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KR20050022756A - Parallel Typed Machining Tool for Complex 3D Machining Work - Google Patents

Parallel Typed Machining Tool for Complex 3D Machining Work Download PDF

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KR20050022756A
KR20050022756A KR1020030060456A KR20030060456A KR20050022756A KR 20050022756 A KR20050022756 A KR 20050022756A KR 1020030060456 A KR1020030060456 A KR 1020030060456A KR 20030060456 A KR20030060456 A KR 20030060456A KR 20050022756 A KR20050022756 A KR 20050022756A
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KR
South Korea
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constrained
shape
plane
machining
observability
Prior art date
Application number
KR1020030060456A
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Korean (ko)
Inventor
이민기
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대한민국(창원대학교)
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Publication date
Application filed by 대한민국(창원대학교) filed Critical 대한민국(창원대학교)
Priority to KR1020030060456A priority Critical patent/KR20050022756A/en
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4097Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by using design data to control NC machines, e.g. CAD/CAM
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Abstract

PURPOSE: A parallel-type machining tool for machining composite shapes is provided to execute correction work by regulating freely the height of a constrained plane and examining observability of a constrained movement by one or three digital indicators and one constrained surface and to search an optimal correction shape for maximizing independence of a line vector by using QR-decomposition. CONSTITUTION: In a parallel-type machining tool for machining composite shapes, observability is examined according to constrained movement and an optimal correction shape is discovered. A non-observable variable is estimated and the coordinate system is found out. Plane constraining movement uses one or three digital indicators and one constrained plane. The optimal correction shape maximizes independence of a line vector by QR-decomposing an observation matrix. The number of observable variables is provided from a rank of the observation matrix. A value for indicating independence of the line vector is defined and minimized to examine observability according to a constraint variable.

Description

복합형상 가공을 위한 병렬기구형 공작기계{Parallel Typed Machining Tool for Complex 3D Machining Work}Parallel Type Machine Tool for Complex Machining {Parallel Typed Machining Tool for Complex 3D Machining Work}

보정은 절대 정밀도를 반복정밀도까지 높이는 것으로 정밀도를 저해시키는 요인들을 찾아 교정하는 것이다. 일반적으로 보정작업은 기구학을 해석하고, 실제운동과 이론운동의 차이에 따른 오차를 찾아 이를 최소화하는 실제 치수를 찾는다. 위 단계 중 실제 운동을 정확하게 측정하는 계측기술과 기구학적 변수의 관측성이 주요 쟁점이 되고있다.The correction is to increase the absolute precision to the repeatability and to find and correct the factors that hinder the precision. In general, the calibration process interprets kinematics, finds the errors due to the difference between actual and theoretical motions, and finds the actual dimensions that minimize them. Among the above phases, the main issue is the measurement technology and the observability of kinematic variables that accurately measure actual motion.

지금까지 이뤄진 연구를 요약하면 출력링크의 포즈를 레이져, 경위, 수평계를 사용해 직접 측정하는 방법이 제시되었다. 이 방법은 보정의 목표물인 출력링크의 포즈를 직접 측정할 수 있다는 장점이 있으나 센서들이 외부에 설치돼 온 라인 자체보상이 불가능하다. 실제운동을 측정하는 목적은 기구학적 모델의 이론 값과 실제 값을 비교하는데 있다. 따라서 기구의 출력운동을 구속하고 그 구속조건이 만족할 때마다 능동 조인트의 운동량을 읽어 기구학적 모델의 이론 값과 설정 값 사이의 오차를 찾아내는 방법을 생각할 수 있다. 구속운동의 생성을 위해 단일 평면과 디지털 인디케이터를 이용한 구속방법이 병렬기구형 공작기계에 적용됐다. 그러나 출력링크의 운동이 한 평면에 구속되므로 관측성이 낮고, 제한된 평면에서 보정 데이터를 취하므로 국소적인 보정이라는 염려가 따른다. 따라서 제한된 공간에서 최적의 보정형상을 찾아 관측성을 높이는 방법이 제시되어야한다. 최적의 보정형상에 관한 연구로는 Borm와 Menq이 관측값을 제시하고 이를 극대화는 직렬기구 로봇의 형상을 찾아 보정 결과를 보였다. 시뮬레이션 결과에서 보정 데이터 수보다 보정형상이 더 큰 영향을 미침을 보이고 있다. 최근에 Benard와 Khalil는 각 보정 시스템을 Stewart-Gough의 병렬기구 로봇에 적용해 보정 시스템에 따라 찾을 수 없는 변수들을 제시하고 그 이유를 설명하고 있다.Summarizing the research done so far, the method of directly measuring the pose of an output link using a laser, theodolite, and a horizontal level was presented. This method has the advantage of directly measuring the pose of the output link, which is the target of calibration, but it is impossible to compensate the line itself with sensors installed outside. The purpose of measuring real motion is to compare the theoretical and actual values of the kinematic model. Therefore, it is conceivable to find an error between the theoretical value and the set value of the kinematic model by reading the momentum of the active joint whenever the output motion of the mechanism is constrained and the constraint is satisfied. In order to generate the restraint motion, the restraint method using a single plane and digital indicator is applied to the parallel machine tool. However, since the motion of the output link is constrained in one plane, the observation is low, and since the correction data is taken in the limited plane, there is a concern of local correction. Therefore, the method to improve the observability by finding the optimal correction shape in the limited space should be presented. For the study of the optimal shape, Borm and Menq presented the observations and maximized the results. The simulation results show that the correction shape has a greater effect than the number of correction data. Recently, Benard and Khalil have applied each calibration system to Stewart-Gough's parallel instrument robots, suggesting variables that cannot be found in the calibration system and explaining why.

