univerza v mariboru, fakulteta za strojništvo, smetanova 17, 2000 maribor,

Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Smetanova 17, 2000 Maribor,

Laboratorij za Mehatroniko

E-mail: [email protected]

Uroš ŽUPERL,

Edi KIKER

Maribor, april 2005

ADAPTIVNO VODENJE PROCESA OBLIKOVNEGA FREZANJA

Z UPORABO NEVRONSKIH MREŽ

VSEBINA PREDSTAVITVEFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO

LABORATORIJ ZA LABORATORIJ ZA MEHATRONIKOMEHATRONIKO

1

2

3

4

5

7

6

ZGRADBA, PRINCIP DELOVANJA IN UPORABNOST SISTEMA ZA ADAPTIVNO VODENJE PROCESA FREZANJA

UVOD-problematika optimiranja

USMERJENA NEVRONSKA KRMILNA SHEMA (UNKS)

EKSPERIMENTALNA OPREMA

REZULTATI EKSPERIMENTOV

ZAKLJUČEK

SIMULATOR CNC-FREZANJA

–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

•PREDSTAVITEV >>

–VODENJE

UVOD-problematika optimiranja

Glavna slabost modernih obdelovalnih CNC sistemov je :

• rezalni parametri se še vedno določajo posredno (v off-line načinu)

• proces optimiranja ločen od procesa odrezavanja. • Njihova izbira pa povsem zavisi od izkušenj in znanja programerja oz.

od natančnosti softvera, ki ga uporablja. • Da ne pride do poškodb orodja, obdelovanca ali stroja, so parametri

ponavadi izbrani ekstremno konzervativno.

• Rezultat -moderni CNC stroji so neučinkoviti in delujejo pri rezalnih pogojih, ki so daleč od optimalnih

• Rešitev -rezalne pogoje je potrebno popravljati med samim procesom obdelave

–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD >>

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

FAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


REŠITEV

• sistem za adaptivno nastavljanje rezalnih pogojev med

procesom oblikovnega frezanja

• sistem vodenja, ki z digitalno adaptacijo rezalnih parametrov:

– nadzoruje rezalno silo in

– ohranja konstantno hrapavost obdelane površine.

• proces optimiranja teče sočasno s procesom obdelave!



–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

PRINCIP DELOVANJA SISTEMA

POSREDNO

(OFF-LINE) OPTIMIRANJE

ON-LINE NASTAVLJANJE

REZALNIH POGOJEV

CILJ-KONSTANTEN PRESEK ODREZKA-(KONSTANTNO REZALNO SILO) NA ORODJU!

Daljši čas obdelave!

–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE



SISTEM ZA ADAPTIVNO VODENJE PROCESA FREZANJA

POSREDNO (OFF-LINE) OPTIMIRANJE

Pro ENGINEER

PRIPOROČENI REZ. POGOJI

NC

Algoritem zaobdelavo zajetih

rezalnih sil

Optimizacijskimodul(UNKS)

Ra ref

Fx,F y,Fz

CNC krmiljeFAGOR 8040-M

RS-232 Vzpostvitevkomunikacije

s CNCproces frezanja

Dinamometer

F ref

ON-LINE NASTAVLJANJE REZ. POGOJEV

Sistem vodenja

(regulator)

Program za izbiro priporočenih rezalnih

pogojev



–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

Program za izbiro priporočenih rezalnih pogojevFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

MOTNJE• obraba orodja• temp. sprememb. na orodju• nehomogenost osn. mat.• drdranje, vibracije

Pro ENGINEER

ON-LINE NASTAVLJANJE REZ. POGOJEV

PRIPOROČENI REZ. POGOJI

NC


rezalnih sil

Optimizacijskimodul(UNKS)

Ra ref

Fx,F y,Fz

CNC krmiljeFAGOR 8040-M

RS-232 Vzpostvitevkomunikacije

s CNCproces frezanja

Dinamometer

F ref

CILJI• stroj maks. izkoriščen• MRR-maksimalna• konstantna rezalna sila.

Sistem vodenja

(regulator)

PODATKI ORODJA

RS-232Fref

Raref

POSREDNO (OFF-LINE) OPTIMIRANJE

Program za izbiro priporočenih rezalnih

pogojev

SISTEM ZA ADAPTIVNO VODENJE PROCESA FREZANJAFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

UPORABNOST SISTEMA

Končni izdelek

Korigirano podajanje

Pred-programirano podajanje

Varovanje orodja

Varovanje orodja

Podajanje

Višek materiala

Smer podajanja

Manjši obdelovalni stroški

(NC-program)

