1 XVII Warsztaty Projektowania Mechatronicznego Kraków, 01 – 02 czerwca 2017 TECHNIKA WIRTUALNEGO PROTOTYPOWANIA WSPOMAGANEGO EKSPERYMENTEM W ZASTOSOWANIU DO POSZUKIWANIA OPTYMALNEJ PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ PODCZAS FREZOWANIA PRZEDMIOTÓW WIELKOGABARYTOWYCH 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 Zwiększanie prędkości skrawania Metody redukcji drgań związane z oddziaływaniem poprzez prędkość obrotową Zwiększanie prędkości skrawania Regulacja prędkości obrotowej wrzeciona z dopasowaniem do częstotliwości drgań własnych układu Dopasowanie prędkości obrotowej wrzeciona do optymalnego kąta przesunięcia fazowego w kolejnych przejściach narzędzia Sterowanie pulsacją prędkości obrotowej wrzeciona Sterowanie optymalne prędkością obrotową wrzeciona Sterowanie programowe prędkością obrotową wrzeciona Rezultaty nie zawsze zadowalające

7 Optymalna prędkość obrotowa wrzecionaOkreślenie optymalnej prędkości obrotowej wrzeciona – Prędkość optymalna – prędkość, 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 prędkość optymalną dla każdego punktu przedmiotu

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

9 Techniki projektowania mechatronicznegoUzasadnienie: podstawowa mapa optymalnych prędkości obrotowych nie spełnia wymagań 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 optymalnej prędkości obrotowej wrzeciona oraz techniki WPWE.

16 Przykład. Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w Tucholi8 × 5 9 12 × 11 × 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 Przykład. Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiMacierz współczynników MAC                     Ocena zgodności częstotliwości drgań własnych p-LSCFD - Model obliczeniowy MEDINA + PERMAS

20 Przykład. Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiWspółczynniki sztywności podpór: 1-3 [N/mm], 4-6 [N mm]. Obróbka zgrubna 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

21 Przykład. Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiWspółczynniki sztywności podpór: 1-3 [N/mm], 4-6 [N mm]. Obróbka dokładna 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. Obróbka zgrubna Zespół narzędziowy T13, głowica frezowa SECO Z6 63 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 prędkości obrotowej wrzeciona dla zidentyfikowanych współczynników sztywności zamocowania przedmiotu obrabianego

23 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Głębokość skrawania ap = 2,25 mm

24 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Głębokość skrawania ap = 2,25 mm minimalne „przesterowanie”

25 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Głębokość skrawania ap = 0,2 mm

26 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego Głębokość skrawania ap = 0,2 mm minimalne „przesterowanie”

27 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. Obróbka dokładna Zespół narzędziowy T13, głowica frezowa Sandvik Z5 63 Głębokość skrawania ap = 0,03 mm Liczba ostrzy głowicy frezowej z = 5 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 prędkości obrotowej wrzeciona dla zidentyfikowanych współczynników sztywności zamocowania przedmiotu obrabianego

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

29 Przedmiot testowy 440424 PHS HYDROTOR w TucholiPrzedmiot testowy PHS HYDROTOR w Tucholi. Symulacje modelu hybrydowego nopt dla wszystkich ap

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

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

32 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 prędkość obrotowa wrzeciona 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

33 Perspektywy zastosowań przemysłowych Badania klasyczne („pracą”)Czas obróbki: 60” Czas ustawienia prędkości obrotowej n i prędkości posuwu vf: 180” Łączny czas zabiegu obróbkowego: 240” Liczba realizacji: 20 Łączny czas badań: 1 h 20’, 2 -krotnie dłuższy Ponadto, badania „pracą” wymagają poniesienia kosztów zużytego przedmiotu obrabianego !!!