автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности технологических процессов и качества изготовления изделий на основе использования мехатронных систем автоматизации послеоперационного контроля

РГБ г-.Ч

На правах рукописи

Мясников Виталий Константичович

Повышение эффективности технологических процессов

и качества изготовления изделий на основе использования мехатроннкх систем автоматизации послеоперационного контроля

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Ярославском Государственном техническом университете

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Носов М.Г.

доктор технических наук, профессор Курочкия Е.П.

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Эрлих А.И.

АО "Ярославский завод дизельной аппаратуры"

г. в ^ час на заседании специализированного Совета Д 063.42.02 в Московском Государственном технологическом университете (СТАНКИН) по адресу: 101472, Москва, Вадковский пер., За

Защита состоится

^1996

Автореферат разослан .1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

Г.Д. Волкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Резко возросшие требования к качеству изделий, особенно в современный период экономических реформ и становления рыночной экономики в Российской Федерации, задача выхода на мировой рынок, повышения конкурентоспособности продукции отечественного машиностроения немыслимы без изменения традиционных форм и средств автоматизации технического контроля.

Необходимыми условиями повышения эффективности технологических процессов и обеспечения высокого и стабильного качества продукции машиностроения является автоматизация процессов входного и выходного контроля отдельных деталей на каждой технологической операции и сортировки деталей на группы качества, а также наличие у систем автоматизации послеоперационного контроля контуров нематериализованных обратных связей с технологическим оборудованием.

Если в условиях мелкосерийного и единичного производства для послеоперационного контроля хорошо зарекомендовали себя координатно-измерительные машины (КИМ) и измерительные роботы (ИР), то в условиях массового и крупносерийного машиностроительного производства, например, в двигателестроении, КИМ и. ИР не могут конкурировать с контрольными автоматами и ручными методами контроля вследствие высокой стоимости, недостаточной производительности, меньшей надежности. Контрольные автоматы, КИМ и ИР уступают человеку по мобильности и гибкости реагирования на внешние изменяющиеся условия, а также не обладают интеллектуальными свойствами.

В связи с этим необходим переход от отдельных видов новой техники контроля к мехатронным системам автоматизации и комплексам машин, с использованием единых высокоинтегрированных электронных, микропроцессорных и лазерных подсистем управления, информации, диагностики. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области признаны приоритетными на ближайшие годы как в мировом, так и в отечественном машиностроении. Разработка теоретических основ проектирования мехатронных систем автоматизации послеоперационного контроля параметров качества деталей представляет собой крупную научную проблему, решение которой имеет важное народно-хозяйственное значение и позволит обеспечить эффективность технологических процессов, высокое качество , изготовления и конкурентоспособность изделий отечественного машиностроения.

Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа, выполнявшаяся с 1981 года и входившая в комплексные научно-технические программы ГКНТ СССР, Минвуза РСФСР и Ассоциации искусственного интеллекта.

Цель работы. Научное обоснование и разработка теоретических основ создания мехатронных систем автоматизации послеоперационного контроля (МСАПК) качества изготовления деталей на базе концептуального и имитационного моделирования и автоматизированного проектирования, согласования характеристик систем с требованиями технологии, обеспечивающих эффективность их применения для повышения качества и конкурентоспособности изделий машиностроения.

Указанная цель определяет следующие научные задачи:

1. Разработка концептуальных моделей МСАПК, определяющих рациональный состав, показатели, порядок разработки и этапность создания МСАПК, выявление причинно-следственных связей, присущих МСАПК и существенных в пределах проводимых исследований.

2. Формирование концептуальной модели технологической среды и обобщенной архитектуры МСАПК, охватывающих совокупность функ-. ций системы, с которыми будет работать предполагаемый пользователь, в том числе и в малолюдном или безлюдном режимах работы.

3. Разработка имитационных моделей функционирования и имитационное моделирование МСАПК для отработки и согласования характеристик элементов системы на стадии предпроектных исследований.

4. Создание теоретических основ, алгоритмических и программных средств для оказания помощи проектировщикам при выработке, модификации, анализе или оптимизации проектных решений МСАПК, сокращении сроков их проектирования и изготовления, обоснованного и эффективного выбора элементной базы.

5. Разработка принципов создания новых конструкций автоматического оборудования для мехатронных систем автоматизации контроля в машиностроении.

Научная новизна работы. Впервые на базе основных положений системологии и анализа реальных ■ потребностей пользователей разработаны принципы и методология концептуального и имитационного моделирования систем автоматизации послеоперационного контроля на ранних стадиях проектирования, в результате чего предложены:

- высокопроизводительная МСАПК как новое инструментальное средство автоматизации послеоперационного контроля деталей и сортировки на группы качества в интегрированной системе управления качеством их изготовления в массовом и крупносерийном производстве в соответствии с требованиями МС.ИСО серии 9000;

________методы— и—алгоритмы построения концептуальных моделей

МСАПК, включающие структурирование предметной области на основе лексического анализа технического задания на проектирование МСАПК; синтез деталеоперационных семантических моделей и интеграцию их в концептуальную модель МСАПК; коррекцию полученной концептуальной модели с помощью ее имитационного моделирования;

- концептуальные сетевые модели технологической среды МСАПК, устанавливающие причинно-следственные связи и количественные соотношения между параметрами технологии и качества изготовления деталей в виде гипотез, сформированных и уточняемых при обучении и работе системы и позволяющих диагностировать . технологический процесс, устранять "узкие'' места в технологии и производить коррекцию последующих технологических операций;

- имитационные модели и алгоритмы процессов функционирования МСАПК на осьове сетей Петри, позволяющие выполнять генерацию на ЭВМ вариантов оптимальных маршрутов и размещения основного технологического оборудования МСАПК с учетом ограничений действующего производства, выражаемых конкретными численными значениями границ производительности, точности, стоимости и предикатов следования и совместимости; а также производить синтез алгоритмов управления системы.

Практическая значимость работы. Разработанные принципы и методологические основы создания систем автоматизации послеоперационного контроля позволили:

- создать и апробировать законченные функциональные подсистемы МСАПК и их элементы и целостную конструктивную процедуру компоновки из них МСАПК применительно к - конкретным технологическим процессам;

- спроектировать и изготовить новые конструкции автоматического основного технологического и вспомогательного оборудования, включая измерительные устройства автоматического действия и измерительные органы роботов для многопараметрического контроля деталей; .

