автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Исследование геометрических вопросов повышения эффективности процесса намотки с использованием технического зрения

На правах рукописи

005018021

ТАРМАЕВ ОЛЕГ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАМОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Специальность: 05.01.01 «Инженерная геометрия и компьютерная графика»

1 9 ДПР 2Сч2

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2012

005018021

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, доцент Аюшеев Тумэн Владимирович

доктор технических наук, доцент, Панчу к Константин. Леонидович, заведующий кафедрой «Инженерная геометрия и САПР» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

кандидат технических наук, Баландина Елена Александровна, доцент кафедры «Конструирование швейных изделий» ФГБОУ ВПО «Омский государственный институт сервиса»

ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет»

Защита диссертации состоится 04 мая 2012 г. в 1630ч. на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 при ФГБОУ ВПО ¿<£ибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира 5, тел., факс: (3812) 65-03-23, e-mail: Arkhipenko_m@sibadi.org

Автореферат разослан 04 апреля 2012 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03, канд. техн. наук

М.Ю. Архипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Процесс намотки широко используется в производстве изделий из композиционных материалов (КМ). Изделия, полученные таким способом, обладают целым рядом ценных физико-механических свойств, причем в таких сочетаниях, которые не встречаются в других материалах: легкость, прочность, технологичность, антикоррозийность, кислотостойкость. Особенно эффективно применение указанной технологии для создания баллонов минимальной массы, способных выдерживать высокие внутренние давления.

Намотка изделий производится на специальных станках с -числовым программным управлением (ЧТТУ). Важнейшим звеном: системы автоматизированного программирования намоточных станков (САП НС) является программа намотки (или управляющая программа). С помощью нее выполняется управление движениями исполнительных органов станка, ведется непрерывная укладка армирующей ленты на поверхность вращающейся оправки. Эксплуатационные характеристики и прочность изделия определяются формой оправки и схемой укладки ленты на ее поверхности. Схема укладки ленты для данной формы оправки должна быть выполнима с технологической точки зрения на конкретном намоточном оборудовании. Точность получения изделия и производительность процесса его изготовления во многом зависят от качества разработки управляющей программы.

Проблемам моделирования процесса намотки и разработке систем автоматизированной подготовки управляющих программ посвящено большое число работ. Это связано с тем, что развитие практики намотки требует разработки эффективных методов моделирования процессов намотки нетрадиционных видов изделий, в частности таких, которые не являются оболочками вращения. Усилия разработчиков современных САП НС направлены на формулирование требований к конструкциям намоточных станков и вспомогательного оборудования при изготовлении изделий новых видов. Ведутся интенсивные исследования по созданию методик разработки программ намотки, обеспечивающих снижение влияния дестабилизирующих факторов на процесс регулирования технологических параметров изготовления изделий.

В последние годы, благодаря развитию вычислительной техники, появились возможности оснащения намоточных станков мощными персональными компьютерами, эффективными средствами контроля и управления, использование которых позволит осуществить те алгоритмы, которые раньше считались невыполнимыми. К их числу можно отнести алгоритмы адаптивного управления технологическим оборудованием, созданные на основе применения систем технического зрения (СТЗ). Подобные системы управления стали применяться в производстве относительно недавно. Анализ же работ, относящихся к изучаемому вопросу, показал, что данное направление исследований только нарабатывается.

Из сказанного вытекает актуальная на сегодняшний день проблема разработки и внедрения в САП НС способов адаптивного управления процессом намотки на базе СТЗ. Использование СТЗ в качестве сенсорного устройства для организации обратной связи в системе управления намоточного станка позволит осуществить интегральный учет возмущающих факторов, связанных как со сложным нелинейным движением исполнительных органов намоточного станка, так и с идеализацией самой модели процесса укладки ленты на поверхность оправки, не прибегая к их моделированию. Это даст возможность полностью автоматизировать весь комплекс управления технологическим процессом намотки, повысить качество получаемого изделия и производительность его изготовления, а также позволит расширить номенклатуру выпускаемых изделий.

Целью диссертационной работы является разработка способа адаптивного управления процессом намотки на базе системы технического зрения, позволяющего отслеживать и корректировать в автоматическом режиме укладку армирующей ленты на поверхность оправки для повышения эффективности изготовления деталей сложной формы из композиционных материалов на станках с программным управлением.

