ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-6-1063-1071ntv-288Research ArticleАВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКАAUTOMATIC CONTROL AND ROBOTICSОценка ошибки и разработка методики компенсации погрешности позиционирования оборудования с числовым программным управлениемEvaluation and development of a method for compensating the positioning error of computer numeric control equipmenthttps://orcid.org/0000-0001-7502-1699РизкиМ. А.RizkiM. A.

Ризки Мухамад Албани – студент

Санкт-Петербург, 197101

Muhamad Albani Rizki – Student

Saint Petersburg, 197101

muhamadalbanirizki@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1869-0081ФедосовЮ. В.FedosovYu. V.

Федосов Юрий Валерьевич – кандидат технических наук, доцент

Санкт-Петербург, 197101

Yuri V. Fedosov – PhD, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 57194080548

Yf01@yandex.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation20221712202422610631071Copyright © Ризки М.А., Федосов Ю.В., 20242024Ризки М.А., Федосов Ю.В.Rizki M.A., Fedosov Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/288Предмет исследования

Предмет исследования. В процессе изготовления изделий с высокой степенью точности широко используется оборудование с числовым программным управлением. Известно, что в процессе изготовления изделий числовые программные устройства до сих пор не позволяют скомпенсировать влияние вибраций и связанное с ними появление неровностей на поверхности изделий. Предложена модифицированная платформа Стюарта, которая обладает тремя степенями свободы и может вращаться вдоль осей X и Y, и линейно перемещаться вдоль оси Z. Такая платформа может быть использована для увеличения точности и стабилизации в оборудовании с числовым программным управлением. Выполнена оценка точности позиционирования модифицированной платформы Стюарта.

Метод

Метод. Разработаны макет и симуляционная модель модифицированной платформы Стюарта. В качестве данных для сравнения использованы углы наклона платформы. В ходе эксперимента для определения ошибки позиционирования изменена не только величина линейного перемещения, но и угол в плоскости X–Y, изменение которого показало влияние на величину ошибки выставления угла в плоскости Z–A. Симуляция проведена в программе MATLAB. В результате получен угол поворота платформы. Выполнено сравнение результатов расчета углов наклона модели и макета модифицированной платформы Стюарта с соответствующими размерами. Модель предоставляет данные об угле наклона, высоте, длине сторон и их относительном удлинении.

Результаты

Результаты. Обнаружено, что угловое перемещение платформы согласуется с предварительно вычисляемым положением согласно разработанной симуляционной модели, а ошибка позиционирования мала и постоянна. Предложенный метод может быть применен для оценки ошибки позиционирования платформы и дальнейшей калибровки механизмов с пространственной кинематикой. В ходе перемещения подвижного звена изменение его пространственного положения влияет на возможность перемещения остальных звеньев. При этом величина ошибки позиционирования при разных положениях подвижных звеньев изменяется. Показано, что в одном направлении погрешность остается практически неизменной. Погрешность механизма позиционирования платформы может быть уменьшена путем изменения конструкции платформы и использования деталей, обеспечивающих более точное перемещение. На основании предварительных измерений возможно построение таблицы с поправками, к которой будет обращаться управляющая программа для корректировки пространственного положения подвижной платформы. Точность и повторяемость перемещений могут быть улучшены, что позволяет применить платформу в оборудовании с числовым программным управлением.

Практическая значимость

Практическая значимость. Разработанная методика позволяет проводить оценку погрешности позиционирования подвижной платформы механизма с пространственной кинематикой. Таким образом, ошибка позиционирования подвижной платформы может быть уменьшена, либо скомпенсирована. Представляется возможным обеспечение калибровки подвижной платформы в автоматическом режиме.

In the manufacturing process, Computer Numerical Control is widely used to process products that require a high level of accuracy. It is found that during product processing, Computer Numerical Control is still unable to fully counteract the influence of vibration and the presence of uneven product surfaces. In this paper, the stabilization mechanism developed, known as the Modified Stewart platform, which has a 3 Degrees of Freedom and can rotate around the X and Y axes and move translationally along the Z axis. This platform can be used to improve the accuracy and stability of the Computer Numeric Control tool. In this research, the positioning accuracy of the Modified Stewart platform has been evaluated. In this research, a mock-up or prototype and a simulation model of the Modified Stewart platform was developed. The data to be studied is the inclination angle of the platform. In the experiment, to determine the positioning error, the variable being changed acquires not only the linear movement, but also the angle of the X-Y plane. By changing the angle contained in the X-Y plane, it can be seen the influence of the X-Y angle on the position error or angle of the Z-A plane. The simulation was carried out on MATLAB. The mathematical model in this study is to find the platform position or angle. To simplify the calculation, the Modified Stewart platform was depicted in the form of a trapezoid. The results of the angle in the simulation will be compared with the result of the angle on the mock-up Modified Stewart platform. The trapezoidal parameter used in the simulation corresponds to the parameters on the mock-up modified Stewart platform. The simulation provided information about the angle of inclination, height, length of its sides, and the relative length of sides. It was found that the position or angle movement of the platform is in accordance with the calculation or simulation model that has been developed, and the positioning error data of the platform is very small and it changes constantly. It should be noted that the presented method can be used to evaluate the platform positioning error and consequential calibration of the mechanisms with spatial kinematic. The positioning error at various mobile links positions is changing, but during the movement in just one direction it remains almost constant. The position error caused by the platform mechanism can be minimized by redesigning the platform and using components that can provide a much more precise movement, moreover, using the preliminary measurements it is possible to build a table containing corrections for the control program to access the correct position of the moving platform. The accuracy and the stability of its movement can be improved and the platform can be applied to Computer Numerical Control. The method developed allows to estimate the moving platform positioning error of the mechanism with spatial kinematic. Thus, the method developed can be eliminated or compensated. It is possible to calibrate the moving platform movements in automatic mode as well.

