Monitoraggio delle condizioni

L'obiettivo della manutenzione basata sulle condizioni o manutenzione predittiva (PdM) è quello di avviare un intervento di manutenzione tempestivo. Per «tempestivo» si intende abbastanza precoce da mantenere le spese di riparazione al minimo prima che si verifichino danni più gravi che richiedono un maggiore intervento, ma al contempo il più tardivo possibile per ridurre al minimo i tempi di fermo macchina e massimizzare l’utilizzo dei componenti fino alla fine del loro ciclo di vita. Garantire il momento più tardivo possibile di utilizzo sicuro rappresenta una sfida importante. Di conseguenza, nella pratica viene spesso utilizzata la prima strategia. Lo scopo della strategia basata sulle condizioni è quindi quello di ridurre al minimo i costi di manutenzione attraverso l’individuazione precoce dei guasti e la riparazione tempestiva. L’identificazione precoce dei segnali di difetto è la missione essenziale dei metodi diagnostici basati sugli ultrasuoni. Il monitoraggio delle condizioni è generalmente definito come l’utilizzo di tecnologie appropriate per accertare lo stato operativo effettivo di una macchina. Lo stato operativo è la sovrapposizione delle condizioni del processo e della macchina. In passato, l’operatore o il tecnico di manutenzione doveva effettuare il monitoraggio delle condizioni utilizzando esclusivamente i sensi, quali l’udito, la vista o il tatto. Oggi, poiché molte macchine e processi funzionano in modo automatizzato e gli impianti stanno diventando sempre più complessi, è necessaria una tecnica di monitoraggio.

Inoltre, una tecnica di questo tipo potrebbe offrire numerose nuove possibilità per monitorare i parametri 24 ore su 24, senza interruzioni. Ciò significa che macchine e sistemi non presidiati possono essere controllati a distanza con relativa facilità. È possibile monitorare vari parametri, quali temperatura, pressione, portata, qualità dell’olio o vibrazioni, al fine di rilevare lo stato di funzionamento di una macchina. Tali parametri possono essere integrati da ulteriori grandezze, quali la corrente o la forza del mandrino di azionamento. Gli ultimi due parametri citati sono spesso messi a disposizione dell’operatore delle macchine utensili già in fase di consegna dalla fabbrica. Poiché la maggior parte degli errori sulle macchine con parti rotanti provoca vibrazioni, la maggior parte delle informazioni relative allo stato di una macchina (lo stato di salute della macchina) e ai parametri di processo (le caratteristiche operative) può essere acquisita tramite il monitoraggio delle condizioni mediante la misurazione delle vibrazioni. Ciò significa che è possibile monitorare sia lo stato della macchina che quello del processo utilizzando un’unica tecnologia. Questa capacità di ottimizzare contemporaneamente la produttività e la manutenzione può migliorare significativamente l’efficienza complessiva degli impianti.

L'ecografia nel settore della manutenzione

Grazie ai vantaggi descritti in precedenza, la misurazione delle vibrazioni rappresenta, nella pratica, la prima scelta per il monitoraggio delle macchine dotate di parti rotanti. Per misurare le vibrazioni si utilizzano tipicamente sensori di vibrazione con una risposta in frequenza lineare fino a 20 kHz. Poiché i processi acustici utilizzabili per la manutenzione coprono un ulteriore intervallo di frequenza fino a 1 MHz, sono necessari sensori speciali. Questi sensori a ultrasuoni vengono impiegati quando le frequenze da misurare sono troppo elevate, ma anche quando le deflessioni sono troppo piccole per i sensori di vibrazione. Inoltre, l’analisi nella gamma degli ultrasuoni offre il vantaggio che la moltitudine di rumori della macchina nella gamma udibile non interferisce con la misurazione. L’uso dei metodi a ultrasuoni è classificato dagli autori come un approccio complementare all’analisi delle vibrazioni. Le cause alla base della generazione di emissioni sonore nella gamma degli ultrasuoni differiscono da quelle alla base della generazione delle vibrazioni. Gli impatti più rilevanti che devono essere rilevati nell’ambito della manutenzione sono, in ultima analisi, basati sull’attrito. Tali operazioni comprendono, ad esempio, il monitoraggio della lubrificazione o il rilevamento del funzionamento a secco, le perdite e i processi di attrito tecnico su cuscinetti a strisciamento o freni. Tuttavia, altre cause di emissione sonora, quali la turbolenza, la cavitazione o i processi di scarico, estendono l’ambito di applicazione anche a processi che non hanno origine in macchine con parti rotanti. Per tutte queste cause, si sfruttano i vantaggi dei metodi a ultrasuoni per rilevare il prima possibile eventuali danni o alterazioni del processo. Come illustrato nella Figura 2, il tipo di rilevamento del segnale e, di conseguenza, l’impiego degli ultrasuoni nella manutenzione possono essere suddivisi nelle due categorie del suono trasmesso per via aerea e del suono trasmesso per via strutturale.

