شماره بازیابی	EN MECH ۱۱۵۳
عنوان	کنترل ارتعاشات chatter برای ارتقاء پایداری در فرآیند تراشکاری داخلی عمیق
عنوان لاتین	Chatter Vibration Control for Stability Improvement in Deep Internal Turning
نویسنده	فلاح سلطان آباد، محسن - Fallah, Mohsen
استاد راهنما	معتکف ایمانی، بهنام
مقطع تحصیلی	دکتری (Ph.D)
سال دفاع از پایان نامه	۱۳۹۷
رشته	مهندسی مکانیک - طراحی کاربردی
توصیفگر	کنترل ارتعاشات
توصیفگر	پایداری
توصیفگر	تراشکاری
توصیفگر	کنترلر تطبیقی
توصیفگر	دینامیک
چکیده فارسی	پدیده chatter نوعی از ارتعاشات خودبرانگیخته است، که به دلیل برهمکنش متقابل بین دینامیک ابزار برشی انعطاف پذیر و دینامیک فرآیند برش رخ می دهد. این پدیده، مهم ترین شکل ناپایداری دینامیکی در فرآیندهای برش فلزات به شمار می رود. برای ابزارهای داخل تراش با نسبت طول به قطر بالا، سفتی دینامیکی ابزار و عمق برش بحرانی متناظر با آستانه پایداری، به شدت کاهش می یابد. در نتیجه، فرآیند براده برداری در تمام شرایط برشی ناپایدار است. لذا، به منظور ارتقاء چشمگیر پایداری ابزار داخل تراش، باید از روش های کنترل فعال ارتعاشات استفاده کرد. در مقایسه با روش های کنترل غیرفعال، به کمک روش های کنترل فعال می توان میرایی و سفتی ابزار برشی را به میزان چشمگیری افزایش داد. در این رساله دکتری، به مسئله کنترل ارتعاشات chatter در فرآیند تراشکاری داخلی عمیق پرداخته شده است. برای این منظور، در گام اول یک ابزار داخل تراش با نسبت طول به قطر بالا در آزمایشگاه CAD/CAM دانشگاه فردوسی مشهد طراحی و ساخته شده است. سپس، با اجرای فرآیند تراشکاری داخلی در نسبت های طول به قطر 4 تا 7 برابر، ویژگی های ناپایداری دینامیکی chatter برحسب سیگنال شتاب نوک ابزار و بافت سطح قطعه کار، به صورت تجربی مشاهده شده است. فراتر از نسبت طول به قطر 6 برابر، انجام فرآیند براده برداری به صورت پایدار غیرممکن است. زیرا ابزار برشی انعطاف پذیر به شدت مستعد ارتعاش و بروز ناپایداری دینامیکی chatter است. از یک شیکر الکترودینامیک هم برای شناسایی دینامیک مسیر مستقیم (به عنوان تحریک کننده خارجی)، و هم به منظور کنترل فعال ارتعاشات (به عنوان عملگر نیرویی) استفاده شده است. این عملگر بر روی یک پایه متحرک نصب می شود، که توسط یک پیچ با طول قابل تنظیم به تکیه گاه ابزار متصل شده است. مدل های دینامیکی عملگر و ابزار، با استفاده از مفاهیم پایه تئوری شناسایی سیستم استخراج شده اند. مشاهدات نشان می دهند که، رفتار دینامیکی عملگر برحسب دامنه تحریک ورودی خطی است. اما ابزار داخل تراش دارای مدل دینامیکی غیرخطی است. لذا برای توصیف دینامیک مسیر مستقیم، یا مجموعه عملگر-ابزار، از یک تابع تبدیل با ضرایب متغیر برحسب دامنه تحریک ورودی استفاده شده است. از این مدل دینامیکی پارامتر متغیر، برای طراحی کنترلرهای مدل-پایه بهره برداری شده است. سیستم کنترل تک ورودی-تک خروجی توسعه یافته، شامل یک سنسور شتاب سنج است که ارتعاشات راستای شعاعی ابزار را در مجاورت نوک آن اندازه گیری می کند. همچنین شیکر الکترودینامیک، در نقطه ای دورتر از نوک ابزار، یک نیروی کنترلی فعال را به ابزار برشی در جهت عمود بر سطح برش خورده (راستای شعاعی) اعمال می کند. برای حذف ارتعاشات chatter در فرآیند تراشکاری داخلی عمیق، سه الگوریتم کنترل مختلف طراحی، تحلیل و بر روی سیستم کنترل حلقه بسته پیاده سازی شده اند. در تمامی موارد، از سیگنال شتاب شعاعی ابزار، به عنوان سیگنال پس خور ورودی به کنترلر استفاده شده و نسبت طول به قطر ابزار برابر 8 بوده است. الگوریتم های کنترل، شامل یک کنترلر PID بهینه و یک کنترلر PID تطبیقی هستند. در هر دو کنترلر، از تاثیر ضرایب بهره تناسبی و مشتقی، به دلیل ناچیزبودن حاشیه پایداری سیستم، صرف نظر شده است. بنابراین، این کنترلرها دارای پس خور مستقیم سرعت هستند. کنترلر PID بهینه، براساس تابع تبدیل تئوری سیستم کنترلی حلقه بسته طراحی شده است. ضریب بهره بهینه کنترلر، براساس معیار حذف اغتشاش و با هدف کمینه کردن دامنه تابع تبدیل حلقه بسته تعیین شده است. همچنین، کنترلر PID تطبیقی با لحاظ کردن مشخصات دینامیکی عملگر و ابزار داخل تراش، ضریب بهره کنترلر را متناسب با شدت ارتعاشات ورودی به ابزار تنظیم می کند. در سومین روش مورد استفاده برای حذف ارتعاشات chatter، نمونه ای از الگوریتم های کنترل تطبیقی معکوس، که اصالتاً برای کنترل فعال نویز صوتی توسعه یافته اند، با ساختار پس خور به کار گرفته شده است. این الگوریتم، تحت عنوان FxNLMS با کنترل مدل داخلی، یا به اختصار الگوریتم FxNLMS-IMC شناخته می شود. از آزمون های کنترل ضربه و آزمون های برش تجربی، به منظور تایید کارایی الگوریتم های کنترل فعال ارائه شده در این رساله استفاده شده است. آزمون های برش تجربی بر روی آلومینیوم آلیاژ رده 6063 انجام شده اند. براساس نتایج بدست آمده، دامنه ارتعاشات chatter در بازه فرکانسی مجاور مود خمشی اصلی ابزار به میزان موثری کاهش یافته است. تمام کنترلرها دارای کارایی تقریباً مشابه، با قابلیت کاهش دامنه ارتعاشات به میزان حداقل 60 تا 70 دسی بل هستند. درنتیجه حذف ناپایداری chatter، زبری سطوح قطعه کارها در شرایط برشی مختلف، به میزان چشمگیری بهبود یافته است. در نهایت، قابلیت های کنترلر تطبیقی FxNLMS-IMC برای کاهش دامنه ارتعاشات مخرب، کاهش هزینه عملگر و بهبود زبری سطح قطعه کار، در عمل به صورت نسبی بهتر از کنترلر PIDاست.
