METU utilise MATLAB et Simulink pour développer un contrôle de machine-outil auto-optimisé

Middle East Technical University (METU) a pour mission d'atteindre l'excellence dans la recherche, l'éducation et le service public, en encourageant la pensée créative et critique, l'innovation et le leadership. En plus de fournir une éducation qui répond aux standards internationaux les plus exigeants, le département de génie mécanique de METU mène des recherches dans des domaines tels que l'automobile, la mécatronique et la biomécanique.

L’un des axes de recherche de METU est celui des systèmes d’usinage auto-optimisés (SOMS), considérés comme l’avenir de la fabrication avancée. SOMS est conçu pour éviter les vibrations instables, un phénomène dans la fabrication qui peut entraîner de mauvaises finitions de surface, une diminution de la durée de vie de l'outil et même sa rupture. Pour débuter, un algorithme basé sur le temps est en cours de développement, pour détecter et supprimer les vibrations instables dans une machine-outil CNC, sans nécessiter l'intervention d'un opérateur.

METU a développé un algorithme de détection basé sur un filtre de Kalman qui échantillonne et analyse les fréquences de vibration pour détecter l'apparition de vibrations instables à partir du signal de l'encodeur de l'axe. Cet algorithme ajuste automatiquement la vitesse de la broche pour éliminer les vibrations instables avant qu'elles ne causent des dommages. MATLAB^® et Simulink^® sont utilisés pour tester et analyser un algorithme pendant le développement.

L'algorithme utilise un filtre de Kalman pour déterminer la vitesse réelle de l'axe et identifier les variations de vitesse causées par les forces de coupe. Normalement, ces forces créent des signaux prévisibles, mais en cas d'instabilité, des fréquences de vibrations instables apparaissent. L'algorithme vise à détecter les fréquences de vibrations instables, à l'aide d'un filtre de Kalman périodique, pour séparer les composants stables des vibrations instables. Des filtres passe-bande dynamiques (BPF) isolent les fréquences de vibrations instables potentielles et la sortie de chaque BPF est analysée par un filtre de Kalman étendu pour identifier la fréquence, l'amplitude et la phase. Un algorithme de sélection confirme les vibrations instables en vérifiant la variance de fréquence, qui diminue lorsqu'une fréquence dominante est trouvée.

Une fois détecté, l'algorithme calcule l'énergie des vibrations instables et la compare à l'énergie périodique. Ce rapport énergétique informe un système de contrôle qui ajuste la vitesse de la broche. Si l'énergie des vibrations instables dépasse un certain seuil, le contrôleur augmente la vitesse de la broche jusqu'à ce que le rapport soit réduit. Un contrôleur en boucle ouverte peut également définir une vitesse de broche spécifique, en traitant la fréquence de broutage comme un multiple de la fréquence de la broche. La machine à état du contrôleur est gérée à l'aide de Stateflow^®.

MATLAB est utilisé pour écrire des fonctions pour tous les composants de test et les combiner dans un seul script M-file. Par exemple, le réglage des filtres de Kalman est effectué dans un seul script M-file. Simulink est ensuite utilisé pour simuler l’algorithme à des fins d’analyse avant son déploiement sur le contrôleur. Enfin, l'algorithme est testé avec une machine-outil CNC pour confirmer la cohérence des estimations de fréquence et de broutage en temps réel avec l'analyse.