Published June 1, 2023
| Version v1
Publication
A novel optimization algorithm based PID controller design for real-time optimization of cutting depth and surface roughness in finish hard turning processes
- 1. Institute of Space Technology
- 2. University of Agder
- 3. University of Science and Technology of China
Description
This paper proposes a novel method to improve surface finish in turning processes by effectively controlling the cutting depth. A metaheuristic algorithm based PID control system, in combination with a piezoelectric vibration sensor for feedback, is introduced to regulate the position of the servo motor that controls the cutting tool. The PID controller is optimized using Q-learning based Sand Cat Optimization algorithm to achieve the best performance in terms of cutting depth accuracy and surface finish quality. The piezoelectric sensor provides real-time feedback information about the cutting process and allows for precise adjustments to the cutting depth. The results demonstrate the proposed system's ability to handle variations in cutting conditions and tool's wear and tear. Compared to highly optimized standard PID control, improved robustness and stability has been achieved in experimental results by proposed framework. Experimental results demonstrate improved robustness and stability compared to standard PID control. Several materials with high hardness of 20–65 HRC including Phenolic Bakelite, Copper, Thermoplastic, and Stainless Steel (AISI-420, AA6061-T6, and AISI-316) are tested. Minimum value of Vibration amplitude achieved is 0.598 μm for cutting depth of 0.25 mm. The sustained minimum amplitude of vibration and Ra value of the surface finish is found comparable to standard models with less than 10% error.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تقترح هذه الورقة طريقة جديدة لتحسين تشطيب السطح في عمليات الدوران من خلال التحكم الفعال في عمق القطع. يتم إدخال نظام تحكم PID قائم على خوارزمية metaheuristic، بالاقتران مع مستشعر اهتزاز كهربائي إجهادي للتغذية الراجعة، لتنظيم موضع محرك المؤازرة الذي يتحكم في أداة القطع. تم تحسين وحدة التحكم PID باستخدام خوارزمية تحسين القط الرملي المستندة إلى Q - learning لتحقيق أفضل أداء من حيث دقة عمق القطع وجودة تشطيب السطح. يوفر المستشعر الكهربائي الإجهادي معلومات تغذية راجعة في الوقت الفعلي حول عملية القطع ويسمح بإجراء تعديلات دقيقة على عمق القطع. تُظهر النتائج قدرة النظام المقترح على التعامل مع الاختلافات في ظروف القطع والبلى الناتج عن الأداة. مقارنة بالتحكم القياسي المحسن للغاية في PID، تم تحقيق متانة واستقرار محسنين في النتائج التجريبية من خلال الإطار المقترح. تُظهر النتائج التجريبية تحسنًا في المتانة والاستقرار مقارنة بالتحكم القياسي في PID. يتم اختبار العديد من المواد ذات الصلابة العالية 20–65 HRC بما في ذلك الباكليت الفينولي والنحاس والبلاستيك الحراري والفولاذ المقاوم للصدأ (AISI -420 و AA6061 - T6 و AISI -316). الحد الأدنى لقيمة سعة الاهتزاز المحققة هو 0.598 ميكرومتر لعمق القطع 0.25 مم. تم العثور على الحد الأدنى من السعة المستمرة للاهتزاز وقيمة Ra للتشطيب السطحي مماثلة للنماذج القياسية مع خطأ أقل من 10 ٪.Translated Description (French)
Cet article propose une nouvelle méthode pour améliorer la finition de surface dans les processus de tournage en contrôlant efficacement la profondeur de coupe. Un système de commande PID basé sur un algorithme métaheuristique, en combinaison avec un capteur de vibration piézoélectrique pour la rétroaction, est introduit pour réguler la position du servomoteur qui commande l'outil de coupe. Le contrôleur PID est optimisé à l'aide d'un algorithme d'optimisation de Sand Cat basé sur Q-learning pour obtenir les meilleures performances en termes de précision de profondeur de coupe et de qualité de finition de surface. Le capteur piézoélectrique fournit des informations de rétroaction en temps réel sur le processus de coupe et permet des ajustements précis de la profondeur de coupe. Les résultats démontrent la capacité du système proposé à gérer les variations des conditions de coupe et l'usure de l'outil. Par rapport au contrôle PID standard hautement optimisé, une robustesse et une stabilité améliorées ont été obtenues dans les résultats expérimentaux par le cadre proposé. Les résultats expérimentaux démontrent une robustesse et une stabilité améliorées par rapport au contrôle PID standard. Plusieurs matériaux avec une dureté élevée de 20–65 HRC, y compris la bakélite phénolique, le cuivre, le thermoplastique et l'acier inoxydable (AISI-420, AA6061-T6 et AISI-316) sont testés. La valeur minimale de l'amplitude de vibration atteinte est de 0,598 μm pour une profondeur de coupe de 0,25 mm. L'amplitude minimale soutenue de vibration et la valeur Ra de la finition de surface sont comparables aux modèles standard avec moins de 10 % d'erreur.Translated Description (Spanish)
