Obróbka Skrawaniem 10 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania

1. Obróbka Skrawaniem -podstawy, dynamika, diagnostyka 10. Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania

2. Plan wykładu Obróbka skrawaniem • Wstęp • Pojęcia podstawowe • Geometria ostrza • Materiały narzędziowe • Proces tworzenia wióra • Siły skrawania • Dynamika procesu skrawania • Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia • Zużycie i trwałość ostrza • Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Skrawalność • Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym strony 276-335 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania

3. 10 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania Wprowadzenie do DNiPS • Wprowadzenie do DNiPS • Wielkości fizyczne wykorzystywane w DNiPS • Czujniki stosowane w DNiPS • czujniki sił i wielkości pochodnych • czujniki emisji akustycznej i drgań • Przetwarzanie sygnałów w DNiPS • wstępna obróbka sygnałów • wyznaczanie miar sygnałów w dziedzinie czasu • miary sygnałów w dziedzinie częstotliwości i czasu-częstotliwości • selekcja miar sygnałów • Integracja miar, podejmowanie decyzji – diagnostyka naturalnego zużycia ostrza • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o jedną miarę sygnału • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o integrację miar sygnałów • Wykrywanie katastroficznego stępienia ostrza

4. Potrzeba automatycznej diagnostyki Teoretyczny czas pracy 100% druga zmiana 22% soboty, niedziele, święta 34% trzecia zmiana 22% 5.3% ustawienia i obsługa przestoje z przyczyn ludzkich i technicznych 6.7 Rzeczywisty czas pracy 10% 75% odzyskane dzięki diagnostyce druga zmiana 15% 20% automatyczna obróbka w soboty, niedziele i święta trzecia zmiana 15% 65% Rzeczywisty czas pracy z automatyczną diagnostyką

5. Zadnia układów DNiPS • Diagnostyka procesu obróbki • diagnozowanie stanu narzędzi skrawających: • wykrywanie katastroficznego stępienia ostrza (KSO) – wykruszenia, wyłamania • diagnostyka zużycia ostrza (wykrywanie końca okresu trwałości), • wykrywanie brakującego narzędzia • diagnostyka postaci wióra, i jego usuwania • diagnostyka przedmiotu • dokładność wymiarowo-kształtowa, • stan warstwy wierzchniej, uszkodzenia termiczne • powstawania zadziorów, • wykrywanie śladów drgań samowzbudnych • wykrywanie drgań samowzbudnych • Diagnostyka stanu obrabiarki • wykrywanie kolizji i przeciążeń • wykrywanie zużycia, awarii • …

6. Kolizja 72% zawinione przez człowieka! Kolizja to niepożądane zderzenie zespołów obrabiarki, narzędzia lub przedmiotu spowodowanych ich wzajemnymi przemieszczeniami

7. Kolizja Powody uszkodzenia wrzeciona obrabiarki: inne smarowanie kolizja wycieki zużycie H. Cao et al. Int.J. of Machi.Tools&Manuf. 112 (2017) 21–52

8. Koszt kolizji

9. Zakres zastosowańDNiPS

10. Struktura logiczna układu nadzoru narzędzia i PS NADZÓR AKCJA ! strefa skrawania wielkości fizyczne DIAGNOSTYKA rozkaz czujniki przetwarzanie sygnałów filtry, statystyka, FFT, RMS,... miary sygnałów sygnały integracja miar, diagnoza MONITOROWANIE

11. Struktura sprzętowa układu DNiPS układy wstępnego przygotowania sygnału czujniki Układy DNIPS Wirtualne układy DNIPS Czujnik sił skrawania KISTLER 9017C CNC Charge Amplifier - KISTLER 5073A311 Piezotron® coupler 5108A. Czujnik drgań KISTLER 8763B050AB Montronix NORDMANN AE Piezotroncoupler 5125B2 Czujnik emisji akustycznej KISTLER 8152C00505 ADONIS

12. 10 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania Wielkości fizyczne wykorzystywane w DNiPS • Wprowadzenie do DNiPS • Wielkości fizyczne wykorzystywane w DNiPS • Czujniki stosowane w DNiPS • czujniki sił i wielkości pochodnych • czujniki emisji akustycznej i drgań • Przetwarzanie sygnałów w DNiPS • wstępna obróbka sygnałów • wyznaczanie miar sygnałów w dziedzinie czasu • miary sygnałów w dziedzinie częstotliwości i czasu-częstotliwości • selekcja miar sygnałów • Integracja miar, podejmowanie decyzji – diagnostyka naturalnego zużycia ostrza • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o jedną miarę sygnału • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o integrację miar sygnałów • Wykrywanie katastroficznego stępienia ostrza

13. Przebieg zużycia i sił skrawania Jemielniak K. i in., Automatyczna diagnostyka stanu narzędzia w operacjach tokarskich, CPBP 02.04- 04.02-02,1990.

