автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Методы и средства обработки визуальной информации при автоматизации технологических процессов сборки

РГ Б ОД

I;

Тульский государственный технический университет

На правая рукописи

зайчиков Игорь Вячеславович

Методы и средства обработки визуальной информации при автоматизации технологическим процессов сборки

специальность 05.13-07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 1995

Работа выполнена в Тульском государственном техническом университете.

. Научный руководитель: доктор тэкническик наук.

Профессор В.Г.Нуждихин.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Б.С.Розов:

доктоо технических наук, профессор H. H. Шемарин.

Ведущее предприятие: АК "Туламашзаэод"

Защита диссертации состоится " " _ 1995 г.

в часов, на заседании диссертационного совета Л 063.47.04

Тульского государственного технического университета по адресу:. 300026, г. Тула. пр. Ленина, 92 С учебный корпус N9, ауд. 101).

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке университета. ■

Автореферат разослан

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного к.т.н., доцент

совета

0. Г. Корякин

(\5ч:ы кдактсрчзтнка ра-ц &тшж10сть_.тг1ш. Нт сотеенвнном э-т? развития т г&ок'згпос-то рост техпичэскоп воогдошюсш трупа р. «у.'ино- и н^йогосплс-ИШ1 ииэет большое ЗН0Ч9КМ8 РШЛУ ТОГО, что /ЮиЩ'"? ОТраСЛН ЦОПГ.-"-ланы на з*ф?ктиеко» улоюттворшвот п полноя яег« потр-бнос:--"; разнообоаэ(ШЯ сфер чзлоеечгской деятельност!?, что порот,"'■':. наличия сорремипи: мвдяш и оборудования, средою естоматизгавг ч систем управления. Особенно острая необхопимоетт. к зс?я№э пуф: го труда и высвобождении рабочеп силы нпблол^тся в технолог;смекни процессах сборки и нрхачообр-^отки. Причем, технология нэк.:-нообработхи оказалась наиболее полготовлонной к автомэтизаш г > сиообач и средствам воздействия на изготевхивет« детали. А это приводит к -суиественному возрастанию отдаапьлыш трулозагтрег прнкодядахся на сборку, так, с болыаинетве отраслей отечеетвеннэ-го машиностроения при многоцелевом сермямсм производств*? трудов кость сборки достигает 40-50% от обкей трудоемкости издали?. Уровень г.9 автоматизации сборочнкн отрзшш составляет о-Ю2.

Наиболее зоФзклгвно изменить слотавагеся положение с автомат!-заилен сборочнь'н работ югут гибкие производственны';1 спстенн с использование» шогозункиконэлыш олшггивных прои.//,денник рс5\ -тоз с прз .

в сборочном производстве робстч ссгсэльзупгся дм выполни тахих'операции, ках зэгругка-разггА'З.^ екогчнк к чиюднь:;-; у.--тройств, мегопераиионное транспортирование, устяш^а собкрдам:-': деталей и узлов о изделие, а такте ик закрепление пуген сеинчиз''-яия, запрессовки, вальцевания, клрпки и т. д. выполнение эт:.г операций требует использования роботов второго поколения, т. 17. адаптивных роботов со средствами очувствления для получения информации о состоянии устройств и положении робота, объектах сборки и внешней среде.' Среди основный видов информации - линейну? г угловые перемещения манипулягионной систем» рббота, возншягшиз с ней силы и моменты, расстояние между схваток робота и обт^кто:; манипулирования, положение и скорость движения схвата. признак!: наличия, размеры, температура, 1юрма. цвет деталей и др. Очень вакнымц параметрам, измеряемыми при сборке при наличии средси-адаптации, являются такте зазоры, перекосы, толщина материала, величина внутренний дефектов, проскальзывание деталей при автоматическом захвате, чк ориентация.

В промышленной робототехнике известно довольно много средстс очувствления для адаптации средств автоматизации. Но по ачалогг-: с человеком, лея которого зрительная информация' в. сбиен потсг'.-составляет около 60%, для адаптации сборсчнгч роботов нау'Ьх--:-:'

мирское применение в качестве датчика визуальной информации приобрели системы технического зрения С СТО, выделившиеся в отдельный класс сенсоров со специализированным устройством обработки изображения и собственным вычислителем.

ргчтр.нпй np.ni-.ifi диссертации является повышение эффективности процесса автоматической сборки с помощью ПР за счет разработки потопов и средств с.„аптивного контроля и коррекции позиционирования сборочного манипуляшонного робота с помощью системы технического зрения.

Для определения условий и возможностей повышения точности позиционирования сборочного робота с помощью СТЗ требуется решить с-леяушие задачи:

- создать математическую модель робототехнологического комплекса СРТЮ сборки с СТЗ в качестве плоскостного датчика положения;

- определите основные Факторы, снижающие точность позиционирования робота:

- получить способ коррекции погрешностей позиционирования с помощью ста:

. - разработать программное обеспечение и аппаратурную реализацию СТЗ,. рассчитанную на широкое промышленное применение:

ир.топы иг.о.^рп"вяния- При разработке системы технического эре-' ния в составе РТК для автоматической сборки исполъзорзпея кон-плексныя подход, включащий классические законы сохранения механики, теорию автоматического управления, методы математического и макетного моделирования с применением ЭВМ й натурными экспериментами.

