherir a la
herramienta, en ella entre los puntos 𝑅1 𝑦 𝑅2 , 𝑅3 𝑦 𝑅4 se encuentra la diferencia de
voltaje. Las uniones que corresponden al voltaje de alimentación son 𝑅1 𝑦 𝑅4 , de un
52
lado y 𝑅2 𝑦 𝑅3 del otro. Se debe tener en cuenta que figura 32 la entrega el proveedor
de las galgas y a ella corresponde la ecuación 16
El cálculo de la deformación presente en la herramienta implica el uso de las
ecuaciones de los esfuerzos cortantes y los ángulos de torsión longitudinal y
transversal. Las ecuaciones 17 y 18 corresponden a los ángulos de torsión
longitudinal y transversal.
𝛕
Angulo de Torsión longitudinal: ϒ= (𝐆) ∗ (
𝟏𝟖𝟎
𝛑
) Ecuación 17 [33]
𝜏 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝐺 = 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑖𝑧𝑎𝑙𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
Angulo de Torsión transversal: 𝛉 = (𝟐 ∗ 𝐥 ∗ ϒ/𝐝)
Ecuación 18
𝑑 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙
𝑙 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
Deformación Indicada ε0: 𝛆𝟎 = 𝐓 ∗ (𝟏 + 𝛎)/(𝐕 ∗ 𝐙𝐩) Ecuación 19
𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑍𝑃 = 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑃𝑜𝑙𝑎𝑟
𝑇 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒
𝑣 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛
Algunos de los valores que utilizan en las ecuaciones 17 a 19 son constantes y se
encuentran listados en la tabla 4.
53
Tabla 4. Parámetros de cálculo del valor de deformación
VARIABLE
Diámetro de
sección
transversal
(d)
Modulo polar
de
Sección(𝒁𝒑 )
Módulo de
Cizallamiento
o de Rigidez
(G)
Longitud del
Eje (l)
Tasa de
Poisson (ν)
Modulo de
Young (E.)
TABLA DE PARAMETROS DE LA GALGA
MAGNITUD UNIDAD
OBSERVACIÓN
0,245
M
Corresponde al
diámetro del área
donde se ubicaran las
Galgas
2,386E-06
𝑍𝑝 = (𝜋 ∗ 𝑑 3 )/16,
𝑚3
Ecuación 20
8046875000
0
0,125
Pa
Tabla 1. Propiedades
Mecánicas de los
Materiales Industriales.
Spring Steel
(Quenched)=79-81GPa
Factor de la
Galga (Ks)
2,1
Coeficiente
de Expansión
Lineal del
Objeto a
medir (βs)
Coeficiente
de Expansión
Lineal del
Elemento
resistivo (βg)
10,8
13,3
Autor
[48]
[49]
M
0,28
2,06E+11
REFERENCIA
Pa
(𝑥106 /°𝐶)
(𝑥106 /°𝐶)
54
Tabla 1. Propiedades
Mecánicas de los
Materiales Industriales.
Spring Steel
(Quenched)=0,28-0,3
Tabla 1. Propiedades
Mecánicas de los
Materiales Industriales.
Spring Steel
(Quenched)=206211GPa
Para aleaciones de
cobre-níquel y níquelcromo es igual a 2
Tabla Proveedor
"Coeficientes lineales
de expansión de los
materiales" Tablas
Tabla Proveedor
"Coeficientes lineales
de expansión de los
materiales" Tablas
[49]
[49]
[47]
[49]
[49]
VARIABLE
Coeficiente
de
resistividad
térmica (α)
Voltaje del
puente (V)
MAGNITUD
3900
UNIDAD
(𝑥106 /°𝐶)
3,47
(Volt)
OBSERVACIÓN
REFERENCIA
Pendiente para el
cobre equivale a
[49]
3,9𝑥10−3 °𝐶 −1 . Para el
−5
−1
acero 1,0𝑥10 °𝐶
Voltaje del puente
Autor
6.2.2 Cálculos analíticos del voltaje de salida de las galgas
Al realizar los cálculos se convierte el torque en voltaje partiendo desde 1 𝑁 ∙ 𝑚,
teniendo en cuenta que el torque a medir es superior al valor tomado y que este es
el límite inferior para el torquímetro. Los valores de voltaje que se muestran en la
tabla 5 los cuales salen de la ecuación 19 al reemplazar el valor encontrado en la
ecuación 16.
Tabla 5. Valores de conversión de torque a voltaje
Torque
1
2
5
10
Valores calculados
Voltaje de Salida del
Voltaje Amplificado
Puente de Wheatstone
3,81𝑥10−2 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
1,90𝑥10−5 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
−5
7,61𝑥10−2 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
3,80𝑥10 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
1,14𝑥10−4 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
0,22 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
−4
2,09𝑥10 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
0,38 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
La tabla 5 muestra dos valores de voltaje los cuales corresponden al voltaje de
salida del puente de Wheatstone formado por las galgas extensiométricas y la otra
columna corresponde al valor amplificado que corresponde al que se va a transmitir.
6.3 Selección de dispositivos
Los cambios de resistencia que se presentan en las galgas extensiométricas son
muy pequeños (∆R = 1,26 ∗ 10−5 Ω), al igual que los cambios de voltaje del orden
55
de los 10−6 voltios siendo una señal muy débil y propensa al ruido. Por esta razón
se debe amplificar con un elemento adecuado con alto rechazo de ruido en modo
común y alta ganancia. El dispositivo adecuado es el amplificador de
instrumentación. Para esta investigación se usó el INA129 que tiene como mínimo
120db de rechazo en modo común y ganancia máxima de 10000 (A se calcula de
acuerdo a la ecuación 21), lo cual lo hace adecuado para uso en puente y
adquisición de datos. El circuito utilizado para tal fin se observa en la figura 33.
