SOLUZIONE MONO-SENSORE PER LA

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1 SOLUZIONE MONO-SENSORE PER LA RIDUZIONE DEL CHATTER IN FRESATURA 29. BI-MU Area Pianeta Giovani Progetti di ricerca e imprese: un connubio perfetto. Ing. Torta Mattia 01/10/2014

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3 3/29 Associazioni Imprese Istituzioni Università

4 4/29 MUSP: insieme per fare sistema 14 ricercatori 4 dipendenti + 1 consulente esterno Oltre 50 attività e consulenze per industrie private Fatturato 2013 circa 1 M 17 pubblicazioni scientifiche e divulgative nel 2013

5 5/29 Laboratorio MUSP Il laboratorio MUSP è parte della rete alta tecnologia dell Emilia Romagna e si colloca nella piattaforma Meccanica e materiali

6 6/29 Le linee di ricerca MUSP Concezione e sviluppo della macchina utensile del futuro..sarà progettata e supportata da moderne tecniche di simulazione e materiali innovativi..avrà un comportamento ottimale contro le vibrazioni..sarà in grado di prendere decisioni autonome per ottimizzare il processo..sarà energeticamente efficiente..dovrà lavorare materiali difficili senza particolari controindicazioni

7 7/29 Le schiume metalliche Precursore Sinterizzato Alluminio + agente schiumogeno Inserimento nell oggetto da schiumare Riscaldamento in forno L agente schiumogeno rilascia idrogeno allo stato gassoso 650 C 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 6 min 7 min 8 min 9 min

8 8/29 Simulazione e modellazione di processi 1 Pos Com [m] Exc: 5 RefPos LowPass Exc: -K- TimeConst: ms SumP KProp RefSpeed Position Speed LowPass Kv Exc: 3 CurrBefore Off 0 BandStop F4 V2 Off 0 BandStop F3 V2 ord.2 dig. bandstop CentrFreq=420 DBand=150 NBand=100 BSFreq=70 MinLogMod= BandStop F2 V2 ord.2 dig. LowPass CuttFreq=2000 Exc: Damping=0.7 2 CurrAfter LowPass F1 V2 {Exc} s s -K- [RefCurr] Goto Tag den(s) den(s) WRefCurr Visibility Vel by approx Acc by approx AxisInertia [ActVolt] derivation derivation1 WVolt 5 {Exc} -C- -K- Excitation a_curr 1 input Goto Intern/external FF velocity FeedF v_cmd Iref Vin Motor1 FF source Gain Kp= P.Ind= Force [N] PosLoop SumV kp=123.1 tn=5 f_cmd tn=0.002 P.Res=1.7 -K- Flag 2 -K- Exc: [ActVolt] [SpeedCom] f0mod=60 Vcmd force Vel Com Sum limit=425 F.Const=162 1 dmod=0.7 From1 [m/s] WSpeedCom v_act torque Force2Current V.Const=54.3 ForceExc Iact MVel [ActCurr] mass 2 From2 cont. speed controller Motor with reference model1 weightless mass [kg] cont current [RefCurr] controller motor From3 U U(E) 3 3 VelLoopFlag SpeedCom] Selector Response1 Motor -K- Velocity From4 U U(E) 4 [m/s] [EstSpeed] Selector1 Response2 pos_act vel_est [ActCurr] From5 4 [EstSpeed] Meas Position WActCurr WEstSpeed [ActPos] [m] cont. velocity derivator From6 [ActPos] model for: 840D+611D WPos

9 9/29 Criogenia Sostituzione della tradizionale emulsione lubro-refrigerante con un getto di azoto liquido (-196 C) indirizzato verso la zona di taglio Sensibile aumento della durata della vita utile degli inserti e miglioramento dell impatto ambientale della lavorazione Riduzione delle temperature di lavorazione Eliminazione degli oli da taglio e relativi costi di smaltimento e filtraggio Produzione di truciolo pulito ed asciutto Maggiore salubrità dell ambiente di lavoro

10 10/29 Monitoraggio e controllo del processo di taglio Sensori a bordo macchina Qualità superficiale Condizioni utensile Controllo vibrazioni (SSV)

11 11/29 Riduzione del consumo energetico Fasi di lavoro attive Metodi per la stima del consumo energetico durante i processi di lavorazione

12 12/29 Il laboratorio MUSP per le aziende MUSP vanta competenze d eccellenza nell ambito della ricerca industriale, del «problem solving» e del miglioramento dei sistemi produttivi e collabora con le aziende del territorio principalmente in due modi: Servizi Studi di fattibilità, analisi ad elementi finiti, analisi di processi industriali di asportazione e deformazione plastica, sensorizzazione macchine ecc. Supporto tecnico nella partecipazione a bandi di ricerca Definizione e stesura degli allegati tecnici per la partecipazione delle aziende o di reti di imprese a bandi di ricerca pubblici regionali (es. PRRIITT), nazionali (es. Cluster) ed europei (es. Horizon2020)

13 Soluzione per il controllo del fenomeno 13/29

14 14/29 Il chatter rigenerativo Effetti collaterali: Danneggiamento eccessivo cuscinetti mandrino; Usura eccessiva e sbilanciata degli inserti (scheggiature); Forte inquinamento acustico; Qualità superficiale scadente. Tagliente Superficie attuale Superficie precedente Spessore di truciolo variabile Il fenomeno nasce dall interazione tra la dinamica della macchina ed il processo di taglio. Le vibrazioni causano spessori di taglio (e quindi forze di taglio) variabili, il cui l effetto è un ulteriore contributo vibratorio. Questa retroazione può portare ad un comportamento autoeccitato.