Este documento propone un método novedoso para mejorar el acabado de la superficie en los procesos de torneado mediante el control efectivo de la profundidad de corte. Se introduce un sistema de control PID basado en un algoritmo metaheurístico, en combinación con un sensor de vibración piezoeléctrico para retroalimentación, para regular la posición del servomotor que controla la herramienta de corte. El controlador PID se optimiza utilizando el algoritmo de optimización Sand Cat basado en Q-learning para lograr el mejor rendimiento en términos de precisión de profundidad de corte y calidad de acabado de la superficie. El sensor piezoeléctrico proporciona información de retroalimentación en tiempo real sobre el proceso de corte y permite ajustes precisos de la profundidad de corte. Los resultados demuestran la capacidad del sistema propuesto para manejar variaciones en las condiciones de corte y el desgaste de la herramienta. En comparación con el control PID estándar altamente optimizado, se ha logrado una robustez y estabilidad mejoradas en los resultados experimentales mediante el marco propuesto. Los resultados experimentales demuestran una robustez y estabilidad mejoradas en comparación con el control PID estándar. Se prueban varios materiales con alta dureza de 20–65 HRC, incluyendo baquelita fenólica, cobre, termoplástico y acero inoxidable (AISI-420, AA6061-T6 y AISI-316). El valor mínimo de amplitud de vibración alcanzado es de 0,598 μm para una profundidad de corte de 0,25 mm. La amplitud mínima sostenida de vibración y el valor Ra del acabado superficial se encuentran comparables a los modelos estándar con menos del 10% de error.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تصميم جديد لوحدة تحكم PID قائم على خوارزمية التحسين لتحسين عمق القطع وخشونة السطح في عمليات الدوران الصعبة النهائية في الوقت الفعلي
- Translated title (French)
- Une nouvelle conception de contrôleur PID basée sur un algorithme d'optimisation pour l'optimisation en temps réel de la profondeur de coupe et de la rugosité de surface dans les processus de tournage dur de finition
- Translated title (Spanish)
- Un nuevo algoritmo de optimización basado en el diseño del controlador PID para la optimización en tiempo real de la profundidad de corte y la rugosidad de la superficie en los procesos de torneado duro de acabado
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4382301380
- DOI
- 10.1016/j.rineng.2023.101142
References
- https://openalex.org/W1872534146
- https://openalex.org/W1901616594
- https://openalex.org/W1965107347
- https://openalex.org/W2028543069
- https://openalex.org/W2041503968
- https://openalex.org/W2059862699
- https://openalex.org/W2068681501
- https://openalex.org/W2069903840
- https://openalex.org/W2113646170
- https://openalex.org/W2128711880
- https://openalex.org/W2197129321
- https://openalex.org/W2229998585
- https://openalex.org/W2248043621
- https://openalex.org/W2530338644
- https://openalex.org/W2560276553
- https://openalex.org/W2593773375
- https://openalex.org/W2598515728
- https://openalex.org/W2650687307
- https://openalex.org/W2769658074
- https://openalex.org/W2790198077
- https://openalex.org/W2804320379
- https://openalex.org/W2884078459
- https://openalex.org/W2901776485
- https://openalex.org/W2909482427
- https://openalex.org/W2912089055
- https://openalex.org/W2922353305
- https://openalex.org/W2946736682
- https://openalex.org/W2954108289
- https://openalex.org/W2972885387
- https://openalex.org/W2995572284
- https://openalex.org/W2996563589
- https://openalex.org/W3018338320
- https://openalex.org/W3019001272
- https://openalex.org/W3027955775
- https://openalex.org/W3028911233
- https://openalex.org/W3084774929
- https://openalex.org/W3159134414
- https://openalex.org/W4206791313
- https://openalex.org/W4223633975
- https://openalex.org/W4283575502
- https://openalex.org/W4296365683
- https://openalex.org/W4308489977
- https://openalex.org/W4309928644
- https://openalex.org/W4317728380
- https://openalex.org/W4319660555
- https://openalex.org/W4321367587
- https://openalex.org/W4322771344