Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki drewna. aktualny stan wiedzy oraz kierunki rozwoju

Transkrypt

1 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Wydział Technologii Drewna diagnostyce procesu obróbki drewna aktualny stan wiedzy oraz kierunki rozwoju Piotr Beer

2 Omawiane zagadnienia: Wprowadzenie Analiza cech skrawnych narzędzi modyfikowanych poprzez inżynierię powierzchni Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady Analiza głównych kierunków kontroli i diagnostyki procesów kształtowania elementów z drewna litego i uszlachetnionych materiałów płytowych

3 Wprowadzenie Kontrola i diagnostyka procesu obróbki drewna są zadaniami, które do tej pory nie zostały w pełni zrealizowane. Przyczyny tkwią w specyfice cech tego materiału. Drewno jest surowcem pochodzenia naturalnego, którego właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne zależą nie tylko od gatunku, ale również od cech środowiskowych wzrostu drzew, jak również zależna są od warunków klimatycznych i to dla każdego roku. Krótko ujmując, nie ma dwóch takich samych elementów drewnianych, nawet jeśli pochodzą z tej samej dłużycy. Obecnie, poza pierwiastkowym przerobem, mianem drewna określa się materiały drewnopochodne a zróżnicowanym rozdrobnieniu i udziale drewna. Najczęściej spotykane to drewno warstwowo klejone (wielkość i postać warstw bardzo zróżnicowana), płyty wiórowe i płyty pilśniowe. Jednym z podstawowych elementów umożliwiających stabilny proces wytwarzania są narzędzia skrawające, gdyż to one kształtują wyroby. W technologii drewna od lat nie ma zmian materiałowych dotyczących narzędzi skrawających. Próby wprowadzenia nowych materiałów ceramicznych nie przyniosły oczekiwanych rezultatów. Najbardziej zaawansowane jest uszlachetnianie istniejących materiałów narzędziowych nowoczesnymi technologiami inżynierii powierzchni.

4 Wprowadzenie Postacie zużywania się przykładowych narzędzi ceramicznych w obróbce płyty wiórowej. Widoczne są miejscowe wykruszenia krawędzi skrawającej. Skutkiem tych wykruszeń jest niezadowalająca jakość powierzchni i krawędzi obrabianych elementów. powierzchnia przylozenia zuzycie zlobkowe strefa skrawania ostra krawedz ceramika L sklad: Al 2 O % ZrO 2 wielkosc ziarna: D=0,43µm, K Ic = 4,4 MPa m powierzchnia natarcia warunki skrawania: laminowana plyta wiorowa z λ = 1 = 15 v c v f = = 56 m/s 5 m/min a e = 2 mm β =65 l c = 6869 m PG ceramika G sklad: Al 2 O 3 wielkosc ziarna: D=0,53µm, K Ic = 3,8 MPa m zuzycie zlobkowe wykruszenia krawedzi tnacej IWF

5 Wprowadzenie m IWF warunki skrawania: laminowana plyta wiórowa z = 1 λ = 15 a e =2 mm v c = 56 v f = m/s m/min 6856 droga skrawania l c E G K L N K05 material skrawny/kat ostrza Pomimo, iż niektóre materiały ceramiczne wykazują większą odporność na zużycie niż standardowo stosowany węglik spiekany (K05) to rozrzut wyników jest tak duży, że uniemożliwia ich zastosowanie w praktyce. W takich warunkach procesu obróbki nie da się kontrolować.

6 Analiza cech skrawnych narzędzi modyfikowanych poprzez inżynierię powierzchni Badania prowadzone w kierunku zwiększenia trwałości narzędzi mają na celu ograniczenie stępienia, gdyż zmiana geometrii ostrza powoduje: Skutki technologiczne wzrost: -Sił występujących podczas skrawania - Zapotrzebowania na energię - Temperatury - Wibracji -Hałasu Skutki jakościowe obniżenie: - Tolerancji wymiarowych -Jakości na powierzchni, naroży i krawędzi otrzymywanych wyrobów Jak do tej pory skutki jakościowe tępienia się narzędzi nie są tak monitorowane jak skutki technologiczne. Wydaje się to błędnym założeniem, gdyż to właśnie jakość jest podstawowym kryterium stosowanym w praktyce.

7 Analiza cech skrawnych narzędzi modyfikowanych poprzez inżynierię powierzchni Badania nad poprawą cech skrawalnych narzędzi poprzez inżynierię materiałową muszą być realizowane przynajmniej przez dwóch specjalistów: technologa drewna i specjalistę od inżynierii materiałowej. Ten układ zabezpiecza unikanie błędów w założeniach i ukierunkowuje badania aplikacyjnie. Podział kompetencji: inżynieria materiałowa / technologia produkcji Materiałoznawca Technolog warstwa wierzchnia narzędzie modyfikowane Cechy materiałowe Naprężenia wewnętrzne Wady Grubość Adhezja / warstwy przejściowe Stan powierzchni modyfikowanej Jedna / obie powierzchnie skrawające Cechy materiałowe Scratch test SEM SIMS --- Testy tribologiczne Sposoby regeneracji Ostrzenie ---