Новый научные результат». выносимые на защиту:

- методика математического моделирования динамики процесса автоматической сборки многофункциональным ПР, в-том числе со средствами адаптации:

- выявление основных влиящин Факторов на погрешности позиционирования и установки деталей ПР при исследовании его функшони-

■ ювания;

- методика статистического определения основных характеристик СТЗ при различных способах ее программно-аппаратной реализации.

- построена обобщенная математическая модель Функционирования робототехнического комплекса сборки на базе серийного манипуля-иионного обота гМ-01 и бинарног системы технического зрения;

- разработана система моделей робота, уровни сложности кото-

рки ссотзгтсшэт ремкьгч .згдаш ммкмз'рораикл Р/К г^'оп.-:?:

- получен спссоЗ коррэши позиционирования работа за счэт систеш юттчвского зрения, основанный на КОКИЗГЛ-рованмои управлении го розадшадэку воэдедстпкп:

- раЗрйЗотена орипшльиио сглаждаащиз £чпьтры мэтояа »шли-непиоп локальной фильтр?,ига нзобраг-ения круглой летали и лчгормг-!Ш быстрого расчота координат центра тяжел! этого изображения;

- созданы и отлажены программной обеспечение и аппаратура системы тонического эрзния для бинарных изображения азтоношьблоч-яой структуры.

На основании провэяенньи исследования и разработок показана возможность создания прогмаленнш образцов адаптивных РТК сборки, которыэ включают современные средства роботизации о сочетании с смстэтя технического зрэния, обладавшей высокими потребительски-т свойства";* и низкой стоимостью. Ва-даость яфодно-яоэяйствекно-го значания данной работа подткгрядазтся тем. что она включена » Пшгрс;.::п,' "Университеты России" (Направление фундаментальны,! исследования в нжнностроении. приборсстрое;¡ни, энергетике: разлэл 5. гйнатроинта средства автоматизации технологически;-; процессов), тематику отраслевых опьгшо-конструкторскй;! и н?.учно-исслейо?£Г~ гэльских работ, планов ряда проиышзнннн предприятий и КБ, а т&с-и вакяыл хоздоговорный работ Тульского государстве!-кого технического университета стены N"88-634. №3-738, N13102, г.аззсю, кз-гюссэдственше участие а Которых автор осуществляет с 1388 г.

Полученные математические модели и алгоритм функционирования. методики проектирования адаптивных средств автоматизации с использованием обработки визуальной информации применялись при роботизации механосборочного производства иэяедип ЗУБКш на лк "Туламаизавол", разработав фрезерного станка с ЧПУ нового поколения, что подтверждается соотеетствущими ак ами.

Полошния и выводы, изломанные 6 диссертации широко отракенн в учебных программах, пособиях и других методических материалах и используются в учебном прошссе на кафел!ре "Робототехника и автоматизация производства" ТулГТУ.

. • Результаты исследований и разработок докладывались на V Всесоюзном совещании по . робототехническим системам (Геленджик, 1990г.), на межвузовской научно-технической конференции' в МВТУ им. Баумана (Москва, 1991 г.на еиз годных научно-технический конференциях .профессорско-преподавательского состава Тульского

- О -

лолит-'кни'-тскаго института •

Диссертационно:' работа докладывалась на ка$едре "Робототакни-»•••:« и автонашзация производства" Тулгостекуниверситета в 1934 и

№15 ¡Г.

' По теме диссертации опубликовано 5 работ, в числе который ?. научные статьи в центральной печати, 2 научные статьи в сборнике ноучннм трудов Тулгостекуниверситета, тезисы доклада Всесоюзного совтшия но робототенническим системам.

Стижт.а_м_жьеы_габа1ы. Диссертационная работа состоит из ш.-едаш. четырех разделов, заключительных выводов, списка ис-гюлт.зовачной литературы и приложений. Работа изложена на 13} станице основного текста, содержит 68 рисунков, 11 таблиц, биб-.шюпатичеекий список из 56 наименований, 10 приложений.

Основное содержание работа

Еа_вваЕанш излагаются общие проблемы автоматизации сборочного процесса,- обосновывается актуальность темы. Формулируется цель исследований и приводится краткое содержание работы.

в пепр.пм разделе проводится анализ суиествуюки:: способов и средств контроля и диагностики при автоматической сборке деталей. . На качество такой сборки влияют различные факторы, зависящие от конструктивных параметров, технологических и организационно-технических производственных условий. К наиболее важным Факторам относятся отклонения размеров,- Формы, взаимного положения поверхностен сопрягаемый деталей и узлов, некачественная обработка соприкасающихся поверхностей, неточности сборочного оборудования. Для точных соединений предъявляются также повышенные требования к температурным режимам и тепловому излучению. Недопустимо располо -як-ние в одном помещении "сборочного оборудования и оборудования, вьшелятоаго пыль, а также создающего большие вибрации. Все это должно учитываться и при транспортировке и хранении деталей.