𝐀=𝟏+
𝟒𝟗.𝟒𝐤Ω
𝐑𝐠
Ecuación 21
𝐴 = 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑅𝑔 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎
Figura 33. Circuito Electrónico Para Acondicionamiento de la Señal Proveniente de
las galgas
En la figura 33 se observan dos conectores J2 y J3 que corresponden a las galgas
los cuales fueron escogidos con mucho cuidado porque estos deben ser capaces
de percibir señales muy débiles y no incluir en este nivel de voltaje ningún tipo de
ruido. Por esta razón se escogieron conectores de la marca Phoenix Contact, que
poseen el sistema de contacto dorado y son capaces de detectar señales menores
a 20 𝑚𝑉 y corrientes menores a 3 𝑚𝐴. Se usaron dos tipos de conectores uno para
los cables de las galgas y otro para el circuito impreso. La forma de los conectores
se observa en la figura 34.
56
Figura 34. a. Conectores utilizados para las galgas, b. Conector para circuito
impreso [50]
a.
b.
En la figura 34 a se observa el conector en el cual se ubicaran los cables de las
galgas y la 34 b se fija en la tarjeta de circuito impreso. Es importante notar que los
cables quedaran fijos una vez se accione el dispositivo de seguridad, que es la tapa
amarilla que se observa. Los conectores llevan el cambio de voltaje en las galgas a
la etapa de instrumentación. Una vez amplificado el voltaje se hace necesario
ajustar el cero aquí se utilizó un amplificador operacional conectado en forma
diferencial, el cual es capaz de entregar niveles de voltaje positivo o negativo para
compensar lo que entregan las galgas, debido a la diferencia que estos sensores
presentan gracias a su tolerancia y al montaje de estas sobre la herramienta. Este
circuito se observa en la figura 35.
Figura 35. Circuito para compensación del cero
57
La figura 38 se observa un UA741 que es un amplificador operacional con ganancia
que se le otorgo es unitaria. Se observa un potenciómetro que se conecta a un
voltaje positivo por un extremo y negativo por otro. La variación de la resistencia del
potenciómetro permite llevar a cero el voltaje que viene de la etapa de
instrumentación. Con esto termina la etapa de diseño electrónico y se inicia el
montaje de los circuitos impresos.
Al finalizar el diseño de los circuitos, se hace necesario fabricar los circuitos
impresos (PCB por su acrónimo en inglés) teniendo en cuenta las siguientes
características:






No tener esquinas en las pistas de cobre de 90° a lo largo del impreso.
Las pistas deben ser lo más cortas posibles y con una puesta a tierra lo más
grande posible.
Se debe evitar usar relés y contactores ya que de esta forma se evitarán
rebotes.
Aislar las líneas de conexión con el exterior.
Utilizar condensadores de desacople en la alimentación.
Realizar una adecuada distribución de las alimentaciones para realizar
recorridos cortos. [51]
Los anteriores ítems se tuvieron en cuenta para realizar el impreso, con la ventaja
que la alimentación se realiza por medio de baterías; de esta forma el ruido eléctrico
que se podría presentar por el uso de una fuente de alimentación con conexión a la
red eléctrica. No se usan ni relés, ni contactores y la tarjeta impresa tiene un tamaño
pequeño lo que ayuda a tener pistas cortas y con tierra extendida sobre la mayor
parte del impreso como se observa en la figura 36 a y b.
Figura 36. Circuitos impresos a. etapa de instrumentación y b. etapa de transmisión
a.
b.
58
En la figura 36 a y b muestran las pistas de color azul y de este mismo color esta la
tierra, que es todo lo que cubre el circuito y que no es pista. Los ángulos de 90° no
existen dentro de la placa y su tamaño es relativamente pequeño. El circuito
correspondiente a la etapa de instrumentación tiene dimensiones de 6 𝑥 4 𝑐𝑚 y la
tarjeta de impreso del transmisor tiene una envergadura de 3,7 𝑥 3,7 𝑐𝑚. La figura
36 a contiene todos los circuitos de alimentación, acondicionamiento de señal y
ajuste de cero; mientras que en la figura 36 b se observa la tarjeta que solo contiene
el XBEE® para la transmisión.
6.3.1 Etapa de transmisión y recepción
Luego del ajuste de cero y amplificar la señal, es necesario transmitirla de forma
inalámbrica puesto que la fresadora va a estar girando y por esta razón no se puede
alambrar. Se utilizó el transmisor - receptor de bajo costo llamado XBEE serie 1 (Se
puede en la figura 37) del cual se utilizó uno de sus modos de transmisión llamado
cable virtual. Este modo consiste en tomar el voltaje análogo (Pin 20) transmitirlo
(Se debe tener en cuenta fijar el voltaje de referencia Pin 14) y enviarlo al receptor,
el cual lo recibe y lo decodifica en forma de señal de PWM por el pin 6 que hace
pareja en el cable virtual con el pin 20 de los XBEE serie 1.
Figura 37. Forma del Transmisor de Datos Inalámbricos (XBEE serie 1) [52].
En la figura 37 se observa la forma real de un XBee serie 1, el fabricante de este es
Digi. Las características principales de este son: 2,4 𝐺ℎ𝑧 de frecuencia de
transmisión, distancia máxima de alcance 30 𝑚 en interiores y 100 𝑚 en exteriores,
59
con una potencia máxima de 2 𝑚𝑊. La etapa de transmisión y recepción se realiza
con este dispositivo. Es necesario ubicar de alguna forma el diseño realizado para
el acondicionamiento de señal y la transmisión en tiempo real de los valores
registrados de torque. Para esto se realizó un dispositivo de sujeción.