본 연구에서는 한 개의 구속평면과 3개 또는 1개의 디지털 인디케이터를 이용한 구속운동의 관측성을 검토하고 구속평면의 높이를 임의로 조절함으로 전체적인 보정을 구현하는 방법을 제시한다. 관측행렬을 QR-분리해 행 벡터의 독립성을 극대화할 수 있는 최적의 보정형상을 찾고, 이들로부터 얻은 관측행렬의 랭크로부터 관측할 수 있는 변수의 수를 제시한다.This study examines the observability of the constrained motion using one constraint plane and three or one digital indicator, and proposes a method to implement the overall correction by arbitrarily adjusting the height of the constraint plane. QR-separation of the observation matrix finds the optimal correction shape that can maximize the independence of the row vector and suggests the number of variables that can be observed from the rank of the observation matrix obtained from them.

또한 개발된 복합형상 가공기를 공작기계에 적용하기 위해 CAD/CAM기능을 GUI(Graphic User Interface)방식으로 개발된 운동프로그램에 부여하여 3차원의 복합형상 가공작업을 가능하도록 한다.In addition, the CAD / CAM function is applied to the movement program developed by the GUI (Graphic User Interface) method to apply the developed complex shape processing machine to the machine tool to enable the 3D complex shape processing work.

1. 구속 연산자에 의한 보정 시스템1. Compensation system by constraint operator

보정의 가장 기본적인 단계는 기구학적 모델에서 계산한 이론 값과 실제 측정한 값 사이의 오차를 찾아내는 것이다. 본 연구에서는 구속운동으로부터 보정데이터를 취한다. 말단 부는 구속되지 않은 공간에서는 임의로 포즈를 취하지만 구속공간에서는 제한을 받게된다. 구속운동을 정의하기 위해 트위스트 (Twist) 좌표를 도입한다. 공간상에서 이뤄지는 모든 물체의 운동은 트위스트 축을 중심으로 한 회전과 이송으로 나타낼 수 있다. 이를 6 ×1의 트위스트 좌표 벡터로 나타내면The most basic step of the calibration is to find the error between the theoretical value calculated from the kinematic model and the actual measured value. In this study, correction data are taken from the restraint motion. The distal end poses arbitrarily in unconstrained spaces but is restricted in confined spaces. Twist coordinates are introduced to define the constraint motion. The motion of all objects in space can be represented by rotation and transport around the twist axis. If we represent this as a 6 × 1 twisted coordinate vector,

로 ( T 1, T 2, T 3)와 ( T 4, T 5, T 6)는 각각 X, Y, Z 축에 대한 회전 및 이송 속도성분이다. 구속운동은 위 6개 좌표 중 전부 또는 일부를 택해 그 좌표 상의 운동량을 설정하고 출력링크를 구속조건에 맞도록 이동시키는 것이다. 이를 수학적으로 나타내기 위해 구속연산자 C [.]를 정의한다. C 는 [.]에 포함된 두 형상 사이의 운동을 구속시키는 것으로 형상 x a x b 가 기구학적 변수 벡터 ρ와 능동조인트 값 △q의 함수일 때 구속운동은Furnace ( T 1 , T 2 , T 3 ) and ( T 4 , T 5 , T 6 ) are the rotational and feed velocity components about the X, Y, and Z axes, respectively. Constrained motion takes all or part of the above six coordinates, sets the momentum on that coordinate and moves the output link to fit the constraint. To express this mathematically, we define the constraint operator C [.]. C constrains the motion between the two shapes contained in [.]. When shape x a and x b are a function of the kinematic variable vector ρ and the active joint value △ q ,

이다. 구속운동으로부터 아래와 같은 보정 식이 유도된다.to be. From the restraint motion, the following correction equation is derived.

여기서 △Q = [△ q 0→1,…,△ q e-l→e] T 으로 e개의 보정 형상을 생성하기 위한 △q의 변화를 나타내고, ∑= [ N l, …, N e ] T 는 구속운동량을 나타낸다. 기구학적 변수의 설계 값을 ρ0, 실제 값과 오차를 △ρ라 하면 아래와 같은 오차 모델이 유도된다.Where Δ Q = [Δ q 0 → 1 ,... ,? Q el? E ] T represents a change in? Q for generating e correction shapes, and ∑ = [ N l ,. , N e ] T represents the constraint momentum. If the design value of the kinematic variable is ρ 0, and the actual value and the error △ ρ , the following error model is derived.