При автоматизации сборочных процессов такими сборочными автоматами, как промышленные роботы без средств адаптации перечисление вше факторы могут приводить к получению соединений низкого I ачества или даже к повремени» собираемых деталей. Крона того, бешыинствэ ПР имеют недостаточную точность позиционирования Скак правило ло 0.1 им), а с течением времени ик мзнипуляшюнная сис-'¡ч-м-1 урегулируется, что..приводит к снижению точности м навэя-1К:с;и одздшэкия сборочных операций. По истечении• некоторого срока зг.л'|»узг&иии робототехнического комплекса рассеяние повторно-

о

мость средств очувствления необходимых типов; 5) возможность и простота сопряжения средств очувствления с системой управления робота: 85 наличие программного обеспечения для обработки датчиков очувствления, разработанного применительно к данной технологической операция. ■

нэ умаляя важности и необходимости применения' силомоментных, тактильных, локационных датчиков следует отметить, что рзшение ряда задач робототехники с помощью информационных систем адаптации оптического типа позволило выделить в отдельну» группу так называем«-системы технического зоения. они предназначены для преобразования, анализа и обработки видеоинформации с помоцью электронно-вычислительных машин. Основными функциями СТЗ является обнаружение, распознавание объектов, определение 'ин местополо-. кения. 1

системы технического зрения развиваются наиболее быстрыми теьн пами, что связана с прогрессирующим развитием полупроводниковой техники различных направлений! оптозлектроннной, . микропроиесса^ ной, телевизионной, средств связи. Высокая информативности' изображения и наличие в СТЗ вычислительный модулей с постоянна совершенствуемым программным обеспечением позволяет достигнуть.по Отношению к другим, вышеуказанным системам адаптации ьэльнря универсальности и перенастраивавмасти. Эта качества явлгтгея основными для удовлетворения таких требований к автоматизации производстве), как возможность быстрой'перепрограшируемости СТЗ,, применения системы с минимальными изменениями в- различных отраслях громышленности, возможность реагировать на изменения в технологических процессах, рационально перестраивая-порядок операций и переходов.

Еще одно важное требование - невысокая стоимость - удовлетворяется в .аппаратуре СТЗ за счет' быстрых темпов ■ снижения , цен на цифровую микроэлектронику и применения все более- мошных интегральных вычислителей. Требование работы системы в реальном масштабе времени с каждым годом удовлетворяется полнее, так как модернизация микросхем с целью повышения ин быстродействия без изменения схеыно-структурного решения аппаратуры позволяет перевести образец на другой скоростной уровень или поднять его .функциональные возможности за тот ш интервал времени.

Разработка СТЗ продолжает оставаться перспективной в ¿илу такого важного достоинства, как возможность практически стопроцентного бесконтактного контроля объекта сборки. В этой св,.зи различные источники информации прогнозируют дальнейший расширенный

рост применения датчиков технического зрения, появились и совер-шнствукггся слоише, но пока дорогие СТЗ для анализа трехмерный сцен. Многие языки программирования промышленных работой, например, система VAL американской Фирмы "Шимепын". предусмзтриваот р. качества стандартизированным операций процедуры взаимодействия с внешними С13.

В настоящее время около 180 Фирм в мире специализируется m производстве серийная СТЗ. Половина производителей язляттся атомами СИЛ. По данным Национального бюро стандартов СИЛ в 1990 году четвертая часть всем промышленных роботов была способна "видеть", а в 1992 году §0% веек промышленным систем контроля были оснэцены системами технического зрения. Стайность производимом ими систем составляет от 150 до 400 тысяч долларов. Поэтому остается актуальной и значимой разработка эффективным и в то m время приемлемых по стоимости отечественным образцов систем технического зрения.

Во втором разделе построена иатеыатичрекач модель ПР и СТЗ с целью исследования динамических и точности характеристик ПР, определения основных параметров СТЗ и моделирования совместного Функционирования робота и системы то-нического эге:п:л в состав? РТК сборки.

Широта применения робота зависит от его многофунмшона.пьностн, степени перепрограммируемости, универсальности, слокности и стоимости элементов, входящих в состав ПР. Вертикапьно-иаршрннй робот Пума американской Фирмч "Юнииэйшн" (отечественный аналог R1-01) наиболее приспособлен для проведения сборочных работ, оптимально сочетает в себе гибкость перепрограммирования с высокими манипуляционнымн возможностями, является доступным по стоимости. В этой связи он взят за основу при создании математической модели робота.

Математическая модель промышленного робота РМ-01 в трехмерном пространстве включает в себя описание обратной задачи кинематики, преобразование угловым положений звеньев в управлявшие электрические сигналы системы управления, динамические модели электроприводов звеньев, прямую задачу динамики для манипуляшонной системы и задачу о положении рабочей точки охвата.

Для манипулятора робота РН-01 обратная задача кинематики имеет насколько решений. В качестве выбранного для моделирования принято .решение, при котором конфигурация робота способна- осуществлять установочное явижзнке по вертикали и испигшаот существенное воздействие еялм тяжести и юздгрю влияние звеньев, то есть

напоминает положение вытянутой руки. •

, Тогда для выбранного решения обратной задачи кинематики урае-пэния связи вектора положения схвата и обобщенный координат - углов поворота степеней подвижности - представлены ниже:

-arccosfsm/^Cxci-xs)* +Cyd-ys3* )]+ С13

■+arccos[C>':d-xs)/V/t(xd-xs)'-Куй-уз) )] С zd-zs-Ш

q2= -arceos

Vccxd-ns)' +( yd-ys)® +Czd-2s-ll),-sm,33 • n'-iC'-CfKd-Ks)' +Cyd-ys3* +Сгс1-г5-11)?-2тгЗ

+эгссо

С 2)

r Jl

та'

: -2x1(хй-хзЗ' 4-Сyd-ys)' +Сгс!-25-И)'-эл* 33 аЗ= -^агссогГ СССхй-хкЗ' +(уб-узЗ' -Кгй-гз-Ш'-гт' 3-