модифицированная платформа Стюартачисловое программное управлениевибрациястабилизацияmodified stewart platformcomputer numeric controlCNCcontrolvibrationstabilizationReferencesShih M.-H., Sung W.-P., Chen C.-L. Vibration control and shock absorption techniques for Hi-Tech manufacturing plants. Structural Design of Tall and Special Buildings, 2012, vol. 21, no. 7, pp. 505–523. https://doi.org/10.1002/tal.625Shih M.-H., Sung W.-P., Chen C.-L. Vibration control and shock absorption techniques for Hi-Tech manufacturing plants // Structural Design of Tall and Special Buildings. 2012. V. 21. N 7. P. 505–523. https://doi.org/10.1002/tal.625Al-Shayea A., Abdullah F.M., Noman M.A., Kaid H., Abouel Nasr E. Studying and optimizing the effect of process parameters on machining vibration in turning process of AISI 1040 steel. Advances in Materials Science and Engineering, 2020, vol. 2020, pp. 5480614. https://doi.org/10.1155/2020/5480614Al-Shayea A., Abdullah F.M., Noman M.A., Kaid H., Abouel Nasr E. Studying and optimizing the effect of process parameters on machining vibration in turning process of AISI 1040 steel // Advances in Materials Science and Engineering. 2020. V. 2020. P. 5480614. https://doi.org/10.1155/2020/5480614Chang C.-C., Hsia S.-Y., Huang H.-D. Improvement on CNC drilling quality using vibration suppression fixture. Proc. of the 4th IEEE International Conference on Applied System Innovation (ICASI), 2018, pp. 910–913. https://doi.org/10.1109/ICASI.2018.8394415Chang C.-C., Hsia S.-Y., Huang H.-D. Improvement on CNC drilling quality using vibration suppression fixture // Proc. of the 4th IEEE International Conference on Applied System Innovation (ICASI). 2018. P. 910–913. https://doi.org/10.1109/ICASI.2018.8394415Wang H., Huang Z., Wang C. Design of vibration test system for CNC milling machine. ACM International Conference Proceeding Series, 2020, pp. 279–284. https://doi.org/10.1145/3436286.3436406Wang H., Huang Z., Wang C. Design of vibration test system for CNC milling machine // ACM International Conference Proceeding Series. 2020. P. 279–284. https://doi.org/10.1145/3436286.3436406Qiu C., Chen X., Hui Y., Siddiquee T.A.R. Study of dynamic vibration characteristics and suppression of CNC machine tool during operation. Journal of Vibroengineering, 2020, vol. 22, no. 8, pp. 1884–1895. https://doi.org/10.21595/jve.2020.21630Qiu C., Chen X., Hui Y., Siddiquee T.A.R. Study of dynamic vibration characteristics and suppression of CNC machine tool during operation // Journal of Vibroengineering. 2020. V. 22. N 8. P. 1884–1895. https://doi.org/10.21595/jve.2020.21630Song M.-G., Baek H.-W., Park N.-C., Park K.-S., Yoon T., Park Y.-P., Lim S.-C. Development of small sized actuator with compliant mechanism for optical image stabilization. IEEE Transactions on Magnetics, 2010, vol. 46, no. 6, pp. 2369–2372. https://doi.org/10.1109/TMAG.2010.2042288Song M.-G., Baek H.-W., Park N.-C., Park K.-S., Yoon T., Park Y.-P., Lim S.-C. Development of small sized actuator with compliant mechanism for optical image stabilization // IEEE Transactions on Magnetics. 2010. V. 46. N 6. P. 2369–2372. https://doi.org/10.1109/TMAG.2010.2042288Kazi A., Honold M., Rimkus W., Lokner T., Bäuml M., Köpfer M. SMA actuator for optical image stabilization. ACTUATOR 2018 — 16th International Conference and Exhibition on New Actuators and Drive Systems, Conference Proceedings, 2018, pp. 375–378.Kazi A., Honold M., Rimkus W., Lokner T., Bäuml M., Köpfer M. SMA actuator for optical image stabilization // ACTUATOR 2018 — 16th International Conference and Exhibition on New Actuators and Drive Systems, Conference Proceedings. 2018. P. 375–378.Karev P.V. Optical stabilization and microscanning with piezo actuators and piezoelectric motors. Proc. of the International Conference Laser Optics 2018 (ICLO), 2018, pp. 192. https://doi.org/10.1109/LO.2018.8435895Karev P.V. Optical stabilization and microscanning with piezo actuators and piezoelectric motors // Proc. of the International Conference Laser Optics 2018 (ICLO). 