여기서 △H 는 실제 시스템과 기구학 모델 사이의 오차이고, J는 (r × p)의 관측행렬로 p는 기구학적 변수의 수이고 r은 보정 식의 수를 나타낸다. 여기서 r>> p으로 구속 좌표수가 일 때 r= k*e 이다. 행렬 J는 수치해석으로 구하는데 기구학적 변수의 작은 변화 ε= 10-6에 따른 구속운동량의 변화량으로 구한다.Where ΔH is the error between the actual system and the kinematic model, J is the observation matrix of (r × p), p is the number of kinematic variables and r is the number of correction equations. Where r>> p When r = k * e. The matrix J is obtained by numerical analysis, which is obtained by the change of restraint momentum due to the small change in kinematic variables ε = 10 -6 .

2. 구속운동하의 기구학적 변수의 관측성2. Observability of Kinematic Variables under Restraint Motion

구속조건에 따라 운동에 관여하지 않거나 다른 변수와 뭉쳐져 분리되지 않는 기구학 변수가 있다. 이러한 변수는 상정한 구속조건에서는 찾을 수 없는 변수가 된다. 따라서 보정작업에 최대한 기여할 수 있는 보정형상을 찾는 것은 매우 중요하다. 여기서는 QR-분리 방법을 이용해 보정 데이터를 택할 때마다 지금까지 얻은 관측행렬의 행 벡터와 가장 독립적인 행을 얻을 수 있는 최적의 형상을 찾아서 보정데이터를 취한다.There are some kinematic variables that do not participate in motion or are bound together with other variables by constraints. These variables will not be found in the assumed constraints. Therefore, it is very important to find a correction shape that can contribute to the correction work as much as possible. In this case, each time the correction data is selected using the QR-separation method, the correction data is taken by finding an optimal shape to obtain a row that is most independent of the row vector of the observation matrix thus far obtained.

보정 형상이 에서 으로 변할 때 구속되지 않는 좌표들로 이뤄진 자유벡터 F를 정의한다:Compensation shape in Define a free vector, F, of unconstrained coordinates when

벡터 F는 자유좌표의 수만큼 자유도를 가지고 크기와 방향을 변화시켜 보정형상을 만든다. 두 형상의 구속운동으로부터 얻어지는 관측행렬의 행 벡터들은The vector F has a degree of freedom by the number of free coordinates and changes its size and direction to form a correction shape. The row vectors of the observation matrix obtained from the constraint motions of the two shapes

으로 위의 벡터들이 지금까지 얻어진 행 벡터 으로부터 독립이어야 관측행렬의 랭크가 증가된다. 독립성을 확보하려면 형상을 변화시키는 벡터 F가 지금까지 만들어졌던 벡터와 달라야하며 차별화가 클수록 보정에 필요한 정보를 더 많이 제공해 관측성을 향상시킨다. 형상 으로부터 얻어진 행 벡터를 나열해 관측행렬The row vectors obtained so far Independence from increases the rank of the observation matrix. To ensure independence, the shape-changing vector F must be different from the vectors created so far, and the greater the differentiation, the more information needed to calibrate to improve observation. shape The observation matrix by listing the row vectors obtained from

를 구하고, Ji+1T를 QR-분리한다. 이때 R 행렬의 j 번째 대각 요소들의 값을 r jj 라 두면 이로부터 각 행들의 독립성을 나타내는 수치를 다음과 같이 나타낸다.Obtain and QR-separate Ji + 1T. In this case, if the value of the j-th diagonal element of the R matrix is r jj , the numerical values representing the independence of each row from it are expressed as follows.

따라서 M(F) 값을 최소화할 수 있는 형상이 최적의 형상 이 된다. n-개의 보정 형상까지 M(F)의 값이 최적화되면 관측행렬의 랭크는 Rank ( J n) = n*k 이다. 랭크가 기구학적 변수의 수와 같으면 모든 변수가 관측가능하나 작으면 관측할 수 없는 변수가 존재한다.Therefore, the shape that can minimize M (F) value is the best shape Becomes If the value of M (F) is optimized up to n-corrected shapes, the rank of the observation matrix is Rank ( J n ) = n * k. If the rank is equal to the number of kinematic variables, then all variables are observable, but if they are small there are variables that cannot be observed.

일반적으로 보정작업은 기구학적 변수의 수보다 2배 이상의 보정 식을 요구한다. 따라서 최적화 작업에서 구한 형상에 또 다른 형상을 추가해야한다. 본 연구에서는 추가될 형상에 의해 얻어진 행 벡터 를 포함한 관측행렬의 특이 값(singular value)을 으로 나열하고, 최대 값과 최소 값의 비율인 상태수 (condition number)의 개념을 도입한다. 가장 이상적인 경우는 모든 고유벡터에 대해서 균일한 고유값을 가지는 것으로 상태수가 1 일 때이다. 따라서 추가되는 최적화 형상은 상태수In general, calibration requires more than twice the equation of kinematic parameters. Therefore, we need to add another shape to the shape obtained from the optimization work. In this study, the row vector obtained by the shape to be added Singular value of observation matrix including The concept of condition numbers is the ratio of the maximum and minimum values. The ideal case is to have a uniform eigenvalue for all eigenvectors, with a state number of one. Therefore, the added optimization shape is the number of states

를 최소화하는 것으로 결정한다.Determine to minimize.

