автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация монтажа сборных строительных конструкций

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Технология монтажа сборных строительных конструкций.

1.1. Организация монтажа сборных строительных конструкций при возведении наземной части здания.

1.2. Монтажная оснастка для времещюго закрепления и $ ' ?« ^ {г '« выверки элементов сборных цпроительш1х конструкций.

1.3. Технологическое обеспечение классов точности при монтаже сборных строительных конструкций.

1.4. Общие положения технологии монтажа сборных строительных конструкций.

ВЫВОДЫ.

Глава 2. Структурно-функциональная модель системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций.

2.1. Структурно-функциональная схема автоматизации монтажа сборных строительных конструкций.

2.2. Пространственная ориентация объекта управления в автоматизированной системе монтажа сборных строительных конструкций.

2.3. Структурно-функциональная схема автоматизированной системы монтажа сборных строительных конструкций.

ВЫВОДЫ.

Глава 3. Математические основы синтеза системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций.

3.1. Математическая модель системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций.

3.2. Синтез автоматизированной системы монтажа сборных строительных конструкций по заданному критерию качества.

3.3. Структурная схема и передаточная функция в канале управления автоматизированной системы монтажа сборных строительных конструкций.

ВЫВОДЫ.

Глава 4. Автоматизация монтажа сборных строительных конструкций.

4.1. Синтез системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций на этапе транспортирования объекта управления к месту монтажа.

4.2. Синтез системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций на этапе позиционирования объекта управления в зоне монтажа.

4.3. Синтез автоматизированной монтажной платформы.

4.4. Синтез автоматизированной системы монтажа сборных строительных конструкций по заданному критерию точности.

4.5. Автоматизированная система монтажа сборных строительных конструкций.

ВЫВОДЫ.

Техническое перевооружение и реконструкция производства, удовлетворение требований непроизводственной сферы, расширение жилого фонда и увеличение объектов коммунального хозяйства связано с повышением объемов строительства. Сдаваемые объекты должны отвечать высоким требованиям предъявляемым современным производством при низкой себестоимости, трудоемкости, энергоемкости производства. Решение этой задачи требует повышения качественного уровня строительства, внедрения принципиально новой материально-технической базы.

Возведение сборных зданий наилучшим образом удовлетворяет индустриализации, снижению стоимости и сроков строительства [17], [21], [58]. Все сборные элементы домов изготавливают на домостроительных комбинатах, где технологические процессы полностью механизированы и в значительной степени автоматизированы. На строительной площадке ведется лишь сборка зданий из унифицированных элементов заводского производства.

Несмотря на большое различие типов и размеров строительных конструкций, выполнение строительно-монтажных работ сводится к ряду последовательных однотипных операций. Такими операциями являются: такелажные работы с целью закрепления конструкций для их транспортирования с места складирования к месту установки, само транспортирование, пространственная ориентация конструкции в процессе транспортирования и в зоне монтажа, предварительная установка конструкции, выверка ее положения в процессе установки, предварительное закрепление, коррекция положения по месту установки, закрепление в штатном положении и соединение с другими конструкциями в единое целое. Названные операции по технологии их выполнения одинаковы практически для всех строительных конструкций, кроме специальных.

Поэтому возможна и целесообразна разработка единой структурно-функциональной модели автоматизированной системы управления монтажными работами, включающей в себя информационное обеспечение и средства автоматизации управления механизмами доставки конструкции к месту монтажа, и непосредственно выполняющих операции установки монтируемой конструкции, коррекции ее положения и закрепления в штатном положении.

Информационное обеспечение автоматизации управления требует получения информации о пространственном положении монтируемой конструкции по бесконтактной схеме измерения. В настоящее время единственным таким измерительным устройством может быть лазерная система индикации, что и принимается за основу в данной работе. Построение автоматизированной системы управления процессом строительно-монтажных работ рассматривается на примере монтажа сборных строительных конструкций жилых и промышленных зданий.

При возведении наземной части сооружения ведущим технологическим процессом, определяющим качественные, временные и стоимостные показатели строительства, является монтаж сборных строительных конструкций [17], [21]. При монтаже сборных элементов крупнопанельных и каркасных зданий применяются специальные монтажные приспособления, позволяющие в процессе установки элементов в проектное положение производить их выверку и временное закрепление (до выполнения проектных соединений) без помощи монтажных кранов.

