Noise Sources and Control: FIA2016-100
Experimental study of the relationship between
radiated sound and machining conditions of a wood
shaper machine based on acoustic camera
measurements
José Luis Barros (a), Alfredo Aguilera (b) (a)
Instituto de Acústica, Universidad Austral de Chile, Valdivia, Chile, jbarros@uach.cl
(b)
Laboratorio de productos forestales, Universidad Austral de Chile, Valdivia, Chile, aguilera@uach.cl
Abstract
The current work discusses the relationship between sound radiation and machining conditions (i.e. head rotation frequency, feed speed, etc.) for a wood shaper machine. An acoustic camera was used to generate acoustics maps of radiated sound for different cutting conditions. It was determined that there are four main sources of noise emission in the shaper machine, which consist of the suction airflow system, the automatic feed system, the cutter head drive system, and the sound associated to the cutting tool in contact with the wood to be processed. The acquired acoustics signals were filtered in order to eliminate signals caused by external sources not directly related to the cutting process and frequency components that do not contribute to the differentiation of machining conditions. The resulting acoustics maps for the different cutting conditions are shown and the feasibility of using this acoustics maps as a tool of machining conditions monitoring is analysed.
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Estudio experimental de la relación entre sonido
radiado y condiciones de maquinado de una máquina
cepilladora de madera basado en mediciones con
cámara acústica
1 Introducción
La industria maderera depende de una cadena productiva ininterrumpida, que une la constante entrada de insumos productivos y el procesamiento eficiente de éstos. El desarrollo y mejoramiento de sistemas monitoreo las condiciones del procesamiento de la madera permite optimizar parámetros de calidad y asegurar una cadena productiva eficiente. Los métodos de monitoreo como el de análisis del desgaste de las cuchillas de cepillado o características superficiales del producto elaborado, implican la detención de la cadena productiva y la necesidad de profesionales que determinen el estado de la herramienta de corte así como la calidad de la madera.
Desde los años 80 se ha trabajado en la implementación de métodos de monitoreo no invasivo por medio de emisiones acústicas [1]. Tanto la implementación de sensores de contacto [2], como acelerómetros, y sensores sin contacto, como micrófonos o laser, requieren que la señal adquirida corresponda efectivamente a aquello que desea medirse y no se vea muy afectada por fuentes externas. Estudios previos han mostrado que la utilización de emisiones acústicas constituye en principio una técnica factible para el monitoreo tanto del desgaste de las herramientas de corte [3], como de las condiciones de corte [4][5]. También se ha estudiado la posibilidad de monitorear la rugosidad superficial resultante de procesos de maquinado de madera en base a mediciones de la presión sonora [6] así como la relación entre estas señales emitidas y las diferentes condiciones de maquinado [7].
En este estudio experimental se realiza una primera comparación entre diferentes condiciones de maquinado y las imágenes correspondientes a la radiación sonora obtenidas mediante una cámara acústica.
2 Metodología
Se utilizó una máquina de cepillado en cuyo eje se montaron cabezales de 6 cuchillos, permitiéndose el control continuo de la velocidad de rotación mediante un variador de frecuencias. Éste equipo incluye un carro de avance automático controlado por variador de frecuencias propio, lo cual permite un control de velocidades de forma precisa e independiente.
Los registros del sonido radiado durante el proceso de maquinado se realizaron con una cámara acústica y arreglos de micrófonos de la empresa alemana GFaI Tech. Algunas especificaciones importantes del arreglo de micrófonos utilizado se incluyen en la tabla1.
3 Tabla 1 Especificaciones del Arreglo de Micrófonos.
Body Carbon array-body diameter: 75 cm
Microphones Advanced ¼” symmetrically buffered electret pressure receivers (based on Sennheiser microphone capsule 4211)
Number of microphones 48
Frequency response of microphones 20Hz-20kHz (± 3dB) Dynamic range of microphones 28-130dB (A-weighted) Recommended measurement distance 0.5-5m
Recommended mapping frequencies 400Hz-20kHz
Single map dynamic 7-8dB (CBF) using HDR 20-40dB
Considerando los resultados de estudios anteriores [7], las señales acústicas registradas son procesadas mediante un filtro pasaaltos con frecuencia de corte de 1000 Hz, lo cual permite reducir el efecto de fuentes de ruido externas (sistema de aspiración de virutas, sistema de arrastre, sistema de rotación del cabezal) no relacionadas directamente con el proceso de cepillado.
En la Figura 1 es posible apreciar la máquina cepilladora utilizada en el estudio y el arreglo circular de 48 micrófonos.
Figura 1: Sistema utilizado en el estudio. Izquierda: Máquina cepilladora; Derecha: sistema de adquisición de datos y arreglo circular de 48 micrófonos.
Para este primer estudio experimental con cámara acústica se utilizaron cuatro condiciones de maquinado distintas, variándose entre dos valores de velocidad de rotación de las cuchillas de corte (4700 y 6000 RPM) y dos valores de la velocidad de avance del carro de arrastre (20 y 30 m/min).
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3 Resultados
La cámara acústica utilizada permite obtener de manera simple y rápida las imágenes de colores que caracterizan la radiación sonora asociada el proceso de maquinado. Las imágenes incluidas corresponden al valor RMS de la radiación durante el paso completo de la pieza de madera y no a un instante de tiempo determinado. Es posible generar imágenes instantáneas o secuencias de video que permiten visualizar como la máxima radiación se va produciendo desde diferentes puntos del espacio a medida que la pieza de madera pasa por el proceso de cepillado, sin embargo se considera que las imágenes presentadas resumen los aspectos más relevantes en el marco del presente estudio. En la figura 2 se muestra un ejemplo de la imagen obtenida para una velocidad de rotación de cuchillos de 4700 RPM y una velocidad de arrastre de 20 m/min.
