автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование процессов роботизированной сварки, с учетом технологических погрешностей свариваемых деталей

РГ5 О*

"Я ямт ГМС?

На правах рукописи .

Лимаренко Денис Павлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СВАРКИ, С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.13.07 Автоматизация технологических

процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2000

Работа выполнена на кафедре «Робототехника И автоматизация проюводст-вн» в Тульском государственном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.Г. Нуждихин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Д. Киселев;

доктор технических наук, доцент В.М. Панарин.

Ведущее предприятие: АК «Туламашзавод»

Защита диссертации состоится «_»

2000г.

о_часов, на заседании диссертационного совета Д 063.47.04

Тульского государственного университета по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92 (учебный корпус №9, ауд. 101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «__»

2000г.

> ченын секретарь диссертационного совета л.т.н., профессор

В.М. Мазуров

641.510,2-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Традиционные методы механизации и автоматизации производства, основанные на использовании поточных и автоматических линий, а также различных специализироаавдых установок и приспособлений, эффективно используются главным образом в условиях крупносерийною производства. В то же время основная масса сварных изделий выпускается в условиях серийного и мелкосерийного производств, где осуществить комплексную механизацию и автоматизацию традштонными методами обычно йе удается, следствием чего является низкая производительность и большие затраты ручного груда.

Наиболее эффективно измелить сложившееся положение с автоматизацией сварочных работ могут гибкие производственные системы с использованием промышленных роботов. Одной Из наиболее характерных особенностей сварочного производства, сдерживающих до сих нор 'широкое применение автоматической и роботизированной дуговой сварки, являете^ наличие технологических погрешностей при позиционировании деталей. Погрешности часто превышают допустимые значения, .'для данной разновидности' дуговой .сварки л прооранствекной ориентации шва, что ухудшает качество сварки.

Решение проблемы повышения надежности сварки может быть обеспечено за сче1 оснащения оборудования для сварки средствами адаптации, позволяющими автоматически измеряй, случайные смещения линии соединения свариваемых заготовок от расчежых [раекюрип движения сварочной горелки и автоматически корректирован, ин траектории. Средства адаптации позволяют также устранить смещения, иояшшошнес)) уле в процессе самой сварки из-за термических деформаций, . '".'"'"

В связи с изложенным, актуальной является задача исследования влияния технологических погрешностей шгогогшення. II позНций!трования детален на качество роботизированной дуговой сварки, с Дальнейшей выработкой рекомендаций но усовершенствованию данного процесса.

Обьешом исследования диссертации ' является адаптивный роботизированный сварочный комплекс. . "-

Предметм исследования диссертации ¡годадотся параметры адаптивного роботизированного сварочного комплекса, влняюйзде на качество сварочного Процесса; ' ' ' ' - ■

Целью работы является повышение качества роботизированной дуговой сварки за • счет повышения эффективности управления оборудованием ¡1 использования средств адаптации манипулятора робота к погрешностям нозшинтир'овшшя свариваемых'де галей. '.

• . Методы исследования. При разработке математической модели Р'П( дуговой сварки использовались Методы геор^и сигналов, теории автоматическою управления, а также теорня-факт0рн01 о жеперимента. '

Па защиту иыноппся:

метод, ностро^нияг обобщенной . мате мата чес кой модели адаптивной) робоготехиичегкого комплекса дуговой сварки, сочетающий аналитическое моделирование динамики многозвенною маштулягора с экспериментальными исследован нами функшижйрования ¿исгемы сле-ьения за стыком сварниа-ыпч

деталей; . ' . * ' ■!

методику построены математической модели функционирования видеосенсорной системы, принцип действия которой построен на обработке отраженного излучения, как элемента математической модели функционирования РТК дуговой сварки;

метод построения динамической модели многостепенного манипулятора; методика определения степени влияния различных факторов роботизированного сварочнот о процесса на точность слеженш роботом с системой адаптации за стыком.

Научная новизна:

построение обобщенной математической модели функционирования робототехнического комплекса дуговой сварки на базе ШестНстепенного манипуляционного робота и системы адаптации, использующей фотоэлектронный способ определения величины отклонения сварного iiísa ут заданного положения;

разработка математической модели функционирования ьидеосенрорно'й системы поиска сварного стыка, принцип действия'которой построен на обработке ртраженного от поверхности детален излучения; .

получение зависимостей для оценки влияния параметров роботизированного сварочного процесса на точность слежения роботом с системой адаптации за стыком свариваемых деталей с помощью факторного анализа. Практическая ценность» реализация результатов. На основании поведенных ¡«следований и разработок показана возможность осуществления роботизации дуговбй сварки деталей и уЗлоц яототехшжи ' с применением средств адаптации. ' •

Разработана система компьютерного ■ моделирований на ЭВМ функционирования ро'битотехнического комплекса дуговой ■ сварки, с целью анализа влияния на сварочный процесс погрешностей-изготовления И установки детален.

Выработаны рекомендации по изменению конструкций рам мототехники, выпускаемой АК «Туламаитвод», для обеспечения их пригодности к роботизированной сварке.

Диссертационная работа выполнена и рамках хоздоговорных. НИР по темам № 13501 «Роботизация сварки рамы грузового мотордалера», № 92-603 «Разработка технического проекта семейства- грузовых 'мотороллеров», шсбшджетной НИР «Разработка методов автоматического - проектирования* высокотехнологичных, и условиях гибкого . роботизированного производства, несущих конструкций семейства грузопассажирских мотома'шии с дизельными -двигателями». Важность народно-хозяйственного значения данной работы подтверждается включением ее и тематику отраслевых и межотраслевых опытно-' конструкторских и научно-исследовательских работ.

Результаты диссертационной работы используются АК «Туламанпавод» при разработке новых конструкций мототехники и других видов продукции Апробации работы и Публикации.

Результаты, исследований и разработок-Докладывались ,на Международной п. i .lio технической конференции «Приборостроение - 97» (Винница - Симеиз.-' I"". i.), на'Всероссийской научна-технической* конференции «Компьютерны!. п'Ч1ыдоп1н и'соединении материалов» (Туда, ÍV98 т,),-,на «кешдных научно-кпиичсских конференция^ профсесорско-п]1еподлв,*!т.е^|.ского состав» 'I улГУ.

По теме диссертации опубликовано б рцбог. - -.*.'• ' • * .

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит im введения, четырех разделов, заключительных выводов, списка использованной лигершуры и приложений Рабата изложена на 137 страницах основного тес га, содержит -Iii рисунков, 16 таблиц, библиографический список из 57 наименовании, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По введении излагаются общие проблемы автоматизации сварочною процесса, обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследовании и приводится краткое содержание работы.

В первом разделе приводится ашиптз систем и методов в облаем и управления процессами дуговой сварки. Процесс сварки, как и любой другой процесс, протекает в тесной взаимосвязи с окружающей средой. Изменения в окружающей среде вызывают параметрические изменения в сварочном процессе В автоматике такой процесс называют возмущенным. Возмущения приводят к появлению недопустимых дефектоз сварного шва.