3. 병렬기구 공작기계의 보정3. Calibration of parallel machine tool

병렬기구는 각 링크들이 공간상에서 조립되므로 조립 공차가 크고, 보정해야 할 기구학적 변수의 수가 많아 효율적인 보정시스템이 절실히 필요한 기구이다. 보정형상의 최적화 원리를 병렬기구형 공작기계(4) (PMC, Parallel-typed Machining Center)에 적용해 구속운동에 따른 관측성을 검토한다. PMC는 베이스, 플랫폼, 그리고 그 사이에 설치된 선형 액추에이터, LA_i (=1, 2, …, 6)로 이루어져있다. LA_i의 상단은 볼소켓 조인트에 의해 베이스 상의 점 B i 에 연결되고, 하단은 유니버어셜 조인트에 의해 플랫폼 상의 점 P i 에 연결된다. PMC의 형상은 LA_i의 길이를 나타내는 (6 ×1) 벡터 q에 의해서 결정된다.Since the parallel mechanisms are assembled in space, the assembly tolerances are large and the number of kinematic parameters to be corrected is large. The observability of the restraint motion is examined by applying the principle of optimization of the correction shape to the parallel machine-type machine tool (4) (PMC, Parallel-typed Machining Center). The PMC is a linear actuator installed between the base, platform, and LA_i ( = 1, 2,... , 6). The upper end of LA_i is connected to point B i on the base by a ball socket joint and the lower end is connected to point P i on the platform by a universal joint. The shape of the PMC is determined by the (6 × 1) vector q representing the length of LA_i.

여기서here

으로 △q i 는 측정 가능한 운동량이며 q off,i 는 초기 옵셋 값으로 보정작업으로부터 찾아야한다. 보정 작업의 기준이 되는 월드 좌표계 {W}를 구속평면에 부여하고, 좌표계 {B}와 {P}를 베이스와 플랫폼에 각각 고정시킨다. 좌표 {W}의 X W Y W 축은 구속평면상에 있고 그 방향은 사용자에 의해 결정된다. 점 B l를 좌표계 {B}의 원점으로 하고 {B}의 방위는 {W}의 방위와 일치시킨다. 또한, 점 P l를 좌표계 {P}의 원점으로 하고 X P 축은 과 나란하며 XPYP 평면상에 점 P 1,P 2,P 6이 존재하게 한다. 위의 정의로부터 아래의 기구학적 변수들은 0이 된다.Δ q i is the measurable momentum and q off, i is the initial offset value and should be found from the calibration operation. The world coordinate system {W}, which is the basis of the correction work, is given to the constraint plane, and the coordinate systems {B} and {P} are fixed to the base and the platform, respectively. The X W and Y W axes of coordinate {W} are on the constraint plane and their direction is determined by the user. Point B l is the origin of coordinate system {B} and the orientation of {B} matches the orientation of {W}. Also, point P l is the origin of coordinate system {P} and the X P axis Parallel to, point P 1 , P 2 , P 6 on the XPYP plane. From the above definition, the following kinematic variables are zero.

여기서 i P j 은 좌표계 {i}에 대한 점 j의 좌표 값을 나타낸다. U-조인트와 S-조인트가 완벽하다면 {W}에 대한 {P}의 포즈는 36개의 기구학적 변수로 나타낼 수 있다. 이들을 기구학적 변수 벡터Where i P j represents the coordinate value of point j with respect to coordinate system {i}. If the U-joint and S-joint are perfect, the pose of {P} with respect to {W} can be represented by 36 kinematic variables. Kinematic variable vector

으로 정의한다. 가공물을 정반 평면에 설치하고 직각도, 평면도 등을 맞춰가며 가공하므로 점 B i 를 좌표계 {W}으로 나타내야 정반에 대한 PMC의 보정이 이뤄진다.It is defined as Since the workpiece is installed on the surface plate and processed with the squareness, the top view, etc., the point B i must be represented by the coordinate system {W} to correct the PMC for the surface plate.