Объектом исследования является геометрическое моделирование процесса намотки для изготовления деталей из волокнистых композиционных материалов с полимерной матрицей.

Предметом исследования является модель, определяющая взаимосвязь между геометрическими параметрами процесса намотки, изображения армирующей ленты на экране камеры и движения

раскладчика ленты адаптивного намоточного робота, оснащенного системой технического зрения.

В соотвествии с поставленной целью были определены следующие научные задачи:

- разработать методику трехмерной реконструкции сцены процесса намотки по двум изображениям;

- разработать способ калибровки камер для отслеживания процесса намотки;

разработать экспериментальную установку адаптивного намоточного робота, оснащенного системой технического зрения;

- апробировать на экспериментальной установке разработанные способы и алгоритмы.

Научная новизна работы:

- разработана геометрическая модель процесса намотки на базе СТЗ, обеспечивающая заданную схему армирования при изготовлении деталей сложной формы, в том числе с некруглыми сечениями;

- разработана методика трехмерной реконструкции сцены процесса намотки для определения фактической траектории и параметров укладки армирующей ленты на поверхность оправки;

- разработан способ калибровки камер применительно к задаче намотки, не требующий знания параметров ориентации камер.

- разработаны и запатентованы способ адаптивного управления процессом намотки с использованием системы технического зрения и устройство для его осуществления (патент на изобретение № 2287430, № 2295109). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2005611497.

Практическая значимость заключается в разработке адаптивной системы на базе СТЗ для автоматизированной системы проектирования оболочек из КМ и управления намоточным оборудованием. Кроме того, результаты исследований позволили разработать модуль калибровки камер, и программно-технический комплекс, позволяющие в автоматическом режиме отслеживать точность укладки армирующей ленты на оправку по ее фактической траектории, а также повысить производительность процесса намотки за счет сокращения до минимума числа итераций по устранению отклонений.

Методы исследования. Решение геометрических задач проектирования технических объектов, сформулированных в работе,

осуществлено методами теоретического и экспериментального исследования с применением аналитической, вычислительной, дифференциальной геометрий, вычислительной математики, а также использовались методы современной компьютерной обработки изображений. При разработке программного обеспечения применялись методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использовались:

- при выполнении НИР ЕЗН № 1.1.01 «Исследование геометрических вопросов интеллектуальных робототехнических комплексов», 2001-2002 гг.,

- при выполнении исследований по теме гранта «Разработка намоточного робота для изготовления деталей из волокнистых композиционных материалов» в рамках Федеральной научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», № 03.01.025, 2001-2002 гг.

- на ОАО «Улан-Удэнский авиационный завод» в виде методик и алгоритмов моделирования и расчета параметров процесса намотки деталей сложных форм из волокнистых композиционных материалов.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения исследования диссертационной работы, докладывались и были представлены на П-ой Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информаци-онных технологий» (Улан-Удэ, 2001 г.), на научно-техническом семинаре по робототехнике, проводимой в рамках Федеральной научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей и сотрудников ВСГТУ (Улан-Удэ, 2001-2011 гг.).

Публикации. Результаты работы отражены в 8 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Работа содержит 128 страниц основного текста и 6 страниц приложений, 35 рисунков, 12 таблиц и 100 наименований используемых литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе проведен анализ факторов, влияющих на точность процесса армирования оболочек на намоточных станках с ЧПУ. Рассмотрены погрешности, связанные с математическим моделированием процесса намотки и с возможностями намоточного оборудования. В работе показано, что от этих факторов во многом зависит точность реализации процесса намотки.

Отмечено, что при моделировании процесса намотки невозможно учесть все факторы, влияющие на точность процесса. На точность реализации процесса существенное влияние оказывают не только факторы, связанные с идеализацией моделей укладки ленты из КМ на поверхность оправки, но факторы, которые не связаны напрямую с моделированием этого процесса и процессора станка. Поэтому расчет взаимоувязанных движений рабочих органов станка, обеспечивающих намотку по расчетной траектории, весьма сложен из-за невысокой жесткости системы и с трудностями учета всех факторов, влияющих на процесс намотки.

Проведенный анализ позволил сделать основной вывод о том, что модели укладки ленты и расчеты параметров технологического процесса намотки, в которых не учитывается реальная траектория намотки и изменение характеристик нитей в ее поперечном сечении при ее укладке на поверхность оправки, во многих случаях не удовлетворяют требованиям точности процесса, соблюдения проектной схемы армирования и достижения необходимой прочности изделия. Кроме того, при проведении расчетов параметров процесса намотки в принятых моделях процесса укладки ленты нужна обратная связь для отслеживания (контроля) и оперативного внесения изменений в проектные разработки.

