Un approccio innovativo alla progettazione di centri di lavoro per High Speed
Machining
Centri di lavoro per l’alta velocità:
“un nuovo approcio alla progettazione”
G.Tani R.Bedini* A.Fortunato
C.Mantega
Dept. DIEM
Univ.of Bologna
* Dept. DMTI
Univ.of Florence
Gruppo di ricerca: DIEM-Tech
D.M.T.I.
Università di Bologna
Università di Firenze
Oggigiorno un centro di lavoro è un complesso meccanico, elettronico, elettrico
che richiede capacità di progettazione integrate che richiedono un elevato
dispendio di tempo.
Lo Studio a mezzo di simulazioni
Numeriche del comportamento e delle
“performance” della risposta dinamica
di un Centro di Lavoro ha permesso
al gruppo di ricerca di sviluppare
diversi sistemi SW in grado di
assistere il progettista di macchine
nelle fasi di progettazione.
Problematiche di progettazione
Costruttore di MU
Quale architettura
di macchina ?
Costruttore di MU
Quali
Performance ?
Costruttore di MU
Quale azionamenti ?
Assi rotativi i lineari ?
Direct Drive o
Azionamenti convenzionali ?
Costruttore di MU
Quale struttura
meccanica ?
Costruttore di MU
Utilizzatore di MU
Quali aree ottimali per la data
lavorazione sfruttare ?
Quali parametri di processo
sono ottimali?
Utilizzatore di MU
Che accuratezza?
Machine Tool Design Project
L’attività di progettazione per centri di lavoro ad alta velocità richiede sempre più sofisticate
tecniche in modo da soddisfare le richieste progettuali in termini di “performances” di
macchina (dettate spesso dal mercato): alta produttività, alta precisione, qualità delle
superfici lavorate bassi tempi di esecuzione.
Flusso generico del costruttore di macchine
Progetto
Preliminare
Progettazione
Simulazione
Prototipo
Set-Up
Collaudo
Flusso proposto al costruttore di macchine
Progettazione preliminare
assistita al calcolatore e
simulazione preliminare
Progettazione e
simulazione dettagliata,
Prototipazione Virtuale
Set-Up
Collaudo
Fase di installazione e set-up da parte dell’utilizzatore
Ottimizzazione dei
parametri del CNC
Definizione delle aree di
lavorabilità ottimale
Produzione
Fase di installazione e set-up da parte dell’utilizzatore Proposta
Set-Up e Virtual Machining
Produzione
SPECIFICHE DI MACCHINA
- Forma e dimensioni
- Numero e direzioni di assi di moto
- Lay out dei componenti strutturali
- Prestazioni statiche, dinamiche e degli
azionamenti
- Precisione geometrica e dei cinematismi
- Finitura superficiale
- Grado di automatione
- Stabilità
Architetture
Strutture
MC
DATABASE
ELEMENTI
Gruppi meccanici
Componenti
Azionamenti
Parametri
di processo
CNC
Interfaccia
operatore
Extract
Project Configuration
Data
Sistema di
Simulazione di
pre-progetto
- CNC
- Azionamenti
- Meccanica
Sistema Integrato
dei Simulazione
Archivio dati
(CP)
Motion
Control
- CNC
Analisi
1
2
3
Pre-assembly
Analisi dei risultati
Data Project
Actualization
3
Progetto
- Azionamenti
- Strutture FEM
- Componenti
ANALISI
FEM
Statiche
Dinamice
FRF
Risposta al
comando
ausiliari
Concept Design
System
Control
Design
Su singolo componente
Analisi dei risultati
Data Project
Actualization
Motion
Control
System
Control
Design
Project Configuration Data
Definizione della Meccanica della macchina
Modello CAD Preliminare
Modello CAD definito
Modellazione a parametri concentrati
COSTRUZIONE DI UNA LIBRERIA DI MODELLI a CP
Assi lineari
Assi rotativi
Parametri Macro
Di progetto
(m , Jm , distanze,
lunghezza elementi
...)
Modellazione a parametri concentrati
Modellazione della MECCANICA dell’asse di moto
Definizione del problema dinamico:
- Equazioni di equilibrio -
- MOTORE
Circuito di armatura del motore
dia
dα
Va = La ⋅
dt
+ R a ⋅ ia + K e ⋅
dt
Rotore del motore sincrono:
dα 1
=
dt 2 J m
2
- TRASMISSIONE
dα 

 K t ⋅ i a − K am (α − β ) − F dt 
Gruppo puleggia condotta:
d γ
1 
dβ
dγ

R1 −
R2 ) R2 − K S (γ − δ ) − M frTB − M frR 
=
 K c (β R1 − γ R2 ) + Cc (
2
dt
J pv 
dt
dt

