Korekcja odkształceń sprężystych narzędzia skrawającego w czasie rzeczywistym

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Piotr NIESŁONY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Wydział Mechaniczny Politechnika Opolska ul. Mikołajczyka Opole tel: p.nieslony@po.opole.pl Opole, r. Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Huberta SKOWRONKA pt. Korekcja odkształceń sprężystych narzędzia skrawającego w czasie rzeczywistym Podstawą opracowania recenzji jest pismo Dziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej z dnia 27 marca 2017 roku (W10/41d/37/2017). 1. Charakterystyka rozprawy doktorskiej Nowoczesny przemysł maszynowy coraz częściej wykorzystuje zaawansowane strategie obróbki w celu poprawy dokładności wykonania produkowanych przedmiotów, zmniejszenia liczby niezbędnych operacji, skrócenia czasu obróbki oraz zredukowania kosztów produkcji. W wielu przypadkach osiągnięcie tych celów wymaga kompleksowych i wielotorowych działań. Jednym z kluczowych aspektów takich strategii jest wielokryterialna optymalizacja narzędzia skrawającego. W tym obszarze tzw. klasyczne narzędzie może już nie spełniać oczekiwanych funkcjonalności. Z tego też powodu coraz częściej projektuje się i wykorzystuje w przemyśle narzędzia mechatroniczne. Aktualnie narzędzia mechatroniczne stosowane są już między innymi w obróbce skrawaniem przy toczeniu, wytaczaniu, frezowaniu jak i szlifowaniu czy wierceniu. Ich zakres cech funkcjonalnych jest bardzo szeroki. Projektowane narzędzia mechatroniczne umożliwiają między innymi aktywne tłumienie drgań, wyważanie dynamiczne czy umożliwiają rozszerzenie możliwości kinematycznych obrabiarki. Wykorzystanie zaawansowanych układów sensorycznych pozwala na pomiar wielkości fizycznych procesu i ich ocenę lub kontrolę. Duża grupa narzędzi mechatronicznych budowana jest z myślą o aktywnej korekcji elementów roboczych narzędzia głównie w celu minimalizacji negatywnych wpływów odkształceń sprężystych układów roboczych obrabiarki. To interesujące jednak i trudne zagadnienie inżynierskie zostało przez Doktoranta zauważone i stało się głównym celem pracy doktorskiej. Mimo spodziewanych trudności Pan mgr. inż. Hubert Skowronek podjął się tego 1

2 wyzwania, a efektem jego pracy jest przedłożona do recenzji rozprawa doktorka przedstawiająca w szczegółowy sposób kolejne etapy rozwiązywania problemu korekcji odkształceń sprężystych w czasie rzeczywistym narzędzia skrawającego w formie wytaczadła. Jak już wspomniano, Doktorant mgr inż. Hubert Skowronek w swojej rozprawie doktorskiej zajął się bardzo ciekawą i aktualną tematyką budowy i oceny funkcjonowania zaawansowanego narzędzia mechatronicznego. W wykonanym bardzo szczegółowo i adekwatnie do tematu pracy przeglądzie literatury przedstawiono różne rozwiązania tego typu wytaczadeł z szczególnym zwróceniem uwagi na sposoby sterowania, rozwiązania techniczne, dokładności jak i zakresy regulacji poszczególnych elementów nastawnych narzędzia. Drobiazgowo Doktorant oceniał każdy z funkcjonalnych zespołów narzędzia mechatronicznego. Poprzez ocenę dostępnych rozwiązań układów do pomiaru odkształceń sprężystych udało się wyselekcjonować racjonalne rozwiązanie zastosowane w budowanym narzędziu. Ocena wad i zalet układów sterowania pomogła zrozumieć ich pozytywne i negatywne strony, które w powiązaniu z dostępnymi na rynku rozwiązaniami układów wykonawczych umożliwiły wybranie poprawnego, z punktu widzenia Doktoranta, zespołu