Dr hab. inż. Błażej Bałasz, prof. PK Koszalin, dnia 11.06.2015 r. Katedra Mechaniki Precyzyjnej Wydział Mechaniczny Politechnika Koszalińska RECENZJA rozprawy doktorskiej mgra inż. Marka Grudzińskiego pt. Pozycjonowanie przedmiotów obrabianych na obrabiarka CNC z zastosowaniem technik wizyjnego skanowania trójwymiarowego Promotor rozprawy doktorskiej: dr hab. inż. Mirosław Pajor, prof. ZUT Promotor pomocniczy: dr hab. inż. Krzysztof Okarma Podstawa opracowania: zlecenie Dziekana Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie prof. dra hab. inż. Stefana Berczyńskiego z dnia 21.05.2015 r. 1. Uzasadnienie podjęcia tematu pracy i jej opis ogólny Opiniowana rozprawa doktorska dotyczy opracowania systemu do automatycznego bazowania przedmiotu obrabianego na obrabiarce CNC przy wykorzystaniu technik wizyjnego skanowania trójwymiarowego z zastosowaniem światła strukturalnego. Informacje pochodzące z takiego systemu o położeniu przedmiotu w przestrzeni roboczej obrabiarki mają dać możliwość automatycznego dostrajania programów sterowania procesem obróbki na obrabiarkach, co znaczącą ma przyspieszyć procesy wytwarzania. Wybór tematu badań należy uznać za ważny, ze względu na potencjalnie duży obszar aplikacyjności w przemyśle uzyskanych wyników. Zwiększenie wydajności i efektywności pracy obrabiarek CNC, przy zachowaniu wymaganej jakości wyrobów jest kluczowym elementem zwiększania konkurencyjności systemów wytwarzania. Problem jest zwłaszcza ważny, gdy produkcja jest małoseryjna, zmienna, istnieje konieczność częstych przezbrojeń. Zastosowanie
systemu umożliwi obniżenie kosztów prac przygotowawczych, nakładów na specjalistyczne oprzyrządowanie do produkcji, zmniejszą się wymagania co do kwalifikacji kadry pracowniczej. Ma to ogromne znaczenia dla gospodarki Polski, w której wiele firm jest uczestnikiem w łańcuchu dostaw, współpracuje z wieloma odbiorcami, a czasy na uruchomienie produkcji nowych wyrobów ulegają ciągłemu skracaniu. Zakres pracy, jaki Doktorant przyjął do realizacji obejmował: budowę dedykowanego stanowiska badawczego wyposażonego w system wizyjny i jego kalibrację, opracowanie procedur pozyskiwania informacji o geometrii układów optycznych i błędach generowanych przez te układy, zaimplementowanie i przebadanie eksperymentalne wybranych procedur analizy obrazów uzyskiwanych z kamer wideo pod kątem możliwości wykorzystania ich do wizyjnego pozycjonowania przedmiotu obrabianego, implementacja procedur przetwarzania danych geometrycznych do formy umożliwiającej wybór punktu odniesienia dla programu obróbkowego wraz z ich weryfikacja doświadczalną, weryfikację skuteczności działania zaprojektowanego systemu i określenie jego efektywności. Zaproponowany zakres pracy wydaje się być logiczny i spójny, a jego poprawne zrealizowanie powinno doprowadzić do osiągnięcia celów pracy. Na podkreślenie zasługuje przyjęte podejście, iż system opracowany zostanie od podstaw, przy założeniu minimalizacji jego kosztów, w celu zwiększenia dostępności dla potencjalnych odbiorów. Praca liczy 128 strony, zawiera 9 rozdziałów na które składają się: wstęp, przegląd literatury oraz przegląd aktualnego stanu wiedzy w zakresie rozwiązań technicznych, opis koncepcji i konstrukcji systemu do automatycznego bazowania przedmiotu obrabianego, opis procedur instalacji i kalibracji urządzenia do pomiarów optycznych oraz instalacji systemu przy obrabiarce CNC, rozdział poświęcony prezentacji i omówieniu wyników badań eksperymentalnych, a na zakończenie podsumowanie i przesłankami do dalszych badań. Bibliografia stanowiąca ostatni rozdział składa się ze 83 pozycji krajowych i zagranicznych w tym 10 odniesień do stron internetowych. Doktorant nie zamieścił w wykazie żadnej z 12 publikacji których jest współautorem, a tym samym nie odwołał się do nich w treści pracy, co w mojej 2
