Implementation of a trajectory control for an omnidirectional wheeled CNC machine : Goliath

The market of the CNC machines for woodworking is divided into two categories: professional and desktop. Both of these types of machine present issues. The professional CNC machines are expensive, bulky, heavy and have a limited work area, while the desktop machines have a very limited work area as big as a A4 sheet of paper and a low precision comparable with the professional ones. To solve these problems a new type of CNC machine is presented. This machine, called Goliath, is an autonomous omni-directional wheeled robot that works moving directly on the work area. In this way the work area can be considered infinite. It has also a price comparable with the desktop’s one, that it very lower respect a professional CNC. It is also portable, compact and lightweight. This machine uses two external position sensors to triangulate its position. The fact that Goliath moves directly on the work area, using omni-directional wheels, involves a series of problems that must be analysed for what concerns the motion. This thesis deals with the implementation of the trajectory controller and the model of the position sensors. The trajectory controller is divided into three parts: the kinematic model, the reference creator and the PID regulator. The model of the position sensors has been validated with an experimental test. The trajectory controller and the validated model of the position sensors are fundamental to the correct operation of Goliath and to reach the desired cut quality. To investigate the correct functioning of Goliath a series of tests were conducted during all the duration of the thesis activity.

Il mercato delle macchine CNC per la lavorazione del legno si divide in due categorie: professionali e desktop. Entrambi questi tipi di CNC presentano dei problemi. Le macchine CNC professionali sono costose, ingombranti, pesanti e hanno un’area di lavoro limitata., mentre le macchine CNC desktop hanno un’area di lavoro molto limitata grande quanto un foglio di carta A4 e una bassa precisione rispetto a quelle professionali. Per risolvere questi problemi viene presentato un nuovo tipo di macchina CNC. Questa macchina, chiamata Goliath, è un robot con ruote omnidirezionali autonomo che funziona spostandosi direttamente sull’area di lavoro. In questo modo, l’area di lavoro può essere considerata infinita. Ha anche un prezzo paragonabile a una macchina CNC desktop, che è molto inferiore rispetto ad una CNC professionale. Inoltre, è anche portatile, compatta e leggera. Questa macchina utilizza due sensori di posizione esterni per triangolare la sua posizione all’interno dell’area di lavoro. Il fatto che Goliath si muova direttamente sull’area di lavoro, usando ruote omnidirezionali, comporta una serie di problemi per quello che riguarda il movimento che devo essere analizzati. Questa tesi riguarda l’implementazione del controllo della traiettoria e il modello dei sensori di posizione. Il controllo della traiettoria è diviso in tre parti: modello cinematico, il creatore del riferimento e il regolatore PID. Il modello dei sensori di posizioni è stato validato attraverso un test sperimentale. Il controllo della traiettoria e un preciso modello dei sensori sono fondamentali per il corretto funzionamento di Goliath e per raggiungere la qualità di taglio desiderata. Per analizzare il corretto funzionamento di Goliath, sono stati condotti una serie di test durante tutto lo svolgimento della tesi.