Modelling of non-smooth behaviour in manufacturing related self-excited vibration problems  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124362
Type PD
Principal investigator Dombóvári, Zoltán
Title in Hungarian Megmunkálási eljárások esetén fellépő öngerjesztett rezgések nemsima hatásainak modellezése
Title in English Modelling of non-smooth behaviour in manufacturing related self-excited vibration problems
Keywords in Hungarian chatter, öngerjesztett, nemsima, nemlineáris, átrepülés, marás, görgőzés
Keywords in English chatter, self-excited, non-smooth, nonlinear, flyover, milling, rolling
Discipline
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)80 %
Mathematics (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Engineering mathematics
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Műszaki Mechanikai Tanszék (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2017-09-01
Closing date 2021-02-28
Funding (in million HUF) 15.219
FTE (full time equivalent) 2.45
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A projekt folyamán nagyméretű gyártógépek dinamikai modellezése a cél, a felmerülő gerjesztett és öngerjesztett rezgések leírásával, figyelembe véve a rezgéseket határoló úgynevezett küszöbhatásokat és digitális szabályozási mechanizmusokat. Forgácsolási folyamat esetére marási eljárás, alakító gyártási folyamatok esetére tengelygörgőzés modellezése a feladat, melyek mind alkalmasak nagyméretű, nagyértékű és kifáradási hatásoknak ellenálló munkadarabok legyártására autó-, energetikai, repülőgép- és vasútipar számára. Folyamatleírási szempontból a szakaszosan sima hatások kezelése - marás esetén az él-átrepülés, tengelygörgőzés esetén a rugalmas-képlékeny váltás – fontossá válik az adott megmunkálási folyamat dinamikai viselkedésének pontosabb ismerete érdekében. Marás esetén az él-átrepülésnek fontos szerepe van a mostanában kifejlesztett, vagy a jövőben kifejlesztésre kerülő rezgésfojtó fél-aktív vagy aktív eljárások hatékony működése szempontjából. Másrészről, tengelygörgőzés esetén a rugalmas-képlékeny átmenetnek és az akkor felmerülő felkeményedésnek jelentős hatása van a kifejlesztett szerszámgép dinamikai tulajdonságára és az alkalmazott hidraulikus erőszabályozás szempontjából. Mindkét esetben digitális szabályozás során alkalmazott aktuátorok szaturálódhatnak, melynek hatásának ismerete fontossá válik az egész megmunkálási, mint mechatronikai rendszerre tekintve. A javasolt projekt célja, hogy megalkossa ezen folyamatok mechanikai modelljeit, illetve az azokon végzett időbeli szimulációhoz és stabilitás vizsgálathoz szükséges numerikus módszereket. Továbbá, a projekt gondoskodik a modellek teszteléséről és validálásáról a nemzetközi ipari kapcsolatokon keresztül.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A fő kutatási kérdés a megmunkálási eljárások modellezése, melyek regeneratív hatásnak és rezgést határoló küszöbhatásnak vannak kitéve öngerjesztett módon. A regeneratív hatás során a munkadarabra másolódott múltbeli rezgés újra gerjeszti a szerszámgépet, mely késleltetett differenciálegyenletekkel írható le. Ezen végtelen dimenziós matematikai rendszerek nemsima hatásokkal terheltek, amikor – marás esetén – a szerszám elhagyja a munkadarabot, valamint amikor – tengelygörgőzés esetén – a deformáció rugalmas-képlékeny átmeneten halad keresztül a felkeményedés hatásával együtt. A modellezési kérdéseken felül ezen összetett mechatronikai, mechanikai és hidraulikus rendszerek dinamikai viselkedésének meghatározására alkalmas numerikus módszerek is csak részben állnak rendelkezésre. A projekt kifejleszti a hiányzó numerikus eljárásokat, mellyel képes bifurkációkövetést elvégezni nemsima invariáns tórusz számításával. Így a projekt alkalmas komplex megmunkálási folyamatoknak eredő viselkedésének meghatározására instabil stacionárius megmunkálás esetén is. Fontos kiemelni, hogy a nemsima invariáns tóruszok számításához megfelelő adaptív hálózást kell alkalmazni, mely dinamikusan képes követni a kapcsolófelületek vándorlását. Az így kifejlesztett modelleknek alkalmasnak kell lennie a mért felépítményből eredő dinamika, a nemlineáris, empirikus forgácsoló és alakító erőnek és a regeneratív hatásoknak az együttes figyelembevételére. A kiválasztott regeneratív marási, illetve tengelygörgőzési modellek ipari körülmények között kerülnek tesztelésre és validálásra az ipari partnerek segítségével.