8 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady Struktura kosztów ponoszonych przez badane przedsiębiorstwo w związku z występowaniem wad na krawędziach płyt wiórowych laminowanych wskazuje straty analizowanego zakładu. Łączne koszty związane z występowaniem wad na krawędziach płyt wiórowych laminowanych w zakładzie zatrudniającym ponad 100 osób w dziale produkcji wynoszą około S = 1,75 mln zł rocznie (dane z 2006 roku). Kp- płyty lepszej jakości Kn- częste ostrzenie narzędzi Ku- mniejsze prędkości posuwu Km- materiał wymiany elementu Kr- robocizna wymiany elementu

9 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady Kontrolę jakości elementów po obróbce możemy wykonać stosując dwie metody: metody stykowe metody optyczne Każda z tych metod ma swoje wady i zalety. Tym niemniej, w przypadku próby oceny jakości in situ podstawowe czynniki, które należy pokonać to duże prędkości posuwu rzędu 2 m/s oraz znaczne zapylenie. W przypadku czujników stykowych występują niedokładności odwzorowania krawędzi przy pomiarze metodą stykową z dużą prędkością przesuwu iglicy (jaśniejszy profil rzeczywisty)

10 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady W detekcji kształtów / wad kształtów można zastosować czujniki stykowe : ciśnienia, odkształcenia przemieszczenia

11 Czujnik stykowy zamontowany jest na korpusie frezarki za pomocą ruchomej dźwigni (1). W czasie przejścia materiału obrabianego z prędkością posuwu vf obudowa czujnika wspiera się na krawędzi materiału na dwóch płozach (10). Między płozami znajduje się sensor (4) zbudowany z trzech warstw elastycznych blaszek, tensometru elektrooporowego (6) i warstwy tłumiącej drgania (8). Fragment pozostający w kontakcie z krawędzią materiału chroniony jest przez płytkę diamentowa o promieniu ostrza ok. 10µm i jest dociskany do krawędzi dzięki naprężeniu wstępnemu elementu pomiarowego. W ten sposób w trakcie ruchu materiału obrabianego płytka podąża za nierównościami profilu krawędzi. Odchylenia sensora wywołują naprężenia w czujkach DMS, co z kolei powoduje powstanie różnic napięcia.

12 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady Rozważania dynamiczne Gdyby zapewnić przyspieszenie ostrza wzorującego 1000 razy większe od ziemskiego tj. a =10000 m/s2 to w czasie t = 25 μs końcówka przemieści się o odcinek s = ½ a t2 s =0, ( )2 = 0, = 312, m m = 3 μm jest to co najmniej 10 razy za mało wobec założonej minimalnej głębokości wady (50 μm) Ze wzoru dynamiki F = m a wynika, że m = F/a Przy założeniu że F=10 N oraz a= 1000 g (a =10000 m/s2 ) otrzymuje się, że masa ruchoma związana z ostrzem wzorującym może wynosić tylko m = 10 / 104 = 10-3 kg = 1 g

13 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady r Rozważania geometryczne h Dla promienia r i szerokości wady s głębokość h wyniesie s r - h =sqrt (r 2 s 2 /4) stąd h = r- sqrt(r 2 -s 2 /4) h μm ρ=100 μm Zależność wykrywanej głębokości wady od jej szerokości dla końcówki odwzorowującej o promieniu 100 μm μm s

14 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady 0.5 mm 0.5 mm

15 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady a) b) c) d) e) piksele piksele

16 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady Zastosowanie wag w analizie jakości krawędzi jest próbą przybliżenia do odczuć oka ludzkiego.

17 Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady w = y b g 2 y rzędna środka ciężkości pola powierzchni, które ma być ważone (wyrażona w mm) bg graniczna szerokość wykruszenia (wyrażona w mm) Q M = 1 l e i j A ij w j Aij pole powierzchni i-tego wykruszenia położone na j-tej rzędnej wj współczynnik wagi dla pola powierzchni wykruszenia o j-tej rzędnej le długość elementarnego odcinka (PN-84/D-01005)

18 Analiza głównych kierunków kontroli i diagnostyki procesów kształtowania elementów z drewna litego i uszlachetnionych materiałów płytowych Mechatronika w badaniach modyfikacji narzędzi, czyli kluczowego punktu odpowiadającego za układ: geometria ostrza narzędzia / jakość elementu po obróbce, a tym samym za kontrolę i diagnostykę procesów produkcji będzie musiała rozwiązać główne zagadnienia wyszczególnione poniżej: ilościowa i jakościowa charakteryzacja narzędzia i elementu obrabianego określenie zależności w rozpatrywanym układzie /algorytmy, sztuczna inteligencja/ zalecenia statystyczne i obróbka statystyczna rezultatów badań

19 Analiza głównych kierunków kontroli i diagnostyki procesów kształtowania elementów z drewna litego i uszlachetnionych materiałów płytowych Podstawowym zagadnieniem z punktu widzenia procesów wytwarzania jest zdefiniowanie jakości elementu, i to analiza jakościowa oraz ilościowa oceny jakości. Jakość elementu: stan powierzchni stan naroży stan krawędzi