 |
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
 |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
132477 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Miklós Ákos |
| magyar cím |
Robotokkal támogatott forgácsolás dinamikája |
| Angol cím |
Dynamics of Robot-Assisted Machining |
| magyar kulcsszavak |
forgácsolás, környezetszimuláció, erőszabályozás |
| angol kulcsszavak |
cutting, hardware-in-the-loop, force control |
| megadott besorolás |
| Műszaki Mechanika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % |
|
| zsűri |
Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki |
| Kutatóhely |
Műszaki Mechanikai Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Béri Bence
Hajdu Dávid
Kádár Fanni
Kiss Ádám
Miklós Ákos
Stépán Gábor
Stépán Gábor
Szaksz Bence Máté
Vizi Máté Benjámin
Zelei Ambrus
|
| projekt kezdete |
2019-12-01 |
| projekt vége |
2023-11-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
46.605 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
11.00 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Számítógéppel szabályozott gépek esetén szabálytalan rezgések jelenhetnek meg, melyek nem magyarázhatók hagyományos rezonanciával vagy paraméteres gerjesztéssel. A robotokkal támogatott forgácsolási megmunkálás ebbe a körbe tartozik. A komplex dinamika forrása az időkésések megjelenése két különböző formában: a megmunkálásból adódó folytonos késés, illetve az erőszabályozású robot esetén fellépő periodikus késés, mintavételezés. Ismert, hogy az időkésés destabilizálja a dinamikai rendszereket. Az időkésések negatív hatásainak kompenzálása és lehetséges pozitív hatásainak kihasználása mechanikai és matematikai eszközökre támaszkodó alapkutatási feladat.
Az időkésések egyik csoportja fizikai eredetű: haladó hullámok közvetítenek bizonyos fizikai hatásokat véges sebességgel. A szerszámgépeken jelentkező regeneratív rezgések ebbe a csoportba tartoznak. A megfelelő matematikai modellek differenciál-differencia egyenletek. Ezek kísérleti validálása sem egyszerű feladat a keletkező rezgések nagy frekvencia tartalma miatt, a stabil és instabil rezgések kusza hálójában gyakran tapasztalhatók kaotikus rezgések.
Az időkésések másik csoportja az információ átadásban keresendő. Mivel a szabályozások ma digitálisak, ez a késés általában az idő diszkretizáláshoz, a mintavételezéshez kapcsolódik. Bár több hasonlóság is található a kétféle időkésés között, a második esetben a matematikai modellek csupán differencia egyenletekre vezethetők vissza. Annak érdekében, hogy elemezzük a nagy rugalmasságú munkadarabok robotokkal támogatott forgácsolásának megvalósíthatóságát, a kétféle időkésés kombinációjának dinamikai hatásait kell feltárni mind elméleti, mind kísérleti vizsgálatokkal.
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 kutatási projekt alább pontokba szedett kérdései képezik a munkacsomagok (WP) alapját:
- Jelenleg nem áll rendelkezésre olyan analitikusan megoldható feladat, mely mind tiszta, mind pedig mintavételezésből származó késleltetést tartalmazó mechanikai rendszert modellez. Így egyelőre nincs olyan mintapélda sem, amit a numerikus algoritmusok teszteléséhez használhatunk.
- A digitális erőszabályozás és a más fizikai alapú késleltető hatások, mint például a forgácsoláskor jelentkező felületi regeneratív hatás közti kölcsönhatás dinamikája nem tisztázott. Az ilyen dinamikai rendszerek tulajdonságainak ismerete pedig meghatározó lehet az instabilitások okainak felismerésében, és azoknak a paramétertartományoknak az azonosításában, ahol a stabilitás visszanyerhető.
- Rugalmas munkadarab esztergálása, illetve rugalmas szerszámmal történő marás emulálása esetén a rendelkezésre álló környezetszimulációs kísérleti eszköz lehetőségei még nincsenek kihasználva. A mintavételezésből származó időkésés, illetve az egyéb fizikai hatásokból származó nagy tiszta késés ugyanúgy befolyásolja az emulált folyamatot, mint a valódi rendszerekben, így azok jól tanulmányozhatók ezzel a kísérleti módszerrel.
- Nagy rugalmasságú munkadarabok robottal támogatott marása dinamikai szempontból nem igazolt, a stabil paramétertartományok eddig nem kerültek azonosításra.
