STABILITY ANALYSIS OF CUTTING PROCESS OF MACHINE TOOL WITH RESPECT TO CHATTER

Disertační práce je zaměřena na tvorbu a využití mechatronických modelů založených na modelování soustavy tuhých a poddajných těles pro analyzování dynamického chování komplexních soustav jako jsou např. obráběcí stroje. V rámci analýzy dynamického chování obráběcího stroje se práce zaměřuje na analýzu oblasti vzniku samobuzeného kmitání. Výskyt samobuzeného kmitání během obrábění lze ovlivnit několika způsoby, které jsou rozvedeny v práci. Vyhodnocení vzniku samobuzeného kmitání je analyzováno pomocí tzv. loby diagramu. Pro sestavení loby diagramu je nutné mít k dispozici přenosovou funkci vlivu silového účinku na deformaci dané soustavy, v našem případě modelu celého obráběcího stroje. Celá struktura modelu stroje vykazuje poddajné chování, které má zásadní vliv na celkovou přenosovou funkci a proto je práce zaměřena na modelování strojních částí jako modelů poddajných těles. Při vytváření modelů poddajných těles jsou na základě výpočtářsky upravených CAD modelů jednotlivých částí stroje vytvářeny modálně redukované poddajné tělesa, které mají stejné modální vlastnosti jako neredukované konečno-prvkové modely do maximální budící frekvence všech silových účinků na soustavu těles. Tyto modálně redukované modely těles mají podstatně menší počet stupňů volnosti a lze s nimi pracovat v multi-body softwarech, přičemž máme informace o deformacích daných těles, které jsou způsobeny silovým buzením do maximálně zvolené budící frekvence. V práci je využita Graig-Bamtonova metoda, která je implementována do prostředí ANSYS a poté je celý model sestaven v prostředí ADAMS, kde jsou dynamické vlastnosti soustavy tuhých i poddajných těles analyzovány. V prostředí ADAMS lze exportovat linearizovaný stavový model celé soustavy ve formě stavových matic, které jsou využity pro sestavení přenosů celého obráběcího stroje a následně jsou analyzovány na základě loby diagramu stabilní podmínky řezného procesu obrábění, kdy nedochází k samobuzenému kmitání. V předložené disertační práci je prezentován proces modelování mechatronických soustav s tuhými i poddajnými tělesy, který lze využít nejen k analýze obráběcích strojů, ale i k vývoji pokročilých mechatronických soustav, jako jsou kompenzátory, aktivní tlumiče vibrací, atd.The thesis deals with building and utilization of mechatronic models which are based on modeling of system of rigid and flexible bodies. Such models are then used for analysis of behavior of complex systems, for instance machine tools. The work is concentrated on analysis of self-excitation of a machine tool. The appearance of the self-excitation during the machining may be influenced by several methods described in the work. The evaluation of the appearance of the self-excitation is analyzed via so called lobe diagram. It is necessary to know transfer function describing the impact of acting forces on the deformation of the system (machine tool in this case) for compilation of the lobe diagram. The whole structure of the model shows compliant behavior which dramatically influences the transfer function thus the approach to the modeling of mechanical parts as flexible bodies is proposed. There are created models of modally reduced flexible bodies based on modified CAD models which have same modal properties as non-reduced FEM models up to the maximal excitation frequency. The reduced models have significantly lower number of degrees of freedom and it is possible to work with them in multi-body simulation tools and at the same time they contain the information about the deformations. The work utilizes Graig-Bamton method which is implemented to the ANSYS. The whole model is consequently built and analyzed in ADAMS. It is possible to export the linearized model of the system in form of state matrices which are used for writing of the transfer function. The conditions of stability of the machining process are then evaluated via the lobe diagram. The proposed thesis presents the modeling of mechatronic systems with stiff and rigid bodies. The approach may be used for analysis of machining tools as well as for development of advanced mechatronic systems with active damping, etc.