عنوان

ارائه روشی نوین برای اندازه¬گیری ابعادی قطعات دارای سطح فرم‏آزاد با ربات CMM چهار درجه آزادی برای کاهش خطای شعاع پروب

پ۲۸۰۱۰

per

ارائه روشی نوین برای اندازه¬گیری ابعادی قطعات دارای سطح فرم‏آزاد با ربات CMM چهار درجه آزادی برای کاهش خطای شعاع پروب

محمد علی‏ اکبری

مهندسی مکانیک

۱۴۰۱

۱۲۹ص.

سی دی

دکتری

مهندسي مکانیک / گرایش ساخت و تولید

۱۴۰۱/۰۶/۲۸

تولید قطعات دقیق و دارای سطوح پیچیده و فرم آزاد طی دهه‏های گذشته به صورت روز‏افزونی افزایش یافته است. کنترل ابعادی، مهندسی معکوس و دیجیتالی‏سازی این قطعات برای اطمینان از صحت تولید و عملکرد صحیح آنها بسیار حائز اهمیت بوده و مطالعات متعددی برای توسعه تجهیزات و قابلیت‏های جدید انجام یافته است. با وجود سرعت بالای داده‏برداری و سهولت استفاده از ابزارهای غیرتماسی در مقایسه با تجهیزات تماسی، دقت اندازه‏گیری تجهیزات غیرتماسی پائین‏تر بوده و نتایج حاصل از تجهیزات غیرتماسی اغلب به دلیل وجود نویز و داده‏های بسیار فراوان، نیازمند انجام اصلاحاتی می‏باشند. در اندازه‏گیری سطوح پیچیده فرم‏آزاد با پروب‏های تماسی با وجود دقت بالاتر این تجهیزات، امکان وقوع یا بروز خطاهایی از جمله خطای شعاع سر پروب، خمش میلة پروب، پیش‏جابجایی میلة پروب و خطای چندلوبی شدن وجود دارد. خطای شعاع کره سر پروب یکی از خطاهایی است که به علت عدم تماس عمود پروب بر سطح قطعه رخ می‏دهد؛ خطایی که بزرگی آن در شرایط بحرانی می‏تواند به اندازه شعاع سر پروب نیز افزایش یابد. به منظور جبران این خطاها، روش‏های مختلف نرم‏افزاری و سخت‏افزاری ارائه شده است که هیچ کدام به صورت کامل و تضمین شده، خطای رخ داده را حذف نمی‏نمایند و یا مستلزم صرف هزینه و زمان زیادی می‏باشند. از سوی دیگر برای صنایع امروز که استفاده از تجهیزات رباتیک در آن رو به رشد می‏باشد، ارائه راه‏کاری با استفاده از یک ربات برای جلوگیری و کاهش وقوع چنین خطاهایی به جای جبران ثانویه آن، می‏تواند بسیار کارآمد و حائز اهمیت باشد.در این رساله به منظور ایجاد ساختاری نوین برای ماشین اندازه‏گیری مختصات ، از یک ربات موازی 4 + 1 درجه آزادی جدید و یک پروب تماسی خطی استفاده شده است. ساختار این ربات موازی جدید از 3 درجه آزادی جابجایی در راستای محورهای X، Y، و Z، و 1 درجه آزادی دورانی حول محور X بهره می‏برد. درجه آزادی پنجم به صورت مستقل و مجزا از درجات آزادی اصلی بوده و با استفاده از یک میز با قابلیت دوران دقیق حول محور Z با دقت و تفکیک‏پذیری 0011/0 درجه (4 ثانیه) به منظور جانمایی و دوران قطعه، و افزایش کارایی سیستم بر روی دستگاه فراهم شده است. اندازه‏گیری از سطوح فرم آزاد با پروب تماسی، با استفاده از محاسبات سینماتیک معکوس و مستقیم، و طراحی و ارائه یک الگوریتم حرکتی متناسب با سازه موازی ارائه شده، به صورتی که جهت تماس پروب در حین اندازه‏گیری عمود بر سطح قطعه باشد، انجام می‏شود. برای برنامه‏ریزی مسیر ابزار و دستیابی به داده‏های اندازه‏گیری صحیح، از بازسازی سطوح قطعات با استفاده از