- изготовить и внедрить МСАПК прецизионных деталей и МСАПК пружин сжатия ТНВД (АО "ЯЗДА"); установки монтажа гибридных интегральных схем (НПО "Электронприбор" и другие, предприятия Минэлектротехнопромприбора СССР); дозировочно-упаковочный РТК для сыпучих материалов (НПО "Техуглерод");

- разработать новые курсы по робототехнике и мехатронике в учебном процессе высшей школы, в том числе в системе переподготовки инженерных кадров; результаты работы использованы в учебных дисциплинах "Механические системы промышленных роботов", "Мехатроника" (ЯГТУ ; ЯрФИПК Минавтопрома СССР); "Технология

программирования", "Интеллектуальные системы", "Дискретная математика" (ЯрГУ).

Автор защищает:

1. Методы и алгоритмы концептуального моделирования МСАПК на основе лексического анализа технического задания на ее создание и структурирования предметной области, заполнения потребителем (конечным пользователем) деталеоперационных семантических моделей знаниями о предметной области, выявления противоречий в модели путем ее пофрагментной имитации.

2. Обобщенную архитектуру МСАПК, состоящую из пяти взаимосвязанных подсистем: механической, информационной, управляющей, интеллектуальной, диагностической.

3. Имитационные модели и алгоритмы функционирования МСАПК с учетом ограничений действующего производства.

4. Архитектуру пакета автоматизированного проектирования МСАПК на трех уровнях: конструктивный модуль, исполнительное устройство, технологический комплекс; методы автоматизированного проектирования МСАПК на основе последовательного семантического, имитационного и аналитического моделирования;

5. Новый метод управления качеством деталей в машиностроении, заключающийся в использовании МСАПК для выявления причинно-следственной и семантической связи параметров технологии и качества изготовления деталей, позволяющей прогнозировать сбои оборудования и устранять "узкие места" в технологии путем диагностики технологических процессов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация средств метрологического обеспечения народного хозяйства", Тбилиси, 1989г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Прогнозирование создания ГПС и РТК в условиях интенсификации производства", Харьков, 1990 г. ; Всесоюзной научно-технической конференции "Итоги, проблемы и перспективы комплексно-автоматизированных производств в машиностроении и приборостроении", Нижний Новгород, 1990 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и эксплуатации ГПС и ПР на предприятиях машиностроения", Севастополь, 1990 г.; Всесоюзной конференции "Искусственный интеллект -90", Минск, 1990 г.; Всесоюзной конференции "Теория и практика построения интеллектуальных интегрированных САПР РЭА , и БИС", Звенигород, 1989 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Интеллектуальные системы в машиностроении", Самара, 1991 г.; 2-ой и 3-ей Республиканских научно-технических конференциях "Опыт

создания ГПС для интегрированного-----машиностроительного

-------- производства",'КиевГ 1989 и 1990 г.г.; Научно-технических семинарах

"Комплексная автоматизация проектных и технических работ в машиностроении", Ленинград, 1990 и 1991 г.г.; Всесоюзном научно-техническом совещании "Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами ", Челябинск, 1990 г.; Всесоюзных семинарах по ТММ, Москва, 1983 и 1988 г.г, Калинин, 1988 и 1989 г.г.; Научно-технической конференции "Компьютерная технология в учебном процессе высшей школы", • Челябинск 1989 г.; Межвузовском научно-методическом совещании "Вопросы робототехники в курсе теории механизмов и машин", Москва, 1988 г.; IV Национальной конференции с международным участием "Искусственный интеллект-94", Рыбинск, 1994 г., Научно-практическом семинаре "Системный подход к развитию творческих способностей студента в вузе", Минск, 1994 г., Научных семинарах кафедр математической кибернетики и теоретической; информатики ЯрГУ в 1990-1995 г.г., Научно-технических конференциях и семинарах ЯрПИ (ЯГТУ) в 1982-1994 г.г.

Достовецнос_ть и обоснованность результатов исследований подтверждается результатами опытно-промышленных испытаний систем автоматизации послеоперационного контроля прецизионных деталей и пружин сжатия, монтажа кристаллов и других навесных компонентов, упаковки сыпучих материалов; детальным обсуждением результатов работы на Всесоюзных научных конференциях и семинарах; фундаментальными положениями теории технических систем, искусственного интеллекта, дискретной математики.

Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в постановке задачи, разработке теоретических положений, а также - в непосредственном участии во всех этапах исследований и обсуждения полученных результатов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, и библиографического списка.

В первой главе анализируется проблема автоматизации контроля качества деталей при прогнозировании конкурентоспобности продукции отечественного машиностроения в соответствии с требованиями МС ИСО серии 9000; рассматриваются современные тенденции развития систем автоматизации послеоперационного контроля качества деталей и актуальность проблемы научных исследований и создания МСАПК; сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Глава вторая посвящена разработке концептуальных моделей и обобщенной архитектуры МСАПК, функций, состава и вариантов конфигурации основных подсистем, а также концептуальной модели

технологической среды, устанавливающей причинно-следственные и количественные связи параметров технологии и качества изготовления деталей.

В третьей главе разработаны методология имитационного моделирования .функционирования МСАПК; приведены имитационные модели и алгоритмы и результаты анализа функционирования вариантов МСАПК при ограничениях на маршрут и совмещение измерительных операций, изменения количества измеряемых параметров и позиций измерительных устройств, обусловленных технологическими требованиями.

Четвертая глава посвящена методам автоматизированного проектирования МСАПК, заключающимся в поэтапном переходе от семантических моделей системы к '' имитационным моделям функционирования, а от имитационных к аналитическим как системы, так и ее элементов. !

В пятой главе, на основе анализа проблемы качества прецизионных деталей ТНВД и дизельного двигателя, разрабатываются концептуальная (семантическая) модель, новые типы основного технологического и вспомогательного оборудования, а также структура программного обеспечения МСАПК прецизионных деталей.

Глава шестая посвящена разработке концептуальной модели технологической среды и имитационных моделей функционирования МСАПК пружины сжатия; разработке управляющей подсистемы установки индивидуального монтажа гибридных микроэлектронных схем и новых конструктивных модулей для технологического оборудования МСАПК.

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МСАПК

Проектирование МСАПК представляет собой постепенно усложняющийся итеративный процесс, в котором участвуют специалисты в различных областях знаний - технологи, специалисты по автоматизации, метрологи, когнитолог (инженер по знаниям), инженеры по микроэлектронике, математики, системотехники, программисты и некоторые другие.

Ранние стадии проектирования (стадии предпроектных исследований, технического задания и технического предложения) являются, вероятно, наименее изученными, наиболее трудными ' и длительными по времени этапами процесса проектирования мехатронных систем. Этапы формирования технического задания (ТЗ), в котором формируются требования к разрабатываемой МСАПК, и технического предложения, в котором анализируются эти требования и сравниваются

варианты возможных-решений,—являются" наиболее важными, т.к. на результатах этих этапов основано большинство последующих проектных решений МСАПК.