Анализ литературных источников показал, что существующие методики оценивают влияние источников погрешности с помощью датчиков положения отдельных исполнительных органов намоточного станка, причем действия направление на устранение отклонений выполняются вручную. Сложность учета всех факторов требует разработки методики определения их суммарной погрешности. Для этого необходимо включить в состав системы управления

намоточным станком СТЗ для отслеживания реальной траектории укладки ленты на оправку.

Вторая глава посвящена исследованию состояния вопроса, разработке способов решения задач, поставленных в первой главе.

Анализ литературных источников показывает, что отсутствует способ калибровки камеры, позволяющий однозначно задать закон преобразования координат точек регистрируемых объектов из двумерной системы на плоскости изображения в трехмерную объектную систему с интегральным учетом всех искажений. Таким образом, для решения задачи контроля процесса намотки с применением СТЗ необходимо разработать способ калибровки камер.

Суть предлагаемого способа калибровки камер состоит в построении набора интерполяционных сеток с известными координатами узлов в объектной и в экранной системах координат для каждой виртуальной плоскости изображения. Для этого предлагается производить съемку калибровочного объекта (рис. 1), который состоит из четырехугольников, лежащих на одной плоскости.

Введем для каждой камеры виртуальные плоскости изображений с количеством К > 2 и известным положением в объектном пространстве. Виртуальные плоскости изображений могут быть непараллельны друг другу, реальной плоскости изображения и их расстояние до оптического центра камеры отлично от фокусного. В качестве нелинейной функции преобразования координат используем кубическую сплайн-интерполяцию с параметризацией по длине дуги. Результатом процесса калибровки камеры будут набор коэффициентов сплайнов.

Процесс калибровки является итерационным. На каждом шаге калибровки / выполняются следующие действия. Калибровка выполняется по серии из К снимков, получаемых при перемещении калибровочного объекта так, чтобы он находился полностью в поле зрения камеры и его плоскость поочередно совпадала с г-ой виртуальной плоскостью изображения. Первый и последний шаг задают границы рабочей области.

На первом этапе определяются координаты узловых точек в

непосредственного измерения.

На втором этапе производится съемка калибровочного объекта.

объектной системе координат

путем

На третьем этапе производится предварительная обработка полученного изображения, заключающаяся в понижении шума и бинаризации. На рис. 1 представлено изображение калибровочного объекта после предварительной обработки. На рисунке хорошо просматриваются искажения, возникшие в результате дисторсии линз камеры.

На четвертом этапе производится определение точек контура изображения.

На пятом этапе определяются уравнения прямых каждой из четырех - сторон четырехугольников в экранных координатах. Поскольку компоненты векторов найденных точек контура изображения могут содержать ошибки, минимизируем их при помощи МП К. Точки с явными выбросам отфильтровываются путем задания порога изменения координат.

На шестом этапе определяются экранные координаты узлов сетки (м/'уг)' г = К, путем определения точек пересечения обнаруженных прямых - сторон четырехугольников калибровочного объекта.

Рисунок 1 - Изображение калибровочного объекта после предварительной обработки

На седьмом этапе определяются коэффициенты кубической сплайн-интерполяции для их последующего использования при преобразовании координат.

Точность предлагаемого способа калибровки зависит от числа виртуальных плоскостей изображений и загущения интерполяционной сетки возможно увеличить точность предлагаемого способа калибровки.

и

Рисунок 2 - Интерполяционная сетка

калибровочный объект (КО)

прямые проецирующей плоскости

Рисунок 3 - Рабочая область

Задача определения реальной траектории укладки ленты сводится к задаче реконструкции трехмерной сцены по двумерным изображениям, полученным с помощью камер.

Уравнение поверхности оправки декартовой системе х, у, г имеет вид

г = г (и, v) = {х{и, v), у{и, v), z(u, v)},

где и и v - криволинейные параметры.

Кривая намотки описывается уравнением

ГЛ0 = г (и к Vt (0) = {Áuk {(), Vk (/)), у(ик {(), vk (?)), z{uk {t\ vk (0)}. Будем рассматривать только среднюю нить ленты, которая является прямой в пространстве, уравнение которой можно представить в параметрической форме

где 1 = [NpNj]- направляющий вектор прямой.