15 15/29 Chatter - I casi tecnologici dei clienti Mandelli Scatola trasmissione per macchina agricola Tavola girevole mini escavatore Componentistica per trasformatori

16 16/29 Effetti delle vibrazioni Tipica texture superficiale da chatter rigenerativo in fresatura. LAVORAZIONE STABILE LAVORAZIONE INSTABILE

17 Strategie di soppressione delle vibrazioni 17/29

18 18/29 Strategie di soppressione delle vibrazioni Instabile Stabile

19 19/29 Strategie di soppressione delle vibrazioni Interruzione del pompaggio di energia che fluisce dal processo verso la macchina. Spindle Speed Variation (SSV) Spindle Speed Tuning (SST) Eliminazione effetto modulazione dello spessore di truciolo. Sincronizzazione della velocità di rotazione (o multipli) con la frequenza che origina l instabilità + Mantenimento feed rate teorico Lobo N

20 20/29 EPC - Concept Formalizzazione della conoscenza in un sistema intelligente in grado, monitorando il processo, di implementare strategie di controllo delle vibrazioni. Queste strategie NON si basano sulla caratterizzazione sperimentale, ma sulla conoscenza fenomenologica del fenomeno. EPC Analisi letteratura Simulazioni numeriche Validazione strategie

21 21/29 Effetti delle vibrazioni L unico sensore di misura considerato è un accelerometro triassiale montato all interno della cassa mandrino. Acceleration X [m/s 2 ] 0 0 Spindle Speed [rpm] Time [s] Frequenza di Chatter

22 22/29 Architettura concettuale del sistema CN Azioni sincrone Gestione comunicazione; Implementazione strategie; Gestione strategie; Gestione degli errori e dei parametri. Sottoprogrammi MONITOR_START... Part Program... MONITOR_STOP Strategia e Parametri SpSpeed, feed.. EPC Acquisizione e controllo: CONTROL ON SLEEP DAq Profibus, DAq Sensori; Sincronizzazione e Consolidamento dati. ENGAGEMENT STRATEGY SELECTION Calcolo indicatori; Valutazione Chatter; Azioni correttive.

23 23/29 Architettura fisica del sistema EPC Macchina utensile Sensori + Dati CN Dati Acquisizione dati Elaborazione Stima dello stato Definizione azioni correttive CN Simulazioni Knowledge Azioni sincrone kx cy ky cutter i-1 cutter i-1 track cutter i track n Ω ur ut cx φ j y Fti cutter i Fri feed x Comandi correttivi Comandi correttivi ProfiBUS network

24 24/29 Dimostrazione funzionalità EPC - Acciaio Lavorazione eseguita su acciaio C45 a Ω = 800 rpm e b = 3 mm stabilizzata con RVA = 0.15, RVF = Accelerometro X, Velocità Mandrino 1000 Acceleration X [m/s 2 ] 0 0 Spindle Speed [rpm] Time [s]

25 25/29 Dimostrazione funzionalità EPC - Acciaio Lavorazione eseguita su acciaio C45 a Ω = 800 rpm e b = 3 mm stabilizzata con RVA = 0.15, RVF = Accelerometro X, Velocità Mandrino 1000 Acceleration X [N] Azione di controllo: Start RVA = 0.05, RVF = 0.05 Stop RVA = 0.15, RVF = Spindle Speed [rpm] Time [s] -500

26 26/29 Dimostrazione funzionalità EPC - Acciaio L algoritmo riconosce eventuali «burst» vibratori e adatta i parametri di SSV in modo da minimizzare questo effetto.

27 27/29 Dimostrazione funzionalità EPC - Alluminio Lavorazione eseguita su alluminio Giantal a Ω = 2350 rpm e b = 6 mm stabilizzata con regolazione della velocità a Ω = 2012 rpm + mantenimento feed al dente. 40 Accelerometro X, Velocità Mandrino Acceleration X [m/s 2 ] Spindle Speed [rpm] Time [s]

28 28/29 Dimostrazione funzionalità EPC - Alluminio Lavorazione eseguita su alluminio Giantal a Ω = 2350 rpm e b = 6 mm stabilizzata con regolazione della velocità a Ω = 2012 rpm + mantenimento feed al dente. 50 Accelerometro X, Velocità Mandrino Azione di controllo: 2350 rpm -> 2012 rpm 4000 Acceleration X [N] Spindle Speed [rpm] Time [s]

29 Dimostrazione funzionalità EPC - Alluminio 29/29

30 GRAZIE PER L ATTENZIONE mattia.torta@musp.it info@musp.it