-12г-13* 3/С-2^12*1333: СЗЗ

«4= aгcLanГ. С УБ^созС 3-Х5*Е1П( а13} /С кэ^согС а13*соэС ч2+аЗЗ+

+уз*г1 пС ) *созС а?.+аЗ) 1 пС д2-нзЗЗ) ]: С43

а5= агс1ап[хг*Сса5Са13»<со5Са2-к13)*со5(ц4)- (53

-й. 1 пС ч13 1 пС ч<333 +угкС 51 п( 3 *сог( ч2+чЗЗ *со5(ч43-к:оя(с11Э»51п(ч433-23*со2Сч43 ;

хг1пС ч2-«зЗЗ]/С У£«созС ч1ЭК51ПС Ц2-«533+ +уг*51п( а13*£1п( ц2+аЗЗ+25*созСа2-к]3)]: цб- 0; С63;

где а!-аб - обобщенные координаты манипулятора, рад; xs.ys.zs -' декартовы координаты детали в инструментальной системе координат с ориентация схвата), м: хй.уй^ - декартовы координаты детали в основной системе робота, м: 11,12,13 - длины 1,2,3 степеней подвижности робота, м: бш - расстояние от плоскости вращения 3 звена до оси вращения 1 звена, м.

Электрические сервоприводы постоянного тока, обеспечивавшие силовое воздействие на манкпуляционную систему робота В4-01, являются узлами, во многом определявшими точность функционирования робота с применением в качестве датчика положения объекта сборки бинарной системы технического зрения. Так как требуется роботизировать операции сборки деталей с ыалыт геометрически.«? параметрами, динамическая модель электрического сервопривода учитывает такие важные, влиявде на точностные показатели всего РТК характеристики, как сухсе трение в кинематике привода, упругость вязкость, люФт в зубчатых соединениях, а такш дискретные харак теристики квантования по рремеки и уровню сигналов двухуровнево микропроцессорной системы управления робота. •

Таким образом, математическую модель каждого сервопривода мок

но представить следушея системой дифференциальных уравнений: Ur=Uu-Koc- Ap-Kvp- Ар> up=ku- ui^-cep' ар:

Тм-l'd+m=Up/Rq: _ СП

Ms=Cmrv Id-(Hu+Hp-Ap); Jn*Aw=Mwi-Mv-Mt! Ми= Cp- С Ap-Au) -rHv- С Ар-Аи); Соответствущая ей структурная схема приведена на рис. 1.

М«|-

Mo JL Ms

Mh

Jp*p

Hp

Ad

Ар

Ар 1

Кос

Р

[Aw

/

Al

Cp+Hv* p

Mw

Mti .ф*

iMv

JnV

Aw

Au

A«

Рис.l. структурная снема математической модели сервопривода: Uu-управляшее напряжение, В; Uo-напряжение обратной связи. В: Ur^-напряжение рассогласования, В: Uu-управляшее напряжение. В; Uc-напряжение обратной связи по угловому перемещению. В: Uv- напряжение обратной связи по угловой скорости. В: иг- суммарное напряжение обратная сзйзей, В< Ue-напряжение противоздс двигателя, В: Up-напрдение рассогласования. В: Id-ток в обмотке якоря двигателя. а: Мр-момент идеального привода. Нм: Мимомент, обусловленный вязкости и жесткостью редуктора, Mt-момент, обусловленный сило« бухого трения, Нм: м^-монент, обусловленный силой вязкого трения. Нм! Аь-угловая скорость идеального привода, рад/с: Ар-угол крашения привода, As-угол вращения привода с учетом воздействия нагрузки, рад: А1^угол вращения привода с счетом люШ в соединениях.. рад: Mv-внешний возмуаавдий момент, Нм: Кп- момент

воздействия на нагрузку. Ни: Au-выходной угол вращения для реального привода, рад; йя-сопротавление обмотки якоря двигателя. Ом: Тш-шканическая постоянная времени- двигателя, 1/с! Ск,о-коэффициент передачи по моменту привода. Ны/А; с«Р-(соэФФициент проти-воздс привода. Нм/.В: jp-момент инерции привода. кг*м* ; Ср-коэфш-ц>1ант жесткости привода, Н'^рад: Ну-}созФФиииент вязкого трения редуктора привода, ш*с/рад: Нр-коэздшциент вязкого трения двигателя привода, Нм*с/рад: Jn-момент инерции нагрузки, кг*м* : Kvp-козИФициент передачи по угловой скорости, В*с/рад: Кос-козС-Финиент передачи по угловому леремеашнив, В/рад; tz-звено квантования по времени, с.

Матописание для решения обратной задачи динамики манипулятора ПР РМ-01 получено из уравнения_Аппеля для энергии ускорений:

Qi? 1=1, n С 8)

где s -энергия ускорений, сц -обобщенное ускорение, Qi-обобшен-ная сила.

В представлении через обобщенные координата, скорости и ускорения (Мадия мпеля принимает слелувдий вид|

lfj l'J _ ■

где q - вектор обобщенный координат, ц - вектор обобщенным скоростей.

Вычисление коэффициентов Ai.iC^), Bitg.îb, ССЗ.сЬ произведено по алгоритму а. Ф. Верещагина, а определение энергии ускорений по Формуле СЮ):

S=0.5 ^Cïi)i aJi+iTi'[ Jcil-Sv-H (CJcil' ui)*£îi>-êi),- (10) где rai- масса зёена, кг; aci - вектор линейного ускорения центра масс звена, м/с*î 04 - вектор углового ускорения, рад/с*; и' -вектор угловой скорости, рад/ci Jci- тензор инерции звена, кг*м*. Все указанные величины определяются в связанный со звеньями системами координат1. На основе приравнивания выражений (9) и с 10) получаялся коэффициенты Au. Bi. с. Затем путем решения системы уравнения методом Кордана-Гаусса определяется новые значения обобщенный ускорений, а затем 6 результате интегрирования новые значения обобщенный скоростей и координат манипуляиионнсй системы.

