1
Prof. Krzysztof Jemielniak
•k.jemielniak@wip.pw.edu.pl
•http://www.zaoios.pw.edu.pl/kjemiel
•ST 107, tel. 22 234 8656
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Wykład 10
Case study - diagnostyka zużycia mikrofrezu
Automatyczne
Monitorowanie i
Nadzór Wytwarzania
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Plan wykładu
1. Zużycie i trwałość ostrza, wprowadzenie do
AUMON
2. Wielkości fizyczne wykorzystywane w AUMON
3. Czujniki stosowane w AUMON
4. Przetwarzanie sygnałów w AUMON
5. Integracja sygnałów, podejmowanie decyzji w
układach AUMON
6. Case study - diagnostyka zużycia mikrofrezu
Case study - diagnostyka zużycia mikrofrezu
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Metodyka badań - stanowisko badawcze
Frezarka precyzyjna
Obrabiarka
2-ostrzowy frez kulisty
D = 0.8mm, L = 50mm
Węglik spiekany
drobnoziarnisty
niepokrywany
Narzędzie
Materiał obrabiany
Stal narzędziowa do pracy na zimno
X155CrVMo12-1, 50 HRC
typ
KERN Evo
Obroty wrzeciona
50 000 – 160 000 obr/min
Badania były prowadzone w Micro machining
Laboratory, Mondragón University, Hiszpania.
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Metodyka badań – akwizycja danych
Czujnik AE 8152B221
NI-PCI 6111 (5MS/s)
AE
raw
Siłomierz 9256C1
NI-PCI 6034E (50kS/s)
AE
RMS
F
x
, F
y
, F
z
siłomierz
czujnik AE
przedmiot
obrabiany
narzędzie
Układ kontroli
narzędzia
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
720Hz
5080Hz
F
x
0 2 4 6 8 10
kHz
520Hz
5080Hz
1080Hz
F
y
kHz
0 2 4 6 8 10
5080Hz
F
z
kHz
0 2 4 6 8 10
F
x
F
z
F
y
Metodyka badań – charakterystyka siłomierza
Badanie częstotliwości
rezonansowych siłomierza
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
czujnik AE
narzędzie
droga narzędzia
Metodyka badań - warunki skrawania
Prędkość skrawania v
c
= 68 m/min
Posuw na ostrze
f
z
= 0.016 mm/ząb
Głębokość skrawania a
p
= 0.05 mm
Szerokość frezowania a
e
= 0.05 mm
Obroty wrzeciona n = 36210 obr/min
Posuw minutowy f
m
= 1074 mm/min
Częstotliwość przechodzenia ostrzy f
z
=1207 Hz
2
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Metodyka badań – pomiary zużycia ostrza
Kryterium stępienia:
VB
Bmax
= 0.11mm
•
Pomiary zużycia były wykonywane jedynie w celu określenia końca
trwałości
•
Mógł być on wyznaczany w dowolny inny sposób, właściwy dla
określonego przypadku
• Miarą stanu narzędzia była wykorzystana część okresu
trwałości ostrza (ΔT)
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Wyniki pomiarów zużycia ostrza
•
Cztery pełne okresy trwałości ostrza
•
Okresy trwałości od 5.7 min do 12.2 min
•
Pierwsze i drugie narzędzie stępiło się w trakcie obróbki
pierwszej powierzchni
•
Trzecie i czwarte narzędzia wytrzymały znacznie dłużej,
obrabiając prawie dwie powierzchnie
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
0 2 4 6 8 10 12 14 16
t (s)
Zarejestrowane sygnały
4-
3-
2-
1-
0-
AE
R
M
S
(
V)
F
z
(
N)
6-
4-
2-
0-
-2-
-4-
10-
8-
6-
4-
2-
0-
15-
10-
5-
0-
-5-
-10-
F
y
(
N)
F
x
(
N)
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 t(ms)
1 obrót przedmiotu
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