Приведена классификация возмущений сварочного процесса и показано влияние возмущений различного рода па качество сварного шва. Различные но физической природе возмущения прикладываются в разных точках сварочного контура источник питания-дуга-нзделие, влияние одних возмущений на nponcci. сварки может быть ослаблено или относительно легко устранено путем их измерения и компенсации, устранение других связано с определенными трудностями. Наиболее сложно компенсировать влияние возмущении, приложенных к цепи дуга-деталь, поскольку их влияние ие ослабляется с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки. Г некоторыми допущениями эти возмущения условно можно разделить на две группы: конструктивные и технологические. Конструктивные возмущения обусловлены конструктивными особенностями сварного соединения. Влияние конструктивных возмущений выражается в изменении условий теплопередачи п перераспределении тепловой мощности сварочной дуги между деталью и окружающей средой. Технологические возмущения возникают в основном при неточностях в сборке стыка, приводящих к изменению зазора между свариваемыми кромками, формы и размеров разделки кромок, смещению кромок, шмет-ниш степени прилегания формирующей подкладки по длине стыка. Юпр;ш, ¡:, конструктивными и технологическими возмущениями в процессе сварки затруднен.

В условиях роботизированной сварки совместное воздействие j ьизашп.и возмущений вызывает существенные случайные отклонения липни сопряжения свариваемых элементов и геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, от расчетных В тех случаям, когда ука^пнпмн отклонениями нельзя пренебречь, необходимо применение меш.кв и сред "¡и автоматической корректировки траектории дпижения сварочной) ип.-фу.чепга ошосшелыю изделия (т.е. тшетрической алашаинМ н пчрампр.т p¿-um сварки (г е 1ехно!тгической адатацчи)

Наибольшие ограничения на область применения роботов для дуго с парки оказывает отсутствие шш недостаточность их возможностей по адаптаци случайным отклонениям от программных значений положения линии сопряже: сиарикпемых элементов и геометрических параметров кромок, подготовлен! под сварку деталей.

Выбор принципа измерения положения свариваемого соединения используемого тила сенсоров на практике производят исхода из типа свари соединения, габаритных размеров свободного пространства в зоне, прилегающе соединению, материала изделия, характера его поверхности и кром подготовленных под сварку, особенностей технологического проце илоювлепш изделия, а также исходя из возможностей системы управления.

Так как сварочные роботы являются достаточно универсальными и ле перепрограммируемымн технологическими машинами, то для них наибо предпочтительными являются такие принципы измерения, которые в сочетшш соответствующим программным обеспечением дают наибольшую универсально измерительных средств.

В этом смысле наиболее перспективными являются видеосенсор! системы, построенные па фотоэлектронном принципе поиска стыка свариваен деталей.

Показано, что основными преимуществами указанных сенсорных сис-

яшшотся:

- отсутствие механического контакта с деталями;

- высокое быстродействие;

- возможность изменения размеров освещенных участков поверхш денши;

- нечувствительность к виду свариваемого материала;

- возможность получеши информации не только о линии стыка, но и о форме;

- универсальность, которая позволяет использовать их при короткошов! сварке.

Все это позволяет в данной работе рассматривать в качестве сиси адаптации сварочного робота видеосенсор, действие которого основано на анал уровня освещенности в зоне стыка. '

В этом случае, одним из основных признаков, позволяющих выявить ст является наличие зазора в месте сопряжения свариваемых деталей. ТрадициО! используемая схема измерения заключается . в следующем. На поверхис направляется световой луч, сканирующий поперек стыка. При прохождении л через стык интенсивность отраженного от поверхности детали светового пот< воспринимаемого фотоприемником, уменьшается, поэтому можно сделать выве нахождении в данный момент времени луча над стыком. Координаты стыка в э случае определяются через известные координаты излучателя.

Главное требование, предъявляемое к источнику излучения, заключаете создании им на поверхности металла уровней облученности значительно бо высоких, чем электрической сварочной дугой на такой же поверхности. Истом! соответствующий такому требованию, должен или обладать высокой мощное нщученпя, или работать вне спектра излучения электрической сварочной дуги, излуки ь в узком спектральном диапазоне, в пределах которого мощность

излучения значительно превосходит интенсивность излучения электрической сварочной душ. Последнее условие выполняется при использовании маломощных лазерных ичнучатcJieií, среди которых выделяются полупроводниковые лазеры, обладающие достаточной мощностью нзлучешш при малых габаритах излучателя. Полупроводниковые лазеры, на поверхности металла вблизи стыка на расстоянии нескольких сантиметров о г сварочного электрода создают облученную зону с заранее заданным распределением уровней облученности. Для отстройки ог помех, создаваем» IX электрической сварочной дугой, применяются узкополосные шггсрфсрекцнонпые светофильтры, позволяющие обеспечить необходимое соотношение полезный сш нал - шум.

Наиболее предпочтительным способом опенки погрешности слежения робот со средствами адаптации за линией сварного шва является математическое моделирование, т.к. позволяет проводить исследование функционирования РТК сварки при различных вариантах нарамецюи робота, средств адаптации, размеров и допусков собираемых деталей. Это позволяет без создания различных вариантов от,!!т,1х обра шов [ПК осуществи!i. на модели правильный выбор всего техноло-(1!'н':,'к<ио оборудования а определите параметров средств адаптации,' используя количественную оценку о разбросах выходных характеристик изделия.

I.ikhm обрашм, да я повышения эффективности и качества робот лфоьанной дуювон ензрьи со средствами адаптации и для исследований дайною процесса необходимо решить следующие задачи:

paipai'.ora'ib математическое описание функционирования видео1е1и.орш!Н системы, построенной на фотоэлектронном . принципе раеиоиитанпи с шка свариваемых деталей;

соч/м'ь математическую модель роботогехнического комплекса дуговой сварги со среде) вами адаптации, использующие видеосенсорный датчик положения сварочной горелки робота;

дедшь етет-ш, влияния различных факторов на точность слежения роооюм с системой ацатации ).. стыком свариваемых деталей,

определить условия, при ко юры* возможно применение видеосенсорной сноемы, оенотшнон нафотзлекгронном способе определения отклонения стыка;

на основании роупьтакш компьютерного - моделирования выработать iехнопошческие требования к,свариваемым тделиям.

Но »юром разделе paipaooiano матемаптческое описание функционирования нидеоссиеорнои сиоемы, принцип действия которой построен ил обрабоп.е отраженного шлучення. Разработан фотозл?кгро.нный iqicoOj/auiiiaienb. обеснечнваюшнн преобразование отраженного излучения в опиаты, характеризующие положение сварочной горелки относительно стыка. Нредс тазлен шггоршм. обеспечивающий' погме ешка при неоднородных о грая »тельных свопе шах поверхностей спарнияепых деталей. Иоироенная модель видео. еисерной системы, пригодна для втточения ее в • комплексную магматическую модель адащивного 14,, ен.тр'.<и

Математческое описание функпнониро.зянни нндеосенсорнон системы уинпации оенпваш» ira расчете облученное! и пом'рхиоста металла лазерным-и<ч\ чателен.

Большинство типов лазеров создают на поверхности, перпендикулярной к оси пучка, уровни облученности, с достаточной степенью точности описываемые законом нормальной распределения

' m = E^xpf-b'), ' (î)

где Е(г) - облученность участка поверхности металла, находящегося на расстоянии г от оси пучка;

Emu - облученность поверхности металла на оси Пучка; ' к ~ коэффшйент, характеризующий быстроту спада кривой. Полное значеяие падалЬЩей на поверхности изделий энергий -

Тогда

Ф =] Е(т)2жг dr - n'r.Em

о :

H

Pile. 1. Схема облучения расходящимся лазерным

пучком поверхности изделия ;

Согласна выражению (1) зффектшшая площадь облучаемого' учаегки поверхности tipil E(r) Emix ~ const

а эффективный радиус

....••': №. . ■ .' ; . ■ Угол между осью пучка ц eio крайним лучом . ' ,

"' ' (-J ~ ai'vtg r-,.,Js.' Ч ' ' . '.'■ ; V-!

rae R - расстояние rio оси пучка or излучателя'аг» облучаемся iíoi4'|i,4¡i;'Cin.