6.3.2 Dispositivo de sujeción de la electrónica
Para crear el dispositivo de sujeción es necesario conocer el espacio con que se
cuenta en la herramienta sin interferir la operación de soldadura y con este ajustar
todos los elementos electrónicos de la etapa de instrumentación y transmisión. La
figura 38 muestra el espacio disponible para crear el dispositivo de sujeción del
torquímetro.
Figura 38. Espacio Disponible Para Dispositivo de Sujeción
Portaherramientas
Herramienta
En la figura 38 se observa el espacio con que se cuenta para ubicar el diseño
realizado. El lugar con que se cuenta tiene las siguientes dimensiones: 44 𝑚𝑚 de
altura y con un cilindro en el centro que tiene un diámetro de 40 𝑚𝑚. Partiendo de
este espacio se realizó un diseño en SolidWorks@ se creó el soporte para los
dispositivos electrónicos del torquímetro. La figura 39 muestra el diseño en
SolidWorks@.
60
Figura 39. Diseño del Dispositivo de Sujeción en SolidWorks@
La figura 39 muestra el dispositivo de sujeción; para su construcción se usó un tubo
plástico (NC) de presión de 6 pulgadas (15,24 cm), quedando una altura de 34 𝑚𝑚
debido a las tapas de teflón lo que representa un bajo costo de construcción. La
forma del dispositivo de sujeción se observa en la figura 40.
Figura 40. Dispositivo de Sujeción de los Dispositivos Electrónicos
Etapa de Transmisión
Etapa de Instrumentación
Baterías
La figura 40 muestra el interior del dispositivo de sujeción en el cual se fijaron unas
cajas negras. En la parte izquierda se observa la caja donde se encuentra la etapa
de instrumentación y a la derecha se encuentra el dispositivo de transmisión. En la
parte superior e inferior se ubican las baterías que suministran la energía a los
circuitos electrónicos.
61
6.3.3 Etapa de visualización de los datos
Luego de fijar el dispositivo con los circuitos electrónicos se comienza a tomar los
datos de torque en tiempo real, para esto se usan los XBEE®. Cuando se recibe la
señal se hace necesario enviar los datos al PC para su procesado, lo cual se realiza
en LabView@ por medio del hardware Arduino uno usado como tarjeta de
adquisición de datos utilizando el Toolkit de Arduino de LabView@ [53]. La
adquisición de los datos se puede ver a través del panel frontal que se observa en
la figura 41.
Figura 41. Panel frontal de visualización del torque
Visualización de
Torque en Tiempo
Real
Pin del Arduino
Usado para
Recibir los datos
Torque
Instantáneo
Detiene la toma
De datos de
Torque
La figura 41 visualiza los datos recibidos del XBEE, el cual hace conversión de
análogo a digital donde se debe ajustar el tiempo de muestreo del dispositivo. Al
tiempo que el receptor entrega una modulación por ancho de pulso (PWM por su
acrónimo en inglés), que la toma Arduino que funciona como tarjeta de adquisición
62
de datos y de allí se envía al PC. En el programa de visualización que se encuentra
en LabView@ se tiene un tiempo de muestreo que ayuda a tomar muestras cada
determinado tiempo, esto ayuda a reducir las necesidades de procesamiento. Esto
se resume en la tabla 6.
Tabla 6. Análisis del tiempo de muestreo
Dispositivo
XBEE (Transmisión )
Variables de
tiempo
20 (𝑚𝑆𝑒𝑔)
Observaciones
Tiempo de Muestreo
XBEE (Receptor)
64 (𝜇𝑆𝑒𝑔)
Periodo del PWM de salida
PC – Arduino
115200 (Baudios)
LabView@
10(𝑚𝑆𝑒𝑔)
Es la velocidad de
comunicación de los
dispositivos.
Tiempo de muestreo en el
software
La tabla 6 muestra un resumen de los parámetros de transmisión y recepción, datos
que se deben usar a la hora reconstruir la señal. Para convertir los valores obtenidos
de la etapa de amplificación en digital se utilizó un tiempo de muestreo equivalente
a 50 muestras por segundo para cumplir con lo establecido en el teorema de
Nyquist. Para reconstruir la señal muestreada se debe, como mínimo, hacer el doble
de la frecuencia de muestreo o la mitad del periodo; por esta razón en el software
donde se realizó la visualización se tomó como periodo de muestreo 10 𝑚𝑠𝑒𝑔 o cien
muestras por segundo.
La modulación por ancho de pulso recibida es necesario filtrarla para obtener el
voltaje que llega del dispositivo que se encuentra sujeto a la herramienta. Para filtrar
el PWM que entrega el XBEE® se implementó un filtro de promedio móvil para
suavizar la señal. Una vez este voltaje esta filtrado pasa por la ecuación 22 que
convierte el voltaje en torque.
∆𝐞
𝐓=
𝐄∗𝐙𝐩
(𝐊 ∗𝐕)( 𝟏+𝐯 )
𝐬
𝐀
63
Ecuación 22
𝑇 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒
𝑣 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛
𝐸 = 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔
𝑍𝑃 = 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟
𝐴 = 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
∆𝑒 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑙𝑔𝑎
𝐾𝑆 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑙𝑔𝑎
𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Al iniciar el proceso primero se tenía el valor de deformación que correspondía al
torque que se convirtió en voltaje como lo expresa la ecuación. Ahora se parte de
tener el valor voltaje que es equivalente a torque que es representado por la
ecuación 22.
