Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki drewna

–aktualny stan wiedzy oraz kierunki rozwoju

Piotr Beer

Szkoła Główna Gospodarstwa WiejskiegoWydział Technologii Drewna

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Omawiane zagadnienia:

• Wprowadzenie

• Analiza cech skrawnych narzędzi modyfikowanych poprzez inżynierię powierzchni

• Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady

• Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady

• Analiza głównych kierunków kontroli i diagnostyki procesów kształtowania elementów z drewna litego i uszlachetnionych materiałów płytowych

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

WprowadzenieKontrola i diagnostyka procesu obróbki drewna są zadaniami, które do tej pory nie zostały w pełni zrealizowane. Przyczyny tkwią w specyfice cech tego materiału. Drewno jest surowcem pochodzenia naturalnego, którego właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne zależą nie tylko od gatunku, ale również od cech środowiskowych wzrostu drzew, jak również zależna są od warunków klimatycznych i to dla każdego roku. Krótko ujmując, nie ma dwóch takich samych elementów drewnianych, nawet jeśli pochodzą z tej samej dłużycy.Obecnie, poza pierwiastkowym przerobem, mianem „drewna” określa sięmateriały drewnopochodne a zróżnicowanym rozdrobnieniu i udziale drewna. Najczęściej spotykane to drewno warstwowo klejone (wielkość i postać warstw bardzo zróżnicowana), płyty wiórowe i płyty pilśniowe.Jednym z podstawowych elementów umożliwiających stabilny proces wytwarzania są narzędzia skrawające, gdyż to one kształtują wyroby. W technologii drewna od lat nie ma zmian materiałowych dotyczących narzędzi skrawających. Próby wprowadzenia nowych materiałów ceramicznych nie przyniosły oczekiwanych rezultatów. Najbardziej zaawansowane jest uszlachetnianie istniejących materiałów narzędziowych nowoczesnymi technologiami inżynierii powierzchni.

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

powierzchniaprzylozenia

powierzchnianatarcia

ceramika Lsklad: Al2O3 + 10% ZrO2wielkosc ziarna: D=0,43µm,KIc= 4,4 MPa√m

PG 001-18-02

strefa skrawania ostra krawedzzuzycie zlobkowe

zuzycie zlobkowe

ceramika Gsklad: Al2O3 wielkosc ziarna: D=0,53µm,KIc= 3,8 MPa√m

wykruszeniakrawedzi tnacej

IWF 436-50-00

==

115°

ae = 2 mm

vc

vf

== 56

5m/sm/min

warunki skrawania:laminowana plyta wiorowa

zλ

β = 65°lc = 6869 m

Postacie zużywania się przykładowych narzędzi ceramicznych w obróbce płyty wiórowej. Widoczne są miejscowe wykruszenia krawędzi skrawającej. Skutkiem tych wykruszeń jest niezadowalająca jakość powierzchni i krawędzi obrabianych elementów.

Wprowadzenie

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

IWF 427-29-02

m

material skrawny/kat ostrza

dro

ga s

kra

wania

lc

1000

2000

5000

8000

10000

3000

4000

6000

65078366

72747649

6772

6640

7436

6856

E60°

G60°

K60°

L60° 55°

K05

7000

5577

65° 65° 65° 65°

==

115°

ae =2 mm

vc

vf

== 56

5m/sm/min

warunki skrawania:

laminowana plyta wiórowa

zλ

5392

10279

5577

6985 7224

55° 55°N

60° 65° 55°

Pomimo, iż niektóre materiały ceramiczne wykazują większą odporność na zużycie niż standardowo stosowany węglik spiekany (K05) to rozrzut wyników jest takduży, że uniemożliwia ich zastosowanie w praktyce. W takich warunkach procesu obróbki nie da się kontrolować.

Wprowadzenie

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Badania prowadzone w kierunku zwiększenia trwałości narzędzi mają na celu ograniczenie stępienia, gdyż zmiana geometrii ostrza powoduje:

Skutki technologiczne – wzrost:- Sił występujących podczas skrawania- Zapotrzebowania na energię- Temperatury- Wibracji- Hałasu

Skutki jakościowe – obniżenie:- Tolerancji wymiarowych- Jakości na powierzchni, naroży i krawędzi otrzymywanych wyrobów

Analiza cech skrawnych narzędzi modyfikowanych poprzez inżynierię powierzchni

Jak do tej pory skutki jakościowe tępienia się narzędzi nie są tak monitorowane jak skutki technologiczne. Wydaje się to błędnym założeniem, gdyż to właśnie jakość jest podstawowym kryterium stosowanym wpraktyce.

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

narzędziemodyfikowane

warstwa wierzchnia

Podział kompetencji: inżynieria materiałowa / technologia produkcji

Cechy materiałoweNaprężenia wewnętrzneWadyGrubość

Adhezja / warstwy przejściowe

Stan powierzchni modyfikowanejJedna / obie powierzchnie skrawająceCechy materiałowe

Materiałoznawca

Technolog

Scratch testSEMSIMS---

Testy tribologiczneSposoby regeneracjiOstrzenie---

Analiza cech skrawnych narzędzi modyfikowanych poprzez inżynierię powierzchni

Badania nad poprawą cech skrawalnych narzędzi poprzez inżynierię materiałowąmuszą być realizowane przynajmniej przez dwóch specjalistów: technologa drewna i specjalistę od inżynierii materiałowej. Ten układ zabezpiecza unikanie błędów w założeniach i ukierunkowuje badania aplikacyjnie.