Анализ результатов статистической обработай моделирования работы системы технического зрения позволил описать' ее еде душим образом с в программном представлении и с найденными значениям^ основных числовых параметров)! • .

ircctst— Lcur))>Lhs25

1 43tz«randstz(xciet)i .¿¡tz^andstzCycbt): Cil)

t3tz=tsL3+thsz >, '

где 1сип - текущее время, с: - переменная квантования моментов времени реакции Стз, с о. 5» 0.25с): 1ьзг - величина интервала квантования, с: - истинные координаты детали, м: х^.г,

УзЬг - измеренные. СТЗ координаты детали, м: гапсЫг - функция случайного отклонения координат центра круглой детали на 0.01 мм

Процесс моделирования Функционирования ПР по описанной выио математической модели занимает большое количество машинного времени, что не позволяет достаточно оперативно проверять Функционирование робота. В этой связи было произведено упрощение матмоде-ли ПР РН-01.

Для задачи моделирования динамики сборочного робота в режиме позиционирования при переметаниях схвата в диапозоне нескольких миллиметров конфигурация манипулятора в трехмерном пространства практически не изменяется, ■ соответствующие изменения обобщенных координат лежат в пределах 0.1-. • Вектор возмуиакда 'о момента от силы тяжести оказывается практически неизменным, что позволяет не производить его расчет, заменив постоянными значениями.

, В связи с тем, что моделируемый процесс сборочного движения манипулятора ведется с минимально возможными скоростями и ускорениями имеется возможность пренебречь численной добавкой, которая получается в результате громоздкого расчета коэффициентов для выражения энергии ускорений:

В случае моделирования режима слежения за контуром при наличии переменного вектора возмушащей силы или момента, воздействующих на концевув точку схвата. пренебрежение расчетом возму-шандих воздействий на звенья робота недопустимо, так как деформация манипуляционной системы оказывается переменной во времени и должна учитываться при моделировании точностных характеристик.

Представление выше формулы систем уравнений С13-С7).с9) ПР и электрического сервопривода совместно п уравнениями с 11) СТЗ, образуют комплексную математическую модель манипуляиионного робота с системой технического зрения в качестве плоскостного датчика положения схвата. Разработанное для Моделирования данного РТК сборки программное обеспечение позволяет провести исследование динамики робота Ж-01 с СТЗ. не создавав макетный образец последней и не проводя натурные испытания Для проверки качества. Функционирования всего комплекса.

Моделируемый-цикл, работа робототехничессого комплекса с системой технического зрения для операций роботизированной сборки можно показать на- примерз установки элементов лентопЬотяжного механизма кассетного магнитофона на плос-кук) базовую деталь - каретку.

В данной базовой детали посадочные места являются сквозными отверстия®. Поэтому сцену сборки можно представить следующим образом: базовая деталь устанавливается в горизонтальное положение на специальные подставки так, чтобы под ней располагалась видеокамера. Расстояние между собираемыми деталями должно, быть 0.5^1.0 мм для того, чтобы иметь резкие границы сопрягаемых поверхностей. Дальнейшие операции выглядит в таком порядке: манипулятор позиционирует устанавливаемую деталь в горизонтальной плоскости со своей точностью над отверстием, выдает сигнал запуска на цикл работы системы технического зрения. Она выполняет операции ввода, Фильтрации, оконтуривания изображения и рассчитывает геометрическое рассогласование позиционирования, ¡соторое передается в систему управления робота РМ-01. Производится коррекция положение концевой точки схвата с деталью в соответствии с разрешащей способ-посты!) системы управления ПР С для робота РМ-01 она равна 0.01 мм), затем осуществляется вторичный запуск Ш и приведенные выше операции работы систем зрения и управления повторяются, пока не будет достигнуто взаимное положение деталей, которое позволит произвести их сборку.

. Расчеты по математической модели показали, что традиционное замыкаше системы управления робота отрицательной • обратной связью через СТЗ не применимо, так как возникают недопустимые колебательные перемещения схвата вблизи точки установа деталг В качестве альтернативы предложи и апробирован алгоритм компенсации погрешностей позиционирования манипулятора с СТЗ, являшийся способом комбинированного управления по возмущагаему воздействию, который для цифровых микропроцессорных модулей РТК оказывается квантованным по уровню и времени.'

В тштьен разделе проведены исследования РТК сборки с системой т .<нического зрения в различных режимам функционирования посредством цифрового моделирования с использованием разработанного математического описания. Все необходимые значения параметров математической модели получены ввиду их отсутствия в технической документации к роботу в результате непосредственных измерений, проведенных с его манипуляиионной системой, и последующих расчетов по измеренным величинам для получения максимально приближенных к реальной конструкции данных.

В диссертации приведены найденные числовые значения масс степеней подвижности робота, соответствукше звеньям манипулятора тензоры ин°рции, .«диусы-векторы до центров масс в связанных системах координат, электромеханические параметры сервоприводов сте-

пеней цадттюст робота, коэффициенты скоростных обрапш связей. сил вязкого трения, величины нелинейным кароктеркстш; листов, сукого трения.