Per quanto riguarda il rumore aereo, sono già note applicazioni quali il rilevamento di perdite negli impianti ad aria compressa, i test attivi di tenuta su cabine e container o il rilevamento di scariche parziali. Le applicazioni relative al rumore strutturale, quali il collaudo degli scaricatori di condensa, la diagnostica dei cuscinetti e il collaudo delle valvole, sono ormai consolidate. Sono stati sviluppati sensori a ultrasuoni basati su materiali compositi piezoelettrici, utilizzati per applicazioni relative al rumore trasmesso per via strutturale nel monitoraggio dei processi. Grazie alla risposta in frequenza piatta e all’elevata sensibilità, questi nuovi sensori sono adatti ad applicazioni a banda larga.

Nel 2016, SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH ha lanciato un nuovo dispositivo di collaudo. Il dispositivo è progettato per attività di ispezione a ultrasuoni nel settore della manutenzione. Le principali differenze rispetto ai dispositivi precedentemente disponibili sono l’ampio intervallo di frequenza dei sensori e il concetto modulare dello strumento di misura digitale. Inoltre, tutte le funzionalità dei dispositivi mobili ormai consolidati, quali smartphone e tablet, sono integrate in questo innovativo rilevatore a ultrasuoni portatile. Con il nuovo SONAPHONE è possibile rilevare e valutare una gamma di frequenze compresa tra 20 e 100 kHz.

Il dispositivo sarà dotato di app specifiche per le diverse applicazioni, che assisteranno il tecnico di manutenzione durante le prove, nonché durante la valutazione dei dati e la documentazione delle prove. Il SONAPHONE è stato sviluppato come dispositivo di prova portatile per tutte le applicazioni di manutenzione sopra menzionate. Attualmente, la piattaforma è progettata per la registrazione e l’elaborazione sincrona di due segnali: il segnale ultrasonico e quello di temperatura (implementato nel sensore di rumore strutturale) possono essere registrati in modo sincronizzato nel tempo.

Per le applicazioni relative al suono trasmesso per via aerea, quali il rilevamento di perdite, le prove di tenuta e il rilevamento di scariche parziali, sono stati sviluppati diversi accessori (Figura 3, in alto a destra) per il sensore acustico, al fine di soddisfare i requisiti specifici. In questo modo, è possibile modificare le caratteristiche di ricezione del sensore in termini di campo di rilevamento e angolo di apertura. Anche per le applicazioni relative al rumore trasmesso per via strutturale, quali il collaudo degli scaricatori di condensa o l’ispezione dei cuscinetti, sono stati sviluppati appositi accessori (Figura 3, in basso a destra).

Il sensore di rumore strutturale può essere dotato di un supporto magnetico o di guide d’onda di diverse lunghezze. Può inoltre essere avvitato direttamente sul punto di prova. Per quanto riguarda l’applicazione del monitoraggio delle condizioni, il dispositivo portatile è destinato a essere utilizzato per un controllo mobile e ricorrente sotto forma di misurazione comparativa o di analisi delle tendenze su un ampio numero di misurazioni. Ciò significa che il monitoraggio delle condizioni avviene in momenti specifici prestabiliti e può essere descritto come una stima dello stato tramite un’istantanea.

