Modelling and robust controller design for a multi-axis micro-milling machine

Abstract

İçinde bulunduğumuz bu minyatürleşme çağında, mikro üretim en popüler araştırma konularından biri haline gelmiştir. Her ne kadar 3 Boyutlu yazıcılar ve laser sinterleme gibi yeni üretim teknolojileri gelecek vaat ediyor olsa da, convensiyonel üretim teknolojileri hala yeri doldurulamaz bir pozisyondadır. Bu tez üç boyutlu bir mikro işleme sistemi için gürbüz bir kontrolcü tasarlamayı hedeflemektedir. Kontrolcünün sentezlenmesi için ilk olarak sistem modellenmiştir. Ancak daha sonra sistem modelinin, sistem tanılama metodu ile elde edilmesi kararlaştırılmıştır. X, Y ve Z eksenlerinin transfer fonksiyonları, sinüsler toplamı girdisi kullanılarak hesaplanmıştır. Doğrulama deneylerinin sonuçlarına göre elde edilen transfer fonksiyonları sistemi yansıtmaktadır. Elde edilen bu transfer fonksiyonları ve tasarlanan ağırlık fonksiyonlarının yardımı ile gürbüz bir $H_/infty$ kontrolcü tasarlanmıştır. Simulasyon çıktılarına göre tasarlanan bu gürbüz kontrolcü hem disturbans girdisi varken hem de yokken PID kontrolcüsüne göre belirgin bir şekilde daha iyi performans göstermiştir. Son bölümde tasarlanan bu gürbüz kontolcü ile PID kontrolcüsü kesme testlerinde karşılaştırılmıştır. Bu testlere göre, PID kontrolcüsü ve gürbüz kontrolcü benzer bir izleme performansı gösterse de, gürbüz kontrolcü ile daha iyi bir yüzey kalitesi elde edilebilirken aynı zamanda üretim sırasında daha az titreşim oluşmaktadır.

In the current era of miniaturization, micro manufacturing had became one ofthe most popular topics. Even tough there are new promising methods such aslaser sintering and 3D printing; conventional manufacturing methods continue tohold a unique and irreplaceable position. This thesis aims to design a robust controlalgorithm for a three axis micro-machining system. In order to synthesize thecontroller, first the system is modeled. After the modeling, a system identificationdue to non-linearities is also performed. X, Y and Z axis's identified using preparedSum of sines identification input. Verification data shows these identifiedtransfer functions represent the physical system well while avoiding over-fit. Usingthese identified transfer functions, a robust Hinfinity controller is synthesized withdesigned weighting functions. In simulations, this robust Hinfinity controller showedsignificantly better performance with or without disturbance. Machining experimentsare also done in order to compare the performance of robust controller withthe PID controller. According to results of experiments, robust controller showedsimilar tracking performance with improved surface quality and less oscillationsvibrations.