A felmerülő kérdések jelentős része alapkutatás jellegű, elméleti, de a kutatási terv összeállítása során mindig tekintetbe vettük a végső célt, a vékonyfalú munkadarabok robottal támogatott marásának megvalósítását.
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 iparban zajló piaci verseny hajtóerőként szolgál a termékek folyamatos fejlesztéséhez és a gyártás hatékonyságának javításához. A verseny egyik meghatározó területe a környezetvédelem, ide sorolható például a gépek energiafogyasztásának csökkentése vagy a csökkenő anyagfelhasználás a növekvő vásárlói igények kielégítése mellett. Mindez minimális anyagfelhasználású alkatrészekhez vezet. Bár a forgácsolásos anyagmegmunkálási eljárások hátrányaként gyakran a gyártás során bekövetkező magas anyagveszteségi rátát említik, annak pontossága miatt azonban még mindig ez a megmunkálás egyik leggyakrabban alkalmazott módja. Ez a pontosság különösen azért elengedhetetlen, mert az alkatrészek a lehető legkevesebb anyagfelhasználású megmunkálásra vannak optimalizálva, emiatt a szerkezeti elemek vékonyak és rendkívül alacsony tűréssel vannak tervezve. Napjainkban a szerszámgépek képesek teljesíteni ezeket a szigorú elvárásokat, miközben még mindig küzdenek egy problémával, a megmunkálás során fellépő rezgésekkel.
Ezek, az iparban „chatter”-nek nevezett magas frekvenciájú, öngerjesztett rezgések rugalmas munkadarabok esetén különösen kritikusak. Az ilyen viszonylag lágy munkadarabok tipikus példái a ventilátorok, kompresszorok vagy egyes turbinák lapátjai, ahol az áramlástani szempontból optimalizált geometria biztosítása mellett fontos feladat az anyagfelhasználás minimalizálása is. Számos további példa említhető, különösen a repülőgép- és az autóiparból.
Robotokat évtizedek óta használnak szerszámgépek körül, például a munkadarabok és szerszámok cseréjéhez. Ezek a robotok azonban nem használhatók megmunkálási folyamatokban, mivel merevségük és pontosságuk alacsony a szerszámgépekéhez képest. Alkalmazásuknak egy másik területe viszont ígéretes lehet: a fent említett rugalmas munkadarabok merevségét és csillapítását növelhetjük úgy, hogy a robot a megmunkáló szerszámmal ellentétes oldalon megtámasztja a munkadarabot. Ennek elérése érdekében erőszabályozási stratégiát kell alkalmazni, amely különösen azért jelent kihívást, mert maga marási folyamat önmagában is instabillá válhat. A projekt végső célja a robottal támogatott megmunkálás megvalósíthatóságának bizonyítása, illetve alkalmazási korlátjainak azonosítása.
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.
Napjaink iparában a piaci verseny egyik meghatározó területe a környezetvédelem. Ide sorolható például a gépek energiafogyasztásának csökkentése vagy a csökkenő anyagfelhasználás. A kettő összefügg, a kisebb tömeg kevesebb energia felhasználásával jár, és fordítva. A gyártás szempontjából a vékony vagy karcsú elemeket tartalmazó termékek megmunkálása kihívást jelent annak ellenére, hogy napjaink szerszámgépei megfelelően nagy pontossággal képesek dolgozni akár az ezredmilliméteres tartományban is. A problémát az anyag káros rezgésektől mentes megmunkálása jelenti, melynek oka a vékony munkadarab nagyfokú rugalmassága. Míg a statikus deformációkat könnyen számíthatjuk és kompenzálhatjuk, addig az esztergálás vagy marás során esetlegesen fellépő rezgések rámásolódnak a megmunkált felületre, ami selejthez vezet.