Le motivazioni e il contesto alla base dello sviluppo della nuova tecnologia dei sensori sono descritti in dettaglio in diversi articoli, ad esempio. Sono stati sviluppati nuovi trasduttori a ultrasuoni per applicazioni di monitoraggio delle condizioni sulla base di un materiale piezocomposito, che riveste un ruolo centrale nell’uso complementare di frequenze basse e alte nell’ambito di una filosofia applicativa integrativa.

L’utilizzo di questa tecnologia consente di ottenere numerosi vantaggi. La curva di risposta in frequenza del sensore è relativamente regolare e le risonanze indesiderate vengono soppresse. Ciò significa che le caratteristiche di frequenza possono essere linearizzate in una certa misura, consentendo lo sfruttamento delle proprietà spettrali dei segnali e l’applicazione di analisi tempo-frequenza avanzate in tempo reale. Un ulteriore aspetto importante deriva dall’aumento del numero di gradi di libertà nella progettazione dei trasduttori; ad esempio, diventano possibili trasduttori flessibili o con curvature particolari.

Nella Figura 4 sono riportate due curve di impedenza elettrica. La curva blu rappresenta un trasduttore convenzionale di tipo piezoceramico, mentre quella rossa rappresenta un nuovo trasduttore di tipo piezocomposito. La differenza tra le due curve illustra la soppressione delle risonanze indesiderate nei trasduttori piezocompositi. Al contrario, il tipo piezoceramico presenta numerose risonanze causate dalle diverse modalità di vibrazione di un disco ceramico, che costituisce la parte principale del trasduttore.

Il materiale piezocomposito utilizzato in questo lavoro è stato prodotto utilizzando la tecnologia “dice-and-fill” (Figura 5). Questa tecnica di produzione complessa è stata messa a punto presso SONOTEC nel 2008. Le piastre piezoceramiche (ad esempio il titanato di zirconato di piombo (PZT)) vengono parzialmente tagliate da una macchina per il taglio dei wafer in due direzioni con un angolo di 90°. Gli spazi vuoti vengono riempiti con poliuretano o resina epossidica. Dopo l’indurimento, la piastra viene levigata fino a raggiungere lo spessore finale. Infine, il composito viene metallizzato e polarizzato.

Questo processo di produzione è complesso e prevede diverse fasi con livelli di difficoltà variabili. Ciò si traduce in una varietà di possibilità, che consentono di ottenere nuove proprietà dei trasduttori. È possibile ottenere variazioni modificando il tipo di materiale piezoceramico, il tipo di matrice plastica, il passo e la disposizione dei pilastri piezoceramici, la larghezza degli spazi vuoti, lo spessore della piastra, la forma della piastra e il passo macroscopico degli elementi del trasduttore.

I vantaggi dei nuovi sensori basati su materiali piezocompositi possono essere illustrati anche tramite semplici esperimenti. La Figura 6 mostra gli spettrogrammi e gli spettri di frequenza generati durante un esperimento di attrito.

L’esperimento prevedeva l’utilizzo di due sensori diversi, fissati su un tubo d’acciaio. Un sensore di vibrazioni ad alta frequenza convenzionale è stato confrontato con uno dei nuovi sensori a ultrasuoni a banda larga. Come fonte di rumore strutturale è stata utilizzata una stimolazione con carta vetrata. Negli spettrogrammi, questa oscillazione è riconoscibile tra i due e i sette secondi. Gli spettri di frequenza sono calcolati ciascuno a partire da una finestra temporale all’interno di questo intervallo. Sia gli spettrogrammi che gli spettri mostrano chiaramente le differenze tra i due tipi di sensore.