ocenie budzi pewne zdziwienie, gdyż wszystkie te publikacje są ściśle związane z tematyką rozprawy. W pracy nie zamieszczono również wykazu ważniejszych oznaczeń, brak jest spisu rysunków i tabel. Pomimo to uważam że przedstawiona do opiniowania praca stanowi kompletne, obszerne opracowanie w zakresie określonym tematem. 2. Ocena merytoryczna pracy We wstępie do pracy Doktorant wyjaśnił przesłanki, które skłoniły go do podjęcia próby opracowania wizyjnego systemu pozycjonowania przedmiotów. W swojej analizie Doktorant wskazał na możliwość zwiększenia efektywnego wykorzystania obrabiarek CNC w systemach produkcyjnych, dzięki skróceniu czasu przygotowawczego, którego znacząca cześć tracona jest na etap mocowania przedmiotu. Wykazał wady i zalety stosowania metod stykowych do pozycjonowania i kontroli, a także wykorzystania robotów manipulacyjnych. W swojej analizie zwrócił uwagę na znaczący postęp technik wizyjnych wykorzystywanych do kontroli w różnych etapach procesów produkcyjnych, wskazał na brak przykładów stosowania skanerów do zadań wspomagających sterowanie obrabiarką CNC. Wszystko to jest spójnym wprowadzeniem, potwierdzającym słuszność wyboru obszaru badawczego. Na zakończenie tej części wprowadzenia zdefiniowano cel naukowy pracy i hipotezę badawczą. Do celu naukowego nie mam większych zastrzeżeń, natomiast hipoteza wydaje mi się zbyt ogólna. W mojej ocenie hipotezę można by było wzbogacić np. o parametr mówiący o możliwej dokładności pozycjonowania przy wykorzystaniu tego systemu, który następnie poddano by weryfikacji w badaniach doświadczalnych. Stwierdzenie o możliwości skrócenia czasu pozycjonowania powinno być doprecyzowane w stosunku do jakich metod pozycjonowania będą dokonywane porównania. Należy pamiętać, że wyniki pracy badawczej mają stanowić podstawę do potwierdzenia hipotezy lub jej odrzucenia, a tym samym zakres pracy musi być tak określony aby było możliwe osiągnięcie tego celu. W dalszej części wstępu Doktorant przedstawia metodykę badań, wskazuje na wybór metod badawczych, definiuje kolejne etapy badań, a także uzasadnia wybór algorytmów przetwarzania obrazów. Jednakże przedstawia również wyniki badań, dokonuje ich podsumowania, przedstawia wnioski wynikające z realizacji pracy. Utrudnia to ocenę, czy zaproponowana metodyka daje podstawy do weryfikacji postawionej hipotezy. Praca zyskała 3
by na przejrzystości, gdyby tezy, cel i zakres pracy wyodrębniono ze wstępu jako osobny rozdział, który w mojej ocenie powinien się znaleźć w pracy po analizie stanu wiedzy, dającym podstawę do określenia obszaru badań własnych Doktoranta. Próbę takiej analizy Doktorant podjął się w kolejnym rozdziale, w którym dokonał przeglądu literatury w zakresie wizyjnych metod pomiarowych oraz wizji maszynowej. Dobór pozycji literaturowych uznać należy za trafny i aktualny, jednakże sposób ich przedstawienia budzi pewne zastrzeżenia. Zawarte tu treści są jedynie