Несмотря на это, монтажные работы остаются достаточно трудоемкими. Вручную осуществляется устройство растворной постели, закрепление и снятие подкосов для временного крепления и выверки панелей, герметизация стыков, устройство термопакетов, сварка и антикоррозионное покрытие стальных закладных элементов, замоноличивание швов с установкой и снятием опалубки и т.д. Например, трудозатраты приведенные к одной стеновой панели, составляют 100-150 чел.-мин.[17]. Высокая трудоемкость монтажа объясняется несовершенством применяемой оснастки, которая не позволяет быстро произвести выверку стеновой панели. Кроме того, работы выполняются в условиях постоянно действующих опасных производственных факторов, что также увеличивает время монтажа. Решением проблемы дальнейшего роста объемов строительства и повышения качества возводимых сооружений является повышение производительности труда. В свою очередь, добиться данного результата можно только при условии автоматизации производства, в том числе и технологического процесса монтажа строительных конструкций.

Целью диссертационной работы является создание системы автоматизированного управления монтажом сборных строительных конструкций, включая операции транспортирования, предварительной установки и выверки монтируемых элементов, что позволяет повысить качество выполнения работ при снижении трудоемкости строительства.

Особое внимание в работе уделяется вопросам, связанным с синтезом информационно-измерительной системы.

Для решения поставленных в работе задач были использованы методы математического анализа, теории автоматического управления, проектирования приборов и систем управления, теории и расчета оптико-электронных приборов и другие.

Полученные результаты подтверждены эксперименально. Моделирование систем управления, а также основные расчеты проводились с помощью ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в разработке:

- структурно-функциональной модели автоматизации технологического процесса монтажа сборных строительных конструкций;

- структурно-функциональной модели автоматизированной системы управления технологическим процессом монтажа сборных строительных конструкций, включая систему информационного обеспечения и комплекса исполнительных устройств;

- математических моделей системы информационного обеспечения и комплекса исполнительных устройств;

- методов проектирования системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структурно-функциональная модель автоматизации технологического процесса монтажа сборных строительных конструкций.

2. Структурно-функциональная модель автоматизированной системы управления монтажом сборных строительных конструкций. 8

3. Математические модели системы информационного обеспечения и комплекса исполнительных устройств при автоматизации монтажа сборных строительных конструкций.

4. Модель автоматизированной системы монтажа сборных строительных конструкций, включая операции транспортирования, предварительной установки, выверки элементов и ее реализация.

К практической ценности работы следует отнести:

- создание автоматизированной системы управления монтажом сборных строительных конструкций, включая операции транспортирования, предварительной установки и выверки элементов;

- разработку информационно-измерительной системы контроля положения объекта управления в пространстве при монтаже сборных строительных конструкций;

- разработку методики проектирования системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций.

Результаты работы позволяют повысить качество и точность монтажа, снизить трудоемкость и себестоимость производства. Полученные решения могут быть использованы в ряде других отраслей, где осуществляется точное позиционирование в пространстве.

ВЫВОДЫ

1. Разработанная система обеспечивает автоматизацию операций технологического процесса монтажа сборных строительных конструкций: от транспортирования монтируемой конструкции в рабочую зону до установки ее в проектное положение.

2. Особенности технологического процесса монтажа сборных строительных конструкций требуют использования систем, ошибка положения в которых равна нулю. Синтез системы управления осуществляется исходя из максимального приближения реальной переходной характеристики к эталонной.

3. Анализ синтезированной системы показывает, что она отвечает требованиям монтажа. Применение системы "кран-манипулятор-монтажная платформа" обеспечивает адаптацию точностных параметров системы к условиям монтажа.

4. Лазерные системы, применяемые в информационно-измерительном канале, позволяют минимизировать суммарную дисперсию системы. Минимизация шумовой погрешности возможна при увеличении соотношения сигнал/шум, а динамической погрешности - применением в блоке обработки информации электронного тракта корректирующих устройств.

5. Разработка информационно-измерительных систем оптического диапазона осуществляется при комплексном учете всех действующих факторов. Как правило, проектирование включает в себя энергетические, габаритные, точностные расчеты. В результате вычислений определяются параметры передающей и приемной систем, а также уточняются значения, характеризующие в целом систему. Предложенная методика для анализа и синтеза автоматизированных систем может быть использована для выбора параметров элементов системы управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Автоматизация строительного производства является необходимым условием повышения производительности труда и эффективности, снижения себестоимости в строительстве. Особый интерес представляет автоматизация ведущих технологических процессов, результаты которых являются определяющими при оценке стоимостных, временных и качественных параметров возводимых сооружений, например, монтаж сборных строительных конструкций.