Достоверность математического описания сервоприводов мзнипуля-пионной Ьистемы робота подтверждена • сопоставлением переходных процессов, полученный а результате моделирования и экспериментально с помошыо лазерной проекционной системы по приведенной в тексте диссертации методике.

Отличительной особенностью всей модели ПР является наличие пара},етрическик данным одной разйерности с большим разбросом по относительной величине, что не дает возможности применения простого численного интегрирования. В связи с этом и в целям обеспечения удовлетворительной точности и устойчивости вычислительного процесса все его процедуры используют действительные числа удвоенной точности. В качестве метода интегрирования применен 4-иа-говый метод Рунге-Кутта.

теоретическое исследование динамических и точностных возможностей Функционирования РТС сборки с применением СТЗ показало, что в процессе моделирования необходимо учитывать два условия: 1) система технического зрения имеет конечное время задержки от момента запуска до момента выдачи расчетный параметров. Время ее реакции как звена чистого запаздывания колеблется в зависимости от.аппаратно-программной реализации от десятых долей секунды до единиц секунд. Поэтому.получение данный от СТЗ для коррекции оказывается квантованным по времени: 2) предыдущая реакция сохраняется на период обработки изображения системой зрения и имеет дискретность значений с магом 0.01 мм. Таким образом, моделирование совместного Функционирования системы управления робота РМ-01 и бинарной системы технического зрения характеризуется квантованием приема данных от СТЗ по времени и по уровню и мокет быть реализовано как позиционирование манипулятора с периодической коррекцией от СТЗ с точностью, предел которой определяется техническими возможностями механической и управляюией системами робота.

Основными Факторами, снижашими точностные характеристики робота, являются нежесткость механически» элементов степеней поп-вияиости, наличие люфта в смежных соединениях манипулятора, влияние сил сухого тг ния во врзиавдинся парам степеней подвижности.

Моделирование функционирования.ПР с лпфтом показало, что характеристика лю&та в механическим соединениях манипулятора дает при движении схвата и останове в точке сборки зрлпкояебателътл движения, амплитуда которяк зависит собственно от величины льФта.

Введение СТЗ но компенсирует погрешность, вызванную данной характеристикой. так 1.ак период автоколебаний и время реакции СТЗ, а такта системы управления робота несопоставимы. В зтоП связи одним из условий применимости стз является уменьшение величины люфта *в соединениях путем механических регулировок степеней подвижности манипулятора до значений, сопоставимых с разрешающей способность« системы управления ПР.

При попытке скомпенсировать влияние люфта с помощью СТЗ выявлено, что период квантования ев реакции является параметром, который определяет устойчивость контура управления при включенной С":з. В режиме позиционирования, совмещенном с коррекцией по СТЗ. г.адю, чтобы в момент Фиксации изображения не происходил перекод-инп процесс в манипуляционной системе, так как СТЗ Фиксирует и:адбраж5ниэ сразу после затека.

Влияние сил сухого трения можно представить различным образом, экспериментальные данные показывают, что манипулятор №5-01 имеет сложную характеристику с различными по величине сухим трением покоя и сухим трением движения. Поэтому моделировался процесс с характеристикой, соответствушея Реальному манипулятору. При подходе к точке сборки и остановке манипулятора с погрешностью коррекция с помощью СТЗ вызывает непрерывное движение вокруг этой точ- . ки. Поэтому алгоритм коррекции должен имать возможность разрыва обратной связи от стз при входе сквата манипулятора в допустимую зону сборки. В этом случае процесс позиционирования удлиняется по времени, но заканчивается в точке, удовлетворяющей условиям сбор-' ки.

Нечеткость механики манипулятора особенно сказывается на точностных показателях ПР при внешних возмущающих воздействиях. В результате происходит отклонение концевой точки схвата от заданной системой управления. Прогиб звеньев происходит, например, от воздействия силы тяжести. Поэтому' при задании абсолютных точек робот ик не достигает из-за отсутствия контроля концевого положения сквата. СТЗ решает зту задачу и полностью компенсирует влияние прогиба. Сопоставление влияющих на точность позиционирования выиерассмотренных Факторов показывет, что основным является деформационный прогиб манипуляционной системы, составлявший около 60% от. суммарного влияния,

Моделирование позиционирования РМ-01.С СТЗ в процессе сборки при обкем воздействий люфта, сухого' трения и внешнего момента силы чйшего показало, что точность позиционирования данного робота составшт 0.0?. - с.СП им, что вш> паспортной в 3-5 раз.

Функционирование ПР РМ-01 с СТЗ моделировалось на только при выполнении сборочный работ, но и при некоторым видан шшскс-кой обработки. Движение снвата на малых скоростях с разлит шин обрабативашимм инструментами и приспособлениями ненцу наышулч-тором и деталью вызывает взаимное силовое воздепствие. Рели деталь жестко закреплена относительно основной системы координат робота, то манипуляционндя система будет деформироваться. При от сутствии адаптации возникающее а результате прогиба рассогласование не компенсируется системой управления, даче если использовать режим обучения робота.

Бил произведен расчет режима контурного слежения ПР с сгз, в ■результате чего установлено, что система зрения можт ра&отать в качестве корректора движения по контуру, компенсируя прогибы не только от силы тяжести, но и от возмуиасиих сил,' возникаших при обработке. Таким образом, показано, что по резуллзтам математического моделирования можно расширить область применения проект» ■ руемор СТЗ в промышленном производстве. Реки» контурноги слежения возникает, например, при подготовке круга й"г профильного шлифования. зачистке заусенцев.