krótkimi streszczeniami prac innych autorów z omawianego obszaru badań, brakuje syntezy przedstawionych informacji, czy też próby porównania i oceny przydatności opisywanych metod. Doktorant nie przedstawił w sposób klarowny wniosków dotyczących stanu wiedzy, które stanowiły by podstawę do sformułowania hipotezy i celów badań. Uzupełnieniem tej analizy są treści zawarte w kolejnym rozdziale, w którym Doktorant dokonuje przeglądu aktualnego stanu wiedzy w zakresie rozwiązań technicznych. Rozdział ten stanowi cenne wprowadzenie w tematykę obszaru badawczego, choć w mojej ocenie jest zbyt obszerny w stosunku do całej pracy i nieco zbyt skryptowy w formie. Doktorant ponownie, w podsumowaniu rozdziału, nie przedstawił wniosków wynikających z przeprowadzonej analizy. Zasadniczą cześć rozprawy z punktu widzenia badania naukowego stanowią rozdziały IV, V, VI VII. W pierwszym z nich Doktorant opisał koncepcję i konstrukcję opracowanego systemu do automatycznego bazowania przedmiotu. W szczegółowy sposób opisał parametry techniczne poszczególnych elementów składowych systemu i metodę ich integracji. Przedstawił również opracowany algorytm pozyskiwania danych z kamer oraz jego implementację w środowisku obliczeniowym Matlab. Koncepcję i konstrukcję systemu należy ocenić bardzo wysoko, co potwierdzone zostało przyznaniem złotego medal Międzynarodowych Targów Poznański na Salonie Mach-Tool. Pewne zastrzeżenia budzi jedynie niekiedy brak pełnego uzasadnienia wyboru poszczególnych elementów składowych systemu, np. na stronie 43 Doktorant podaje, iż do wykonania konstrukcji wybrano profile aluminiowe zapewniające odpowiednią jej sztywność i odporność na wibracje, jednakże nie przedstawił wyników pomiarów tych cech. W podobnym tonie na stronie 50 Doktorant zamieścił stwierdzenie: zakupione projektory okazały się wystarczające pod względem optycznym, nie przedstawiając żadnej analizy, która by to potwierdzała. Kolejny rozdział zawiera opis opracowanej metody kalibracji systemu skanującego, akwizycji obrazu oraz rekonstrukcji obiektów trójwymiarowych. Tą część pracy ocenić należy 4
bardzo wysoko. Doktorant przeprowadził szeroki zakres badań w celu wyboru najlepszych algorytmów do akwizycji obrazu z uwzględnieniem wpływu kształtu i położenie przedmiotu w przestrzeni roboczej, refleksyjności powierzchni przedmiotu, wpływu oświetlenia otoczenia na zakłócenia pomiarów. Badania te miały zapewnić uzyskanie zakładanej dokładności pomiaru cech geometrycznych obrabianego przedmiotu w warunkach przemysłowych. Należy podkreślić, iż Doktorant opracował niezbędne oprogramowania do skanowania, co wymagało dużego nakładu pracy, dla porównania w komercyjnych produktach takie zadanie realizuje grupa programistów. Kolejny rozdział wydaje się być najważniejszy z punktu widzenia osiągnięcia celów pracy. W rozdziale tym Doktorant przedstawił metodę integracji opracowanego systemu wizyjnego z obrabiarką CNC. Osiągnięcie zakładanej dokładności pozycjonowania związane jest z koniecznością opracowania algorytmów lokalizacji zeskanowanego przedmiotu w przestrzeni roboczej obrabiarki. Doktorant opracował metodę z wykorzystaniem znaczników umieszczanych na stole obrabiarki tworzących układ referencyjny, metody wyznaczania układu przedmiotowego, oraz algorytmów transformacji przestrzennej tych układów. Opracowane algorytmy zostały zaimplementowane w postaci