Inżynieria mechaniczna

Dyscyplina naukowa: Inżynieria mechaniczna

Temat: Modelowanie procesów dynamicznych startu i hamowania stołów obrabiarek CNC

Topic: Modeling of dynamic processes of the starting and braking of CNC machine tool tables

Promotor: dr hab. inż. Jerzy Józwik, prof. uczelni

Email: j.jozwik@pollub.pl

Opis

Tematyka pracy skoncentrowana jest na analizie dynamicznej i modelowaniu numerycznym procesu startu i hamowania podczas ruchu jałowego i roboczego stołu obrabiarki CNC jak również podczas zmiany kierunku ruchu w punktach nawrotnych z wykorzystaniem narzędzi sztucznej inteligencji. Wzajemna zależność pomiędzy procesami dynamicznymi, które odbywają się w układzie masowo-dyssypacyjno-sprężystym OUPN (Obrabiarka-Uchwyt-Przedmiot-Narzędzie), tworzy pewną analogię zamkniętego, wielowymiarowego układu z automatyczną regulacją, którą również można zaliczyć do cech charakterystycznych dynamiki obrabiarek CNC. Wykorzystuje się ją w celach badawczych, formalnych metod teoretycznych dla regulacji automatycznej układów OUPN. Badania wzajemnych zależności ruchów dotyczących układów OUPN leżą u podstaw oceny jakości i dokładności wytwarzania, szczególnie podczas zmiany kierunku ruchu stołu obrabiarki w punktach nawrotnych jak i również podczas samego startu i hamowania. 

W dynamicznym układzie zespołów części roboczych obrabiarki (rys. 1) zachodzą skomplikowane oraz złożone zjawiska fizyczne, które są powiązane głównie ze względnym ruchem ciał sztywnych oraz ośrodka. Ich obecność wywiera bezpośredni wpływ na dynamikę całego układu obrabiarki oraz na wynik końcowy obróbki. Oznacza to, że występujące zjawiska fizyczne mają przełożenie na dokładność obróbki, jej wydajność, niezawodność elementów roboczych oraz trwałość użytkową. Zadaniem pracy jest odpowiedź na zasadnicze pytanie, jak zmiany dynamiki obrabiarki w punktach nawrotnych stołu maszyn oraz etapy: początkowy - startu i końcowy - hamowania stołu maszyny, przełożą się na dokładność i jakość wytwarzania w układzie OUPN. Badania będą realizowane na wybranym zestawie obrabiarek sterowanych numerycznie CNC (Pionowe centrum obróbcze FC-580A, AVIA VMC 800HS, XH712G MTP Polska) z wykorzystanie kilku metod badawczych: (1) z wykorzystaniem szybko-klatkowej kamery wizyjnej z bogatym w sensie analizy specjalistycznym oprogramowaniem (analiza przemieszczeń, prędkości, przyspieszeń, filtracji sygnałów, itp.) – szybkoklatkowa kamera wizyjna Phantom Ultrahigh-Speed v1610, (2) interferometru laserowego XL 80 firmy Renishaw oraz Systemu GOM Pontos  do identyfikacji cech charakterystyk ruchowych maszyny CNC. Analizy będą prowadzane na podstawie symulacji, modelowania i prowadzonych badań eksperymentalno-weryfikacyjnych na maszynach CNC, w funkcji różnych prędkości ruchu posuwowego, zarówno podczas przemieszczenia się stołu frezarki na biegu luzem  jak i prób pracą. Kluczowym zadaniem będzie identyfikacja drgań i występowania zjawiska stick-slip. Jak pokazują badania wstępne, przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia ruchu stołu, dowodzą, że dla nauki ale przede wszystkim aspektu praktycznego wytwarzania, ma to fundamentalne znaczenie.

Słowa kluczowe: modelowanie, obrabiarki CNC, dynamika, przyspieszenie, opóźnienie

Description:

The subject of the paper is focused on the dynamic analysis and numerical modelling of the start and braking processes during the dead and work movements of a table of CNC machine tool as well as during the change of the movement direction at reversal points with the use of artificial intelligence tools. The interdependence between the dynamic processes that take place in the mass-dissipation-elastic system (Machine Tool-Holder-Workpiece-Tool) MHWT creates a certain analogy of a closed, multidimensional system with automatic regulation, which can also be included in the dynamic characteristics of CNC machine tools. It is used for research purposes, formal theoretical methods for automatic regulation of MHWT systems. Research on the interdependence of movements related to MHWT systems is the basis for assessing the quality and accuracy of manufacturing, especially during changing the movement direction of the machine table at reversing points as well as during the start and braking itself.

In the dynamical system of sets of the working parts of the machine tool (Fig. 1), complex physical phenomena occur, which are mainly related to the relative movement of the rigid bodies and the medium. Their presences have a direct impact on the dynamics of the entire machine tool system and on the final machining result. It means that the occurring physical phenomena translate into machining accuracy, its efficiency, reliability of working elements and service life. The task of the thesis is to answer the fundamental question, how the changes in the dynamics of the machine tool at the reversing points of the machine table and the following stages: initial-start and final-braking of the machine table will translate into the accuracy and quality of manufacturing in the MHWT system. The research will be carried out on a selected set of CNC machine tools (FC-580A, AVIA VMC 800HS, XH712G MTP Polska) using several research methods: (1) high-speed video camera with specialised software for analysis (displacements, velocities, accelerations, signal filtration etc.) - Phantom Ultrahigh-Speed v1610, (2) Renishaw XL 80 laser interferometer and GOM PONTOS system to identify the features of the motion characteristics of the CNC machine tool. The analyses will be carried out on the basis of simulations, modelling and experimental and verification tests on CNC machine tools, as a function of different feed motion speeds, both during the movement of the milling table in dead movement and during work trials. The key task will be to identify vibrations and stick-slip phenomena. Based on preliminary research, it has been concluded that the displacements, velocities and accelerations of the table movement have fundamental importance for science, but above all for the practical aspect of manufacturing.

Keywords: modeling, CNC machine tools, dynamics, acceleration, deceleration