Takım tezgâhları için sarsıntı ve ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi ve doğrulanması
Development and verification of jerk / acceleration limited trajectory planning algorithm for machine tools
Yazar: ETHEM KELEKÇİ
Danışman: DOÇ. DR. SELÇUK KİZİR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Yapılan tez çalışmasında, metal, ahşap ya da diğer katı malzemelerin şekillendirildiği veya işlendiği talaşlı imalat sanayinin önemli bir parçası olan takım tezgâhları için sarsıntı ve ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmaları temelinde kontrol ünitesi yazılımı geliştirilmiştir. Bilgisayar Destekli Sayısal Kontrollü (CNC) takım tezgâhları ISO standartlarına göre oluşturulan G ve M kodlarının yer aldığı Sayısal Kontrol (NC) dosyaları ile çalıştığı için, yapılan çalışmanın alt yapısı da G ve M kodları üzerine kurulmuştur. Bilgisayar tabanlı çalışan kontrol ünitesi yazılımı Visual Studio ortamında C# dili ile geliştirilmiştir. Geliştirilen yazılımda, önerilen yöntemlerle doğrusal, dairesel, helisel hareket komutlarına ilişkin yörünge planlama işlemleri yapılmakta ve G06.2 Düzgün Olmayan Rasyonel B-Spline (NURBS) komutları ile verilen düğüm vektörü, kontrol noktaları ve ağırlık vektörleri üzerinden NURBS eğrisel yörüngeleri oluşturulmaktadır. Ayrıca NURBS komutları bulunmayan NC dosyalar için, G05.1 komutuna ilişkin kenar yönetim algoritması uygulanarak kartezyen uzayda G01 nokta bulutu analizi yapılmaktadır. Kenar yönetimi kıstaslarına giren G01 komutlarından oluşan nokta bulutlarının daha hassas yörüngelere dönüştürülmesinde kullanılmak üzere NURBS eğri uydurma fonksiyonlarının çıkartılmaktadır. Tüm yörüngenin yüksek hassasiyet ve yüksek hızda işlenmesi için özel kritik nokta analizi yapılmakta ve kritik noktalarda veya komut geçiş noktalarında olması gereken hız değerleri tespit edilmektedir. Çalışma kapsamında önerilen yöntemlerle, belirlenen hız değerlerine uygun, sabit jerkli ve jerk/ivme sınırlandırmalı hız profilleri üretilerek yüksek performansta titreşimsiz üretim işlemi gerçekleştirilmektedir.
Geliştirilen kontrol ünitesi farklı eksen konfigürasyonlarına sahip iki endüstriyel CNC-Freze tezgâhı üzerinde uygulanarak çalışmanın endüstriyel yeterliliği test edilmiştir. Yapılan ürün işleme uygulamalarında NC dosyalıların hatasız bir şekilde tezgâh yörüngelerine dönüştürüldüğü ve EtherCat protokolü üzerinden eksen motorlarına veri kaybı olmadan ulaştırıldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca tüm uygulamalarda CNC-Freze tezgâhlarının hedeflendiği gibi titreşimsiz çalışması ve ürün çıktılarında yapılan ölçümlerde hataların mikron seviyelerde olması geliştirilen kontrol ünitesinin matematik ve yazılım alt yapısının güçlü ve kapsamlı olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In this thesis, a Computer Numerical Control (CNC) software is developed on the basis of jerk and acceleration limited trajectory planning algorithms for machine tools that are handling metal, wood, or other rigid materials by cutting, milling, turning, or other forms of deformations. Since CNC machine tools work with Numerical Control (NC) files including G and M codes created according to ISO standards, the structure of the study is built on G and M codes. The PC-Based software of the control unit is developed in a Visual Studio environment with C# language. In the developed software, the trajectory planning process related to linear, circular, and helical motion commands of CNC-Milling Machines is achieved with the proposed methods, and Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) trajectories can be created using node vector, control points, and weight vectors given by G06.2 NURBS command. In the case of NC files that do not support G06.2 command, G01 point cloud analysis in cartesian space is applied by the edge management algorithm related to the G05.1 command. After that NURBS curve-fitting procedure is implemented to the point clouds of G01 commands in the edge management criteria to produce a smoother trajectory. In order to provide high-precision and high-speed machine operations, required velocity values at critical points or command transition points are determined, and a high-performance and vibration-free production process is provided by a constant jerk and jerk/acceleration limited velocity profiles based on the proposed algorithms.
The industrial adequacy of the CNC software developed in this study is verified by the experimental applications on two industrial CNC-Milling machines with different axis configurations. During the experimental applications, it has been observed that the NC files are converted into machine trajectories without error and transmitted to the axis motors via the EtherCat protocol without data loss. In addition, the vibration-free operation of CNC-Milling machines in all applications and the micron errors in the measurements on the product outputs show that the mathematical and software structure of the developed control unit is robust and comprehensive.