2018. P. 192. https://doi.org/10.1109/LO.2018.8435895Dasgupta B., Mruthyunjaya T.S. Stewart platform manipulator: A review. Mechanism and Machine Theory, 2000, vol. 35, no. 1, pp. 15–40. https://doi.org/10.1016/S0094-114X(99)00006-3Dasgupta B., Mruthyunjaya T.S. Stewart platform manipulator: A review // Mechanism and Machine Theory. 2000. V. 35. N 1. P. 15–40. https://doi.org/10.1016/S0094-114X(99)00006-3Yufei X., He L., Yanbin Z., Fei X., Jing Z. Dynamic modeling and high accuracy attitude control of a Stewart spacecraft. Proc. of the 29th Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 2017, pp. 7395–7400. https://doi.org/10.1109/CCDC.2017.7978522Yufei X., He L., Yanbin Z., Fei X., Jing Z. Dynamic modeling and high accuracy attitude control of a Stewart spacecraft // Proc. of the 29th Chinese Control and Decision Conference (CCDC). 2017. P. 7395–7400. https://doi.org/10.1109/CCDC.2017.7978522Noskievic P., Walica D. Design and realisation of the simulation model of the Stewart platform using the MATLAB-Simulink and the Simscape Multibody library. Proc. of the 21st IEEE International Carpathian Control Conference (ICCC), 2020, pp. 9257249. https://doi.org/10.1109/ICCC49264.2020.9257249Noskievic P., Walica D. Design and realisation of the simulation model of the Stewart platform using the MATLAB-Simulink and the Simscape Multibody library // Proc. of the 21st IEEE International Carpathian Control Conference (ICCC). 2020. P. 9257249. https://doi.org/10.1109/ICCC49264.2020.9257249McCann C., Patel V., Dollar A. The Stewart hand: A highly dexterous, six-degrees-of-freedom manipulator based on the stewart-gough platform. IEEE Robotics and Automation Magazine, 2021, vol. 28, no. 2, pp. 23–36. https://doi.org/10.1109/MRA.2021.3064750McCann C., Patel V., Dollar A. The Stewart hand: A highly dexterous, six-degrees-of-freedom manipulator based on the stewart-gough platform // IEEE Robotics and Automation Magazine. 2021. V. 28. N 2. P. 23–36. https://doi.org/10.1109/MRA.2021.3064750Bi F., Ma T., Wang X., Yang X., Lv Z. Research on vibration control of seating system platform based on the cubic stewart parallel mechanism. IEEE Access, 2019, vol. 7, pp. 155637–155649. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2948785Bi F., Ma T., Wang X., Yang X., Lv Z. Research on vibration control of seating system platform based on the cubic stewart parallel mechanism // IEEE Access. 2019. V. 7. P. 155637–155649. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2948785Fedosov Y.V., Afanasev M.Y. Design of an adaptive system for stabilization of a laser beam for CNC machine. Proc. of the 19th Conference of Open Innovation Association, FRUCT, 2017, pp. 31–36. https://doi.org/10.23919/FRUCT.2016.7892180Fedosov Y.V., Afanasev M.Y. Design of an adaptive system for stabilization of a laser beam for CNC machine // Proc. of the 19th Conference of Open Innovation Association, FRUCT. 2017. P. 31–36. https://doi.org/10.23919/FRUCT.2016.7892180Guo H.B., Li H.R. Dynamic analysis and simulation of a six degree of freedom Stewart platform manipulator. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2006, vol. 220, no. 1, pp. 61–72. https://doi.org/10.1243/095440605X32075Guo H.B., Li H.R. Dynamic analysis and simulation of a six degree of freedom Stewart platform manipulator // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2006. V. 220. N 1. P. 61–72. https://doi.org/10.1243/095440605X32075Şumnu A., Güzelbey İ.H., Çakir M.V. Simulation and PID control of a Stewart platform with linear motor. Journal of Mechanical Science and Technology, 2017, vol. 31, no. 1, pp. 345–356. https://doi.org/10.1007/s12206-016-1238-7Şumnu A., Güzelbey İ.H., Çakir M.V. Simulation and PID control of a Stewart platform with linear motor // Journal of Mechanical Science and Technology. 2017. V. 31. N 1. P. 345–356. https://doi.org/10.1007/s12206-016-1238-7

The authors declare that there are no conflicts of interest present.