Slender workpiece cutting process stability prediction and monitoring based on internal signals

Abstract

Chatter is commonly found when machining slender components on a lathe due to the low stiffness and damping. Aspects such as accuracy and roughness are usually compromised owing to large variation in stiffness along the length of the workpiece, which is a problem for the machining industry. The main contributions of this thesis are the proposal of (I) models for determine the chatter-free cutting conditions in slender workpiece machining and (II) a process monitoring system to detect chatter using available internal signals from the regulator. The clamping of a workpiece in the spindle of a lathe is not completely stiff, so the classical boundary conditions such as clamped–free, are not enough. The natural frequencies of the machine-workpiece system are usually lower than the theoretical ones obtained with classical boundary conditions. As the system is different for each machine and clamping method, it is necessary to characterize them. In order to be industrially feasible, a experimental method based on models with elastic boundary conditions is proposed to identify the system parameters. A exciter tool prototype based on a piezo actuator is developed to excite the system and natural frequencies have been measured by an accelerometer. The system parameters for a specific clamping and machine tool have been identified by means of model updating method. Once the system parameters have been identified, the effective stiffness of the system at each tool position of the workpiece is obtained. In slender workpieces, two nearby local modes appear due to the clamping, so workpiece chatter may occur by mode coupling in addition to regenerative. The stability of the process for a facing operation has been modelled in the state space taking into account both phenomena. An eigenvalue analysis is carried out by freezing the physical parameters of the time varying system at each time instant. The stability of the process is determined for certain cutting conditions. The theoretical results are validated by experimental tests. As the system is variant periodically in time due to the workpiece rotation, a Linear Time Periodic (LTP) stability model for slender workpiece machining has been proposed in order to define the process stability for each cutting condition. The stability is analysed by Floquet theory and the Stability Lobe Diagram (SLD) are obtained. Finally, the development and validation of a process monitoring system using internal signals available in the Computer Numerical Control (CNC) is presented. The feasibility of different internal signals for chatter monitoring are evaluated. An internal signal based monitoring system is implemented on a fast prototyping generic hardware and the monitoring system is experimentally evaluated in a CNC lathe.

Oso ohikoa da chatterra aurkitzea tornu batean pieza lirainak mekanizatzen direnean, sistemaren zurruntasun eta amortiguazio txikiagatik. Mekanizatzean zehaztasuna oso txikia izan ohi da piezaren zurruntasunaren aldakortasun handiagatik luzeran zehar, eta hori arazo bat da mekanizatu industrian. Tesi honen ekarpen nagusiak (I) pieza lirainak mekanizatzeko chatterrik gabeko ebaketa baldintzak zehazteko modeloak eta (II) erregulatzailean eskuragarri dauden barne seinaleak erabiliz mekanizazio prozesua monitorizatzeko sistema dira. Tornu baten pieza amarratze sistema ez da erabat zurruna, beraz, gainazaleko baldintza klasikoak, ez dira nahikoak. Maiztasun naturalak orokorrean maiztasun teorikoak baino baxuagoak izan ohi dira. Makina eta amarratze metodo bakoitzerako sistema aldatzen denez, beharrezkoa da horiek identifikatzea. Industrialki bideragarria izan dadin, gainazaleko baldintza elastikoak dituen modeloetan oinarritutako metodo esperimental bat proposatzen da, sistemaren parametroak identifikatzeko. Sistema kitzikatzeko, eragingailu piezoelektriko batean oinarritutako erremienta kitzikagailu prototipo bat garatu da, eta maiztasun naturalak azelerometro baten bidez neurtzen dira. Amarre baterako eta makina-erreminta espezifiko baterako sistemaren parametroak identifikatu dira model updating metodoaren bidez. Sistemaren parametroak ezagutu ondoren, sistemaren zurruntasun eraginkorra lortu da piezaren luzeran zehar. Pieza lirainetan, hurbileko bi modu lokal agertzen dira amarratzearen ondorioz. Beraz, chatterra, moduen akoplamenduaren bidez gerta daiteke, birsorkuntza efektuaz gain. Errefrentatze operazio baterako, prozesuaren egonkortasuna modelatu da egoera-eremuan, bi fenomenoak kontuan hartuta. Balio propioak aztertzeko, sistemaren parametro fisikoak izoztu dira une bakoitzean. Ebaketa baldintza jakin batzuetarako prozesuaren egonkortasuna zehaztu da eta emaitza teorikoak proba esperimentalen bidez baliozkotu dira. Sistema denboran zehar aldakorra da periodikoki piezaren errotazioarengatik. Horregatik, denboran zehar periodikoa den egonkortasun modelo bat garatu da pieza lirainentzako eta haren egonkortasuna Floquet teoriaren bidez aztertu da. Ebaketa baldintza bakoitzerako prozesuaren egonkortasuna zehazteko, egonkortasun lobuluen diagrama lortu da. Azkenik, erregulatzailean eskuragarri dauden barne seinaleak erabiliz prozesua monitorizatzeko sistema bat garatu da. Chatterra monitorizatzeko barne seinale desberdinen bideragarritasuna ebaluatu da. Barne seinaleetan oinarritutako monitorizazio sistema implementatu da hardware generiko batean eta monitorizazio sistema esperimentalki balioztatu da tornu batean.

