A new particle filter application for estimation of cutting forces and detection of regenerative instability in milling

The regenerative instability, also known as “chatter”, is a phenomenon that may arise during a milling process and it can lead to failure to achieve the minimum levels of quality and productivity. This work is based on the estimation of tooltip vibrations and cutting forces and the identification of the possible onset of the aforementioned instability. The considered system is based both on the machine dynamic and the cutting process. Regenerative instability is a process which may arise from the response of the machine to particular cutting conditions, when chip thickness modulation increases up to the point in which the cutting edges detach from the workpiece. The study is performed relying on the particle filter, which is a state observer based on Monte Carlo method and allows to deal with non-linear time delay differential equations, typical of the analysed phenomenon. The implemented observer will be tested with two different type of plant simulation and in real cutting conditions.

L’instabilità rigenerativa, anche nota come “chatter”, è un fenomeno che può svilupparsi durante un processo di taglio e che può portare al mancato raggiungimento degli obiettivi minimi di qualità e produttività. Questo lavoro si basa sulla stima, attraverso un osservatore di stato, delle vibrazioni in punta utensile e delle forze di taglio e sull’individuazione della possibile insorgenza della suddetta instabilità. Il sistema considerato si basa sia sulla dinamica della macchina che sul processo di taglio. L’instabilità rigenerativa è infatti un fenomeno che si origina dalla risposta della macchina a particolari condizioni di lavorazione, quando la modulazione sullo spessore del truciolo cresce fino al punto in cui il tagliente entra ed esce ripetutamente dal materiale. Lo studio è stato svolto affidandosi al particle filter, un osservatore basato sul metodo di Monte Carlo che permette di trattare equazioni differenziali non lineari e con ritardo, tipiche del fenomeno preso in esame. L'osservatore verrà valutato con due differenti simulazioni della dinamica della macchina e in vere condizioni di taglio.