При малых углах & выражение (2) приобретает вид

в-г^'Я О)

Выражение для коэффициента к с уметом соотношения (3) имеет вид

к1'(Пг 9г). 14 j

Величина эквивалентного телесного угла, в котором облученное и. поиояши и равна максимальному значению

О = 4ж sin3(в/2) ~ лв2.

Максимальная облученность поверхности изделия ил оси пучка /кнера

ВД = Ф (ПК2) = Ф'(лв2П7). (5)

Подставляя уравнения (4) и (5) в (I), получаем

E(rji) - Ф(71вгК2) ехр^.в1^). (t>)

Нсли нормаль к поверхности изделия и ось пучка oopaiyioi утл ш выражение для расчета облученности примет вид

, J£ÍV-y>¿

ФСОХ (flj

E(r,R) =---у—-Г1-------* <У ,

К0 Н" cas'(íp - tpi)

к

i де Н - высота расположения лазера над поверхностью металла;

Ч>, - угол, который образуется линией, соединяющей лазер и рассмлцмш.кмин участок облученной поверхности, и нормалью к этой поверхности

<p¡ = arctg r/П;

г, - расстояние между проекцией лазера на покерхноиь mciu.'ihü а рассматриваемым участком облученной поверхности:

f¡Muu¿>\ S l'lMM,!

Н ig(y к); 1~)л<ап "11 ¡%(<P 1 a)i и - угол расходимости пучка лазера.

Над облученным участком иоверхпосш меишла в панран теши, перпендикулярном к стыку, фотоприемник совершав i сканирующее дшгкение При прохождении над стыком амплитуда выходного пинала фогонриемнпка пршшмаш наименьшее значение, гак как облученность н за юре смака пампою мспыне, чем нт поверхности металла, прилегающею к стыку. Оирелечгние иоио.кс'ння силка производится посредством фиксации «нмпучьса стыка), временное ното.ките ко юрого соответствует нахождению фогонриемнпка ючно над стыком Координаты стыка определяются следующим обра и»т

rr,„ хн Alcusa, Ут, - \\ 1 Al una,

пи: l'„. - координаты ШЧН(, OlfinCillL' Т НО MKi.pOÜ фи iOHJTU'Mmii. осу ик'гпм-и.'Т сканирующие перемещения,

с. yiiiii лежту пинией дпилжнич ф'ноирн-'птп. ¡ ¡i Tiii.ntí/ г и 1л

Л - расстояние, на которое смещается фотоприемник с момента прохождения средней точки до момента фиксации «импульса стыка».

При движении фоюпрнемника с постоянной скоростью i',¡.(l) сопи

где I/ - момент фиксации импульса стыка;

1г~ момент прохождения фоюнриемником средней точки

При движении фотоприемника по закону

1ф(1) = A sin cút,

i де А - максимальное удаление фотоприемника от центра направляющих; а> - частота сканирования, равная 2л/Г„; Тск~ период сканирования фотоприемника. Значение di определяется по выражению

l,¡.(l) dt = - — ( eos caí; -ú>

COS Wti).

(8)

Л1- [

'I

Порядок работы устройства выделения импульса стыка следующий.

Выходной сигнал фотоприемника, пропорциональный коэффициенту траления от поверхности металла (при равномерной облученности этой поверхности), усиливается и поступает на интегратор и суммирующее устройство. Интегрирование выходного сигнала фотоприемника продолжается в течеииу полупериода сканирования. Моменты начала и окончания интегрирования, а также обнуления интегратора определяются генератором контрольных импульсов, который формирует импульсы в моменты нахождения фотопр.чемника в наиболее удаленных от средней лшши колебаний точках.

Значение выходного сигнала интегратора при 1=772 определяется выражением:

U/t)

U.(T/2)

US

Фошпри- Нч г Элемент Е Пороговое

емник г!/ ■р ! Ключ - > памяти -* устройство

и;ь

Генератор контрольных импульсов

Рис, 2. Структурная схема устройства выделения «импульса стыка»

7 Т/2

IIS(T,2) - ~ ¡ иф(1) dt. (9)

1 о

Эю значение соответствует некоторому усредненному коэффициенту ij.íu.íHiw поверхности моалла.

1ерез промежуток времени Л/ - Т/2 открывается ключ и нышдгюй сигнал зтора переписывается в элемент памяти.

:1а выходе суммирующего усзройсгваприсутпвуег сигнал вила

Щ1)=иф(0-и,(Т.'2), (10)

i разности между текущим н усредненным за иолупериод сканирование няни выходного сигнала фотоприеминка. При прохождении над силком на : фотоприемника сигнал Ut(t) претерпевает значительное ишенение. iBoe устройство осуществляет сравнение сигнала | Uc(t) i с некоюрым д заданным значением, соответствующим надежной фиксации «импульса . Величина задержки определяется временем, необходимым для обнуления зтора.

3 условиях высокоскоростной сварки для определения координат стыка в ом масштабе времени необходимо с такой же скоростью перемешать шую часть измерительного устройства вдоль стыка. При использовании ующего движения, необходимого для просмотра прилегающих к стыку ностей, следует обеспечить сканирующему элементу значительно более то скорость.

Разработанный видеосенсорный датчик, имеет повышенное быстродействие, риимчив к воздействию излучения электрической сварочной дуги и твителен к неоднородностям на поверхности деталей.

Эднлм из основных элементов видеосенсорнон системы является ектроннын преобразователь, который преобразует отраженное излучение в , характеризующий положение сварочной горелки.

3 состав устройства вход".- блок фотоэлектрического преобразования ов, выполненный в виде линейного фоточувствнтедьного прибора с вон связью, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирователь .к сигналов, блок памяти и блок управления.

Аппаратная часть видеосенсорной системы, построенной на основе 'вствительного прибора с зарядовой связью, кроме вышеуказанных свойств, ет следующими характеристиками: возможность соединения с rJÜM, шие напряжения питания, малые Габариты и вес.

Лоиск стыка в условиях сложного фона (ржавчина, масляные пятна, гряи,, ны, вмятины на поверхности деталей) целесообразно организовать |щим образом. Выходной сигнал фотоприемника, изменяющийся во и, должен, быть разбит на участки, в пределах которых его среднее значение ;с значение коэффициента отражения) сохраняется относигелыт иным. На каждом из этих участков необходимо определить среднее значение а и его дисперсию и на основе этих данных сформировать пороговое не для каждого участка.

Реализация такой процедуры поиска потребовала рафлботкн специальною ша.