programu komputerowego. Opracowany system wraz z jego implementacją w postaci programu poddano weryfikacji doświadczalnej, której wyniki Doktorant przedstawił w rozdziale VII. Część badań miała na celu zweryfikowania poprawności i dokładności pomiarów poszczególnych komponentów systemu, tj. dokładności wyznaczania pozycji markerów, dokładności obliczeń fotogrametrycznych, oceny poprawności łączenia chmury punktów metodą markerów referencyjnych. Wyniki tych badań powinny być zamieszczone w poprzednich rozdziałach, z którymi stanowiły by spójną całość. Kluczowe dla zweryfikowania hipotezy badawczej stanowić powinny wyniki badań pozycjonowania przedmiotów obrabianych na obrabiarce. W bardzo wąskim zakresie zostały one zaprezentowane w podrozdziale 7.6. Wyjaśnienia wymaga, dlaczego badania te przeprowadzone z wykorzystaniem układu jednej głowicy skanującej w konfiguracji odmiennej od występujące w badanym systemie, złożonej z jednego skanera o dwóch kamer, zwłaszcza że w dalszej części badań, do oceny dokładności pomiaru geometrii przedmiotu wzorcowego wykorzystano opracowany system. Przedstawione wyniki badań, jak sam Doktorant stwierdził w tytule rozdziału, są tylko przykładami dającymi obraz możliwości pomiarowych opracowanego systemu, a w niewielkim stopniu stanowią spójną zaplanowaną cześć badawczą pracy. 5
Całość pracy zakończona jest podsumowaniem, w którym Doktorant przedstawił wnioski wynikające z realizacji pracy. Takie ich przedstawienie jest mało czytelne. W pracy doktorskiej powinno się wyodrębnić wnioski poznawcze, utylitarne oraz charakteryzujące kierunki dalszych prac. Doktorant we wnioskach słusznie zaznacza, że na chwilę obecną jakość pozycjonowania opracowanego systemu nie jest wystarczająca do zastosowań przemysłowych, jednakże potwierdzona została możliwość wykorzystania systemu do tych celów, pod warunkiem zastosowania kamer i projektorów o zwiększonej dokładności, co wiąże się oczywiście ze wzrostem kosztów całego systemu. Poprawę dokładności pomiarowej, oraz wpływ otoczenia na jakość pomiaru w warunkach przemysłowych Doktorant wyznaczył jako przesłanki do dalszych badań. Podsumowując całość, uważam że Doktorant wywiązał się z postawionego zadania, zakres pracy był bardzo szeroki, a Doktorant wykazał się poprawnym pod względem metodologicznym podejściem do rozwiązywania problemów badawczych, choć pewne zastrzeżenia można mieć do sposobu dokumentowania wyników poszczególnych etapów pracy czy uzasadniania podjętych decyzji. Pod względem edycyjnym praca napisana jest poprawnie, jednakże Doktorant nie ustrzegł się częstego rozpoczynania zdań z małej litery, czy umieszczania podpisów pod tabelami. Pod względem układu treści, praca nie powinna stanowić wzorca dla innych prac doktorskich. 3. Wniosek końcowy Opiniowana rozprawa doktorska posiada cechy oryginalności i istotne walory utylitarne. Mgr inż. Marek Grudziński wykazał, że posiada dużą wiedzę z zakresu przetwarzania obrazów i systemów wizyjnych, osiągnął wysoki poziom umiejętności analizy i syntezy złożonych problemów naukowych oraz systematyzowania wiedzy na potrzeby prowadzonych badań. Na podstawie powyższych stwierdzeń wyrażam opinię, że rozprawa doktorska mgra inż. Marka Grudzińskiego spełnia wymagania ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z dnia. 14.03.2003 r.) i wnoszę o dopuszczenie jej autora do publicznej obrony. 6