Anticipatory Online Compensation of Tool Deflection Using a Priori Information from Process Planning

Removing excess material from build-up welding by milling is a critical step in the repair of blades from aircraft engines. This so-called recontouring is a very challenging machining task. Shape deviations often result from the deflection of tool and workpiece due to process forces. Considering the individuality of repair cases, compensation of those deflections by process force measurement and online tool path adaption is a very suitable method. However, there is one caveat to this reactive approach. Due to causality, a corrective movement, following a force variation, is always delayed by a finite reaction time. At this moment, though, the displacement has already manifested itself as a deviation in the machined surface. To overcome those limitations and to improve compensation beyond the reduction of control delays, this study proposes a novel approach of anticipatory online compensation. Flank-milling experiments with abrupt changes in the tool-workpiece engagement conditions are conducted to investigate the limitations of reactive compensation and to explore the potential of the new anticipatory approach

Correction of Errors During The Manufacture by Computer Numerical Control (CNC) of Blades for an Axial Hydrokinetic Turbine

The design and manufacture of new systems for providing electric power to non-interconnected areas is one of the challenges for engineering. There are several alternatives, including water or wind-power generation systems, where hydrokinetic turbines are highlighted. This work establishes the methodology, identification and correction of errors generated during the manufacture by machining, using CAD/CAPP/CAM techniques, for an axial hydrokinetic turbine. During the manufacturing process, the generation of an error on the edges of the blades was identified, which was attributed to problems in the design of the model since the degrees of freedom of the manufacturing system used were not considered. For the manufacture of complex surfaces in the design of models, the most extreme points of the surfaces in contact must match the tangent edges to ensure that the tools of machining can reach them with the trajectories generated from the CAM

Eco-efficient process based on conventional machining as an alternative technology to chemical milling of aeronautical metal skin panels