14. Porównanie przebiegów zużycia ostrza w funkcji czasu skrawania i dFf Jemielniak K, Automatyczna diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2002

15. Siły osiowe i momenty obrotowe uzyskane przy użyciu wierteł ostrych i stępionych Ketteler G., Influence on Monitoring Systems Which Affect their Relability, Proc. of the 2nd Int. Workshop on Intelligent Manufacturing Systems, Leuven, Belgium, 768-777, 1999.

16. Typowy przebieg sił skrawania dla ostrego i stępionego frezu Narzędzie ostre Narzędzie stępione A. Al-Habaibeh, et al., Modern Developments in Sensor Technology and their Applications in Condition Monitoring of Manufacturing Processes, AC’04

17. Emisja akustyczna – definicja Emisja akustyczna to zanikająca fala sprężysta, będąca efektem gwałtownego wyzwolenia energii wiązań wewnętrznych, naruszanych przez odkształcenia, pękanie i przemiany fazowe (wzrost mikro szczelin, ruch grup dyslokacji) w materiale. Poglądowe przedstawienie szczeliny w próbce i związanej z tym generacji emisji akustycznej

18. Źródła emisji akustycznej (AE) w procesie skrawania • ścinanie i plastyczna deformacja materiału obrabianego (3,4) • pękanie materiału obrabianego i narzędzia (1,8) • tarcie pomiędzy materiałem obrabianym, narzędziem i wiórem (2,3,5) • uderzenia i pęknięcia wiórów (6,7) Moriwaki T., Detection for Cutting Tool Fracture by Acoustic Emission Measurement, Anals of the CIRP, 29/1(1980),35.

19. Sygnał emisji akustycznej w trakcie wybuchu Jednostką AE jest volt!

20. Typowy przebieg AE dla ostrego i stępionego frezu Narzędzie ostre Narzędzie stępione A. Al-Habaibeh, et al., Modern Developments in Sensor Technology and their Applications in Condition Monitoring of Manufacturing Processes, AC’04

21. Przebieg AE przy wierceniu aż do złamania wiertła Sygnał AE zmierzony na stole obrabiarki przy wierceniu otworu Ø 3mm czujnikiem SEA Wzrost AE w czasie wiercenia ostatnich 4 otworów wyłamanie wyłamanie wiertło stępione wiertło stępione Ostatni otwór wiercony normalnie emisja akustyczna (dB) emisja akustyczna (dB) czas (s) czas (s)

22. Nadzorowanie toczenia diamentowego • Polarny wykres sygnału AERMS przy obróbce polikrystalicznej miedzi. • (b) Mikrofotografia tego samego przedmiotu wytrawiona chemicznie Lee, D.E., IJMachTools&Manuf. 46/2:176-188.

23. Drgania: monitorowanie trwałości wierteł małej średnicy König W., Ketteler G., Research on Tool Condition Monitoring in Europe - State of the Art and Future Prospects, 1994.

24. Hałas: diagnostyka zużycia ostrza Wpływ zużycia ostrza i parametrów skrawania na ciśnienie akustyczne przy toczeniu Kopac J., Sali S., J. Mat Process Techno, 113, 312-316, 2001

25. 10 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Wprowadzenie do DNiPS • Wielkości fizyczne wykorzystywane w DNiPS • Czujniki stosowane w DNiPS • czujniki sił i wielkości pochodnych • czujniki emisji akustycznej i drgań • Przetwarzanie sygnałów w DNiPS • wstępna obróbka sygnałów • wyznaczanie miar sygnałów w dziedzinie czasu • miary sygnałów w dziedzinie częstotliwości i czasu-częstotliwości • selekcja miar sygnałów • Integracja miar, podejmowanie decyzji – diagnostyka naturalnego zużycia ostrza • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o jedną miarę sygnału • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o integrację miar sygnałów • Wykrywanie katastroficznego stępienia ostrza • Czujniki stosowane w DNiPS

26. Czujniki stosowane w handlowych układach DNiPS Czujniki stosowane w układach DNiPS są z reguły specjalnie do nich dedykowane, przy-stosowane do trudnych warunków panujących w strefie skrawania, a więc odporne na chłodziwo, uderzające wióry. W tabeli niżej zestawiono typy czujników oferowanych przez czołowych producentów komercyjnych układów MiNOS

