автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение эффективности информационно-измерительных и управляющих систем робототехнических транспортных установок

На правахлукописи

Резько Антон Павлович

Повышение эффективности информационно-измерительных и управляющих систем робототехнических транспортных установок

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и

управляющие системы промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005531988

Москва-2013

005531988

Работа выполнена на кафедре ПР-1 «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой «Приборы и информационно-измерительные системы» МГУПИ Слепцов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заместитель начальника Научного Центра по науке ОАО «Российские космические системы» Данилин Николай Семенович;

кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление и моделирование систем» МГУПИ Мацнев Анатолий Петрович,

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно - исследовательский

технологический институт» (ЦНИТИ)

Защита состоится «11» июня 2013 г. в 12 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 212.119.01 Московского государственного университета приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д.20, зал заседаний ученого совета МГУПИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учредителя, просьба направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан « 29 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.119.01, доктор технических наук, профессор

Филинов В.В.

Общая характеристика работы:

Актуальность темы.

В современных условиях производства проявляется устойчивая тенденция перехода к гибким автоматизированным производствам (ГПС), при этом важнейшее значение приобретает роботизация технологических процессов перемещения грузов в зонах изготовления и хранения продукции.

К основным направлениям такой роботизации относятся:

- совершенствование подъемно-транспортных машин путем дополнительного снащения устройствами автоматики или их замена специальными подьемно-ранспортными роботами;

- установка промышленных роботов (ПР) в местах загрузки-разгрузки конвейеров, платформ, транспортных тележек;

- использование автоматических средств, рельсового и безрельсового напольного ранспорта, главным образом, робокаров;

- применение программно-управляемых стеллажных кранов-штабелеров на кладах.

Говоря об этом классе оборудования, необходимо отметить, что применяется оно ак правило, не как самостоятельная транспортная единица, а в составе так называемых автоматически управляемых систем транспортных средств (Automatic uided Vehicle Systems, AGVs, AGV-системы). Автоматически управляемые системы »анспортных средств следует отличать от иных автоматизированных транспортных стройств: они работают без участия операторов, предназначены для 'внутрипроизводственного" применения и разрабатываются на базе ведомых средств апольного транспорта, основной задачей которого является перевозка материалов, о не людей. AGV-системы используют как внутри зданий, так и снаружи, а состояв ни из многочисленных функциональных групп: одной или многих единиц аботающего без водителя транспортного оборудования (робокаров), навигационного равления, устройств определения местонахождения и положения, устройств ередачи информации, а также инфраструктуры и периферийных устройств. При том общая производительность и надежность AGV-системы определяется войствами отдельных систем-компонентов и успешностью их интеграции: какие-ибо серьезные усовершенствования достижимы только при комплексном инхронном внедрении нескольких инноваций в единую систему.

Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИУС) оботизированных транспортных устройств (РТУ) являются важнейшей составной астью этих устройств, в значительной мере определяющей их потребительские ачества, поэтому их совершенствование является актуальной и экономически боснованной важной научно-технической задачей.

Состояние проблемы.

Использование транспортных средств в ГПС определяется высотой загрузки технологического оборудования, которая регламентируется ГОСТ 27779-88 "Системы производственные гибкие. Высота загрузки технологического оборудования и автоматизированных транспортных складских систем (АТСС)".

В настоящее время робокары достаточно широко применяются в ГПС - так, гибкая производственная система (ГПС) "Робогейт" для точечной контактной сварки, установленная на одном из заводов фирмы ФИАТ, состоит из двух подсистем: сварки боковин и сварки обшивки кузова легкового автомобиля. Производительность каждой подсистемы 1000 комплектов в 15 ч. Одновременно могут собираться четыре модели в любой последовательности. В каждой подсистеме использовано 25 робокаров. Их предельная скорость 42 м/мин, ускорение при разгоне-торможении 0,5 м/с2, продолжительность работы до перезарядки аккумуляторов 15 ч, время зарядки 7,5 ч, грузоподъемность 1,5 т, время подъема груза 18 с, габаритные размеры 4,8 х 2,02 х 0,53 м. Высоким качеством отличается роботизированная тележка, или робокар (АСУ), производства 8Е\У-Е1ЛЮОШУЕ, которая используется для транспортировки грузов внутри цехов или складских комплексов. Тележка оснащена различными датчиками, что позволяет самостоятельно и безопасно перемещаться, получая энергию бесконтактным способом из проложенных в полу кабелей. Благодаря встроенным аккумуляторным батареям, подзаряжаемым "на лету", тележка может автономно двигаться некоторое время в случае пропадания питания. Проходят испытания отечественная разработка - роботизированная тележка типа РБТ-1 производства ОАО «ЦНИТИ». Широко известны роботизированные тележки, применяемые итальянской компанией «Фиат». Вместе с тем, следует отметить, что при разработке, изготовлении и использовании РТУ различные формы применяют различные инженерные подходы, что снижает эффективность от их внедрения.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности (точности, быстродействия и экономичности) РТУ за счет совершенствования их ИИУС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методы и методику определения траектории движения РТУ, позволяющую минимизировать какой-либо критерий качества;

- разработать математические модели следящих электроприводов ИИУС РТУ, учитывающие их основные особенности;

- синтезировать корректирующие устройства, повышающие быстродействие и точность РТУ;

- провести экспериментальные исследования полученных результатов синтеза.