6.4 Montaje y medición
6.4.1 Materiales y equipos
Se soldaron placas de aluminio comercial AA1100, AA6061 T6 y AA2024 T6
(disimiles), con dimensiones 240 × 75 × 6 𝑚𝑚3 formando una junta cuadrada a tope
sin preparación con 0,5 𝑚𝑚 de separación y 150 𝑚𝑚 de ancho. Las láminas se
usaron limpias libres de grasas y contaminantes. El montaje de las placas de
aluminio, la herramienta y el torquimetro se observan en la figura 42. Para luego
encender la máquina, ponerla en los parámetros de trabajo y realizar la soldadura,
64
Figura 42. Montaje experimental de las Placas y del Torquimetro
La figura 42 muestra la ubicación del torquimetro, las galgas sobre la herramienta y
el dispositivo donde se fijaron las placas a soldar. Un ejemplo de las placas soldadas
se pueden observar en la figura 43.
Figura 43. Placas de Aluminio Soldadas con SFA en la fresadora convencional
La figura 43 muestra la soldadura hecha sobre dos placas de aluminio con una
velocidad aproximada de rotación de 955 𝑟𝑝𝑚 y una velocidad de avance de
106 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛. Donde se observa que la unión es limpia y libre de defectos en ambas
placas, esto se debe a que el material es llevado a la deformación plástica causada
65
por la energía suministrada por la rotación de la herramienta, la inserción del pin, el
avance sobre la línea de las dos placas y el contacto entre el hombro de herramienta
y las placas.
Se usó el sistema de adquisición de datos diseñado, este se realizó con tecnología
disponible en mercado, teniendo en cuenta los trabajos previos. Para realizar la
medición del torque se diseñó e implemento un dispositivo según el diagrama de
bloques de la figura 44.
Figura 44. Diagrama de bloques del sistema de medición
La figura 43 muestra la forma como se desarrolló el montaje de los dispositivos
partiendo del sensor hasta la visualización y almacenamiento. A continuación se
realiza una descripción de cada una de las etapas.
6.4.2 Sensor
La galga extensiométrica que se uso tiene la referencia QFCT-2-350-11, las cuales
trabajan hasta una temperatura máxima de 200 °C, 350Ω de resistencia nominal y
3 metros de cable instalados desde la fábrica. Esta referencia cuenta con dos galgas
internas (medio puente), es decir, utilizando otra de esta referencia se puede realizar
el puente completo de Wheatstone. De esta forma se evitó hacer compensación por
temperatura ya que ambas galgas estaban sometidas a la misma temperatura y su
efecto se cancela.
6.4.3 Acondicionamiento de señal
Los voltajes que salen de la etapa de detección son muy bajos por esta razón se
amplificaron en un factor de 2000 para tener niveles de tensión adecuados y eliminar
el ruido que se presentara en el sistema. Además en esta etapa se ajustó el cero
para equilibrar la diferencia en la resistencia de las galgas; para esto, se utilizó
amplificadores de instrumentación y el amplificador diferencial alimentado con
66
baterías recargables de 9 𝑣 regulada a 3,3 𝑣, que es el voltaje que se le suministra
al puente. Todo esto se observa en la figura 45.
Figura 45. Circuito de Acondicionamiento de Señal
Alimentación
Transmisión de
Datos
Conectores
Ajuste de Cero
Etapa de Instrumentación
En la figura 45 se ve el lugar donde se alimenta el circuito, donde se ubican los
conectores, para luego llegar a la etapa de instrumentación y ajuste de cero, por
último se encuentra la transmisión de datos.
6.4.4 Módulo de transmisión y recepción
Para esta parte se tomaron los módulos de transmisión inalámbrico XBEE® de la
serie 1. Este dispositivo transmite en la banda de los 2,4 𝐺𝐻𝑧 es capaz de convertir
de análogo a digital con una referencia igual a su voltaje de alimentación de 3,3 𝑣,
es decir, el dispositivo cuenta con bajo consumo de energía y es usado para crear
redes de sensores y ejercer control de distintos parámetros físicos como
temperatura, presión, humedad, entre otros.
El registro de las anteriores variables físicas puede ser enviada a largas distancias
debido al alcance de los XBEE®. Este alcance depende del modelo del dispositivo
en este caso es de 100 𝑚 en exteriores y 30 𝑚 en interiores. Los módulos XBEE®
de la serie utilizada tienen varios modos de transmisión (modo transparente, tramas
API y cable virtual). El seleccionado fue el cable virtual que permitió tomar los datos
y transmitirlos para entregarlo en forma de PWM (modulación por ancho de pulso).
67
6.4.5 Visualización y almacenamiento
En el momento que se realiza la medición del torque se visualiza en tiempo real el
proceso de medida donde se logra ver lo que está pasando durante el proceso y
observar si se presentan errores o fallas durante la transmisión. Si existe alguna
falla durante el proceso de medición se podrá observar en qué momento se produjo
el error y de esta forma solo tomar las pruebas exitosas.
Cuando se registran los datos no se observan errores o fallas en la transmisión se
guarda un archivo de texto plano generado por LabView@. Este archivo contiene
los datos de la medición del torque con respecto al tiempo, lo que permite luego
graficar los datos del proceso completo de medición usando un programa que
permita realizar el análisis de los datos obtenidos.
6.4.6 Calibración del torquímetro
Antes de comenzar a tomar mediciones es necesario realizar la calibración del
torquímetro para de esta forma garantizar que las medidas que se tomen entreguen
el valor de torque correcto. Para realizar la calibración se realizó un montaje como
el que se ve en la figura 46.
