An integrated system for ultra-precision machine tool design in conceptual and fundamental design stage

This paper presents an integrated system used for ultra-precision machine tool (UPMT) design in conceptual and fundamental design stage. This system is based on the dynamic, thermodynamic, and error budget theories. The candidate configurations of the machine tool are first selected from the configuration library or a novel configuration designed by the user, according to the functions of the machine tool expected to realize. Then, the appropriate configuration is given by comparing the stiffness chain, dynamic performance, thermal performance, and the error budget of each candidate configuration. Consequently, the integrated design system enables the conceptual and fundamental of the UPMT to be designed efficiently with a theoretical foundation. The proposed system was used for several UPMT designs, which demonstrate the effectiveness of the integrated design system

Projeto geométrico e estrutural de minimáquina-ferramenta multifuncional de precisão

This research covers the preliminary structural design of a multifunctional mini size machine tool of synthetic granite applied in advanced ultraprecision manufacturing. The demand for machine tools and manufacture cells capable of performing additive and subtractive multiple processes in macro and micro scale supports the development of small size CNC multifunctional machine. Several geometric structures and construction materials are described in the literature and applied in commercial precision and ultraprecision machines. However, the state of the art has a shortfall of comparative studies on the influence of geometrical forms in the performance of synthetic granite machines. The study aims a initial comparative structural design of six synthetic granite structures, namely, C (EC), gantry (EP), tetrahedral (ET), octahedral (EO), double tetrahedral (ETD), and octahedral plus tetrahedral (EOT) forms, being the ETD and EOT original geometries. Boundary conditions included an working envelope of 400 mm x 400 mm x 400 mm and a static stiffness of 1 000 N/µm. Comparative performances in mass, size, manufacturing complexity, vibration modes, tension distribution, and deformation were analyzed through mechanical engineering design methodology and finite element analysis (FEA). The results of the static simulation showed less deformations of conventional EC and EP structures for the action of gravity isolated and from the action of gravity and machining force simultaneously, while the ETD and EOT structures presented the largest deformations. The dynamic simulation results returned higher vibration modes for EC and EP, respectively, and the lowest vibration for ETD. As for the masses of the structures, in ascending order, the results were EC, EP, ET, EOT, EO, and ETD. In conclusion, among the presented geometries, it is possible to obtain the desired stiffness regardless of the structural geometry chosen, however with masses, manufacturing complexities, and different vibration modes that can expressively reflect on the cost-benefit of the structure. Although the structures have been subjected to several optimization iterations cannot rule out the possibility of existing similar structures with smaller mass, volumes, and even with better static and dynamic performances.FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisTrabalho de Conclusão de Curso (Graduação)O presente estudo aborda o projeto estrutural preliminar de minimáquina-ferramenta multifuncional de granito sintético visando aplicação em manufatura avançada de ultraprecisão. A demanda por máquinas-ferramentas e células de manufatura capazes de desempenharem multiprocessos aditivos e subtrativos em macro e micro escala justifica o desenvolvimento de minimáquinas multifuncionais CNC. Na literatura estão descritas diversas estruturas geométricas e materiais de construção que também são aplicados em máquinas comerciais de precisão e ultraprecisão. Entretanto, o estado da arte não contempla estudos comparativos das influências geométricas no desempenho estrutural de máquinas de granito sintético. Motivado pelas propriedades do granito sintético e efeito geométrico estrutural, esta pesquisa aborda o projeto estrutural comparativo inicial de seis estruturas, a saber C (EC), pórtico (EP), tetraédrica (ET), octaédrica (EO), tetraédrica dupla (ETD) e octaédrica mais tetraédrica (EOT), sendo a ETD e a EOT geometrias originais. As condições de contorno incluíram envelope de trabalho de 400 mm x 400 mm x 400 mm e rigidez estática de 1 000 N/µm. Metodologia de projeto mecânico de engenharia e análise de elementos finitos foram utilizados para avaliar o desempenho comparativo mássico, dimensional, complexidade de fabricação, modos de vibração, tensões e deformações mecânicas. Os resultados da simulação estática apontaram menores deformações das estruturas convencionais EC e EP a partir da ação da gravidade isolada e da ação da gravidade e força de usinagem simultaneamente, enquanto as estruturas ETD e EOT apresentaram as maiores deformações. Os resultados da simulação dinâmica retornaram maiores modos de vibração para EC e EP, respectivamente, e o menor modo de vibração para a ETD. Quanto as massas das estruturas, em ordem crescente, os resultados foram EC, EP, ET, EOT, EO e ETD. Conclui-se que, dentre as geometrias analisadas, foi possível alcançar a rigidez desejada independentemente da geometria estrutural, entretanto com massas, complexidades de fabricação e modos de vibração distintos que podem refletir expressivamente no custo-benefício da estrutura. Apesar das estruturas terem sido submetidas a diversas iterações de otimização não se descarta a possibilidade de existirem estruturas similares de menores massas, volumes e até mesmo com melhores desempenhos estáticos e dinâmicos