کنترل ارتعاشات چتر در ماشین ابزار به کمک مواد هوشمند پیزوالکتریک

فرایند ماشینکاری فلزات، با مشکلی بزرگ به نام چتر در جهت ایجاد سطح با کیفیت مطلوب در تولید انبوه با مقدار براده-برداری زیاد و ایجاد سطوح با کیفیت بالا در سرعت های زیاد، روبرو بوده است. کاهش عمردستگاه ماشین ابزار و کاهش ایمنی کار از دیگر مشکلات ناشی از این پدیده می باشد. چتر یک نوع ارتعاش خودتحریک ناپایدار است که در اثر عوامل متعددی ممکن است رخ دهد؛ در این میان چتر احیاکننده رایج ترین علت رخ داد چتر می باشد. در این پایان نامه به بررسی روش های کنترل فعال به کمک عملگر پیزوالکتریک در کاهش و حذف این ناپایداری ارتعاشی پرداخته می شود. در این پایان نامه پس از بررسی معادلات دینامیکی ماشین ابزار و معادلات حاکم بر رخ داد چتر، سعی بر بررسی اثر پارامترهای گوناگون معادلات دینامیکی بر حرکت دیاگرام پایداری بوده است. یکی از معتبرترین روش ها و معیارهای ارزیابی چتر استفاده از دیاگرام پایداری است؛که مرز شرایط ماشینکاری پایدار و ناپایدار را نمایان می کند. فرآیند پیچیده و نقطه به نقطه رسم دیاگرام پایداری بر حسب مشخصات سازه ای ماشین ابزار امکان ارائه یک رابطه تحلیلی بین مشخصات ماشین ابزار با منحنی پایداری و استفاده از روشهای تحلیلی طراحی کنترلر (مانند مکان یابی قطب ها) را ناممکن می سازد؛ لذا در این پروژه امکان-سنجی تخمین منحنی های پایداری با معادلات چند جمله ای و ارائه روابط تحلیلی برای بیان مشخصه های پایداری مورد بررسی قرار گرفت و ساده ترین فرم این معادلات بدست آمد. جهت کنترل ارتعاشات ناپایدار چتر، به دلیل خواص ویژه مواد هوشمند پیزوالکتریک، خصوصاً سرعت و دقت بالای آن-ها، این مواد به عنوان حسگر و عملگر مورد استفاده قرار گرفتند. در کنترل فعال ارتعاشات از دو روش حل تحلیلی و بهینه سازی عددی کمک گرفته شد. در حل تحلیلی بر اساس معادلات ارتعاشات ماشین ابزار در حوزه فرکانس، کنترل فعال ارتعاشات چتر مورد بررسی قرار گرفت. در این راه، عملکرد یک کنترلر pid برنقاط مینیمم دیاگرام پایداری بوسیله مثبت کردن قسمت حقیقی تابع تبدیل سیستم در فرکانس رخداد چتر مورد بحث و بررسی قرار گرفت. سپس، یک کنترلر pd جهت حرکت دیاگرام پایداری در جهات افقی و عمودی برای انتقال شرایط ماشینکاری در این دیاگرام به منطقه پایدار ارتعاشات طراحی گردید. در کنترل فعال ارتعاشات چتر به روش عددی، از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک استفاده شد. همانطور که اشاره شد، رسم منحنی های پایداری شامل یافتن مرز منطقه پایدار و ناپایدار به صورت نقطه به نقطه، همراه با محاسبات پیچیده ای است که انجام آن زمان گیر بوده و مهمتر از آن، امکان ارائه تحلیل و استخراج رابطه معکوس را ناممکن می سازد؛ یعنی عملاً نمی توان یک رابطه تحلیلی وبه فرم بسته برای بیان شاخصه پایداری یک شرایط ماشینکاری خاص بر حسب مشخصات سازه ای ماشین ابزار ارائه داد و از آن در طراحی کنترلر استفاده کرد. جهت رفع این مشکل در طراحی کنترلر از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک استفاده می شود. ایده اصلی در این طراحی ، جایجایی مرز پایداری در دو جهت افقی و عمودی با هدف دور کردن شرایط ماشینکاری مورد نظر از مرز ناپایداری و همچنین توجه به مصرف کمینه انرژی در جهت نیل به حداکثر میزان ضخامت براده برداری در یک سرعت خاص بوده است. شکل کنترلر مورد استفاده به صورتی در نظر گرفته شده که حالتی جامع و فراگیر نسبت به فرم کنترلرهای رایج را داشته و همچنین امکان پیاده سازی آن بر روی op-amp وجود داشته باشد. این سیستم کنترلی نیز در هر دو حوزه فرکانس و زمان مورد ارزیابی قرار گرفت و حذف ارتعاشات نامطلوب چتر مشاهده گردید.