3 основу разработанного алгоритма рапезечич ы полного он нала »немника х(1), 0<1< оо на однородные участки по,юл,сна процедура сравнения сигнала, усредненного в пределах участков определенной "длины Дтшм о участка Axt сохраняется постоянной на протяжении fuero ирсмип» тки, а длина второго участка (именяегся. Эш и(чсксикх определяют«.* 1см больших неоднородностсн на (ынермикш ме га пл. i е Jr; wir, прнчс-.<

Л Г; - Лг2 в процессе обработки выходною сигнала фогопрнемннка приис: формирование сигналов:

1

*.м(0- 1.П, .( х(,/М; (11)

1~Ат1

1

! -I:, ] х(0Л; (12)

г-Лг2

лх(1 ^¡,2) (13)

А т1 ^----

__ 2

Ах'(I ~ Л'г'2) =" I Лх2(1-Лт1/2)Ш. (14) 2

Сигналы, определяемые по выражениям (11) и (12), представляют < усредненные характеристики на интервалах .Л г; и Атг. Так как/)т/ > Ах2, то пе сигнал в условиях неоднородного фона подвержен большим изменениям, второй. Формирование сигнала, определяемого их отношением, позволяет оц: щи еиспвность изменения:

Кш„,(0"-х^,(1)'хм(1) (15)

В каждый момент времени данное отношение представлено безразмс ьели'ншой, которая в сопоставлении с некоторым заранее заданным урс позволяет зафиксировать окончание одного и начала другого уча отличающихся относительно постоянным значением сигнала х(11 в нре; каждого из них. Момент обнаружения стыковки двух участков служит оконча текущею и одновременно началом последующего интервала

Н третьем разделе построена математическая модель дина функционирования шестнстененного промышленного робота. Посредс цифровою моделирования проведено исследование совместной работы, в со ПК сварки, манипулятора и системы коррекции положения сварочной гол Исследовано влияние параметров колебаний электрода и разделки ешь динамические и статические характеристики системы слежения.'

Математическая модель шестнстененного промышленного р. посушена с использованием решения обратной задачи кинематики, п разоиания утлових положений звеньев в управляющие электрические сиг снуемы управлении, интегрирования динамической модели электропрш чвешев, решения прямой задачи динамики для машшуляционной снеге! задачи о положении рабочей ючки манипулятора.

Д1Я шеетистепенио1Ч) маннпуляюра обратная задача кинемапнш 1 несколько реыенпй По аналогии с 1еомегрией человеческой руки и в зависни от нототения звеньев дай шссиюсншо манипулятора, в частности Р1 (.у шьс гнус г четыре pai.4ii4in.b- решения обратной задачи кинематики для пе |]>1х сочлсненив и кг.лдощ ш эшх чепарех решений соошетспзует ис .нвиитН! 1\ р1'|1)'^ии,1 И'Ы косл.-дних грм сочленений. В качестве выора1 ¡и;и'.н..| И(.шик рг. 1и(чш;, при кли.ром гонфшуранш: робот нснып

:сгвенцое воздействие силы тяжести и взаимное влияние звеньев, то есть ■мшиет положение вмтчнугой рукн.

Тогда для выбранною решения обратной задачй кинематики, уравнения и вектора положения рабочего органа (горелки) и обобщенных координат - уг-юворита степеней подвижности - представлены ниже:

fl--- arcan (sm/"l((xd-xsJ2 + (yd-}'s)2) J+ '

. (16)

¡2- - ai ccos ((zd-zs-ll)/JW - V + (} J - ys)7 + (zd - 2.? - ll)2 - sm2 )) + i anro,s((l.U-122-(íxd-xs)2i(yd-ys)2'i(zd-zs~!l)2-sm2)j/ . (17)

(-2*nA(xd - xsf 4 &<* - У*)2 + (zd - zs-ll/ - sm3 p.

¡í-~~7t i anvfísffí(xd-.xs)2 i (yd-ys)2 ^ (zd-z.4-ll)2-sm2)-l22-l 32)/ (■2*122*112)); (18)

/)■ arelan (¡ys*cos(ql)-xs *si/i(ql)).'

'f\s*cos(i]I) *cos((¡2+i}3) >ys*!:in(t/l)*cin(y2t-<]3)izs*siri(q2+q3))J; (19)

]5 a>-cum(xs*{cosíql)*cos(q2't q})*cos(q-t)-.<m(ql) *s¡n(q4))±ys(sin(ql) *

:os(q2-> <]3} *cus{q4) + c0s(ql) *sin('q4)-zs*cas(q4) *sin(q2Jrq3))) !.

'fxs +cos(ql) *s:n(q2 t q3) tys*sin(ql) *sin(q2+ql)+zs*cos(q2lrq3)); (20)

76-' 0; ■ (21)

ql - i/6 - обобщенные координаты манипулятора; xf, )'5, zs - декартовы 1ДПНЛП.1 точки сварки в инструментальной сноеме координат (ориентация лкн); л/, >'</, zd - декартовы координаты точки сварки в .основной системе гга; 11, 12, 13 — длины 1, 2, 3 степенен подвижности робота;.ш - расстояние :кос1и вращения 3 звена до оси вращения 1 звена.

Электрические сервоприводы, обеспечивающие силовое Воздействие на шулятшш.ую стлему робота, являются узлами, по многом определяющими ' locib функционирования робота с применением системы адаптации, tíiMyiomcH в качестве источника информации параметры сварочной дуги С ом того, что рассматривается моделирование роботизированной сварки', мен с малыми геометрическими параметрами, дннпчичеекпя модель злек-к".кого сервопривода учитывает такие нажине, втиюшие из ючнпегнме i ¡агели »сего реюототехнического комндема. характеристики как сухое трение иематике привода, упру юсть н вязкость, тгофт в зубчатых соединениях Н качестве привода звеньев манипулятора выбран сервопривод постоянной: Математическую модель сервопривод i' мо-«ыт .црслсивнгь стел) кчкеи спой дифференциальных уравнений.

Тт &\Ш1 --(Ку(1Н»-КосЛп-К\>АпуС<:)Ст [Ы - Мп;

Ш- А1 (Сп-сШ<.10(Ап-Лы); (22).

Соответствующая ей структурная схема приведена на рис.3.:где: I) управляющий сигнал; Мп -" момент идеального привода; Л/и' .- мол1 обусловленный вязкостью и жесткостью редуктора; Л// - момент, обусловив!) силой сухого трения; МИ - момент, обусловленный силой вязкого трения; А угловая скорость "идеального лрив.ода; Ап - угол вращения привода, Л! -"-:

вращения привода с учетом пыфта в соединениях; /1и' - выходной уюд ьр.ши для реального привода; Кн -- сопротивление обмотки яюря двшатетя; Т, механическая постоянная времени двнкиеия; См - коэффициент передачи помещу привода; Си - коэффициент нротиво)дс привода; ./и момент ннер привода, Си - коэффициент жест тост привода, И\> - коэффициент вязкого грь редуктора привода, Jч момент инерции юн-рузкн; /Л - коэффициент передач! углоьон няоросш, Л'ш' - коэффициент передачи по у1 новому перемещению, звено киашования но времени.

Математиче.:юе описание да» ренннна прямой задачи 'днна\ машюу татра пизучено ш уранненш Лннелн ь.и терши ускорений.

(''X г{),; I 1,п

где Л' - )не|Ии* уск»|лньи обобщенное устор.дые, О, обобщенная сита.

В предегаьденни черм обобщенные »змр.чШмЫ. ежорппи и уск(-р< фуИКЦН Аиисля НрИНКМ.'Л'! ( иМУ|01<'.1Ш ВИД'

S = 0,5* It Л,/?) ■ ij,ijj.+ tfí.íqlí) ■ q, + C(q,q), (23) i^ij-l 1=1

: '/ - нектар обобщенных координат, Ч - вектор обобшенныхскоросген.