68
Figura 46. Montaje de la Herramienta Para Calibración
Torquímetro
Deformación
Pesas
En la figura 46 se muestra como se realizó la calibración, donde se fijó la
herramienta por la parte de atrás para evitar que se mueva y por la parte delantera
utilizando un dispositivo de sujeción que causa arrastre. Se realizó la deformación
de la galga mediante el uso de pesas cuyos valores son conocidos mediante
ecuación 23.
𝑻=𝒎∗𝒈∗𝒍
Ecuación 23
Donde
𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎
𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 (9,8 𝑚⁄𝑠 2 )
𝑙 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛
El valor calculado con la ecuación 23 se tomó como el valor real a ser medido y el
cual se compara con el valor registrado por el torquimetro. Si existe alguna
diferencia se saca un factor de corrección que saldrá de la ecuación 24.
𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜
69
Ecuación 24
Cabe destacar que la ecuación 24 se aplicara a cada una de las muestras de torque
que se tenga, para luego sacar el promedio de los factores de corrección
individuales. El valor de corrección que obtenga será el valor que se ubicara en el
programa de visualización para obtener el torque corregido. Estos valores de torque
corregidos deben ser evaluados para comprobar.
La evaluación del torque real y corregido se llevara a cabo por medio del análisis de
dos muestras independientes. El objetivo es comprobar que las dos muestras son
iguales, de esta forma se demostrara la validez de los valores que se obtengan del
torque garantizando la calidad de las medidas.
7
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Dentro de los resultados se mostraran los materiales y equipos, el torquimetro y la
electrónica necesaria para su funcionamiento y por último se incluirán los resultados
de medición obtenidos durante la realización de la SFA.
7.1 Torquímetro y electrónica
En resumen el torquímetro cuenta con suministro de voltaje de alimentación que se
realiza por medio de baterías recargables de 8,4 𝑣 conectadas en serie para crear
el voltaje positivo y negativo, para esto se usaron los reguladores 𝐿𝑀317 y 𝐿𝑀337.
La principal razón para usar ± 3,3 𝑣 como voltaje es que el XBEE® se alimenta con
3,3 𝑣. La forma del torquímetro y su montaje en la fresadora, junto a su distribución
interna se observa en la figura 47 a y b
70
Figura 47. a. Torquímetro y su ubicación en la fresadora b. Distribución interna de
la electrónica
a.
Torquímetro
Batería
b.
Galga
s
s
Acondicionamiento de
señal
Transmisor de
señal
La figura 47 a muestra la ubicación del dispositivo de sujeción, en el cual se
encuentra el acondicionamiento, transmisión de la señal y las baterías que
alimentan los dispositivos; por fuera se encuentra la herramienta y en esta se
encuentran las galgas extensiométricas. En la figura 47 b se muestra el interior del
dispositivo de sujeción y su distribución interna.
La construcción del torquímetro se realizó teniendo en cuenta que debería ser con
tecnología disponible en el mercado local y que la inversión a realizar fuera baja. La
inversión realizada para la construcción del torquímetro se resume en la tabla 7:
71
Tabla 7. Costo de los dispositivos electrónicos para octubre de 2013
Equipo
Marca
Serie
Valor Unitario
XBEE
Arduino
Baterías
Cargador de
Baterías
Digi
Arduino
GP 170
Techman
Serie 1
Uno R2
$ 65000
$ 55000
$ 18000
$ 20000
Valor
Cantidad
$ 130000
$ 55000
$ 36000
$ 20000
Total
$ 241000
TC-015
La tabla 7 muestra los valores que corresponden solo a equipos electrónicos que
vienen diseñados por fábricas especializadas. Existen otros dispositivos que se
deben considerar y que corresponden a los circuitos diseñados e implementados en
la etapa de acondicionamiento de señal, su inversión se encuentra en la tabla 8.
Tabla 8. Costo de los materiales de la etapa de instrumentación a octubre de 2013
Elemento
INA 129
Galga
Extensiométrica
LM 741
Conectores
Macho
Conector Hembra
(PCB)
LM 317
LM 337
Tubo de 6’’
Interruptor
Otros
Cantidad
1
10
Valor Unitario
$ 25000
$ 20971
Total
$ 25000
$ 209710
2
5
$ 1000
$ 5491
$ 2000
$ 27455
5
$ 7144
$ 35720
2
2
1⁄ 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
2
1
$ 1500
$ 1500
$ 3000
$ 3000
$ 18000
$ 2500
$ 2500
$ 50000
$ 376385
Total
Resumiendo los costos totales de las tablas 7 y 8 todo el valor total de construcción
fue de $ 617.385. Esto representa un ahorro de dinero significativo con respecto a
72
equipos de medición que están alrededor de los $ 10’000.000; de esta forma se
cumple con que el dispositivo construido sea de baja inversión en la fabricación.
Para medir el torque no existe claridad en las investigaciones consultadas, por
ejemplo Longhurst, et al [41] realizaron la medición del torque, para hacer control.
Es claro que midieron el torque sobre una máquina que no tenía el dispositivo
inicialmente, pero no es claro si diseñaron o compraron el torquímetro. Existen
registros de medición de torque desde al año 2000 por North, et al [34] que midieron
torque, no especifican como lo hacen; hasta 2013 por Nielsen, et al [54] que genero
curvas de torque por simulación MatLab.
