Skip to main content
SUPERVISOR
Hamidreza Mirdamadi,Saeed Behbahani
سیدحمیدرضا میردامادی (استاد مشاور) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyed Mohammadkarim Tabatabaei
سیدمحمدکریم طباطبائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Vibration Control of Chatter in Machine Tools by Piezoelectric Smart Materials
Metal cutting has a troublesome obstacle in achieving perfect surface finishing while increasing productivity and in high speed machining, named chatter. It also has a deteriorating effect on the machine tool life and safety of the machining operation. Chatter is an unstable self-excited vibration which may happen due to a variety of reasons. Regenerative effect is the most dominant reason of chatter occurrence, which has been studied in this dissertation. In this thesis active control methods for chatter vibration by means of piezoelectric actuator are presented. possibility of improvement in stability lobes by means of changing different structural parameters are investigated. stability lobes diagram is one of the standard methods for chatter evaluation. It specifies the boundary of stable and unstable machining conditions. APiezoelectric sensor and a piezoelectric actuator have been used with the aim to active control of chatter vibration. Both analytical solution and numerical optimization methods are used for active vibration control. Performance of a PID controller in increasing the minimum points in stability lobes is investigated. A PD controller is designed analytically for moving stability lobes in order to stable machining condition. A genetic algorithm optimization has been used to design optimum active controller for chatter vibration suppression. As mentioned, generation of stability lobes which specifies the boundary of stable and unstable machining conditions involves a point by point, complex and time consuming calculations, which makes it impossible to present an inverse evaluation. This means that no closed form and analytical calculation to specify how far a machining condition is from the boundary of instability based on the controlled structural specifications of the machine tool can be presented for using in controller designing. To overcome this problem a genetic algorithm in controller designing has been used. The main idea is changing structural properties by active controller and in turn moving stability lobes in horizontal and vertical directions with the aim to make the machining working point far from unstable boundary, by considering minimum energy consumption. A comprehensive transfer function for the controller is considered. Performance of the designed mechatronic system on chatter suppression has been evaluated in both frequency and time domain and satisfactory.. Key Words: Chatter, Stability lobe, Piezoelectric, Active control, Genetic Algorithm.
فرایند ماشینکاری فلزات، با مشکلی بزرگ به نام چتر در جهت ایجاد سطح با کیفیت مطلوب در تولید انبوه با مقدار براده برداری زیاد و ایجاد سطوح با کیفیت بالا در سرعت های زیاد، روبرو بوده است. کاهش عمردستگاه ماشین ابزار و کاهش ایمنی کار از دیگر مشکلات ناشی از این پدیده می باشد. چتر یک نوع ارتعاش خودتحریک ناپایدار است که در اثر عوامل متعددی ممکن است رخ دهد؛ در این میان چتر احیاکننده رایج ترین علت رخ داد چتر می باشد. در این پایان نامه سعی بر بررسی اثر پارامترهای گوناگون معادلات دینامیکی بر حرکت دیاگرام پایداری بوده است. یکی از معتبرترین روش ها و معیارهای ارزیابی چتر استفاده از دیاگرام پایداری است؛که مرز شرایط ماشینکاری پایدار و ناپایدار را نمایان می کند. فرآیند پیچیده و نقطه به نقطه رسم دیاگرام پایداری بر حسب مشخصات سازه ای ماشین ابزار امکان ارائه یک رابطه تحلیلی بین مشخصات ماشین ابزار با منحنی پایداری و استفاده از روشهای تحلیلی طراحی کنترلر (مانند مکان یابی قطب ها) را ناممکن می سازد؛ لذا در این پروژه امکان سنجی تخمین منحنی های پایداری با معادلات چند جمله ای و ارائه روابط تحلیلی برای بیان مشخصه های پایداری مورد بررسی قرار گرفت و ساده ترین فرم این معادلات بدست آمد. جهت کنترل ارتعاشات ناپایدار چتر، مواد هوشمند پیزوالکتریک به عنوان حسگر و عملگر مورد استفاده قرار گرفتند. در کنترل فعال ارتعاشات از دو روش حل تحلیلی و بهینه سازی عددی کمک گرفته شد. در حل تحلیلی بر اساس معادلات ارتعاشات ماشین ابزار در حوزه فرکانس، کنترل فعال ارتعاشات چتر مورد بررسی قرار گرفت. در این راه، عملکرد یک کنترلر PID برنقاط مینیمم دیاگرام پایداری بوسیله مثبت کردن قسمت حقیقی تابع تبدیل سیستم در فرکانس رخداد چتر مورد بحث و بررسی قرار گرفت. سپس، یک کنترلر PD جهت حرکت دیاگرام پایداری در جهات افقی و عمودی برای انتقال شرایط ماشینکاری در این دیاگرام به منطقه پایدار ارتعاشات طراحی گردید. در کنترل فعال ارتعاشات چتر به روش عددی، از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک استفاده شد. همانطور که اشاره شد، رسم منحنی های پایداری شامل یافتن مرز منطقه پایدار و ناپایدار به صورت نقطه به نقطه، همراه با محاسبات پیچیده ای است که انجام آن زمان گیر بوده و مهمتر از آن، امکان ارائه تحلیل و استخراج رابطه معکوس را ناممکن می سازد. جهت رفع این مشکل در طراحی کنترلر از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک استفاده می شود. ایده اصلی در این طراحی ، جایجایی مرز پایداری در دو جهت افقی و عمودی با هدف دور کردن شرایط ماشینکاری مورد نظر از مرز ناپایداری و همچنین توجه به مصرف کمینه انرژی در جهت نیل به حداکثر میزان ضخامت براده برداری در یک سرعت خاص بوده است. شکل کنترلر مورد استفاده به صورتی در نظر گرفته شده که حالتی جامع و فراگیر نسبت به فرم کنترلرهای رایج را داشته و همچنین امکان پیاده سازی آن بر روی Op-Amp وجود داشته باشد. این سیستم کنترلی نیز در هر دو حوزه فرکانس و زمان مورد ارزیابی قرار گرفت و حذف ارتعاشات نامطلوب چتر مشاهده گردید. کلمات کلیدی: چتر، دیاگرام پایداری، پیزوالکتریک، کنترل فعال، الگوریتم ژنتیک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی