بخشی از مقاله
خلاصه
پولیشکاری با کنترلکامپیوتری (CCP)به دلیل تسریع فرآیند و اجتناب از خطاهای انسانی در حفظ پروفیل قطعهکاردارای سطوح آزاد، به پولیشکاری دستی ترجیح داده می شود. مراحل اصلی فرآیند، تعیین موقعیت ابزار به صورت برنامه کنترل عددی و زمان توقف آن روی قطعهکار میباشد. در پژوهش حاضر، با استفاده از مدلCADیک پروانه کشتی، موقعیت ابزار سرکروی پولیشکاریبه دلیل لتطباق مناسب با قسمتهای مقعر سطوح آزاد، برای یک دستگاه فرز CNC سه محوره استخراج گردیده و در ادامه،نقطهاثر ابزار روی سطح شبیهسازی شده است. با شبیه سازی فرآیند و مشخص نمودن مسیر ابزار، برنامه کنترل عددی مناسب ایجاد شده است. همچنین، با بسط معادله پرستون برای ابزارهای سرکروی و با استفاده از پروفیل اثر ابزار، زمان توقف ابزار استخراج شده و در فرآیند پولیشکاری با کنترل کامپیوتری مورد استفاده قرار گرفت. آزمایش صورت گرفته، کارایی برنامه کنترل عددی و بهبود کیفیت سطح را نشان میدهد.
کلمات کلیدی: پولیشکاری کامپیوتری، سطح آزاد، ابزار سرکروی، نقطه اثر ابزار، زمان توقف
1. مقدمه
تولید سطوح آزاد با کیفیت بالا در صنایع امروزی اهمیت ویژهای یافته است. نیاز به تولید سطوح آزاد دقیق عمدتاً در لنزها، قالبها و سطوح بیولوژیکی وجود دارد. از پولیشکاری با کنترل کامپیوتری (CCP) به منظور بهینهسازی در زمان تولید و همچنین افزایش دقت سطح استفاده میشود. در فرآیند CCPتعیین موقعیت ابزار به صورت برنامه کنترل عددی از مراحل اصلی فرآیند است. از سوی دیگر انجام این فرآیند با استفاده از ماشینابزارهای تجاری پنج محوره دغدغهی دیگری است که در مواردی که تولید انبوه وجود ندارد از نظر اقتصادی موجه نمیباشد. با استفاده از کنترلکنندههای هوشمند و واسطههای نرم افزاری در CCPمیتوان دقت و سرعت فرآیند را بهبود بخشید. تحقیقاتی در راستای توسعه سیستمهای خودکار پولیشکاری به منظور بهبود بازدهی فرآیند پولیشکاری صورت پذیرفته است. ناگاتا و همکارانش یک کنترلکننده موقعیت و نیرو مبتنی بر استفاده از CAD/CAM را که قادر به کنترل پایدار نیرو و کنترل دقیق پیشروی در راستای سطح انحنادار است برای یک روبات پولیشکاری قالب ارائه نمودند .[1] کلوکه و همکارانش سیستم نظارت برخطی را به منظور دریافت برخط دادهها در فرآیند پولیشکاری با استفاده از حسگر متصل به نرمافزار Labviewپیشنهاد کردند .[2] نگان و تام نیز از روش غیرتماسی بر مبنای ماشینبینایی و پردازش تصویر مناسب برای بازرسی برخط پولیشکاری استفاده کردهاند .[3] شرکت Zeekoفن آوری منحصر به فردی را در این زمینه با استفاده از Matlabارائه نموده است .[4] بورگه و همکارانش با معرفی یک ابزار غشایی انعطاف پذیر جعبهابزارنرمافزاری را در محیط Labview برای ابزارهایی بهینه، طراحی نمودند که انطباق در مقیاس بالا را برای سطوح انحنادار فراهم می سازد .[5] لیائو و همکارانش روشی جدید برای مدلسازی و کنترل یک فرآیند خودکار پولیشکاری و برادهزدایی ارائه نمودند که از یک هد ابزار
1مدرس گروه مهندسی مکانیک دانشگاه جامع علمی کاربردی
2هیأت علمی گروه مهندسی مکانیک دانشگاه بیرجند
3مدرس گروه مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسلامی
1
دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در » مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
2nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering
انطباقی دو منظوره استفاده میکند .[6] چو و همکارانش از ابزاری انعطافپذیر با ذرات ساینده برای پولیشکاری سطوح آزاد در مراکز ماشینکاری سه محوره بهره گرفتند .[7] تام و چنگ در مورد تأثیرات مسیر ابزار در برداشت ماده در فرآیند پولیشکاری تحقیقات جدیدی انجام دادهاند .[8]
محاسبه زمان توقف برای برنامهریزی در رابطه با مسیر ابزار یکی دیگر از اجزای کلیدی پولیشکاری با کنترل کامپیوتری (CCP) میباشد. هدف از توزیع زمان توقف ابزار بر روی قطعهکار، صرف زمان کافی در فرآیند پولیشکاری کامپیوتری به منظور برداشت ماده مورد نیاز از قطعهکار توسط روبات یا ماشینابزار کنترل عددی در نقطه توقف ابزار میباشد. مکانیزم برداشت ماده در پولیشکاری با کنترل کامپیوتری با آنچه در روشهای متداول ساختن سطوح آزاد موجود است متفاوت میباشد. در فرآیندهای پولیشکاری چنین فرض میشود که پروفیل نرخ برداشت ماده بین ابزار و سطح قطعهکار از قانون پرستون تبعیت میکند 9]،.[2 در پولیشکاری با کنترل کامپیوتری، اصلاح سطح به واسطه تغییر زمان توقف در مسیر ابزار صورت می پذیرد. معادله پرستون در تکنولوژی MRF نیز مورد استفاده قرار می گیرد .[9]
ابزارهای سرکروی پولیشکاری به دلیل سهولت کنترل هندسی در روباتها و ماشینهای کنترل عددی و نیز انطباق مناسب با قسمتهای مقعر و فرورفتهی سطوح آزاد بسیار مورد استفاده قرار میگیرند 1-12]،.[10 در مورد ابزارهای سرکروی، اثر ابزار را میتوان به صورت دوبعدی و سه بعدی مدل سازی نمود. یو، اثر ابزار سرکروی را بر روی سطح آلومینیومی به دست آورده است .[13]شینهیرل و همکارانش با بررسی توابع اثر متغیر زمانی، روشی جدید برای پولیشکاری با کنترل کامپیوتری ارائه نمودند .[14] لی و یانگ الگوریتمی را برای زمان توقف در پولیشکاری سطوح انحنادار متقارن کوچک ارائه نمودند .[15] واکر و همکارانش نیز اثر ابزار را در دستگاههای IRP-200 مطالعه کردند .[16]
در این مقاله مدلی برای فرآیند پولیشکاری با کنترل کامپیوتری برای یک پروانه کشتی ارائه شده است. پروانههای کشتی از جمله قطعات صنعتی میباشند که متشکل از سطوح با فرم آزاد بوده و همچنین به دلیل اهمیت کیفیت سطح آنها در این پژوهش به عنوان مدل مد نظر قرار گرفتهاند. بالا بردن کیفیت سطح موجب بهبود عملکرد پروانه گردیده و مصرف انرژی را کاهش میدهد؛ لذا موجب بهبود کارکرد کل سیستم میگردد. از طرف دیگر بالا بردن کیفیت سطح پروانه سبب سایش کمتر و افزایش عمر پروانه میگردد. این مدل بر مبنای یک دستگاه فرز CNC سه محوره و با استفاده از ابزار سرکروی پولیشکاری ایجاد شده است. در این پژوهش از ابر نقاط مدل CAD پروانه به عنوان دادههای ورودی برای تعیین موقعیت ابزار پولیشکاری استفاده گردیده است. دادهها در ابتدا در الگوریتمهایی فیلتر شده و سپس برای تعیین موقعیت ابزار سرکروی پولیشکاری مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین،به رفتار سایشی ابزار سرکروی پولیشکاری و سطح در زمان توقف به شکل جزئیتری پرداخته میشود و اثر ابزار سرکروی بر روی سطح با لحاظ پارامترهای ماشینکاری مورد مطالعه قرار گرفته و نقطهاثر ابزار بر روی سطح شبیهسازی میگردد. همچنین توزیع مدت زمان توقف لازم نیز برای نقطهاثر ابزار مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش انجام گرفته در رابطه با برنامه کنترل عددی بهبود کیفیت سطح مورد نظر را نشان میدهد.