Проведенный анализ требований разнородных специалистов (пользователей) показал, что для их успешного взаимодействия, интеграции знаний различных научных дисциплин и разнородных моделей необходима единая модель системы, которая должна быть отражением представлений разнородных специалистов о МСАПК в однозначном и непротиворечивом виде; понятна каждому специалисту с необходимой именно ему степенью детализации; доступной разработчикам с различным опытом проектирования, использующим различные модели МСАПК и ее подсистем; поддержана соответствующими инструментальными средствами проектирования, в том числе должна обеспечивать каждому специалисту возможность делать уточняющие запросы по текущему состоянию модели и вносить изменения в модель (в пределах своей компетенции); удобна для проверки вносимых в модель изменений на корректность (с целью защиты от ошибок).

Указанным требованиям удовлетворяет концептуальная (от лат. сопсер1иэ - понятие) модель системы автоматизации, являющаяся знанием содержания (смысла) понятия о классе системы, дающим обобщенное представление как о системе, так и о множестве связей между элементами системы. Концептуальная модель обеспечивает согласованность целей разнородных пользователей, а также согласованность их представлений о МСАПК и не зависит ни от конкретных технических решений, ни от элементной базы.

Концептуальная модель служит основой автоматизации всех процессов жизненного цикла МСАПК.

Разработана методология концептуального моделирования МСАПК, как система различных методов (семантических сетей, предикатов первого порядка, фреймов, продукционных систем), применяемых в научных исследованиях для обоснования результатов. Методология является воспроизводимой, т.е. такой, когда два разработчика, применяя различные методы для синтеза одной и той же МСАПК, получают одинаковые или примерно одинаковые результаты.

Концептуальная модель МСАПК представлена в виде сравнительно простой семантической сетевой модели для облегчения ее восприятия и понимания разнородными пользователями. Показано, что модель обладает свойствами расширяемости и целостности. Конкретизация и наполнение фактическими знаниями концептуальной модели производятся раздельно экспертом и пользователем на ЭВМ с помощью языка представления знаний о предметной области и геометрических

картинок. Пользователь формулирует на естественном языке ТЗ на проектирование МСАПК или ее части.' ;

Разработана ЭС (интеллектуальная система концептуального моделирования), с помощью которой пользователь:

1) на основе лексического анализа ТЗ выбирает подмножество языка предметной области и составляет словарь базовых понятий предметной области, причем с каждым понятием связывается . фрейм-прототип, который записывается с помощью эквивалентной ему формальной порождающей грамматики.

2) уточняет грамматику подмножества (безотносительно связи с .ТЗ), т.е. описывает множество значений:', (типы) каждого слота для каждой деталеоперации или понятия из подмножества (при этом описание объектов аналогично описанию структур, а описание деталеопераций аналогично описанию функций или процедур в алгоритмических языках программирования);

3) переводит технические предложения ТЗ на формальный язык (аналогично написанию операторов языка с конкретными значениями параметров). • "

Лексический анализ ТЗ на проектирование МСАПК включает: разделение текста ТЗ пользователя на технические предложения, а предложений - на слова; придание каждому слову (понятию) имен (атрибутов, ларактеристик) слотов; формирование с помощью формальной порождающей грамматики макропонятий, т.е. структурирование предметной области.

Например, для предложения ТЗ . на проектирование МСАПК -ОПЕРАТОР ПОМЕЩАЕТ КАССЕТЫ В ОЧЕРЕДЬ КАССЕТ ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА - лексический, анализ может быть записан двуместными предикатами, которые запишутся в виде:

действие (Р1, ПОМЕСТИТЬ В) агент №1, ОПЕРАТОР) объект (Р1, КАССЕТА) место (П, ОЧЕРЕДЬ) , характеристика (ОЧЕРЕДЬ, ЗАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО) характеристика (ОЧЕРЕДЬ, КАССЕТА)

Структурирование предметной области осуществляется группированием базовых понятий в макропонятия.' Для подобного ТЗ, структура базового языка может вначале задаваться грамматикой с правилами:

понятие ::= объект / событие/ операция/ другое_понятие

объект ::= ОПЕРАТОР/ РОБОТ/ устройство/ ДЕТАЛЬ/ КАССЕТА

-------■ устройство" ::="тйп_устройства УСТРОЙСТВО

тип_устройства ::= ЗАГРУЗОЧНОЕ./ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ_/СОРТИРОВОЧНОЕ_ событие ::= НАХОДИТЬСЯ_В/ СОСТОЯТь1иЗ

операция ::= ПОМЕЩАТЬ_В / ПЕРЕМЕЩАТЬ_В / УСТАНАВЛИВАТЬ_НА /

НАПРАВЛЯТЬ_В / ОТДЕЛЯТЬ_ОТ / ВЫБИРАТЬ_ИЗ / ИЗМЕРЯТЬ другое понятие::= ОЧЕРЕДЬ

Затем осуществляется прототипирование - описание значений слотов (получение протослотов). Иначе говоря, прототипирование указывает, элемент какого понятия может выступать в качестве значений слота. В результате прототипирования такая грамматика примет следующий вид:

прототип::= #объект / #событие / #операция / #другое_понятие #объект::= тип_объекта [, #список_характеристик1 тип_объекта::= активный_объект / пассивный_объект активный_объект::= движущийся_объект / неподвижный_объект движущийся_объект::= ОПЕРАТОР / РОБОТ неподвижный_объект::= тип_устройства УСТРОЙСТВО тип_устройства::= ЗАГРУЗОЧНОЕ_/ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ_/

СОРТИРОВОЧНОЕ_ пассивный_объект ::= ДЕТАЛЬ / КАССЕТА #список_характеристик :: = #характеристика [, #список_характеристик] #характеристика ::= #имя_характеристики =

#значение_характеристики имя_характеристики ::= РАЗМЕР/ МЕСТО/ СОСТОЯНИЕ #событие тип_события [, #список_отношений) тип_события ::= НАХОДИТЬСЯ_В/ СОСТОЯТЬ_ИЗ/ начало_операции

(тип__операции)/ конец_операции (тип_операции)

тип_операции ПОМЕЩАТЬ_В / ПЕРЕМЕЩАТЬ_В / УСТАНАВЛИВАТЬ_НА / НАПРАВЛЯТЬ_В / ОТДЕЛЯТЬ.ОТ / ВЫБИРАТЬЛЗ/ ИЗМЕРЯТЬ #список_отношений ::= #отношение [, #список_отношений] #отношение ::= имя_отношения = #значение_отношения имя_отношения ::= АГЕНТ / ОБЪЕКТ / МЕСТО / ВРЕМЯ , #операция ::= тип_операции [, #список_операционных_отношений] #список_операционных_отношений ::= #операционное_ отношение [,

#список_операционных_отношений] #операционное_ отношение ::= [тип_операционного_события:] #отношение

тип_операционного_события ::= НАЧАЛО_ОПЕРАЦИИ /

КОНЕЦ_ОПЕРАЦИИ #другое_понятие::= ОЧЕРЕДЬ [, #список_отношений]

При прототипировании возможно переструктурирование предметной области или доструктурирование грамматики, причем - с обращением к эксперту. Переструктурирование во многом связано с описанием деталеопераций.