0.1 0.5 0.9 1.3
1.5-
1.0-
0.5-
0-
AE
RM
S
(
V)
12-
6-
0-
-6-
-12-
time (s)
F
z
(
N
)
Przykładowe pomiary AE i sił skrawania
Na początku skrawania sygnał AE
RMS
wzrasta wyraźnie – do
55mV w ciągu 0.2ms
Jedno przejście
0.829ms
0.75-
0.5-
0.25-
0-
198 200 202 204 206 208 210
12-
6-
0-
-6-
-12-
time (ms)
0.10-
0.05-
0-
198.8 200.0 200.2
0.2ms
0 2.5 5 7.5
frequency (kHz)
1207Hz
4828Hz
50-
25-
0-
3-
2-
1-
0-
603
Hz
Początek przejścia
widma
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
time (ms)
AE
RMS
F
x
F
y
F
z
199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209
Przykładowe pomiary AE i sił skrawania
5080Hz
Częstotliwość
własna
siłomierza
Częstotliwość ostrzy
Częstotliwość obrotów
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Wyznaczanie miar sygnałów
•
Należy wyznaczać możliwie wiele miar sygnałów (SF)
•
Spośród czterech dostępnych sygnałów (AE
RMS
, F
x
, F
y
i F
z
), wyznacznono
po kilka miar w dziedzinie czasu dla każdego przejścia:
•
Średnia, moda, mediana, wariancja, wartość skuteczna, min, max, zakres…
np. F
xavg
, F
xMod
, F
xMed
, F
xvar
, F
xRMS
, F
xmin
, F
xmax
, itd.
•
W celu wydzielenia zakłóceń na początku przejścia analogiczne miary
wyznaczono dla początkowej 1/3 oraz dla środkowej (1/3-2/3) części
przejścia np.
F
xavgbeg
, F
xModbeg
, F
xavgmid
, F
xModmid
, itd.
•
Łącznie system wyznacza 22 miary dla każdego sygnału niezależnie od
konkretnego zastosowania, co daje łącznie 88 miar dla każdej operacji
początek środek
3
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
SF
SF
Tf
SF
T
Ocena przydatności miar
1. Oryginalna miara SF jest normalizowana do 0-100% trwałości ostrza
SF
T
2. SF
T
jest filtrowana dolnoprzepustowo SF
Tf
3. SF
Tf
jest uznawana za aproksymację zależności SF(
D
T)
4. Odchylenie (RMSE) SF
T
od SF
Tf
jest miarą przydatności miary: RMSE
U
<0.2
•
RMSE
U
(F
xmi-av
)
1
=0.05
-> bardzo dobra
•
RMSE
U
(F
xmi-av
)
3
=0.202
-> nie do przyjęcia
F
xmi-av
= F
xmin
-F
xavg
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Eliminacja miar podobnych
• Wśród miar spełniających warunek RMSE
U
<0.2 jest wiele
skorelowanych wzajemnie ze sobą – nie zawierających
dodatkowych informacji. Należy się ich pozbyć
1. Układ wybiera najlepszą miarę (z najmniejszym RMSE
U
)
2. Wyznaczany jest RMSE pomiędzy tą miarą, a kolejno
wszystkimi innymi, jako wskaźnik podobieństwa (RMSE
S
)
3. Te, dla których RMSE
S
< 0.05 są odrzucane
4. Spośród pozostałych wybiera się najlepszą i eliminuje
podobne do niej
• Procedura jest powtarzana do chwili, gdy nie pozostanie żadna
spełniająca kryterium RMSE
U
<0.2
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Przykłady miar wybranych przez układ
Tool 1
F
z
max-avg
F
y
zakres środek
Tool 2
F
z
minimum
F
y
range srodek
Tool 3
F
z
max-avg środek
F
y
sum power
pocz
Tool 4
F
z
std dev środek
AE
RMS
max pocz
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Integracja miar we wspólną ocenę stanu ostrza
• Po pierwszym okresie trwałości, dla
każdej wybrane miary, wyznaczana
jest bezpośrednia zależność SF
Tf
(
D
T)