Анализ методов строительства сборных сооружений позволяет сделать вывод, что ни технологическое, ни информационное обеспечение технологического процесса не соответствует требованиям автоматизации монтажа. Поэтому, проблема автоматизации монтажа сборных строительных конструкций актуальна, а результаты исследований в данной отрасли знаний представляют как научный, так и практический интерес.

2. Для решения данной проблемы разработана структурно-функциональная модель автоматизации монтажа сборных строительных конструкций, включающая систему "кран-манипулятор-монтажная платформа". Система исключает необходимость ручной коррекции положения объекта в пространстве, а следовательно, обеспечивает автоматизацию монтажа сборных строительных конструкций.

Кран-манипулятор обеспечивает в автоматизированном режиме подачу элемента к месту монтажа, приемку элемента и наведение системы в зону монтажа, а также установку конструкции в монтажную платформу. Монтажная платформа используется в операциях, связанных с выверкой и установкой конструкции в проектное положение и представляет собой дистанционно управляемый, пространственный адаптивный фиксатор без остаточной жесткой связи с конструкцией.

Для повышения пространственной подвижности необходимо использовать краны, оснащенные манипуляторами, которые обеспечивают точное позиционирование объекта управления в зону монтажа, повышенную маневренность системы, а также позволяют сглаживать погрешности монтажа, связанные с отклонениями в изготовлении конструкционных элементов.

Для ориентации объекта в пространстве применяются системы с открытой схемой и платформенного типа. Для нагруженных систем необходимо использовать механизмы с параллельными кинематическими цепями. Они удобны в управлении, так как положение монтируемой конструкции в пространстве определяется непосредственно при изменении взаимного расположения звеньев. В качестве приводов в средне- и тяжелонагруженных системах платформенного типа следует применять гидроприводы, обеспечивающие достаточную точность позиционирования, высокую удельную мощность, простоту обслуживания, надежность работы в течении продолжительного промежутка времени. Их отличает нечувствительность к вибрации, отсутствие промежуточных кинематических механизмов. Аналогичные требования предъявляются и к монтажной платформе, обеспечивающей коррекцию положения монтируемой конструкции относительно проектного положения устанавливаемого элемента.

3. В процессе монтажа сборных строительных конструкций происходит непрерывное информационное взаимодействие между краном-манипулятором и монтажной платформой. Отсутствие компактных первичных измерительных преобразователей до последнего времени сдерживало разработку автоматизированных систем в строительстве. Современные первичные измерительные преобразователи строительных систем должны отвечать следующим условиям: малые масса и габариты изделия; легкость в монтаже на подвижных платформах; высокая надежность и помехоустойчивость; простота в эксплуатации на всех этапах работы приборов. Перспективными в системах управления технологическим оборудованием являются устройства, работающие в оптическом диапазоне. Они достаточно легко интегрируются с механическими и электронными системами, компактны и обладают потенциально самой высокой точностью. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают лазерные системы. Применение их позволяет повысить полезный сигнал управления, снизить уровень помех и шумов при незначительных габаритах и массе передающей системы. Все это способствует созданию компактных высокоточных первичных измерительных преобразователей, которые могут размещаться на оборудовании и объектах управления.

4. На базе структурной схемы взаимодействия крана-манипулятора и монтажной платформы создана математическая модель системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций. Автоматизированная система монтажа сборных строительных конструкций является многомерной системой. Уравнения математической модели многомерной системы позволяют по заданным входным воздействиям определить положение монтируемой конструкции в пространстве.

5. В процессе синтеза системы автоматизации монтажа сборных строительных конструкций создана методика оптимизации параметров системы управления. Учитывая особенности монтажа сборных строительных конструкций, синтез системы необходимо вести из условия минимизации невязки эталонного и реального выходных сигналов системы.

Создана информационно-измерительная система контроля положения объекта управления в пространстве при монтаже сборных строительных конструкций. Применение лазерных информационно-измерительных систем позволяет простыми средствами минимизировать погрешности системы, снижая себестоимость аппаратуры.

6. Проведенные исследования доказали работоспособность автоматизированной системы монтажа сборных строительных конструкций. Выявленные в результате научного поиска закономерности легли в основу функционирования системы и ее отдельных элементов. Аппаратура, созданная на современной элементной базе, позволяет проектировать информационно-измерительные, управляющие, исполнительные системы, способные изменять свои тактико-технические параметры и характеристики во время работы.

7. Система автоматизации монтажа сборных строительных конструкций обеспечивает сокращение числа рабочих, занятых на строительстве, снижает время и стоимость монтажа при неослабевающих требованиях к качеству возводимых сооружений, создает предпосылки для комплексной автоматизации производства в строительстве. Интерес подобные системы представляют для ряда технологических производств, где также приходится решать задачи позиционирования объектов управления: в химической и металлургической промышленностях, в машиностроении и г.д.