-- -

+ +



–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

UPORABNOST SISTEMA-GLOBOKO VRTANJE

Varovanje orodja

Podajanje

Vključek povečanje trdote

Pomik

Klasično vrtanje

Adaptivno vrtanje

Smer vrtanja



–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

UPORABNOST SISTEMA-STRUŽENJE

Varovanje orodja

Višek materiala

Podajanje

Varovanje orodja



–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

UNKS - Sistem vodenja

+

Fm

Prim arn i regulatornevronska m reža

NM -R

Procesfrezanja

F re f

Identifikac ijsk i m odel 1

Referenčniblok

2-nivojsk iperceptron

NM -2

2-nivojsk iperceptron

NM -1

Fm

+ -

+ -

+ -

+

+

f

F re f

f*

f* f

Fm*

FmFm*

Identifikac ijsk i m odel 2

Prim arna reg. zanka

f

N astavljan je uteži

F re f

1. del

2. del

3. del



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE >>

SIMULATOR CNC-FREZANJA


rezalnih sil

Adaptivnisistem

vodenja

Fm

Fx,Fy,Fz

CNC-krmiljeFAGOR8040-M

ProcesCNC-frezanja

DinamometerKistler 9255

F ref

Posrednioptim izacijski

algoritem

f

ANfis-m odeli

Priporočeni rez. pogoji

O ff-line

Simulacijski modelCNC-frezanja

O n-line nastavljanje rezalnih param etrov

f



–SIMULATOR >>

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

SIMULACIJSKI MODEL CNC-FREZANJA

s

1

Časovni zamikperiode zoba

Simulacijaodrezavanja

+-

+-

+-

0.00002

0.00002

+-

M aks

Rezalne sile

Fx

Fy

Dinamika podajalnegaservo-sistema

Pozicijadelovne m ize

Podajanjem m /zob

Korekcija po X-osi

Korekcija poY-osi

Zahtevanopodajanje


1s064.0s001024.0

12

Korekcijski model



–SIMULATOR >>

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

Xm(t)

Podajanje

Fx(t)

Xm(t)

Podajanje

SIMULACIJSKI MODEL CNC-FREZANJA

s

1


Simulacijaodrezavanja

+-

+-

+-

0.00002

0.00002

+-

M aks

Rezalne sile

Fx

Fy

Dinamika podajalnegaservo-sistema

Pozicijadelovne m ize

Podajanjem m /zob

Korekcija po X-osi

Korekcija poY-osi

Zahtevanopodajanje


1s064.0s001024.0

12

Korekcijski model



–SIMULATOR >>

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

NADZORNO-UPRAVLJALNA PLOŠČA SISTEMAFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL. >

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

Orodje


DATA AQUISITIONDATA AQUISITION

Kartica PC-MIO-16E-4

A/D pretvornik

Krmilje

FAGOR 8040-M

Nabojni

ojačevalec

Dinamometer

Kistler 9255

KRMILNI SOFTVER

RS-232

Obdelovanci

PC

Heller BEA 1

• krogelno oblikovno frezalo; R216-16B20-040, CM-D20-A-C20

• stebelno karbidno frezalo EC120A25-4C12



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA >

–VODENJE


LABORATORIJ ZA LABORATORIJ ZA ODREZAVANJEODREZAVANJE


–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA >

–VODENJE

CNC-KRMILJEFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA >

–VODENJE

IZVEDENI EKSPERIMENTI

XZ

Y

1. Frezanje sinusnega utora 2. Stopničasti obdelovanec

3. Prizmatični obdelovanec

4. Kotna obdelava

Profil B



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA >

–VODENJE

REZULTATI - EKSPERIMENT-1

Rezultirajoča rezalna sila

Skupno podajanje

Čas [s]

Pod

ajan

je [m

m/s

]F

[kN

]

0 5 10 15 20 25

0 5 10 15 20 25

3

6

9

12

15

0.5

1

1.5

2

2.5

FrefFref = 650 N



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI >>

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

REZULTATI - EKSPERIMENT-2

Rezultirajoča rezalna sila

Pop

rave

k po

daja

nja

[%]

Pod

ajan

je [m

m/s

]

150 30

Čas [s]45 60

1500 30

Skupno podajanje45 60

1.5

0.5F [k

N]

300 15

DNCFro

45 60

1

75 90 115

75 90 115

75 90 115

Fref

100

120

105

110

115

10

7.5

5

12.5

2.5

Fref = 650 N

On-line



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI >>

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

EKSPERIMENT-3 PRIZMATIČNI OBDELOVANEC

Smer frezanja

Frezanje z adaptivnim sistemom

Klasično frezanje



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI >>

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

0

2.5

5

7.5

0 25 50 75 100 125 150

0

2.5

5

7.5

0 25 50 75 100 125 150

0

100

200

300

0 25 50 75 100 125 150

b)a)