구속평면과 디지털 인디케이터를 이용해 다양한 구속운동을 생성할 수 있다. 여기서는 디지털 인디게이터를 1) 3개 사용하는 경우, 2) 1개만 사용하는 경우에 대해서 관측성을 검토해본다. 정반 테이블을 플랫폼 아래에 두고 플랫폼에 120도의 등 간격으로 3개의 디지털 인디케이터를 설치한다. 정반 테이블을 기준으로 베이스의 점들이 보정되므로 테이블이 베이스에 꼭 나란히 놓여질 필요는 없다. 인디케이터의 접촉 볼이 정반 면과 맞닿는 동안 접촉 거리의 변화를 디지털 값으로 보인다. 이때 기구 출력을 나타내는 6개의 좌표( W Ω E , W P E )중 ( W Ω Ex , W Ω Ey , W P Ez )이 변하면 인디케이터의 디지털 값은 변한다. 따라서 세 개의 디지털 값에 아무 변화가 없으면서 형상이 변했다면 이 때 일어난 구속운동을 구속연산자, C 3 = diag(1, 1, 0, 0, 0, 1)으로 나타낸다. 따라서 좌표계 {P}로 표현되는 세 좌표 W Ω Px , W Ω Py , W P Pz 이 구속된다. 플랫폼 운동은 하나의 정반 평면에 의해 구속되므로 국소적인 보정이 될 염려가 있다. 그러나 {P}에대한 {E}의 행렬을 임의로 변하면서 구속평면의 높이를 조절함으로써 전체보정이 가능하다.Constraint planes and digital indicators can be used to create various constraints. Here, we examine the observability of 1) using 3 digital indicators and 2) using only one digital indicator. Place the table below the platform and install three digital indicators on the platform at equal intervals of 120 degrees. The points on the base are corrected based on the table, so the table does not have to be placed side by side on the base. The change in contact distance is shown as a digital value while the contact ball of the indicator is in contact with the surface of the surface. The 6-coordinate represents the output mechanism (W Digital values of Ω E, W P E) of the (W Ex Ω, Ω W Ey, Ez W P) changes, the indicator is changed. Therefore, if the shape is changed without any change in the three digital values, the constrained motion that occurs is represented by the constraint operator, C 3 = diag (1, 1, 0, 0, 0, 1). Therefore, the three coordinates W Ω Px , W Ω Py , and W P Pz represented by the coordinate system {P} are constrained. Since platform motion is constrained by one surface plane, there is a risk of local correction. However, the total correction is possible by adjusting the height of the constraint plane by arbitrarily changing the matrix of {E} for {P}.

형상 사이에 구속운동에서 관측성은 벡터 F가 변할 수 있는 자유도에 따라 결정된다. 벡터 F의 방향을 고정하고 크기만 변화시키면 형상을 차별화 할 수 있는 공간이 작아 M(F)는 바로 발산한다. 능동 조인트 △qi->i+1가 W P Px W P Py 를 변화시켜 최적화 형상 (i=1, …,6)을 찾았다. 각 형상은 이전의 형상들로부터 최대한 차별화 하도록 변해가고 있다. 6개의 최적형상을 찾았으나 행렬 R의 18번째 대각요소가 0임으로 랭크는 17에 불과하다. 따라서 19개의 변수가 관측 불가능하다. 벡터에 자유도를 추가해 F=[ W P Px , W P Py , W Ω Pz ] T 으로 평면과 롤 공간에서 최적화 형상을 찾아내면 초기에 설정한 좌표 값 ( W Ω Px , W Ω Py , W P Pz )을 유지하면서 변화시킬 수 있는 최적의 형상은 9개이다. 플랫폼의 포즈를 변화시켜 좌표 값을 변경하면 최적화형상은 계속 증가되어 11개까지 만들 수 있다. 따라서 C 3의 구속연산자 하에서는 최대 33개의 랭크를 가져 3개의 기구학적 변수는 찾을 수 없다. 보정형상에 의한 관측행렬을 QR-분리하면 R-행렬의 34, 35, 36번째 대각 요소가 0으로 기구학적 변수 중 W P B 1 x , W P B 1 y , W P B 1 z 이 관측 불가능하다. 이 변수는 {W}와 {B}사이의 위치를 나타내는 것으로 포즈 사이의 상대적 구속운동에 관여하지 않아 상응하는 행 벡터는 0 벡터가 된다. 그러나 PMC는 기준 위치에서부터 상대적인 포즈 명령을 주어 가공작업을 행함으로 {W}와 {B}사이의 절대 위치는 필요치 않다.shape Wow In constraint motion, the observability depends on the degree of freedom in which the vector F can vary. If the direction of the vector F is fixed and only the size is changed, the space for differentiating the shape is small and M (F) is immediately emitted. Active joint △ qi-> i + 1 changes W P Px and W P Py (i = 1,…, 6) was found. Each shape is changing to maximize its differentiation from previous shapes. We found six optimal shapes, but the rank is only 17 because the 18th diagonal element of matrix R is zero. Thus, 19 variables are unobservable. Add the degrees of freedom to the vector and find the optimized shape in plane and roll space with F = [ W P Px , W P Py , W Ω Pz ] T , and then set the initial coordinates ( W Ω Px , W Ω Py , W P Pz). The optimal shape that can be changed while maintaining) is nine. By changing the pose of the platform and changing the coordinates, the optimization can be increased to 11. Thus, under the constraint operator of C 3 , up to 33 ranks cannot be found for three kinematic variables. When QR-separating the observation matrix by the correction shape, the 34th, 35th, 36th diagonal elements of the R-matrix are zero, and W P B 1 x , W P B 1 y , and W P B 1 z cannot be observed among the kinematic variables. Do. This variable represents the position between {W} and {B} and does not participate in the relative constraint motion between poses so that the corresponding row vector becomes a zero vector. However, PMC does not need the absolute position between {W} and {B} by giving a relative pose command from the reference position.