El fresado químico es un proceso diseñado para la reducción de peso de pieles metálicas que, a pesar de los problemas medioambientales asociados, se utiliza en la industria aeronáutica desde los años 50. Entre sus ventajas figuran el cumplimiento de las estrictas tolerancias de diseño de piezas aeroespaciales y que pese a ser un proceso de mecanizado, no induce tensiones residuales. Sin embargo, el fresado químico es una tecnología contaminante y costosa que tiende a ser sustituida. Gracias a los avances realizados en el mecanizado, la tecnología de fresado convencional permite alcanzar las tolerancias requeridas siempre y cuando se consigan evitar las vibraciones y la flexión de la pieza, ambas relacionadas con los parámetros del proceso y con los sistemas de utillaje empleados. Esta tesis analiza las causas de la inestabilidad del corte y la deformación de las piezas a través de una revisión bibliográfica que cubre los modelos analíticos, las técnicas computacionales y las soluciones industriales en estudio actualmente. En ella, se aprecia cómo los modelos analíticos y las soluciones computacionales y de simulación se centran principalmente en la predicción off-line de vibraciones y de posibles flexiones de la pieza. Sin embargo, un enfoque más industrial ha llevado al diseño de sistemas de fijación, utillajes, amortiguadores basados en actuadores, sistemas de rigidez y controles adaptativos apoyados en simulaciones o en la selección estadística de parámetros. Además se han desarrollado distintas soluciones CAM basadas en la aplicación de gemelos virtuales. En la revisión bibliográfica se han encontrado pocos documentos relativos a pieles y suelos delgados por lo que se ha estudiado experimentalmente el efecto de los parámetros de corte en su mecanizado. Este conjunto de experimentos ha demostrado que, pese a usar un sistema que aseguraba la rigidez de la pieza, las pieles se comportaban de forma diferente a un sólido rígido en términos de fuerzas de mecanizado cuando se utilizaban velocidades de corte cercanas a la alta velocidad. También se ha verificado que todas las muestras mecanizadas entraban dentro de tolerancia en cuanto a la rugosidad de la pieza. Paralelamente, se ha comprobado que la correcta selección de parámetros de mecanizado puede reducir las fuerzas de corte y las tolerancias del proceso hasta un 20% y un 40%, respectivamente. Estos datos pueden tener aplicación industrial en la simplificación de los sistemas de amarre o en el incremento de la eficiencia del proceso. Este proceso también puede mejorarse incrementando la vida de la herramienta al utilizar fluidos de corte. Una correcta lubricación puede reducir la temperatura del proceso y las tensiones residuales inducidas a la pieza. Con este objetivo, se han desarrollado diferentes lubricantes, basados en el uso de líquidos iónicos (IL) y se han comparado con el comportamiento tribológico del par de contacto en seco y con una taladrina comercial. Los resultados obtenidos utilizando 1 wt% de los líquidos iónicos en un tribómetro tipo pin-on-disk demuestran que el IL no halogenado reduce significativamente el desgaste y la fricción entre el aluminio, material a mecanizar, y el carburo de tungsteno, material de la herramienta, eliminando casi toda la adhesión del aluminio sobre el pin, lo que puede incrementar considerablemente la vida de la herramienta.Chemical milling is a process designed to reduce the weight of metals skin panels. This process has been used since 1950s in the aerospace industry despite its environmental concern. Among its advantages, chemical milling does not induce residual stress and parts meet the required tolerances. However, this process is a pollutant and costly technology. Thanks to the last advances in conventional milling, machining processes can achieve similar quality results meanwhile vibration and part deflection are avoided. Both problems are usually related to the cutting parameters and the workholding. This thesis analyses the causes of the cutting instability and part deformation through a literature review that covers analytical models, computational techniques and industrial solutions. Analytics and computational solutions are mainly focused on chatter and deflection prediction and industrial approaches are focused on the design of workholdings, fixtures, damping actuators, stiffening devices, adaptive control systems based on simulations and the statistical parameters selection, and CAM solutions combined with the use of virtual twins applications. In this literature review, few research works about thin-plates and thin-floors is found so the effect of the cutting parameters is also studied experimentally. These experiments confirm that even using rigid workholdings, the behavior of the part is different to a rigid body at high speed machining. On the one hand, roughness values meet the required tolerances under every set of the tested parameters. On the other hand, a proper parameter selection reduces the cutting forces and process tolerances by up to 20% and 40%, respectively. This fact can be industrially used to simplify workholding and increase the machine efficiency. Another way to improve the process efficiency is to increase tool life by using cutting fluids. Their use can also decrease the temperature of the process and the induced stresses. For this purpose, different water-based lubricants containing three types of Ionic Liquids (IL) are compared to dry and commercial cutting fluid conditions by studying their tribological behavior. Pin on disk tests prove that just 1wt% of one of the halogen-free ILs significantly reduces wear and friction between both materials, aluminum and tungsten carbide. In fact, no wear scar is noticed on the ball when one of the ILs is used, which, therefore, could considerably increase tool life

Autonomous space processor for orbital debris

The development of an Autonomous Space Processor for Orbital Debris (ASPOD) was the goal. The nature of this craft, which will process, in situ, orbital debris using resources available in low Earth orbit (LEO) is explained. The serious problem of orbital debris is briefly described and the nature of the large debris population is outlined. The focus was on the development of a versatile robotic manipulator to augment an existing robotic arm, the incorporation of remote operation of the robotic arms, and the formulation of optimal (time and energy) trajectory planning algorithms for coordinated robotic arms. The mechanical design of the new arm is described in detail. The work envelope is explained showing the flexibility of the new design. Several telemetry communication systems are described which will enable the remote operation of the robotic arms. The trajectory planning algorithms are fully developed for both the time optimal and energy optimal problems. The time optimal problem is solved using phase plane techniques while the energy optimal problem is solved using dynamic programming

Model for performance prediction in multi-axis machining

This paper deals with a predictive model of kinematical performance in 5-axis milling within the context of High Speed Machining. Indeed, 5-axis high speed milling makes it possible to improve quality and productivity thanks to the degrees of freedom brought by the tool axis orientation. The tool axis orientation can be set efficiently in terms of productivity by considering kinematical constraints resulting from the set machine-tool/NC unit. Capacities of each axis as well as some NC unit functions can be expressed as limiting constraints. The proposed model relies on each axis displacement in the joint space of the machine-tool and predicts the most limiting axis for each trajectory segment. Thus, the calculation of the tool feedrate can be performed highlighting zones for which the programmed feedrate is not reached. This constitutes an indicator for trajectory optimization. The efficiency of the model is illustrated through examples. Finally, the model could be used for optimizing process planning

