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This thesis concerns the development of a chatter detection and avoidance system in large vertical lathes. The study begins by describing the problem, a vibration that occurs in certain conditions and results in the geometric error of the workpiece, poor surface roughness, as well as tool breakage. Through the state of the art, the main studies and realities concerning chatter avoidance are identified, describing offline and active systems. After identifying the study machine in Pietro Carnaghi, the study will pass into four phases: the first, called Phase Zero, relating to the FEAs (Finite Element Analyses) on the object machine. This phase is used to correctly identify the instrumentation, such as DAQ, accelerometers and instrumented hammer, identified as Dewesoft, Schaeffler and PCB instruments. Furthermore, it is used to learn if the position of the hydrostatic carriage influences the vibration modes of the RAM, the most flexible element of the machine. Through 84 Nastran SOL 103 type analyses, the eigenvalues ​​were obtained, and it turned out that the participation of the carriage position in the RAM dynamics is practically irrelevant. Phase One instead is related to the modal test: after completing the FEA, it was necessary to perform modal analyses to obtain the frequency responses of the structure, benefiting from the conclusions on the previous phase. Downstream of this, the frequencies at which chatter can occur were studied through post processing. A further comparison with the FEAs analyses highlighted how the low mass of the hammer gave problems in coherence, therefore the frequencies obtained are valid in a subdomain of the workspace. Phase Two concerns the search for chatter domains and an initial development of a chatter detection setup, developed thanks to the DAQ software. Through machining tests interpolated with previous experiences, a test piece was obtained that manifested chatter and the results in terms of displacement were measured. Phase Three concerns chatter detection and avoidance. Through the OPC-UA standard, the communication logics with the machine were implemented, allowing for channels dedicated to the positions and the variable being modified. Through the results of Phase One, different setups were created, which will be loaded automatically based on the different positions of the machine. Each setup contains the displacement and frequency domains in which the chatter occurs in the position, in the X, Y directions. The system is completely automated thanks to an executive based on a block diagram, which also manages data recordings. The setups started perform mathematical operations (FFT, integrations, search for maximums, etc.) on the signals of the measured accelerations Real Time, while the scheme manages Booleans created by them. There are subcycles of stability and instability within it that allow to remain or converge in stability. The study ends with the analysis of the results of the machining on the piece developed in Phase Two held downstream of Phase Three, verifying the effective intervention of the chatter avoidance system. The detection was demonstrated by inclusion, and obtained by avoidance, removing logical components. Managing a return channel in the machine allows the operator, thanks to a “traffic light” interface, to learn whether the process is stable or unstable.