Вычисление коэффициентов АУ(Ч), В,((btf), С('I.ЯJ произведено по гортпму А.Ф. Верещагина, а определение энергии ускорений по формуле:

S = 0,5 • Ь>п, ■ a¿ + f ■ [Jci / ■ г, - (4- (fJci J ■ w, Ц } ■ e,), (24) i=/

; m, - масса звена, aci- вектор линейного ускорения центра масс звена, е,-ктор углового ускорения, w¡ — вектор угловой скорости, Ja - тензор инерции гна. Все указанные величины определяются в связанных со звеньями системами ординат. Затем на основе приравнивания (23) и (24) получаются коэффициенты , В/, С.

Путем решения этой системы уравнения методом Гаусса определяются >вьте значения обобщенных ускорений, а затем в результате интегрирования iBj,ie значения обобщенных скоростей и координат манипуляционнон системы

Представленные выше системы уравнений функционирования [деосенсорнон системы (1-10), алгоритма поиска стыка в услопиях сложною >на (11-14), электрического сервопривода (22) н манипулятора (16-21),(25) ¡разуют комплексную математическую модель адаптивного РТК сварки ^средством совместного решения этих систем уравнений проведено исследование ншння амплитуды ц частоты поперечных колебаний горелки робота, щлучтелч н шемника излучения, а также разделки Стыка на вид переходного процесса.

Проведешюе моделирование показало, что с ростом амплитуды колебаний тительность переходных процессов уменьшается. Это означает, что амплитуда шебаний электрода, в пределах технологических возможностей, должна быть зкеималыюй. Отклонение частоты поперечных колебаний от требуемой приходит затягиванию переходных процессов. Показано, что значительное отклонение штаты может привести к потере устойчивости системы В связи с этим .■обходимо, чтобы в системе управления нестабильность поперечных колебаний гектрода не превышала допустимой величины, определяемой полосой wпускания фильтра. При увеличении разделки динамические характеристики гстемы улучшаются, и продолжительность переходных процессов уменьшается, ри больших углах разделки стыка появляется значительное перерегулирование.

В "результате совместного моделирования сварочною процесса, уикцнонирования манипулятора и системы коррекции положения сварочной эрелки доказана возможность объединения их математических моделей и олучена комплексная модель сварочного РТК с системой адаптации, с пользую щуто сварочную дугу в качестве датчика отклонения сварного шва.

В четвертом разделе приведены результаты моделирования на 'ШМ даптивнон роботизированной сварки типичных шпон рам моютемшьи. ыпуекпемой Тульским машиностроительным заводом, р.нраоотани рекомендации о изменению конструкций рам для обеспечения их прнниностк » сботизнрованной сварке.

Проведен факторный анализ математической модели РТК сварки д выявления параметров, оказывающих наибольшее влияние на точность слея:ен роботом с системой адаптации за стыком свариваемых деталей.

Для решения поставленной задачи применен метод Саттерзвайта (или мет случайного баланса). Последовательный расчет позволил выполнить ранжирован шраме грев (табл. 1) и выделить факторы (переменные в математической модетн наиболее существенным образом влияющие на погрешность слежения за лини сварного шва детален. Выяснено, что фактором, имеющим наибольшее влияш является частота поперечных колебаний вцдсосенсора.

Таблица

Наименование фактора Вклад в

процентах

1. Частота поперечных колебаний 43

2. Величина отклонения линии шва 12,6

3. Коэффициент жесткости 2-го звена манипулятора 6,4

4. Коэффициент жесткости 3-го звена манипулятора 6,12

5. Амплитуда поперечных колебаний 6

6. Величина разделки 4,8

7. Скорость сварки 4,2

8. К-т вязкого трения привода 2-го звена манипулятора 3,6

9. Величина зазора между деталями 3

10. Коэффициент жесткости 1-го звена манипулятора 1,92

11. К-г вязкого трения привода 3-го звена манипулятора 1,71

12. Величина люфта 5-го звена манипулятора 1,6

13, К-т вязкого трения привода 1-го звена манипулятора 1,54

14. Величина люфта 4-го звена манипулятора 1,5

15, Величина лтофта 3-го звена манипулятора 1,2

16. Величина люфта 6-го звена манипулятора 0,3

17. К-т вязкого трения привода 4-го звена манипулятора 0,27

18. К-т вязкого трения привода 5-го звена манипулятора 0,26

19. К-т вязкого трения привода 6-го звена манипулятора 0,25

20. Величина люфта 1-го звена манипулятора 0,2

21 Величина шофга 2-го звена манипулятора 0,18

22. Коэффициент жесткости 5-го звена манипулятора 0,065

23. Коэффициент жест кости (¡-го звена шкнну шпора 0,064

24. Коэффициент жесткости 4-го звена манипулятора 0,063

Проведенная параметрическая оптимизация позволила определи 1>н1нмальн))0 частоту поперечных колебаний видеосенсора, обеснечнвающ, наиботьшую точность слежения за стыком.

Проведенный анализ конструктивных и технологических особенностей р; момиехники, позволил выявить общие особенности их конструкций На основан] ретулиаюв анашиа, а также результатов параметрической оптимизации, бы. проведено цифровое моделирование функционирования РТК дуговой сварки р; ».тплеиижн при различных 01 клонениях линий швов о г номинального по/южеш Оррсдеиеиы условия, при которых во можно применение сварочной д\ги ычеане дапнка поллла'ии* при сварке данных видов швов. При дашн

[«логических требованиях к сварочному процессу (частота н амплитуда •баиин члектрода) адаптивная роботизтГроЬ-чтая дуговая сварка возможна: при зазоре между свариваемыми деталями до Uní при углах разделки ст ыка 60-120°

при начальном отклонении лшпШ шва дв 1мМ, при угловом - до 10°. На ■ основании . результатов цифрового • моделирования, разработаны деоЯсення ñó повышению Texitojiorn-ntocrH конструкций рам Мототехники, [Назначенных для робпппнрогшпюй сварки. Установлены общие требования к олоИпносТй сварных узл<)в.

Внесенные изменения в конструкцию рам' обеспечивают нх пригодность к '1 юированпой сварке без снижения потребительских качеств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

:редло;кен метод построения обобщенной математтртеской модели ушатионирования робйтотехннческого' комплекса Дутовой сварки на базе есшсгепенного мв'тпТуляциошшгс) poodTa и системы адаптации, :поль?ующей фотоэлектронный способ определения положения сварного .ыка.

тзработана методика построения статической и динамической моделей щеосецсериой системы, пригодные для включения а комплексную ттематичсскуго модель адаптивного РТК сварки.

■яда на обобщенная математическая модель маиипуяяциопного робота, геющая соотоетсгвуюгеёе числу звеньев количества контуров управлешм, щтынающзя характерные нелинейные характеристики сервоприводов.

топедеж» исследование системы коррекции полржения сварочной головки 'средством цифрового моделирования. Исследовано влияние параметров лебаний электрода и сварного стыка Tía динамические ц статические рактернстики сист емы коррекции.

зраоотаиа методика определения степени влияния параметров на точность ежепия роботом с системой адаптации за. стыком ..с использованием кториого анализа полной шггематттЧеско.й-модели РЖ сварки. Указана з;мощность настроения оптимизационных', и проектировочных задач по зульзатам проведения факторного анализа.

