Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Zadanie Badawcze 2 Modelowanie, konstruowanie i kontrolowanie procesu HSM z uwzględnieniem skonfigurowanego układu maszyna-przyrząd-detal Lider merytoryczny – prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Partnerzy: Politechnika Warszawska Politechnika Rzeszowska Spotkanie Paneli Ekspertów Projektu Kluczowego Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym Rzeszów, czerwca 2009

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Cele prac badawczych: 2.1 Modelowanie procesów HSM Opracowanie modeli matematycznych i optymalizacja wydajnościowej tego procesu. Okres realizacji: Nadzorowanie stanu obrabiarek do HSM Opracowanie metod nadzorowanie stanu obrabiarek do HSM. Okres realizacji: Układy diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania dla przemysłu lotniczego Opracowanie metodyki budowy układów diagnostycznych dla konkretnych stanowisk produkcyjnych oraz konstrukcji i metodyki pracy sondy narzędziowej, umożliwiającej pomiary zużycia ostrza Okres realizacji:

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Uaktualnienie światowego stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania 1.Potrzeba automatycznej diagnostyki stanu narzędzi, zwłaszcza w przemyśle lotniczym 2.Czujniki stosowane w diagnostyce stanu narzędzia i procesu skrawania 3.Komercyjne układy diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania 4.Zaawansowane metody przetwarzania sygnałów w DNIPS 5.Nowe rozwiązania w zakresie strategii diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania 6.Metody komunikacji układów diagnostycznych z układami sterowania 7.Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania metodami bezpośrednimi 8.Wykorzystanie systemów wieloagentowych w nadzorowaniu procesów obróbkowych

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem 3) Produkcja seryjna Czas, liczba sztuk 2) Produkcja jednostkowa, bezpośredni nadzór operatora Wskaźniki pośrednie 1) Laboratorium Wskaźniki bezpośrednie 4) Zautomatyzowane systemy wytwarzania Wskaźniki pośrednie Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Potrzeba automatycznej diagnostyki stanu narzędzi, zwłaszcza w przemyśle lotniczym Określanie końca trwałości ostrza

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Czujniki stosowane w diagnostyce stanu narzędzia i procesu skrawania Sił skrawania i wielkości pochodnych (moc, odkształcenie elementów obrabiarki itd.) Emisji akustycznej Tak w komercyjnych, jak laboratoryjnych układach nadzoru stanu narzędzia dominują czujniki: Drgań

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Konfiguracja komercyjnych układów nadzoru stanu narzędzia Programowe - będące jedynie fragmentami oprogramowania CNC Sprzętowe - będące oddzielnymi urządzeniami, a w tym: modułowe - składające się z jednostki centralnej i oddzielnych modułów obsługujących kolejne czujniki (obrabiarki) zwarte, a w tym: karty PCI - instalowane w układzie CNC lub wolnostojącym komputerze wolnostojące, w tym: specjalizowane (zawierające układ przygotowania sygnału, przystosowane do jednego tylko czujnika) uniwersalne

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Strategie komercyjnych układów diagnostyki zużycia ostrza Układy komercyjne opierają się na zasadzie: jeden proces-jeden czujnik- jedna miara sygnału Dominującą strategią jest ocena wartości średniej sygnału Wykrywanie KSO zwykle oparte jest na ustalonych wartościach granicznych, granice dynamiczne stosowane są wyjątkowo

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Zaawansowane metody przetwarzania sygnałów w DNIPS Zadaniem przetwarzania sygnałów jest wyznaczanie ich miar skorelowanych z monitorowanym zjawiskiem Przykładowe miary w dziedzinie czasu: wartość średnia, skuteczna, czas sygnału ponad progiem, odchylenie bezwzględne, kurtoza i skośność, wariancja, momenty, moc, energia, zakres i wiele innych Zaawansowane metody przetwarzania sygnałów w dziedzinie częstotliwości lub czasu i częstotliwości widmowa gęstość mocy (PSD) pasmowoprzepustowe filtrowanie analogowe krótkookresowa transformata Fouriera (STFT) transformata falkowa (WT) transformata Hilberta-Huanga (HHT) pozwalają na obserwację zmienności (miar) sygnału w wybranych pasmach częstotliwości, co znacznie zwiększa liczbę miar użytecznych do diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania.