Questa tesi riguarda lo sviluppo di un sistema di chatter detection ed avoidance in grandi torni verticali. Lo studio inizia descrivendo il problema, una vibrazione che si manifesta in determinate condizioni ed ha come esito l’errore geometrico del pezzo, la scarsa rugosità superficiale, nonché la rottura dell’utensile. Attraverso lo stato dell’arte si identificano i principali studi e realtà che concernono il chatter avoidance, descrivendo sistemi offline ed attivi. Dopo aver identificato la macchina studio in Pietro Carnaghi, lo studio passerà in quattro fasi: la prima, chiamata Phase Zero, relativa alle FEAs (Finite Element Analyses) sulla macchina oggetto. Questa fase serve ad identificare correttamente la strumentazione, come DAQ, accelerometri e martello strumentato, identificati come strumentazioni Dewesoft, Schaeffler e PCB. Inoltre, serve per apprendere se eventualmente la posizione del carro idrostatico influenzi i modi di vibrare del RAM, l’elemento più flessibile della macchina. Attraverso 84 analisi tipo SOL 103 di Nastran sono stati ottenuti gli autovalori, ed è risultato che la partecipazione della posizione del carro alla dinamica del RAM è praticamente irrilevante. La Phase One invece è relativa al modal test: dopo aver completato le FEA, è stato necessario eseguire analisi modali per ottenere le risposte in frequenza della struttura, beneficiando delle conclusioni sulla fase precedente. A valle di ciò, sono state studiate le frequenze a cui il chatter può avvenire attraverso post processing. Un ulteriore confronto con le analisi FEAs ha sottolineato come la scarsa massa del martello abbia dato problemi in coerenza, quindi le frequenze ottenute sono valide in un sottodominio del workspace. La Phase Two riguarda la ricerca dei domini del chatter e un primo developing di un setup di chatter detection, sviluppato grazie al software del DAQ. Attraverso delle prove di lavorazione interpolate con delle precedenti esperienze, si è ottenuto un pezzo prova che manifestasse il chatter e ne sono stati misurati gli esiti in termini di spostamento. La Phase Three riguarda il chatter detection and avoidance. Attraverso lo standard OPC-UA sono state implementate le logiche di comunicazione con la macchina, permettendo di avere dei canali dedicati alle posizioni e alla variabile oggetto della modifica. Attraverso gli esiti della Phase One, sono stati creati differenti setup, i quali verranno caricati automaticamente in funzione delle diverse posizioni della macchina. Ogni setup contiene i domini di spostamento e frequenza in cui il chatter avviene nella posizione, nelle direzioni X, Y. Il sistema è completamente automatizzato grazie ad un esecutivo basato su uno schema a blocchi, che inoltre gestisce le registrazioni dei dati. I setup avviati svolgono operazioni matematiche (FFT, integrazioni, ricerca dei massimi, etc.) sui segnali delle accelerazioni misurate Real Time, mentre lo schema gestisce delle Booleane create da loro. Esistono al suo interno dei sottocicli di stabilità ed instabilità che permettono di permanere o convergere in stabilità. Lo studio termina con l’analisi degli esiti della lavorazione sul pezzo sviluppato in Phase Two tenuta a valle della Phase Three, verificando l’effettivo intervento del sistema di chatter avoidance. Il detection è stato dimostrato per inclusione, ed ottenuto dall’avoidance, rimuovendo componenti logiche. Gestendo un canale di ritorno in macchina permette all’operatore, grazie ad un’interfaccia semaforica, di apprendere se il processo è stabile o instabile.