Lo scopo di questo esempio è illustrare la possibilità di utilizzare nuovi sensori a ultrasuoni per il monitoraggio delle condizioni durante la lavorazione di componenti ceramici mediante macchine di precisione per il taglio di wafer. La motivazione è l’ottimizzazione generale dei processi di taglio, in particolare dei cosiddetti materiali “difficili da tagliare”, oppure il monitoraggio delle condizioni durante la lavorazione di componenti di grande valore. Il mandrino di azionamento della macchina da taglio è stato dotato di sensori a ultrasuoni basati su piezocompositi. La frequenza di risonanza di spessore di questi sensori è di circa 1 MHz. I segnali sono stati acquisiti con la scheda di acquisizione dati DT 9847-2-2 (Data Translation) e analizzati utilizzando MATLAB di Mathworks.

È stata applicata una frequenza di campionamento di 216 kHz. La Figura 7 mostra due dei nuovi sensori, nonché il mandrino di azionamento della macchina per il taglio dei wafer dotata di tali sensori. L’esempio della macchina per il taglio dei wafer rappresenta un’applicazione interessante a causa degli speciali mandrini di azionamento utilizzati in queste macchine. I mandrini ad alta velocità, con una velocità di rotazione fino a 60.000 giri/min, sono mandrini a cuscinetti ad aria con motori brushless. Di conseguenza, non vi è alcun accoppiamento meccanico diretto tra le parti rotanti e quelle fisse all’interno del processo. Inoltre, il cuscinetto ad aria genera costantemente emissioni acustiche dovute al getto d’aria.

È stato analizzato un processo standard di taglio a cubetti con tre dischi ceramici fissati in fila (Figura 8). Il processo richiede circa sei secondi per ogni linea di taglio. Innanzitutto, il mandrino motore si sposta verso il basso (direzione dell’asse z). Il processo di taglio vero e proprio segue come seconda fase. A prima vista, il segnale temporale non fornisce alcuna informazione utile per il controllo del processo.

È quindi necessario ricorrere all’elaborazione del segnale nel dominio tempo-frequenza. All’interno dello spettrogramma (Figura 8, a destra) viene visualizzato l’intero processo di taglio. Sono state misurate costantemente alcune basse frequenze fisse. Queste sono dovute al mandrino rotante con una velocità di rotazione fissa di 30.000 giri/min e alle turbolenze all’uscita del cuscinetto ad aria, a cui si sovrappongono gli effetti dello spruzzo d’acqua di raffreddamento.

All'inizio e alla fine del taglio (fase 1 e fase 3) l'accelerazione molto elevata dell'asse z determina ampiezze elevate su una gamma di frequenze che arriva fino a un massimo di 5 kHz. Durante il taglio (fase 2) la lavorazione dei tre dischi determina variazioni riproducibili dello spettro a diverse frequenze. Le ampiezze massime sono state registrate intorno ai 20 kHz, il che indica chiaramente che il monitoraggio delle condizioni nella gamma di frequenze ultrasoniche potrebbe funzionare bene. Grazie a questo risultato è possibile monitorare le variazioni dei parametri di lavorazione: ad esempio, maggiore è la velocità di avanzamento, maggiore è l’ampiezza nella gamma di frequenze ultrasoniche.

Nell’esempio seguente vengono mostrati i risultati di una serie di test per l’ottimizzazione della velocità di avanzamento. È stata lavorata una piastra in ceramica aumentando la velocità di avanzamento da una linea di taglio alla successiva. Attualmente, il valore della corrente di azionamento del mandrino fornisce l’unica informazione sullo stato del processo. A causa delle variazioni molto ridotte della corrente di azionamento del mandrino rispetto alle variazioni della velocità di avanzamento, i risultati del monitoraggio sono insufficienti. È possibile acquisire molte più informazioni grazie ai sensori a ultrasuoni posizionati sul mandrino di azionamento.

La Figura 9 mostra una fotografia della piastra parzialmente tagliata. Al centro dell’ultima linea di taglio è visibile una lamella di ceramica spezzata. Sei linee di taglio prima di questa, si possono osservare i primi segni di danneggiamento sul fondo delle scanalature di taglio, il che significa che il processo di taglio era già in uno stato critico.

