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

Resumen

Es muy común encontrar chatter cuando se mecanizan piezas delgadas en un torno, debido a la baja rigidez y amortiguación del sistema. La precisión de mecanizado suele ser muy baja debido a la gran variación de rigidez a lo largo de la longitud 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 (1) modelos para determinar las condiciones de corte sin vibraciones en el mecanizado de piezas esbeltas y (11) un sistema de monitorización del proceso para detectar vibraciones 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 y varían con cada máquina herramienta y método de sujeción. Además, en piezas de trabajo esbeltas, normalmente aparecen dos modos cercanos debido a la amarre. Por esta razón, se desarrolla un modelo con condiciones de contorno elástico. Con el fin de identificar experimentalmente los parámetros del sistema de la máquina herramienta, se desarrolla un prototipo de herramienta de excitación basado en un actuador piezoeléctrico para excitar el sistema. Los modos y los parámetros del sistema para una sujeción y una máquina herramienta específica han sido identificados mediante el método de \\textit{modal updating}. A continuación, se ha propuesto un modelo de mecanizado dinámico y se ha simulado una operación de torneado sin contrapunto con los parámetros identificados experimentalmente. Se ha obtenido el comportamiento del sistema y su estabilidad, así como la rigidez efectiva del sistema en cada posición de la herramienta en la pieza. Despues, la estabilidad del proceso para una operación de refrentado ha sido modelado en el espacio de estado y se ha llevado cabo un análisis de valores propios. Como el sistema tiene dos modos cercanos, el chatter de pieza puede ocurrir por acoplamiento de modos, además del efecto regenerativo. Mediante el modelo se determina la estabilidad del proceso para ciertas condiciones de corte. Los resultados teóricos son validados por pruebas experimentales. Para definir la estabilidad del proceso para cada condición de corte, se ha obtenido el diagrama de lóbulos de estabilidad. Para ello, se ha desarrollado un modelo de estabilidad lineal periódico en el tiempo para piezas delgadas y su estabilidad es analizada mediante la teoría de Floquet. El modelo tiene en cuenta tanto el acoplamiento modal como el efecto regenerativo. Finalmente, se presenta el desarrollo y validación de un sistema de monitorización de proceso utilizando señales internas disponibles en el regulador. Se evalúa la viabilidad de diferentes señales internas para la monitorización del chatter. Se ha implementado un sistema de monitorización basado en señales internas en un hardware genérico de prototipado rápido y el sistema de monitorización ha sido validada experimentalmente en un torno.