2. پردازش دادهها
مدلسازی فرآیند پولیشکاری با کنترل کامپیوتری در قالب موقعیتدهی ابزار مستلزم در اختیار داشتن مختصاتی از مدل CAD مورد مطالعه میباشد. این مختصات چنانچه اشاره گردید به صورت ابر نقاط مدل استخراج گردیده است. دادهها به دلیل ویژگیهایی که داراست مستلزم پردازشهایی بوده و بایستی شامل تنها رویهای باشد که برای پولیشکاری مورد نظر است. همچنین دادههای استخراج شده بر اساس سیستم مختصات مدل CADمرتب گردیده و ممکن است با سیستم مختصات ماشینابزار مورد نظر منطبق نباشند. لذا بایستی الگوریتمهایی ترتیب داده شوند که دادهها را مطابق مطلوب سازند. این الگوریتمها شامل انطباق مختصات مدل CAD با ماشینابزار مورد استفاده، تغییر مقیاس قطعهکار، آفست نمودن کناره های قطعهکار، تشخیص رویهی مورد نظر و حذف دادههای زائد و مربوط به رویه زیری و نهایتاً مرتب نمودن دادهها میباشد. در شکل (1) مدل CAD پروانه، ابر نقاط مدل، و ابر نقاط مدل پس از اعمال الگوریتمها با آفست کنارهها به اندازهی 10 mm نشان داده شده است.
الف) مدل توپر ب) ابر نقاط ج) ابر نقاط فیلتر شده شکل – 1مدل پروانه الف) مدل توپر ب) ابر نقاط ج) ابر نقاط فیلتر شده
در این مقاله از پارمتر Raبه عنوان پارامتر اصلی تعیین کننده زبری سطح استفاده گردیده است. با در اختیار داشتن Raبه عنوان یک متغیر ورودی به برنامه، توپوگرافی سطح مدلسازی شده و از خروجی آن برای ادامه برنامه استفاده شده است. بازهای به طول 10mm به صورت یک ماتریس سطری با
2
دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در » مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
2nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering
دادههایی به فاصلهی 0/01mm در نظر گرفته شده است. به ازای هر کدام از این مقادیر طولی، مقادیر دیگری به عنوان ارتفاع در یک ماتریس سطری جداگانه ذخیره میشوند. این ارتفاعها در ابتدا به ازای هر داده در بازهی طولی، به صورت تصادفی با استفاده از یک تابع توزیع یکنواخت ایجاد می-گردند.با ترسیم ماتریس ارتفاعها بر حسب ماتریس طول، توپوگرافی سطح به صورت نشان داده شده در شکل (2) به دست خواهد آمد.خروجی این الگوریتم فاصلهی قله تا دره (PV)بر حسب Raوارد شده میباشد که با استفاده از دادههای ایجاد شده در ماتریس زبری قابل محاسبه است.
شکل –2توپوگرافی زبری مدلسازی شده
اندازهی به دست آمده به عنوان خروجی باید به عنوان فاصلهی رویهی آفست از رویهی مدل CADمورد استفاده قرار گیرد. رویهی آفست رویهای است که عیناً مشابه رویهی اولیه بوده و به اندازهی مشخصی بالاتر یا پایینتر از رویهی اولیه قرار گرفته است. در واقع هدف از این کار استخراج رویهای است که نقاط آن دقیقاً نقاطی هستند که ابزار سرکروی پولیشکاری قرار است پس از برداشت ماده در آنها بر پره مماس شود (نقاط تماس ابزار.(CC این اختلاف ارتفاع همان مادهای است که با لحاظ زبری بایستی از کل پره برداشته شود. از آنجایی که در فرآیند پرداخت، چنانچه توضیح داده شد، علاوه بر اصلاح صافی سطح بایستی فرم پروفیل قطعه نیز حفظ گردد، اندازهی مشخص قله تا دره به طور ثابت به کل مختصات مدل CADاعمال میشود تا پروفیل موجود در مدل به هم نخورده و تموج ایجاد نشود.