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Nowe rozwiązania w zakresie strategii diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Powszechnie uważa się, że diagnostyka stanu narzędzia oparta jednej mierze jednego sygnału nie umożliwia wiarygodnej diagnostyki Konieczne jest wykorzystanie wielu miar sygnałów, najlepiej pochodzących z wielu czujników (mierzących różne zjawiska) Konieczne jest rozwiązanie problemów: oceny przydatności miar i wybór najlepszych eliminacji miar podobnych, nie wnoszących dodatkowych informacji integracji miar w jedną ocenę stanu narzędzia Wiele prac poświęcono zastosowaniu sieci neuronowych do integracji miar właściwe nauczenie sieci wymaga dużej ilości danych uczących, tym większej im więcej miar to powoduje konieczność ograniczenia liczby miar (rezygnację z pożytecznych) oraz wydłuża proces treningu układu Bardzo obiecującym, stosunkowo nowym rozwiązaniem są algorytmy hierarchiczne w pierwszym etapie ocena stanu narzędzia w oparciu o jedną miarę w drugim etapie integracja ocen

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Metody komunikacji układów diagnostycznych z układami sterowania Brak jest ustaleń i norm regulujących formy i sposób komunikacji układów sterowania numerycznego z urządzeniami zewnętrznymi jak również uniwersalnych rozwiązań. Bardzo rygorystyczne dbanie o stabilność pracy sterownika powoduje konieczność unikania obciążania procesora jakimikolwiek dodatkowymi zadaniami np. komunikacyjnymi. Brak jest szczegółowych informacji o udanych implementacjach zewnętrznych układów pomiarowych w struktury sterowania już istniejących maszyn i obrabiarek. Skuteczne działania implementacyjne możliwe są jedynie w przypadku: tworzenia nowego sterownika – najczęściej w postaci układu o strukturze otwartej, wykorzystanie specjalizowanego oprogramowania udostępnianego przez producenta sterownika NC i tworzenie systemu komunikacji w oparciu o przewidziane możliwości i tryby pracy środowiska programowego i istniejące interfejsy. konieczne jest przeprowadzenie modyfikacji programu sterującego. wykorzystanie istniejących rozwiązań sprzętowych (przełączniki, regulatory, itp.) i dołączanie do nich sygnałów pochodzących sygnałów zewnętrznego układu diagnostycznego. konieczne jest dokonanie modyfikacji sprzętowych

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania metodami bezpośrednimi Standardowo stosowane sondy narzędziowe są z powodzeniem używane do określenia położenia wierzchołka ostrza oraz do wykrycia skutków katastroficznego stępienia ostrza Istnieje wiele innych urządzeń do wykrywania wyłamania narzędzi w czasie przerw w obróbce

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania metodami bezpośrednimi cd. Wpływ odkształceń termicznych obrabiarki sprawia, że klasyczna sonda narzędziowa nie może być wykorzystana do międzyzabiegowej oceny zużycia ostrza Zadanie to może być wykonane przez sondę narzędziowa z czujnikiem przemieszczenia liniowego o małym zakresie pomiarowym wraz z odpowiednim oprogramowaniem współpracującym z układem sterowania obrabiarki

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania metodami bezpośrednimi cd. Rozwój komputerowych technik analizy obrazu sprawia, że realna staje się możliwość zbudowania przemysłowego układu pomiaru zużycia ostrza opartego na takiej analizie.

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Wykorzystanie systemów wieloagentowych w nadzorowaniu procesów obróbkowych Systemy nadzoru maszyn i procesów powinny być łączone w jednolite systemy monitorowania i sterowania Budowa tradycyjnych systemów informatycznych opartych na bazach danych nie zdaje egzaminu w przypadku systemów przeznaczonych do monitorowania i nadzoru procesów produkcyjnych – powód zbyt mała elastyczność i otwartość na zmiany konfiguracyjne Obecnie badania skupiają się na wykorzystaniu systemów wieloagentowych bazujących na autonomicznych, współpracujących ze sobą bytach – agentach agent to obiekt przetwarzający i przechowujący dane działający w dynamicznym otoczeniu, charakteryzuje się autonomią działania oraz posiada możliwość podejmowania samodzielnych, inteligentnych działań

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Analiza stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania Wykorzystanie systemów wieloagentowych w nadzorowaniu procesów obróbkowych cd Celowe wydaje się opracowanie systemu monitorowania i nadzoru procesów obróbkowych bazującego na technologii wieloagentowej. można w tym celu wykorzystać wiele rozwiązań opisanych w analizowanych artykułach (np. integracja inteligentnych czujników z systemem monitorowania, dedykowane agenty realizujące funkcje nadzoru procesów, agenty z wbudowanymi systemami czasu rzeczywistego, itp.) Nowym, interesującym rozwiązaniem byłaby integracja systemu monitorowania, i nadzoru z pozyskiwaniem danych dotyczących obróbki poszczególnych wyrobów. dane te mogłyby być wykorzystywane do bieżącego sterowania procesem obróbkowym oraz opisywałyby historię produkcji danego wyrobu. Rozwiązanie takie byłoby szczególnie interesujące dla branży lotniczej, w której obowiązują bardzo wysokie standardy bezpieczeństwa, a dodatkowo stosuje się trudno obrabialne materiały i wysoko wydajne procesy obróbkowe.