1. Аксененко М.Д., Бараночников M.J1. Приемники оптического излучения,-Москва: Радио и связь, 1987.

2. Аксененко М.Д., Бараночников M.JI, Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства.-Москва: Энергоатомиздат, 1984.

3. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления.-М.: Высшая школа, 1998.

4. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы.-М.: Радио и связь, 1984.

5. Белянин П.Н. Кинематические схемы, системы и элементы промышленных роботов.-М.: Машиностроение, 1992.

6. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы.-М.: Наука, 1976.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования,-М.: Наука, 1975.

8. Васильев Д.В., Чуич В.Г. Системы автоматического управления.-Москва: Высшая школа, 1967.

9. Вильман Ю.А. Основы роботизации в строительстве.-М.: Высшая школа, 1989.

10. Воробьев В.А., Френкель Г.Ю. Манипуляторы и промышленные роботы для строительной индустрии.-М.: МАДИ, 1986.

11. Воробьев В.А., Шехвиц Э.И. Проектирование промышленных роботов.-М.: Машиностроение, 1993.

12. Вычислительная оптика / Под ред. М.М.Русинова.-JI.: Машиностроение, 1984.

13. Геодезия. Геодезические и фотограмметрические приборы / Под ред. В.П.Савиных и В.Р.Яшенко.-М.: Недра, 1991.

14. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения.-Ленинград, Машиностроение, 1988.

15. Дмитриев В.М., Арайс Л.А., Шутенков A.B. Автоматизация моделирования промышленных роботов.-М.: Машиностроение, 1995.

16. Добронравов С.С. Строительные машины и оборудование.-М.: Высшая школа,1991.

17. Брошевский М.И. Технология городского строительства.-М.: Высшая школа,1985.

18. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем.-М.: Машиностроение, 1992.

19. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: Исследование, проектирование, испытание / Под общ.ред. А.И.Губинского и В.Г.Евграфова.-М.: Машиностроение, 1993.

20. Источники и приемники излучения.-Санкт-Петербург: Политехника, 1991.

21. Каграманов P.A., Мачабели Ш.Л. Монтаж конструкций сборных многоэтажных гражданских и промышленных зданий.-М.: Стройиздат, 1987.

22. Казанцев Г.Д., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение.-М.: Высшая школа, 1994.

23. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение.-М.: Радио и связь, 1995.

24. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами.-М.: Советское радио, 1978.

25. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика.-М.: Машиностроение, 1985.

26. Колоколов Н.М., Вейнблат Б.М. Строительство мостов.-М.: Транспорт, 1975.

27. Колоколов Н.М., Копац Л.Н., Файнштейн И.С. Искусственные сооружения.-М.: Транспорт, 1988.

28. Конструирование машин / Под общ.ред. К.Ф.Фролова.-М.: Машиностроение,1994.

29. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры.-М.: Недра, 1991.

30. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения.-М.: Машиностроение,1989.

31. Лазерная дальнометрия / Под ред. В.П.Васильева и Х.В.Хинрикус.-М.: Радио и связь, 1995.

32. Лазерные геодезические приборы в строительстве / Под ред. В.С.Сытника.-М.: Стройиздат, 1988.

33. Лазерные измерительные системы / Под ред. Д.П.Лукьянова.-М.: Радио и связь,1981.

34. Лебедько Е.Г., Порфирьев Л.Ф., Хайтун Ф.И. Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем.-Л.: Машиностроение, 1984.

35. Маргайлик Е.Г. Электронные системы и устройства контроля и управления дорожными машинами // Строительные и дорожные машины. 1994. - №11.-с.25-28.

36. Методы автоматизированного проектирования нелинейных систем / Под ред. Ю.И.Топчеева.-М.: Машиностроение, 1993.

37. Механика машин / Под ред. Г.А.Смирнова.-М. : Высшая школа, 1996.

38. Микропроцессорные системы и микроЭВМ в измерительной технике / Под ред. А.Г.Филипова.-М.: Энергоатомиздат, 1995.

39. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов.-Л.: Машиностроение, 1983.

40. Мита Ц., Хара С., Кондо Р. Введение в цифровое управление / Пер. А.В.Филатова под ред. В.А.Есакова.-Москва: Мир, 1994.

41. Мосягин Г.М., Немтинов В.В. Преобразование сигналов в оптико-электронных приборах управления летательными аппаратами.-М.: Машиностроение, 1980.

42. Основы автоматического управления/Под ред. В.С.Пугачева.-М.: Наука, 1974.