sterowania tego narzędzia. Podsumowując, mgr inż. Hubert Skowronek w swojej pracy skoncentrował się na opracowaniu założeń i wytycznych do skonstruowania oraz zbudowania funkcjonującego narzędzia mechatronicznego umożliwiającego pomiar i kompensację, w czasie rzeczywistym, odkształcenia sprężystego narzędzia jak i układu OUPN. Dodatkowo Doktorant sprecyzował podstawowe, wielowątkowe cele główne jak i pomocnicze pracy, które korespondują z tezą pracy mówiącą o tym, iż możliwe jest znaczące zwiększenie dokładności obróbki skrawaniem dzięki, działającemu w czasie rzeczywistym, autonomicznemu układowi do pomiaru oraz korekcji odkształceń sprężystych narzędzia. Zakres zaproponowanych i przeprowadzonych prac projektowo-eksperymentalnych, przedstawionych w ocenianej dysertacji, jest jak najbardziej uzasadniony, ponieważ: - Dążenie do podniesienia jakości i wydajności obróbki skrawaniem jest spotykane w każdej gałęzi przemysłu maszynowego, a jedną z możliwości osiągnięcia tego celu jest wykorzystanie nowoczesnych narzędzi mechatronicznych. - Istnieje możliwość budowy tego typu narzędzi w oparciu o istniejące już, raczej ogólno dostępne komponenty, gdzie głównym problemem inżynierskim jest opracowanie układów sterowania wraz z adekwatnymi algorytmami pozwalającymi w czasie rzeczywistym na regulację tego narzędzia mechatronicznego. - Problem odkształceń sprężystych w narzędziach wiotkich, głównie ze względu na konieczność stosowania długich ich wysięgów, jest często spotykany w przemyśle maszynowym, a dodatkowo zaproponowana przez Doktoranta możliwość uwzględniani korekcji odkształceń w układzie OUPN pozwala na sumaryczne osiągnięcie lepszych efektów dokładności wymiarowo-kształtowej wytwarzanych elementów maszyn. W tym kontekście uważam, że wybór tematyki rozprawy dotyczącej budowy i testowania narzędzia skrawającego pozwalającego na korekcję odkształceń sprężystych w czasie rzeczywistym jest jak najbardziej trafny i uzasadniony. 2

3 2. Zawartość pracy Rozprawa jest obszerna, zawiera 133 strony dysertacji, na które składa się 11 rozdziałów. Rozdziały są czytelnie, logicznie ułożone, a większość z nich zawiera szereg dobrze zdefiniowanych podrozdziałów. Praca jest bogato ilustrowana, zawiera 125 rysunków oraz 16 tabel. Spis literatury jest bardzo obszerny i ujmuje 126 z reguły dobrze dobranych i cytowanych w pracy pozycji. Doktorant wykazał w literaturze rozprawy doktorskiej swój istotny dorobek naukowy podając 6 artykułów, których był współautorem i jeden artykuł samodzielny. Podkreślić należy, że są to artykułu punktowane, publikowane głównie w znaczącym polskim miesięczniku Mechanik jak i prezentowane na konferencjach tematycznych. Dysertacja rozpoczyna się obszernym wprowadzeniem, w którym Autor przedstawił w zwięzły sposób powód podjętej problematyki badawczej wraz z ustaleniem podstawowego stanu wiedzy. Wyraźnie została podkreślona istotność tej tematyki badawczej i jej aplikacyjny charakter. W drugim rozdziale rozprawy Doktorant przedstawił studium literatury, które można uznać za analizę zagadnienia dzieląc ten obszar wiedzy na cztery główne podrozdziały. Przedstawione informacje dotyczą aktualnego stanu wiedzy z wyraźnym ukierunkowaniem na informacje, które zostały wykorzystane w dysertacji podczas prezentowania założeń i efektów ich wdrożenia w projektowanym narzędziu mechatronicznym. Trzeci rozdział rozprawy zawiera jej tezę, cel i zakres. Zostało to przedstawione w zwarty i jednoznaczny