Методы исследования: численные методы интегрирования ифференциальных уравнений, метод преобразований Лапласа, методы птимального управления и идентификации.

Новые научные результаты, полученные в диссертационной работе:

- на основе анализа особенностей работы робототехнических транспортных стройств разработаны технические требования, предъявляемые к их ИИУС;

- предложена обобщенная математическая модель ИИУС ЭП РТУ, отражающая сновные особенности унифицированных электроприводов - нелинейности егуляторов параметров, зависимость напряжения питания от нагрузки;

- предложен метод определения оптимальных траекторий движения РТУ;

- синтезированы корректирующие устройства регуляторов параметров ИИУС ЭП 1, увеличивающие быстродействие и точность технологического оборудования в

азличных режимах работы. Практическая значимость:

- разработаны схемотехнические решения исполнения элементов ИИУС ЭП РТУ, беспечивающие уменьшение погрешности и повышение быстродействия робокаров;

- разработана методика определения оптимальных траекторий движения РТУ с етом параметров ИИУС в зависимости от технических показателей РТУ.

Апробация работы. Результаты работы были использованы для докладов:

- на семинарах кафедры ПР-1 «Приборы и информационно-измерительные истемы» (ноябрь 2011г., март 2012 г.);

- на XV международной научно-практической конференции «Фундаментальные и рикладные проблемы приборостроения и информационных технологий» (октябрь 012 г.).

На защиту выносятся:

- обобщенная математическая модель ЭП РТУ;

- корректирующие устройства для ИИУС ЭП РТУ, повышающие ыстродействие и точность технологических машин;

- методика определения оптимальных траекторий движения РТУ с учетом араметров ИИУС;

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4-х глав с ыводами, заключения, списка использованной литератур и 3-х приложений. Работа зложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 8 таблиц и писок литературы из 114 наименований.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 6 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и ;ачи исследования, определена научная новизна, дана общая характеристика боты.

В первой главе решалась задача разработки технических требований, предъявляемых к робототехническим транспортным установкам. В ней проведен анализ различных РТУ, применяемых в автоматизированном производстве, особенностей их конструктивного и схемотехнического исполнения, технических характеристик.

Показано, что несмотря на разнообразие как самих РТУ, так и режимов и показателей качества их работы, основные элементы, используемые в них однотипны.

Анализ рассмотренных выше типов робокар позволил определить их усредненные характеристики:

- грузоподъемность — до 500 кг;

- скорость перемещения — до 70 м/мин;

- ускорения при разгоне и торможении соответственно — до 0,5 и 0,7 м/с2;

ускорение при аварийном торможении до 2,5 м\с2;

величина подъема палеты — до 130 мм;

точность остановки робокара — до 30 мм;

время цикла перегрузки — до 3 с;

радиус поворота на максимальной скорости — не более 0,9 м;

время работы без подзарядки аккумуляторов — не менее 6 ч;

напряжение аккумуляторной батареи — 24В;

мощность каждого из двух приводных двигателей — не менее 600 Вт;

собственная масса робокара — не менее 425 кг.

Кроме того, РТУ был представлен в виде совокупности информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) и п+т+1 исполнительных устройств, как на рис.1.

Приняты следующие обозначения: Шт - сигналы задания положения по каждой из управляемых координат (транспортных и ориентирующих); Щт -сигналы с датчиков положения по каждой их управляемых координат; XI -управляемые координаты; 11тд] - сигналы с технологических датчиков; 7л -технологические параметры; У! - управляемые технологические параметры. В представленной обобщенной схеме четко разделены информационно-измерительная и управляющая система (ИИУС) и механическая исполнительная часть.

Рис. 1. Обобщенная структура ИИУС РТУ.

В первой главе также были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проводился анализ методов оптимизации, пригодных для решения задач планирования оптимальной по какому-либо критерию оптимальности (быстродействию, энергоэффективности) траектории движения РТУ и выбора наиболее пригодного.

Основные методы оптимизации сложных систем, которые применяются в настоящее время, даны ниже.

Метод перебора, метод Монте-Карло, метод ветвей и границ, метод динамического программирования, метод массового обслуживания, метод конечных автоматов, метод сетей Петри, метод замещений.

Метод замещений имеет целый ряд преимуществ, поэтому и выбран в качестве основного.

В основе метода лежит функциональный принцип парных замещений. Под парой замещения, в зависимости от характера задачи, понимается либо пара ребер, либо пара вершин, т.е. два каких-либо однородных элемента графа, один элемент является удаляемым, а другой добавляемым. Элементарная операция замещения заключается в замене первого элемента вторым. В результате выполнения элементарной операции замещения в исследуемом подграфе происходит изменение таких параметров как вес подграфа, структура подграфа, степени вершин подграфа,

число компонент его связности и др. Это обстоятельство является важнейшим с точки зрения вычислительного эффекта.