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az új évezred eljövetelével az elektronikus rendszerek mind árukban mind méretükben egyaránt csökkentek, mindeközben gyorsaságuk egyre nőtt. Ezen elektronikai rendszerek beszivárognak hétköznapi életünkbe összekötve felhasználókat, illetve számítógépeket. Ipari szakértők előrevetítik a negyedik ipari forradalom eljövetelét a megmunkálóiparban az internethez kapcsolható eszközök segítségével. Ez a tendencia növelni fogja a megmunkálógépek automatizáltságát oly módon, hogy azok képesek lesznek felmérni és megfelelően beavatkozni, ha minőséget befolyásoló káros rezgések keletkeznek. Ebből a szempontból a nem várt rezgések megszüntetése különös jelentőséggel bír. Ehhez szükségesek olyan megbízható elméleti modellek, melyek alkalmasak megmagyarázni az ezeknél a – meglehetősen bonyolult – folyamatoknál fellépő hatásokat. Továbbá, a kiber-fizikai rendszerek (CPS) alkalmazása megváltoztatja a megmunkálógépek átfogó dinamikai tulajdonságát a hozzáadott aktuátorok szaturációján, illetve a mintavételezésen keresztül. Egy CPS megmunkálógépnek (Ipar 4.0) rendelkeznie kell olyan eszközökkel és módszerekkel, mellyel a megmunkálás során keletkező erő-, illetve öngerjesztett rezgések csökkenthetők. Marás esetén, az él-átrepülés hatása, illetve tengelygörgőzés esetén a rugalmas-képlékeny átmenet modelljei nem léteznek, melyek kiemelkedő fontosságúak hatékony fél-aktív és aktív megmunkálás rezgésmentesítésére alkalmas eszközök megalkotásában. Továbbá, a beépített aktuátorok esetén létrejövő szaturáció modellezése, illetve a megfelelő mintavételezési frekvencia megválasztása is nagy jelentőséggel bír a stabil rezgésszabályozás létrehozásához. A javasolt projekt kutatója bízik a projekt keretein belül kifejlesztett modellek és eljárások fontosságában, melyek alkalmasak kielégíteni a 21. században a megmunkálóközpontokkal szemben támasztott követelményeket. Közvetett módon az eredmények elősegítik gyártó cégek versenyképességét. Megemlítendő, hogy a nemsima kváziperiódikus késleltetett egyenlet megoldása teljesen új, önmagában is alkalmazható eredménynek tekinthető.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Teljesen kézenfekvő manapság autóval, vonattal vagy repülővel közlekedni. Természetes az elektromosság felhasználata is bármilyen közelünkben lévő eszköz működtetéséhez. Azonban azok a gépek, melyek gépeket, járműveket vagy esetleg erőművi alkatrészeket gyártják teljesen rejtetten végzik feladatukat. Ezek a gyártóeszközök egy közelgő ipari forradalom előtt állnak, melynek során az internet és a gyors kompakt elektronikai áramkörök majdnem teljes automatizáltságot fognak okozni. Azonban ezek a gyártóeszközök meglehetősen érzékenyek a gyártási környezet megváltozására, kopás, hő vagy rezgések hatására. A minőség megtartása érdekében elengedhetetlen a megmunkálás rezgésmentesítése, különös tekintettel a termelékenység esetleges növelése mellett. Ez nagyobb sebességeket, fürgébb mozgásokat okoznak. Ezen új kihívásoknak megfelelő szerszámgépnek fel kell ismernie szituációkat, melyek esetén rezgések veszélyeztetik a gyártást és önműködően be kell avatkozniuk. A projekt két anyagleválasztással és képlékeny deformációval dolgozó eljárással (marás és tengelygörgőzés) foglalkozik, mely nagyipari nagydarabszámú gyártásnál elengedhetetlen eljárások autó-, energetikai és vasútipar számára. Például marással állítják elő az autók elektronikus vagy belsőégésű motoralkatrészeit, vagy görgőzéssel erősítik a nagysebesség vonattengelyeket. Mivel, mind az autópark, mind a vonatpark folyamatos lecserélés előtt áll, a megfelelő és versenyképes gyártási kapacitás biztosítása elengedhetetlen feladat. E gépek modellezésével a beavatkozáshoz szükséges számítások elvégezhetők, mely mind a szerszámgép előállítónak, mind a végfelhasználónak is előnyt szerez.