На следующем этапе проектирования МСАПК строятся деталеоперационные семантические модели для каждого предложения. При этом необходимо дать имена всем понятиям, используемым в предложении, заполнить известные характеристики объектов и установить связи между ними.

Деталеоперадионная СМ для рассмотренного случая представлена на рисунке:

Полученные • деталеоперационные семантические модели объединяются в общую концептуальную модель МСАПК.

Интеграция деталеоперационных семантических моделей в общую концептуальную модель направлена на достижение в концептуальной модели МСАПК однозначности соотнесения элементов структуры модели классам объектов и отношениям между ними в деталеоперационных моделях, не исключая возможные несоответствия. Процесс интеграции основан на установлении между объектами объединяемых деталеоперационных семантических моделей типовидовых, целое - часть, синонимических и других отношений, согласовании

-характеристик^ объектов,"""устранении несоответствий (противоречий) классификации объектов с использованием заданного набора решающих правил.

В результате интеграции получаем возможность обеспечивать обмен данными между различными детелеоперационными семантическими моделями и тем самым связывать в одну концептуальную модель закономерности, описывающие различные с содержательной точки зрения процессы, присущие МСАПК.

Таким образом, методология концептуального моделирования МСАПК, представляющая единую совокупность правил и процедур, позволяет сократить время проектирования и улучшить его качество. В результате использования методологии необходимая проектная информация становится доступной проектировщику на ранней стадии проектирования МСАПК и в большем объеме, чем это возможно при ручной обработке.

■В разработанной обобщенной архитектуре МСАПК можно выделить пять основных подсистем: механическую, информационную, управляющую (верхний и нижний уровни), диагностическую и интеллектуальную.

На основе методов дискретной математики в работе проведена декомпозиция МСАПК с использованием агрегатно-модульного принципа, подразумевающего модульное построение не только всей системы, но и ее элементов. Предложено рассматривать три уровня объектов: технологический комплекс (ТК) , исполнительное устройство (ИУ), конструктивный модуль (КМ). ИУ и отдельные КМ составляют ТК определенного функционального назначения: измерительный, сборочный, упаковочный и т.д.

Конструктивно механическая подсистема состоит из ИУ и отдельных КМ, выполняющих непосредственно такие функции, как загрузка-разгрузка деталей, предварительная сортировка (отбраковка), захватывание, транспортирование и установка деталей на измерительную позицию, маркировка деталей, сортировка их на группы качества (метрологические группы), сборка изделий, упаковка, укладка и некоторые другие операции.

Основной задачей информационной подсистемы является постоянное обеспечение остальных подсистем необходимыми для их работы информационными сигналами и данными. Предусмотрена возможность асинхронного параллельного выполнения независимых стадий производственных операций. Однако некоторые операции в отдельных фазах своего протекания оказывались взаимозависимыми. В этом случае синхронизация соответствующих операций достигалась за счет их связи через срабатывание физических или виртуальных датчиков

АРХИТЕКТУРА МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОСЛЕОПЕРАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ПОДСИСТЕМА

УПРАВЛЯЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА (ВЕРХНИЙ УРОВЕНЬ)

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА

Диагностике

технологического процесса

Диагностика

работы

оборудования

*

Самотестирование Тестирование Тестирование

измерительной микропроцессорных программного

позиции У средств У обеспечения

ЭС

"Технология -качество*

БЗ о .технологических процессах

БД

накопления информации

Статобработха измерительной инфорквцнн

Программное обеспечение подсистем

Программируемый таймер

/ ' У ^ ______^ / - ^ /*

У Контроллер программного ввода У Основная память ПЗУ, ОЗУ Цецтрапьний процессор Контроллер программного вывода ■ Блоки *питания

ОБЩАЯ ШИНА

УПРАВЛЯЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА (НИЖНИЙ УРОВЕНЬ)

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДСИСТЕМА

и_установку физических-или-виртуальных управляющих сигналов. Для передачи сообщений (информации) использовался принцип "почтового ящика". Таким образом, виртуальные датчики позволили организовать выполнение параллельных ветвей одной операции, как осуществление независимых операций.

Управляющая подсистема обеспечивает непрерывную работу МСАПК без обслуживающего персонала в течении заданного интервала времени, исполняет алгоритмы и решения, выработанные интеллектуальной (вычислительной) и диагностической подсистемами, а также 'оператором. Управляющая подсистема МСАПК имеет два уровня (верхний и нижний), соединенные интерфейсной магистралью, является мобильной и легко переносится в классе рассматриваемых мехатронных систем от одного изделия к другому.

Нижний уровень управляющей подсистемы комплекса, информационная подсистема и отдельные механические узлы загрузки-разгрузки, транспортирования-позиционирования, измерения-контроля, сортировки-сборки являются по существу одноименными мехатронными модулями.

Интеллектуальная подсистема содержит: программные средства, осуществляющие сбор, фильтрацию и статистическую обработку измерительной информации; управляющие алгоритмы и программы, в том числе гибридную экспертную систему; базы данных накопления информации; базу знаний о технологических процессах. Программные средства обеспечивают возможность принятия решений в случае производственных "возмущений" на основании поступающей измерительной информации и диагностику технологического процесса и работы оборудования.

На основе проведенных исследований объектов управления, разработаны основные функции прямого и косвенного контроля и диагностирования технологического процесса, работы оборудования, в том числе измерительных и микропроцессорных средств, а также информационных потоков, тестирования программного обеспечения. Соответствующие программы и аппаратные средства составляют диагностическую подсистему МСАПК, которая работает в режиме разделения времени без прерывания обслуживания измерительной информации и управляющих программ.

Автоматическая диагностика работы МСАПК выполняется на основе программного сопоставления номера- КМ или ИУ, на которое выдано управляющее воздействие , и состояния, -датчика, который должен реагировать на срабатывание автоматического механизма. Диагностическая процедура локализует место возникшей неисправности

выдачей сообщения на устройство отображения информации о состоянии мехатронной системы.

Микропроцессорные средства управления позволяют решить и задачи автоматической адаптации измерительной части МСАПК к изменению условий контроля путем автокалибровки системы эталонными деталями. Автокалибровкой и автоматической подстройкой шкал удается в значительной степени избежать погрешностей их нелинейностей, а также дрейфа нуля, вызванного износом рабочей поверхности чувствительного элемента.

В понятие концептуальной модели входит не только назначение, структуре МСАПК и перечень ее подсистем и других элементов (внутренний морфологический анализ и синтез), но и взаимодействие МСАПК с внешним окружением - технологической средой, под которой понимается совокупность средств . технологического оснащения производства (орудия производства, технологические процессы, другие средства).

Разработаны концептуальные модели для технологической среды МСАПК, выявляющие причинно-следственные связи между параметрами качества деталей, определяемыми с помощью МСАПК, и технологическими факторами (параметрами материалов, инструмента, оборудования и т.п.). Модели получены как с помощью методов линейной алгебры, так и с помощью методов искусственного интеллекта. В общем случае каждый из "п" параметров к, качества продукции (детали) может быть связан с "ш" технологическими факторами ^ её изготовления соотношениями вида:

Частное отклонение ДЦ ¡-го параметра качества продукции (детали) от погрешности Д^ ]-го технологического фактора выражается частной производной представляющей коэффициент влияния

технологического фактора ^ на значение параметра к1 качества.

Следовательно, отклонения параметров качества продукции (детали) можно представить в виде кортежа параметров качества К , а погрешности технологических факторов - в виде кортежа факторов технологии Т . Взаимосвязь указанных кортежей может, быть выражена в форме:

--------------------------------к - а * т,

где С - матрица коэффициентов влияния gij технологических факторов на параметры качества продукции (детали). В матричной форме последнее уравнение будет иметь вид:

Ак, 8п • • Аг,

Ак, = • сг От *

Дк„ Вт ёпгп А1т

Для анализа влияния элементов ^ на элементы к; разработаны алгоритмы накопления и статистической обработки данных измерений параметров деталей для последующего использования этой информации в контурах нематериализованных обратных связей, реализуемых на основе автоматических измерительных устройств.

Если известен вид аналитической зависимости между параметрами технологического процесса и качества изготовления деталей, то проверяется адекватность этой зависимости имеющимся экспериментальным данным (например, по методу Фишера). При неадекватности модели качества ее параметры могут быть идентифицированы по имеющимся экспериментальным данным. Для тех параметров качества, модели которых отсутствуют, эти модели строят, как правило, методами регрессионного анализа.

Очевидно, что возможности такого подхода ограничены, поэтому в диссертации разработана концептуальная сетевая модель технологической среды, в которой представлены многочисленные семантические ' понятия и отношения, связывающее требуемые параметры к э К качества детали с исходными параметрами т э М материала и технологическими факторами I э Т конкретного производства. В базе данных в процессе обучения МСАПК накапливаются количественные характеристик^ этих' отношений, получаемые в результате статистической обработки результатов измерений с целью последующего использования этой информации в контурах нематериализованных обратных связей.

Предложенные модели сначала рассматриваются как гипотезы, сформированнные с участием специалистов-технологов и позволяющие учитывать значимость тех или иных производственных факторов и их

отношений. При этом гипотезы после опроса специалистов-технологов имеют естественно-языковую форму. Затем в процессе обучения МСАПК накапливаются количественные характеристики, непрерывно уточняемые в результате статобработки результатов измерений, и вместо нечетких естественно-языковых кванторов переходим к числовым коэффициентам, которые заменяют значения лингвистической переменной "частота".

Например, в частности, получаем понятие вида:

к, <- 0.75(^&/з&/6) V 0.15(т1&тг&/7) V 0.12(/,&/«&/,),

которое содержит числовые коэффициенты, уточняемые в процессе работы системы с помощью статобработки. В процессе работы системы эти коэффициенты также уточняются, и чем продолжительнее эксплуатация МСАПК, тем точнее ее экспертные заключения.

На основе концептуальных моделей технологической среды построены экспертные системы "Технология-Качество", позволяющие наблюдать за технологическими процессами на основании получаемой измерительной информации, удерживать параметры качества деталей в пределах допусков, оперативно реагировать экспертными заключениями на отказы и сбои станочного и другого технологического оборудования.

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МСАПК

Эффективность использования МСАПК (МСАПК), определяемая в первую очередь ее производительностью, может быть оценена имитационным моделированием функционирования такой системы.

Предложена методология имитационного моделирования функционирования МСАПК, оборудование которых разнотемповое и отличается по назначению, принципу действия, виду потребляемой энергии, точности, стоимости и другим показателям. При этом на этапе имитационного моделирования решаются две модификации задачи оптимизации: прямая - получение максимальной эффективности при заданных ограничениях производства, обратная - обеспечение заданной эффективности при минимальных затратах средств.

На основе разработанной структурной модели МСАПК построены три типа имитационных моделей функционирования таких систем автоматизации: на базе многовариантных, цикловых графов технологических переходов, на основе математического аппарата расширенных сетей Петри, с использованием полученных в работе предикатов следования и совместимости.

В диссертации приведены процедуры оптимального синтеза МСАПК из имеющейся гаммы автоматических устройств (различных

типов и видов) при наличии_ ограничений^ (технологических условий) производства: —Задачи""синтеза начальной компоновки МСАПК из измерительных устройств (ИзУ) и маршрута детали на измерительной позиции решаются методом имитационного моделирования дискретного измерительного процесса в МСАПК. Рассмотрены имитационные модели МСАПК при последовательном выполнении или совмещении измерительных операций, а также при ограничениях на порядок расположения типов ИзУ (ограничениях на маршрут) и ограничениях на возложность одновременного измерения одним ИзУ двух или более параметров (ограничение на совмещение операций).

Задача синтеза всевозможных маршрутов в МСАПК сводится к формированию некоторого подмножества языка сети Петри. Представляя алгебраически имитационную модель (сети Петри) в виде матрицы смежности переходов, матрицы входящих и выходящих инциденций, а также матрицы-строки маркеров, характеризующих состояние МСАПК в начале, в ходе и в конце измерительного процесса, можно сформировать слово (из букв и множества натуральных чисел), соответствующее тому или иному возможному маршруту. Учитывая альтернативность выполнения измерительных операций с помощью ИзУ различных типов и видов, в алгоритмы имитационного моделирования МСАПК введены показатели времени, точности измерений и материальных затрат. Задача решается формированием следующих матриц: видов ИзУ выбранных типов, продолжительностей измерений искомых параметров деталей, точностей измерения этих параметров на ИзУ и стоимостей ИзУ. После этого с точки зрения комбинаторики процесс синтеза компоновок можно представить как формирование возможных к-размещений. В результате получаем трехмерную матрицу компоновок МСАПК размерностью р = ( О * к * 2 ), где и - число типов ИзУ. Из этой матрицы находим оптимальное сочетание компоновки и маршрута МСАПК.

Получены аналитические зависимости количества маршрутов (М) и количества компоновок (К) МСАПК в функции от числа ИзУ (V/) и числа производственных ограничений (<5) в виде гиперповерхностей, образованных гамма-функциями (эйлеровыми интегралами второго рода) и логарифмическими кривыми

В работе дан анализ q)yнкциoниpoвauия различных вариантов МСАПК при ограничениях на маршрут. и совмещение измерительных операций, при изменении количества измеряемых параметров и позиций ИзУ. В частности, если в гамме ИзУ имеется всего Ш=и*У устройств, причем количество V видов ИзУ каждого типа одинаково, то количество возможных компоновок МСАПК является функцией трех переменных и,У и р. При фиксировании одной из этих переменных (и или V) получим К как функцию двух переменных W и Q.

При U = с = const, количество компоновок комплексов составит:

К = Г(1 + с - Q) * Wc * с°.

В силу неэлементарности гамма-функции такое построение зависимости величины К от количества W имеющихся ИзУ и количеств? Q ограничений на маршрут трудно осуществимо. Поэтому бьла использована программа синтеза компоновок МСАПК и построены графики алгоритмических зависимостей lgK от W и Q, которые полностью соответствуют аналитическому заданию гиперповерхностей:

lg К = lg Г(1 + с - Q) + с * lg W - с * lg с,

Это можно проверить, используя сечения гиперповерхности плоскостями, параллельными координатным плоскостям.

Если Q = const = с,, то

lg К = lg ГО + с-с,) + с * ig W - с * lg с.

Последняя формула определяет на первом рисунке семейство логарифмических кривых, каждая из которых является вогнутой.

Если W = const с, пересечения плоскостей и гиперповерхности ------определяются формулой:

lgK= !gT(l + с - Q)' + с * lg с, / с.

Гамма-функция обладает свойством логарифмической выпуклости, поэтому последняя формула задает на первом рисунке семейство выпуклых кривых.

При условии, что количество видов устройств V = const = с, количество компоновок составит:

K = r(c + W-c*Q/c)Vc?.

Соответствующая гиперповерхность приведена на втором рисунке и правильность ее построения можно обосновать аналогичным образом.

Разработаны графические модели основного и вспомогательного технологического оборудования МСАПК и метод графического моделирования комплекса - метод сканирования координатных перемещений робота на функционально-планировочной схеме с минимизацией занимаемой комплексом производственной площади.

Имитационное моделирование МСАПК по рассмотренным в диссертации алгоритмам объединяет два этапа автоматизированного проектирования измерительных комплексов:

1) Технологический этап - генерация на ЭВМ в диалоговом режиме вариантов оптимального размещения основного технологического оборудования МСАПК по имеющейся информации о детали-представителе и требованиях, производства.

2) Алгоритмический этап - синтез алгоритмов функционирования всего комплекса на основе анализа полученного размещения основного технологического оборудования.

Разработанные алгоритмы имитационного моделирования МСАПК на основе аппарата сетей Петри характеризуются минимумом вводимых в ЭВМ параметров и сокращением объема используемой оперативной памяти по сравнению с другими методами.

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МСАПК

В МСАПК наиболее распространены однокоординатные линейные и угловые электромеханические (ЭММ) и пневмомеханические (ПММ)

модули. Разработаны алгоритмы аналитического моделирования кинематики, динамики и законов движения КМ (ЭММ и ПММ); при динамических расчетах однокоординатных ЭММ предложено. оптимизировать их общие передаточные отношения независимо от видов механических передач, входящих в состав этих модулей; при выборе законов движения выходных звеньев модулей критериями приняты: в технологических роботах - минимум ускорения в переходный период и наличие участка с постоянной скоростью, в загрузочно-транспортных роботах - максимум быстродействия при заданном ограничении перегрузок; разработана методика и проведены экспериментальные исследования законов движения линейных и угловых КМ.

Оценка качества спроектированных ЭММ проводилась как по отдельным точностным, массогабаритным и энергетическим критериям, так и по комплексным критериям, инвариантным к типу, составу и компоновочным решениям ЭММ:

1П = Тд * иобщ * / ( ГПобщ * g),

уп = Рд * Т|общ / ( ГПобщ * % ),

ап— Тдпуск * иобщ / ГПн * ГПобщ ,

где 1п,Уп,вп - приведенные длина, скорость и ускорение перемещения выходного звена модуля; Рд, Тд, Тд пуск - мощность, номинальный и пусковой моменты

силового элемента модуля; шобщ, тн - масса модуля, масса/момент инерции нагрузки; иобщ - общее передаточное отношение модуля; т]общ - общий к.п.д. модуля;

(^тах - максимальное перемещение выходного звена; ц - ускорение свободного падения.

На основе разработанной обобщенной КЭ-модели несущих и исполнительных конструкций ИУ, как статически определимых, так и статически неопределимых, предложен алгоритм управления движением звеньев ИУ с коррекцией на статические и динамические деформации несущей конструкции, определяемые с помощью расчета ее КЭ-модели в микропроцессорной системе управления.

Автоматизированное проектирование на первом уровне начинается с формирования исходных данных и автоматизированного выбора требуемой гаммы линейных и угловых КМ. Последующие процедуры проектирования КМ заключаются в разделении рассматриваемого КМ

Конструкционный модуль (КМ)

1. Синтез КМ'

Вход: тип модуля [угловой, или линейный); максимальное перемещение, номинальная скорость, требуемое усилие на выходе модуля. Выбор элементов модуля из условия минимума его массогабаритных показателей Выход: типы двигателя, понижающей и исполнительной передач; кинематическая схема модуля

2. Кинематика КМ

Вход: общее передаточное отношение моду л я, скорость ведущего звена. Оптимальное (по критерию точности) распределение передаточных, отношений по узлам и отдельным ступеням модуля

Выход: частоты, вращения валов модуля числа зубьев колес, витков червяков и т.п.

3. Статика КМ:

Вход: мощность двигателя;

передаточные отношения узлов и отдельных ступеней модуля. Определение коэффициентов полезного действия узлов и отдельных ступеней модуля (минимум энергопотребления) Выход: крутящие моменты и мощности на валах модуля

4. Проектирование КМ

Вход: крутящие моменты на валах модуля; механические характеристики материалов Расчет по соответствующим критериям работоспособности элементов модуля Выход: форма, размеры и материалы детйлей модуля

5. Динамика и качество КМ Вход: моменты инерции и Macc.it звеньев; момент инерции (масса) нагрузки; скорость и ускорение выходного звена и требуемое усилие на выходе Оптимизация динамической модели КМ по минимуму требуемого момента на валу двигателя или максимуму быстрооейстеия Выход: оптимальные передаточное отношение модуля и требуемая мохцность двигателя;

приведенные перемещение, скорость и ускорение КМ

Исполнительное устройство (ИУ)

6 Синтез ИУ

Вход- траектория, скорость и ускорение движенп.я рабочего органа при выполнении И У технологической (измерительной) операции Оптимизация движения рабочего органа по заданной траектории при наименьшем количестве модулей

Выход' число степеней подвижности ИУ;

типы кинематических п>}р и размеры звеньев ИУ

7. Кинематика ПУ

Вход' законы движения модулей,

диапазоны и погрешности перемещения звеньев,

время работы ИУ; вектор-столбец положения РО в последней системе координат. Решение прямой задачи кинематики ИУ

Выход перемещения, скорости, ускорения и погрешности позиционирования рабочего органа

8. Кинетостатика ИУ

Вход, размеры и ускорения зееньеъ; матрица инерции.

вектор-столбец нагрузки но рабочий орган

Определение компоновочного решения ИУ, имеющего минимум инерционной нагрузки Выход нагрузки на входах есеу модулей; компоновочное решение И У

9.Несущая конструкция ИУ

Вход: размеры и жесткостные характеристики звеньев и кинематических пар; величины и направления нагрузок. Исследование точности. жесткости и собственных колебаний нес ушей конструкции И У >ю его конечно-элементной модели

Выход: внутренние силовые факторы в

элементах НК; линейные и угловые смещения эпементов НК линии влияния перемещений и усилий в НК, частоты собственных колебаний узлов НК

10. Динамика ИУ

Вход: матрица инерции и размеры звеньев ИУ; перемещения, скорости, ускорения и погрешности позиционирования звеньев

Построение и исследование динамической модели ИУ.

Выход динамические нагрузки на входах КМ, динамическая точность ИУ

Технологический комплекс (ТК)

П. Предварительный синтез ТК 1

Вход: элементная база комплекса (ИУ и КМ), техническое заданиемтоимости ИУ и КМ ' 1

Комплектование ТК по функциональному ! назначению из ИУ и КМ '

Выход' гереоначальные компоновка, 1

производительность и стоимость ТК

12. Структурно« моделирование ТК 1 Вход: типы и продолжительности \

технологических операций; 1

типы и число КМ, ИУ, входящих в ТК. Оптцмизаци * структуры ТК по критерию 1 минимизации времени выполнения технологических операций и простоев роботов

Выход: функционально-планировочная схема, и'иыограмма работы, \

принципиальная электрическая схема соединений ТК \

13. Графическое моделирование ТК 1 Вход: перемещения, скорости ускорения

звеньев ИУ и КМ; !

размеры КМ и ИУ на планировке ТК; \ относительные координаты начальной точки планировки ТК на экране Оптимизация по минимуму производственной площади, занимаемой ТК • Выход: Оптимальная функционально-планировочная схема ТК

14. Технико-зксномический анализ ТК Вход: стоимости ТК и базового варианта;

нормативные экономические данные, \ коэффициенты для экономического \ расчета \

.Оптимизация экономических показателей ТК \ (производительность, количество высвобождаемых рабочих, эксплуатационные издержки и др.) |

Выход: приведенные затраты, капитальные : вложения и экономический эффект ТК 1

15. Синтез управления ТК

Вход: параметры динамических моделей И У и КМ;

циклограмма работы комплекса Синтез системы управления ТК на основе анализа его функционирования

Выход: структура системы управления; алгори>ъх-'Ы управления ТК

ГО СО

на элементы, формировании подмножеств альтернативных вариантов реализации каждого элемента, комбинировании различных вариантов решения КМ из альтернативных вариантов реализации элементов, выборе наилучших вариантов решения КМ.

Программное обеспечение второго уровня позволяет произвести синтез и исследование всевозможных компоновок ИУ, составленных из полученной гаммы КМ, кинематический, кинетостатический и динамический анализы движения ИУ, проектирование их несущих и исполнительных конструкций.

Третий уровень программного обеспечения предназначен для автоматизированного выбора на ЭВМ оптимальных функционально-планировочных схем и подсистемы управления комплексом по критериям оптимизации, включающим минимум производственной площади и энергозатрат, максимум быстродействия и точности, обеспечение минимума материальных затрат на изготовление, монтаж и обслуживание комплекса.

Базируясь на принципе одновременного (параллельного) проектирования МСАПК специалистами различных отраслей, при создании МСАПК предложено использовать гибридную ЭС, объединяющую в соответствии с полученной концептуальной моделью МСАПК расчетно-логические программные продукты и графические пакеты с ЭС.

В результате подобной интеграции в работе разработаны концепции интеллектуальной САПР (ИСАПР) МСАПК и интеллектуального интерфейса "пользователь - ЭС". ЭС накапливает знания о производстве и о проектируемом комплексе последовательно в виде семантических, имитационных и аналитических моделей, при бесчисленном множестве состава и способов построения МСАПК.

СОЗДАНИЕ МСАПК И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

МСАПК наиболее эффективны в условиях массового и крупносерийного дискретного производства в машиностроении и, в частности, в двигателестроении. Определена потребность (до 25 систем в год) одного машиностроительного предприятия (на примере ЯЗДА) в МСАПК для различных деталей как в основном, так и в ремонтном производствах.

Разработаны концептуальные и имитационные модели, спроектированы и созданы:

- МСАПК прецизионных деталей, выполняющий следующие функции: накопление кассет с деталями, штучная выдача кассет, разгрузка кассет, штучная подача деталей для захвата ПР,

транспортирование, деталей- на -измерительную позицию, измерение требуемых параметров детали и присвоения номера группы качества, транспортирование деталей на сортировочное устройство, распределение деталей по группам качества (до 90 групп); в цехе прецизионных деталей ЯЗДА МСАПК прецизионных деталей выполняет скоростной (до 600 дет./час) автоматический контроль внутреннего диаметра, конусности и овальности (геометрической формы) сквозного отверстия втулок плунжера ТНВД и последующей сортировки этих деталей на группы качества по результатам измерений; снижение брака деталей "втулка плунжера" составило с 5 - 7% до 0,15 - 0,25% при годовой программе их выпуска 2,25 млн. деталей.