Данная задача математически формулируется в терминах теории графо следующим образом. Требуется найти набор дут корневого дерева, доставляющи минимум функции цели

т т

ИтадХи (1)

ЫН

При ограничениях

е { 0,1 >. 1 л; уиа = (у1, 1, 1,..., 1), у„= (0, 1,1,..., 1), (2)

у„„ = (уй 0,0,... ,0), \„ = (0, 1, 1,..., 1 ); ш' =П - 1, V1 = 1

где:

т - число дуг исходного графа; т" - число дуг искомого графа; п - число вершин исходного графа; 1 и j - номера граничных вершин дуги, соответственно, исход и заход; уив - вектор полустепеней исхода (верхняя граница), т.е. вектор, регламентирующий максимально возможное число дуг, выходящих из вершин графа; уи„ — вектор полустепеней исхода (нижняя граница), т.е. вектор, регламентирующий минимально возможное число дут, выходящих из вершин графа; узв - вектор полустепеней захода (верхняя граница), т.е. вектор, регламентирующий максимально возможное число дуг, входящих в вершины графа; у,н - вектор полустепеней захода (нижняя граница) , т.е. вектор, регламентирующий минимально возможное число дуг, исходящих из вершины графа; У| - полустепень исхода вершины номера; у'- число компонент слабой связанности искомого подграфа. Решением задачи является граф с минимальной суммой длин дуг. Процесс решения задачи заключается в исследовательском преобразовании исходного (нулевого) графа до полного удовлетворения ограничений. Нулевой граф строится из п вершин и т ребер с минимальными весами. Исходными данными для построения нулевого графа являются матрица весов. Также во второй главе были разработаны технологические основы решения задачи планирования оптимальных траекторий движения в ИИУС РТУ -зависимости для определения времен перемещения по отдельным траекториям от параметров элементов РТУ.

Кроме того, предложен алгоритм- расчета оптимальной траектории РТ представленный на рис.2.

Hafia.no

Ра г&ткл трлектс^хо! движения на отдельные

перемещения 5>о»

Ввод: а. \'д. Яо

Доя всех 1 рассчитываем

<С ЗСНг.Ч >

Расчет: Тш

Расчет: (-п. [ПС1,

VI То.

Расчет оптнмагтьных траекторий методом парных замещений.

Окончание

Рис.2. Алгоритм расчета оптимальной траектории РТУ,

В третьей главе проведен анализ и синтез исполнительных электроприводов, входящих в состав ИИУС РТУ, которые строят по схеме с подчиненным регулированием параметров, представленной на рис.3.

Изс Идя

"ЛПН ™

Иди

Рис.3. Функциональная схема ЭП

Приняты следующие обозначения:

Изп, Изс, Изм- соответственно сигналы задания положения, скорости и момента (тока); Идп, Иде, Идм- соответственно сигналы с датчиков положения, скорости и момента; М, О, у- соответственно момент, скорость и положение исполнительного органа ЭД; РП, РС, РМ- соответственно регуляторы положения, скорости и момента; ДП, ДС, ДМ- соответственно датчики положения, скорости и момента; УМ- усилитель момента; ИП- источник питания.

В третьей главе были разработаны технические требования, предъявляемые к электроприводам, входящим в состав ИИУС РТУ, основным из которых является обеспечение требуемой добротности контура положения Кр.

КР = ^ О)

Где Тц - минимальная постоянная времени элемента, входящего в контур.

Исходя из требований к ошибкам ( при рабочей скорости V = 0,5 м/с и погрешности 3 = 0,001 м), изложенным в главе 1, с учетом формулы ( 3 ) можно

получить:

Кр >

у 0.3 Я ООО!

=500 [1/с]

(4)

Откуда легко определяется Тц и полоса пропускания привода Рэп = 6 Гц.

Особенностью исполнительных приводов ИИУС РТУ является их работа от одно аккумуляторной батареи, что может привести к «провалам» питания при болыпи токах (интенсивном разгоне или торможении). Кроме того, из за необходимост обеспечить более длительный срок работы без подзарядки, в РТУ используют либ двигатели постоянного тока, либо вентильные двигатели, математические модел которых совпадают. В этом случае, математическую модель автономног электропривода ИИУС РТУ можно представить в виде как на рис. 4.

__ _ , шг'

/кг

О*

►о-

Я Ь к Г

/«5

Рис. 4. Структурная схема автономного электропривода ИИУС РТУ. Приняты следующие обозначения:

изп, U3C, изт-соответственно сигналы задания положения, скорости и тока; Цдп, Ццс, 11дт- соответственно сигналы с датчика положения, скорости и тока; U„, ^-соответственно напряжение и ток в ДПТ; Мн- внешний момент; « п. ш-соответственно положение и скорость; Ку, Ту - коэффициент передачи и постоянная времени усилителя мощности; R, L -соответственно активное сопротивление и индуктивность ДПТ, J - момент инерции двигателя и нагрузки; Км, Kw -соответственно коэффициент передачи по моменту и противо ЭДС ДТП; Кп, Кс, Кт - соответственно коэффициенты передачи датчиков скорости и тока; Fpn, Fpc, FpT - нелинейности типа "ограничения" регуляторов скорости и тока, Ki - коэффициент изменения питания.