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In this project, the dynamical modelling of heavy-duty manufacturing processes is carried out considering forced and self-excited vibrations and their limiting phenomena, as well as the effect of digital control mechanisms. Subtractive and deforming manufacturing processes, namely, milling and axles rolling are investigated in this framework, which both are important to produce large, high-valued and fatigue resistant parts for automotive, energy, avionic and rail industries. From process point of view, the modelling of limiting piecewise smooth threshold phenomena, in milling the fly-over and in axles rolling the elastic-plastic relay are of importance, in order to know more accurately the dynamic behaviour of the corresponding manufacturing processes. In milling, the fly-over effect, when the cutting edge abruptly leaves the surface, has great influence on the efficiency of today’s semi-active and active vibration attenuation techniques. Also, in axles rolling the elastic-plastic deformation and its stiffening behaviour are greatly important to model helping to set on effective hydraulic control methodology of this cold forming manufacturing process. In both controlled processes, the effect of actuation saturation and sampling need to be modelled accurately to select appropriate equipment for the machine tools in the design stage. The project is about to deliver the mechanical models for such controlled manufacturing processes, as well as, the necessary numerical techniques to perform time domain simulations and stability calculations. Moreover, by the help of the international industrial partners the validations of these developed models will be carried out.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main research question is how to model such heavy-duty manufacturing processes that are subjected to self-excited regenerative effects and influenced by non-smooth limiting threshold phenomena. The regeneration, when the past vibration pattern left on the surface excites the machine tool, can be described mathematically by delayed differential equations. These infinite dimensional mathematical systems are effected here by the non-smooth phenomena, when the tool leaves the surface in milling or when deformation switches between elastic & plastic state in axles rolling. By modelling sampling and actuator saturation the mechanical model becomes enormous challenge to solve, which is confronted by the proposed project. Beside the complex modelling of the controlled combined mechatronic, hydraulic and mechanic system their solution techniques are only partly developed. The project is about to create, numerical techniques to perform continuations taking into account non-smooth invariant torus solution, which is important to predict the resultant behaviour of the manufacturing processes under unstable stationary circumstances. This non-smooth torus solution needs special consideration by using adaptive meshing that can dynamically follow the switching surfaces during the iteration steps. The models developed here have to cooperate with onsite structural measurements, the nonlinear and non-smooth empirical cutting or deforming force characteristics and the regenerative manner of the operation. For both selected regenerative milling and rolling processes the developed models are tested and validated in industrial environment by the international industrial partners.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
From the beginning of the new millennium, the size and prices of electric systems are reduced and their speed were continuously increased. These electronic systems have leaked into our daily life connecting users and computers through internet. The experts expect a new 4th industrial revolution also in manufacturing, based on embedded systems and internet of things (IoT). This tendency increases automation and machine tools is able to self-characterize and self-act to control the quality of the just produced products. In this manner, the automatic elimination of harmful vibrations is a must. Moreover, the application of these embedded cyber physical systems (CPS) changes the entire dynamics introducing actuators with their saturations, and global sampling of the usually cascade realisation of the control mechanisms. An effective CPS machine tool compatible with the EU roadmap Industry 4.0 has to be prepared with equipment and methodologies to attenuate forced and self-excited vibrations as much as it is possible. In process-wise the fly-over mechanisms in milling and the elastic-plastic relay in axles