w postaci tablicy
• W czasie kolejnych okresów
trwałości (układ pracuje w trybie
nadzoru), wykorzystana część
okresy trwałości wyznaczana jest w
dwóch etapach:
1. Wartość
D
T jest wyznaczana oddzielnie dla każdej miary:
uzyskana wartość SF jest poszukiwana w tablicy SF
Tf
2. Uzyskane oszacowania
D
T są uśredniane
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Oszacowanie wykorzystanej części T
SF
1
[
D
T]
D
T
SF
1
[opNo]
0 20 40 60 80 100 120 %
0 20 40 60 80 100 120 %
D
T
SF
2
[
D
T]
D
T
1
D
T
2
D
T
B
SF
2
[opNo]
20-30
opNo
opNo
I etap algorytmu hierarchicznego:
D
T jest oszacowana oddzielnie dla każdej SF
•
Po kolejnej operacji układ wyznacza
wartości SF[opNo]
•
W tablicy SF[
D
T] wyszukiwana jest
wartość najbliższa SF[opNo],
•
poczynając od wartości otrzymanej w
poprzednimi kroku -
D
T
B
•
W celu uniknięcia przypadkowych zakłóceń
miar oraz wykorzystania miar nie
monotonicznych poszukiwanie ograniczone
jest do 20-30 elementów tablicy SF[
D
T]
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
D
T
3
D
T
4
D
T
5
:
:
D
T
n
SD
T
i
___
D
T=
n
II etap algorytmu hierarchicznego:
Ostateczna wartość
D
Ts jest wyznaczana
jako średnia, z wykluczenie wartości
odbiegających od średniej bardziej niż o
3
D
T
B
Wartość ta staje się wartością początkową dla I
etapu w następnym kroku (operacji) jako
D
T
B
Oszacowanie wykorzystanej części T cd.
4
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Diagnostyka stanu narzędzia – wszystkie sygnały
Wykorzystana część okresu trwałości ostrza oszacowana przez układ
diagnostyczny (
D
T
ev
) w funkcji rzeczywistego (
D
T) po uczeniu na jednym z
narzędzi i testowaniu na pozostałych.
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Wykorzystana część okresu trwałości ostrza oszacowana przez układ
diagnostyczny (
D
T
ev
) w funkcji rzeczywistego (
D
T) po uczeniu na jednym z
narzędzi i testowaniu na pozostałych.
Diagnostyka stanu narzędzia – tylko AE
RMS
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Podsumowanie
•
Mimo bardzo małej wydajności mikroobróbki, otrzymywane sygnały AE
są silne, łatwe do rejestracji i charakteryzują się bardzo małym czasem
odpowiedzi na kontakt narzędzia z przedmiotem obrabianym, co czyni
je bardzo przydatnym środkiem do monitorowania procesu obróbki.
•
Sygnał AE jest wolny od zakłóceń mechanicznych jak drgania
rezonansowe, które są bardzo ważne przy mikroobróbce, gdy prędkości
obrotowe wrzeciona muszą być bardzo duże, ze względu na małe
średnice narzędzia
•
Siły skrawania dostarczają użytecznych informacji dla diagnostyki stanu
narzędzia i procesu skrawania, mimo silnych zakłóceń przez drgania
własne siłomierza
•
Wiarygodna diagnostyka stanu narzędzia nie jest możliwa w oparciu o
jedną (dowolną) miarę sygnału, ze względu na nieuniknione zakłócenia
losowe
•
Integracja sygnałów minimalizuje niepewność diagnostyki, redukując
losowość pojedynczej miary i zapewniając bardziej wiarygodne
oszacowanie stanu narzędzia.
•Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
•Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Jakieś pytania?