2
Gruppo puleggia motrice

dβ
1 
 dβ
dγ 
=
R1 − R2  R1 − M frTB 
Kam (α − β ) − Kc ( β R1 − γ R2 ) R1 − Cc 
2
d t J pm 
dt 
 dt

2
- VITE SENZA FINE E PARAMETRI DELL’ASSE DI MOTO
G.D.L.
Parametri Macro
Di progetto
(m , Jm , distanze, lunghezza elementi ...)
Equilibrio vite a ricircolazione di sfere e della chiocciola
d 2δ
1
p


[(G ( z , z&, &&
z ) − Mg )] − M frR 
=
 K t (γ − δ ) −
p 2
dt 2 [ J
2
π

) M]
screw + (
2π
Modellazione a parametri concentrati
Determinazione dei parametri necessari al modello
Determinazione
sperimentale dei
parametri necessari alla
modellazione della
cinghia dentata
Della cinghia dentata
Kc
= Rigidezza cinghia
Gruppo puleggia condotta:
dγ
1
=
dt 2 J pv
2
dβ
dγ


R1 −
R2 ) R2 − K S (γ − δ ) − M frTB − M frR 
 Kc ( β R1 − γ R2 ) + Cc (
dt
dt


Gruppo puleggia motrice

dβ
1 
 dβ
dγ 
=
R1 − R2  R1 − M frTB 
Kam (α − β ) − Kc ( β R1 − γ R2 ) R1 − Cc 
d 2t J pm 
dt 
 dt