El chatter se encuentra comúnmente cuando se mecanizan componentes esbeltos en un torno debido a su baja rigidez y amortiguación. Aspectos como la precisión y la rugosidad suelen verse comprometidos debido a la gran variación de la rigidez a lo largo de la pieza de trabajo, lo que constituye un problema para la industria del mecanizado. Las principales contribuciones de esta tesis son el desarrollo de (I) modelos para determinar las condiciones de corte sin vibraciones en el mecanizado de piezas esbeltas y (II) un sistema de monitorización del proceso para detectar chatter utilizando las señales internas disponibles del regulador. La sujeción de una pieza de trabajo en el husillo de un torno no es completamente rígida, por lo que las condiciones de contorno clásicas, como por ejemplo, viga empotrada-libre, no son suficientes. Las frecuencias naturales son generalmente más bajas que las teóricas obtenidas con las condiciones de contorno clásicas. Como el sistema varía para cada máquina y método de amarre, es necesario caracterizarlos. Para que sea industrialmente viable, se propone un método experimental basado en modelos con condiciones de contorno elásticas para identificar los parámetros del sistema. Es sistema ha sido excitado mediante un prototipo de herramienta excitadora basado en un actuador piezoeléctrico y las frecuencias naturales han sido medidas por un acelerómetro. Los parámetros del sistema para un amarre y una máquina herramienta específica han sido identificados mediante el método de model updating. Una vez identificados los parámetros del sistema, se ha obtenido la rigidez efectiva del sistema en cada posición de la pieza. En piezas esbeltas, aparecen dos modos locales cercanos debido al amarre, por lo que el chatter de pieza puede ocurrir por acoplamiento de modos además del efecto regenerativo. La estabilidad del proceso para una operación de refrentado ha sido modelada en el espacio de estado teniendo en cuenta ambos fenómenos. El análisis de los valores propios se lleva a cabo congelando los parámetros físicos del sistema en cada instante de tiempo. La estabilidad del proceso ha sido determinada para ciertas condiciones de corte. Los resultados teóricos han sido validados por medio de pruebas experimentales. Como el sistema es variante periódicamente en el tiempo debido a la rotación de la pieza, se ha propuesto un modelo de estabilidad lineal periódica en el tiempo para el mecanizado de piezas esbeltas, con el fin de definir la estabilidad del proceso para cada condición de corte. La estabilidad ha sido analizada con la teoría de Floquet y ha sido obtenido el diagrama de lóbulos de estabilidad. Finalmente, se presenta el desarrollo y validación de un sistema de monitorizado de proceso utilizando señales internas disponibles en el regulador. Se evalúa la viabilidad de diferentes señales internas para la monitorización del chatter. El sistema de monitorizado ha sido implementado en hardware genérico de prototipado rápido y el sistema de monitorización ha sido validada experimentalmente en un torno.