Development of cutting force measurement hardware

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Date
2010
Major/Subject
Tuotantotekniikka
Mcode
Kon-15
Degree programme
Language
fi
Pages
68 + [11]
Series
Abstract
The aim of this master's thesis was to evaluate the suitability of cutting force measurement hardware for teaching and research use by the Production Engineering Laboratory at Aalto University. Obtaining measurement results for this hardware enabled students to gain an understanding of the cause - effect relations involved in a cutting process, i.e., drilling in this case, while also becoming acquainted with the hardware and experimental set-up. The thesis presents the subsystems of the hardware from a technical and procurement perspective. The text deals with the generation of electric charge in the piezoelectric sensor as a result of external forces. This work also explains the signal flow and processing in the hardware, as well as describes how the cutting force signals would be displayed in the measurement program. This study found that the purchasing process for new hardware involved first reviewing the alternatives offered by suppliers as well as the hardware used elsewhere in the university research environment. It was noted that the prices of hardware vary depending on the technical specifications. Based on the hardware specifications, two new cutting force measurement devices were purchased for the laboratory. In order to ensure the usability of the new hardware, a users' manual was written for the hardware. A further aim of this thesis was to determine the performance and compatibility of the devices. The hardware was installed as a subsystem of the measurement system. Calibrating the devices permitted equations to be created between the voltage readings of the hardware and mechanical units. Tests carried out with a radial drilling machine were used to estimate the effects of the drilling parameters on the cutting forces. The measurements were also tested to ensure their repeatability. The signal generated in the drilling tests was found to include considerable variation due to the discontinuous character of the cutting process. An error analysis performed on the measurement system indicated that the error sources can be modelled mathematically and minimized through test design.

Diplomityön tarkoituksena oli hankkia Aalto-yliopiston Teknillisen korkeakoulun Tuotantotekniikan laboratorioon uusi lastuamisvoimien mittauslaitteisto. Hankinnan tavoitteena oli laitteiston soveltuvuus opetus- ja tutkimuskäyttöön. Laitteistolla saatavien mittaustuloksien pohjalta opiskelija oppii ymmärtämään lastuamistapahtuman, tässä tutkimuksessa porauksen, syy-seuraus-suhteita. Samalla myös mittauslaitteisto ja koejärjestelyt tulevat tutuiksi. Työn alussa esitetään lastuamisvoimien mittauslaitteiston osakokonaisuudet niin tekniseltä kuin hankinnalliseltakin näkökannalta. Työssä kuvataan sähköisen varauksen syntymistä pietsoanturissa ulkoisen voiman vaikutuksesta. Edelleen selvitetään signaalin kulkua ja käsittelyä laitteistossa. Lopulta tuodaan esille lastuamisvoimien havainnollistamista tietokoneen mittausohjelmassa. Soveltavana osiona työssä käydään läpi mittauslaitteiston hankintaprosessi. Prosessissa luodaan katsaus laitteistovalmistajien tarjoamiin vaihtoehtoihin sekä muualla korkeakoulun tutkimusympäristössä käytettyihin laitteistoihin. Ominaisuuksista riippuen, laitteistojen hinnoilla huomattiin olevan merkittäviä eroja. Tarvittavien ominaisuuksien perusteella laboratorioon hankittiin kaksi uutta mittauslaitteistoa vanhan tilalle. Laitteistoille kirjoitettiin työohjeet, jotta tulevien käyttäjien olisi helppo käyttää laitteistoja. Tarkoituksena oli lisäksi selvittää laitteistojen toiminnallisuus ja soveltuvuus käyttötarkoitukseensa. Laitteistot asennettiin osaksi mittausjärjestelmää. Kalibroinnin avulla muodostettiin yhteys mittalaitteen näyttämän jännitteen ja mekaanisten yksiköiden välille. Tämän jälkeen suoritettiin koeporaukset säteisporakoneella. Mittaustuloksien perusteella arvioitiin lastuamisparametrien vaikutusta lastuamisvoimiin. Myös mittauksen toistettavuutta testattiin. Porauskokeissa saadun signaalin havaittiin sisältävän paljon vaihtelua johtuen lastuamistapahtuman epäjatkuvasta luonteesta. Mittalaitteiston virhetarkastelulla analysoitiin mittausepätarkkuuteen liittyviä tekijöitä. Näitä tekijöitä voidaan mallintaa matemaattisesti ja minimoida koesuunnittelun avulla.
Description
Supervisor
Aaltonen, Kalevi
Thesis advisor
Kyrenius, Pekka
Keywords
cutting force, lastuamisvoima, drilling, poraus, measurement hardware, mittauslaitteisto, piezoelectric, pietsosähköinen, sensor, anturi, signal, signaali, procurement, hankinta, repeatability test, toistettavuuskoe, error analysis, virheanalyysi
Other note
Citation