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Wnioski z wizyt w przedsiebiorstwach Doliny Lotniczej w kontekscie uwzglednienia potrzeb przemysłu lotniczego dotyczacych B+R Odbyto wizyty w PZL –Mielec WSK – Rzeszów ULTRATECH – Rzeszów Przeanalizowano 16 stanowisk produkcyjnych (zasugerowanych przez przemysł), na których występują problemy warte zainteresowania i rozwiązania w zakresie diagnostyki stanu narzędzia wykrywania i przeciwdziałania drganiom samowzbudnym Uzgodniono tryb prowadzenia badań na tych stanowiskach Zidentyfikowano aktualny, interesujący partnera przemysłowego problem z zakresu podstaw technologii obróbki ubytkowej nowych materiałów (ZB1.3.7)– zwiększenie wydajności obróbki zgrubnej Inconel 625

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Rzeczywiste wskaźniki realizacji celów projektu w ramach ZB-2 Zgłoszone referaty: III Konferencja Szkoły Obróbki Skrawaniem r. S. Bombiński, K. Jemielniak Wykorzystanie algorytmów hierarchicznych do diagnostyki zużycia ostrza J. Kossakowska, K. Jemielniak Zastosowanie transformaty falkowej do diagnostyki stanu narzędzia na podstawie sygnału emisji akustycznej Planowane referaty i artykuły: J. Kossakowska, K. Jemielniak:Tool wear monitoring in turning of Inconel 625 based on wavelet transform, CIRP 2010 Pizza dr inż. Jarosław Chrzanowski –Wpływ dokładności dynamicznej OSN na przedmiot obrabiany. –Measuring and Compensation of Dynamic Accuracy for NC Machine Tools –Investigating dynamic accuracy of NC Center for automatic dimensions correction –Tool Probe for NC Lathes –Tool Probe for Tool Wear Evaluation in Turning. –Concurrent Measurement of Tool Wear in Turning. –Independent Tool Probe with LVDT for Measuring Dimensional Wear of Turning Edge. dr inż. Piotr Szulewski –Bezprzewodowe systemy komunikacyjne w środowiskach przemysłowych (The wireless communications technologies for monitoring and control in factory automation) –Sieć WiFi - alternatywna propozycja w diagnostyce obrabiarek –Metody komunikacji układów diagnostycznych ze sterownikami CNC

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Realizowane prace inżynierskie i magisterskie Promotor : dr inż. Piotr Szulewski: Mikroprocesorowy układ dwuosiowego pomiaru przyspieszeń z wyświetlaczem LCD" - Piotr Bugała, grupa A7 Zdalny pomiar odległosci przedmiotów przy wykorzystaniu emisji ultradźwiękowej" - Andrzej Łochowski, grupa ID-A0-61 Mikroprocesorowy rejestrator parametrów otoczenia obrabiarki" - Radosław Jankowski Zdalne sterowanie robotem Lynx6 przy wykorzystaniu sieci Internet - Adam Niedziałek Planowane prace inżynierskie i magisterskie: Badanie wpływu zmian zakresu prędkości posuwu na dokładność przedmiotu obrabianego Pomiar zużycia ostrza noża tokarskiego czujnikiem dotknięcia Dwuosiowy czujnik dotknięcia sondy narzędziowej Sterowanie programowe stanowiskiem badawczym serwozaworów hydraulicznych Opracowanie koncepcji prezentacji danych autonomicznego modułu pomiarowego w sieci Internet Rzeczywiste wskaźniki realizacji celów projektu w ramach ZB-2

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Planowana praca doktorska Promotor: prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Doktorant: mgr inż. Tomasz Urbański Tematyka: Automatyczna diagnostyka stanu narzędzia w warunkach przemysłowych Planowane prace habilitacyjne (robocze tytuły, zakresy tematyczne): dr inż. Joanna Kossakowska: Zaawansowane metody przetwarzania sygnałów w diagnostyce procesu skrawania dr inż. Sebastian Bombiński: "Metody sztucznej inteligencji w diagnostyce procesu skrawania" dr inż. Jarosław Chrzanowski Badanie dokładności dynamicznej obrabiarek sterowanych numerycznie dr inż. Piotr Szulewski: "Informatyczne systemy komunikacyjne w środowiskach przemysłowych" Rzeczywiste wskaźniki realizacji celów projektu w ramach ZB-2