Было также установлено, что измерение геометрически:: координат рассогласования положения собираемых деталей имеет ограниченные возможности в связи с тем, что разрошзшая способность камеры максимально мокет составлять 800x600 точек. Поэтому для высокой точности определения рассогласования поле зрения СГЗ уменьшается до размеров, позволявших получить эту необходимую точность. Для сборки и обработки мелких деталей такой разрешающей способности достаточно. В случае, ■ если требуется контролировать несколько позиций сборни, то возможен вариант переноса камеры в соответствующую зону сборки или смещение обеих собираемых деталей в поле зрения камеры, а такме установка миниатюрной камеры на схвате манипулятора. Эти режимы легко реализуются, так как СТЗ имеет высокую степень универсальности благодаря легкой пере-налаживаемости за счет сменного программного обеспечения.

в четвертом Разпе-ИР описано разработанное программное обеспечение и реализация аппаратной части цифровой промышленно-ориенти-рованной СТЗ для роботизации сборки точный изделий.

На о'снове результатов моделирования позиционирования ПР с помощью СТЗ установлено, что в системе зрения предпочтительно использовать в качестве приемника информации ПЗС-телекамери. обеспечивающие высокую разрешающую способность. Оперативная память СТЗ для решения рассматриваемого класса задач может не превышать

го обрспячвтп.

Алгоритм предварительной обработки юшеппмогявдии базируетеп на методе нелинейной локальной Фильтрации, использутаеи отюслшм адресации и позволягеем разработать эффективную принципиальную сжму ВП. По этому методу исходная матрица изображения сканируется окном 3x3 элемента. Оптовые комбинации окна используется п кг. чъствв адресов Фнльгм-таблицы, а записанные в них какими формируют новую обработанную мптршу изобретения. Число реализация Фильтр-таблицы составляет 251~. Поэтому решена актуальная задача моделирования метода нелинейной локальной Фильтрации бинарного изображения, в результате чего получены эффективные фильтры и последовательности из них, обеспечивашие время аппаратной обработки в ВП 160 мс. Результатом работы ВП является очищенное изображение объекта в контурном виде, как наиболее приемлемом и информативном для дальнейшей обработки.

Специализироанныг вычислитель при параметрической обработке использует быстрое сканирование матрицы изображения по сетке или по точкам контура. Конкретно он производит расчет центра тяжести изображения, радиуса круглой детали, рассогласования позиционирования между- собираемыми деталями, а тжхз выдает корректируемо попгшки в систему управления робота.

Кроме того, СВ выполняет Функции уг,руления всей стз по специально разработанной программе монитора. Монитор глэспечивает обслуживание пульта оператора в'автономном рекнмэ и в режиме ожидания внешнего запроса. В первом режиме осуществляются следуи'шие операции: установка адреса с индикацией на светодиодном дисплее: запись программы в ОЗУ с пульта оператора; 'поиаговое выполнение программы; автономное выполнение программы:-просмотр и изменение содержимого ячеек памяти и регистров микропроцессора кшо^Вб: останов программы на текущем адресе программного счетчика. Во втором режиме предоставляется доступ внешней ЭВМ к ресурсам СТЗ.

Ниже приведены нарактеристики блочно-модульной конструкции разработанного опытного образна СТЗ. •

Устройство ввода-вывода работает с полным телесигналом от видеокамеры и выполняет бинаризацию и ввод матрицы изображения размером 256x256 элементов в реальном 'масктсбе времени. то есть за йО мс. У данного устройства имеется возможность подключения к тепе?! ктитору для просмотра и визуального контроля изображения на всрк этплан работы С'П. В этой связи У5В выпает рчд соотврт.тву^ сигналов дня ВП к т» г?>кгн;ггорэ.

гИ<но№Ш рид?спг«н;,.зсс1р ге-пмзует огшегмч"."; не-т','.: м->■;• -

H2,':nou /.о:;алыюй &№wm::u. Устсойстео солор^л? 44 кнтег г-эгоьгк скйш малой и сгчдаей степени интепэащии резотазт в ргазьнэп кзгьпгзбо времени на частоте 12 Игц, обеспечизаэт обработку изображения со скоростью 6 Мбит/с.

' Специализированный вычисли гель состоит из процессорного молу-ля. выполненного на микросхемах KP1810BM8S, КР18Югае4.' К583ИР12, i'55'sanie. К155ШИ, иопш постоянное"! памяти информационной емкость» 8К.5, модуля динамического ОЗУ информационной емкостью 128к0, контроллера динамической памяти с малыми потерями времени на рз-генераиию, контроллера клавиатуры и светодиодного дисплея, схему пошагового • выполнения программы. Тактирование микропроцессора осуществляется частотой 4 Игц. доступ к системной шинв . рэгул-ь рует)ссхема арбитра магистрали.

Аппаратура CT3 конструктивно собрана в корзине размером 435x295x230 мм. Она представлена четырьмя основными Функциэ-. нальннш монтажными платами устройств - специализированного вычислителя, видеопроцессора, устройства ввода-вывода, видеоОЗУ. а таккя имеет плату стабилизированного источника питания 12в(1а), 24вС0.3а), стандартный источник питания 5вС22а) тапа ЕР-02.16 и четыре вентилятора вв-2 для поддержания необходимых температур-; них условий работы СТЗ.