rolling have not effectively modelled yet, although their effect on semi-active and active damping techniques are not a question. Moreover, the deployed control has its own limitations, which needs to be modelled related to its saturation limit. Also, it has of importance to choose the right sampling frequency to have an effective control mechanism. The researcher of the proposed project believes the solution of the explained modelling issues will help for the industry to set up more automatic machine tools that are completely fitting to 21st century requirements. Indirectly, this helps to keep the competitive level of EU companies introducing more automation. Since the machine tool industry is quite conservative there is no any actively effective controlling mechanism mounted in commercial machine tools yet, but the push of the demand is enormous nowadays. Moreover, the mathematical methods for non-smooth quasiperiodic delayed systems are novel and the proposed project will provide general methodologies for solutions.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
It is self-evident to use daily transportation with cars, trains and planes. It is also natural to use electricity only plugging our gadgets into the connector. However, the machines that are responsible for producing transportation vehicles or parts for power plants are completely hidden from the public, although these are facing with a new industrial revolution. In this new world, factories will be equipped with almost entirely automatized manufacturing. These machine tools operate under sensitive laws subjected to wear, heat and ultimately vibrations. In order to keep quality, the calm operation of these machines has to be ensured by still increasing productivity, too. This induces higher production speed, more agile motions during productions. The machine tool fit to the new industrial revolution has to self-characterize and self-act if harmful vibration appears ruining quality and in extreme case causing malfunctions in machine operations. The project describes two main subtractive and deforming, large-scale, heavy-duty processes, namely, the milling and axles rolling. Both processes are unavoidable in automotive, energy, avionic and rail industries. For example, milling is important to produce car engines (combustion or electric), while axles rolling increases the fatigue life and through safety of high speed train wheels. Considering, both cases cars and trains are about to be replaced for electric and electric/high speed ones, respectively, these manufacturing processes are extremely important. Moreover, the increase of automation based on the models developed in this project keeps the competitive level of EU machine tool builders and end-users.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A project célja eljárások kifejlesztése olyan fémmegmunkálási eljárásokhoz, melyek valamely – szerszám és/vagy munkadarab általi – forgó főmozgás hatására előidézik a felület regenerálódását. A projekt ideje alatt a vezető kutató (v.k.) megalkotta a tengelygörgőzés nemsima dinamikai modelljét. A v.k. megmutatta, hogy a tengelygörgőzés eljárása destabilizálódhat regeneratív hatás következtében. Lassú paraméterváltozásnak kitett marási eljárás alapmodellje került meghatározásra, melynek segítségével a v.k. megmutatta, hogy ezen eljárások más paraméterérték esetén vesztik el stabilitásukat mint az állandó paraméterű megfelelője. Az időben megszakított marási eljárás szerszámélszögek általi optimalizálásához kifejlesztett a v.k. egy eljárást. Esztergálási eljárás segítségével megmutattuk, hogy a stabilizálás mellett a digitális szabályozás destabilizálhatja is az eljárást. A v.k. megmutatta a nemlineáris bistabil tartomány létezését ipari marási eljárások esetén, mely nagyban egyezett az elméleti modellek eredményeivel. A v.k. publikált egy új formulát, mely segíti a harmonikusan változó élszögű marószerszámok élköszörülését. Kollaboráció keretein belül kifejlesztettünk egy hangolható asztalt és digitális szabályozását, mely alkalmas vékonyfalú munkadarabok megmunkálásának javítására. A v.k. publikált egy új algoritmust, mely alkalmas mért jelek közvetlen modellezésben való felhasználására is. Ezt az algoritmust később Kálmán-szűrő behangolására is alkalmaztuk.