Как видно из рис. 4 точки А', В', S1 и С', D', S2 соответственно задают плоскости, уравнения которых можно записать в виде

Г(^,г)+£>, =0,

l(N2,r)+D2=0, rfleN, и N2-векторы нормалей.

Данная система уравнений при условии [N,,N2]^ 0 определяют искомую прямую как пересечение двух плоскостей.

Координаты вектора в точке г0 можно вычислить из решения системы уравнений

(N1,r)+D1 =0, <(N2,r)+£>2=0, l(r-rj=0.

Преобразованию будем подвергать координаты не всех точек изображения, а только координаты точек, принадлежащих проекции средней нити ленты на виртуальные плоскости изображения (рис. 3).

На проекции средней нити ленты путем линейного сканирования выделяем точки Mi и Р, (рис. 5). Зная криволинейные координаты s a t этих точек в экранной системе координат, преобразуем их в трехмерную систему.

>

Рисунок 4 - Определение положения средней нити ленты с использованием СТЗ: 1 - поверхность оправки; 2 - средняя нить композиционной ленты; 3 - крайние нити ленты; 4 - раскладчик ленты; 5,6- плоскости изображения видеокамер, 7 - прямая, аппроксимирующая пространственное положение средней нити ленты.

Получим точки М1 и Р1 для каждой г'-й плоскости

калибровочного объекта. Массивы точек М{ и Р1 могут содержать

ошибки измерения. Поэтому для каждого из массивов минимизируем их, используя линейную аппроксимацию на основе МНК (рис. 6). Точки с явными выбросами по координатам отфильтровываются на этапе обработки двумерных изображений. На полученных таким образом двух прямых тир произвольно выбираем три точки и задаем искомую проецирующую плоскость.

Аналогичные действия проводим для второй камеры и определяем положение средней нити ленты как пересечение этих плоскостей.

Таким образом, разработанный способ реконструкции трехмерной сцены позволяет определить положение средней нити композиционной ленты без знания внешних и внутренних параметров камер с учетом искажений, упростить процесс калибровки камер.

У

1 \ 1 /

%

ч

1

Рисунок 5 - Преобразование координат точек проекции средней

нити ленты

'(и)

Рисунок 6 - Нелинейное преобразование координат из экранной системы координат в объектную

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований.

Для экспериментальной проверки результатов исследований была разработана экспериментальная установка, которая представляет собой макет намоточного станка с адаптивным управлением, оснащенный системой технического зрения. На рис. 7 приведена схема аппаратной части экспериментальной установки. Привод 4 обеспечивает вращательное движение шпинделя, на котором закреплена оправка 1. Раскладчик 3 композиционной ленты 3 выполняет поступательные движения в продольном и поперечном направлениях по координатам X и 2. На управляющей ЭВМ 8 и блоке управления приводами 9 выполняется специальное программное обеспечение. С помощью видеокамер 6 и 7 организована обратная связь для отслеживания реальной траектории укладки ленты.

1 - оправка; 2 - композиционная лента; 3 - раскладчик ленты; 4 - шаговый двигатель; 5 - редуктор; 6, 7 - видеокамеры; 8 - компьютер; 9 - блок управления приводами

4

Рисунок 7 - Макет намоточного станка:

Процесс выполнения эксперимента с использованием макета намоточного станка состоит из семи этапов:

1) подготовка модели поверхности оправки в виде набора точек трехмерного каркаса в каком-либо пакете трехмерного моделирования, например AutoCAD;

2) выбор параметров намотки;

3) калибровка видеокамер;

4) симуляция процесса намотки с выбранными параметрами и генерация управляющей программы для приводов станка;

5) выполнение намотки без обратной связи, сохранение результатов;

6) выполнение намотки с обратной связью, сохранение результатов;

7) анализ полученных результатов.