High speed milling technological regimes, process condition and technological equipment condition influence on surface quality parameters of difficult to cut materials

[ES] La calidad superficial en las piezas mecanizadas depende del acabado superficial, resultado de las marcas dejadas por la herramienta durante el proceso de corte. Las aproximaciones teóricas tradicionales indican que estas marcas están relacionadas con los parámetros de corte (velocidad de corte, avance, profundidad de corte...), el tipo de máquina, el material de la pieza, la geometría de la herramienta, etc. Pero no todos los tipos de mecanizado y selección de materiales pueden dar un resultado ambiguo. Hoy en día, de manera progresiva, se están utilizando las técnicas de fresado de Alta Velocidad sobre materiales de difícil mecanizado cada vez más. El fresado de Alta Velocidad implica a un considerable número de parámetros del proceso que pueden afectar a la formación topográfica 3D de la superficie. La hipótesis de que los parámetros de rugosidad superficial dependen de las huellas dejadas por la herramienta, determinadas por las condiciones de trabajo y las propiedades del entorno, condujo al desarrollo de una metodología de investigación personalizada. Este trabajo de investigación muestra como la combinación de los parámetros, inclinación del eje de la herramienta, deflexión geométrica de la herramienta y comportamiento vibracional del entorno, influencian sobre el parámetro de rugosidad superficial 3D, Sz. El modelo general fue dividido en varias partes, donde se ha descrito la influencia de parámetros del proceso adicionales, siendo incluidos en el modelo general propuesto. El proceso incremental seguido permite al autor desarrollar un modelo matemático general, paso a paso, testeando y añadiendo los componentes que más afectan a la formación de la topografía de la superficie. En la primera parte de la investigación se seleccionó un proceso de fresado con herramientas de punta plana. Primero, se analiza la geometría de la herramienta, combinada con múltiples avances, para distinguir los principales parámetros que afectan a la rugosidad superficial. Se introduce un modelo de predicción con un componente básico para la altura de la rugosidad, obtenida por la geometría de la herramienta de corte. A continuación, se llevan a cabo experimentos más específicamente diseñados, variando parámetros tecnológicos. Esto empieza con el análisis de la inclinación del eje de la herramienta contra la mesa de fresado. Los especímenes de análisis son muestras con cuatro recorridos de corte rectos con corte en sentido contrario. Las trayectorias lineales con diferentes direcciones dan la oportunidad de analizar la inclinación del husillo de fresado en la máquina. Un análisis visual reveló diferencias entre direcciones de corte opuestas, así como marcas dejadas por el filo posterior de la herramienta. Considerando las desviaciones de las marcas de corte observadas en las imágenes de rugosidad superficial obtenidas a partir de las medidas, se introdujo un análisis sobre el comportamiento dinámico del equipo y de la herramienta de corte. Las vibraciones producen desviaciones en la mesa de fresado y en la herramienta de corte. Estas desviaciones fueron detectadas e incluidas en el modelo matemático para completar la precisión en la predicción del modelo. Finalmente, el modelo de predicción del parámetro de rugosidad Sz fue comprobado con un mayor número de parámetros del proceso. Los valores de Sz medidos y predichos, fueron comparados y analizados estadísticamente. Los resultados revelaron una mayor desviación de la rugosidad predicha en las muestras fabricadas con diferentes máquinas y con diferentes avances. Importantes conclusiones sobre la precisión del equipo de fabricación han sido extraídas y de ellas se desprende que la huella de la herramienta de corte está directamente relacionada con los parámetros de la topografía de la superficie. Además, la influencia de la huella está afectada por la geometría de la herramienta de corte, la rigidez de la herramienta y la precisión del equipo. La geometría de la herramienta conforma la base del parámetro Sz, desviación de la altura de la superficie. Las conclusiones alcanzadas son la base para recomendaciones prácticas, aplicables en la industria.[CA] La qualitat superficial en les peces mecanitzades depèn de l'acabat superficial, resultat de les marques deixades per l'eina durant el procés de tall. Les aproximacions teòriques tradicionals indiquen que aquestes marques estan relacionades amb els paràmetres de tall (velocitat de tall, avanç, profunditat de tall...), el tipus de màquina, el material de la peça, la geometria de l'eina, etc. Però no tots els tipus de mecanitzat i selecció de materials poden donar un resultat ambigu. Avui en dia, de manera progressiva, s'estan utilitzant les tècniques de fresat d'Alta Velocitat sobre materials de difícil mecanització cada vegada més. El fresat d'Alta Velocitat implica un considerable nombre de paràmetres del procés que poden afectar la formació topogràfica 3D de la superfície. La hipòtesi que els paràmetres de rugositat superficial depenen de les empremtes deixades per l'eina, determinades per les condicions de treball i les propietats de l'entorn, va conduir al desenvolupament d'una metodologia d'investigació personalitzada. Aquest treball de recerca mostra com la combinació dels paràmetres, inclinació de l'eix de l'eina, deflexió geomètrica de l'eina i comportament vibracional de l'entorn, influencien sobre el paràmetre de rugositat superficial 3D, Sz. El model general va ser dividit en diverses parts, on s'ha descrit la influència de paràmetres addicionals del procés, sent inclosos en el model general proposat. El procés incremental seguit permet a l'autor desenvolupar un model matemàtic general, pas a pas, testejant