A rezgések csökkentésének egyik természetesnek tűnő módja, a kézzel történő megfogás, csillapítás. Ez szerszámgépek esetében amellett, hogy veszélyes, kivitelezhetetlen is, mivel karjaink nem képesek elegendő erőt és csillapítást biztosítani ahhoz, hogy a megmunkálás során fellépő kis amplitúdójú, de nagy frekvenciájú rezgéseket csökkentsük. Megoldás lehet azonban az emberi kéz robotkarral történő helyettesítése. A nehézség az, hogy a robotok az előírt erő biztosítása közben is rezgésbe jöhetnek, hasonlóan az emberekhez, amikor például kezet ráznak, ahelyett, hogy egyszerűen csak kezet fognának, kezet „tartanának”. A projekt célja a kétféle rezgés kombinációjának feltérképezése, illetve megszüntetése robotokkal megtámasztott vékony munkadarabok forgácsolása esetén.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In case of computer controlled machines, intricate dynamical properties can be experienced, irregular vibrations may appear that cannot be explained with the conventional resonance phenomena or parametric excitation. Robot-assisted machining belongs to this category of problems. The source of the complex dynamics is the time delay in two different forms: a pure constant delay on the cutting process side, and a specific time-periodic delay on the force controlled robot side. It is known that, generally speaking, time delays tend to destabilize any dynamical system. The compensation of the negative effects of these delays, and the exploitation of the possible positive effects are challenging tasks.
One source of delays is in the physical system where travelling waves carry the effects of certain actuation. The chatter phenomenon on machine tools belongs to this category. The corresponding mechanical models lead to so-called delay-differential equations. The experimental validation of the models is difficult since the emerging vibrations have complex frequency content, the entangled structure of stable and unstable periodic motions is often related to the appearance of chaotic oscillations.
The other source of delay is embedded in the information transmission. These delays are essentially related to the quantization in time, that is, to the sampling effect. There are similarities between the two kinds of delays, but the mathematical models in the second case are difference equations only. To prove the feasibility of robot-assisted machining of elastic workpieces, the combination of the two kinds of delays and models are to be studied both theoretically and experimentally.
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 basic problems of the research project serve as a basis for the structure of the work packages. These problems can be grouped into the following open questions:
- There are no second order analytical results for mechanical oscillators with combined pure delay and sampling delay, which could be used as test examples for the development of the corresponding algorithms and numerical methods.
- The interplay of digital force control and other sources of pure delay, like the delay in the regenerative effect of cutting processes, are not clarified and the variety of possible dynamic behaviours are not explored. These are relevant in recognizing the sources of instabilities both in laboratory experiments and in industrial practice, and these are also relevant for the identification of the parameter ranges where stabilization can be regained.
- The use of hardware-in-the-loop laboratory environment is not exploited for possible emulation of turning and milling in case of elastic workpieces and tools, where the sampling delays and other possible digital effects (like round-off) could affect the emulation of processes with large pure delays.
- The feasibility of robot-assisted milling of highly elastic workpieces is not verified from dynamics view-point, and the parameter ranges are not identified where this kind of milling operation can be used.
The research tasks are identified accordingly. While some of the particular tasks may look theoretical, the ultimate goal is always kept in mind: test the feasibility of robot-assisted milling of thin-walled workpieces.
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.
The continuous competition in industry serves as a driving force for development of our industrial products and also the efficiency of their manufacturing. One of the essential driving forces is the environment protection: machines must have less and less energy consumption, they must use less and less material while satisfying the increasing demand of the customers. All these lead to machine elements optimized for minimal use of metal and/or plastic materials. Although machining is often blamed for the high material loss ratio that occurs during the cutting processes, it is still a leading way of material processing due to its high, actually, to its best accuracy. This accuracy is also an essential requirement especially in cases when the machine parts are optimized for as little use of material as possible, that is, when the structural elements are very thin and slender designed with extremely low tolerance levels. While nowadays machine tools are able to achieve these required precision standards, they still struggle with the vibration problems that may occur during machining.
These vibrations are the high-frequency self-excited oscillations also called chatter in the industry, which especially critical in case of relatively elastic workpieces. Typical examples are the thin blades of ventilators, compressors and turbines, which are carefully designed to provide precise and optimal geometry from fluid dynamics view-point and also to minimize the use of material. Several other examples can be mentioned especially from the air and car industry.
Robots have been around machine tools for several decades to provide loading on and off the workpieces, to change the tools. However versatile the robots are, they cannot be used in the machining processes due to their low rigidity and precision compared to those properties of machine tools. But their application might be promising when they try to provide additional rigidity and damping to the elastic workpieces mentioned above. To achieve this, force control strategy is to be used, which is a challenging task while the milling process itself also tends to become unstable. The aim is to prove the feasibility of this kind of robot-assisted machining.
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.