Durante los 14 años de estudios y mediciones de torque solo Gibson [2] muestra el
dispositivo que diseño, la figura 32a es su implementación. El diseño de Gibson [2]
guarda algunas similitudes con el resultado obtenido en esta investigación, la
implementación realizada se observa en la figura 59b. Por ejemplo ambos
dispositivos usan etapa de instrumentación, transmisión por XBEE® y uso de
baterías, para garantizar la transmisión en tiempo real y la autosostenibilidad. La
principal diferencia radica en que el dispositivo creado por Gibson [2] no específica
la forma como se ajustó el cero que es vital porque la tolerancia de las galgas
extensiométricas va a mostrar un valor inicial, es decir, va a mostrar torque inicial
sin estar soldando y se debe partir de cero para no inducir error.
En el circuito de la figura 32a (hardware) no observa ajuste de cero y dentro del
programa creado en Payton@ (Grafica los datos registrados) no se puede realizar.
El diseño planteado en la investigación tiene en cuenta el ajuste de cero en
hardware como lo muestra la figura 42 y que es posible realizarlo en software
también, solo es crear un ciclo de ajuste. Además el almacenamiento de los datos
de torque registrados y visualizados en tiempo real, motivo por el cual se usó
Labview@ para graficar y luego almacenar los datos en el archivo plano de texto.
La ventaja del dispositivo diseñado es que la calibración se puede verificar cuando
sea necesario, mientras que un torquímetro instalado de fábrica con el uso pierde
la calibración. En estos dispositivos no se sabe con claridad que sensor usa,
volverlos a calibrar no es fácil, en ocasiones es necesario contactar al distribuidor
para realizar y certificarla de nuevo.
73
No solo en calibración es necesario contactar al proveedor, en caso de averías pasa
lo mismo. En el caso de daños la solución implementada en este trabajo es el diseño
modular que se observa en las figura 47, lo que permite de forma más sencilla
reemplazar piezas que presenten desperfectos, con el fin de no tener parada las
soldaduras mucho tiempo.
7.2 Resultados de la calibración
Partiendo de unas masas conocidas, la gravedad y la longitud de un dispositivo de
arrastre se le aplica torsión a la herramienta. El montaje se realizó de acuerdo a la
figura 48 y el valor de torque real se obtuvo con la ecuación 23.
La tabla 9 muestra los valores de torque medidos, los registrados, la diferencia
aritmética entre los dos, el factor de corrección que sale al dividir el valor real entre
el valor registrado, el torque corregido y el porcentaje de error que se calcula de
acuerdo a las ecuación 24.
% 𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓 =
𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑴𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐−𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑹𝒆𝒈𝒊𝒔𝒕𝒓𝒂𝒅𝒐
𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑴𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐
∗ 𝟏𝟎𝟎
Ecuación 25
Tabla 9. Valores Medidos Vs Registrados.
Número Torque Torque
Diferencia Factor de
Torque
Porcentaje
(N.m)
(N.m)
Aritmética Corrección Corregido de Error
(Real)
(Registrado)
(%)
1
1,229
0,85
0,379
1,445
1,165
5%
2
2,210
1,54
0,670
1,435
2,111
4%
3
5,153
3,98
1,173
1,294
5,456
6%
4
6,134
4,74
1,394
1,294
6,498
6%
5
7,115
5,38
1,735
1,322
7,375
4%
6
8,096
5,85
2,246
1,383
8,020
1%
7 10,058
7,3
2,758
1,377
10,008
0%
8 11,039
7,87
3,169
1,402
10,789
2%
9
12,02
8,63
3,39
1,392
11,831
2%
10 14,963
11
3,963
1,360
15,080
1%
11
15,94
11,65
4,29
1,368
15,972
0%
12 16,925
12,32
4,605
1,373
16,890
0%
74
La tabla 9 muestra la diferencia aritmética y el factor de corrección que se sacó al
dividir el torque que debe ser medido y el registrado, que entrega el factor de
corrección que luego se multiplico por el torque registrado obteniendo el torque
corregido.
El factor de corrección se sacó al promediar el valor de los factores de corrección
individuales de cada muestra individual registrada obteniendo un valor de:
Promedio del Factor
de Corrección
1,37
Para observar el comportamiento del torque real, registrado y el factor de corrección
el cual se generó al multiplicar el factor de corrección promedio por el registrado, se
realizó la figura 48.
Figura 48. Graficas de torque medido, registrado y corregido
Torque Medido, Registrado y Corregido
18
y = 1.4268x - 0.0338
R² = 0.9898
16
Torque Medido
Torque Registrado
14
y = 1.0303x + 0.0621
R² = 0.9823
Torque (Nm)
12
Torque Corregido
10
Linear (Torque
Medido)
Linear (Torque
Registrado)
Linear (Torque
Corregido)
8
6
4
2
y = 1.4126x + 0.0852
R² = 0.9823
0
0
2
4
6
8
Número de Prueba
75
10
12
14
En la figura 48 se observa que las gráficas de torque medido, registrado y corregido
tienen un comportamiento lineal. El valor del coeficiente de correlación (𝑅 2 ) es de
0,98 que muestra la existencia de una alta relación entre los datos y el modelo de
regresión aplicado; en cada una de las gráficas de obtenidas en la figura 52, lo que
indica que el modelo se ajusta a los datos con una variabilidad baja. Para probar la
bondad de ajuste de los datos se evaluó el comportamiento de la diferencia
aritmética y se obtuvo la figura 49.