Анализ контуров положения ИИУС РТУ был проведен путем моделирования переходных процессов в контурах с помощью пакета «SIAM». При этом на вход автономного контура положения подаются линейно нарастающие сигналы интенсивностью 125, 250, 500 дискрет/с. Анализировались ошибки в контуре (а) и перемещения (б).

На рис.5 представлены расчетные переходные процессы для контура положения при неизменном напряжении питания.

83.S321000D 1М1ШЮ им li,?71* 11.ШЮ мшоооо Ми К-Сицсп Юн»! ш.шгао 83* OSODCO 745.4540000 65!. 2710000 551 Ж 4SS.939000C FS-IKtt Ft-twfoni Ш-Bnxoj

!

-11,НИШ -Й.ШШОО -Mil ОД) -я. шито -15,17210000 372.727(000 275.5450000 и.шяюоо 0.0

1 \

0 0 3 D D 0 0 0 0 0 0 « в 0 0 н 0 3 0 0 0 0 t » 5 0 0 0 N J 0 0 t 0 0 V 0 0 0 0 0 0 0 « 0 0 0 0 t и 0 0 9 I 0 0 «

: а) б)

Рис. 5. Переходные процессы в контуре положения при 11зп(1) = 500X1 Из рисунка видно, что контуры положения обладают неплохими техническими характеристиками и вполне удовлетворяют требованиям ГОСТа, хотя и видны некоторые колебания вокруг задаваемой траектории.

Эта модель не учитывает одну очень важную особенность ИИУС РТУ. Дело в том, что все электроприводы РТУ работают от одной аккумуляторной батареи

и возникает опасность возникновения во время переходных процессов (при разгоне и торможении) провалов по питанию. Для анализа таких ситуаций математическую модель, представленную на рис.4, необходимо дополнить элементами, учитывающими свойства аккумуляторной батареи.

С учетом вышеизложенного, математическую модель 2-х электроприводов ИИУС РТУ можно представить в виде структурной схемы, представленной на рис.6.

Рис. 6. Структурная схема системы электроприводов РТУ

На рис.7 представлены расчетные переходные процессы для контура положения при изменяющемся напряжении питания. Закон изменения следующий: Ю= 0,95 + 0,05Хеш (30X1).

«3.532ШЙ ' ГС-З&м Н-С«орост& £К-Зюо$ ' № Г6-С«грост* ЙС-! »0)

67.(1330000 «ли.иядлл) да.шв и»,юга 11В н.геш ге.гэдш

51.¿>450000

35.77550000

13.55650000

3.937420000 :

-и.шзоооо шггии 63. МШО заг.юи» ш.ошо 0 0

■27.50030000

-43,ШШ

-59.73810000

-75.65710000 1

0 0 в 0 0 0 0 в с 0 0 о 0 (! 0 3 к- 3 0 с 0 0 0 0 1 1 - г <1 0 0

0 0 0 0 - - в 0 0 « 1 «

а) б)

Рис. 7. Переходные процессы в контуре положения при Цзпф = 500X1

Видно, что небольшие колебания питания мало сказываются на переходных процессах контура положения - колебания в траектории движения увеличились не более чем на 5%.

Совсем иная картина наблюдается при больших колебаниях питания - на рис. 8. Закон изменения питания следующий: К1= 0,95 + 0,08Хзт (30X1).

ЙШШО шшио 111,«по 117,ШИ» и.шооо < ¡¡.;1СГ1 Г»! №2.520000 1505,270000 1336.030000 1170. ШИ 1003.520000 $.2430000 ¿69.0110000 ПМщ

/Л

/ \ к

-31.770(11(100 -И,МОИ -и.мии -17ШИН) 501.7570000 334.5К0000 1(7.2530000 0 о

I 1 '1

с 0 0 « С 0 0 0 » 0 0 о 0 0 0 0 * « в Они 0 0 1 0 0 я 0 0 t я с 0 0 Й 0 0 0 0 о я » 0 0 0 оооо о 0 0 0 9 Я 0 1 0 И И з с о а 0000 - * К 0 1 я я в

а) б)

Рис. 8. Переходные процессы в контуре положения при Цзп(1:) = 500X1 Исследования показали, что при малых скоростях движения РТУ переходные процессы в контуре положения практически не отличаются от процессов при постоянном напряжении, но при больших скоростях картина совсем иная. В контуре положения движение происходит «рывками» с соответствующим возрастанием ошибки примерно в 3 раза ( с 83 до 270 дискрет).

В четвертой главе был проведен расчет части оптимальной траектории движения робокара РБТ-1

Расчет проводился для опытного участка автоматизированного цеха, расположенного на территории ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт», состоящего из комплекса отдельных робототехнических гибких автоматических линий, содержащих различные технологические машины (станки, лазерные технологические установки, сборочные роботы и т.д.).

Схема участка гибкой автоматической линии представлен на рис. 14.

