Precision cutting in CNC turning machines

Abstract

Özet Hassas kesme işlemi, üretimin zamanı, maliyeti ve esnekliği göz önüne alındığında üretim sistemlerindeki temel hedeflerden birini oluşturmaktadır. Özellikle üretilen işparçalarının doğruluğunu artırmak için yapılan kesme işlemleri sırasında kullanılan lineer motor, lazer ve piezoelektrik akçuatörler gibi teknolojik aletler, talaşlı imalat araştırmalarında giderek popüleritesini arttırmaktadır. Bu tezde, piyasadaki CNC torna tezgahlan üzerinde üretilen işparçalarının hatalarının (doğrusallık, yuvarlaklık ve çap hatası v.s.) ucuz bir şekilde düşürülmesi için, yeni hassas kesme sistemi geliştirilmiştir. CNC torna tezgahının karekterizasyonu için lazer uzaklık ölçüm sensörü kullanıldı. Piezostak akçuatör, kesme kalem ucu ve mekanik tasanmdan oluşan piezo temelli kesme aleti (PBCD) son kesme pasosunu hem statik hemde dinamik almak için, CNC torna tezgahı tareti üzerine monte edilmiştir. PBCD nin tasarım aşamasında sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanılmıştır. PBCD nin kontrolörü dSPACE yazılımında koşulan PK) (Proportional Integrate Derivative) dir. PBCD nin dinamik operasyonu sırasında CNC torna eksen motorunun enkoderi silindirik işparçalarının yuvarlaklık hatalarının aktif eliminasyonu için kontrol döngüsü içine alınmıştır. Silindirik işparçala rının makine dışı ölçümleri olumlu sonuçlar doğurmuştur. PBCD ile yapılan statik son kesme pasosu yuvarlaklık hatasındaki azalmanın en az 30 % olduğunu göstermektedir. Bir çok CNC torna makinalarında, kesme hızı ve pasosu, kalem geometrisi ve titreşimi gibi kesme durumları değiştirilmezse, üretilen parçaların geometrik hatala rını tekrarlanabilirdir. Dolayısıyla aynı parçaların aynı durumlarda kesimi ile oluşan parça geometrik hatalarını, her kesim işleminden sonra ölçmeye gerek kalmayabilir. Özellikle seri üretimde, bütün kesme durumları ve parçalan aynıdır. Dolayısıyla, PBCD seri üretim için çok yararlı bir araç olabilir. IX

Abstract Precision cutting, considering the time, cost and flexibility of the production, has been one of the major goals in manufacturing. Especially using new technological tools such as linear motors, laser and piezoelectric actuators in cutting operations to increase the accuracy of the workpieces produced, is becoming more popular day by day. In this thesis, a new precision cutting system is developed to decrease the basic workpiece errors (straightness, roundness, diameter error, etc.) for commercial CNC lathes in a cheaper way. In order to characterise the CNC lathe, a laser displacement sensor is used. A mechanical design with piezo stack actuator and tool tip, i.e. piezo based cutting device (PBCD), is inserted on the turret of CNC lathe to give both static and dynamic finish cutting operation of PBCD. FEA (Finite Element Analysis) tool is used at the design stage of PBCD. The controller of PBCD is PID (Proportional Integrate Derivative) control that is running in the dSPACE software. In dynamic operation of PBCD, instantaneous angular position of CNC lathe spindle is specified by means of the rotary encoder. And it is used in the control loop for active elimination of roundness errors of cylindrical workpieces during cutting operation. The results after assessment of the measurements of cylindrical workpieces are encouraging. In static operation of PBCD, the finish cutting decreases the roundness error at an amount of at least 30% with respect to the operation without control of PBCD. In most CNC turning machines, if cutting conditions such as cutting speed and feed, tool geometry and vibration are not changed, the workpiece geometric errors are mostly repeatable. So it may not be needed to measure the geometric errors of the same workpiece produced at the same cutting conditions after each cutting operation. Especially in mass production, all cutting conditions and workpiece produced are same. So, the PBCD would be very useful tool in mass production regarding the repeatability of workpiece geometric errors. V1U