При проведении эксперимента использовалась оправка лонжерона стабилизатора вертолета. Оценивалась точность определения угла намотки ленты на оправку двумя способами. При выполнении намотки первым способом (без обратной связи), максимальное отклонение угла намотки от расчетного значения составило более 1°, что превышает допустимые значения. При втором способе намотка ленты проводилась с адаптивным управлением, т.е. автоматической коррекцией на каждом шаге с применением технического зрения. Максимальное отклонение угла намотки от расчетного значения составило менее 1°.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволили сделать вывод о том, что разработанный способ адаптивного правления с применением технического зрения позволяет достаточно точно определять реальное положение ленты в процессе намотки и вводить своевременные коррективы на каждом шаге в автоматическом режиме в управляющую программу намоточного робота. Это дает возможность обеспечивать высокую точность и производительность процесса намотки при изготовлении изделий сложных форм из волокнистых КМ.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Анализ литературных источников позволил выявить основные факторы, влияющие на точность процесса армирования при намотке. Проведенный анализ факторов позволил выделить наиболее значимые из них. Рассмотрены погрешности, связанные с моделированием процесса намотки и с возможностями намоточного оборудования. Проведенный анализ работ по точности процесса намотки показал, что существующие методики оценивают влияние источников погрешности с помощью датчиков положения отдельных исполнительных органов намоточного станка. Сложность учета всех факторов позволяет сделать вывод о необходимости разработки методики определения их суммарной погрешности. Для этого необходимо включить в состав намоточного оборудования систему технического зрения для отслеживания реальной траектории укладки ленты на оправку.

2. Разработан способ адаптивного управления процессом намотки на базе СТЗ. Путем отслеживания реальной траектории укладки ленты на оправку и коррекции в УП раскладчика ленты станка в реальном времени устраняется накопление погрешности параметров намотки, особенно для оболочек, имеющих некруглые сечения.

3. Разработана методика реконструкции трехмерной сцены для определения параметров процесса намотки, который позволяет определить в системе координат станка положение ленты с помощью ее проекций на виртуальные плоскости изображений камер, причем для этого не требуется знание внутренних и внешних параметров калибровки камер.

4. Создано экспериментальное намоточное устройство, оснащенное СТЗ, реализующее разработанные способы и алгоритмы. На этом устройстве подтверждена более высокая точность укладки ленты на оправку реального изделия по сравнению с существующими системами управления.

5. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы включены в формируемые системы автоматизированного проектирования и подготовки управляющих программ для намоточных станков с ЧПУ на ОАО «Улан-удэнский авиационный завод».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях рекомендованных ВАК:

1. Тармаев, O.A. Определение реальной траектории армирования оболочек с применением системы технического зрения / Т.В. Аюшеев, В.В. Найханов, O.A. Тармаев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2003. -№ 10. - С. 49-52.

2. Тармаев, O.A. Способ калибровки цифровой видеокамеры для адаптивного процесса намотки / Т.В. Аюшеев, O.A. Тармаев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2006. - № 1. - С. 51-56.

В других изданиях:

3. Тармаев, O.A. Разработка намоточного робота для изготовления деталей из волокнистых композиционных материалов / В.В. Найханов, Т.В. Аюшеев, O.A. Тармаев // Технический отчет по проекту № ГР 03.01.025 - Улан-Удэ: ВСГТУ, 2002. - 50 с.

4. Тармаев, O.A. Разработка адаптивной технологии изготовления деталей процессом намотки из волокнистых композиционных материалов / В.В. Найханов, Т.В. Аюшеев, O.A. Тармаев // Отчет по НИР выполненной по единому заказ-наряду № 1.4.96 «Исследование геометрических вопросов проблемы искусственного интеллекта» - Улан-Удэ: ВСГТУ. - 2002. - 60 с.

5. Тармаев, O.A. Разработка системы управления параметрами процесса намотки с применением технического зрения / В.В. Найханов, Т.В. Аюшеев, O.A. Тармаев // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». - Улан-Удэ: ВСГТУ.-2001.-С. 141-144.

6. Тармаев, O.A. Способ адаптивного управления процессом намотки и устройство для его осуществления / Т.В. Аюшеев, В.В. Найханов, O.A. Тармаев // Патент на изобретение № 2287430. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20.11.2006 г.

7. Тармаев, O.A. Способ калибровки цифровой видеокамеры для адаптивного процесса намотки / Т.В. Аюшеев Т.В., O.A. Тармаев // Патент на изобретение № 2295109. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10.03.2007 г.

8. Тармаев, O.A. Программный комплекс для адаптивного управления процессом изготовления деталей методом намотки / Т.В. Аюшеев Т.В., O.A. Тармаев // Св. № 2005611497. Программы для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных схем. Официальный бюллетень ФИПС. - 2005. - № 3. - С. 173.