sposób dodatkowo rozdzielając i precyzując cel pracy na zagadnienia główne jak i pomocnicze. Można zauważyć doświadczenie Doktoranta w precyzyjnym formułowaniu zakresu pracy, co niewątpliwie wynika z nabytego doświadczenia podczas realizacji zadań projektowych i eksperymentalnych tego typu. Szczegółowo zagadnienia związane z konstrukcją narzędzia mechatronicznego z układem kompensacji odkształceń sprężystych zawarł Doktorant w czwartym rozdziale. Autor jednoznacznie zdefiniował obszerne wytyczne konstrukcyjne odnośnie projektowanego narzędzia i konsekwentnie opisywał, w kolejnych podrozdziałach, efekty obliczeń, opis przyjętych założeń algorytmu układu sterującego jak i wyniki prac nad częścią mechaniczną tego narzędzia. Wielotorowe, stanowiskowe badania wstępne prototypowego narzędzia lub jego elementów składowych zostały przedstawione w rozdziale piątym. Kompleksowe badania gotowego prototypu opisano w obszernym szóstym rozdziale. Badania te dotyczyły głównie poprawności funkcjonowania układu pomiaru odkształceń sprężystych oraz układu korekcyjnego przemieszczenia ostrza, głównie w warunkach statycznych. Podczas prób dynamicznych wyznaczono czas reakcji narzędzia na wymuszenie impulsowe. Ważne z punktu widzenia funkcjonalności narzędzia zakresy drgań własnych zbadano szczegółowo i przedstawiono w rozdziale siódmym. Należy podkreślić, że wykonane badania opracowano bardzo dokładnie, korzystając między innymi z szybkiej transformaty Faurier a oraz uwzględniając zmiany wysięgu narzędzia. 3

4 Szczegółowe badania laboratoryjne funkcjonowania skonstruowanego narzędzia mechatronicznego przedstawiono w rozdziale ósmym. Doktorant podał, że stanowisko laboratoryjne zostało zbudowane specjalnie dla potrzeb testowania tego narzędzia. Opracowano również szczegółowy zakres badań tak, aby uwzględnić wszystkie możliwe przypadki obciążenia ostrza narzędzia w tym wytaczaku. Należy podkreślić, że do oceny funkcjonalności narzędzia podszedł Doktorant bardzo kompleksowo, wykorzystując zaawansowaną aparaturę pomiarową oraz stosują adekwatne algorytmy obliczeniowe wspomagające ocenę informacji pomiarowych. Ostatni z głównych rozdziałów pracy został poświęcony testom narzędzia w rzeczywistych warunkach procesu skrawania. Już na początku Autor podał szczegółowe cele badań weryfikujących oraz sprecyzował odpowiednie warunki przeprowadzenia tych pomiarów. Chcąc ocenić zalety tego narzędzia stosowano obróbkę ze zmienną grubością warstwy skrawanej. Wykonane otwory oceniano względem trzech wyselekcjonowanych parametrów, do których zaliczono niewspółosiowość otworów, okrągłości powierzchni obrobionej oraz chropowatość powierzchni. Wydaje się, że taki dobór parametrów kontrolnych jest ze wszech miar poprawny. Przemysł oczekuje dla tak trudnych warunków obróbki (duży wysięg narzędzia, zmienne właściwości materiału obrabianego, trudne do przewidzenia oddziaływania układu OUPN) utrzymania stałych parametrów geometrycznych jak i jakości powierzchni wytaczanych otworów. To wydaje się możliwe do osiągnięcia tym narzędziem. Podsumowanie i wnioski Doktorant przedstawił w rozdziale dziesiątym. Oddzielnym rozdziałem jest spis literatury wykorzystanej w dysertacji. 