dr inż. Adam Gąska    

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki
Wydział Mechaniczny

 

Modelowanie dokładności 5-osiowych struktur kinematycznych o zdolności wzajemnej orientacji,
wykorzystujących w łańcuchu kinematycznym zarówno pary przesuwne jak i obrotowe

 

 

Cel projektu:


Celem projektu jest zdefiniowanie nowatorskiego matematycznego modelu dokładności 5-osiowych struktur kinematycznych (manipulatory, roboty) o zdolności wzajemnej orientacji, wykorzystujących w łańcuchu kinematycznym zarówno pary przesuwne jak i obrotowe. W ramach modelu uwzględnione zostaną wpływy najważniejszych źródeł zaburzających funkcjonowanie tego typu mechanizmów. Do wpływów takich należy zaliczyć przede wszystkim wpływ warunków otoczenia, a szczególnie temperatury, błędy związane z Niedokładnym wykonaniem I montażem elementów składowych manipulatora oraz jego napędów, błędy związane z dynamiką mechanizmu oraz błędy związane z funkcją, którą manipulator pełni. Wszystkie te wpływy powodują niedokładności w odwzorowaniu pozycji oraz orientacji końcówki roboczej mechanizmu. Dzięki opracowanemu modelowi w przyszłości możliwe będzie przewidzenie dokładności geometrycznej wykorzystywanego manipulatora oraz dzięki ilościowemu poznaniu wpływu wymienionych powyżej zakłóceń, poprawa dokładności manipulatora poprzez ich ograniczenie bądź kompensację.


W praktyce, pięcioosiowe struktury kinematyczne składające się zarówno z przesuwnych jak i obrotowych par kinematycznych, wykorzystywane są między innymi w robotyce, technikach wytwarzania oraz metrologii. Ich znaczenie ciągle rośnie ponieważ łączą one w sobie zalety systemów opartych jedynie na parach przesuwnych jak i tych opartych jedynie na parach obrotowych. Zatem dogłębne poznanie możliwości tych mechanizmów pod kątem ich dokładności geometrycznej jest zagadnieniem niezwykle istotnym i mogącym w przyszłości pomóc w poprawie precyzji z jaką działają roboty, z jaką wytwarzane są części maszyn oraz z jaką wykonywane są rozmaite pomiary.

 

Jakie badania podstawowe będą realizowane w projekcie:

 

Projekt obejmować będzie analizę zjawisk związanych z uzyskanie przez końcówkę roboczą 5-osiowych manipulatorów zadanej pozycji oraz orientacji, a następnie zamodelowanie tego procesu z zastosowaniem nowoczesnych technik numerycznych. W celu wyznaczenia wpływu poszczególnych zakłóceń zaburzających idealne odtworzenie zadanej pozycji oraz orientacji podjęte zostaną liczne doświadczenia wykorzystujące najnowocześniejsze zdobycze techniki laserowej, autorskie stanowisko robocze zbudowane w ramach projektu oraz nowatorskie rozwiązania teoretyczne.


Oddziaływania wywierające wpływ na układ kinematyczny mechanizmu zostaną zidentyfikowane z zastosowaniem jedynego w Polsce laserowego systemu nadążnego typu LaserTracer, który wykorzystywany będzie powiązaniu z metodami multilateracji. Do dyspozycji w trakcie wykonywania eksperymentów będzie również precyzyjny interferometr laserowy. Metodyka badań oparta zostanie w tym przypadku na zaleceniach normy ISO 9283 oraz na opracowanej przez kierownika projektu metodzie analizy błędów resztkowych systemów współrzędnościowych.


Wpływ oddziaływań występujących podczas funkcjonowania Końcówki roboczej manipulatora oszacowany zostanie poprzez zastosowanie serii eksperymentów polegających na pomiarach wzorców sferycznych oraz pierścieniowych, jak również poprzez pomiary wzorców o różnych (znanych) wartościach parametru Ra. Wzorce te, przed wykonaniem właściwych eksperymentów, zostaną zmierzone na maszynach optycznych  o najwyższej dokładności i w wyniku tych pomiarów ustalone zostaną mapy ich kształtu, które następnie zostaną wzięte pod uwagę w trakcie planowanego cyklu badawczego.


Model numeryczny dokładności manipulatorów zostanie opracowany z zastosowaniem takich metod jak metody Monte Carlo, sztuczne sieci neuronowe oraz metody Interpolacji (m.in. metoda najbliższego sąsiada, dwuwymiarowa Interpolacja liniowa oraz interpolacja funkcjami sklejanymi).


Doświadczalna weryfikacja opracowanego modelu numerycznego zostanie wykonana z zastosowaniem pomiarów tzw. Wzorca Wielu Cech, który został skonstruowany na Politechnice Krakowskiej i umożliwia analizę wielu cech geometrycznych w trakcie jednego pomiaru.

 


Powody podjęcia badań:

 

Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej (LMW), w którym projekt będzie realizowany, od wielu lat zajmuje się zagadnieniami związanymi z oceną i polepszaniem dokładności wytwarzania produktów w wielu branżach przemysłu. Dlatego też w obszarze zainteresowań kierownika projektu znalazły się problemy modelowania dokładności manipulatorów wykorzystywanych w różnorodnych dyscyplinach naukowych. Zauważył on wspólne problemy dotyczące funkcjonowania tego typu mechanizmów, a badania podejmowane w ramach opisywanego projektu stanowią próbę usystematyzowania zagadnień związanych z modelowaniem dokładności manipulatorów wykonujących różnorakie zadania.

 

Zgodnie z nazwą Laboratorium, działalność jego pracowników w głównej mierze dotyczy metrologii współrzędnościowej, gdzie systemy pięcioosiowe zdobywają dopiero popularność, i brak jak do tej pory szczegółowych opracowań dotyczących funkcjonowania, dokładności oraz źródeł błędów związanych z zastosowaniem tych systemów. W związku z powyższym, ustalenia poczynione w ramach wnioskowanego projektu byłyby pierwszymi tego typu w skali światowej, co podniosłoby znacznie prestiż polskiej metrologii.

 


Kolejnym powodem, dla którego badania zostały podjęte, wykorzystanie opracowanego modelu szczegółowego dokładności 5-osiowych struktur kinematycznych umożliwi zbudowanie wirtualnego modelu pomiaru realizowanego z zastosowaniem 5-osiowych struktur kinematycznych. Modele tego typu są z powodzeniem wykorzystywane dla mniej skomplikowanych mechanizmów, a ich wdrożenie zawsze związane jest ze znacznym skróceniem czasu uzyskania poprawnego wyniku realizowanego pomiaru. W efekcie, istnieje możliwość znacznej redukcji czasu wymaganego na jego uzyskanie z zastosowaniem 5-osiowych współrzędnościowych systemów pomiarowych, a co za tym idzie nawet 30-krotnego zmniejszenia kosztów kontroli jakości produkowanych elementów, który stanowi dużą część całkowitych kosztów wytwarzania.

 

 

 

 

więcej wiadomości