Active vibration damping of boring bars

Abstract

Teeness AS develops and produces damped tools for a variety of machining operations. To date passive damping elements are employed to absorb the vibrations that occur as a result of the interaction between the cutting process and the machine tool structure. The active control of vibrations, however, becomes more and more popular as it has the advantage of being adjustable on-line as opposed to passive damping systems. This study shall identify which active vibration control actuation method is best suited to be implemented in Teeness' products, followed by its experimental verification.

For that purpose a meticulous literature survey was carried out, the first part of which deals with active vibration control in general. Here, the basics of the cybernetic background of active vibration control are summarized. Since, this master thesis' aim was not to develop a control method, but to identify and verify an adequate actuation method - which can be successfully implemented in a control system at a later time - this part of the literature survey is of introductory character. The second part of the literature study narrowed the search space down to applications of active vibration control in machining processes. The purpose of this second, more specific, literature survey was to gain an overview of the various used actuation methods and different ways of implementing them in a machine structure.

The described literature survey yielded many possible actuation methods and even more implementation possibilities, and thus an assessment of them had to be carried out. The assessment was based on performance criteria, which have been identified and derived from the boring bar's future application, the constraints that the boring bar itself imposes, and more "universal" requirements like efficiency. The assessment concluded that the most promising actuation method is the use of a piezoelectric stack actuator, which is placed in a longitudinal groove in the boring bar.

Subsequently, by evaluating the properties of several possible piezoelectric stack actuators, the most adequate actuator was identified, along with a suitable amplifier. After having commissioned the production of the necessary components, a program was designed, which allowed both, the generation of a stimulus signal and the concurrent measurement and recording of the response signals, as well as their conditioning. An experimental setup was devised and realized, and by systematically changing the excitation signal's parameters their effect on the obtainable deflection amplitude at the free end of the boring bar was examined. In that manner, not only the feasibility of the proposed method was verified but also a parameter mapping was obtained, which may be used to approximately determine the necessary parameter set that is required to achieve a certain deflection.

Teeness AS er en bedrift som utvikler og fremstiller dempede verktøy for forskjellige maskineringsoperasjoner. Til dags dato benyttes det passive dempeelementer for å absorbere vibrasjoner som oppstår på grunn av gjensidig påvirkning mellom den sponskjærende prosessen og selve maskinen. Aktiv vibrasjonsdemping blir imidlertid mer og mer populær, da et aktivt system kan justeres i en løpende prosess, noe som ikke er mulig i passive dempesystemer. Denne masteroppgaven har som mål å identifisere den best egnete metoden for aktiv demping av borstenger og skal følges opp med en eksperimentell verifikasjon av selve metoden.

Med den hensikten ble det gjort et todelt nøyaktig litteraturstudium. Den første delen drøfter aktiv vibrasjonsdemping generelt, og kan betraktes som et innledende sammendrag av den reguleringstekniske bakgrunnen i aktiv vibrasjonsdemping. Den foreliggende masteroppgaven har imidlertid ikke som mål å utvikle en kontrollalgoritme og det ble derfor ikke lagt vekt på et mer utdypende litteraturstudium. Det skal heller identifiseres en adekvat måte å eksitere den betraktede borstangen på, som så kan på et senere tidspunkt implementeres i en kontrollalgoritme. Den andre delen av litteraturstudiet fokuserte på aktiv demping i maskineringsoperasjoner og hadde til hensikt å skaffe en oversikt over mulige eksiteringsmetoder og deres forskjellige implementeringsmåter.

Etterpå ble det gjort en vurdering av de mange forskjellige eksiteringsmetoder og implementeringsløsninger som ble funnet gjennom litteraturstudiet. Grunnlaget for selve vurdering var ytelseskriterier, som ble avledet og identifisert av den fremtidige anvendelsesområden og restriksjonene borstanga selvdikterte, samt mer universelle krav som for eksempel effektivitet. Vurderingen konkluderte med at den best egnete måten å stimulere borstangen på var en piezoelektrisk stabel aktuator som skulle bli plassert i et aksiell spor i selve borstangen.

Siden det finnes utallige forskjellige piezoelektriske aktuatorer måtte det gjøres en vurdering som tok hensyn til aktuatorenes egenskaper, som for eksempel dens dimensjoner og maksimal kraft. Etter å ha valgt en egnet aktuator måtte det velges en adekvat forsterker, og begge deler måtte bestilles. Mens komponentene ble laget og sendt av leverandøren, ble det laget et program som var i stand til å generere eksiteringssignaler og samtidig måle og registrerere sponssignaler, så vel som tar seg av dens tilpasning. Mange eksperimenter ble utført, og ved å systematisk forandre på aktuatorens parametrene kunne parametrenes påvirkning på den oppnåelige nedbøyningen av borstangens frie tupp kartlegges. På den måten kunne den foreslåtte metodens gjennomførbarhet verifiseres og selve kartleggingen kan brukes i seinere forsøk for å estimere størrelsen til parametrene for å oppnå en ønsket nedbøyning.