Nowadays, an essential driving force of competition in industry is environment protection: energy consumption of machines must decrease, and the machines must use less and less material. The two are related: reduction in weight often implies reduced energy consumption, and vice versa. From manufacturing point of view, the machining of products having thin/slender elements can be challenging in spite of the fact that machine tools are able to work with high accuracy even below the thousands of the millimetre domain. The challenge is in the vibration-free cutting of the material when the workpiece is already very elastic due to its thin/slender shape. The vibrations that may arise during turning or milling are copied on the surface of the machined workpiece, which leads to scrap.
A natural way to reduce vibrations is to try to catch it, to damp it – we tend to touch the vibratory machine with our hands and try to hold it tight. This is unreasonable in case of machine tools not just because it is dangerous, but also because our arms are not able to provide enough force and damping for these metal pieces vibrating with very small amplitudes and very high frequencies during machining. However, analogously to our natural action, a possible solution can be to support these workpieces by robotic arms. The difficulty is, that the robots may also oscillate when they are programmed to provide prescribed forces, in similar way as humans do when, for example, they shake hands, intead of “holding” hands. The goal of the project to explore the elimination of the combination of these two kinds of vibrations when robots support the thin workpieces to be machined.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Bence Szaksz, Gabor Stepan, Giuseppe Habib: Dynamical integrity estimation in time delayed systems: A rapid iterative algorithm, Journal of Sound and Vibration 571 (2024) 118045, 2024 | | Thomas Heitz, Daniel Bachrathy, Ning He, Ni Chen, and Gabor Stepan: Optimization of cutting force fitting model by Fast Fourier Transformation in milling and micro-milling, Journal of Manufacturing Processes - submitted, 2022 | | Mengyu Li, Wei Zhao, Liang Li, Ning He, and Gabor Stepan: Investigating a relationship between process stability, surface integrity and fatigue life in the milling Ti-6Al-4V alloy, Chinese Journal of Aeronautics - submitted, 2022 | | Szaksz, B., Stepan, G: Delay effects in the dynamics of human controlled towing of vehicles, Journal of Computational and Nonlinear Dynamics - accepted, 2022 | | Szaksz, B., Stepan, G.: Emberi reakcióidő hatása a járművontatás stabilitására: The effect of human reaction time on the stability of vehicle towing., Nemzetközi Gépészeti Konferencia–OGÉT, 256-260., 2022 | | Szaksz, B., Stepan, G.: Nonlinear Oscillations in Delayed Collocated Control of Pendulum on Trolley, International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference (Vol. 86304, p. V009T09A032). American Society of Mechanica, 2022 | | Szaksz, B., Stepan, G.: Transient chaotic behavior of fuzzy controlled polishing processes, Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 32(9), 093112., 2022 | | Kádár Fanni, Hős Csaba, Stépán Gábor: Delayed oscillator model of pressure relief valves with outlet piping, Journal of Sound and Vibration Volume 534, 15 September 2022, 117016, 2022 | | Kádár Fanni, Stépán Gábor: Nonlinear dynamics and safety aspects of pressure relief valves, Nonlinear dynamics - submitted, 2022 | | Kádár Fanni, Stépán Gábor: Avoiding vibrations of pressure relief valves with downstream pipe, ESMC: Galway, 2022.07.04-08, 2022 | | Kádár Fanni, Hős Csaba, Stépán Gábor: Subcritical Hopf bifurcation in the dynamics of a pressure relief valve, ENOC: Lyon, 2022.07.17-22, 2022 | | Kádár Fanni, Stépán Gábor: Optimal downstream pipe length with delayed model of pressure relief valve, IFAC TDS: Montreal, 2022.09.27-30, 2022 | | Mate B. Vizi, Gabor Stepan: Digital stability of Furuta pendulum based on angle detection, Journal of Sound and Vibration - submitted 2022, 2022 | | Thomas Heitz, Daniel Bachrathy, Ning He, Ni Chen, and Gabor Stepan: Optimization of cutting force fitting model by Fast Fourier Transformation in milling and micro-milling, Journal of Manufacturing Processes Volume 99, 4 August 2023, Pages 121-137, 2023 | | Mate B. Vizi, Gabor Stepan: Digital stability of Furuta pendulum based on angle detection, Journal of Vibration and Control. 