Guidenlines definition for the calibration of indirect cutting force estimation system for milling applications

Although the milling process monitoring technology has been well consolidated in recent years, the reliability of decision-making process through monitoring systems still represents a significant challenge. Keeping the cutting forces exerted on the tool tip under control increase the tool service life and avoids premature breakage, thus reducing costs and production time. Nowadays, there are various measuring instruments that allow to estimate in real time the forces during the machining process, but some of these, as the dynamometer, have severe industrial limitations, while others may require very onerous investments. The goal of this work is to propose and validate an approach able to estimate in real time the machine tools cutting forces during a milling operation through a SIFS (Spindle Integrated Force Sensors) system. In this thesis, a Kalman filter observer has been developed based on the real system dynamic behaviour identified through an experimental modal analysis (EMA). The state observer has been tested and designed on a machinining centre during milling tests and relies on piezoelectric sensors that can be easily integrated into a commercial electrospindle. The algorithm developed in this work is able to perform an optimal and automatic calibration of the filter which guarantees a good force estimation as the spindle speed varies, without preliminary cutting operations.

Sebbene la tecnologia di monitoraggio del processo di fresatura sia stata ben consolidata negli ultimi anni, l' affidabilità del processo decisionale attraverso i sistemi di monitoraggio rappresenta ancora una sfida significativa. Mantenere sotto controllo le forze di taglio esercitate sulla punta dell' utensile aumenta la durata di vita dell' utensile ed evita rotture premature, riducendo così i costi e i tempi di produzione. Al giorno d' oggi esistono diversi strumenti di misura che permettono di stimare in tempo reale le forze durante il processo di lavorazione, ma alcuni di questi, come il dinamometro, hanno forti limitazioni industriali, mentre altri possono richiedere investimenti molto onerosi. L' obiettivo di questo lavoro è quello di proporre e convalidare un approccio in grado di stimare in tempo reale le forze di taglio delle macchine utensili durante un' operazione di fresatura attraverso un sistema SIFS (Sensori di Forza Integrata Mandrino). In questa tesi, è stato sviluppato un osservatore filtro Kalman basato sul comportamento dinamico del sistema reale identificato attraverso un' analisi modale sperimentale (EMA). L' osservatore di stato è stato testato e progettato su un centro di lavorazione durante le prove di fresatura e si affida a sensori piezoelettrici che possono essere facilmente integrati in un elettromandrino commerciale. L' algoritmo sviluppato in questo lavoro è in grado di eseguire una calibrazione ottimale ed automatica del filtro che garantisce una buona stima della forza al variare della velocità del mandrino, senza operazioni di pretaglio.