Подписано к печати 02.04.2012 Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Оперативный способ печати. Гарнитура Times New Roman Усл. п. л. 1,25; уч.-изд. л. 0,95. Тираж 100. Заказ № 83

Отпечатано в подразделении оперативной полиграфии УМУ СибАДИ 644080, г. Омск, пр. Мира, 5

61 12-5/2565

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

На правах рукописи

ТАРМАЕВ Олег Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАМОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Специальность 05.01.01 «Инженерная геометрия и компьютерная графика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., доцент Т.В. Аюшеев

Улан-Удэ - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТОЧНОСТЬ ПРОЦЕССА НАМОТКИ...........................................................................13

1.1. Погрешности, связанные с математическим моделированием процесса намотки................................................................................... Л 3

1.1.1. Моделирование поверхности оправки......................................14

1.1.2. Моделирование кривой намотки на поверхности оправки........... ...24

1.1.3. Математические модели укладки армирующей ленты

на поверхность оправки....................................................... ..30

1.1.4. Расчет параметров процесса намотки.. .................................... .33

1.1.5. Формирование управляющей программы для намоточного станка...............................................................................41

1.2. Погрешности, связанные с намоточным оборудованием........................44

1.3. Управление раскладчиком ленты намоточного станка........................46

1.4. Обоснование выбора системы технического зрения в качестве

средства обратной связи................................................................48

1.5. Постановка задачи исследования....................................................50

ГЛАВА 2. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ НАМОТКИ НА БАЗЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ..........................................................53

2.1. Обзор способов калибровки регистрирующей камеры......................53

2.2. Реконструкция сцены процесса намотки................................... ....62

2.3. Калибровка камер для решения задачи намотки.............................69

2.4. Определение фактической траектории укладки армирующей ленты

на поверхность оправки по видеоинформации...............................77

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ................................................................................79

3.1. Описание экспериментальной установки адаптивного намоточного робота с системой технического зрения.......................................79

3.2. Методика проведения эксперимента...........................................90

3.3. Оценка результатов намотки кругового конуса..............................94

3.4. Оценка результатов намотки лонжерона....................................100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................115

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Процесс намотки широко используется в производстве изделий из композиционных материалов (КМ). Изделия, полученные таким способом, обладают целым рядом ценных физико-механических свойств, причем в таких сочетаниях, которые не встречаются в других материалах: легкость, прочность, технологичность, антикоррозийность, кислотостойкость [1-6]. Особенно эффективно применение указанной технологии для создания баллонов минимальной массы, способных выдерживать высокие внутренние давления [7-10].

Намотка изделий производится на специальных станках с числовым программным управлением (ЧПУ). На них изготавливают преимущественно цельномотанные оболочки цилиндрической формы с выпуклыми днищами. Получают также и сложнопрофильные изделия, в том числе, трубопроводы, оболочки с вогнутыми фрагментами поверхности, раструбы и др. [11].

Важнейшим звеном системы автоматизированного программирования намоточных станков (САП НС) является программа намотки (или управляющая программа). С помощью нее выполняется управление движениями исполнительных органов станка, ведется непрерывная укладка армирующей ленты, предварительно пропитанной связующим веществом, на поверхность вращающейся оправки, имеющей форму внутренней поверхности изделия. После достижения требуемой толщины и схемы армирования оболочки производится отверждение связующего вещества и удаление оправки [12]. Эксплуатационные характеристики и прочность изделия определяются формой оправки и схемой укладки ленты на ее поверхности. Схема укладки ленты для данной формы оправки должна быть выполнима с технологической точки зрения на конкретном намоточном оборудовании. Точность получения изделия

и производительность процесса его изготовления во многом зависят от качества разработки управляющей программы.

Разработка управляющей программы основывается на комплексной математической модели самой оболочки, поведения ленты на ее поверхности, процесса протягивания волокон через лентоформирующий тракт, а также кинематики и динамики намоточного станка. В процессе разработки должны рассчитываться оптимальные режимы натяжения ленты и производительность процесса намотки с учетом конструкционных и технологических требований к формообразованию изделия, ограничений степени устойчивости ленты на поверхности и динамики ее натяжения, ограничений габаритных перемещений исполнительных органов и динамических характеристик станка. Перечисленные факторы определяют чрезвычайно высокий уровень сложности расчетов при подготовке управляющих программ даже в случае простейших оболочек вращения с выпуклой образующей [13-15].

