Multi-level optimization of machine tools control architecture

As the response to increasing demand for higher productivity and quality, modern technologies have been developed to bring more flexibility and efficiency to manufacturing systems. The Computerized Numerical Control units play a crucial role in this new trend, and in spite of their relatively closed structure, many studies have investigated the incorporation of advanced techniques into their control architecture. This project tries to contribute to these developments, by analyzing some of existing challenges, and proposing new techniques to increase the efficiency of machine tools. In this regard, compliance in the mechanical structure of machine tool is addressed as an important obstacle in exploiting the machine full capacity. Consequently, a multi-level optimal control solution is developed to tackle this problem jointly at different stages. At servo-level, a Linear Parameter Varying (LPV) controller is implemented, which takes into account dynamic variations due to different configurations of the machine and imposes desired time-domain specifications through weighting functions, which remain consistent for all operating positions. The controller is synthesized for a ball-screw, as the most common component in motion delivery systems, with position dependent dynamics. In order to design the LPV controller, suitable identification techniques are proposed based on the assumption on the generality of the control solution. A new black-box identification technique is presented based on time-domain curve-fitting through fixed linear time-invariant (LTI) models, that are identified using a subspace identification method. As another approach, a procedure for gray-box identification is formulated using a heuristic search algorithm for frequency-domain minimization, that based on the prior knowledge of the system (the ball-screw), improves the accuracy of the estimated model. Eventually, a novel motion planning is proposed that enables the integration of system dynamics for a multi-axis machine in a Mixed Integer Programming structure. By this approach, a kinematically optimal motion is generated considering the dynamic constraints due to a desired control-loop output. The efficiency of this method is verified for the LPV servo of the ball-screw, as a minimum-time trajectory is generated in compliance with an allowable tracking error.

In risposta alla sempre maggiore produttività e qualità richieste, lo sviluppo di tecnologie moderne ha portato maggiore flessibilità ed efficienza nei sistemi di lavorazione. I controlli numerici industriali giocano un ruolo fondamentale in questo processo di rinnovamento e spesso, a dispetto della loro struttura particolarmente chiusa, sono oggetto di studi avanzati per integrarvi all'interno tecniche di controllo innovative . Questo studio cerca di contribuire a questo sviluppo analizzando in dettaglio alcune delle sfide tecnologiche da fronteggiare, proponendo nel contempo nuove tecniche per incrementare l'efficienza della macchine utensili. A questo riguardo la cedevolezza strutturale delle macchine utensili rappresenta un grosso ostacolo per il raggiungimento di alte perfomance di lavorazione. Al fine di fronteggiare i suddetti problemi si è proceduto nel valutare la possibilità di utilizzo di una tecnica di controllo ottimo multi livello. Per tenere contro delle variazioni della dinamica strutturale dovuta ai cambiamenti della configurazione macchina, si è implementato, a livello degli azionamenti, un controllore LPV (Linear Parameter Varying), che centra le specifiche imposte nel dominio del tempo attraverso l'utilizzo di funzioni di peso. Il controllore, che considera una dinamica che varia con la posizione, è stato progettato nel caso di una vite a ricircolo di sfere, soluzione tra le più utilizzate per asservire il moto degli assi nelle macchine utensili. il progetto del controllore LPV ha richiesto l'utilizzo di tecniche di identificazione che garantiscano una vasta generalità della soluzione di controllo. Nello studio si propone l'utilizzo di una nuova tecnica di identificazione black-box basata su un fitting nel dominio del tempo attraverso l'utilizzo di modelli LTI (linear time-invariant) identificati mediante un metodo a sottospazi (subspace identification method). Ai fini del miglioramento dell'accuratezza dei modelli stimati si è proceduto nello studiare una tecnica alternativa di identificazione grey-box formulata utilizzando un algoritmo euristico di ricerca del minimo nel dominio della frequenza che si basa sulla conoscenza pregressa del sistema (i.e. della vite a ricircolo di sfere). Si propone quindi l'utilizzo di nuove leggi del moto per migliorare l'integrazione, della complessa dinamica del sistema di una macchina multi asse, con una struttura di Mixed Integer Programming. Attraverso questo approccio si è generata quindi una soluzione ottima, dal punto di vista cinematico, che considera i vincoli sulla dinamica imposti dall'anello di controllo. L'efficienza di questo metodo è stata verificata, sviluppando una soluzione che minimizza il tempo di percorrenza di una traiettoria, nel caso dell'azionamento LPV della vite a ricircolo di sfere, tenendo in considerazione il vincolo sul massimo errore di tracking.