CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi

kizir, selcuk; KELEKÇİ, ETHEM

doi:10.17341/gazimmfd.917764

CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi

Ethem Kelekçi, (Celal Bayar Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Manisa, Türkiye)

Selçuk Kizir (Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Kocaeli, Türkiye)

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi

13 0

Yıl: 2022 Cilt: 37 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 1293 - 1308 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.917764 İndeks Tarihi: 29-07-2022

CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi

Öz:

Endüstriyel üretimin önemli bir parçası olan CNC tezgâhlarının çalışma performanslarının ve ürün işleme kabiliyetlerinin artırılması akademik çalışmaların önemli bir konusu olmuştur. Bu doğrultuda yapılan çalışmada, endüstriyel CNC tezgâhla-rında dairesel ve helisel hareketlerin yüksek hızlı, yüksek hassasiyetli ve titreşimsiz tezgâh operasyonları ile gerçekleşmesi için jerk ve ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritması geliştirilmiştir. Dairesel ve helisel hareketlerin tanımlandığı G02/G03 komutlarında yer alan X-Y-Z ve R bilgileri üzerinden, normalde kontur hatalarına yol açan ve ana yörüngeyi terk eden literatürdeki mevcut yöntemlerin dezavantajlarını ortadan kaldıran yörünge planlama algoritması geliştirilmesi çalış-manın en önemli katkısı olmuştur. Ayrıca yapılan çalışmada komut satır geçişlerinde optimum hız değerlerinin tespit edil-mesi ve geçiş noktalarındaki hız değerlerine göre CNC tezgâhı üzerindeki eksen motorlarının ivme kapasitelerini aşmayan sabit jerkli hız profilleri temelinde interpolasyon işlemi uygulanması yöntemi önerilmiştir. Geliştirilen algoritmalar endüstriyel 4 eksen CNC-Freze tezgâhı üzerinde kapsamlı iki ürün işleme uygulaması ile test edilmiş ve doğrulanmıştır. CNC tezgâhı üzerindeki eksen motorları EtherCat protokolü üzerinden yazarlar tarafından geliştirilen CNC kontrol ünitesi yazılımı ile kontrol edilmiştir. 1ms veri yenileme hızı ile kontrol edilen eksen motorlarına ilişkin yörünge takip sonuçları hata değerlen-dirme ölçütleri üzerinden incelenmiştir. Bin satırın üstünde G-kod dosyalarını kullanarak hatasız ürün işleme uygulamaları-nın gerçekleştirilmesi önerilen yöntemlerin matematiksel alt yapısının güçlü ve kapsamlı olduğunu göstermiştir.

Anahtar Kelime: Dairesel/Helisel Hareket CNC-Freze Jerk sınırlandırmalı Hız Profili

Development of jerk/acceleration limited tool path planning algorithm for circular and helical motions of CNC machining tools

Öz:

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.

Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Gavas M., CNC Tekniği ve Teknolojisi, Seçkin Yayıncılık, Anakara, 2019.
2. Tulsyan S., Altintas Y., Local toolpath smoothing for five-axis machine tools, Int. J. Mach. Tools Manuf. 96, 15-26, 2015
3. Fan W., Lee C., Chen J., A realtime curvature-smooth interpolation scheme and motion planning for CNC machining of short line segments, Int. J. Mach. Tools Manuf. 96, 27-46, 2015.
4. Yan Y., Zhang L., Zhang K., Corner smoothing transition algorithm for five-axis linear tool path, Procedia CIRP., 56, 604-609, 2016.
5. Bharathi A., Dong J., Feedrate optimization for smooth minimum-time trajectory generation with higher order constraints, Int J Adv Manuf Technol, 82, 1029-1040, 2016.
6. Tajima S, Sencer B., Accurate real-time interpolation of 5-axis tool-paths with local corner smoothing, Int. J. Mach. Tools Manuf., 142, 1-15, 2019.
7. Lin F., Shen L., Yuan C., Mi Z., Certified space curve fitting and trajectory planning for CNC machining with cubic B-splines, Comput. Des., 106, 13-29, 2019.
8. Huang X., Zhao F., Tao T., Mei X., A newly developed corner smoothing methodology based on clothoid splines for high speed machine tools, Robot. Comput. Integr. Manuf., 70, 102106, 2021.
9. Tajima S., Sencer B., Kinematic corner smoothing for high speed machine tools, Int. J. Mach. Tools Manuf., 108, 27-43, 2016.
10. Tajima S., Sencer B., Global tool-path smoothing for CNC machine tools with uninterrupted acceleration, Int. J. Mach. Tools Manuf., 121, 81-95, 2017.
11. Xiao Q., Wan M., Qin X., Liu Y., Zhang W., Real-time smoothing of G01 commands for five-axis machining by constructing an entire spline with the bounded smoothing error, Mech. Mach. Theory., 161 104307, 2021.
12. Giannellia C., Mugnainib D., Sestinia A., Cଶ continuous time-dependent feedrate scheduling with configurable kinematic constraints, Computer Aided Geometric Design, 63, 78-95, 2018.
13. Liu J., Fu H., Qin J., Jin H., Sliding look-ahead windowbased real-time feedrate planning for non-uniform rational B-splines curves, Advances in Mechanical Engineering, 10 (12), 1-19, 2018.
14. Tsai M., Nien H., Yau H., Development of an integrated look-ahead dynamics-based NURBS interpolator for high precision machinery, Computer-Aided Design, 40, 554-566, 2008.
15. Altintas Y., Sencer B, High speed contouring control strategy for five-axis machine tools, CIRP Ann. - Manuf. Technol., 59, 417-420, 2010.
16. Huang X., Zhao F., Tao T., Mei X., A newly developed corner smoothing methodology based on clothoid splines for high speed machine tools, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 70, 102106, 2021.
17. Zhang M., Yan W., Yuan CM., Wang DK., Gao XS., Curve fitting and optimal interpolation on CNC machines based on quadratic B-splines, Science China Information Sciences, 54, 1407-1418, 2011.
18. Marie J., Duc E., Lartigue C., Bourdet P., A new format for 5-axis tool path computation using Bspline curves, Computer-Aided Design, 36, 1219-1229, 2004.
19. Ren K, Xu K., Chen W., NURBS toolpath planning for glass sharp corner edge grinding, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 97, 2997-3007, 2018.
20. Kuncan M., Kaplan K., Ertunç H.M., Küçükateş S., Design, production and novel NC tool path generation of CNC tire mold processing machine, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 33 (3), 1183-1200, 2018.
21. Soufiani B.N., Adlı M.A., Pole placement and LQR control of slosh-free liquid transportation with dual-arm cooperative robot, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (4), 2255-2267, 2020.
22. Budaklı M.T., Yılmaz C., Stewart platform based robot design and control for passive exercises in ankle and knee rehabilitation, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 36 (4), 1831-1846, 2021.

APA	KELEKÇİ E, kizir s (2022). CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. , 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
Chicago	KELEKÇİ ETHEM,kizir selcuk CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. (2022): 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
MLA	KELEKÇİ ETHEM,kizir selcuk CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. , 2022, ss.1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
AMA	KELEKÇİ E,kizir s CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. . 2022; 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
Vancouver	KELEKÇİ E,kizir s CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. . 2022; 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
IEEE	KELEKÇİ E,kizir s "CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi." , ss.1293 - 1308, 2022. 10.17341/gazimmfd.917764
ISNAD	KELEKÇİ, ETHEM - kizir, selcuk. "CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi". (2022), 1293-1308. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.917764

APA	KELEKÇİ E, kizir s (2022). CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37(3), 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
Chicago	KELEKÇİ ETHEM,kizir selcuk CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37, no.3 (2022): 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
MLA	KELEKÇİ ETHEM,kizir selcuk CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.37, no.3, 2022, ss.1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
AMA	KELEKÇİ E,kizir s CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(3): 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
Vancouver	KELEKÇİ E,kizir s CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(3): 1293 - 1308. 10.17341/gazimmfd.917764
IEEE	KELEKÇİ E,kizir s "CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37, ss.1293 - 1308, 2022. 10.17341/gazimmfd.917764
ISNAD	KELEKÇİ, ETHEM - kizir, selcuk. "CNC tezgâhlarında dairesel ve helisel hareketler için jerk/ivme sınırlandırmalı yörünge planlama algoritmasının geliştirilmesi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37/3 (2022), 1293-1308. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.917764