Проблемам моделирования процесса намотки оболочек и созданию систем автоматизированного программирования технологического оборудования посвящено значительное число исследований, как в нашей стране, так и за рубежом. Это связано с тем, что развитие практики намотки требует разработки эффективных методов проектирования и моделирования процессов намотки нетрадиционных видов изделий, имеющих некруглые поперечные сечения. Усилия разработчиков современных САП НС направлены на формулирование требований к конструкциям намоточных станков и вспомогательного оборудования при изготовлении изделий новых видов. Ведутся интенсивные исследования по созданию методик разработки программ намотки, позволяющих снизить влияние дестабилизирующих факторов на процесс управления технологическими параметрами изготовления изделий.

В первых работах, посвященных моделированию процесса намотки и созданию систем автоматизированной подготовки управляющих программ, рассматривались в основном поверхности вращения [16-28]. В дальнейших исследованиях методы и расчеты, полученные для поверхностей вращения, модернизировались с учетом применения их к оправкам, имеющим некруговые поперечные сечения [29-36]. В перечисленных работах лента отождествлялась нитью и не учитывалась структура ленты из КМ, с помощью которой происходит намотка.

Вопросы моделирования процесса намотки с учетом изменения структуры ленты при ее укладке на поверхность оправки произвольной формы рассматривались в работах [37-42]. В работе [42] приведены математические модели процесса намотки, учитывающие особенности многослойной укладки лент на поверхность оправки.

Разработке управляющих программ намоточным оборудованием для перемещения исполнительных органов оборудования по расчетной траектории посвящены работы [43-52]. Анализ этих работ показал, что расчет взаимоувязанных движений исполнительных органов намоточного станка по заданной траектории весьма сложен из-за невысокой жесткости системы и с трудностями учета всех факторов, влияющих на процесс намотки. На точность укладки ленты на оправку значительное влияние оказывают не только факторы, связанные с идеализацией моделей намоточного процесса, но и факторы, которые не связаны с моделированием этого процесса и возможностями намоточного станка. Под воздействием этих факторов накапливаются погрешности в процессе формообразования изделия, что затрудняет его автоматизацию. В работах [53-55] рассматриваются различные приемы коррекции управляющих программ для движения исполнительных механизмов станка и специальные приспособления (шаблоны) для контроля фактической

траектории укладки ленты, однако действия, направленные на устранение отклонений, выполняются вручную.

В последние годы, благодаря развитию вычислительной техники, появились возможности оснащения намоточных станков мощными персональными компьютерами, эффективными средствами контроля и управления, использование которых позволит осуществить те алгоритмы, которые раньше не удавалось выполнить. К ним можно отнести алгоритмы адаптивного управления технологическим оборудованием, созданные на основе применения систем технического зрения (СТЗ). Подобные системы управления стали применяться в производстве относительно недавно. Анализ же работ, относящихся к изучаемому вопросу, показал, что данное направление исследований только нарабатывается.

Из сказанного вытекает актуальная на сегодняшний день проблема разработки и внедрения в САПР технологического процесса намотки адаптивной системы управления с применением СТЗ, способной обеспечить быстрое, эффективное и качественное проектирование технологии намотки. Кроме того, использование СТЗ в качестве сенсорного устройства для организации обратной связи в системе управления намоточного станка позволит осуществить интегральный учет возмущающих факторов, связанных как со сложным нелинейным движением исполнительных органов намоточного станка, так и с идеализацией самой модели процесса укладки ленты на оправку, не прибегая к их моделированию. Это даст возможность полностью автоматизировать проектирование и управление технологическим процессом намотки, повысить качество получения изделия и производительность его изготовления, а также позволит расширить ассортимент выпускаемых изделий.

Все вышеизложенное определило цель и основные задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является разработка способа адаптивного управления процессом намотки на базе системы технического зрения, позволяющего отслеживать и корректировать в автоматическом режиме укладку армирующей ленты на поверхность оправки для повышения эффективности изготовления деталей сложной формы из композиционных материалов на станках с программным управлением.

Объектом исследования является геометрическое моделирование процесса намотки для изготовления деталей из волокнистых композиционных материалов с полимерной матрицей.

