Exploitation of a ray casting technique for collision avoidance in a robotized grinding operation

Since 1950, thanks to the introduction of CNC (Computer Numerical Control) machines, lots of manufacturing processes became easier to control, while surface finishing procedures, with high levels of flexibility needed, still require the manual effort of a human operator. The system analysed in this work consists in a process cell, in which a brake calliper is finished with a sand-belt grinding tool wielded by a human. The final objective of this research is to design a fully automated cell in which the defects are detected via vision system and then processed by an industrial manipulator. This work focuses on the formulation of an automatic strategy which generates the optimal set of robot instructions to mimic the flexibility and the precision usually granted by the human operator. The two main aspects of this optimisation are the collision detection and avoidance between grinding tool and workpiece. The generation of collision free, multi-axis working paths is a critical task. Today CAM systems can generate tool paths, but they do not take multi-axis machine movements and encumbrances into account. Therefore, CAM solutions cannot be exploited in the set up considered. The analysis of the different collision scenarios led to a definition of the avoidance criteria. A 3D graphic technique known as Ray Casting is exploited to retrieve the relative distances between two solids in space. The result is a tool used to assess the possibility to process a defect with a certain grinding posture. Two different methods to define the tool posture are studied and analysed in their formulation and compared to quantify the benefits of the optimal between the two, which is computed through a constrained, non-linear and conditional minimisation problem. The basis for the optimisation of the cycle time of the process are presented taking into account the random scatter of multiple defects that can be detected on the calliper surface. An experimental campaign has been conducted to assess the validity of the results obtained.

Sin dal 1950, con l’introduzione delle macchine CNC (Computer Numerical Control), gran parte dei processi manifatturieri divenne molto più semplice da controllare, mentre le procedure di finitura superficiale, bisognose di alti livelli di flessibilità, richiedono ancora lo sforzo manuale di un operatore umano. Il sistema considerato in questo lavoro consiste in una cella di produzione, nella quale una pinza freno viene rifinita con un utensìle a cinghia adoperato da un umano. L’obiettivo finale di questa ricerca è di progettare una cella completamente automatizzata nella quale i difetti di lavorazione sono individuati da un sistema di visione ed in seguito processati da un manipolatore industriale. Questo lavoro si concentra sulla formulazione di una strategia automatica che generi il set di istruzioni ottimali per il robot al fine di riprodurre la flessibilità e la precisione tipicamente garantite dall’operatore umano. I due principali aspetti di questa ottimizzazione sono l’identificazione e la prevenzione di collisioni tra l’utensìle e la pinza freno. La generazione di percorsi di lavoro multi-assiali ed esenti da collisioni è un compito difficile. Ad oggi, i sistemi CAM sono in grado di generare percorsi di lavoro, ma non prendono in considerazione i movimenti multi-assiali della macchina ed i suoi ingombri. Perciò, le soluzioni CAM non possono essere sfruttate nel setup considerato. L’analisi dei diversi scenari di collisione ha portato alla definizione dei criteri di prevenzione urti. Si è utilizzata una tecnica di grafica 3D conosciuta come Ray Casting per ricavare le distanze relative tra due solidi nello spazio. Il risultato è uno strumento utilizzabile per verificare la possibilità di processare un punto di difetto con una certa postura dell’utensìle. Due diversi metodi di definire la postura utènsile vengono studiati ed analizzati nella loro formulazione ed in seguito confrontati per quantificare i benefici del metodo ottimale. Tale metodo è calcolato risolvendo un problema di minimizzazione condizionale, non lineare e vincolato. Vengono presentate le basi per l’ottimizzazione del tempo ciclo di processo, prendendo in considerazione una dispersione generica di molteplici difetti individuabili sulla superficie della pinza. È stata infine condotta una campagna sperimentale per verificare la validità dei risultati ottenuti attraverso le simulazioni.