i afegint els components que més afecten a la formació de la topografia de la superfície. En la primera part de la investigació es va seleccionar un procés de fresat amb eines de punta plana. Primer, s'analitza la geometria de l'eina, combinada amb múltiples avanços, per distingir els principals paràmetres que afecten la rugositat superficial. S'introdueix un model de predicció amb un component bàsic per a l'altura de la rugositat, obtinguda a través de la geometria de l'eina de tall. A continuació, es duen a terme experiments més específicament dissenyats, variant paràmetres tecnològics. Això comença amb l'anàlisi de la inclinació de l'eix de l'eina contra la taula de fresat. Els espècimens d'anàlisi són mostres amb quatre recorreguts de tall rectes amb tall en sentit contrari. Les trajectòries lineals amb diferents direccions donen l'oportunitat d'analitzar la inclinació del fus de fresat en la màquina. Una anàlisi visual revelà diferències entre direccions de tall oposades, així com marques deixades pel tall posterior de l'eina. Considerant les desviacions de les marques de tall observades en les imatges de rugositat superficial obtingudes a partir de les mesures, es va introduir una anàlisi sobre el comportament dinàmic de l'equip i de l'eina de tall. Les vibracions produeixen desviacions en la taula de fresat i en l'eina de tall. Aquestes desviacions van ser detectades i incloses en el model matemàtic per completar la precisió en la predicció de el model. Finalment, el model de predicció de el paràmetre de rugositat Sz va ser comprovat amb un major nombre de paràmetres del procés. Els valors de Sz mesurats i predits, van ser comparats i analitzats estadísticament. Els resultats van revelar una major desviació de la rugositat predita en les mostres fabricades amb diferents màquines i amb diferents avanços. Importants conclusions sobre la precisió de l'equip de fabricació han estat extretes i d'elles es desprèn que l'empremta de l'eina de tall està directament relacionada amb els paràmetres de la topografia de la superfície. A més, la influència de la empremta està afectada per la geometria de l'eina de tall, la rigidesa de l'eina i la precisió de l'equip. La geometria de l'eina conforma la base del paràmetre Sz, desviació de l'altura de la superfície. Les conclusions assolides són la base per recomanacions pràctiques, aplicables en la indústria.[EN] Surface quality of machined parts highly depends on the surface texture that reflects the marks, left by the tool during the cutting process. The traditional theoretical approaches indicate that these marks are related to the cutting parameters (cutting speed, feed, depths of cut...), the machining type, the part material, the tool geometry, etc. But, different machining type and material selection can give a variable result. In nowadays, more progressively, High Speed milling techniques have been applied on hard-to-cut materials more and more extensively. High-speed milling involves a considerable number of process parameters that may affect the 3D surface topography formation. The hypothesis that surface topography parameters depends on the traces left by the tool, determined by working conditions and environmental properties, led to the development of a custom research methodology. This research work shows how the parameters combination, tool axis inclination, tool geometric deflection, cutting tool geometry and environment vibrational behavior, influence on 3D surface topography parameter Sz. The general model was divided in multiple parts, where additional process parameters influence has been described and included in general model proposed. The incremental process followed allows the author to develop a general mathematical model, step by step, testing and adding the components that affect surface topography formation the most. In the first part of the research a milling procedure with flat end milling tools was selected. First, tool geometry, combined with multiple cutting feed rates, is analyzed to distinguish the main parameters that affect surface topography. A prediction model is introduced with a basic topography height component, performed by cutting tool geometry. Next, specifically designed experiments were conducted, varying technological parameters. That starts with cutting tool axis inclination against the milling table analysis. The specimens of analysis are samples with 4 contrary aimed straight cutting paths. Linear paths in different directions give a chance to analyze milling machine spindle axis topography, as well as marks left from cutting tool back cutting edge. Considering the deviations of cutting marks observed in the images of the surface topography obtained through the measurements, the milling equipment and cutting tool dynamical behavior analysis were introduced. Vibrations produce deviations in the milling table and cutting tool. These deviations were detected and included in the mathematical model to complete the prediction model accuracy. Finally, the prediction model of the topography parameter SZ was tested with increased number of process parameters. Measured and predicted SZ values were compared and analyzed statistically. Results revealed high predicted topography deviation on samples manufactured with different machines and with different feed rates. Relevant conclusions about the manufacturing equipment accuracy have been drawn and they state that cutting tool's footprint is directly related with surface topography parameters. Besides, footprint influence is affected by cutting tool geometry, tool stiffness and equipment accuracy.Logins, A. (2021). High speed milling technological regimes, process condition and technological equipment condition influence on surface quality parameters of difficult to cut materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164122TESI