Figura 2: Imagen de radiación sonora obtenida mediante cámara acústica (condiciones de maquinado: velocidad de rotación de 4700 RPM, velocidad de arrastre de 20 m/min). Para cada condición de maquinado se repitió el proceso varias veces, de manera de asegurar que el patrón de radiación obtenido se mantiene más o menos estable mientras no se varíen las condiciones de maquinado. Por motivos de espacio no se han incluido todas las imágenes que es posible analizar, a modo de ejemplo se muestran en la figura 3 imágenes de diferentes
5 registros pero sin variar los parámetros del maquinado. Es posible apreciar que el patrón se mantiene y las variaciones son despreciables.
Figura 3: Imagen de radiación sonora obtenida mediante cámara acústica para dos registro correspondientes a distintas muestras (condiciones de maquinado: velocidad de rotación de 4700
RPM, velocidad de arrastre de 20 m/min).
Las siguientes figuras muestran la comparación para diferentes condiciones de maquinado. La escala de colores se ha mantenido fija para todas las imágenes con el fin de facilitar la comparación entre estas. Se ha utilizado la representación de fondo tipo dibujo en lugar de la fotografía con el fin de apreciar mejor los colores de la imagen de distribución sonora. En las figuras 4 y 5, es posible apreciar la gran diferencia entre las imágenes obtenidas al variar la velocidad de rotación del cabezal de 4700 a 6000 RPM.
Figura 4: Comparación entre imágenes de radiación sonora para una velocidad de arrastre de 20 m/min. Izquierda: velocidad de rotación de 4700 RPM; Derecha: velocidad de rotación de 6000
6 Figura 5: Comparación entre imágenes de radiación sonora para una velocidad de arrastre de 30 m/min. Izquierda: velocidad de rotación de 4700 RPM; Derecha: velocidad de rotación de 6000
RPM.
Al comparar las figuras 4 y 5 ya se puede apreciar que, si bien las diferencias al variar la velocidad de arrastre y mantener la velocidad de rotación son menores, aún es posible distinguir claramente entre ellas. Para facilitar esta comparación visual, se incluyen en las figuras 6 y 7 las imágenes para velocidad de rotación constante.
Figura 5: Comparación entre imágenes de radiación sonora para una velocidad de rotación de 4700 RPM. Izquierda: velocidad de arrastre de 20 m/min; Derecha: velocidad de arrastre de 30
m/min.
Al comparar las imágenes obtenidas para el caso de velocidad de rotación constante, es posible apreciar una aumento del sector coloreado de mayor intensidad al aumentar la velocidad de arrastre de 20 a 30 m/min.
7 Figura 5: Comparación entre imágenes de radiación sonora para una velocidad de rotación de
6000 RPM. Izquierda: velocidad de arrastre de 20 m/min; Derecha: velocidad de arrastre de 30 m/min.
4 Conclusiones
Este primer estudio experimental ha permitido establecer la factibilidad de relacionar las imágenes obtenidas mediante cámara acústica con las condiciones de maquinado para una máquina cepilladora de madera. Es posible considerar como una línea de desarrollo e investigación a seguir, el monitoreo de condiciones de maquinado en base a arreglos de micrófonos, lo cual podría presentar ventajas respecto a los procedimientos desarrollados hasta ahora utilizando micrófonos comunes, dado que es posible instalar los sensores a mayor distancia de la máquina evitando interferir con la cadena productiva y reduciendo el efecto del ruido proveniente de otras fuentes.
Referencias
[1] Dornfeld, D. A; Lemaster, R. L. 1982. Sensing of tool wear by acoustic emission. In Proceedings of the 7th International Wood Machining Seminar, Richmond (pp. 312-323). [2] Lemaster, R. L.; LiYa, L.; Jackson, S. 2000. The use of process monitoring techniques on a CNC
wood router. Part 2. Use of a vibration accelerometer to monitor tool wear and workpiece quality. Forest products journal, 50(9), p. 59-64. Delio, T., Tlusty, J., & Smith, S. Use of audio signals for chatter detection and control. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 114(2), p. 146-157.
[3] Banshoya, K.; Ohsaki, H.; Nagatomi, K.; Murase, Y. 1994. Relationship between cutting sound and tool wear in machine boring of wood and wood-based materials. Mokuzai Gakkaishi, 40(4), 434-439. Delio, T.; Tlusty, J; Smith, S. Use of audio signals for chatter detection and control. . [4] Nagatomi, K.; Yoshida, K.; Banshoya, K.; Murase, Y. 1993. Recognition of wood cutting
conditions through cutting sounds, 1: Effects of tool system's stiffness and tool wear on the generation of sound in cutting parallel to the grain. Journal of the Japan Wood Research Society (Japan).
[5] Iskra, P.; Tanaka, C. 2005. The influence of wood fiber direction, feed rate, and cutting width on sound intensity during routing. Holz als Roh-und Werkstoff, 63(3), 167-172.
8 [6] Aguilera, A.; Barros, J.L. 2012. Surface roughness assesment on médium density fibreboard rip
sawing using acoustic signals. Eur. J Wood Prod. 70:369-372.
[7] Aguilera, A.; Méausoone, P.J.; Rolleri, A.; Barros, J.L., Burgos, F.; Aguilar, C.: Advances on indirect methods to evaluate tool wear for radiata pine solid wood moulding. Wear 350-351: 27-34. DOI 10.1016/j.wear.2015.12.011, 2016.