О

Р

Е

Рис. 14. Схема участка гибкой автоматической линии.

Задача состояла в последовательном прохождении роботизированной тележкой РБТ-1 всех обозначенных пунктов, начиная с (.) А и заканчивая в (.) Б. При этом важно минимизировать расход энергии тележки, т.е. разряд аккумуляторной батареи. Так как участок ГАЛ расположен на горизонтальной плоскости, то разряд батареи напрямую связан с длиной пути, который пройдет тележка. Поэтому задачу можно свести к традиционной задаче коммивояжера, т.е. к минимизации суммарной длины пути.

Процесс объезда пунктов в виде графа событий представлен на рис. 15.

Этот граф - линейный (хотя можно синтезировать кольцевые, звездообразные, иерархические и другие структуры)

Вектора ограничений и матрицу весовых коэффициентов, сведены в таблице 1.: п - число вершин графа = 6; т - число ребер графа - 5; у - коэффициент связности = 1;

Умакс. = [1,2,2,2,2,1]; Умин. = [1,2,2,2,2,1];

Таблица 1.

- А В С Р Е Р

А - 50 40 100 104 116

В - 40 50 58 78

С - 80 75 80

0 - 30 60

Найденный с помощью разработанного алгоритма оптимальный граф представлен на рис. 16.

Рис.16. Оптимальный граф.

На рис.14, оптимальная траектория движения показана стрелками. Следует отметить, что длина траектории движения РБТ-1 составляет для оптимального

графа 190 м., а для любого другого она больше - например, длина траектории движения по пунктам А-В-С-О-Е-Б составляет 230 м.

Также в четвертой главе проанализированы динамические характеристики РБТ-1, во многом определяемые транзисторным преобразователем ПРШ-102, внешний вид которого представлен на рис.17.

Рис.17. Внешний вид преобразователя ПРШ-102. Типовая тахограмма электропривода РБТ-1 представлена на рис. 18.

Рис.18. Тахограмма электропривода РБТ-1.

Общее время переходного процесса перемещения на 1 м составляет 2,75 с (определяемое по сигналу «Признак движения» -ПД), при этом время разгона составляет 0,25 с, время движения с постоянной скоростью составляет 0,7 с, время торможения составляет 1,5 с, время дотягивания составляет 0,3 с.

Следует отметить, что обеспечение настройки контура положения электроприводов РБТ-1 на симметричный оптимум обеспечило повышение точности движения в 2,3 раза при траекторной скорости движения 0,5 м/с.

Важно, что динамические характеристики достаточно легко регулируются, исходя из технологических требований к работе оборудования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. На основании анализа известных ИИУС РТУ выявлены основные тенденции развития ИИУС роботизированных транспортных устройств, заключающиеся в использовании замкнутых по положению электроприводов совместно с управляющим вычислительным устройством, осуществляющим решение различных транспортных и оптимизационных задач.

2. Разработана обобщенная структура ИИУС РТУ, позволяющая адекватно определять как состав системы, так и взаимодействие отдельных элементов системы и их влияние на общие показатели качества всего РТУ.

3. Для повышения качества РТУ были определены технические требования, которым должны удовлетворять ИИУС РТУ, выбрана структура и метод настройки контуров положения электроприводов.

4. Разработана математическая модель электропривода, входящего в состав ИИУС РТУ, позволяющая получить оптимальный по критерию быстродействия и точности контур положения, с учетом перспектив расширения области их применения.

5. Разработана математическая модель системы из 2-х электроприводов, входящих в состав ИИУС, позволяющая учитывать ограниченную емкость аккумуляторной батареи.

6. Предложен метод определения оптимальных по какому-либо критерию (обычно быстродействию или энергозатратам) траекторий движения РТУ, использующий математический аппарат теории графов с соблюдением принципа парных замещений.

7. Разработана методика, реализующая предложенный метод определения оптимальных траекторий движения РТУ.

8. Предложен конкретный тип регулятора положения, обеспечивающий настройку контура положения на симметричный оптимум, реализованный в аналоговом и цифровом виде.

9. Проведены конкретные расчеты траекторий движения РТУ типа РБТ-1, оптимальных по энергозатратам и быстродействию, для исследований, проводимых на опытной площадке ОАО «ЦНИТИ».

10. Проведены испытания контуров положения электроприводов, входящих в состав ИИУС РТУ типа РБТ-1, подтвердивших повышение точности не менее чем в 2 раза.

11. Проведены исследования влияния ограниченной емкости аккумуляторной батарей на показатели качества ИИУС РТУ типа РБТ-1, показано, что разряде батареи более чем на 20% необходимо ограничивать токи электродвигателей, или, что тоже самое, ускорение перемещения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Зерний Ю.В., Васильев A.M., Жилин Е.В., Агеев П.С., Резько А.П. Разработка технических требований, предъявляемых к информационно-измерительным и управляющим системам координатно-измерительных машин. Ж. «Приборы», №12, 2012, с.2 - 7.

2. В.В.Слепцов, А.М.Васильев, М.А.Костромин, А.П.Резько. Анализ технических характеристик и синтез контуров положения информационно-измерительных и управляющих систем лазерных технологических установок. Ж.»Научно-технический вестник Поволжья», №1, 2013, с.265-268.