From computer-aided to intelligent machining: Recent advances in computer numerical control machining research

The aim of this paper is to provide an introduction and overview of recent advances in the key technologies and the supporting computerized systems, and to indicate the trend of research and development in the area of computational numerical control machining. Three main themes of recent research in CNC machining are simulation, optimization and automation, which form the key aspects of intelligent manufacturing in the digital and knowledge based manufacturing era. As the information and knowledge carrier, feature is the efficacious way to achieve intelligent manufacturing. From the regular shaped feature to freeform surface feature, the feature technology has been used in manufacturing of complex parts, such as aircraft structural parts. The authors’ latest research in intelligent machining is presented through a new concept of multi-perspective dynamic feature (MpDF), for future discussion and communication with readers of this special issue. The MpDF concept has been implemented and tested in real examples from the aerospace industry, and has the potential to make promising impact on the future research in the new paradigm of intelligent machining. The authors of this paper are the guest editors of this special issue on computational numerical control machining. The guest editors have extensive and complementary experiences in both academia and industry, gained in China, USA and UK

Geometrical Error Analysis and Correction in Robotic Grinding

The use of robots in industrial applications has been widespread in the manufacturing tasks such as welding, finishing, polishing and grinding. Most robotic grinding focus on the surface finish rather than accuracy and precision. Therefore, it is important to advance the technology of robotic machining so that more practical and competitive systems can be developed for components that have accuracy and precision requirement. This thesis focuses on improving the level of accuracy in robotic grinding which is a significant challenge in robotic applications because of the kinematic accuracy of the robot movement which is much more complex than normal CNC machine tools. Therefore, aiming to improve the robot accuracy, this work provides a novel method to define the geometrical error by using the cutting tool as a probe whilst using Acoustic Emission monitoring to modify robot commands and to detect surfaces of the workpiece. The work also includes an applicable mathematical model for compensating machining errors in relation to its geometrical position as well as applying an optimum grinding method to motivate the need of eliminating the residual error when performing abrasive grinding using the robot. The work has demonstrated an improved machining precision level from 50µm to 30µm which is controlled by considering the process influential variables, such as depth of cut, wheel speed, feed speed, dressing condition and system time constant. The recorded data and associated error reduction provide a significant evidence to support the viability of implementing a robotic system for various grinding applications, combining more quality and critical surface finishing practices, and an increased focus on the size and form of generated components. This method could provide more flexibility to help designers and manufacturers to control the final accuracy for machining a product using a robot system

AUTOMATED FIVE-AXIS TOOL PATH GENERATION BASED ON DYNAMIC ANALYSIS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH