Βέλτιστος σχεδιασμός μηχανισμού παράλληλης κινηματικής και καθοδήγησή του μέσω του ψηφιακού ελέγχου εργαλειομηχανής φραιζαρίσματος

Abstract

In the frame of the present doctoral thesis the performance of parallel kinematic manipulators was improved by optimal evaluation of different parameters. Especially when the space in which the robot had to be placed was limited then an optimal design was carried out. The doctoral thesis presented the optimal design of three parallel kinematic manipulators a Delta mechanism with prismatic actuators an orthoglide mechanism and a 3 DOF translational parallel manipulator (TPM). The optimization process was performed with the aid of a genetic algorithm considering the same geometric limits such as the actuator length limits and design constraints. The genetic algorithm was implemented for maximizing the workspace, manipulability and stiffness. The obtained results were used to identify an optimal region of the workspace of each mechanism regarding the manipulability and stiffness and furthermore by comparing these performances to select the appropriate mechanism for machining process. A method for determining the design parameters of a modified orthoglide mechanism integrated into a CNC milling machine through an optimization process is developed. The optimization method is used to find the geometric parameters of both a symmetric and an asymmetric variation of the modified orthoglide such that the workspace manipulability and stiffness are maximized. The optimization process is performed with the aid of a genetic algorithm, considering the geometric limits imposed by the milling machine, such as the actuator lengths limits. Some performances are studied of a modified orthoglide parallel mechanism build for integration in a CNC milling machine. The designed mechanism is modeled with the finite elements method (FEM) in order to analyze the static behavior inside the workspace. The FEM model is validated by comparing the theoretical values of the natural frequencies with the experimental ones of the prototype mechanism. Finally special software for the creation of modified NC code was developed for the control of the prototype mechanism and various tests were performed in order to investigate the position precision of the designed mechanism. The experimental results and a test piece of simple geometry which was machined with the prototype mechanism are presented.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολήθηκε με τη βελτιστοποίηση διαφορετικών τύπων παράλληλων μηχανισμών με χρήση γενετικών αλγορίθμων. Η αναπτυχθείσα μεθοδολογία χρησιμοποιεί μια μέθοδο πολυκριτηριακού σχεδιασμού για τη βελτιστοποίηση τριών παράλληλων κινηματικών μηχανισμών ενός μηχανισμού Δέλτα, ενός orthoglide και ενός μεταφορικού παράλληλου μηχανισμού (ΜΠΜ) με τρεις βαθμούς ελευθέριας. Οι τρεις μηχανισμοί διαθέτουν τρεις μεταφορικούς βαθμούς ελευθέριας και η κίνησή τους γίνεται με πρισματικές αρθρώσεις. Η μέθοδος βελτιστοποίησης αναπτύχτηκε με σκοπό την εύρεση των διαστάσεων των μηχανισμών που μεγιστοποιούν το χώρο εργασίας, την επιδεξιότητα και τη στιβαρότητα λαμβάνοντας υπόψη τα ίδια όρια μηκών των κινητήρων και όρια των σχεδιαστικών παραμέτρων. Το πρόβλημα της βελτιστοποίησης πολλών παραμέτρων ταυτόχρονα επιλύθηκε με τη βοήθεια γενετικών αλγορίθμων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος χρησιμοποιεί μια παραλλαγή του απλού γενετικού αλγορίθμου με διασταύρωση πολλών σημείων, μέθοδο χειρισμού των μεταβλητών και μέθοδο αναρρίχησης. Τα αποτελέσματα χρησιμεύουν ώστε να αναγνωριστεί μια βέλτιστη περιοχή μέσα στο χώρο εργασίας κάθε μηχανισμού που αφορά την επιδεξιότητα και τη στιβαρότητα και επιπλέον συγκρίνοντας αυτούς τους δείκτες επιλέγεται ο καταλληλότερος μηχανισμός. Εκπονήθηκε σχέδιο μελέτη ενός τροποποιημένου μηχανισμού orthoglide ο οποίος ενσωματώθηκε σε εργαλειομηχανή τύπου κάθετης CNC φραίζας. Η γεωμετρία αυτού του μηχανισμού τον καθιστούσαν ιδανικό για να προσαρμοστεί στην φραιζομηχανή που υπάρχει στο εργαστήριο με ελάχιστες τροποποιήσεις και επομένως ελάχιστο κόστος. Οι αρθρώσεις του μηχανισμού ενεργοποιούνταν και ελέγχονταν από τη συμβατική 3D CNC φραιζομηχανή. Στη συνέχεια προσδιορίστηκαν οι σχεδιαστικές παράμετροι για δύο παραλλαγές του τροποποιημένου μηχανισμού orthoglide, στην πρώτη περίπτωση βελτιστοποιήθηκε ένας συμμετρικός τροποποιημένος μηχανισμός και στη δεύτερη ο μη συμμετρικός μηχανισμός. Οι δυο μηχανισμοί διέθεταν ίδια κινηματική με τον μηχανισμό που προσαρμόστηκε στη CNC φραιζομηχανή. Η διαδικασία της βελτιστοποίησης χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση των γεωμετρικών παραμέτρων των μηχανισμών orthoglide ώστε να μεγιστοποιηθούν ο χώρος εργασίας, η επιδεξιότητα και η στιβαρότητά τους. Η διαδικασία της βελτιστοποίησης διενεργήθηκε με τη βοήθεια του παραπάνω αναπτυσσομένου γενετικού αλγορίθμου λαμβάνοντας υπόψη τα γεωμετρικά όρια που επιβάλει η CNC φραιζομηχανή όπως τα όρια των κινητήριων αρθρώσεων. Στη συνέχεια έγινε σύγκριση των βελτιστοποιημένων μηχανισμών. Τέλος, η εργασία ολοκληρώνεται με τη στατική και ταλαντωτική συμπεριφορά (ιδιοσυχνότητες) του μηχανισμού που ενσωματώνεται στη φραίζα (πρωτοτύπου μηχανισμού). Αρχικά, υπολογίστηκαν οι ιδιοσυχνότητες του μηχανισμού με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων και στη συνέχεια οι ιδιοσυχνότητες προσδιορίστηκαν πειραματικά. Αναπτύχθηκε εξειδικευμένο λογισμικό δημιουργίας NC κώδικα για την καθοδήγηση του πρωτότυπου μηχανισμού, εκτιμήθηκε η ακρίβεια και η επαναληψημότητα του και παρουσιάζονται αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων του πρωτοτύπου μηχανισμού. Τέλος, επιδείχτηκαν κομμάτια απλής γεωμετρίας που κατεργάστηκαν από τον κατασκευασμένο μηχανισμό.