AUTOMATYKA 2011 Tom 15 Zeszyt 2 Marcin Matuszak* Charakterystyka systemów pomiarowych do badañ parametrów dynamicznych procesu mikrofrezowania 1. Wprowadzenie Proces frezowania, a w szczególnoœci mikrofrezowania, charakteryzuje siê wystêpowaniem szeregu parametrów, które maja wp³yw na jakoœæ wykonywanych podzespo³ów. Szczególny wp³yw na proces ma wystêpowanie czynników dynamicznych takich jak drgania. Wystêpowanie drgañ samowzbudnych zarówno wynikaj¹cych z regeneracji œladu jak i tarcia narzêdzia o przedmiot obrabiany opisano w pracach [1, 2, 3]. Drgania wystêpuj¹ce podczas obróbki maj¹ negatywny wp³yw na jakoœæ obrobionych powierzchni oraz trwa- ³oœæ narzêdzia. Badania dynamiki procesu frezowania, a w szczególnoœci mikrofrezowania, wymagaj¹ odpowiedniego systemu pomiarowego umo liwiaj¹cego rejestracjê i analizê czynników wp³ywaj¹cych na dynamikê procesu. W Centrum Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie zbudowano system pomiarowy umo liwiaj¹cy pomiar wybranych parametrów dynamicznych procesu mikrofrezowania. Z punktu widzenia analizy procesu za najistotniejsze parametry, których pomiaru dokonywano uznano si³y skrawania, przyœpieszenia oraz akustykê procesu. 2. System pomiarowy Schemat blokowy systemu pomiarowego parametrów dynamicznych procesu mikrofrezowania przedstawiono na rysunku 1. Rolê uk³adu akwizycji danych spe³nia urz¹dzenie LMS Scadas III, które umo liwia rejestracjê sygna³ów o czêstotliwoœci do 25 khz. Wartoœæ ta jest wystarczaj¹ca podczas * Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydzia³ In ynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zak³ad Urz¹dzeñ Mechatronicznych, Instytut Technologii Mechanicznej 327
328 Marcin Matuszak badania procesu mikrofrezowania. Uk³ad akwizycji danych pod³¹czony zosta³ do komputera klasy PC, na którym zainstalowano oprogramowanie umo liwiaj¹ce eksport zarejestrowanych danych do systemu MATLAB w celu ich dalszej analizy. Rys. 1. Schemat blokowy systemu pomiarowego Do pomiaru si³ skrawania zastosowano si³omierz Kistler 9256C1. Jest to najmniejszy obecnie dostêpny komercyjnie produkowany si³omierz do pomiaru si³ skrawania. Jednoczeœnie jest to si³omierz, którego czêstotliwoœæ drgañ w³asnych jest najwiêksza z poœród dostêpnych si³omierzy. Si³omierz zosta³ po³¹czony ze wzmacniaczem ³adunku, który zosta³ pod³¹czony do uk³adu akwizycji danych. System pomiarowy zosta³ równie wyposa ony w jednoosiowe akcelerometry PCB 352B10 umo liwiaj¹ce pomiar przyœpieszeñ w wybranych miejscach mikroobrabiarki. Akcelerometry te umo liwiaj¹ pomiar sygna³u o czêstotliwoœci 1 Hz 17 khz. Dodatkowo system pomiaru drgañ wyposa ono w mikrofony umo liwiaj¹ce pomiar akustyki procesu. M³otek modalny umo liwia zbadanie odpowiedzi impulsowej poszczególnych elementów systemu pomiarowego. Szczególnie istotne jest to w przypadku si³omierza, którego drgania w³asne mog¹ mieæ wp³yw na rejestrowan¹ si³ê skrawania. 2.1. Problemy pomiaru si³ skrawania Pomiar i analiza si³ skrawania wystêpuj¹cych podczas frezowania maj¹ kluczowe znaczenie dla zrozumienia procesu oraz doboru jego optymalnych parametrów. Ponadto anali-