Results in English
The aim of the project was to develop new mathematical and numerical tools to deal with manufacturing processes. Rotary parts or tools, or both can produce the surface regeneration. During the project the principle investigator (PI) has introduced the new nonsmooth model for axles rolling process. It was shown that the rolling process can lose its stability only due to the regenerative effect. The PI introduced slowly varying parameter model of the milling process, where he had shown the stability limit shifts compared to the autonomous case. The intermittent milling process was optimized by the PI by varying the pitch angles in the subsequent edges of the milling tool achieving much higher material removal rate. In turning, velocity feedback control was achieved, and it was shown that, besides its stabilized regions, the control can destabilize the already stable turning process. The PI showed the existence of the nonlinear bistable zone experimentally in milling. The PI introduced new formulae to extract harmonically varying edges for milling tools to perform interrupted finishing operations. With a collaboration, based on the PI’s idea, we developed a tunable table, with which thin wall machining can be improved. This semi-active control has an iterative nonsmooth tuning algorithm. The PI had presented a new method to deal with machine tool dynamics directly extracted from measured data, with which a Kalman filter was also introduced to a milling force measurement device.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124362
Decision
Yes





 

List of publications

  
Munoa J., Sanz-Calle M., Dombovari Z., Iglesias A., Pena-Barrio J., Stepan G.: Tuneable clamping table for chatter avoidance in thin-walled part milling, CIRP ANNALS-MANUFACTURING TECHNOLOGY 69: (1) pp. 313-316., 2020
Dombóvári Zoltán, Jokin Munoa, Rachel Kuske, Gábor Stépán: Milling stability for slowly varying parameters, PROCEDIA CIRP x: pp. 1-4., 2018
Faragó Dénes, Ruben Marino, Dombóvári Zoltán: On Basic Modeling of the Dynamics of Axles Rolling Process, IFACOL 51: (14) pp. 282-287., 2018
Alex Iglesias, Jokin Munoa, Dombóvári Zoltán: Stability of Variable Pitch Milling Tools in Interrupted Cutting Processes, In: ASME IDETC CIE MSNDC 2019, (2019) p. 1., 2019
Bobor Kristóf, Szlancsik Attila, Dombóvári Zoltán: Tengelygörgőzés Numerikus Mechanikai Szimulációja, In: Bertóti, Edgár (szerk.) XIII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK 2019), (2019) p. 1., 2019
Dombóvári Zoltán, Bachrathy Dániel, Stépán Gábor: Optimization of Edge Geometry of Cylindrical Milling Tools to Enhance Dynamic Stability, In: ASME IDETC CIE MSNDC 2019, (2019) pp. 1-5., 2019
Dombóvári Zoltán, Iglesias Alex, Molnár Tamás Gábor, Habib Giuseppe, Munoa Jokin, Kuske Rachel, Gábor Stépán: Experimental Observations on Unsafe Zones in Milling Processes, PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS OF THE ROYAL SOCIETY A - MATHEMATICAL PHYSICAL & ENGINEERING SCIENCES pp. 1-19., 2019
Dombóvári Zoltán, Stépán Gábor: Marási Eljárások Lineáris Stabilitásának Vonzási Tartománya, In: Bertóti, Edgár (szerk.) XIII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK 2019), (2019) p. 1., 2019