юпедсно цифровое Моделирование фуикцийнирования PTIÍ .дуговой сварки ч моготехиикн при различных начальным и угловых отклонениях л(ший швов номинального положения. Определены условии,- при которых возможно имспсппе видеосенсорион системы, Принцип дейстиня которой построен на таботке отраженного от поверхностей деталей излучения

тановлены oomiie требования к , технологичности ' сварных узлов рил готемшкн (на примере'изделий Л!ч.«Туламашзаво'д»),предназначенных для юти.шрованнон ' ' сварки.' На. • основании результатов. .цифрового педнрования, разработаны .предложении- по- попьииению- технологичного! ютрукшш рам для обеспечения ид nps» одцосш, к и тированной евлркг.

8. Математические модели доведены до уровня программах модулей, котор: могут быть непосредственно использованы при разработке информаииош управляющей системы РТК сварки.

9. Результаты работы внедрены в А К «Туламашзавод» при модернизации участ роботизированной дуговой сварш рам мотомашин

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТеМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лимаренко Д.П. Автоматизация проектирования высокотехнологичн) несущих конструкции. // Междунар. цауч.-техн. конф. Приборостроение - ! Тез. докл. - Симеиз, 1997, -г Часть V. -0. 215-216. ..- . "

2. Борисов В.К,, Лимарецко ДП. Математическая ■ модель, процес роботизированной дуговой сварки. П Известия Тульского. государственно университета. Серия: Вычислительная технику. Автоматика. Управление. Том Вьшуск ^Вычислительная техника/ i9SJS..— С lj-25. •■ - - ;

3. Лимаренко Д.П. Компьютерное моделирование роротцзироваины* процесс дуговой сварки // Компьютерные техццлогйл в соединениях материалов; Т докл. 2-й Всерос. науч.-т?хн.к0нф.. Тула: Туя1:У, 1398. -p;::79-8Q, ;

4. Нуждихин В.Г., Борисов ;В К.,. Лимаренко Д П Моделирован функционирования адшттиогр нрйлшвдлённрго робота ррн дуговой сварке Сварочное производство.. - 1999.-.Кз 3.-21-241' '

5. Нужднхин В.Г., Лимаренко Д.П.. Разработка модел}! процесса дуговой свар для Системы адаптащш про^Ышце'щюго . робота /Г Автоматизация, современные технологии. 199Я - № 5. - С 17 -20.

6. V.O. NuzJidikhin, Г). P. Liniarenko. Modeling functioning of ail adaptive iridusti robot in arc welding// Welding -international 2(iÖÖ. -2000. -Ml'. P. 60-63. '

ВВЕДЕНИЕ.'.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО НАУЧНОГО Й ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ

ДУГОВОЙ СВАРКИ.!.

1.1. Анализ возмущающих воздействий при сварке.

1.2. Современные методы и средства адаптации сварочных роботов.

1.2.1 Тактильные электромеханические датчики.

1.2.2 Бесконтактные датчики расстояния.:.

1.2.3 Использование сварочной дуги в качестве датчика.

1.2.4. Видеосенсорные устройства.

1.2.5. Выбор системы адаптации для целей построения комплексной математической модели РТК дуговой сварки.

1.3. Принципы построения системы адаптации робота с использованием видеосенсорного датчика.;.

1.3.1. Система распознавания стыка свариваемых деталей.

1.3.2. Построение оптической измерительной системы, нечувствительной к излучению электрической дуги.

1.4,Оценка качества сварки и постановка задачи.

2. РАЗРАБОТКА ВИДЕОСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ НАПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ПО СТЫКУ.

2.1. Разработка фотоэлектрического преобразователя.

2.2. Разработка математического описания функционирования видеосенсорной системы.

2.2.1. Принцип построения системы обработки отраженного излучения.

2.2.2. Дискретизация сигнала.

2.2.3. Квантование сигнала по уровню.

2.2.4. Шумы квантования.

2.2.5. Оптимальное квантование и компандирование сигнала.

2.3. Математическое описание системы наведения сварочной горелки на стык.!.

2.4. Разработка алгоритма поиска стыка в условиях сложного фона.

ВЫВОДЫ.;.

3. ПОСТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РТК ДУГОВОЙ СВАРКИ.

3.1. Обобщенная математическая модель сварочного промышленного робота.

3.1.1. Структурная схема математической модели промышленного робота.

3.1.2. Математическое описание для решения обратной задачи кинематики шестиосного манипулятора ПР.

3.1.3. Математическая модель электрического сервопривода степеней подвижности ПР.

3.1.4. Математическое описание для решения прямой задачи динамики шестиосного манипулятора.

3.2. Получение упрощенной математической модели промышленного робота.

3.2.1. Определение возможности фиксации некоторых параметров.

3.2.2. Обоснование исключения взаимного влияния звеньев манипулятора.

3.3. Математическое моделирование функционирования РТК сварки.

3.3.1. Входные и выходные данные математической модели.

3.3.2. Исследование динамических и статических характеристик системы коррекции положения сварочной головки.

ВЫВОДЫ.

4. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ГИБКОЙ РОБОТИЗАЦИИ

ДУГОВОЙ СВАРКИ РАМ МОТОТЕХНИКИ.

4.1.Факторный анализ и параметрическая оптимизация при индетификации математической модели РТК дуговой сварки.

4.1.1. Планирование эксперимента.

4.1.2. Задача оптимизации.:.

4.2.Экспериментальное исследование процесса дуговой сварки с использованием видеосенсорного датчика положения.

4.3 .Теоретические исследования динамических и точностных возможностей функционирования РТК сварки со средствами адаптации.;.-.

4.3.1. Общая характеристика конструкций рам мототехники.

4.3.2.Моделирование адаптивной роботизированной дуговой сварки.115 4.4. Разработка предложений по повышению технологичности конструкций рам мототехники с целью роботизации ее сварки.

4.4.1. Общие требования к технологичности конструкций рам мототехники.

4.4.2. Разработка предложений по доработке с целью повышения технологичности существующих конструкций рам мототехники.

4.4.3. Анализ сборочного состава изделий и разделение на технологические сборочные единицы.

ВЫВОДЫ.'.

Традиционные методы механизации и автоматизации производства, основанные на использовании поточных и автоматических линии, а также различных специализированных установок и приспособлений, эффективно используются главным образом в условиях крупносерийного производства. В то же время основная масса сварных изделий выпускается в условиях серийного и мелкосерийного производств, где осуществить комплексную механизацию и автоматизацию традиционными методами обычно не удается, следствием чего является низкая производительность и большие затраты ручного труда.

Наиболее эффективно изменить сложившееся положение с автоматизацией сварочных работ могут гибкие производственные системы с использованием промышленных роботов [1].

Таким образом, объектом исследования диссертации является адаптивный роботизированный сварочный комплекс.

Из всего парка промышленных роботов примерно 11% выполняют контактную точечную сварку, 72% - манипулирование деталями на одной или нескольких машинах и 12% - напыление. Доля дуговой сварки промышленными роботами в роботизированном сварочном производстве относительно невелика [37].

Одной из наиболее характерных особенностей сварочного производства, сдерживающих до сих пор широкое применение автоматической и роботизированной дуговой сварки, является наличие случайных смещений фактической линии соединения свариваемых элементов от ее расчетного положения [38]. Эти смещения часто превышают допустимые значения для данной разновидности дуговой сварки и пространственной ориентации шва.

Дальнейшее расширение области применения автоматической и роботизированной сварки может быть обеспечено:

----------------путем повышения точности изготовления заготовок, их сборки под сварку и фиксации в рабочей зоне; | за счет повышения качественных параметров управления процессом сварки; за счет оснащения оборудования для сварки системами обратной связи, в частности средствами адаптации, позволяющими автоматически измерять случайные смещения линии соединения свариваемых заготовок расчетных траекторий движения сварочной горелки и автоматически корректировать эти траектории.