Предметом исследования является модель, определяющая взаимосвязь между геометрическими параметрами процессов намотки, изображения армирующей ленты на экране камеры и движения раскладчика ленты адаптивного намоточного робота, оснащенного системой технического зрения.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие научные задачи:

- разработать методику трехмерной реконструкции сцены процесса намотки по двум изображениям;

- разработать способ калибровки камер для отслеживания процесса намотки;

- разработать алгоритм автоматической коррекции управляющей программы для обеспечения заданной схемы армирования;

- разработать экспериментальную установку адаптивного намоточного робота, оснащенного системой технического зрения;

- апробировать на экспериментальной установке разработанные способы и алгоритмы.

Методы исследования. Решения геометрических задач проектирования технических объектов, сформулированных в работе, осуществлено методами

аналитической, дифференциальной и вычислительной геометрий, вычислительной математики, а также использовались методы современной компьютерной обработки изображений. При разработке программного обеспечения применялись методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна диссертационной работы:

- разработана геометрическая модель процесса намотки на базе СТЗ, обеспечивающая заданную схему армирования при изготовлении деталей сложной формы, в том числе с некруглыми сечениями;

- разработана методика трехмерной реконструкции сцены процесса намотки для определения фактической траектории и параметров укладки армирующей ленты на поверхность оправки;

- разработан способ калибровки камер применительно к задаче намотки, не требующий знания параметров ориентации камер.

- разработаны способ адаптивного управления процессом намотки с использованием системы технического зрения и устройство для его осуществления.

Практическая значимость результатов работы. Практическая ценность проведенных исследований заключается в разработке адаптивной системы на базе СТЗ для автоматизированной системы проектирования оболочек из КМ и управления параметрами намоточного оборудования. Кроме того, результаты исследований позволили разработать модуль калибровки камер, и программно-технический комплекс, позволяющие в автоматическом режиме отслеживать точность укладки армирующей ленты на оправку по ее фактической траектории, а также повысить производительность процесса намотки за счет сокращения до минимума числа итераций по устранению отклонений.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований использовались:

- при выполнении НИР ЕЗН № 1.1.01 «Исследование геометрических вопросов интеллектуальных робототехнических комплексов», 2001-2002 гг.,

- при выполнении исследований по теме гранта «Разработка намоточного робота для изготовления деталей из волокнистых композиционных материалов» в рамках Федеральной научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», № 03.01.025, 2001-2002 гг.

- на ОАО «Улан-Удэнский авиационный завод» в виде методик и алгоритмов моделирования и расчета технологических параметров процесса намотки сложных деталей из волокнистых композиционных материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на конференциях и семинарах: на П-ой Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2001 г.), на научно-техническом семинаре по робототехнике, проводимой в рамках Федеральной научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей и сотрудников ВСГТУ (Улан-Удэ, 2001-2011 гг.).

Публикации. Результаты работы отражены в 8 публикациях. Из них 2 в изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК. Получены два патента на изобретение (№ 2287430, № 2295109) и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ (№ 2005611497).

Результаты исследований, выносимые на защиту:

- методика трехмерной реконструкции сцены процесса намотки по двум изображениям;

- способ калибровки камер для отслеживания процесса намотки;

- алгоритм автоматической коррекции управляющей программы для обеспечения заданной схемы армирования;

- алгоритмическое обеспечение программно-технического комплекса экспериментальной установки адаптивного намоточного робота, оснащенного системой технического зрения, для реализации предложенных способов и алгоритмов;

- результаты исследования эффективности предложенных способов и алгоритмов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Работа содержит 128 страниц основного текста и 6 страниц приложений, 35 рисунков, 12 таблиц и 100 наименований используемых литературных источников.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе приведен анализ факторов, влияющих на точность реализации намотки по заданной модели. Рассмотрены погрешности, связанные с моделированием процесса намотки и с возможностями намоточного оборудования. Значительное внимание уделено выбору системы технического зрения в качестве средства обратной связи. В заключение главы поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке адаптивной системы управления процессом намотки на базе системы технического зрения. Выполнен обзор

способов калибровки регистрирующих камер. Приведена методика реконструкции трехмерной производственной сцены процесса намотки армирующей ленты на оправку по двум двумерным ее изображениям. Рассмотрен способ калибровки двух камер, используемых для отслеживания процесса намотки, позволяющий значительно упростить расчет при сохранении точности вычислений. Приведена методика определения фактической траектории укладки ленты на поверхность оправки по двум ее изображениям.

В третьей �