STUDY AND DEVELOPMENT OF A CHATTER DETECTION AND AVOIDANCE SYSTEM IN LARGE VERTICAL LATHES

GALAVRESI, CHRISTIAN
2023/2024

Abstract

This thesis concerns the development of a chatter detection and avoidance system in large vertical lathes. The study begins by describing the problem, a vibration that occurs in certain conditions and results in the geometric error of the workpiece, poor surface roughness, as well as tool breakage. Through the state of the art, the main studies and realities concerning chatter avoidance are identified, describing offline and active systems. After identifying the study machine in Pietro Carnaghi, the study will pass into four phases: the first, called Phase Zero, relating to the FEAs (Finite Element Analyses) on the object machine. This phase is used to correctly identify the instrumentation, such as DAQ, accelerometers and instrumented hammer, identified as Dewesoft, Schaeffler and PCB instruments. Furthermore, it is used to learn if the position of the hydrostatic carriage influences the vibration modes of the RAM, the most flexible element of the machine. Through 84 Nastran SOL 103 type analyses, the eigenvalues ​​were obtained, and it turned out that the participation of the carriage position in the RAM dynamics is practically irrelevant. Phase One instead is related to the modal test: after completing the FEA, it was necessary to perform modal analyses to obtain the frequency responses of the structure, benefiting from the conclusions on the previous phase. Downstream of this, the frequencies at which chatter can occur were studied through post processing. A further comparison with the FEAs analyses highlighted how the low mass of the hammer gave problems in coherence, therefore the frequencies obtained are valid in a subdomain of the workspace. Phase Two concerns the search for chatter domains and an initial development of a chatter detection setup, developed thanks to the DAQ software. Through machining tests interpolated with previous experiences, a test piece was obtained that manifested chatter and the results in terms of displacement were measured. Phase Three concerns chatter detection and avoidance. Through the OPC-UA standard, the communication logics with the machine were implemented, allowing for channels dedicated to the positions and the variable being modified. Through the results of Phase One, different setups were created, which will be loaded automatically based on the different positions of the machine. Each setup contains the displacement and frequency domains in which the chatter occurs in the position, in the X, Y directions. The system is completely automated thanks to an executive based on a block diagram, which also manages data recordings. The setups started perform mathematical operations (FFT, integrations, search for maximums, etc.) on the signals of the measured accelerations Real Time, while the scheme manages Booleans created by them. There are subcycles of stability and instability within it that allow to remain or converge in stability. The study ends with the analysis of the results of the machining on the piece developed in Phase Two held downstream of Phase Three, verifying the effective intervention of the chatter avoidance system. The detection was demonstrated by inclusion, and obtained by avoidance, removing logical components. Managing a return channel in the machine allows the operator, thanks to a “traffic light” interface, to learn whether the process is stable or unstable.
2023
STUDY AND DEVELOPMENT OF A CHATTER DETECTION AND AVOIDANCE SYSTEM IN LARGE VERTICAL LATHES
Questa tesi riguarda lo sviluppo di un sistema di chatter detection ed avoidance in grandi torni verticali. Lo studio inizia descrivendo il problema, una vibrazione che si manifesta in determinate condizioni ed ha come esito l’errore geometrico del pezzo, la scarsa rugosità superficiale, nonché la rottura dell’utensile. Attraverso lo stato dell’arte si identificano i principali studi e realtà che concernono il chatter avoidance, descrivendo sistemi offline ed attivi. Dopo aver identificato la macchina studio in Pietro Carnaghi, lo studio passerà in quattro fasi: la prima, chiamata Phase Zero, relativa alle FEAs (Finite Element Analyses) sulla macchina oggetto. Questa fase serve ad identificare correttamente la strumentazione, come DAQ, accelerometri e martello strumentato, identificati come strumentazioni Dewesoft, Schaeffler e PCB. Inoltre, serve per apprendere se eventualmente la posizione del carro idrostatico influenzi i modi di vibrare del RAM, l’elemento più flessibile della macchina. Attraverso 84 analisi tipo SOL 103 di Nastran sono stati ottenuti gli autovalori, ed è risultato che la partecipazione della posizione del carro alla dinamica del RAM è praticamente irrilevante. La Phase One invece è relativa al modal test: dopo aver completato le FEA, è stato necessario eseguire analisi modali per ottenere le risposte in frequenza della struttura, beneficiando delle conclusioni sulla fase precedente. A valle di ciò, sono state studiate le frequenze a cui il chatter può avvenire attraverso post processing. Un ulteriore confronto con le analisi FEAs ha sottolineato come la scarsa massa del martello abbia dato problemi in coerenza, quindi le frequenze ottenute sono valide in un sottodominio del workspace. La Phase Two riguarda la ricerca dei domini del chatter e un primo developing di un setup di chatter detection, sviluppato grazie al software del DAQ. Attraverso delle prove di lavorazione interpolate con delle precedenti esperienze, si è ottenuto un pezzo prova che manifestasse il chatter e ne sono stati misurati gli esiti in termini di spostamento. La Phase Three riguarda il chatter detection and avoidance. Attraverso lo standard OPC-UA sono state implementate le logiche di comunicazione con la macchina, permettendo di avere dei canali dedicati alle posizioni e alla variabile oggetto della modifica. Attraverso gli esiti della Phase One, sono stati creati differenti setup, i quali verranno caricati automaticamente in funzione delle diverse posizioni della macchina. Ogni setup contiene i domini di spostamento e frequenza in cui il chatter avviene nella posizione, nelle direzioni X, Y. Il sistema è completamente automatizzato grazie ad un esecutivo basato su uno schema a blocchi, che inoltre gestisce le registrazioni dei dati. I setup avviati svolgono operazioni matematiche (FFT, integrazioni, ricerca dei massimi, etc.) sui segnali delle accelerazioni misurate Real Time, mentre lo schema gestisce delle Booleane create da loro. Esistono al suo interno dei sottocicli di stabilità ed instabilità che permettono di permanere o convergere in stabilità. Lo studio termina con l’analisi degli esiti della lavorazione sul pezzo sviluppato in Phase Two tenuta a valle della Phase Three, verificando l’effettivo intervento del sistema di chatter avoidance. Il detection è stato dimostrato per inclusione, ed ottenuto dall’avoidance, rimuovendo componenti logiche. Gestendo un canale di ritorno in macchina permette all’operatore, grazie ad un’interfaccia semaforica, di apprendere se il processo è stabile o instabile.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14239/33383