1개의 인디케이터만 사용해 좌표계 W P Ez 를 구속하는 연산자 C 1 =[0 0 0 0 0 1]를 상정한다. 좌표계{E}의 원점은 접촉 볼에 위치시키고 방위는 {P}의 방위와 같게 한다. 구속운동이 접촉 볼의 위치를 포함하므로 이를 추가 변수 ρa =[ P P Ex , P P Ey , P P Ez ] T 으로 정의해 보정변수에 추가한다. 구속연산자 C 1 에서는 형상 사이의 운동은 벡터 F=[ W P Ex , W P Ey , W Ω Ex , W Ω Ey , W Ω Ez ] T 으로 형상을 생성할 수 있는 자유공간이 크다. 최적화 형상을 구하면 최대 35개의 형상을 얻어 최대 35개의 랭크를 갖는다. 이들로 구해진 관측행렬을 QR-분리하면 ρa까지 포함한 39개의 변수 중 W P B 1 x , W P B 1 y , W P B 1 z , B P B 2 y 이 관측 불가능하다. 그러므로 위치 벡터 W P B 1 x , W P B 1 y , W P B 1 z 는 임의로 설정하고 변수의 수를 줄일 수 있도록 좌표 {B}를 정의한다. 즉, 평면 XBYB를 XWYW평면과 나란하게 하고, 점 B 2에서 그 평면에 수직으로 투영한 점을 b 2 라 하여 XB를 과 일치시킨다. 위 정의로부터 Assume the operator C 1 = [0 0 0 0 0 1] that constrains the coordinate system W P Ez using only one indicator. The origin of the coordinate system {E} is placed in the contact ball and the orientation is equal to the orientation of {P}. Since the restraint motion includes the position of the contact ball, add it to the correction variable by defining it as additional variables ρ a = [ P P Ex , P P Ey , P P Ez ] T. Constrained operator C 1 Wow The motion between the vectors F = [ W P Ex , W P Ey , W Ω Ex , W Ω Ey , W Ω Ez ] T has a large free space to create the shape. The optimal shape can be obtained by obtaining up to 35 shapes and having up to 35 ranks. QR-separation of these observation matrices makes it impossible to observe W P B 1 x , W P B 1 y , W P B 1 z , and B P B 2 y among 39 variables including ρ a. Therefore, the position vectors W P B 1 x , W P B 1 y , and W P B 1 z are set arbitrarily and define coordinates {B} to reduce the number of variables. In other words, the plane XBYB is parallel to the XWYW plane, and the point projected perpendicularly to the plane at point B 2 is b 2 and XB is Matches From the above definition

이 된다. 따라서 변수가 하나 줄어 모든 변수가 관측 가능하다. 그러나 좌표계 {B}는 {W}와 일치하지 않고 ZW 축에 대해 임의의 각도로 회전되어있다. 이러한 결과는 접촉 볼의 높이구속만으로는 XW, YW 축에 대한 좌표 값을 얻을 수 없기 때문이다. 따라서 사용자가 설정한 XW, YW 축에 대한 가공작업은 불가능하다. 그러나 ZB와 ZW의 방향은 일치하므로 정반 테이블에 설치된 가공물의 수직도, 평면도를 맞추는데는 문제가 없다.Becomes Therefore, one variable is reduced so that all variables can be observed. However, the coordinate system {B} does not coincide with {W} and is rotated at an angle with respect to the ZW axis. This result is because the height of the contact ball alone cannot obtain the coordinate values for the XW and YW axes. Therefore, the machining work for XW, YW axis set by the user is impossible. However, since the directions of ZB and ZW coincide, there is no problem in matching the verticality and flatness of the workpiece installed on the surface table.

최적형상에서 얻은 보정 데이터만으로는 불충분하므로 상태수를 최적화하는 추가 형상을 찾는다. 보정형상이 변수의 수보다 4배 이상의 보정식을 제공하면 더 이상 상태수는 감소하지 않는다.The calibration data obtained from the optimal shape is not enough, so look for additional features that optimize the number of states. The number of states no longer decreases if the correction geometry provides more than four times the number of variables.

제시된 방법으로 시뮬레이션을 실시한다. PMC의 작업공간을 3 구속평면으로 분할하고 각 평면으로부터 C 3 구속연산자에서는 20개의 형상, C 1 구속연산자에서는 60개의 형상을 찾아 총 180개의 보정식을 얻었다.The simulation is carried out by the proposed method. Dividing the work area of the PMC of 3 constraining plane, and the C 3 from the respective operator restraint flat shape 20, C 1 constraining the operator to find the 60 shape to obtain a total of 180 correction formula.