Charakterystyka systemów pomiarowych do badañ parametrów dynamicznych... 329 za czêstotliwoœciowa si³ skrawania pozwala wykrywaæ powstawanie drgañ. Wad¹ prowadzenia pomiaru si³ jest koniecznoœæ zastosowania si³omierza, na którym mocowany jest przedmiot obrabiany. Si³omierz taki charakteryzuje siê ograniczon¹ sztywnoœci¹ i wystêpowaniem drgañ w³asnych, co mo e wp³ywaæ na zarejestrowane przebiegi si³ skrawania. Pomiar si³ skrawania w skali mikro wymaga pokonania pewnych trudnoœci pomiarowych. Wartoœci si³ skrawania wystêpuj¹ce w procesie mikrofrezowania mog¹ byæ mniejsze od 1 N. Tak ma³a wartoœæ si³ skrawania wymaga odpowiedniego ekranowania toru pomiarowego oraz uziemienia aparatury pomiarowej. Najmniejsze komercyjne produkowane si³omierze maj¹ czêstotliwoœæ drgañ w³asnych blisk¹ 5 khz [2, 4]. Tak niska czêstotliwoœæ drgañ w³asnych mo e byæ niewystarczaj¹ca w przypadku badania procesu mikroobróbki, poniewa dla mikrofreza o dwóch ostrzach i obrotów 120 000 obr./min czêstotliwoœæ wymuszenia wynosi 4 khz. W celu kompensacji drgañ w³asnych si³omierza mo na skorzystaæ z filtra Kalmana [5]. Spotykane s¹ równie eksperymentalne konstrukcje si³omierzy, których czêstotliwoœæ drgañ w³asnych jest wiêksza ni komercyjnie produkowanych si³omierzy [6]. Drgania w³asne si³omierza mog¹ mieæ równie znaczenie podczas pomiaru dynamicznych si³ skrawania pochodz¹cych od narzêdzia obracaj¹cego siê z miniejsz¹ prêdkoœci¹ obrotow¹. Wynika to z dynamicznego charakteru si³y skrawania, pochodz¹cej od ostrza freza wcinaj¹cego siê w materia³. Na rysunku 2 przedstawiono zarejestrowany, przyk³adowy sygna³ si³y skrawania w kierunku posuwowym, dla posuwu wynosz¹cego 0,2 µm na ostrze oraz jego S-transformacjê. S-transformacja umo liwia lepsz¹ obserwacjê sygna³u ni krótkoczasowa transformata Fouriera [7, 8]. Podczas obliczania S-transformacji sygna³u d³ugoœæ okna sygna³u, dla którego obliczana jest transformata Fouriera, dobierana jest dynamicznie w zale noœci od czêstotliwoœci sygna³u. Rys. 2. Przebieg si³y skrawania w kierunku posuwowym, dla posuwu równego 0,2 µm na ostrze oraz jej S-transformacja
330 Marcin Matuszak W chwilach gdy wartoœæ si³y skrawania osi¹ga maksimum na wykresie S-transformacji widoczne s¹ wzrosty amplitudy w okolicach czêstotliwoœci 6 khz. Czêstotliwoœæ wymuszenia wynikaj¹ca z prêdkoœci obrotowej freza oraz liczby jego ostrzy wynosi³a 600 Hz. Pojawianie siê odpowiedzi uk³adu dla czêstotliwoœci 6 khz wynika najprawdopodobniej z wystêpowania drgañ w³asnych si³omierza w chwili pojawienia siê impulsowego wymuszenia si³¹ skrawania. Kiedy si³a skrawania maleje, zanikaj¹ równie drgania o czêstotliwoœci 6 khz. Na rysunku 3 przedstawiono sygna³ si³y skrawania w kierunku posuwowym, dla posuwu wynosz¹cego 0,9 µm na ostrze oraz jego S-transformacjê. Drgania wystêpuj¹ce dla czêstotliwoœci bliskiej 6 khz s¹ du o mniejsze ni w przypadku posuwu równego 0,2 µm. Na wykresie S-transformaty bardzo wyraÿnie widoczna jest czêstotliwoœæ wymuszenia, która wynosi³a ok. 600 Hz. Rys. 3. Przebieg si³y skrawania w kierunku posuwowym, dla posuwu równego 0,9 µm na ostrze oraz jej S-transformacja 2.2. Problemy pomiaru przyœpieszeñ Pomiar przyœpieszeñ wystêpuj¹cych w procesie mikrofrezowania jest obarczony mniejszymi b³êdami ni pomiar si³. Czêstotliwoœæ drgañ w³asnych akcelerometrów le y znacznie powy ej dostêpnego pasma pomiarowego. Akcelerometr mo e zostaæ zamontowany w dowolnym miejscu mikroobrabiarki i w opisywanym przypadku nie wnosi zak³óceñ do badanego procesu (jego masa mo e zostaæ pominiêta). Pomiar przyœpieszeñ mo e nie dostarczyæ jednak tak wielu informacji jak pomiar innych wielkoœci. Wyznaczenie wartoœci przemieszczeñ ze zmierzonego przyœpieszenia wymaga dwukrotnego ca³kowania zarejestrowanego sygna³u. Zarejestrowane wartoœci przyœpieszeñ, a po podwójnym sca³kowaniu przemieszczeñ s¹ bardzo ma³e (rys. 4).