3. Васильев A.M., Костромин М.А., Резько А.П. Разработка обобщенной функциональной схемы информационно-измерительной и управляющей системы робокара. Научно-технический вестник Поволжья, 2013, № 2, с. 101-104.

Публикации в других изданиях

4. Резько А.П. Разработка автоматизированных систем управления мобильными роботами. Ж. «Вестник молодых ученых Московского государственного университета приборостроения и информатики», №12, 2013, с.66 - 74.

5. Резько А.П. Вопросы построения автоматизированных систем управления мобильными роботами. Ж. «Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики», № 44, 2013, с. 17-24.

6. Долматова О.В., Костромин М.А., Резько А.П. Синтез контуров положения информационно-измерительных и управляющих систем лазерных технологических установок. Сборник трудов студенческой научной конференции факультета «Технологическая информатика», МГУПИ, 2012, с 143146.

7. Слепцов В.В.. Зерний Ю.В., Жилин Е.В.. Агеев В.П., Резько А.П. Разработка функциональной схемы информационно-измерительной и управляющей системы координатно-измерительных машин. Сборник трудов III международногот форума «РОБОТЫ - 2012», М.: МГУПИ, с. 107-115.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано в печать 24.04.2013 г. Формат 60x90 1/16. Объем 1, 0 п.л. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ 170. Тираж 150 экз.

Отпечатано ООО «Логопринт» 107076, г. Москва, ул. Стромынка, д. 18.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

,19

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

Резько Антон Павлович

04201360609

Повышение эффективности информационно-измерительных и управляющих систем робототехнических транспортных

установок

Специальность 05.11.16. — Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор Слепцов В.В.

Москва, 2013 г.

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

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ областей применения РТУ.............................................18

1.2. Разработка технических требований, предъявляемых к РТУ и их компонентам..............................................................................30

1.3. Разработка обобщенной структурной схемы ИИУС РТУ..................38

1.4. Постановка цели и задач исследования.........................................41

Выводы......................................................................................42

Глава 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ УСТАНОВОК

2.1. Математическая постановка задачи оптимизации движения РТУ........43

2.2. Технологическое обеспечение решение задачи оптимального движения РТУ..........................................................................................51

2.3. Алгоритм решения задачи оптимального движения.........................53

Выводы......................................................................................55

Глава 3. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПРИВОДОВ РТУ

3.1. Разработка ТТ, предъявляемых к исполнительным приводам РТУ.......56

3.2. Разработка математических моделей исполнительных приводов РТУ.. .68

3.3. Анализ и синтез контуров положения ИИУС РТУ............................79

Выводы....................................................................................85

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИИУС РТУ

4.1. Пример практического решения задачи оптимизации по минимуму энергопотребления для РБТ-1...........................................................86

4.2. Исследование динамических характеристик ИИУС РБТ-1 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производства - это процесс в развитии приборостроительного производства, при котором часть или весь комплекс операций по качественному преобразованию состояния исходного сырья, управлению и контролю, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим устройствам и приборам.

Основная цель автоматизации производства - повышение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, создание условий для разумного использования ресурсов производства, соблюдение норм экологии, обеспечение высокого социального и культурного уровня общества [1]. Различают частичную, комплексную и полную автоматизации производства.

Частичная - автоматизация рабочего цикла машины, создание машин-автоматов и полуавтоматов

Комплексная автоматизации производства - создание автоматических участков, цехов и заводов, которые функционируют как единый взаимосвязанный автоматический комплекс. Она целесообразна в условиях высокоразвитого производства на базе прогрессивной технологии и методов организации и управления с применением ЭВМ и других надежных технических средств и оборудования, включая промышленные роботы, действующие по заданной им самоорганизующейся программе при общем контроле за работой всего комплекса со стороны человека или ЭВМ.

Полная автоматизации производства предусматривает управление комплексно-автоматизированным производством без участия человека; проводится, когда производство рентабельно, устойчиво, а при изменившихся условиях имеется научно-техническая база, позволяющая адаптироваться в автоматическом режиме на полный цикл производства по выпуску новой продукции, что характерно для гибкого автоматизированного

производства (ГАП) [2].

При определении степени автоматизации производства учитывается экономическая эффективность и целесообразность автоматизации исходя из конкретных условий производства.

Автоматизация производства претерпевает новый качественный скачок, что выражается в разработке компонент, комплексов и новых систем гибкого автоматизированного производства, основанных на использовании станков с ЧПУ, промышленных роботов, математических моделей и средств вычислительной техники.

Создание средств, станков счисловым программным управлением (ЧПУ), робототехники обусловило создание базы для автоматизации серийного, мелкосерийного и единичного производства, а также для перехода к гибкому автоматизированному производству (далее ГАП) и к массовому внедрению гибких производственных систем (далее ГПС).

Гибкое производство - это такое производство, в котором представляется возможность за короткое время и при минимальных затратах на том же оборудовании без перерыва производственного процесса и не останавливая оборудования переходить на производство других изделий произвольной номенклатуры в пределах технических возможностей и технологического назначения оборудования.

