1 XVII Warsztaty Projektowania Mechatronicznego Kraków, 01 – 02 czerwca 2017 OPTYMALIZACJA SZTYWNOŚCI ZAMOCOWANIA PODCZAS FREZOWANIA PRZEDMIOTÓW WIELKOGABARYTOWYCH Z WYKORZYSTANIEM WIRTUALNEGO PROTOTYPOWANIA WSPOMAGANEGO EKSPERYMENTEM Krzysztof J. KALIŃSKI, Marek GALEWSKI, Michał MAZUR, Natalia MORAWSKA

2 Przykłady systemów obróbki wielkogabarytowej Obrabiarki w EPG w Gdyni5-osiowe karuzelowe centrum tokarsko frezarskie FKD 80/60 Y CNC 5-osiowe płytowe centrum frezarsko-wytaczarskie FLF 16 CNC

3 Przykłady systemów obróbki wielkogabarytowejGAFAKO Gdynia IN-BUL Sierakowice Centrum frezarsko wytaczarskie Centrum frezarsko wytaczarskie SKODA

4 Przykłady systemów obróbki wielkogabarytowejCentrum Obróbki Elementów Wielkogabarytowych (COEW), P.H.S. HYDROTOR S.A.: – dwa portalowe centra MIKROMAT 20V, umiejscowione w hali klimatyzowanej. Przeznaczenie: wysoko precyzyjna obróbka elementów wielkogabarytowych w jednym zamocowaniu; – współrzędnościowa maszyna pomiarowa ZEISS MMZG 30/60/20. Przeznaczenie: pomiar dużych korpusów, wałków, kół zębatych, które wymagają użycia precyzyjnych układów pomiarowych. – system CAD/CAM NX 7 Siemens.

5 Aktualne badania Realizacja PROJEKTU TANGO1/266350/NCBR/2015 „Zastosowanie wybranych rozwiązań mechatronicznych do nadzorowania procesu skrawania przedmiotów wielkogabarytowych na wieloosiowych centrach obróbkowych”

6 Założenie: niezmienna prędkość obrotowa wrzecionaMetoda redukcji drgań Założenie: niezmienna prędkość obrotowa wrzeciona Dopasowanie sztywności zamocowania przedmiotu obrabianego do optymalnego kąta przesunięcia fazowego w kolejnych przejściach narzędzia

7 Optymalna sztywność zamocowania przedmiotuOkreślenie optymalnej sztywności zamocowania przedmiotu – Sztywność optymalna – sztywność, przy której poziom drgań przedmiotu obrabianego jest najmniejszy Na częstotliwość i amplitudę drgań mają wpływ własności dynamiczne przedmiotu obrabianego W różnych obszarach przedmiotu mogą dominować inne postacie drgań Konieczne jest określenie „mapy” opisującej współczynniki sztywności dla każdego punktu przedmiotu

8 Optymalna sztywność zamocowania przedmiotuZałożenie. W widmie amplitudowym drgań przedmiotu występuje jedna dominująca częstotliwość drgań własnych Minimalizacja pracy sił skrawania na kierunku grubości warstwy skrawanej – przekształcony warunek Liao-Younga (1996) fα – poszukiwana częstotliwość drgań własnych przedmiotu obrabianego [Hz], no – niezmienna prędkość obrotowa wrzeciona [obr/min], z – liczba ostrzy narzędzia W przypadku obróbki przedmiotów wielkogabarytowych jest to jedynie pierwsze przybliżenie Optymalnej sztywności zamocowania należy poszukiwać w warunkach dynamicznych

9 Techniki projektowania mechatronicznegoUzasadnienie: sztywność zamocowania przedmiotu obrabianego wymaga modyfikacji 1. Wirtualne Prototypowanie (WP) 2. Wirtualne Prototypowanie Wspomagane Eksperymentem (WPWE) 3. Realizacja w Systemie Docelowym (RSD)

10 Dynamika skrawania głowicą frezowąNarzędzie wirujące z prędkością obrotową n Chwilowy punkt styku ostrza z przedmiotem obrabianym ES nr l Prędkość posuwu vf Główna i poprzeczna siła skrawania w płaszczyźnie ortogonalnej

11 Dynamika skrawania głowicą frezowąDynamiczny opór skrawania powierzchniowy właściwy Zmienna w czasie głębokość skrawania Zmienna w czasie grubość warstwy skrawanej Współczynniki siły skrawania

12 Modelowanie hybrydowepodukład strukturalny Modelowanie hybrydowe Równanie dynamiki niestacjonarnego modelu procesu skrawania we współrzędnych hybrydowych podukład modalny