3. Uwagi szczegółowe dotyczące pracy 1. Merytoryczny opis zagadnień i zjawisk fizycznych ujętych w dysertacji jest w większości dobrze wykonany. W niewielu tylko przypadkach Autor nie ustrzegł się drobnych błędów czy uogólnień. Przykładowo, samo toczenie jest pewnym procesem, dlatego nie ma potrzeby opisywać to jako proces toczenia (str.6). Nie należy stosować wymiennie wysokich i dużych prędkości (str.8). Pewnym skrótem myślowym jest też rozkład całkowitej siły skrawania na poszczególne siły, a nie składowe (rys.1.2 oraz tekst poniżej). 2. Bardzo istotna z punktu widzenia funkcjonalności narzędzia i podstaw teoretycznych jego konstrukcji jest jego strzałka ugięcia. Została ona poprawnie wyliczona wg wzorów (4.1) (4.9). Materiał narzędzia, czyli stal narzędziowa, został zdefiniowany poprzez moduł Younga E. Czy Doktorant wyznaczał rzeczywistą wartość tego modułu dla swojej stali, czy zostało to przyjęte z certyfikatu? Wydaje się to ważnym aspektem szczególnie, że podczas obliczeń maksymalna wartość strzałki ugięcia osiągała niewielkie wartości (około 180 m), a przykładowo zmniejszenie E o 5% powoduje wzrost strzałki ugięcia aż o 9 m. 3. Jednym z najważniejszych elementów tej pracy doktorskiej jest projektowane i wykonane narzędzie mechatroniczne. Wiele ciekawych i dobrze wykonanych schematów jak i rysunków przedstawia główne funkcje narzędzia (rys.4.2, 4.3, 5.3). Interesującym dopełnieniem byłoby jednak przedstawienie całego narzędzia w formie rysunku złożeniowego tak, aby poznać jego 4

5 wymiary gabarytowe, wymiary elementu chwytowego itd. Czy jest jakiś powód (np. związany z patentem), że takie rysunki nie zostały w pracy zamieszczone? 4. Czy Doktorant zastanawiał się nad wpływem łożyskowania ruchomej głowicy narzędzia? Jaki typ łożyskowania tam zastosowano (podano, że łożyska toczne skośne, ale brak informacji jak rozłożone w głowicy, ile tych łożysk, jakiego typu) i czy nie wpływało to na generowanie drgań podczas toczenia? 5. Na str. 49 Autor podaje, że narzędzie mechatroniczne będzie wyposażone w pośredni pomiar odchyłki ostrza. Tak jak Doktorant napisał, jest to model wymagający większej ilości czujników i bardziej zaawansowanego algorytmu sterującego. Jaki był powód wyboru tej metody pomiaru odchyłki ostrza? 6. Procedurę wyznaczenia charakterystyki statycznej wybranego aktuatora przedstawił Doktorant w rozdz.5.3. Wykorzystano w tym celu, między innymi, siłomierz pałąkowy oraz mikrometryczny czujnik przemieszczeń. Z jaką dokładnością mierzyły te urządzenia? Szczególnie jest to ważne w przypadku czujnika przemieszczeń, na podstawie którego wyznaczono te charakterystyki w formie odpowiednich wykresów (rys.5.15, 5.16). 7. Czy Doktorant zastanawiał się nad ustaleniem dopuszczalnej, racjonalnej granicy przesunięcia fazowego sygnałów z generatora do sygnałów zwrotnych z tensometrów aktuatora (rys.5.18)? 8. Wyniki badań przebiegów zmienności składowej odporowej siły skrawania wraz z strzałką ugięcia narzędzia przedstawiono na rys.6.6. Prawdopodobnie ze względu na drgania lub szumy z układu pomiarowego konieczne było odfiltrowanie sygnału za pomocą średniej ruchomej. Jakie parametry tej średniej przyjęto? Jaka była długość średniej ruchomej? 9. Interesujący wniosek utylitarny przedstawił Doktorant w posumowaniu rozdziału szóstego. Dotyczył ustalenia zakresu użytecznych prędkości obrotowych. Czy można by ten wniosek doprecyzować w taki sposób, aby był przydatny dla przyszłego użytkownika tego narzędzia? Przykładowo poprzez np. zaproponowanie formuły wiążącej jednoznacznie krytyczne parametry, do których Doktorant zaliczył: amplitudę ugięcia narzędzia oraz liczbę możliwych do wykonania w czasie jednego obrotu przesunięć korekcyjnych ostrza. 