5-Akselinen kinematiikka ja TCP-ohjaus

Abstract

Moniakselisella CNC-koneistuskella on merkittävä rooli nykyajan kone- ja tuotantotekniikassa sen monipuolisuutensa ja kyvykkyytensä ansiosta. Moniakselisen työstökoneen kyky muuttaa työkalunsa asentoa kesken koneistuksen tekee kyseisestä koneesta 3-akseliseen koneeseen verrattuna äärimmäisen kyvykkään, mutta toiminnaltaan myös monimutkaisen. Rotaatioakselien tuomat koordinaatiston rotaatiot tekevät koneen kinematiikasta, jolla tarkoitetaan työkalun kärkipisteen ja koneen nivelten liikkeiden välistä kaksisuuntaista suhdetta, verrattain haastavan. Rotaatioakselit aiheuttavat myös merkittävän lineaarisuuden poikkeamavirheen moniakselisissa työstöradoissa, jotka ovat tästä syystä linearisoitava käyttäen linearisointimenetelmää. Tämän työn tarkoituksena on CNC-ohjauksen ja moniakselisuuden perusperiaatteiden saattelemana esittää tapa muodostaa moniakselisen koneen kinemaattinen ketju ja tästä johdetut kinematiikan kaksisuuntaiset funktiot. Esimerkkinä tullaan ratkaisemaan kappaleessa 6 esitellyn kääntökeinupöydällisen 5-akselisen CNC-jyrsimen eteenpäin suuntautuvan ja käänteisen kinematiikan funktiot. Lisäksi työssä tullaan tutkimaan rotaatioliikkeiden aiheuttamaa lineaarisuuden poikkeamavirhettä ja sen vaikutusta moniakselisten liikkeiden lineaarisuuteen. Kaksi yleisintä linearisointimenetelmää, TCP-ohjausta ja konekohtaisesti ohjelmoitua jälkiprosessoria, tullaan vertailemaan ja testaamaan koneistamalla 5-akselinen kappale kumpaakin menetelmää käyttäen.

Multi-axis CNC machining has a significant role in modern mechanical- and production engineering due to its large versatility and high capabilities. The ability of a multi-axis machine to change its tool orientation during machining makes it superior over a conventional 3-axis machine regardless of its obvious disadvantage of being much more complex in terms of operation. The rotation of coordinates introduced by the rotation axis of a multi-axis machine makes its kinematics, which is a term to describe the two-way function of converting the machine joint positions into cutter location data and vice versa, very challenging and non-intuitive. The rotations of a multi-axis move also introduces a non-linear error on the tool trajectory making it non-linear. Such multi-axis moves must be linearized using some linearization method. The purpose of this thesis is, accompanied by the fundamentals of computer numerical control and multi-axis machining, to present a common method to form the kinematic chain of a said machine and use that to derive the forward and inverse kinematic functions from. As an example, the kinematic chain of a double turntable 5-axis milling machine introduced in chapter 6 will be created and used to derive the above-said functions. Furthermore, the non-linearity of simultaneous multi-axis moves will be studied and two common methods of linearization, tool center point control and custom hard coded post processor, will be introduced and compared by milling a 5-axis part using both mentioned methods.