L'aumento dell'attrito nello stato critico del processo, e in particolare la rottura della lamella, provoca variazioni nello spettro di frequenza dei segnali. Al tempo di misura di 2,3 s, alcune linee di risonanza risultano interrotte. Questo evento transitorio è stato rilevato dai sensori e potrebbe essere stato causato dalla rottura della lamella ceramica, come illustrato nella Figura 9. La posizione geometrica della rottura può essere approssimativamente attribuita all’evento transitorio osservato nello spettrogramma.

Al momento non è possibile effettuare un'assegnazione precisa, poiché manca un segnale di trigger proveniente dall'asse mobile della macchina che possa essere utilizzato per sincronizzare l'asse temporale della misurazione. Inoltre, un'interpretazione dettagliata degli effetti fisici e tecnici dovrà essere oggetto di ulteriori studi e sarà pubblicata in articoli futuri. In conclusione, si può affermare che i nuovi sensori a ultrasuoni basati su piezocompositi possono essere utilizzati in modo molto efficace per il monitoraggio delle condizioni dei processi di taglio.

È stato utilizzato un banco di prova per cuscinetti al fine di condurre studi sulla diagnostica dei cuscinetti con il nuovo rilevatore a ultrasuoni SONAPHONE. Sono stati preparati cuscinetti a sfere del tipo 6002 con vari difetti di prova per simulare il danneggiamento.

La Figura 11 mostra un esempio dell’area tratteggiata nella pista di rotolamento delle sfere dell’anello esterno. Sia la pista di rotolamento dell’anello interno che le sfere possono essere preparate mediante incisione laser. Lo scopo di questo metodo è quello di utilizzare una tecnica di preparazione riproducibile. Ciò è importante affinché le condizioni all’inizio dell’usura prevista possano essere riprodotte tutte le volte che è necessario.

Durante il funzionamento, questo danno simulato al cuscinetto genera vibrazioni e rumore trasmesso per via strutturale. La Figura 12 mostra un ciclo di funzionamento con carico alternato su un cuscinetto a sfere nuovo (a sinistra) e su un cuscinetto preparato (a destra). Il cuscinetto difettoso può essere distinto da quello nuovo sia in base alla differenza di livello sonoro sia tramite la valutazione visiva dello spettrogramma. Nel caso del cuscinetto preparato, vengono rilevati anche ultrasuoni nell’intero intervallo di frequenza del SONAPHONE fino a 100 kHz.

La Figura 11 mostra alcune schermate del software Data-Viewer in esecuzione su un PC. Il livello sonoro è visualizzato nella parte superiore, mentre nella parte inferiore sono riportati gli spettrogrammi relativi al periodo di misurazione. La robustezza della tecnologia a ultrasuoni a banda larga può essere dimostrata anche nel presente esempio relativo alla diagnosi dei cuscinetti. Dagli spettrogrammi si può notare che vi sono intervalli di frequenza in cui non viene emessa quasi nessuna energia sonora.

Conclusioni

L’applicazione degli ultrasuoni nella manutenzione è stata inquadrata, all’inizio di questo articolo, nel contesto dei moderni metodi di manutenzione. In particolare nell’ambito del monitoraggio delle condizioni, la tecnica a ultrasuoni offre un contributo significativo alla diagnosi precoce dei guasti. Sono stati brevemente presentati lo sviluppo di un nuovo dispositivo di prova e i primi esempi di applicazione. Sono stati descritti i vantaggi del processo di misurazione a banda larga, compreso l’uso di nuovi sensori a ultrasuoni con materiale piezocomposito al cuore dei trasduttori. Sono stati evidenziati l’analisi dei dati a banda larga e la conseguente maggiore affidabilità dei risultati delle prove.

Ringraziamenti

Parti di questo lavoro sono state finanziate dal Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca UMKlaD (BMBF, programma: kMU-innovativ, progetto: 01IS15051A).