13 Wirtualne Prototypowanie Wspomagane Eksperymentem

14 Wyznaczanie Parametrów Podukładu ModalnegoSTART Dyskretny model obiektu Obiekt rzeczywisty Teoretyczna analiza modalna Wyznaczenie: , , Eksperymentalna analiza modalna Identyfikacja: , , Ocena zgodności Negatywna Pozytywna STOP

15 Wirtualne Prototypowanie Wspomagane EksperymentemPodstawa analizy. Ocena symulowanych drgań przedmiotu obrabianego na podstawie: wartości RMS przemieszczeń w dziedzinie czasu wartości dominujących „szczytów” w widmie amplitudowym Potwierdzenie skuteczności nadzorowania drgań narzędzie-przedmiot obrabiany w procesie obróbki przedmiotów testowych dla danych procesowych, z wykorzystaniem optymalizacji sztywności zamocowania przedmiotu oraz techniki WPWE.

16 Przykład. Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w Tucholi8 × 5 9 11 × 12 × 3 1

17 Przykład. Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w Tucholi7 6 10 1 4

18 Przykład. Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w Tucholi

19 Wartości współczynników MACPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Identyfikacja modelu modalnego Wartości współczynników MAC

20 Model obliczeniowy MEDINA + PERMASPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Identyfikacja modelu modalnego Macierz współczynników MAC 0,96 0,05 0,08 0,01 0,09 0,98 0,24 0,03 0,18 0,95 0,2 0,13 0,94 0,06 0,87 Ocena zgodności częstotliwości drgań własnych p-LSCFD 185,0 211,3 242,4 - 435,7 585,0 631,2 Model obliczeniowy MEDINA + PERMAS 184,6 211,4 242,2 295,5 434,3 434,4 571,5 630,2 710,5 729,5

21 Współczynniki sztywności podpór: 1-3 [N/mm], 4-6 [N mm]Przedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Identyfikacja modelu modalnego Współczynniki sztywności podpór: 1-3 [N/mm], 4-6 [N mm] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

22 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Frezowanie czołowe prowadnicy 2. Drgania względne w umownym punkcie styku narzędzia z przedmiotem S w kierunku normalnym do powierzchni obrabianej Zespół narzędziowy T13, głowica frezowa SECO Z6 63 Głębokość skrawania ap = 1 mm Liczba ostrzy głowicy frezowej z = 6 Średnica podziałowa głowicy D= 63 mm Prędkość obrotowa n = 1112 obr/min Prędkość posuwu vf = 1112 m/min Długość prowadnicy ld = 956 mm Problem: Poszukiwanie optymalnej kombinacji zamocowania przedmiotu obrabianego poprzez usuwanie niektórych podpór

23 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego

24 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego

25 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Symulacja 13 – usunięte podpory 3, 4, 5, 6 konfiguracja skrajnie niekorzystna

26 Symulacja 2 – usunięta podpora 1 konfiguracja optymalnaPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Symulacja 2 – usunięta podpora 1 konfiguracja optymalna

27 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego

28 Symulacja 6 – usunięta podpora 4 konfiguracja optymalnaPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Symulacja 6 – usunięta podpora 4 konfiguracja optymalna

29 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Symulacja 10 – usunięte podpory 5, 6 konfiguracja skrajnie niekorzystna

30 Perspektywy zastosowań przemysłowych Uproszczona procedura B+ROpis czynności Czas realizacji Uwagi Badania modalne przedmiotu na obrabiarce, ograniczone do powierzchni obrabianych. Rezultat: parametry modelu modalnego m Zm m ok. 1 h ok. 0,5 h. po automatyzacji Eliminacja elementów czasochłonnych: - tworzenie modelu MES podukładu modalnego, - ocena zgodności (walidacja) Symulacja niestacjonarnego modelu hybrydowego procesu obróbkowego Rezultat: optymalna kombinacja współczynników sztywności zamocowania przedmiotu ok. 62” (generic – wersja uniwersalna) ok. 50” (native) Oprogramowanie autorskie: - MSYS2 MinGW 64-bit (Fortran) - MATLAB R2015a RAZEM: ok. 50’ 40” (generic) ok. 46’ 40” (native) 20 symulacji

31 Perspektywy zastosowań przemysłowych Badania klasyczne („pracą”)Czas obróbki: 60” Czas zmiany kombinacji elementów mocujących: 300” Łączny czas zabiegu obróbkowego: 360” Liczba realizacji: 20 Łączny czas badań: 2 h, 2,5 -krotnie dłuższy Ponadto, badania „pracą” wymagają poniesienia kosztów zużytego przedmiotu obrabianego !!!