Опыт показывает, что первый путь в условиях сварочного производства пока трудноосуществим, поскольку для этого необходимо резкое повышение уровня заготовительного производства. Второй же путь не требует изменения технологии изготовления заготовок для сварки, а сами средства адаптации позволяют устранить не только смещения, вызванные неточностью изготовления и сборки заготовок, но и смещения, появляющиеся уже в процессе самой сварки из-за термических деформаций [17].

Таким образом, предметом исследования диссертации являются параметры адаптивного роботизированного сварочного комплекса, влияющие на качество сварочного процесса.

В связи с этим возникает задача исследования влияния технологических погрешностей изготовления и установки деталей на качество роботизированной дуговой сварки, с дальнейшей выработкой рекомендаций по усовершенствованию данного процесса.

Препятствием при этом являются сложность и высокая стоимость оборудования, используемого при исследованиях (роботы, различная аппаратура, технологическая оснастка), а также сложность самого объекта исследования.

Выходом в данной ситуации является компьютерно-ориентированое моделирование роботизированной дуговой сварки, с учетом погрешностей свариваемых деталей.

В этой связи нерешенными являются следующие задачи:

- методы формирования математических моделей средств адаптации робототехнического комплекса к параметрам свариваемых деталей;

- методы формирования математических моделей роботизированной дуговой сварки, включающей модели всех: узлов и блоков, формирующих соответствующие контуры управления, и учитывающих погрешностей свариваемых деталей;

- методы формирования математических моделей функционирования РТК дуговой сварки со средствами адаптации.

Целью работы является повышение качества роботизированной дуговой сварки за счет повышения эффективности управления оборудованием и использования средств адаптации манипулятора робота к погрешностям позиционирования свариваемых деталей.

Методы исследования. При разработке математической модели РТК дуговой сварки использовались методы теории сигналов, теории автоматического управления, а также теория факторного эксперимента!

На защиту выносятся:

- метод построения обобщенной математической модели адаптивного робототехнического комплекса дуговой сварки, сочетающий аналитическое моделирование динамики многозвенного манипулятора с экспериментальными исследованиями функционирования системы слежения за стыком свариваемых деталей;

- методика построения математической модели функционирования4 видеосенсорной системы, принцип действия которой построен на обработке отраженного излучения, как элемента математической модели функционирования РТК дуговой сварки;

- метод построения динамической модели многостепенного манипулятора;

- методика определения степени влияния различных факторов -роботизированного сварочного процесра на точность слежения роботом с системой адаптации за стыком.

Научная новизна:

- построение обобщенной математической модели функционирования робототехнического комплекса дуговой сварки на базе шестистепенного манипуляционного робота и системы адаптации, использующей фотоэлектронный способ определения величины отклонения сварного шва от заданного положения;

- разработка математической модели функционирования видеосенсорной системы поиска сварного стыка, принцип действия которой построён на обработке отраженного от поверхности деталей излучения;

- получение зависимостей для оценки влияния параметров роботизированного сварочного процесса на точность слежения роботом с системой адаптации за стыком свариваемых деталей с помощью факторного анализа.

Практическая ценность и реализация результатов.

На основании поведенных исследований и разработок показана возможность осуществления роботизации дуговой сварки деталей и узлов мототехники с применением средств адаптации.

Разработана система компьютерного моделирования на ЭВМ функционирования робототехнического комплекса дуговой сварки, с целью анализа влияния на сварочный процесс погрешностей изготовления и установки деталей.

Выработаны рекомендации по изменению конструкций рам мототехники, выпускаемой АК «Туламашзавод», для обеспечения их пригодности к роботизированной сварке.

Диссертационная работа выполнена в рамках хоздоговорных НИР по темам № 13501 «Роботизация сварки рамы грузового мотороллера», № 92603 «Разработка технического проекта семейства грузовых мотороллеров», госбюджетной НИР «Разработка методов автоматического проектирования высокотехнологичных, в условиях гибкого робртизированного производства, несущих конструкций семейства грузопассажирских мотомашин с дизельными двигателями». Важность народно-хозяйственного значения данной работы подтверждается включением ее в тематику отраслевых и межотраслевых опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ.

Результаты диссертационной работы внедрены на АК «Туламашзавод» при разработке новых конструкций мототехники и других видов продукции.

Апробация работы и публикации.

Результаты исследований и разработок докладывались на международной научно-технической конференции «Приборостроение - 97» (Винница -Симеиз, 1997 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 1998 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава ТулГУ.

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в числе которых 2 научные статьи в центральной печати, 1 статья за рубежом, 1 статья в сборнике научных трудов «Известия ТулГУ», 2 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем работы.

В первом разделе приводится анализ современного научного и технического состояния в области автоматизации процессов дуговой сварки, рассмотрены возмущения воздействующие на сварочный процесс, средства адаптации промышленных роботов к этим возмущениям, представлены принципы построения видеосенсорных систем и сформулированы задачи работы.

Во втором разделе разработано математическое описание функционирования видеосенсорной системы, принцип действия которой построен на обработке отраженного излучения. Разработан фотоэлектронный преобразователь, обеспечивающий преобразование отраженного излучения в сигналы, характеризующие положение сварочной горелки относительно стыка. Представлен алгоритм, обеспечивающий поиск стыка при неоднородных отражательных свойствах поверхностей свариваемых деталей. Построенные статическая и динамическая модели видеосенсерной системы, пригодны для включения ее в комплексную математическую модель адаптивного РТК сварки.

В третьем разделе построена математическая модель динамики функционирования шестистепенного промышленного робота. Посредством цифрового моделирования проведено исследование совместной работы, в составе РТК сварки, манипулятора и системы коррекции положения сварочной головки. Исследовано влияние параметров колебаний электрода и разделки стыка на динамические и статические характеристики системы слежения.

В четвертом разделе выполнен факторный анализ полной математической модели РТК сварки для выявления параметров, оказывающих наибольшее влияние на точность слежения роботом с системой адаптации за стыком свариваемых деталей. Проведено ранжирование факторов в порядке их влияния на конечный результат. Указана возможность построения оптимизационных и проектировочных задач по результатам проведения факторного анализа. Приведены результаты моделирования на ЭВМ адаптивной роботизированной сварки типичных швов рам мототехники, выпускаемой Тульским машиностроительным заводом, разработаны рекомендации по изменению конструкций рам для обеспечения их пригодности к роботизированной сварке.

В заключении изложены основные выводы и полученные результаты.

В приложении представлен акт внедрения диссертационной работы.

9. Результаты работы внедрены АК «Туламашзавод» при реконструкции участка роботизированной дуговой сварки рам мотомашин.

1. Алексеев П.И. Гибкие производственные системы М.: Машиностроение, 1989. - 349 с.

2. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: Учеб. пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1983.-248 е., ил.

3. Башаппсин Ю.А, Ющенко A.C. Промышленные роботы в технологии современного машиностроительного производства. М.: НИИмаш, 1984. - 392 с.

4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

5. Бухаров В.А. Разработка моделей управления дуговой сваркой в защитных газах // Сварочное производство, 1997, №2, -С. 15-18.

6. Гладков Э.А. Автоматизация сварочных процессов. Часть I. М.: МВТУ, 1976.-68с.

7. Гладков Э.А. Автоматизация сварочных процессов. Часть И. М.: МВТУ, 1976. - 65с.