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wadyStruktura kosztów ponoszonych przez badane przedsiębiorstwo w związku z występowaniem wad na krawędziach płyt wiórowych laminowanych wskazuje straty analizowanego zakładu. Łączne koszty związane z występowaniem wad na krawędziach płyt wiórowych laminowanych w zakładzie zatrudniającym ponad 100 osób w dziale produkcji wynoszą około S = 1,75 mln zł rocznie (dane z 2006 roku).

Kp- płyty lepszej jakościKn- częste ostrzenie narzędziKu- mniejsze prędkości posuwuKm- materiał wymiany elementuKr- robocizna wymiany elementu

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

• metody stykowe

• metody optyczne

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady

Kontrolę jakości elementów po obróbce możemy wykonać stosując dwie metody:

Każda z tych metod ma swoje wady i zalety. Tym niemniej, w przypadku próby oceny jakości in situ podstawowe czynniki, które należy pokonać to duże prędkości posuwu rzędu 2 m/s oraz znaczne zapylenie. W przypadku czujników stykowych występująniedokładności odwzorowania krawędzi przy pomiarze metodą stykową z dużąprędkością przesuwu iglicy (jaśniejszy profil rzeczywisty)

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

W detekcji kształtów / wad kształtów można zastosować czujniki stykowe :

• ciśnienia,

• odkształcenia

• przemieszczenia

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Czujnik stykowy zamontowany jest na korpusie frezarki za pomocą ruchomej dźwigni (1). W czasie przejścia materiału obrabianego z prędkością posuwu vf obudowa czujnika wspiera się na krawędzi materiału na dwóch płozach (10). Między płozami znajduje się sensor (4) zbudowany z trzech warstw elastycznych blaszek, tensometru elektrooporowego (6) i warstwy tłumiącej drgania (8). Fragment pozostający w kontakcie z krawędzią materiału chroniony jest przez płytkę diamentowa o promieniu ostrza ok. 10µm i jest dociskany do krawędzi dzięki naprężeniu wstępnemu elementu pomiarowego. W ten sposób w trakcie ruchu materiału obrabianego płytka podąża za nierównościami profilu krawędzi. Odchylenia sensora wywołują naprężenia w czujkach DMS, co z kolei powoduje powstanie różnic napięcia.

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Rozważania dynamiczne

Gdyby zapewnić przyspieszenie ostrza wzorującego 1000 razy większe od ziemskiego tj. a =10000 m/s2

to w czasie t = 25 μs końcówka przemieści się o odcinek s = ½ a t2s =0,5 10000 (25 10-6)2 = 0,5 625 10-12+4 = 312,5 10-8 m ≈ 3 10 –6 m = 3 μmjest to co najmniej 10 razy za mało wobec założonej minimalnej głębokości wady (50 μm)

Ze wzoru dynamiki F = m a wynika, żem = F/a

Przy założeniu że F=10 N oraz a= 1000 g (a =10000 m/s2 ) otrzymuje się, że masa ruchoma związana z ostrzem wzorującym może wynosić tylko

m = 10 / 104 = 10-3 kg = 1 g

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

s

h

r

Dla promienia r i szerokości wady s głębokość h wyniesie

r - h =sqrt (r2 – s2/4)stąd h = r- sqrt(r2- s2/4)

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200μm

h μm

s

ρ=100 μm

Zależność wykrywanej głębokości wady od jej szerokości dla końcówki odwzorowującej o promieniu 100 μm.

Rozważania geometryczne

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście ekonomiki produkcji i detekcji wady

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

0.5 mm

0.5 mm

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady

a)

b)

c)

d)

e)

0102030

0 100 200 300 400 500 600piksele

piks

ele

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady

Zastosowanie wag w analizie jakości krawędzi jest próbąprzybliżenia do odczuć oka ludzkiego.

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

gbyw

y – rzędna środka ciężkości pola powierzchni, które ma byćważone (wyrażona w mm)bg – graniczna szerokość wykruszenia (wyrażona w mm)

∑∑=i j

jije

M wAl

Q 1

Aij – pole powierzchni i-tego wykruszenia położone na j-tejrzędnejwj – współczynnik wagi dla pola powierzchni wykruszenia o j-tejrzędnejle – długość elementarnego odcinka (PN-84/D-01005)

Opracowanie istotności jakości meblarskich elementów wykonanych z płyt drewopochodnych laminowanych w kontekście geometrii kształtu wady

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

• ilościowa i jakościowa charakteryzacja narzędzia i elementu obrabianego

• określenie zależności w rozpatrywanym układzie /algorytmy, sztuczna inteligencja/

• zalecenia statystyczne i obróbka statystyczna rezultatów badań

Mechatronika w badaniach modyfikacji narzędzi, czyli kluczowego punktu odpowiadającego za układ: geometria ostrza narzędzia / jakość elementu po obróbce, a tym samym za kontrolę i diagnostykę procesów produkcji będzie musiała rozwiązaćgłówne zagadnienia wyszczególnione poniżej:

Analiza głównych kierunków kontroli i diagnostyki procesów kształtowania elementów z drewna litego i uszlachetnionych materiałów płytowych

Mechatronika w kontroli i diagnostyce procesu obróbki

drewna - Piotr Beer

Jakość elementu:

• stan powierzchni

• stan naroży

• stan krawędzi

Analiza głównych kierunków kontroli i diagnostyki procesów kształtowania elementów z drewna litego i uszlachetnionych materiałów płytowych

Podstawowym zagadnieniem z punktu widzenia procesów wytwarzania jest zdefiniowanie jakości elementu, i to analiza jakościowa oraz ilościowa oceny jakości.