2023;0(0), 2023 | | Fanni Kádár, Gábor Stépán: An implicit system of delay differential algebraic equations from hydrodynamics, Electronic Journal of Qualitative Theory of Differential Equations, No. 28, 1–8;, 2023 | | Fanni Kadar, Gabor Stepan: Nonlinear dynamics and safety aspects of pressure relief valves, Nonlinear Dyn (2023) 111:12017–12032, 2023 | | Bence Szaksz, Gabor Orosz, Gabor Stepan: Guided control of a human driver via an automated vehicle, IFAC-PapersOnLine Volume 56, Issue 2, 2023, Pages 899-904, 2023 | | Bence Szaksz, Gabor Stepan: Delay Effects in the Dynamics of Human Controlled Towing of Vehicles, J. Comput. Nonlinear Dynam. Jun 2023, 18(6): 061003 (9 pages), 2023 | | Mate B. Vizi, Gabor Orosz, Denes Takacs and Gabor Stepan: Steering Control of an Autonomous Unicycle, Systems and Control - közlésre beküldött, 2024 | | Daniel Bachrathy, Henrik Sykora, David Hajdu, Bence Beri, Gabor Stepan: Why is it hard to identify the onset of chatter? A stochastic resonance perspective, CIRP Annals, 70, 2021, 329-332, 2021 | | Bence Beri, Gabor Stepan: Effect of axial force on the stability of milling: Local bifurcations around stable islands, Journal of Vibration and Control, online available, 2021, 2021 | | Bence Beri, Daniel Bachrathy, Gabor Stepan: Multi-Dimensional Bisection method in HIL environment: stability and chatter prediction in turning, Periodica Polytechnica, submitted, 2021. november 22., 2021 | | Henrik T Sykora, David Hajdu, Zoltan Dombovari, Daniel Bachrathy: Chatter formation during milling due to stochastic noise-induced resonance, Mechanical Systems and Signal Processing Volume 161, December 2021, 107987, 2021 | | Béri, B; Mészáros, G; Stépán, G: Machining of slender workpieces subjected to time-periodic axial force: stability and chatter suppression, Journal of Sound and Vibration Volume 504, 21 July 2021, 116114, 2021 | | Bence Beri, Gabor Stepan: Effect of axial force on the stability of milling: Local bifurcations around stable islands, Journal of Vibration and Control. 2023;29(1-2):440-452, 2021 | | Béri Bence, Stépán Gábor: Local Bifurcations Around a Stable Island in the Parameter Plane of Milling Processes, 10th European Nonlinear Dynamics Conference, 2022.07.17. - 2022.07.22., Lyon, France, 2022 | | Bence Beri, Gergely Meszaros, Gabor Stepan: Machining of slender workpieces subjected to time-periodic axial force: stability and chatter suppression, Journal of Sound and Vibration, 504, 2021, 116114, 2021 | | Magyar Bálint, Wohlfart Richárd, Zana Roland, Hénap Gábor, Csernák Gábor, Stépán Gábor: Evaluation of contact force distribution along a curve, based on measured electric potentials, Acta Mechanica, 2020 | | Béri, B; Mészáros, G; Stépán, G: Machining of slender workpieces subjected to time-periodic axial force: stability and chatter suppression, Journal of Sound and Vibration - Submitted, 2020 | | Stepan Gabor, Beri Bence, Miklos Akos, Wohlfart Richard, Bachrathy Daniel, Porempovics Gabor, Toth Andras, Takacs Denes: On stability of emulated turning processes in HIL environment, CIRP ANNALS-MANUFACTURING TECHNOLOGY 1: CIRP-1929, 2019 | | Mate B. Vizi, Gabor Stepan: Control of cyclic systems, International Conference on Engineering Vibrations, 2020 | | Bence Szaksz, Gábor Stépán: Collocated position control of oscillatory system in presence of delay, Proceedings of the ASME 2020 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, 2020 | | Bence Szaksz, Gabor Stepan: Bifurcations in delayed collocated position control, Nonlinear Dynamics - Submitted, 2020 | | Szaksz, Bence, Gabor Stepan: Delay-induced bifurcations in collocated position control of an elastic arm, Nonlinear Dynamics (2021): 1-12., 2021 | | Szaksz, Bence, Gabor Stepan: Bifurcations in delayed collocated position control, Nodycon 2021.02.16-2021.02.19, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
