December 16, 2019

Druga objava glavnih postignuća na projektu – Mjerenje, modeliranje i kompenzacija trenja kod visokopreciznih sustava: od makrometarske do nanometarske razine

Kroz projekt “Mjerenje, modeliranje i kompenzacija trenja kod visokopreciznih sustava: od makrometarske do nanometarske razine“ istražuju se nelinearni učinci trenja s posebnim naglaskom na visokoprecizne mehatroničke uređaje čiji se mehanički dijelovi temelje na kliznim i kotrljajućim elementima pa nelinearni učinci povezani s trenjem značajno ograničavaju njihovu preciznost i točnost. Trenje spomenutih sustava istraženo je na makrometarskoj te djelomično na mikrometarskoj razini u okviru doktorske disertacije glavnog istraživača na projektu, dok ovaj projekt predstavlja proširenje istraživanja i na nanometarsku razinu.

U okviru projekta su tako provedena brojna mjerenja u cilju identifikacije trenja na nanometarskoj razini, mjerenjem na SPM-u te na nanometarskoj/mikrometarskoj razini primjenom nananoutiskivača u konfiguraciji mjerenja poprečnih sila (engl. lateral force microscopy – LFM) u Laboratoriju za precizno inženjerstvo i tehnologiju mikro- i nanosustava (Centar za mikro- i nanoznanosti i tehnologije Sveučilišta u Rijeci). Mjerenja su vršena na uzorcima: Si, SiO2, Si3N4, ZnO, Al2O3, TiO2, MoS2, Al i nehrđajućem čeliku. Sva mjerenja provedena su uz prethodno postavljanje eksperimenata naprednim Design-of-experiment (DoE) metodama. Mjerenja su vršena tako da je određena ovisnost trenja o materijalima u kontaktu, topografiji površina, uvjetima opterećenja, brzini gibanja te temperaturi. Na temelju eksperimentalnih rezultata su, korištenjem prediktivnih algoritama strojnog učenja nelinearnom metodom potpornih vektora (engl. Support Vector Machine-based Machine Learning), modelirane funkcionalne ovisnosti (korelacije) koeficijenata trenja o navedenim utjecajnim parametrima. Istraživanje je stoga obogatilo postojeća znanja istraživačke skupine o utjecaju trenja i to na makrometarskoj, mikrometarskoj te posebno na nanometarskoj razini.

U suradnji s prof. Igorom Mezićem sa Sveučilišta u Kaliforniji, Santa Barbara (UCSB), radi se na razvoju adaptivnog regulatora temeljenog na teoriji Koopmanovog operatora (engl. Koompan Based Model Predicitve Control) koji će omogućiti kompenzaciju nelinearnih učinaka pri preciznom pozicioniranju tzv. soft robot pneumatskih uređaja čija je regulacija pomaka izrazito teška zbog vrlo izraženih nelinearnih učinaka pa je ovo područje predmet brojnih recentnih znanstvenih istraživanja. Inicijalni eksperimenti provedeni su na robotskom sustavu u laboratoriju na UCSB (eksperimente je provela istraživačka skupina na čelu s prof. I. Mezićem a u istraživanju sudjeluju i prof. Elliot Hawkes te kolega D. Haggerty) te su na Tehničkom fakultetu analizirani prvi rezultati mjerenja (u analizi je sudjelovala i prof. Nelida Črnjarić-Žic).

Na temelju rezultata dosadašnjih istraživanja objavljeni su slijedeći radovi:

Dio rezultata istraživanja u postupku je objave u obliku poglavlja:

  • „Application of Koopman-based control in ultra-high precision positioning“ (autori S. Zelenika, E. Kamenar, M. Korda (Centre national de la recherche scientifique, 7 avenue du Colonel Roche, 31400 Toulouse, France) i I. Mezić (UC Santa Barbara, Department of Mechanical Engineering, Santa Barbara, CA 93105, USA)). Navedeni doprinos je 17. poglavlje u knjizi s naslovom „The Koopman Operator in Systems and Control: Theory, Numerics, and Applications“ čiji je urednik renomirani izdavač Springer.

U procesu objave su i slijedeći radovi u sklopu istraživanja na projektu:

U okviru teme istraživanja, te pod mentorstvom glavnog istraživača na projektu E. Kamenara, izrađeni su i obranjen i diplomski/završni radovi:

  • Mehatronički pristup konstrukciji CNC stroja za rezanje cijevi” čiji je autor D. Mihoci. Kao rezultat razvoja ovog mehatroničkog sustava, prijavljen je rad naslovljen “Design of a cost-effective CNC tube cutting machine” (autori D. Mihoci, E. Kamenar i T. Bazina) koji će, u slučaju da bude prihvaćen, biti prezentiran na “Euspen’s 20th International Conference & Exhibition” koja će se održati 2020. u CERN-u u Genevi (Švicarska).
  • Mehatronički sustav za mjerenje naprezanja mišića ljudske ruke” čiji je autor L. Škerjanec. Rad se bavi razvojem naprednih upravljačkih algoritama kao nastavak na projekt „Razvoj mehatroničkog uređaja za rehabilitaciju pacijenata sa smanjenom funkcionalnošću gornjih ekstremiteta“ financiran od strane Zagrebačke banke kroz Moj ZABA start program.