سطوح فرم آزاد نربز استفاده شده است. مسیر حرکت صحیح پروب با دریافت دقیق میزان حرکت دورانی هر یک از بازوها از طریق انکودرهای دورانی نصب شده بر روی مفاصل بازوهای محرک و و محاسبه محل دقیق نوک ابزار تماسی با استفاده از محاسبات سینماتیک، و همچنین دریافت داده‏های جابجایی پروب تماسی، مورد ارزیابی قرار می‏گیرد. همچنین، مسیر حرکت ابزار جهت داده¬برداری با کمترین جابجایی و کمترین زمان و با یک خطای شعاع پروب مجاز با استفاده از الگوریتم برنامه‏ریزی مسیر داده‏برداری توسعه داده شده، بهینه‏سازی می‏شود. به منظور استفاده بهینه از ساختار ربات موازی، پارامترهای مختلف عملکردی در حوزه فضای کاری ربات شامل فضای کاری عمومی قابل دسترس، تکینگی در فضای کاری، خطای موقعیتی و زاویه عملگر نهایی، و چالاکی آن محاسبه شده و از طریق محاسبات مربوطه، مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است تا نتایج مطلوبی در زمان اندازه‏گیری قطعات با ربات حاصل گردد. علاوه بر این، سکوی متحرک ربات با توجه به نتایج حاصل از محاسبات فضای کاری، بررسی شده و طرحی بهینه برای افزایش عملکرد ربات با توجه به پارامترهای برشمرده، ارائه شده است.تفکیک‏پذیری استپرموتورهای مورد استفاده 20000 پالس بر دور و نسبت گیربکس‏‏های نصب شده بر روی موتورها، 1:10 می‏باشد. بنابراین تفکیک‏پذیری حرکت دورانی هر بازو، 0018/0 درجه یا 6.48 ثانیه خواهد بود. با در نظر گرفتن این عدد برای هر یک از بازوها در مناطق مختلف فضای کاری تفکیک‏پذیری تئوریک مختلفی برای حرکت در جهت‏های مختلف داریم. همچنین به منظور ارزیابی عملکرد ربات C4، آزمایش‏هایی بر روی ربات برای بررسی دقت و تکرارپذیری موقیعیت‏دهی آن در جهت‏های X، Y، و Z انجام شده است. نتایج حاصل نشان می‏دهد که دقت موقعیت‏دهی ربات برای عملگر نهایی در جهت‏های X، Y، و Z به ترتیب برابر با 019/0، 007/0 و 017/0 میلیمتر می‏باشد.طراحی الگوریتم اندازه‏گیری و برنامه‏ریزی مسیر حرکت ابزار برای استفاده بر روی قطعات دارای سطح فرم‏آزاد متمرکز بوده و به منظور ارزیابی عملکرد آن، روش انداره‏گیری بر روی سطح فرم آزاد یک پره‏توربین گازی مورد آزمایش و بررسی قرار گرفته است. داده‏برداری نهایی حاصل نسبت به اطلاعات موجود از سطح ایرفویل موجود که با استفاده از روش تحریک تماسی با دستگاه اندازه‏گیری مختصات Zeiss Prismo 7 و پروب تماسیAtak اندازه‏گیری شده بود، مورد بررسی قرار گرفت. اطلاعات به دست آمده به صورت ابر نقاط، با استفاده از نرم‏افزار Geomagic Qualify بررسی گردید. با تعریف خطای قابل قبول ±5μm، انحراف زاویه جانبی بحرانی 62/3 درجه می‏باشد. با توجه به نتایج به دست آمده، حداکثر انحراف 4± میکرومتر بود. نتایج حاصل از تست‏های عملی نشان می‏دهد که اجرای صحیح حرکت عمود بر سطح در طول فرایند داده‏برداری، از بروز خطای شعاع سر پروب در پروب‏های تماسی جلوگیری کرده و بدین طریق، دقت داده‏برداری در روش تماسی با الگوریتم پیشنهادی در این تحقیق بدون نیاز به اعمال فرایندهای مرسوم جبران خطا، افزایش می‏یابد.