2
k= 2400N/mm
Modellazione a parametri concentrati
Modellazione del
CNC
Interpolazione
Lineare e
circolare;
Jerk control:
Feed forward
Modellazione a parametri concentrati
Assi di moto ed Azionamenti
G.D.L.
Approccio modulare di modellazione
A Parametri Concentrati (CP)
Modello attrito
Valvola pneumatica
Modello da Letteratura: Canudas De Wit
Armstrong
F = σ 0z +σ1
dz
+ σ 2v
dt
σ0 = Rigidezza delle setole
σ1 = Coefficiente di
smorzamento
σ2= Coefficiente di attrito
viscoso
pv
EVALUATION OF THE CONDUCTS AND CYLINDER
RESISTANCE CAPACITY
ps
FORCE ON MACHINE
HEAD
Modellazione a parametri concentrati
Implementazione in ambiente SW
MODELLO ASSE
Implementazione modello in Simulink
simulazione
per traiettorie a vuoto su un asse.
Calcolo BANDA PASSANTE (5.5 Hz)
SIMULAZIONE DELLA RISPOSTA
AL COMANDO
SELEZIONE DEI MOTORI
BEST-FIT PARAMETRI CNC
0,16
amplitude [rad]
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
80
60
40
20
10
8
7,5
6
4
0
2
PREVISIONE DELLA BANDA
PASSANTE
0,1
INFORMAZIONI
OTTENIBILI DAL
MODELLO A PC
0,2
0,18
frequency [Hz]
Imput: Segnale sinusoidale di ampiezza 0.174 rad (10°)
Modellazione a parametri concentrati
Implementazione in ambiente SW e Simulazione
MODELLO MACCHINA A 3 ASSI LINEARI
3 Assi lineari X,Y,Z
Comparazione tra:
misurazione e simulazione
per traiettorie a vuoto su più assi.
Implementazione in Simulink
Non valuta la mutua interazione degli assi
Sistema di Simulazione Integrato -Modellazione FEM
Costruzione di
modelli FEM
Validazione
sperimentale
Analisi Modale
Simulazioni
FEM
Mode 1
175 Hz
Brick Elements
ANALISI
FEM
OTTENIBILI
Mode 1
395 Hz
Mode 1
790 Hz
STATICHE
DINAMICHE
TERMICHE
FEM Assemblaggio Macchina Analisi e Riduzione Dinamica
Modelli ad Elementi Finiti
creati
Componenti FEM
Modello FEM dell’asse
Modello FEM
della macchina
Sistemi di guida
y
z
x
Ballscrew
• Analisi ad Elementi Finiti
Cuscinetti
• RIDUZIONE DINAMICA
(Creazione del SUPERELEMENTO)
[M]; [C]; [K]
Integrazione del modello FEM nel modello a CP
Dal modello a parametri concentrati si eliminano alcuni blocchi (che
rappresentano la meccanica) e si introduce un nuovo blocco derivato dal FEM
Modello CP (asse Z)
Modello CP+FEM (asse Z)
Modello CP+FEM (MACCHINA 3 assi)
Integrazione CP - FEM
[M]; [C]; [K]
Modello CP - FEM
RAMPA (sensitività a Kv)
Simulazioni
FRF (Funzione di
Risposta in Frequenza)
SINE
(Influenza del precomando)
Interpolazione 3D
Analisi Meccatronica dettagliata
Banda passante
Risposta della macchina al comando
RISULTATI
OTTENIBILI
Diagnostica di modifiche strutturali
FRF
Definizione delle aree di lavorabilità ottimale
Ottimizzazione di CNC e azionamenti
Validazione del Modello CP - FEM
Caso studiato
MC:
Casa costr.
Corse assi
Feed
Potenza inst.
XCEEDER
BRETON S. P. A.
x;y;z = 1200; 1000; 600 mm
x,y,z : 60 ; 60; 40 m/min.
85 KW
Confronto tra Simulazione e Risultati Sperimentali
R20 feed 3000
Precomando attivo
Coeff. Di scala
Errore 1000
Precomando non attivo
Precomando attivo
SPECIFICHE DI MACCHINA
- Forma e dimensioni
- Numero e direzioni di assi di moto
- Lay out dei componenti strutturali
- Prestazioni statiche, dinamiche e degli
azionamenti
- Precisione geometrica e dei cinematismi
- Finitura superficiale
- Grado di automatione
- Stabilità
Architetture
Strutture
MC
DATABASE
ELEMENTI
Gruppi meccanici
Componenti
Azionamenti
Parametri
di processo
CNC
Interfaccia
operatore
Extract
Project Configuration
Data
Sistema di
Simulazione di
pre-progetto
- CNC
- Azionamenti
- Meccanica
Sistema Integrato
dei Simulazione
Archivio dati
(CP)
Motion
Control
- CNC
Analisi
1
2
3
Pre-assembly
Analisi dei risultati
Data Project
Actualization
3
Progetto
- Azionamenti
- Strutture FEM
- Componenti
ANALISI
FEM
Statiche
Dinamice
FRF
Risposta al
comando
ausiliari
Concept Design
System
Control
Design
Su singolo componente
Analisi dei risultati
Data Project
Actualization
Motion
Control
System
Control
Design
Creazione di un DATABASE
Work in Process
Interfaccia grafica
Conclusione
• Le attività di ricerca condotte al fianco di Aziende costruttrici di MU ha
portato allo sviluppo di una piattaforma virtuale in grado di guidare
l’attività del progettista in tutte le fasi della progettazione ed in
particolare di:
- definire il progetto di un nuovo Centro di Lavoro utilizzando l’esperienza
disponibile nei data base aziendali;
- verificare rapidamente l’efficacia delle scelte progettuali effettuate mediante il
Sistema di Simulazione a Parametri Concentrati (Pre-project Simulation System);
- ottimizzare il comportamento dinamico della macchina mediante il Sistema di
Simulazione Integrato (Integrated Simulations System) affinando il progetto finale
di dettaglio per consentire un innalzamento della banda passante.
Infine la procedura permette di valutare i costi delle soluzioni progettuali adottate
se i data base sono correttamente aggiornati anche con questi tipi di informazioni.
PROGETTI DI RICERCA IN ATTO
PARTI MOBILI: Utilizzo di Materiali compositi e schiume
Supporto alla progettazione / riprogettazione, di elementi di macchina
Materiale di
Irrigidimento
l
b
Materiale
per il
supporto
t
d
c
t
Core
Materiale del
“Core”
Skin
3
Fl
Fl
δ = δb + δ s =
+
B1 ( EI )eq B2 ( AG )eq
ptot = ptot ( F , δ ) = plav. + psal . + pmassa + pcos to
• Acciaio
• Fibra di carbonio (BM)
• Honey comb
• Schiume di alluminio
• CMM
- Imposizione di vincoli di progetto
- Selezione dei materiali
- Determinazione analitica degli spessori minimi
che verificano i vincoli di progetto
- Determinazione dei costi per le tecnologie da utilizzare
- Determinazione dell’aumento delle prestazioni
- Stesura progetto definitivo, verifica FEM , direttive di fabbricazione
PROGETTI DI RICERCA IN ATTO
Studio e modellazione del processo di taglio
Modellazione analitica
ed analitico-sperimentale
della Forze di taglio
(nelle sue tre componenti spaziali)
Modellazione Analitica
Qualità della Superficie
lavorata
Modellazione FEM
(Previsione indici di qualità
ed ottimizzazione dei parametri di
processo)
Previsione della superficie
lavorata in funzione di errori
dimensionali dell’utensile.
s=a=4
Tmax
Progetto dell’esperimento (DOE)
Sperimentazione
errori dell’utensile
Studio della stabilità
del processo (chatter)
Implementazione in Tool di calcolo
Superficie calcolata
G.Tani R.Bedini* A.Fortunato C.Mantega
Dept. DIEM
Univ.of Bologna
* Dept. DMTI
Univ.of Florence
DIEM-Tech Research Group -University of Bologna -