Функционирование ГПС обеспечивают две группы элементов: производственно-технические функциональные элементы ГАП, составляющие производственно-технологическую часть ГПС; электронно-вычислительные функциональные элементы ГАП, составляющие информационно-вычислительную и управляющую часть ГПС.

Основными элементами производственно-технологической частиГПС являются:

гибкий производственный модуль (ГПМ);

роботизированный технологический комплекс (РТК) и система

обеспечения.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) - это единица технологического оборудования промышленного робота и средств оснащения для производства изделий произвольной номенклатуры, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все производственные функции, имеющая возможность встраиваться в более сложную систему.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) - это совокупность единиц технологического оборудования от 3 до 10 станков ЧПУ, роторов и средств их оснащения.

Система обеспечения функционирования ГПС включает автоматические системы: транспортно-складскую, инструментального обеспечения, слежения за состоянием инструмента, обеспечения надёжности качества продукции, удаления отходов производства.

Дальнейшее развитие ГПС создало более сложные гибкие системы в виде гибких производственных комплексов (ГПК), гибких автоматизированных линий (ГАЛ), гибких автоматизированных цехов (ГАЦ) и гибких автоматизированных заводов.

Как уже отмечалось, гибкие автоматизированные производства позволяют быстро переходить от обработки одного изделия к другому, одновременно выполнять различные операции. Гибкие автоматизированные производства применяются в различных формах, определяемых требованиями производства, для обработки самых разнообразных деталей станков, двигателей, транспортных машин, турбин.

Обладая широкой гибкостью, ГАП обеспечивает высокую производительность оборудования, приближающуюся к уровню производительности автоматический линий и линий, скомпонованных из специализированных станков. Основной показатель ГАП - степень гибкости производственной системы -это неоднозначный, многокритериальный

показатель. В зависимости от конкретно решаемой задачи ГАП выдвигаются различные аспекты гибкости:

машинная гибкость - простота перестройки технологического оборудования для производства заданного большого количества изделий каждого наименования;

- технологическая гибкость - способность системы производить заданное большое количество деталей каждого наименования при различных вариантах технологического процесса;

- структурная гибкость - возможность расширения ГАП за счёт введения новых дополнительных технологических модулей, а также объединение нескольких систем в единый комплекс;

- гибкость по объёму выпуска - способность системы экономично изготавливать изделия каждого наименования при разных объёмах партий запуска и может быть охарактеризована минимальным размером партии, при котором использование системы остаётся экономически эффективным;

- гибкость по номенклатуре - способность системы к обновлению выпуска продукции, характеризуется сроками и стоимостью подготовки производства деталей нового наименования.

Следует отметить, что одним из важнейших процессов в ГПС является процесс перемещения грузов, от которого во многом зависит производительность всей системы.

Перемещение грузов на предприятиях происходит в двух связанных между собой зонах - изготовления и хранения продукции. Под зонами изготовления продукции понимаются площади производственных подразделений (участков, линий, цехов), на которых размещено оборудование для выполнения технологических операций. Зоны хранения продукции (механизированные склады) обычно организуются в составе крупных производственных подразделений (цехов, групп смежных цехов) и служат для приема и выдачи готовых изделий, материалов, инструмента и др.

Зоны изготовления и хранения связаны между собой грузопотоками и снабжаются соответствующими подъемнотранспортными средствами [1]. Характер перемещения грузов для тех и других зон имеет определенные специфические отличия. Так, в зонах изготовления грузы перемещаются в основном в горизонтальных направлениях, а расстояния перемещений относительно велики, грузопотоки по расположению мест загрузки-разгрузки и по виду грузов достаточно разнообразны. Зоны хранения современных крупных предприятий, оснащенные преимущественно высотными стеллажами, требуют перемещения грузов в равной мере по вертикали и горизонтали, имеют стабильные места разгрузки-загрузки и сравнительно ограниченную номенклатуру грузов по их массе и форме (обычно это поддоны, контейнеры и т. п.).

Особенности перемещения грузов в различных зонах определяют разнообразие применяемых в них подъемно-транспортных средств. В зонах изготовления используются надземные (мостовые и другие краны, монорельсовые тележки с электроталями, подвесные конвейеры) и наземные (конвейеры, рельсовые и безрельсовые тележки) машины. В зонах хранения находят широкое применение так называемые стеллажные краны-штабелеры. В современных условиях, когда проявляется устойчивая тенденция перехода к гибким автоматизированным производствам, важнейшее значение приобретает роботизация технологических процессов перемещения грузов в зонах изготовления и хранения продукции [2].

К основным направлениям такой роботизации относятся: совершенствование подъемно-транспортных машин путем дополнительного оснащения устройствами автоматики или их замена специальными подъемно-транспортными роботами;

установка ПР в местах загрузки-разгрузки конвейеров, платформ, транспортных тележек;

использование автоматических средств, рельсового и безрельсового

напольного транспорта, главным образом, робокаров; применение программно-управляемых стеллажных кранов-штабелеров на складах.