Проверка работоспособности макетного образца стз производи-; лось на примере решения задачи вычисления параметров отверстия, расположенного в Фокусе камеры KT-2-2, которая имела объектив с-увеличением 1:200,- давала разрешающую способность 5мкм. Результаты экспериментов с СТЗ по определению координат центра и радиуса реального отверстия оказались следующими: повторяемость измерений не хуке 0.01мм: время обработки одного кадра о, 22с, где на интервал в 20 мс приходится ввод изображения в видеоОЗУ, на -интервал в 140мс - предварительная аппаратная обработка матрицу изображения, а на бомс - заключительная программная обработка по. расчету параметров изображения.

р приложениях к диссертации приведены акты внедрения результатов работы, тексты программ для моделирования функционирования промышленного робота FW-01 с системой технического 'зрения, программы расчета центра масс контура изображения для специализированного вычислителя, программы монитора и обработчиков прерываний СБ, принципиальные электрические схемы модулей бинарной СТЗ.

Автор выражает признательность д. ф. -м. н., доц. Пенькову В. Б. за консультации по вопросам-механики манипуляторов.

Основные результаты и ьшояы

1. разработана полная математическая, модель динамш« многофункционального сборочного робота, инекмего ыесть степеней подвижности и соответствующее количество контуров ' автоматического уп -равления, которая учитывает характерные нелинейные характеристики сервоприводов, взаимовлияния зееньев, дискретные характеристики цифровой системы управления робота.

2. На базе полной модели построены упрощенные математические ыодели ПР различного уровня сложности, соответствуйте двум основным режимам Функционирования робота в технологическом процессе сборки: позиционирования и слежения за контурам.

3. Разработана математическая модель системы технического зге- ' имя на основе статистической обработки результатов ее точностного функционирования при различных вариантах обработки визуальной информация.

А. Путем анализа совместного режима работы сборочного ПР и стз показана возможность объединения их математических моделей и в результате получена комплексная модель сборочного адаптивного РТК с стз в качестве видеодатчика плоскостного положения схвата.

5. Выявлены оснивные Факторы, влияющие на точность позиционирования манипуляиионного робота, такие как. люфт, сухое трение, .деформационный прогиб звеньев.

6. Разработан способ компенсации погрешностей позиционирования и контурного слежения ПР с помошью системы технического зрения, базирующийся на комбинированном управлении по внешнему возмущающему воздействию.

7. определены условия применимости .системы технического зрения в контуре управления манипулятором, касашиеся времени его переходных процессов, величин- люфтов и сил сухого трения в звеньях ПР, размеров зазоров между собирамыми деталями и разре-цашей способности СТЗ.

8. в результате многократного моделирования совместного Функционирования сборочного ПР и ■ рассматриваемой СТЗ установлена принципиальная возможность существенного улучшения точностных характеристик. позиционирования робота с применением визуальной обработки инСРормаими о состоянии механосборочного процесса, а так !;-:е повышения точности контурного слежения при выполнении условий базирования СТЗ.

9; Осуществлен выбор структурной схемы лромишленно ориентированной бинарной СТЗ, включащой в себя устройсге ввода-вывода, видеопроцессор'и вычислитель характеристик изображения.

10. FVPP-TüT .ИМ Э^ЮКТИРНК' фильтры ДЛЯ катода ло-

¡v.titynt £!Ш.гт>а«...н при предварительной обработке изображения и r;:.7 'пгчгизссоре. позволявшие существенно сократить время обрлйт-!М! без vKwnnmw результатов Фильтрации.

П. Разработаны бнстродействуртй алгоритм и программное oScc-шченив для вычислителя геометрических характеристик изобраяэны круглоП летали пои сСоркр легален типа "вал-втулка", программно1? обеспечен!;?. упрозлякыее работой подсистем стз и обеспедазаше? работу с участием опэратора или под управлением внешней ЗБМ. 1?.. создан опытнкй образец бинарной системы технического зрения использованием блочно-молулыюго принципа построения аппаратур-: ля работы в гсальнои масмтабе времени.

Публикации по теме диссертации i. Пгтрукин Н. Ф., Зайчиков и. R., Цудиков М. Б., Могильников п. в. Комплекс обработки телевизионным изображений. //Приборы и сетями улпавгения.- М-: Машиностроение, 1990.-е. 47-55-.. г. Лртрухин В.О., зайчиков И.В.," Могильников И.В. Моделирован;:.? алгоритмов предварительной обработки бинарных изобраявний в роботетехки1 i?cmx систеыэя. //Моделирование и оптимизация систем автоматического управления и их злементов/Тул. политоп::.' ин-т. - Тула, 1930. - с. <10-45.

Петрухни Н.Ф.. Зайчиков П. Р. Система технического здания дг.^ премкиенкого применения в робототекническик комплексах. //Тезисы докладов, v Есессюэное совещание по робототехничест.: система»,¡. Москва: институт проблем механики АН СССР, ВИНИТИ ан СССР. 199О г. - 4.1 - с. 186-187. А Зайчиков И. В., -Нукдихин В. Г. разработка обобщенной математической модели манипуляинонного робота с системой технического зрения в составе робототекнического комплекса сборки. //Машиностроение, приборостроение, энергетика.- М.: МГУ им. МБ.Ломоносова. 1995. .-с. 190-?02. 5., зайчиков П.в., нуяшнхин В.Г. Цифровое моделирование многофункционального робототекнического комплекса сборки с системой технического зрения //Системы автоматического управления и их элементы. Сборник научных трудов. /Тульский государственный техн. ун-т. - Тула, 1995.- с. 161-173.