27. Zalecane zastosowania czujników w układach AUMON zalecane możliwe nie zalecane

28. 10 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Wprowadzenie do DNiPS • Wielkości fizyczne wykorzystywane w DNiPS • Czujniki stosowane w DNiPS • czujniki sił i wielkości pochodnych • czujniki emisji akustycznej i drgań • Przetwarzanie sygnałów w DNiPS • wstępna obróbka sygnałów • wyznaczanie miar sygnałów w dziedzinie czasu • miary sygnałów w dziedzinie częstotliwości i czasu-częstotliwości • selekcja miar sygnałów • Integracja miar, podejmowanie decyzji – diagnostyka naturalnego zużycia ostrza • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o jedną miarę sygnału • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o integrację miar sygnałów • Wykrywanie katastroficznego stępienia ostrza • czujniki sił i wielkości pochodnych

29. Siłomierze laboratoryjne do pomiaru sił skrawania

30. Przemysłowe czujniki mocy

31. Zastosowanie czujników mocy do wiercenie

32. Zakłócenia wpływające na sygnał czujnika mocy

33. Czujnik odkształceń powierzchni obrabiarki

34. Czujnik siły posuwowej w oprawie łożyska śruby tocznej a) przekrój wewnętrzny, b) usytuowanie czujnika na śrubie pociągowej tokarki NC

35. Czujnik sił – sposób montażu

36. Czujnik sił – przykład instalacji Czujnik sił

37. Płyta pomiarowa pod głowicą narzędziową płyta pomiarowa

38. Czujniki momentu i siły osiowej tensometry układ elektroniczny rotor stator oprawka

39. Czujnik momentu i siły osiowej stator rotor

40. Czujnik sił zintegrowany z wrzecionem H. Cao et al. Int.J. of Machi.Tools&Manuf. 112 (2017) 21–52

41. 10 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Wprowadzenie do DNiPS • Wielkości fizyczne wykorzystywane w DNiPS • Czujniki stosowane w DNiPS • czujniki sił i wielkości pochodnych • czujniki emisji akustycznej i drgań • Przetwarzanie sygnałów w DNiPS • wstępna obróbka sygnałów • wyznaczanie miar sygnałów w dziedzinie czasu • miary sygnałów w dziedzinie częstotliwości i czasu-częstotliwości • selekcja miar sygnałów • Integracja miar, podejmowanie decyzji – diagnostyka naturalnego zużycia ostrza • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o jedną miarę sygnału • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o integrację miar sygnałów • Wykrywanie katastroficznego stępienia ostrza • czujniki emisji akustycznej i drgań

42. Budowa czujnika AE i czujnika drgań przetwornik piezoelektryczny masa sejsmiczna diafragma czujnik AE czujnik drgań

43. Przemysłowe czujniki drgań i AE Nordman 01MHz Prometec czujnik drgań czujnik AE 10080 000 Hz8800kHz Kistler czujnik drgań czujniki AE 106000 Hz50400 kHz 100900 kHz Montronix 0.1Hz-500kHz

44. Badanie charakterystyk czujników AE – test Nilsena i Hsu, ASTM Standard E976-84 AE Stanowisko do badań charakterystyk czujników AE zbudowane w ITM PW

45. Badanie charakterystyk czujników AE

46. Charakterystyki czujników AE firmy Kistler podane przez producenta 50-400kHz 100-900kHz otrzymane w ZAOiOS PW

47. Wpływ drogi sygnału AE na jego przebieg

48. Wpływ drogi sygnału AE na jego charakterystykę -10 -20 -30 -40 -50 -60 dB 0 250 500 750 1000 częstotliwość (kHz)

49. Czujniki AE wykorzystujące przenoszenie sygnału przez chłodziwo

50. 10 Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Wprowadzenie do DNiPS • Wielkości fizyczne wykorzystywane w DNiPS • Czujniki stosowane w DNiPS • czujniki sił i wielkości pochodnych • czujniki emisji akustycznej i drgań • Przetwarzanie sygnałów w DNiPS • wstępna obróbka sygnałów • wyznaczanie miar sygnałów w dziedzinie czasu • miary sygnałów w dziedzinie częstotliwości i czasu-częstotliwości • selekcja miar sygnałów • Integracja miar, podejmowanie decyzji – diagnostyka naturalnego zużycia ostrza • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o jedną miarę sygnału • diagnostyka zużycia ostrza w oparciu o integrację miar sygnałów • Wykrywanie katastroficznego stępienia ostrza Przetwarzanie sygnałów w DNiPS