Figura 49. Grafica de la diferencia aritmética de los valores de torque medido y
registrado
Diferencia Aritmetica
Diferencia de Torque (Nm)
5
y = 0.3933x - 0.0696
R² = 0.9969
4
3
2
Diferencia
Aritmetica
1
0
0
-1
2
4
6
8
10
12
14
Linear
(Diferencia
Aritmetica)
Número dePrueba
La figura 49 muestra la diferencia aritmética de los datos medidos y registrados
muestra linealidad entre ellos de acuerdo al modelo de regresión escogido y al valor
del coeficiente de correlación (𝑅 2 = 0,99), mostrando también en esta que la
ecuación obtenida se ajusta a la distribución de los datos y que el factor de
corrección que se obtuvo va a dar por resultado una corrección adecuada para el
valor registrado como en efecto muestra la figura 49.
76
7.3 Resultados de medición
Las mediciones de torque tomadas se almacenan en un archivo plano de texto que
luego se lleva a MatLab@ para realizar las gráficas correspondientes como se
puede ver en la figura 50 y 52, donde se muestra el torque registrado contra el
tiempo.
Figura 50. Torque registrado contra el tiempo en la SFA, para aluminio AA1100
En la figura 51 se observan tres períodos importantes en la curva denotados como
𝑡1 , 𝑡2 y 𝑡3 . El primer período coincide con la penetración de la herramienta (De 0
hasta 41 segundos aproximadamente) hasta que el hombro hace contacto con la
superficie de las placas donde se presenta el torque máximo de 5,4 𝑁. 𝑚; el segundo
con el inicio del avance y tiempo de soldadura de las placas; mientras el tercero y
último con la extracción de la herramienta. La soldadura se realizó con los siguientes
parámetros se soldadura 955 𝑅𝑃𝑀 y una velocidad de avance de 106 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛.
Para descartar la existencia de ruido en el torque registrado, se realizó análisis
rápido de Fourier (FFT) en MatLab@, en busca de presencia de armónicos
obteniendo los resultados que se muestran en la figura 51.
77
Figura 51. Transformada rápida de Fourier de los datos de torque registrados para
la soldadura realizada en AA1100
5
4.5
4
|Torque(N-m)|
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
Frecuencia en Hz
Si se observa la figura 51, se puede notar la existencia de una onda de corriente
directa (DC) en su mayor parte. No se observa componentes frecuenciales de
60 𝐻𝑧, lo que demuestra que no existe ruido eléctrico porque la señal es de baja
frecuencia. Como se preveía, la única frecuencia predominante es la de la fresadora
y las vibraciones de la herramienta donde se encuentran las galgas
extensiométricas, a las cuales se debe las componentes frecuenciales menores a
0, 4 𝐻𝑧 que se observan en la figura 51.
Las figuras 50 y 52 corresponden a soldadura por fricción – agitación realizada
sobre aluminio AA1100. Además de esta se realizó soldadura sobre materiales
disimiles como el AA6061 T6 y el AA2024 T6, en este caso los parámetros
establecidos fueron 1500 𝑟𝑝𝑚 y una velocidad de avance de 150 𝑚𝑚⁄𝑚𝑖𝑛, teniendo
78
en cuenta que se usa una placa de cada material (Disimiles). La grafica del torque
y los valores que se obtuvieron se observan en la figura 52.
Figura 52. Torque registrado contra el tiempo en la SFA, para materiales disimiles
AA6061 y AA2024
La figura 52 muestra el torque registrado durante la soldadura por fricción - agitación
realizada en la fresadora convencional. El torque máximo para el 𝑡1 (ingreso del pin)
es de 26 𝑁 ∙ 𝑚, el cual ocurre a los 12 𝑠 y se extiende hasta los 37 𝑠, debido a que
una vez el pin ingresa y el hombro de la herramienta entra en contacto con las placas
de aluminio a soldar la herramienta se deja un tiempo girando (Dwell Time) en una
posición estática antes de realizar la soldadura, con el fin de calentar el material y
tener una mejor fluidez durante la soldadura. En el 𝑡2 se muestra al tiempo de
soldadura que inicia a los 37 𝑠 y finaliza a los 169 𝑠. La extracción del pin
corresponde al 𝑡3 y comienza a los 169 𝑠, finalizando a los 200 𝑠.
Para descartar la existencia de ruido en el torque registrado, se realizó análisis
rápido de Fourier (FFT) en MatLab@, en busca de presencia de armónicos
obteniendo los resultados que se muestran en la figura 53.
79
Figura 53. Transformada rápida de Fourier de los datos de torque registrados
25
Torque (Nm)
20
15
10
5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Frecuencia (Hz)
3.5
4
4.5
5
Si se observa la figura 53, se puede notar la existencia de una onda de corriente
directa (DC) en su mayor parte. No se observa componentes frecuenciales de
60 𝐻𝑧, lo que demuestra que no existe ruido eléctrico porque la señal es de baja
frecuencia. Como se preveía, la única frecuencia predominante es la de la fresadora
y las vibraciones de la herramienta donde se encuentran las galgas
extensiométricas, a las cuales se debe las componentes frecuenciales menores a
1,6 𝐻𝑧 que se observan en la figura 53.
Las figuras 50 y 52 presentan similitudes en su forma, aunque difieren en valor
porque los materiales usados son diferentes. Cabe resaltar que en la figura 50 una
vez el hombro de la herramienta toca las placas se inicia la soldadura y en la 52
cuando el hombro entra en contacto con las placas se espera un tiempo a que se
caliente el material (dwell time), para luego realizar la soldadura.
Las figuras 50 y 52 muestran similitudes con los resultados de torque que
obtuvieron Firouzdor et al [42] (observar figura 21), Weglowski et al [44] (observar
la figura 23), Longhurst et al [41] (observar la figura 20) y Schmidt et al [37] (observar
la figura 16) en cuanto a la forma de la onda del torque registrado y las líneas de
80
tendencias mostradas. Por ejemplo en todas las figuras mencionadas existe un valor
máximo de torque que corresponde al momento en que el pin ingresa y entra en
contacto el hombro de la herramienta y las placas a soldar.
