dr hab. inż. Błażej Bałasz, prof. PK - Wydział Inżynierii Mechanicznej

Dr hab. inż. Błażej Bałasz, prof. PK
Katedra Mechaniki Precyzyjnej
Wydział Mechaniczny
Politechnika Koszalińska
Koszalin, dnia 11.06.2015 r.
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