CNC machine tool digital twin applications with advancements of edge computing

Abstract

Digital Twin application development for CNC machining processes is challenging since collecting real-time high-frequency process data from data sources such as dynamometer sensors and processing collected data into data infrastructures to develop analytical models without latency and time-synchronization is required. Dynamometers are used to measure cutting torque and cutting forces occur between the workpiece and cutting tool during machining process. Collecting dynamometer data during machining is expensive in terms of sensor mounting, data acquisition and processing. To overcome this challenge, a method for cutting torque estimation that utilizes edge computing application to collect internal machine data is proposed in this thesis, to establish preliminaries for machining Digital Twin applications with edge computing. The cutting torque is estimated during drilling experiments and prediction errors are calculated for experiments with same workpiece material as 0.31% and 0.9%, and with different workpiece material as 1.02% and 1.25%. Edge device allows the collection of high-frequency machining process data coming from spindle and feed-drive motors by providing inbuilt network components that enables data acquisition to Cloud sources from machine. Edge device signals are also presented in servo motor current and position closed-loop control loop block-diagrams to demonstrate data flow stages from CNC machine tool's internal servo system to Edge device. The block-diagrams are validated with Edge signals collected during milling and drilling experiments.

CNC işleme süreçleri için Dijital İkiz uygulama geliştirmesi, dinamometre sensörleri gibi veri kaynaklarından gerçek zamanlı yüksek frekanslı süreç verilerinin toplanması ve toplanan verilerin gecikme ve zaman senkronizasyonu olmadan analitik modeller geliştirmek için veri altyapılarına işlenmesi gerektiğinden zorludur. Dinamometreler, işleme prosesi sırasında iş parçası ile kesici takım arasında oluşan kesme torkunu ve kesme kuvvetlerini ölçmek için kullanılır. İşleme sırasında dinamometre verilerinin toplanması, sensör montajı, veri toplama ve işleme açısından pahalıdır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, bu tezde, Uç Bilişim ile Dijital İkiz uygulamalarının işlenmesine yönelik ön hazırlıklar yapmak amacıyla, dahili makine verilerini toplamak için Uç Bilişim uygulamasını kullanan bir kesme torku tahmini yöntemi önerilmektedir. Delme deneyleri sırasında kesme torku tahmin edilmiş ve aynı iş parçası malzemesiyle yapılan deneylerde tahmin hataları %0.31 ve %0.9, farklı iş parçası malzemesiyle yapılan deneylerde ise %1.02 ve %1.25 olarak hesaplanmıştır. Uç bilişim cihazı, makineden Bulut kaynaklarına veri alımını sağlayan dahili ağ bileşenleri sağlayarak, iş mili ve besleme tahrikli motorlardan gelen yüksek frekanslı işleme süreci verilerinin toplanmasına olanak tanır. Edge cihazı sinyalleri ayrıca CNC makinesinin dahili servo sisteminden Uç Bilişim cihazına kadar veri akış aşamalarını göstermek için servo motor akımı ve konum kapalı döngü kontrol döngüsü blok şemalarında da sunulur. Blok diyagramlar, frezeleme ve delme deneyleri sırasında toplanan Uç Bilişim uygulaması sinyalleriyle doğrulanmıştır.