8. Дегтерев С.П., Зайцев М.П., Иншаков М.М. и др. Система управления перемещением сварочной головки // Электротехническая промышленность. Электросварка. -1983. №2. - С.15-17.

9. Догановский С.А. Устройства запаздывания и их применение в автоматических системах. -М.: Машиностроение, 1986, 278 с.

10. Евсюков В.В. Анализ составляющих погрешности определения координат стыка свариваемых деталей. // Алгоритмы и структуры специализированных вычислительных устройств. Тула, ТПИ, 1980, С.78-84.

11. Евсюков В.В. Информационно-измерительная система определения параметров целенаправленного движения сварочного электрода. // АлIгоритмы и структуры специализированных вычислительных систем. Тула, 1981, С.145-152.

12. Евсюков В.В. Разработка стохастической модели стыка для управления сварочным роботом. // Автоматизация технологической подготовки сварочного производства. Тула, ТПИ, 1986, С. 90-94.

13. Жилкин А.М. Бесконтактные оптико-электронные преобразователи положения. 7/ Оптико-механическая промышленность, -1987, -№6, -С.58-64.

14. Ищенко Е.Ф., Климов Ю.М. Оптические квантовые генераторы. -М.: Сов.радио, 1978,470 с.

15. Коренькова Г.А. Распознавание стыка свариваемых деталей. // Управление сварочными процессами. Тула, ТПИ, 1983, С.92-96.

16. Курапаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высшая школа, 1980. - 287 с.

17. Куркин Н.С., Панкратов С.Б., Фишкис М.М. Опыт применения промышленных роботов для дуговой сварки // Сварочное производство. -1985.-№1.-С.27-28.

18. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. -М.: Машиностроение, 1970. 335 с.

19. Лимаренко Д.П. Автоматизация проектирования высокотехнологичных несущих конструкций, // Междунар. науч.-техн. конф. Приборостроение 97: Тез. докл. - Симеиз, 1997. - Часть 1. - С. 215-216.

20. Логвинов В.Н. Использование лазера при распознавании стыка свариваемых кромок. // Управление сварочными процессами. Тула, ТПИ, 1980, С. 115-12.4.

21. Логвинов В.Н. Система автоматического направления электродапо стыку. // Автоматические системы оптимального управления технологическими процессами. Тула, ТулПИ, 1988, С. 126-129.

22. Лумельский В.Я. Один алгоритм обнаружения момента времени изменения свойств случайного процесса. // Автоматика и телемеханика, -1-982,-№10,-С.67-73.

23. Львов Н.С. Автоматизация конторля и регулирования сварочных процессов. М.: Машиностроение. 1973. - 128 с.

24. Львов Н.С. Автоматизация направления сварочной головки по стыку. М.: Машиностроение. 1966. - 156 с.

25. Львов Н.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. М.: Машиностроение, 1982. - 302 с.

26. Мазель А.Г. Технологические свойства сварочной дуги. М.: Машиностроение, 1969. - 178 с.

27. Мельбард С.Н., Красильников Б.И., Ермолов М.И. и др. Системы слежения за направлением движения горелки // Автоматическая сварка. -1984.-№2.-С.64-68.

28. Механика манипуляционных систем: Учеб. пособие / В.Б. Пеньков; Тул. политехи, ин-т. Тула, 1990. -100с.

29. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров / Пер. с англ. М.Н. Микшиса и И.Н. Теплюка. Под ред. И.Н. Теплюка. М.: Мир, 1984.-320 с.

30. Мучник Р.Б. Алгоритмы выделения и анализа характерных участков кривых и их взаимного расположения. // Техническая кибернетика. Каунас, 1970, С. 196-204.

31. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. М.: Высшая школа, 1971. - 760 с.

32. Нуждихин В.Г., Лимаренко Д.П. Разработка модели процесса дуговой сварки для системы адаптации промышленного робота // Автоматизация и современные технологии. 1999. - № 3. - С. 17-20.

33. Панарин В.М., Карпов B.C., Тонких O.E. Моделирование сварочных процессов и систем адаптации роботов второго поколения для электродуговой сварки // Компьютерные модели технологии сварки. Тула: ТПИ, 1990.-С.26-34.

34. Панарин В.М., Карпов B.C., Тонких O.E. Система управления промышленным роботом для электродуговой сварки // Сварочное производство. -1994. №3,-С.31-33.

35. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Киселевский Ф.Н. и др. Роботы в сварке. Сварка и спец. электрометаллургия. Киев: Наукова думка, 1984. - с.228243.

36. Подсевалов В.В. Организация поиска сварного стыка. // Управление сварочными процессами. Тула, ТПИ, 1982, С. 126-132.

37. Подсевалов В.В. Разработка и исследование оптической измерительной системы. // Разработка элементов градиентной оптики. Тула, 1979, С.93-100.

38. Ратнер A.M. Спектральные, пространственные и временные характеристики лазеров. -М.: Сов.радио, 1988, 202 с.

39. Робототехника. / Под. ред. Е.П. Попова и Е.И. Юревича,- М: Машиностроение, 1984. -288с

40. Сапожников P.A. Теоретическая фотометрия. -Л.: Наука, 1987.

41. Сварочные роботы / Под. Ред. Г. Гердена. М.: Машиностроение, 1988.-288 с.

42. Сергацкий Г.И., Коротун Ю.М. Методы автоматического копирования линии сварочного соединения // Автоматическая сварка. 1981. -№5. - С.38-43.

43. Сергацкий Г.И., Родичев С.Н. Исследование систем автоматического копирования с запаздыванием // Автоматическая сварка. 1982. - №6. -с.37-41.

44. Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы. /Под. ред. Е.П. Попова. М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.

45. Тимченко В.А. Роботизация сварочного производства. К.: Тэх-ника, 1988.- 175с.

46. Тимченко В.А., Дубовецкий C.B. Некоторые технологические особенности дуговой сварки роботами. // Автоматическая сварка. -1984. -№6, -С.44-52.

47. Тимченко В.А., Цыбулькин Г.А., Власов О.В. Использование сварочной дуги в качестве источника информации для "очувствления" промышленного робота РМ-01. // Автоматическая сварка. 1990. - №10. - С.69-72.

48. Титов Н.И. Моделирование систем с запаздыванием. -Л.: Энергия, 1989, 97 с.137

49. Толокнова Н.В. Анализ движения приемника излучений при распознавании стыка свариваемых деталей. // Алгоритмы и структуры специаIлизированных вычислительных устройств. Тула, 1984, С. 118-124.

50. Трефилов В.Ф., Коробко Г.И. Система управления адаптивного сварочного робота // Сварочное производство. 1981. - №10. - С.5-7.

51. Трефилов В.Ф., Коробко Г.И., Култыгин Ю.И. Датчик стыка на основе магнитного управления дугой // Сварочное производство. 1985. -№6 - С.24-25.

52. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. М.: Наука, 1988, 411 с.

53. Тупиков Н.Г. Система автоматического направления электрода по стыку. // Алгоритмы и структуры специализированных вычислительных устройств. Тула, ТПИ, 1981, С.124-127.

54. Фу К., Гонсалес Р., Ли К., Робототехника: Пер. с англ. -М.-: Мир, 1989.-634с., ил.

55. Чемоданов Б.К. и др. Следящие приводы В 2-х кн. Кн. 1 М.: Энергия, 1976.-480с., ил.

56. Ц1енк X. Теория инженерного эксперимента. -М.: Мир, 1972.381с.138