En las figuras 15 y 21 muestran que la inserción del pin se realiza en tiempos que
guarda proporción con la figura 52 que es el obtenido durante la investigación, la
diferencia entre las dos graficas está en que se usó dwell time de los 12 a los 22s y
luego se inicia la soldadura donde se muestra un comportamiento similar en las
formas de onda que corresponden a la soldadura mientras se presenta el avance.
En pocas palabras las figuras 16, 20, 21, y 23 la SFA tiene tres tiempos en los cuales
se realiza la soldadura. En el primer tiempo está la inserción del pin hasta que el
hombro de la herramienta toca las placas, el segundo corresponde al proceso de
soldadura y el tercero que es el retiro del pin. Los autores de las investigaciones
citadas ( [42], [37], [44], [41] y [55]), no muestran un análisis de ruido para demostrar
la calidad de los valores de torque registrado, para la investigación realizada es algo
importante porque demuestra que no existen armónicos y que la señal es una onda
limpia de corriente directa que muestra los cambios de torque que se dieron en el
tiempo.
Lo mismo se observa en la figura 26b (Gibson [2]), en la cual se observa el torque
registrado con unos niveles que parecen ruido y se debe tener en cuenta que el
dispositivo diseñado para medir el torque de Gibson presenta similitudes de diseño,
con la diferencia que las figuras 50 y 52 que corresponden al torque que se registró
no se observa ruido a simple vista, siendo corroborado el bajo ruido. El análisis
rápido de Fourier que se observa en las figuras 51 y 53 demuestra que no existe
ruido dentro de la señal de torque que se obtuvo.
En el caso de los disimiles la curva de torque tuvo un crecimiento rápido al pico
máximo que corresponde a la inserción del pin como es el caso de Schmidt [37],
Firouzdor [42] y Weglowski [44]. En todos estos casos se da la soldadura en tres
tiempos (Inserción del pin, Soldadura y extracción del pin), como paso con los
resultados obtenidos en esta investigación, esto demuestra que existe tendencias
similares en las figuras 15, 21 y 23 respectivamente
81
8
CONCLUSIONES
Como resultado principal de este trabajo se obtuvo un dispositivo capaz de detectar,
amplificar, transmitir, recibir y convertir señales en un valor de torque que se
visualiza en tiempo real. Mientras el proceso se realiza es posible visualizar como
varia el torque, así como almacenar en un archivo plano de texto los valores
obtenidos para poder graficarlos y procesarlos posteriormente para realizar los
análisis necesarios
De acuerdo a los resultados obtenidos en este trabajo se puede concluir que:
1. El Torquímetro cumple con las expectativas de bajo costo de inversión. Para
su construcción los recursos económicos empleados fueron de $ 617.385, que
equivalen a US$ 308,69 para Julio de 2013.
2. El dispositivo cumplió con los requerimientos de espacio, puesto que se pudo
adaptar a la herramienta y al portaherramientas el dispositivo creado, que era
el espacio disponible en la fresadora para ubicar el dispositivo.
3. El dispositivo captó medidas en tiempo real. Lo que permite observar errores
en la transmisión o fallas en la señal, por medio del panel frontal creado en
Labview@.
4. La calibración del torquímetro permitió obtener un valor (1,37) para corregir la
desviación presente en las mediciones y que es suficiente para la herramienta
tomada, es decir, para las pruebas a realizar con esta herramienta no es
necesario volver a calibrar. Cuyo resultado fue satisfactorio como se observa
en el diagrama de cajas y bigote y la prueba de hipótesis de dos muestras que
arrojo un valor de P de 0,99. Lo que muestra como conclusión que los datos
pertenecen a una misma muestra y una vez hecha la calibración para estas
galgas no es necesario volverla a hacer.
5. El valor máximo de torque registrado para aluminio AA1100 fue de 5,4 𝑁 ∙ 𝑚 y
el tiempo total de soldadura fue de 100 𝑠. Para las soldaduras disimiles de
82
aluminio AA6061 T6 y AA2024 T6, el valor máximo de torque arrojado fue de
26 𝑁 ∙ 𝑚 y el tiempo total de soldadura fue de 200 𝑠.
6. Al realizar pruebas para observar si existe presencia de ruido en el sistema
utilizando una transformada rápida de Fourier se pudo observar que el sistema
no muestra ruido, debido a la no existencia de armónicos. Lo que demuestra
que el circuito implementado y la forma de la tarjeta para evitar el ruido en
modo común cumplieron el objetivo de evitar la presencia de ruido en las
curvas obtenidas. Las ondulaciones que se observan son propias de la
soldadura realizada y de las vibraciones de la fresadora.
83
9
RECOMENDACIONES
 Diseñar e implementar un dispositivo que mida la temperatura sobre la
herramienta para verificar la temperatura en las galgas extensiométricas y
verificar si están trabajando por fuera del rango de operación.
 Implementar una nueva herramienta que contenga un módulo fijo de
galgas lo que posibilita el intercambio del hombro y el pin para optimizar
las galgas. Si se tienen varias herramientas, se deben tener un par de
galgas por cada una. Si el pin es intercambiable solo se usan un par de
galgas.
 Realizar de forma digital todo el proceso de transmisión y recepción, para
de esta forma no linealizar la modulación por ancho de pulso (PWM).
Optimizando así el sistema de medición de torque porque la señal recibida
será instantánea.
84
REFERENCIAS
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