43. Петров Б.А. Манипуляторы.-Л.: Машиностроение, 1984.

44. Порфирьев Ю.Б., Солдатов В.П., Якушенков Ю.Г. Проектирование оптико-электронных приборов.-М.: Машиностроение, 1990.

45. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах.-Л.: Машиностроение, 1989.

46. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем.-Л.: Машиностроение, 1980.

47. Прикладная оптика / Под ред. А.С.Дубовика.-М.: Машиностроение, 1992.

48. Проектирование автоматизированного производственного оборудования.-М.: Машиностроение, 1987.

49. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов.-М.: Высшая школа, 1986.

50. Пустынский И.Н., Титов B.C., Шарабакина Т.А. Адаптивные фотоэлектрические преобразователи с микропроцессорами.-М.: Энергоатомиздат, 1990.

51. Руководство по проектированию систем автоматического управления / Под ред. В.А.Бесекерского.-М.: Высшая школа, 1983.

52. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования.-М.: Недра, 1995.

53. Скловский A.A. Автоматизация дорожных машин.-Рига: Авотс, 1980.

54. Темный В.П. Основы гидроавтоматики.-М.: Наука, 1972.

55. Теория автоматического управления / Под ред. Ю.М.Соломенцева.-М.: Высшая школа, 1999.

56. Теория и расчет элементов приборов.-С.-П.: Политехника, 1993.

57. Техническое зрение роботов / Под ред. Ю.Г.Якушенкова.-М.: Машиностроение, 1990.

58. Технология строительного производства / Под ред. Е.И.Вареника.-М.: Высшая школа, 1973.

59. Тимофеев A.B. Управление роботами.-JI., ЛГУ, 1986.

60. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического эегулирования.-М.: Машиностроение, 1989.

61. Трофимов А.И., Егупов Н.Д., Дмитриев А.Н. Методы теории автоматического /правления, ориентированные на применение ЭВМ.-М.: Энергоатомиздат, 1997.

62. Фельдман В.Д., Михелев Д.Ш. Основы инженерной геодезии.-М.: Высшая нкола, 1999.

63. Хвощ С.Т., Варлинский И.И., Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления.-Л.: Машиностроение, 1987.

64. Шарупич Л.С., Тугов Н.М. Оптоэлектроника.-М.: Энергоатомиздат, 1984.

65. ЮревичЕ.И. Основы робототехники.-Л.: Машиностроение, 1985.

66. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов.-М.: Машиностроение, 1989.

67. Dewsnap Н. Automatic welding machine helps maintain bridge construction lead // Weld and Metal. Fabr.-1994.-№39.-p.371-372, 374.

68. ERA places industrial optics under microscope // Contr. Syst.-1995.-№5.-p. 10.

69. Hendrickson С. // Automation and robotics in highway design, construction and maintenance // TR news.-1995.-№176.-p.2-3.

70. Lehtinen H., Koskela L., Kemppainen T. Construction robotics-ceramic tile insertion to be tested // Autom. Meth. and Toolsin 90's: Conf., Helsinki, 18-20 Sept., 1990.-Helsinki, 1990.-p.42.

71. Kohola P., Hirvonen J., Marttila T. Optical position measurement system for a loading device of bridge crane // Autom. Meth. and Toolsin 90's: Conf., Helsinki, 18-20 Sept., 1990,-Helsinki, 1990.-p.9.

72. Perreira N.D., Nguyen V.X. A connection design methodology for automated assembly and the framing of-buildings // Trans. ASME J.Manuf Sei. And Eng. Trans. ASME J.Eng.Ind..-1997.-№l.-p.37-49.

73. Viscomi B.V., Lu L.W., Perreira N.D., Michalerya W.D., Larrabee A.B. Automated Erection of Structures Utilizing ATLSS Connections and a Robotic Crane // Microcomputers in Civil Engineering.-1995.-№ 10.-p.309-323.

74. Viscomi B.V., Michalerya W.D., Lu L.W. Automated construction in the ATLSS integrated building systems // Automation in construction.-1994.-№3.-p.35-43.th

75. Viscomi B.V., Perreira N.D. An automated construction erection system. Proc. 9 nter. Symp. On Automation and Robotics in construction, Tokio, Japan, 1992.

76. Elektronische Gleichlaufsteuerung von Hubzugen // Hebezeuge und Forderm.-1994.-N910.-S.434-435.

77. Exaktes Planum durch Laser-Technik // Strassen und Tiefbau.-1995.-№3.-s.23.

78. Richtig eingestellt // Roboter.-1995.-№3.-s.64.