U okviru teme istraživanja, te pod mentorstvom glavnog istraživača na projektu E. Kamenara, u izradi je diplomski rad:

  • „Razvoj mehatroničkog postava za mjerenje trenja“ studenta I. Makovca, čija je planirana obrana početkom 2020. godine. U sklopu diplomskog rada radi se na nadogradnji postojećeg sustava za precizno pozicioniranje u Laboratoriju za precizno inženjerstvo Tehničkog fakulteta u Rijeci, koji će u konačnoj izvedbi omogućavati određivanje trenja između ispitnog vrška te uzorka. Sustav se temelji na linearnom aktuatoru s pomičnim namotajem i linearnom inkrementalnom enkoderu te naprednom regulacijskom algoritmu koji se razvija u LabVIEW programskom okruženju.

U okviru kolegija Upravljanje mehatroničkim sustavima čiji je nositelj E. Kamenar, radi se i na tri projektna zadataka koji sadrže dio istraživanja u sklopu ovu inicijalne potpore. Konkretno, radi se na sustavu te naprednim upravljačkim algoritmima za regulaciju pomaka pneumatskih pokretača.

Prva objava glavnih postignuća na projektu – Mjerenje, modeliranje i kompenzacija trenja kod visokopreciznih sustava: od makrometarske do nanometarske razine

UNIRi link na projekt: https://portal.uniri.hr/Projekti/887?controler=projekti

Kroz projekt “Mjerenje, modeliranje i kompenzacija trenja kod visokopreciznih sustava: od makrometarske do nanometarske razine“ istražuju se nelinearni učinci trenja s posebnim naglaskom na visokoprecizne mehatroničke uređaje čiji se mehanički dijelovi temelje na kliznim i kotrljajućim elementima pa nelinearni učinci povezani s trenjem značajno ograničavaju njihovu preciznost i točnost.

Do sada su na projektu provedena brojna mjerenja u cilju identifikacije trenja na nanometarskoj razini, mjerenjem na SPM-u te na nanometarskoj/mikrometarskoj razini primjenom nananoutiskivača u konfiguraciji mjerenja poprečnih sila (engl. lateral force microscopy – LFM) u Laboratoriju za precizno inženjerstvo i tehnologiju mikro- i nanosustava (Centar za mikro- i nanoznanosti i tehnologije Sveučilišta u Rijeci).

U sklopu istraživanja napisan je rad “From nanometric to meso-scale characterisation of friction using nanoindentation” (autori: E. Kamenar, M. Perčić i S. Zelenika). Nakon revizije rada, temeljem sugestija recenzenata, rad je prihvaćen za objavu te će biti prezentiran na EUSPEN konferenciji koja se, od 3. do 7. lipnja 2019., održava u gradu Bilbao u Španjolskoj.

U pripremi je i rad pod radnim nazivom „Characterisation of frictional properties of thin films using nanoindentation“ koji će biti prezentiran u sklopu simpozija „36th Danubia Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics koji se održava u gradu Pilsen u Češkoj od 24. – 27. rujna 2019. te rad u časopisu u suradnji s kolegama s Medicinskog fakulteta s Katedre za ortodonciju pod radnim naslovom „Ion release and surface changes of nickel-titanium archwires induced by changes of the pH value of the saliva“ koji će biti predložen za objavu u časopisu.

Također, trenutno se radi na poglavlju pod radnim nazivom „Application of Koopman-based control in ultra-high precision positioning systems with friction“ (autori S. Zelenika, E. Kamenar, M. Korda (Centre national de la recherche scientifique, 7 avenue du Colonel Roche, 31400 Toulouse, France) i I. Mezić (UC Santa Barbara, Department of Mechanical Engineering, Santa Barbara, CA 93105, USA)). Navedeno poglavlje je dio knjige „The Koopman Operator in Systems and Control: Theory, Numerics, and Applications“ čiji je urednik Springer.

U sklopu projekta je proveden je i Stručni posjet LAMA FVG mehatroničkom laboratoriju u Udinama te stručni posjet istraživačkom centru tvrtke Danieli također u Udinama.

Kao dio projekta, diplomant I. Makovac izrađuje svoj diplomski rad pod nazivom „Razvoj mehatroničkog postava za mjerenje trenja“ u sklopu kojeg će prenamijeniti postojeći sustav za precizno pozicioniranje tako da novi sustav omogućava određivanje trenja. Sustav se temelji na linearnom aktuatoru s pomičnim namotajem i linearnom inkrementalnom enkoderu te naprednom regulacijskom algoritmu koji će biti izveden u LabVIEW programskom okruženju.

Dio rezultata istraživanja biti će prezentiran u sklopu događaja „Otvoreni dani odjela za Fiziku“ 09. travnja 2019. te u sklopu Europske noći istraživača 27. rujna 2019. godine, financirane kroz projekt „Techno-Past Techno-Future; European Researchers´ Night“.