R ez. s ila [N ]

M R R[m m 3/m in ]

*10 4

0

100

200

300

0 25 50 75 100 125 150

0.00

0.08

0.16

0.24

0 25 50 75 100 125 150

P oda jan je[m m /zob ]

A B C D

čas [s ] čas [s ]

15 30 45 60 75 90

15 30 45 60 75 90

0.00

0.08

0.16

0.24

0 25 50 75 100 125 150

A B C D

15 30 45 60 75 90

REZULTATI - PRIZMATIČNI OBDELOVANEC

Klasično frezanje

On-line nastavljanje podajanja

40% večja učinkovitost

Potek MRR, rezult. rezalne sile in podajanja pri: a) klasičnem frezanju; b) on-line adaptaciji podajanja

Pod

ajan

je [

mm

/zob

] R

ez.

sila

[N

] M

RR

*10

[cm

3 /m

in]

Fref = 250 N



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI >>

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

REZULTATI IN UGOTOVITVE

• eksp. rezultati se ujemajo s simulacijami (maks. napaka 8%),

• sistem je stabilen,

• signali maksimalnih rezalnih sil so v korelaciji z Ra,

• učinkovitost procesa se poveča za 30-40%,

• maksimalno odstopanje vodene rezalne sile od referenčne je 4.9%,

• sistem je najbolj učinkovit pri kopirnem frezanju, kjer hrapavost ne

preseže 1.1 m



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI >>

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

• Na osnovi obsežnih testiranj ugotovimo, da je prikazan sistem vodenja

zelo primeren za regulacijo rezalne sile

S sistemom dosežemo:

• večjo izdelovalno natančnost,

• produktivnost, fleksibilnost in stroškovno ugodno proizvodnjo,

• krajši obdelovalni časi,

• preprečimo poškodbe orodja,

• avtomatiziramo proces,

• razbremenitev programerja in operaterja stroja,

• vodenje procesa preko Interneta.

PREDNOSTI SISTEMAFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI >>

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

• Predstavljen je sistem za on-line nastavljanje rezalnih parametrov:

• Sistem zagotavlja:

– nadzor rezalne sile in ohranjanje konstantne hrapavosti

obdelane površine med frezanjem,

– prepreči prekomerno obraba orodja,

– namenjen je predvsem nadgrajevanju obstoječih NC strojev,

• Prikazana je uporaba UNM in mehke logike pri modeliranju,

optimiranju in adaptivnemu vodenju procesa frezanja.

ZAKLJUČEKFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

HVALA ZA POZORNOST

PREDNOSTI UNKS

• shemo je moč realizirati brez poznavanja eksplicitnega algoritma

vodenja,

• za učenje potrebuje malo predhodnega znanja,

• ima sposobnost generaliziranja,

• stabilno vodenje doseže z učenjem.



–SIMULATOR

•SISTEM

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE >>

POSTOPEK IZDELAVE SISTEMA

• razviti programsko opremo za zajemanje rezalnih sil,

• izdelati softver za izbiro priporočenih rezalnih parametrov,

• izbrati ustrezen sistem vodenja (regulator UNKS),

• izdelati simulacijski model CNC frezanja,

• s simulacijami uglasiti parametre regulatorja ter analizirati njegovo

stabilnost,

• vzpostaviti komunikacijo s CNC krmiljem,

• eksperimentalno testirati sistem na stroju Heller BEA 1.



–SIMULATOR

•SISTEM >>

•UVOD

–NADZORNA PL.

•REZULTATI

•ZAKLJUČEK

–EKSP. OPREMA

–VODENJE

NEVRONSKI MODEL REZALNIH SILFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


Simulator dinamike odrezavanja

–UNKS

–ANfis SISTEM

•SISTEM

•VSEBINA IN CILJI

–SIMULATOR >>

•REZULTATI

•SKLEPI

–DARP

•PREDSTAVITEV

fz

[mm/zob]

t

0.05

0.2

0.3

0.350.38

0.390.40.395

Fx [N]

t

Ttp

Ttp

Povečanje obremenitve zoba frezala

Dejanskopodajanje

Zahtevanopodajanje

MODEL PODAJALNEGA SERVO-SISTEMAFAKULTETA ZA FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOSTROJNIŠTVO


• Dinamika podajalnega servo-sistema:

1s064.0s001024.0

12

Odziv servo-sistema na skočno spremembo podajanja (od 9.5 na 21 mm/s)

–VODENJE

–ANfis SISTEM

•SISTEM

•OPTIMIRANJE

–SIMULATOR >>

•REZULTATI

•SKLEPI

–NADZORNA PL.

•PREDSTAVITEV

univerza v mariboru, fakulteta za strojništvo, smetanova 17, 2000 maribor,

Documents