10. Zmiany parametru tłumienia narzędzia wyznaczono w rozdziale siódmym. W podsumowaniu (str.93) Doktorant omówił i podał te wartości w formie wykresu (rys.7.12) dla różnych wysięgów narzędzia. Jakie jest jednak ich znaczenie w kontekście tego narzędzia mechatronicznego? Jak ich zmiana wpływa na stabilność obróbki? Sądzę, że warto to szerzej omówić. 11. Na str.103 dysertacji Doktorant sformułował wniosek z badań doświadczalnych, w którym stwierdził, że narzędzie mechatroniczne funkcjonuje poprawnie również przy wymuszeniach dynamicznych zapewniając redukcję amplitudy przemieszczeń ostrza skrawającego powstałych w wyniku drgań rezonansowych korpusu na poziomie od 20 do 90%. Jak jednak zinterpretować fakt, że w celu zapewnienia maksymalnej skuteczności działania układu 5

6 niezbędne było ręczne korygowanie parametrów regulatora PID? Czy można tę czynność zautomatyzować tak, aby w przyszłości układ sterowania przejął tę rolę? 12. W rozdziale dziewiątym Autor dysertacji przedstawił pomiary skuteczności działania układu korekcji odkształceń sprężystych narzędzia w warunkach procesu skrawania. Badania eksperymentalne zaplanowano prawidłowo. Jednak dlaczego ustalono prędkość obrotową wrzeciona na maksymalnie 140 obr/min, gdy w założeniach do tej pracy przyjęto zakres stosowalności tego narzędzia do n=2000 obr/min? 13. Podczas badań testowych, które realizowano dla całego przyjętego zakresu parametrów technologicznych, pracowano z wyłączonym i włączonym układem kompensacyjny narzędzia mechatronicznego (str.107). Nie podano jednak jaki układ kompensacji zastosowano, bo zgodnie z informacjami zawartymi w rozdziale 6, narzędzia to posiada możliwość kompensacji odkształcenia narzędzia jak i całego układu OUPN. 14. Ostatnia uwaga dotyczy powodu wykorzystania do analizy chropowatości powierzchni parametru Ra? Mamy wiele innych parametrów, które może lepiej potrafiłyby opisać zmiany profilu chropowatości podczas obróbki z kompensacją odkształcenia narzędzia. 4. Uwagi redakcyjne Rozprawa jest napisana bardzo starannie. Właściwie nie znalazłem w niej większych błędów edytorskich. Drobne błędy stylistyczne i edycyjne (str.13, 29, 57, rys.6.3, brak wytłumaczonego akronimu w tabeli 2.1) nie wpłynęły istotnie na dużą jakość pracy. Rozdziały redagowane są czytelnie zarówno pod względem stylistycznym jak i edycyjnym. W pracy zachowano jednorodny i dobrze przemyślany układ graficzny, co ułatwia jej zrozumienie. Czytając poszczególne rozdziały widoczna była szczególna staranność w zakresie estetyki informacji graficznych (rysunków, wykresów itd.). Należy podkreślić, że rysunki wykonano bardzo starannie. Doktorant próbował z dużym sukcesem przedstawić w formie przemyślanych, własnych grafik pewne zagadnienia techniczne czy informacje literaturowe ważne dla treści pracy, co dotyczyło głównie jej pierwszych rozdziałów. Pozwoliło to podnieść atrakcyjność szaty graficznej pracy, a tym samym istotnie zwiększyło jej czytelność. 5. Ocena końcowa Powyższe uwagi krytyczne nie podważają istotnej treści merytorycznej rozprawy ani nie umniejszają osiągnięć Doktoranta, który udowodnił, że posiada dużą wiedzę z zakresu projektowania i testowania narzędzi mechatronicznych, a dodatkowo wykazał się wiedzą z obszaru analizy sygnału i szeroko pojętej automatyki przemysłowej. Dodatkowo Doktorant wykazał się znacznymi umiejętnościami z zakresu planowania i przeprowadzenia badań eksperymentalnych jak i opracowania i merytorycznej analizy ich wyników. 6

7