AbstractThe production of precise parts with complex surfaces has increased during the past decades. Dimensional control, reverse engineering and digitization of these parts are very important to ensure the accuracy of production and proper operation. In this regard, several studies have been conducted to develop new equipments and methods. Despite the high speed of data collection and the ease of using non-contact equipments compared to contact digitizers, the measurement accuracy of non-contact equipments are lower, and the results obtained from non-contact equipments often need to be post-processed due to the presence of noise and the huge amount of data.In the measurement of complex free-form surfaces using contact probes, despite the higher accuracy of these equipments, errors including probe head radius error, probe stylus bending, probe stylus pre-travel, and lobbing are also possible. The probe head radius error is one of the errors that occurs due to the lack of prependicular contact of probe stylus on the surface; An error whose magnitude in critical conditions can increase as much as the radius of the probe head sphere. In order to compensate for these errors, various software and hardware methods have been provided, yet none of which completely guarantes avoiding the error, or at least are costly and time consumer. On the other hand, providing a solution using robotic knowledge to prevent and reduce the occurrence of such errors instead of secondary compensation can be very efficient and constructive.In the current thesis, in order to create a new structure for the coordinate measuring machine, a new 4+1 degrees of freedom parallel robot and a linear contact probe are implemented. The structure of this new parallel robot uses 3 degrees of freedom of movement along the X, Y and Z axes and 1 degree of rotational freedom around the X axis. The fifth degree of freedom is considered independent and separate from the main degrees of freedom by using a table with the ability to accurately rotate around the Z axis in order to position and rotate the work-piece, and increase the efficiency of the system. Using inverse and direct kinematics calculations and designing and proposing a motion algorithm suitable for the structure, measurement is done with a contact probe so that the contact direction of the probe is normal to the surface. In order to obtain the correct measurement data and extract the measurement path, the free-form NURBS surfaces have been apllied. The correct movement path of the probe is evaluated by receiving the feedback through rotary encoders installed on the joints of the driving arms, as well as contact probe data and performing kinematic calculations. Also, the movement path of the digitizing tool is optimized with the least displacement, the least movement time and with a permissible probe radius error using the developed measurement path planning algorithm. In order to make optimal use of the parallel robot structure, various functional parameters in the field of the robot's workspace, including accessible general workspace, singularity in the workspace, positional error and angular error of the end-effector, and its dexterity are calculated and examined through relevant calculations. The evaluation is done to get the desired results when measuring the work-pieces with the robot. In addition, the moving platform of the robot has been evaluated according to the results of the workspace calculations, and an optimal design has been presented to increase the performance of the robot according to the above-mentioned parameters of workspace.The resolution of the stepper motors employed is 20000 pulses per revolution and the ratio of the zero-backlash gearboxes mounted on the motors is 1:10. Therefore, the resolution of the rotational movement of each arm will be 0.0018 degrees or 6.48 seconds. Considering this number, for each of the arms in different areas of the workspace, we have different theoretical resolution for moving in different directions. Also, in order to evaluate the performance of the C4 robot, different tests have been performed on the robot to check the accuracy and repeatability of its end-effector positioning in the X, Y, and Z directions. The results demonstrate that the positioning accuracy of the robot for the end-effector in the X, Y, and Z directions is 0.019, 0.007, and 0.017 mm, respectively.The design of the algorithm for measuring path planning of the robot is focused on the work-pieces containing free-form surface. Therefore, in order to evaluate its performance, the developed measuring method was investigated applying on the free-form surface of a gas turbine blade. The final digitized data was compared to the available information of the existing airfoil surface which had been measured using contact method with Zeiss Prismo 7 coordinate measuring machine and Atak touch trigger probe. The information obtained in the form of cloud points was checked using Geomagic Qualify software. By defining an acceptable error of ±5 μm, the deviation of the critical side angle is 3.62 degrees. According to the obtained results, the maximum deviation was ±4 μm. The results of the practical tests show that the correct implementation of the movement perpendicular to the surface during the data acquisition process has prevented the error of the radius of the probe head in contact probes and thus, the accuracy of data acquisition in the contact method with the algorithm proposed in this research increases without the need to apply conventional error compensation processes.

A Novel Method for Coordinate Measuring of Parts with Free-Form Surfaces Using a 4-Dof CMM Robot to Reduce Ball-tip Radius Error

‏علی‏ اکبری،

‏محمد

تهیه کننده

‏‏محبوب‏ خواه،

کریمیان خسروشاهی،

‏مهران

‏ قادر

استاد راهنما

استاد مشاور

‏ تبریز