초기 값은 설계 변수로 하고 변수 q off,i 의 오차는 ±5mm, 나머지 변수의 오차는 ±3mm으로 한다. 그 결과 비용함수 값은 충분히 0에 수렴하고, q off,i 의 평균오차는 3㎛ 으로 줄어든다. 시뮬레이션에 적용한 것과 같이 실제 제작된 PMC에 적용한다. 정반 테이블 (500×500 mm2)의 평면도는 5㎛이며 디지털 인디케이터의 정밀도는 1㎛으로 25mm의 변위까지 측정 가능하다. 보정 데이터의 측정을 위해 보정데이터 자동획득 장치를 이용하였다. 시뮬레이션과 같이 빠른 속도는 아니나 지속적으로 0에 수렴하고 있다. 구속연산자 C 3 C 1 에서 취한 보정 데이터는 다르지만 q off, 1와 같이 모든 변수는 20㎛의 이내에서 같은 값으로 수렴한다. 이는 제시한 보정 시스템을 신뢰할 수 있는 근거가 된다. 그러나 비용함수가 시뮬레이션 보다 늦게 수렴하므로 실제 보정데이터는 기구학적 모델에 대해 시뮬레이션 데이터보다 완벽하지 않음을 알 수 있다.The initial value is a design variable, and the error of variables q off and i is ± 5mm, and the error of the remaining variables is ± 3mm. As a result, the cost function converges sufficiently to zero, and the average error of q off, i is reduced to 3 μm. The same applies to the PMCs actually produced as they are applied to the simulation. The top view of the surface table (500 × 500 mm2) is 5µm, and the precision of the digital indicator is 1µm, which can measure up to 25mm displacement. The calibration data automatic acquisition device was used to measure the calibration data. It's not as fast as a simulation, but it's constantly converging to zero. The correction data taken by the constraint operators C 3 and C 1 are different , but all variables converge to the same value within 20 μm, such as q off and 1 . This is a reliable basis for the proposed calibration system. However, since the cost function converges later than the simulation, it can be seen that the actual calibration data is less complete than the simulation data for the kinematic model.

제시한 보정시스템의 성능을 점검하기 위해 가공작업을 통한 기구의 정밀도를 분석하였다. 복합형상 가공기로 가공된 가공물로 알루미늄 재질이고 가공툴은 12mm 평앤드밀을 사용하여 x-방향과 y-방향의 직선가공과 원호 가공을 처리하였다.To check the performance of the proposed calibration system, the precision of the instrument through the machining process was analyzed. The workpiece was machined with a multi-task machine and made of aluminum. The tool used a 12mm flat end mill to process linear and circular machining in the x- and y-directions.

4. CAD/CAM 시스템 개발4. CAD / CAM system development

CAD/CAM 시스템의 개발은 GUI(Graphic User Interface) 방식의 가공프로그램 생성에 있어 핵심적인 기술이다. 이를 위해 일반 CAD도면과 개발중인 CAM 시스템의 데이터 교환을 위해 DXF 파일형태를 이용하고 PC 기반으로 확장성을 높이기 위해 Visual C++을 사용하였다. 개발된 CAD/CAM 프로그램은 2가지 형태로 구현되었다. 현장에서 G-Code 입력방식이 익숙한 기존의 사용자를 위해 개발되었으며 CAD로부터 읽어들인 도면정보의 한 개체를 선택하므로서 좌측 편집창에 가공명령들이 자동편집 되도록하였고 또한 편집창에서 도면을 보고 명령을 직접입력 할수도 있다. 윈도우 환경에 익숙한 사용자를 위해 개발된 것으로 G-Code를 대신하여 해당 명령에 대응하는 아이콘을 출력해주는 방식으로 가공프로그램 생성의 속도를 높일 수 있도록 구성하였다. 또한 특성화된 가공프로그램은 함수화 하여 자체 개발함으로 다양한 작업의 확장성을 높였다.The development of CAD / CAM system is a key technology for the creation of part program in GUI (Graphic User Interface) method. For this purpose, DXF file format was used for data exchange between general CAD drawing and CAM system under development, and Visual C ++ was used to increase scalability based on PC. The developed CAD / CAM program was implemented in two forms. It is developed for the existing users who are familiar with G-Code input method in the field, and the machining commands are automatically edited in the left edit window by selecting an object of drawing information read from CAD. You may. Developed for users familiar with the Windows environment, it is designed to speed up the creation of the part program by displaying the icon corresponding to the command instead of G-Code. In addition, the specialized part program has been functionalized and developed in-house to enhance the scalability of various tasks.