Iglesias Alex, Dombovari Zoltan, Gonzalez German, Munoa Jokin, Stepan Gabor: Optimum Selection of Variable Pitch for Chatter Suppression in Face Milling Operations, MATERIALS 12: (1) 112, 2019
Lehotzky Dávid, Dombóvári Zoltán: Modeling and stability of milling processes with active damping, In: ASME IDETC CIE MSNDC 2019, (2019), 2019
Mancisidor I., Pena-Sevillano A., Dombovari Z., Barcena R., Munoa J.: Delayed feedback control for chatter suppression in turning machines, MECHATRONICS 63: p. 102276., 2019
Dombóvári Zoltán, Bobor Kristóf, Szlancsik Attila, Ruben Merino: Basic Regenerative Modelling of Axles Rolling Process, In: Erhan, Budak (szerk.) 9th International Congress on Machining (UTIS 2018), (2018) p. 1., 2018
Dombovari Zoltan, Sanz-Calle Markel, Zatarain Mikel: The Basics of Time-Domain-Based Milling Stability Prediction Using Frequency Response Function, Journal of Manufacturing and Materials Processing 4: (3) p. 72., 2020
Sanz Markel, Iglesias Alex, Munoa Jokin, Dombovari Zoltan: The Effect of Geometry on Harmonically Varied Helix Milling Tools, JOURNAL OF MANUFACTURING SCIENCE AND ENGINEERING-TRANSACTIONS OF THE ASME 142: (7), 2020
Totis Giovanni, Dombovari Zoltan, Sortino Marco: Upgraded Kalman Filtering of Cutting Forces in Milling, SENSORS 20: (18) p. 5397., 2020
Dombóvári Zoltán, Bachrathy Dániel, Stépán Gábor: Optimization of Edge Geometry of Cylindrical Milling Tools to Enhance Dynamic Stability, In: American Society of Mechanical Engineers Design Engineering Division; American Society of Mechanical Engineers Computers and Information in Engineering Division (szerk.) ASME IDETC CIE MSNDC 2019, ASME (2019) pp. 1-5., 2019
Dombóvári Zoltán, Iglesias Alex, Molnár Tamás Gábor, Habib Giuseppe, Munoa Jokin, Kuske Rachel, Gábor Stépán: Experimental Observations on Unsafe Zones in Milling Processes, PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS OF THE ROYAL SOCIETY A - MATHEMATICAL PHYSICAL & ENGINEERING SCIENCES 377: (2153) pp. 1-18., 2019
Dombóvári Zoltán, Stépán Gábor: Marási Eljárások Lineáris Stabilitásának Vonzási Tartománya, In: Bertóti, Edgár (szerk.) XIII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK 2019), (2019) p. 1., 2019
Iglesias Alex, Dombovari Zoltan, Gonzalez German, Munoa Jokin, Stepan Gabor: Optimum Selection of Variable Pitch for Chatter Suppression in Face Milling Operations, MATERIALS 12: (1) 112, 2019
Iklódi Zsolt, Asier Astarloa, Dombóvári Zoltán: Vibration attenuation of boring bars with nonlinear control force, MM Science Journal 2019: (November) pp. 3086-3092., 2019
Mancisidor I., Pena-Sevillano A., Dombovari Z., Barcena R., Munoa J.: Delayed feedback control for chatter suppression in turning machines, MECHATRONICS 63: p. 102276., 2019
Dombóvári Zoltán, Bobor Kristóf, Szlancsik Attila, Ruben Merino: Basic Regenerative Modelling of Axles Rolling Process, In: Erhan, Budak (szerk.) 9th International Congress on Machining (UTIS 2018), (2018) p. 1., 2018
Lovász Zoltán, Dombóvári Zoltán: Root Iteration Method for Modal Parameter Identification, In: Pastrama, Stefan Dan; Constantinescu, Dan Mihai (szerk.) 35th Danubia Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics, Editura Printech (2018) LovaszDombovari, 2018



Back »