Charakterystyka systemów pomiarowych do badañ parametrów dynamicznych... 331 Przebieg przyœpieszeñ w kierunku posuwowym dla posuwu 0,9 µm oraz jego S-transformacjê przedstawiono na rysunku 5. Na wykresie S-transformacji wyraÿnie widoczna jest czêstotliwoœæ wymuszenia wynosz¹ca ok. 600 Hz pochodz¹ca od ostrzy freza wcinaj¹cych siê w przedmiot obrabiany. Rys. 4. Przebiegi przyœpieszeñ, przyœpieszeñ po jednokrotnym sca³kowaniu (prêdkoœæ) oraz dwukrotnym sca³kowaniu (przemieszczenie) Rys. 5. Przebiegi przyœpieszenia w kierunku posuwowym zarejestrowanego podczas obróbki dla posuwu równego 0,9 µm na ostrze oraz jego S-transformacja
332 Marcin Matuszak 2.3. Problemy pomiarów akustycznych Przeprowadzenie pomiaru akustyki procesu mikroskrawania wydaje siê najprostsze z punktu widzenia przygotowania eksperymentu i monta u urz¹dzeñ pomiarowych. Konieczne jest jedynie ustawienie mikrofonów niedaleko badanego uk³adu. Nie ma potrzeby montowania czujników bezpoœrednio na badanym uk³adzie. Bardzo du ¹ wad¹ pomiaru akustycznego jest jego wra liwoœæ na ró ne zewnêtrzne zak³ócenia. Pomiar akustyki mo- e zostaæ zak³ócony np. przez ha³as pochodz¹cy od osprzêtu mikroobrabiarki (sprê arka, wentylatory ch³odzenia, klimatyzator itp.). Przebieg sygna³u akustycznego zarejestrowanego podczas obróbki dla posuwu 0,9 µm oraz jego S-transformacjê przedstawiono na rysunku 6. Na wykresie S-transformacji trudno zaobserwowaæ dominacjê jakiejœ szczególnej czêstotliwoœci w zarejestrowanym sygnale, co mo e œwiadczyæ o bardzo silnych zak³óceniach akustycznych wystêpuj¹cych podczas eksperymentu. Rys. 6. Przebieg sygna³u akustycznego zarejestrowanego podczas obróbki dla posuwu równego 0,9 µm na ostrze oraz jego S-transformacja 3. Podsumowanie Najbardziej wartoœciowy dla analizy procesu mikrofrezowania, szczególnie w pocz¹tkowym etapie badañ, jest pomiar si³ skrawania. Si³y skrawania daj¹ bezpoœredni¹ wiedzê o zjawiskach zachodz¹cych podczas mikrofrezowania. Pomiar si³ skrawania mo e byæ obarczony b³êdami wynikaj¹cymi z wystêpowania drgañ w³asnych si³omierza. Co wiêcej, prowadzenie pomiaru si³ podczas procesu produkcji mo e byæ k³opotliwe. Wady tej pobawione s¹ pomiary przyœpieszeñ oraz pomiary akustyczne.
Charakterystyka systemów pomiarowych do badañ parametrów dynamicznych... 333 Pomiary przyœpieszeñ mog¹ dostarczyæ wiarygodnej informacji o czêstotliwoœciach sygna³ów wystêpuj¹cych w badanym uk³adzie. Dwukrotne ca³kowanie sygna³u przyœpieszeñ w celu otrzymania przemieszczeñ mo e powodowaæ b³¹d pomiarowy, a otrzymane wartoœci przemieszczeñ o amplitudzie dochodz¹cej do 0,02 µm s¹ bardzo ma³e i trudno zweryfikowaæ ich wiarygodnoœæ. Najwiêkszym b³êdem obarczone s¹ pomiary akustyki procesu mikrofrezowania. Sygna³ zarejestrowany przez mikrofony nie dostarczy³ adnych informacji przydatnych do oceny procesu. Zarówno w sygna³ach si³ jak i przyœpieszeñ dominuj¹ca jest czêstotliwoœæ pochodz¹ca od wcinania siê ostrzy freza w materia³ obrabiany. Sygna³ akustyczny nie zawiera w sobie takiej informacji. Literatura [1] Baschin A., Kahnis P., Biermann D., Dynamic analysis of the micromilling process influence of tool vibrations on the quality of microstructures. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 39, No. 9, 2008, 616 621. [2] Malekian M., Park S.S., Jun M.B.G., Modeling of dynamic micro-milling cutting forces. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 49, 2009, 586 598. [3] Park S.S., Rahnama R., Robust chatter stability in micro-milling operations. CIRP Annals Manufacturing Technology, 59, 2010, 391 394. [4] Bissacco G., Gietzelt T., Hansen H.N., Force analysis in micro milling Al 6082 T6 in various engagement conditions. Proceedings of 4M2008 Conference Multi-Material Micro Manufacture, Cardiff: Whittles Publishing Ltd., 2008 [5] Park S.S., Malekian M., Mechanistic modeling and accurate measurement of micro end milling forces. CIRP Annals Manufacturing Technology 58, Maryland Heights: Elsevier, 2009, 49 52. [6] Baú A., Dynamometer for cutting force measurement in micro milling. MSc. Thesis, Lyngby 2007. [7] Stockwell R.G., Why use the S-Transform? Pseudo-differential Operators: Partial Differential Equations and Time Frequency Analysis, vol. 52, 2007, 279 307. [8] Stockwell R.G., S-Transform Analysis of Gravity Wave Activity from a Small Scale Network of Airglow Imagers. PhD thesis. Faculty of Graduate Studies The University of Western Ontario London, Ontario 1999.