구속연산자를 이용한 보정시스템의 관측성을 검토했다. QR-분리를 이용해 관측행렬의 독립성을 극대화하는 형상을 찾고 이들로부터 얻은 관측행렬의 랭크를 점검해 관측할 수 있는 기구학적 변수의 수를 제시한다. 관측행렬의 독립성을 나타내는 수치를 정의하고 수치의 증가율로부터 구속 좌표수에 따른 관측성을 예측한다. 병렬기구형 공작기계에 적용한 결과 한 개의 평면과 3개의 디지털 인디케이터로 플랫폼을 평면과 롤 운동으로 구속할 경우 관측 수는 33개로 필요한 모든 변수가 관측 가능했다. 간단하게 인디케이터를 하나만 사용할 경우 인디케이터의 설치위치를 포함한 35개의 관측 수를 얻어 보정작업이 가능했다. 관측이 불가능한 변수는 구속평면에 대한 베이스의 좌표 값으로 상대적인 구속운동에서는 관여하지 않는 변수이다. 이러한 변수는 보정결과에 영향을 주지 않으므로 전체적인 보정을 위해 구속평면의 높이를 임의로 조절할 수 있음이 입증됐다. 최적의 보정형상에 관측행렬의 조건수를 최소화하는 형상을 추가함으로써 보정형상을 충분히 얻는 방법을 제시했다. 이를 실제시스템에 적용한 결과 보정작업이 성공적으로 이뤄졌다. 다른 구속연산자 하에서 취한 보정 데이터일지라도 기구학적 변수를 같은 값으로 수렴시킴으로써 제시한 보정 시스템의 신뢰성을 입증했다. 아직도 20㎛이내의 상대적 오차를 가지나 이는 보정 시스템에서 비롯된 것이라기보다 기구가 가지고 있는 비 기구학적인 요인들 (백래시, 측정 노이즈, 변경 등)에 의한 것이다. 그러나 자동구속운동 생성기로 백래시를 최대한 줄이고, 정밀한 디지털 인디케이터와 정반 테이블을 이용함으로 보정작업에서 항상 제기되는 비 기구학적 요인들을 최대한 줄여 만족할 만한 결과를 얻을 수 있었다.The observability of the correction system using the constraint operator was examined. Using QR-separation, we find the shape that maximizes the independence of the observation matrix and check the rank of the observation matrix obtained from them, and present the number of kinematic variables that can be observed. Define a numerical value representing the independence of the observation matrix and predict the observability according to the number of constraint coordinates from the rate of increase. When applied to parallel machine tools, the number of observations was 33 and all the necessary variables were observed when the platform was constrained by plane and roll motion with one plane and three digital indicators. If only one indicator was used, it was possible to calibrate by obtaining 35 observations including the installation position of the indicator. Non-observable variables are base coordinate values for the constraint plane and are not related to the relative constraint motion. Since these variables do not affect the calibration results, it is proved that the height of the constraint plane can be arbitrarily adjusted for the overall correction. We proposed a method to obtain a corrected shape sufficiently by adding a shape that minimizes the number of conditions of the observation matrix to the optimum corrected shape. As a result of applying this to the actual system, the calibration was successful. Even calibration data taken under different constraint operators proved the reliability of the proposed calibration system by converging kinematic parameters to the same value. There is still a relative error of less than 20 µm, but this is due to non-kinematic factors (backlash, measurement noise, changes, etc.) that the instrument has rather than originating from the calibration system. However, the automatic restraint motion generator minimized backlash and the precision digital indicator and the surface table minimized the non-kinematic factors that are always raised in the calibration.

본 연구를 통해서 단일평면에 의한 보정작업은 관측성이 낮고, 국소적인 보정이라는 염려를 불식시켰다. 따라서 간단한 디지털 인디케이터와 정반 테이블만으로 정밀한 보정작업이 가능함을 보여줬다.Through this study, the correction by single plane eliminated the concern of low observability and local correction. Therefore, it showed that precise calibration is possible with only a simple digital indicator and a table.

공작기계용으로 개발된 복합형상가공기의 운용 프로그램은 PC 기반의 GUI(Graphic User Interface) 방식으로 개발하여 가공프로그램의 개발 및 생성을 용이하게 하였다. 특히 가공명령생성을 기존사용자와 윈도우에 익숙한 사용자가 거부감 없이 사용할 수 있도록 2가지 형태로 개발하였다. 이는 2차원의 형상 모델링을 구현한 것으로 향후 3차원 도면의 CAM 기능 개발이 앞으로의 과제가 된다.The operation program of the complex shape processing machine developed for the machine tool was developed by the PC-based GUI (Graphic User Interface) method to facilitate the development and generation of the machining program. In particular, the processing instruction generation has been developed in two forms so that existing users and users familiar with Windows can use it without reluctance. This is the implementation of two-dimensional shape modeling, the development of the CAM function of the three-dimensional drawings in the future is a challenge.

Claims (1)

한 개의 구속평면과 3개 또는 1개의 디지털 인디케이터를 이용한 구속운동의 관측성을 검토하고 구속평면의 높이를 임의로 조절함으로 전체적인 보정을 구현하는 방법을 특징으로 하는 복합형상 가공을 위한 병렬기구형 공작기계.Parallel instrument type machine tool for complex machining, which is characterized by the method of reviewing the observability of the constrained motion using one constrained plane and three or one digital indicator, and implementing the overall correction by arbitrarily adjusting the constrained plane height. .
KR1020030060456A 2003-08-27 2003-08-27 Parallel Typed Machining Tool for Complex 3D Machining Work KR20050022756A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102581705A (en) * 2012-03-09 2012-07-18 南京航空航天大学 Division compensation method for machining error during milling of workpiece
KR101652666B1 (en) 2016-03-28 2016-08-31 주식회사 맥스로텍 Space Extension Type 5 Axis Parallel Machining System
WO2020122321A1 (en) * 2018-12-13 2020-06-18 경북대학교 산학협력단 Measuring method of on-machine measurement equipment

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