Metoda doboru prędkości posuwu w układach sterowania numerycznego maszyn wieloosiowych z wykorzystaniem algorytmów sterowania predykcyjnego oraz sztucznych sieci neuronowych

Rozprawa doktorska obroniona na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej z wyróżnieniem dnia 1.12.2014.Rozprawa doktorska dotyczy zagadnienia wyznaczania optymalnej prędkości posuwu w układach sterowania maszyn wieloosiowych w szczególności obrabiarek CNC (ang. Computerized Numerical Control - sterowanie numeryczne z użyciem komputera). W pracy omówiono problematyk˛e generacji trajektorii ruchu w układach sterowania maszyn CNC. Zaproponowano nowatorskie rozwiązanie doboru maksymalnej prędkości posuwu przy zachowaniu zadanej tolerancji błędów konturu. Algorytm wykorzystuje neuronowy model napędów posuwu maszyny w celu estymacji błędów konturu powstałych w procesie obróbki. Na tej podstawie algorytm optymalizacyjny wyznacza optymalny profil prędkości. Nielinowy problem optymalizacyjny rozwiązywany jest z wykorzystaniem algorytmu optymalizacji rojem cząstek (ang. Particle Swarm Optimization - PSO) rozbudowanego o metodę mnożników Lagrange’a. Algorytm zaimplementowano w sterowniku CNC w formie komputera PC z systemem czasu rzeczywistego Linux RTAI. Na podstawie uzyskanych wyników badań symulacyjnych i doświadczalnych wykazano zmniejszenie czasu realizacji zadanej trajektorii ruchu przy jednoczesnym zapewnieniu nie przekraczania zadanego poziomu błędów konturu

Neural network contour error prediction of a bi-axial linear motor positioning system

In the article a method of predicting contour error using artificial neural network for a bi-axial positioning system is presented. The machine consists of two linear stages with permanent magnet linear motors controlled by servo drives. The drives are controlled from a PC with real-time operating system via EtherCAT fieldbus. A randomly generated Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) trajectory is used to train offline a NARX-type artificial neural network for each axis. These networks allow prediction of following errors and contour errors of the motion trajectory. Experimental results are presented that validate the viability of the neural network based contour error prediction. The presented contour error predictor will be used in predictive control and velocity optimization algorithms of linear motor based CNC machines

Real-Time Jerk Limited Feedrate Profiling and Interpolation for Linear Motor Multiaxis Machines Using NURBS Toolpaths

In this article, a NURBS toolpath feedrate profile generation algorithm for a biaxial linear motor control system is presented. High achievable velocities and accelerations of linear motor machines present new computational challenges in implementing feedrate generation and toolpath interpolation algorithms in real-time controllers. The proposed algorithm is capable of online generation of the feedrate profile with axial acceleration and jerk constraints. Each stage of the feedrate profiling algorithm is described with attention being given to both performance and implementation aspects. Furthermore, an alternative to the commonly used Taylor series interpolation method is also tested to ensure minimal interpolation errors. The feedrate profiling and interpolation algorithms’ implementation in a PC-based controller with real-time Linux kernel is described. Experimental results are presented that confirm that the algorithm is capable of limiting acceleration and jerk in the machine’s axes and it is low computation time enables real-time on-line operation in a PC-based CNC controller

Moduł komunikacyjny magistrali EtherCAT przeznaczony dla napędów elektrycznych

Badania zostały sfinansowane przez Zakład Energoelektroniki "TWERD" Sp. z o.o., w ramach grantu Voucher Badawczy województwa Kujawsko-Pomorskiego „Moduł komunikacyjny EtherCAT do inwerterów dla energetyki odnawialnej”W artykule przedstawiono moduł komunikacyjny magistrali EtherCAT przeznaczony dla napędów elektrycznych. Omówiono standard komunikacji EtherCAT wraz z opisem działania urządzenia podrzędnego wykorzysującego profil komunikacyjny CiA402. Omówiono budowę i działanie modułu komunikacyjnego. Przedstawiono opis stanowiska badawczego oraz badania weryfikujące poprawność działania opracowanego modułu

Neural Network Contour Error Predictor in CNC Control Systems

Paper presented as poster presentation at MMAR 2016 conference (Międzyzdroje,Poland, 29 Aug.-1 Sept. 2016)This article presents a method for predicting contour error using artificial neural networks. Contour error is defined as the minimum distance between actual position and reference toolpath and is commonly used to measure machining precision of Computerized Numerically Controlled (CNC) machine tools. Offline trained Nonlinear Autoregressive networks with exogenous inputs (NARX) are used to predict following error in each axis. These values and information about toolpath geometry obtained from the interpolator are then used to compute the contour error. The method used for effective off-line training of the dynamic recurrent NARX neural networks is presented. Tests are performed that verify the contour error prediction accuracy using a biaxial CNC machine in a real-time CNC control system. The presented neural network based contour error predictor was used in a predictive feedrate optimization algorithm with constrained contour error

PSO based feedrate optimization with contour error constraints for NURBS toolpaths

