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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2020.tde-15012020-191857
Document
Author
Full name
Giuliana Sardi Venter
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2019
Supervisor
Committee
Silva, Maíra Martins da (President)
Antonialli, Armando Italo Sette
Coelho, Reginaldo Teixeira
Diniz, Anselmo Eduardo
Pederiva, Robson
Title in Portuguese
Controle ativo e passivo para redução de chatter em processos de torneamento utilizando atuadores piezelétricos
Keywords in Portuguese
chatter
controle de vibração
dinâmica não-linear
materiais inteligentes
torneamento
Abstract in Portuguese
Chatter é uma vibração que ocorre durante operações de usinagem devido à complexa interação entre a peça usinada, cavaco e ferramenta de corte durante o corte. Estratégias para modelagem, monitoramento e redução de chatter estão constantemente sob investigação, devido ao fato de o chatter prejudicar a produtividade da indústria e a qualidade de peças usinadas. Esta pesquisa apresenta um método para reduzir a vibração causada pelo chatter, melhorando o limite de estabilidade em processos de torneamento usando camadas piezelétricas embutidas no porta-ferramenta. As estratégias de redução de vibração se baseiam no fato de que o amortecimento estrutural tem uma relação proporcional com o limite de estabilidade, sendo que o amortecimento estrutural do sistema pode ser aumentado ativa ou passivamente. Na metodologia de controle ativo estudada, as camadas piezelétricas foram conectadas a um esquema de controle de realimentação de velocidade. Na metodologia de controle passivo, as camadas piezelétricas foram conectadas a um circuito de shunt indutivo-resistivo. Devido à complexidade inerente do processo de corte, o chatter é um fenômeno que pode ser governado por não-linearidades presentes no processo. Para compreender como estas não-linearidades serão afetadas na resposta dinâmica do sistema, uma análise da resposta não-linear do sistema sob a ação dos diferentes métodos de controle é necessária. A eficácia de ambas as estratégias foi então avaliada através da análise numérica e experimental, em que foram estudadas as respostas do sistema por meio de diagramas de fase, além de espectros numéricos e experimentais. Funções de resposta em frequência do porta-ferramenta e seus respectivos diagramas de lóbulos experimentais também foram analisados, de forma a estudar o aumento do limite de estabilidade proporcionado pelos métodos de controle. Pode-se concluir que ambas as estratégias podem ser boas alternativas para a redução do chatter em processos de usinagem, já que os resultados numéricos e experimentais mostraram efetivamente um aumento do amortecimento estrutural e diminuição da vibração. No entanto, a estratégia ativa proposta é mais robusta do que a estratégia passiva, uma vez que não requer o ajuste fino dos parâmetros de controle. Além disso, foi possível obter experimentalmente em laboratório um aumento consideravelmente maior do amortecimento estrutural utilizando o método de controle ativo. Devido à limites tecnológicos, como limites de tensão disponíveis e amplificadores operacionais, foi possível apenas diminuir a vibração com o uso de ambos os métodos de controle, não sendo possível a supressão da vibração experimentalmente, ao contrário do que foi observado em resultados numéricos.
Title in English
Active and passive control for chatter reduction in turning process using piezoelectric devices
Keywords in English
chatter
nonlinear dynamics
smart materials
turning process
vibration control
Abstract in English
Chatter is a vibration that occurs during machining operations due to the complex interaction between the machined part, chip and cutting tool during cutting. Strategies for chatter modeling, monitoring, and reduction are constantly under investigation, as chatter impairs industry productivity and the quality of machined parts. This research presents a methodology to reduce the vibration caused by chatter by improving the stability limit in turning processes using piezoelectric layers embedded in the tool holder. This improvement is based on the fact that the structural damping has a proportional relation with the stability limit. Thus, the instability that occurs during chatter operations can be significantly reduced by increasing the structural damping of the system, either actively or passively. In the active control methodology studied, the piezoelectric layers were connected to a velocity feedback control scheme. In the passive control methodology, the piezoelectric layers were connected to an inductive-resistive shunt circuit. Due to the inherent complexity of the cutting process, chatter is a phenomenon that can be governed by nonlinearities present in the process. Thus, an analysis of the system's nonlinear response under the action of different control methods is necessary in order to understand how the dynamic response of the system will be affected. The efficacy of both strategies was evaluated through numerical and experimental analysis, in which the system responses were studied through phase diagrams and numerical and experimental spectra. Frequency response functions of the tool holder and their respective experimental lobule diagrams were also analyzed in order to study the increase in the stability limit provided by the control methods. It can be concluded that both strategies may be good alternatives for the reduction of chatter, and vibration in general, in the processes, since numerical and experimental results have effectively shown an increase in structural damping and a decrease in vibration. However, the proposed active strategy is more robust than the passive one, since it does not require the fine tuning of the control parameters. In addition, it was possible to obtain in an experimental setup a considerably greater increase of the structural damping using the active control method. Due to the technological limits, such as electrical tension limits and operational amplifiers, it was only possible to reduce the chatter vibration with the use of both control methods, therefore not being possible to suppress the vibration experimentally, contrary to what was observed in numerical results.
 
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Publishing Date
2020-02-05
 
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