 |
Öngerjesztett rezgések megszüntetésének lehetőségei megmunkálási eljárásokban
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
124361 |
| típus |
FK |
| Vezető kutató |
Dombóvári Zoltán |
| magyar cím |
Öngerjesztett rezgések megszüntetésének lehetőségei megmunkálási eljárásokban |
| Angol cím |
Suppression of self-excited vibration in manufacturing processes |
| magyar kulcsszavak |
csillapítás, rezgés, chatter, marás, görgőzés, szabályozás |
| angol kulcsszavak |
suppression, vibration, chatter, milling, rolling, control |
| megadott besorolás |
| Műszaki Mechanika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 70 % | | Matematika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 30 % | | Ortelius tudományág: Műszaki matematika |
|
| zsűri |
Műszaki és Természettudományi zsűrielnökök |
| Kutatóhely |
Műszaki Mechanikai Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Berezvai Szabolcs
Bobor Kristóf
Faragó Dénes
Hénap Gábor
Kossa Attila
Lehotzky Dávid
Magyar Bálint
Miklós Ákos
Szlancsik Attila
|
| projekt kezdete |
2017-09-01 |
| projekt vége |
2022-08-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
33.116 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
9.43 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló 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 alkalmával 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 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 folyamatra, 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 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. Tengelygörgőzés esetén olyan felkeményedő megmunkálási erő modell teljes mértékben ismeretlen, mely alkalmas dinamikai szimulációk elvégzésre. Ennek megalkotásához nemlineáris végeselemes szimulációk és tesztberendezésen elvégzett méréseket végzünk el. A kiválasztott regeneratív marási, illetve tengelygörgőzési modellek ipari körülmények között kerülnek tesztelésre és validálásra az ipari partnerek segítségével. Fontos, hogy ezen modellek alapján a rezgések csillapítására alkalmazott szabályozási eljárások optimalizálásával lehetséges a vizsgált megmunkálási eljárások produktivitásának növelése.
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 vezető 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. Mind a kiválasztott marás és tengelygörgőző eljárás nagydarabszámú gyártásban vesz részt, ahol a drága szakértői beavatkozást ki lehet váltani megfelelő modellel ellátott CPS megoldásokkal.
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.
| angol összefoglaló 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 actuator 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 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 develop also, 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. In axles rolling, the behaviour of the elastic-plastic stiffening deforming force is completely unknown. In order to develop a model for it, numerical nonlinear finite element calculations and test rig measurements are performed. For both selected regenerative milling and rolling processes the developed models are tested and validated in industrial environment by the international industrial partners. It is important how to set the digital control mechanism to attenuate vibration in the most effective manner keeping or increasing the productivity.
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 are 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 PI 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. Both milling and axles rolling machines are for large scale productions, where companies tries to decrease expensive expert interactions by demanding CPS machine tools.
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.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| 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 | | 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 | | Lehotzky Dávid, Dombóvári Zoltán: Modeling and stability of milling processes with active damping, In: ASME IDETC CIE MSNDC 2019, (2019), 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 | | 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, 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 | | 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 | | 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 | | 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 | | 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 | | Sanz-Calle Markel, Dombovari Zoltan, Munoa Jokin, Iglesias Alexander, López de Lacalle Luis Norberto: Self-Tuning Algorithm for Tuneable Clamping Table for Chatter Suppression in Blade Recontouring, APPLIED SCIENCES-BASEL 11: (6) p. 2569., 2021 | | Lehotzky, D.; Mancisidor, I.; Munoa, J.; Dombovari, Z.: Modeling and stability of milling processes with active damping, near submission, ASME J. Comput. Nonlinear Dynam, DOI: 10.1115/1.4052723, 2021 | | Iklodi, Zs.; Barton, D.A.W.; Dombovari, Z.,: Bi-stability induced by motion limiting constraints on boring bar tuned mass dampers, Journal of Sound and Vibration, DOI: 10.1016/j.jsv.2021.116538, 2021 | | Bartfai Andras, Dombovari Zoltan: Hopf bifurcation calculation in neutral delay differential equations: Nonlinear robotic arms subject to delayed acceleration feedback control, INTERNATIONAL JOURNAL OF NON-LINEAR MECHANICS 147: 104239, 2022 | | Iklodi Zsolt, Barton David A.W., Dombovari Zoltan: Bi-stability induced by motion limiting constraints on boring bar tuned mass dampers, JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION 517: 116538, 2022 | | Gábos Zoltán, Dombóvári Zoltán: Szerszámgéprezgések csillapítása passzív piezoelektromos rendszerrel, In: Barabás, István (szerk.) XXIX. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT 2021, Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT) (2021) pp. 278-281., 2021 | | Iklódi Zsolt, Dombóvári Zoltán: Elmozdulásában korlátozott lengésfojtó periodikus pályái, In: Barabás, István (szerk.) XXIX. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT 2021, Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT) (2021) pp. 36-39., 2021 | | Sanz-Calle M., Munoa J., Iglesias A., De Lacalle L.N.L., Dombovari Z.: The influence of radial engagement and milling direction for thin wall machining: A semi-analytical study, PROCEDIA CIRP 102: pp. 180-185., 2021 | | Totis Giovanni, Dombovari Zoltan, Sortino Marco: Upgraded Kalman Filtering of Cutting Forces in Milling, SENSORS 20: (18) 5397, 2020 | | Iklódi Zsolt, Asier Astarloa, Dombóvári Zoltán: Vibration attenuation of boring bars with nonlinear control force, MM Science Journal 2019: (November) pp. 3086-3092., 2019 | | Bartlfai, A., Barrios, A., Dombovari, Z.: Stability Analysis of a One Degree-of-Freedom Robot Model with Sampled Digital Acceleration Feedback Controller in Turning, Proceeding on ASME IDETC-CIE, MSNDC, 14-17 August 2022, St. Louis, MO, USA, pp. 1-8., 2022 | | Bartlfai, A., Kuske, R., Dombovari, Z.: On the finite-time stability of dynamic stability loss in a single degree of freedom system, Proceeding on ISMA, accepted July 2022, Leuven, Belgium, pp. 1-12., 2022 | | Munoa, J.; Dombovari, Z.; Miklós, A.; Stépán, G.; András, T.: Tuneable Stiffness and Damping Clamping Device for Machine Tools (Hangolható merevségű és csillapítású befogó eszköz szerszámgéphez), P2000020/5 (2020), lajstromszam: 231331, 2022 | | Iklódi, Zs., Beudaert, X., Dombóvári, Z.: On the Modelling Bases of in-Motion Dynamic Characterization of Flexible Structures Subject to Friction and Position Control Delay, Proceeding on ASME IDETC-CIE, MSNDC, 14-17 August 2022, St. Louis, MO, USA, pp. 1-8., 2022 | | Gábos, Z., Dombóvári, Z.: Stability Analysis of Stable Branches for a Stochastically Excited one Degree-of-Freedom System with Cubic Geometric Nonlinearity, Proceeding on ASME IDETC-CIE, MSNDC, 14-17 August 2022, St. Louis, MO, USA, pp. 1-8., 2022 | | Gabos, Z., Gazdagh, Z., Dombovari, Z.: Case study on experimental identification of a single degree of freedom nonlinear mechanical system, Proceeding on ISMA, accepted July 2022, Leuven, Belgium, pp. 1-12., 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
