Model based monitoring and control of machine tools dynamical behavior to enhance machining performance

Machine Dynamic is a great important issue in modern manufacturing, especially for machining systems, because of its direct effects on part accuracy, surface quality/integrity, tools and machine components wear/breakage and lastly on energy consumption. This dissertation presents the development of different monitoring and control tools that help coping with dynamic problems affecting machine tools and cutting processes, by means of model-based approaches. Major attention is given to process instability phenomenon (i.e. regenerative chatter) in roll grinding and the related waviness defect formation. In respect to milling, automatic process control of chatter in less addressed in grinding literature and only few works take into account the waviness explicitly in the process optimization. Technological synthetic indicators, based of frequency domain analysis, have been designed for identifying grinding chatter. The extension of the algorithms for milling case is also discussed. A new scheme for identifying surface waviness on ground cylinders is proposed. It is based on the forced response of the machine structure to force perturbations, caused by these surface marks on the grinding wheel and workpiece. The proposed on-line scheme allows identifying and quantifying existing waviness, without requiring time-consuming off-line measurements therefore matching the requirements of the process control optimizer. An adaptive control framework, based on the minimization of the waviness, has been developed and preliminary tested on a roll grinding machine, confirming the good exploitability of the approach. All the above analyses have been supported by a comprehensive time-domain grinding simulation model which has been expressly developed for that aim. It relies on a tridimensional discretization of the workpiece with a z-buffer approach and it is able to provide static and dynamic grinding force. Further minor investigations have been devoted to the study of model-based algorithms for compensating inertial vibration affects multi-axis milling centers and to the study of ultrasonic vibration assisted cutting as a way to reduce cutting forces and chatter tendency in micro-milling operations.

Il comportamento dinamico dei sistemi di lavorazione, specialmente quelli per asportazione di truciolo è un aspetto fondamentale da tenere in considerazione per la massimizzazione dell'accuratezza, della qualità e integrità superficiale dei particolari lavorati ma anche per la preservazione dei componenti macchina sottoposti ad usura e infine per la minimizzazione dei consumi energetici. In questa tesi vengono presentati diversi algoritmi di monitoraggio e controllo model-based, atti alla soluzione di problematiche relative alla dinamica delle macchine utensili e dei processi ad asportazione di truciolo quali rettifica e fresatura. In particolare, viene studiato il fenomeno di instabilità rigenerativa nel processo di rettifica. Vengono proposte alcune strategie innovative di analisi e azione. Rispetto al processo di fresatura, gli algoritmi per il controllo automatico del chatter in rettifica sono meno coperti dalla letteratura specifica di riferimento e non esistono algoritmi specifici per il controllo di questo aspetto nel processo di rettifica dei rulli di laminazione. Al fine di identificare l'insorgenza del fenomeno di instabilità rigenerativa in rettifica, si sono definiti vari indicatori tecnologici sintetici, basati sull'analisi nel dominio della frequenza. Grazie alla flessibilità dell'approccio model-based, tali algoritmi sono stati estesi anche al caso di fresatura. Viene quindi proposto un innovativo schema di identificazione indiretta dei difetti di ondulazione superficiale, generati dalle vibrazioni autoeccitate in rettifica cilindrica. Tale algoritmo model-based prende in considerazione la risposta forzata della struttura causata dalla forza di taglio pulsante che si genera quando questi difetti sono presenti sulla superficie del pezzo e dell'utensile. Questo schema di identificazione ha la peculiarità di essere utilizzabile on-line, adatto quindi all'implementazione di strategie di controllo basate sull'ondulazione. Si propone quindi un'architettura model-based per un controllo adattivo di processo per la riduzione del difetto di ondulazione superficiale. Tale sistema di controllo, implementato su hardware real-time è stato testato preliminarmente su una rettificatrice cilindrica di rulli di laminazione. Le buone performance di controllo mostrate, lo rendono uno strumento effettivamente utilizzabile a livello industriale e per questo soggetto a futuri studi di ottimizzazione. Nella loro totalità, le analisi e gli sviluppi svolti, hanno beneficiato di un modello di simulazione nel tempo del processo di rettifica, appositamente sviluppato per tale scopo. Questo modello è in grado di simulare la forza di processo statica e dinamica mediante l'utilizzo della tecnica Z-buffer che prevede la discretizzazione tridimensionale del pezzo in lavoro. In conclusione, si sono quindi portate a termine ulteriori analisi a carattere investigativo, che riguardano l'applicazione di un algoritmo model-based per la compensazione delle deformazioni inerziali nelle macchine utensili e l'applicazione della tecnica del taglio assistito da vibrazioni al fine di limitare le forze di taglio e l'insorgenza del fenomeno di instabilità nel processo di micro-fresatura.