Embedded nanocomposite based preload force sensor for ball screws

Résumé

En este documento se presenta el desarrollo de un sistema de sensorización de precarga para husillo de bolas. Al ser un componente crítico en las máquinas-herramienta, la detección de la precarga tiene un impacto directo en la calidad de las piezas mecanizadas. El desarrollo de un nuevo sistema de monitorización de precarga basado en la medición de precarga directa a través de materiales sensores funcionales se identificó como un valor añadido crítico para los husillos de bolas. Entre las diferentes tecnologías de sensorización encontradas en la literatura, los nanocompuestos piezoresistivos poliméricos nanocarbonáceos se identificaron como una opción válida para la medición de la fuerza de precarga. Las principales ventajas de estos materiales funcionales son su sensibilidad a la carga, su menor coste y su capacidad de integración. En particular, se seleccionaron materiales piezoresistivos nanocarbonáceos basados en PVDF para la aplicación, ya que las propiedades térmicas, mecánicas y de envejecimiento del PVDF se adaptan a la aplicación objetivo. Se caracterizaron diferentes nanocompuestos piezoresistivos basados en PVDF. Sus propiedades morfológicas, térmicas, eléctricas, mecánicas y electromecánicas se estudiaron en pruebas de laboratorio. Se realizó el diseño de un husillo de bolas sensorizado mediante la estrategia W-model de diseño. Se probaron diferentes configuraciones de sensores, tanto de forma dinámica como estática. El diseño final emplea el material piezoresistivo en formato de película delgada, interponiéndolo entre una tuerca y el espaciador del husillo. El diseño desarrollado cumplió con los requisitos industriales para la aplicación en términos de coste, complejidad y diseño. El sistema de detección de precarga desarrollado fue probado, calibrado y validado en condiciones de laboratorio. Finalmente, el prototipo de husillo de bolas sensorizado fue probado y validado a través del estándar industrial DIN 69051/3. Se diseñó un mecanismo de variación de precarga para la validación del husillo de bolas tanto a diferentes niveles de precarga como bajo variación de precarga durante los ensayos. El diseño desarrollado cumplió con los requisitos establecidos en términos de requisitos industriales.