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Zadania rozliczane środkami finansowymi z planu za rok 2008 Podzadanie Uaktualnienie światowego stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania – zadanie zrealizowane, sfinansowane ze środków za rok Podzadanie Identyfikacja stanowisk produkcyjnych do diagnozowanie stanu narzędzia i procesu obróbki – zadanie zrealizowane, bez finansowania. Podzadanie Dobór metody diagnostycznej i odpowiednich czujników, mierzących wybrane wielkości fizyczne oraz opracowanie, instalacja i testowanie torów pomiarowych działających w warunkach produkcyjnych, możliwie bezobsługowo – zadanie w trakcie realizacji, częściowo sfinansowane ze środków za rok 2008.

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Efekty realizacji ZB2 w I półroczu 2009 Podzadanie Uaktualnienie światowego stanu wiedzy w zakresie diagnostyki stanu narzędzia i procesu skrawania – zadanie zrealizowane, sfinansowane ze środków za rok Podzadanie Identyfikacja stanowisk produkcyjnych do diagnozowanie stanu narzędzia i procesu obróbki – zadanie zrealizowane, nie sfinansowane. Podzadanie Dobór metody diagnostycznej i odpowiednich czujników, mierzących wybrane wielkości fizyczne oraz opracowanie, instalacja i testowanie torów pomiarowych działających w warunkach produkcyjnych, możliwie bezobsługowo – zadanie w trakcie realizacji, częściowo sfinansowane ze środków za rok 2008

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Rozbieżności w stosunku do uszczegółowionych harmonogramów zadań podczas konferencji 10 – r. Podzadanie Opracowanie modeli matematycznych i optymalizacja wydajnościowa obróbki z zastosowaniem układu sterowania adaptacyjnego dla frezowania HSC i HPC stopów aluminium. Zmiana terminu realizacji z – na – Pozostałe zadania przewidziana na 2009 i 2010 przebiegają planowo, choć ich terminowa realizacja może być zagrożona ze względu na opóźnienia w rozpoczęciu finansowania

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Plan realizacji ZB2 w II półroczu 2009 Podzadanie Badania doświadczalne zależności wybranych sygnałów diagnostycznych od stanu procesu skrawania – zadanie w trakcie realizacji ( ). Podzadanie Budowa sondy narzędziowej z funkcją pomiaru zużycia ostrza – zadanie w trakcie realizacji ( ). Podzadanie Zastosowanie metod wizyjnych do diagnostyki stanu ostrza – zadanie w trakcie realizacji ( ).

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Plan realizacji ZB2 w II półroczu 2009 Podzadanie Budowa sondy narzędziowej z funkcją pomiaru zużycia ostrza – zadanie w trakcie realizacji ( ). 1.Opracowanie koncepcyjne wariantów konstrukcyjnych sondy. Wybór wariantu. Projekt i niezbędne obliczenia czujnika sondy. 2.Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej. Wykonanie modelu egzemplarza badawczego sondy. 3.Opracowanie projektu, dobór elementów, oprogramowanie i wykonanie toru pomiarowego do badań sondy.

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Plan realizacji ZB2 w II półroczu 2009 Podzadanie Zastosowanie metod wizyjnych do diagnostyki stanu ostrza – zadanie w trakcie realizacji ( ). 1.Wstępna ocena przydatności różnych metod analizy obrazu do diagnostyki stanu narzędzia na podstawie zdjęć ostrza wykonanych na mikroskopie warsztatowym. 2.Optymalizacja liczby, kierunków wykonywania zdjęć, oświetlenia dla różnych typów płytek i różnych wskaźników zużycia uwzględniająca wymagania wybranych metod analizy obrazy i koszty wykonania stanowiska pomiarowego. 3.Opracowanie projektu stanowiska do wykonywania zdjęć narzędzia na obrabiarce w warunkach przemysłowych.

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Zespół realizujący dotychczasowe podzadania prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak, dr inż. Sebastian Bombiński, dr inż. Jarosław Chrzanowski, dr inż. Joanna Kossakowska, dr inż. Przemysław Oborski dr inż. Piotr Szulewski dr inż. Dominika Śniegulska-Grądzka mgr inż. Mirosław Nejman - doktorant mgr inż. Tomasz Urbański - doktorant

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem Dziękuję za uwagę Zadanie Badawcze 2 Modelowanie, konstruowanie i kontrolowanie procesu HSM z uwzględnieniem skonfigurowanego układu maszyna-przyrząd-detal