Рассмотрим подробнее сущность этих направлений роботизации.

Большинство грузоподъемных кранов, применяемых для выполнения подъемнотранспортных операций, относится к кранам с гибким подвесом груза, т.е. их грузоподъемное устройство (обычно крюк), расположенное на свободном конце канатного грузового полиспаста, при работе крана может совершать колебания относительно вертикальной оси. Если рассматривать кран как манипуляционную систему, то последняя обеспечивает три переносные степени подвижности (перемещение крана вдоль пути, перемещение грузовой тележки вдоль моста крана и подъем-опускание крюка), позволяющие установить крюк в любую точку рабочего пространства. Автоматическое позиционирование крюка в заданную точку рабочего пространства обеспечивается достаточно отработанным способом -размещением по степеням подвижности датчиков (например, бесконтактных индукционных), подающих сигналы в систему управления о фактических положениях крюка в пространстве. Для автоматической зацепки-отцепки груза крюк можно оборудовать навесным захватным устройством. Учитывая невысокую точность позиционирования, снижаемую также возможными отклонениями крюка на канатах, в качестве навесных захватных устройств можно использовать электромагниты, пневмозахваты и, в меньшей степени, некоторые типы механических захватов [3].

Расширению функциональных возможностей кранов роботов с гибким подвесом груза препятствует трудность реализации ориентирующих степеней подвижности. В этом смысле более перспективными являются краны с жестким подвесом груза - специальные краны-роботы.

Широко используемые для подъемно-транспортных операций монорельсовые тележки с электроталями имеют тоже гибкую подвеску груза, что резко снижает их манипуляционные возможности и затрудняет (хотя не

исключает) применение в качестве автоматизированных средств перемещения грузов. Учитывая эту особенность тележек с электроталями, а также их сравнительно небольшую грузоподъемность, при роботизации технологических процессов перемещения грузов их стремятся заменить специальными транспортными ПР. Базой для последних являются подвесные монорельсовые тележки, к которым снизу ("вниз головой") прикрепляют манипулятор с переносными и ориентирующими степенями подвижности, что расширяет возможности захватывания и укладки грузов. Управление такими транспортными роботами производится с пульта, на котором оператором задаются "адреса" мест приема и укладки грузов.

Узкими местами в транспортных потоках всегда являлись узлы перегрузки продукции с одного транспортного средства на другое -с конвейера на транспортную тележку и наоборот, укладка поступающих по конвейеру грузов в тару, а также другие перегрузочные операции. Во многих случаях эти операции до сих пор выполняются вручную [4, 5].

При роботизации в таких узлах устанавливаются перегрузочные ПР, не требующие обычно специальной конструкции. Для перегрузки пригодно большинство универсальных ПР. Рабочий процесс роботов, занятых перегрузкой, в значительной мере соответствует процессу вспомогательных ПР, т.е. он заключается в переносе груза с одной позиции (позиции захвата) -ч на другую (позицию установки) без особых промежуточных манипуляций,

что позволяет считать процесс достаточно простым.

Однако в отличие от ряда процессов вспомогательныхПР работа перегрузочных роботов осложняется нестабильностью расположения позиций захвата и установки грузов, поскольку последние приходится брать с непрерывно движущихся конвейеров, укладывать в разные места по объему тары и т.п. Для нормального функционирования ПР в этих случаях в систему его управления должна поступать четкая информация о положении грузов на взаимодействующих с ПР устройствах - конвейерах, таре, столах,

кантователях и т.д., что может потребовать их оборудования датчиками той или иной конструкции [6].

Следует отметить, что при погрузочно-разгрузочных работах с транспортными средствами общего назначения (грузовые автомобили, железнодорожные вагоны и др.) использование промышленных роботов в автоматическом режиме затруднено, поэтому в таких случаях более целесообразным является применение манипуляторов, по структурной схеме напоминающих МС роботов, но управляемых вручную со специальных пультов. Для удобства контроля захвата грузов органы управления этими манипуляторами могут располагаться непосредственно на рабочем органе.

Для перемещения грузов на значительные расстояния (например, в пределах цеха или из одного цеха в другой) и по различным трассам в последние годы все шире используются роботизированные транспортные устройства (РТУ), в особенности безрельсовые автоматические тележки -робокары, заменяющие обычные сопровождаемые водителями электрокары и электропогрузчики. Робокара представляет собой самоходную безрельсовую тележку, автоматически движущуюся по заданной трассе и останавливающуюся в местах загрузки-разгрузки с помощью специальных устройств маршрутослежения - механических, оптических, индукционных и

ДР-[7].

На трассе движения робокары намечаются и кодируются характерные узловые точки - места остановок, перекладок, ответвлений, трассы и др. - и оборудуются светоотражающими, электромагнитными, либо иными информационными устройствами, с которыми взаимодействуют при подходе к ним датчики внешней информации робокары. В результате сигналы от датчиков направляются в управляющую компьютерную систему, где на основании программы с учетом текущей информации обратных связей формируются команды управления дальнейшими действиями робокары. Задание программы осуществляется с помощью клавишного пульта,

установленного на робокаре. При большом числе робокар