Paper presented at MMAR 2016 conference (Międzyzdroje, Poland, 29 Aug.-1 Sept. 2016)Generation of a time-optimal feedrate profile for CNC machines has received significant attention in recent years. Most methods focus on achieving maximum allowable feedrate with constrained axial acceleration and jerk without considering manufacturing precision. Manufacturing precision is often defined as contour error which is the distance between desired and actual toolpaths. This paper presents a method of determining the maximum feedrate for NURBS toolpaths while constraining velocity, acceleration, jerk and contour error. Contour error is predicted during optimization by using an artificial neural-network. Optimization is performed by Particle Swarm Optimization with Augmented Lagrangian constraint handling technique. Results of a time-optimal feedrate profile generated for an example toolpath are presented to illustrate the capabilities of the proposed method

Stanowisko badawcze układów sterowania wieloosiowego napędami liniowymi poprzez magistralę EtherCAT

W artykule przedstawiono stanowisko badawcze przeznaczone do badania wieloosiowych układów sterowania z serwonapędami liniowymi. Stanowisko składa się z komputera pełniącego rolę sterownika nadrzędnego, serwosterowników oraz silników liniowych. Sterownik pracuje pod kontrolą systemu Linux z jądrem czasu rzeczywistego. Zaimplementowano również programowy stos EtherCAT do komunikacji z napędami. Przedstawiono budowę układu sterowania oraz strukturę oprogramowania sterownika. Przedstawiono również planowane badania, które będą realizowane na stanowisku dotyczące metod generacji optymalnych trajektorii ruchu, implementacji algorytmów regulacji położenia i prędkości w sterowniku oraz wpływu magistrali EtherCAT na jakość sterowania

Application of Ethernet Powerlink for communication in a Linux RTAI open CNC control system

In computerized numerical control (CNC) systems, the communication bus between the controller and axis servo drives must offer high bandwidth, noise immunity, and time determinism. More and more CNC systems use real-time Ethernet protocols such as Ethernet Powerlink (EPL). Many modern controllers are closed costly hardware-based solutions. In this paper, the implementation of EPL communication bus in a PC-based CNC system is presented. The CNC system includes a PC, a software CNC controller running under Linux Real-Time Application Interface real-time operating system and servo drives communicating via EPL. The EPL stack was implemented as a real-time kernel module. Due to software-only implementation, this system is a cost-effective solution for a broad range of applications in machine control. All software systems are based on GNU General Public License or Berkeley Software Distribution licenses. Necessary modifications to the EPL stack, Linux configurations, computer basic input/output system, and motherboard configurations were presented. Experimental results of EPL communication cycle jitter on three different PCs were presented. The results confirm good performance of the presented system

Układ sterowania CNC bazujący na komputerze PC z magistralą EtherCAT

W artykule przedstawiono układ sterowania numerycznego maszyn zbudowany na bazie komputera PC, komunikujący się z serwonapędami i układami wejścia/wyjścia sterującymi wyposażeniem maszyny poprzez magistralę komunikacyjną EtherCAT. W komputerze zaimplementowano system operacyjny czasu rzeczywistego Linux RTAI wraz ze zmodyfikowanym oprogramowaniem sterującym LinuxCNC. Opracowano programowy moduł komunikacyjny magistrali EtherCAT i zintegrowano go z oprogramowaniem LinuxCNC. Opracowany moduł EtherCAT umożliwia komunikację z serwonapędami zgodnie ze standardem CiA 402 oraz modułami wejść/wyjść zgodnie ze standardem CiA 401. Opracowany układ sterowania cechuje się prostą budową i łatwym montażem. Pozwala na bardzo szybką dwukierunkową komunikację z napędami i układami wejścia/wyjścia. Jest układem elastycznym, który można łatwo zaimplementować do sterowania maszynami wieloosiowymi o różnej konfiguracji

Synchronization of Electrical Drives via EtherCAT Fieldbus Communication Modules

Synchronization between devices (in particular drive systems) is paramount for multi-axis motion control systems used in Computerized Numerical Control (CNC) machines, robots, and specialized technology machines used in many areas of the manufacturing industry. EtherCAT is an Ethernet-based network that is one of the most popular industrial networks for multi-axis motion control systems. EtherCAT is standardized in the IEC 61158 and IEC 61784 standards. In the article, an EtherCAT communication network for electrical drives is presented. The article focuses on the synchronization in the EtherCAT network consisting of one master device and slave servo drive devices. Special attention is given to synchronization mechanisms in EtherCAT, such as distributed clocks in slave servo drives devices. For this purpose, a laboratory stand was built consisting of two prototype servo drive devices with BLDC motors equipped with EtherCAT communication modules. A description of the working developed EtherCAT communication modules is given. Authors in communication modules ware used an EtherCAT Slave Controller (ESC) chip (AX58100) to implement lower EtherCAT layers. EtherCAT application layer was implemented in software form on a 32-bit microcontroller, based on CANopen over EtherCAT (CoE) CAN in Automation 402 (CiA402) profile. This research’s main contribution was to show the time dependencies regarding synchronization in terms of data flow in the EtherCAT communication stack in slave servo drive devices. The research results showed that the synchronous operation of drives is mainly influenced not by the mechanism of distributed clocks that ensures synchronization in the EtherCAT network but the implementation of the highest layer of the communication stack in slave servo drive devices. Experimental results are presented that prove the modules’ adequacy for use in high-performance motion control systems