چکیده لاتین	Chatter is a self-excited vibration phenomenon, which is caused due to mutual interaction between the dynamics of slender cutting tool and cutting process dynamics. It is the most important type of dynamic instability in metal cutting operations. For long overhang boring bars with high Length to Diameter (L:D) ratios, the dynamic stiffness of cutting tool substantially reduces as well as the critical limiting depth of cut, and the cutting process becomes unstable for almost any cutting conditions. Hence, active damping methods must be utilized in order to improve the stability of slender boring bars. The active vibration control methods can drastically increase the damping ratio and stiffness of cutting tool, compared to passive vibration control methods. This PhD dissertation deals with the problem of chatter vibration control in deep internal turning operation. A long overhang boring bar is designed and manufactured in CAD/CAM Laboratory of Ferdowsi University of Mashhad. The characteristics of chatter vibrations in deep internal turning process, are experimentally observed in terms of acceleration signals and machined surface texture, for L:D ratios 4-7. The stable cutting is absolutely impossible beyond L:D = 6 with the steel boring bar, owing to the fact that the slender cutting tool becomes susceptible to chatter vibrations. An electrodynamic shaker is both utilized for identification of forward path dynamics (as external exciter) as well as active damping of chatter vibrations (as controllable actuator). It is installed on an especially designed moveable bed, which is connected to the carriage of lathe machine tool. The dynamic models for the actuator and boring bar are identified, using the fundamental concepts of system identification theory. It is observed that the actuator dynamics is linear in terms of excitation amplitude, while the boring bar shows non-linear behavior. Hence, a parameter-varying transfer function is proposed for describing the dynamics of forward path, i.e. actuator-boring bar assembly. The obtained dynamic model is then used for the purpose of model-based controller design. The non-collocated SISO control system includes an accelerometer sensor which measures the boring bar vibrations in the radial direction adjacent to tool tip, and the electrodynamic shaker which exerts an active control force to the boring bar body in the radial direction away from tool tip. Three different control algorithms are designed, analyzed and implemented on the closed-loop control system, in order to suppress chatter vibrations in deep internal turning operation. The slender boring bar L:D is 8 and the radial acceleration at tool tip is used as the feedback signal for all controllers. The control algorithms include an optimal PID controller as well as an adaptive PID controller. Both controllers have neglected the effect of proportional and derivative gains due to stability issues, and are Direct Velocity Feedback (DVF) controllers. The optimal PID controller is designed according to the theoretical transfer function of the closed-loop control system. The optimal controller gain is defined according to the disturbance rejection criterion. In addition, by considering the dynamic characteristics of actuator and boring bar, the adaptive PID controller dynamically adjusts the controller gain in accordance with the intensity of chatter vibrations. Moreover, a feedback version of adaptive inverse control methods, which is known as Filtered-x Normalized LMS algorithm with Internal Model Control, i.e. FxNLMS-IMC algorithm, is utilized as the third benchmark controller for chatter suppression in deep internal turning operation. This algorithm is originally developed for the active attenuation of acoustic noise. Both impact control tests and cutting tests are performed in order to experimentally verify the efficiency of proposed active damping control methods. The experimental cutting tests are performed on Aluminum alloy 6063. According to obtained results, the magnitude of chatter vibrations is effectively suppressed around the dominant bending mode of boring bar. All controllers show similar performance with a significant vibration attenuation level of at least 60 dB up to 70 dB. As a direct consequence of chatter attenuation, the machined surface roughness is highly improved in various cutting conditions. Finally, the performance of FxNLMS-IMC controller for suppression of regenerative chatter vibrations, reduction of actuator cost and enhancement of surface roughness is proved to be relatively better than the PID controllers.
لیست فایلها:	چکیده فارسی فهرست مطالب فهرست اشکال فهرست جداول پیشنهادات فهرست منابع و ماخذ چکیده انگلیسی صفحه عنوان انگلیسی