CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi
Development of jerk/acceleration limited tool path planning algorithm for circular and helical motions of CNC machining tools
Yazar: Kelekçi, Ethem; Kizir, Selçuk
Dergi: Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Vol. 37 No. 3, 2021
Anahtar kelimeler: Engineering ; Mühendislik ; Dairesel/Helisel Hareket,Jerk sınırlandırmalı Hız Profili,CNC-Freze,•Taylor Denklemleri,•CNC Kontrol Ünitesi ; Circular/Helical Motion,Jerk Limited Velocity Profile,CNC-Milling,Taylor’s Equations,CNC Control Unit

Bu çalışmada, endüstriyel CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketlerin yüksek hızlı, yüksek hassasiyetli ve titreşimsiz tezgâh operasyonları ile gerçekleşmesi için jerk ve ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritması geliştirilmiştir. Önerilen yöntemde öncelikle G-Kod dosyasından alınan G02 ve G03 komutlarına uygun dairesel/helisel yörüngeler çıkartılmakta ve komut satır geçişlerinde olması gereken hız değerleri tespit edilmektedir. Geçiş noktalarındaki hız değerlerine göre CNC tezgâhı üzerindeki eksen motorlarının ivme kapasitelerini aşmayan sabit jerkli hız profillerinin oluşturulması ve bir sonraki adımda bu hız profillerine uygun yörünge interpolasyonlarının yapılması gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmanın en önemli iki katkısı, G02/G03 komutunda yer alan X, Y, Z ve R bilgileri üzerinden normalde kontur hatalarına yol açan ve ana yörüngeyi terk eden mevcut yöntemlerin bu dezavantajını ortadan kaldıran yörünge planlama algoritması geliştirmek ve dairesel/helisel yörüngelere titreşimsiz tezgâh hareketlerini garanti eden jerk/ivme sınırlandırmalı hız profillerine uygun interpolasyon işlemi uygulamaktır. Geliştirilen algoritmalar endüstriyel 4 eksen CNC-Freze tezgâhı üzerinde kapsamlı iki ürün işleme uygulaması ile test edilmiş ve doğrulanmıştır. Ayrıca eksen yörünge takip sonuçları ortalama karesel hata (MSE) ve ortalama karekök hata (RMSE) ölçütleri üzerinden değerlendirilmiştir. Bin satırın üstünde G-kod dosyalarını kullanarak hatasız ürün işleme uygulamalarının gerçekleştirilmesi önerilen yöntemlerin matematiksel alt yapısının güçlü ve kapsamlı olduğunu göstermiştir.

In this study, jerk and acceleration limited tool path planning algorithm for the circular and helical motions of industrial CNC machining is proposed to provide high speed, high precision and vibration-free machine operations. In the proposed method, circular/helical trajectories are generated using the G02 and G03 commands given by the G-Code file and the required velocity values in transitions of G-commands are determined. According to the velocity values at the transition points, jerk constant velocity profiles not exceed the acceleration capacities of the axis motors are designed. Finally, the tool path planned in cartesian space is interpolated based on the designed velocity and acceleration profiles. The development of tool path planning algorithm that eliminates the disadvantage of existing methods that normally cause contour errors and deflections from the main trajectory and implementation of interpolation method in accordance with jerk/acceleration limited velocity profiles that guarantee vibration-free machine operations for circular/helical motions are the most important contributions of this study. The proposed methods are verified by two applications of the product processing on a 4-axis industrial CNC-Milling Machine. Also, axial trajectory tracking results of each experiment is observed using root mean square error (RMSE) and mean square error (MSE) performance indices. The processed products using over a thousand lines of G-code files show that the mathematical structure of the tool path planning algorithm is robust and comprehensive.