- МСАПК для контроля пяти параметров пружин сжатия ТНВД дизелей производительностью 980 пружин/час.; основным критерием качества таких пружин служит величина поля отклонения параметров характеристики (грузовой диаграммы) от требуемой; кроме того, с помощью МСАПК производится обработка результатов измерения линейных и угловых геометрических параметров пружин (наружного и внутреннего диаметра, перпендикулярности торцов) и последующая сортировка пружин сжатия. Количество некачественно изготовленных пружин уменьшилось с 12-15% до 1,5-2% при их годовой программе, составляющей 1,53 млн. пружин.

Проведены всесторонние опытно-промышленные испытания и внедрены в производство управляющие подсистемы МСАПК в двух вариантах конфигурации их технических средств: первый - основан на использовании серийной вычислительной техники, второй - на базе специализированных под рассматриваемую задачу микропроцессорных средств, использование которых позволяет существенно расширить функциональные возможности МСАПК, построив ее как гибко перенастраиваемую систему параллельно функционирущих мехатронных модулей.

Совместно с НПО "Электронприбор" (г.Ярославль) для предприятий Минэлектрогехнопромприбора СССР разработаны установки монтажа навесных компонентов (резисторов, конденсаторов, полупроводниковых кристаллов и т.п.) на подложку гибридных интегральных микросхем. Разработана система программного управления (СПУ) шаговыми приводами двухкоординатных столов монтажа, основное отличие которой от аналогичных состоит в реализации функций формирования временных последовательностей и одиночных импульсов программными средствами. Обеспечить необходимое быстродействие управления оказалось возможным благодаря рациональному распределению функций между центральным процессором и ведомыми (локальными), посредством которых

выполняются все операции реального времени. Центральный процессор обеспечивает расчет оптимальных маршрутов движения исполнительных устройств. СПУ обеспечивает одновременное управление четырьмя монтажными столами и имеет следующие основные характеристики: число точек позиционирования по каждой координате - до 100; точность позиционирования ±20 мкм, производительность - не менее 600 компонентов в час; датчик исходного положения - волоконно-оптический. Конструктивно СПУ выполнена в виде автономного приборного модуля.

Для автоматизации операций расфасовки сыпучих продуктов в закрытые клапанные полиэтиленовые или бумажные мешки совместно с НПО "Техуглерод" (г.Ярославль) создан робототехнологический упаковочный комплекс. Определен оптимальный профиль направляющей разворота, рабочего органа при прямолинейном движении каретки портального манипулятора одевания мешка на патрубок дозирующего устройства. Оптимизация производилась по быстродействию при ограничениях на величину ускорения движения и при отсутствии удара (заклинивания) рабочего органа.

В диссертации приведены полученные технические решения мехатронных узлов МСАПК и измерительных органов роботов, которые отличаются от известных минимумом преобразований информации и энергии, прямым управлением силовыми элементами, объединением корпусов функциональных элементов узла, объединением внутренних функций, максимумом плотности элементной базы, учетом в алгоритмах управления движением выходного звена всех видов усилий, действующих на звено, и законов их изменения. Рассмотрены новые типы устройств, в том числе - захватных, для организации запаса аттестованных деталей и хранения их в размерно-ориентированном виде перед проведением прецизионной сборки изделий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основным содержанием диссертации является разработка концептуальных моделей и научных принципов создания МСАПК, внедрение которых в массовое и крупносерийное машиностроительное производство обеспечит высокое и стабильное качество и конкурентноспособность продукции.

Решение указанной актуальной проблемы опирается на следующие научные и практические результаты диссертационной работы:

1. Разработана методология концептуального моделирования МСАПК, пригодная . для использования на ранних стадиях проектирования и включающая: структурирование предметной области

на основе лексического анализа ТЗ на проектирование МСАПК; синтез деталеоперационных семантических моделей и интеграцию их в концептуальную модель МСАПК; коррекцию полученной концептуальной модели с помощью ее пофрагментой имитации.

2. На основе исследования дискретных технологических процессов машиностроения предложены концептуальные сетевые модели технологической среды МСАПК, устанавливающие причинно-следственные связи и вероятностные соотношения между параметрами технологии и качества изготовления деталей, и предложен метод формирования таких моделей гипотезами, уточняемыми в процессе обучения и работы МСАПК, что позволяет диагностировать и последовательно устранять "узкие" места в технологии и своевременно реагировать на отклонения в технологическом процессе путем автоматической подналадки оборудования, смены инструмента, и т.п., а также производить коррекцию последующих технологических операций;

3. На основе системологии и мехатроники разработана обобщенная архитектура МСАПК и конфигурации пяти 'ее структурированных подсистем (механической, информационной, управляющей, интеллектуальной, диагностической) и их элементов, позволяющая создавать технологическое оборудование модульного типа на основе мехатронных узлов и распределенных систем управления с использованием унифицированных блоков и программ.

4. Для исследования процессов функционирования МСАПК, на основе применения современных математических методов имитационного моделирования разработаны: алгоритмы оптимального синтеза МСАПК из гаммы автоматических измерительных устройств различных видов и типов при наличии производственных ограничений; сетевые имитационные модели функционирования МСАПК на основе сетей Петри, позволяющие выполнять генерацию на ЭВМ оптимального размещения основного технологического оборудования; метод синтеза оптимальных алгоритмов процессов функционирования МСАПК (маршрутов детали) на основе анализа размещения технологического оборудования.

5. Рассмотрена теория и методы автоматизированного проектирования МСАПК, разработано программное обеспечение и базы данных для исследования и проектирования на ЭВМ механических систем роботов и робототехнологических комплексов, программное обеспечение имеет три уровня (КМ, ИУ, ТК) и позволяет осуществлять декомпозицию или агрегатирование создаваемого оборудования МСАПК в соответствии' с функциональным назначением, требованиями потребителя и производственными условиями. Разработаны рекомендации для развития пакета автоматизированного проектирования

МСАПК в интеллектуальную САПР на основе использования концептуальной модели,МСАПК и пользовательского интерфейса для конечных пользователей-специалистов различных предметных областей.

6. На основании результатов концептуального моделирования и анализа дискретных технологических процессов производства ТНВД разработаны и созданы новое автоматическое оборудование, защищенное а. с. СССР, и МСАПК прецизионных деталей, защищеный патентом РФ. .

7. По результатам исследований дискретных технологических, процессов изготовления пружин сжатия,, концептуального моделирования технологической среды и имитационного моделирования разработан МСАПК для контроля параметров пружины сжатия ТНВД. Разработаны новые конструкции измерительных органов роботов, автоматических измерительных устройств, загрузочно-разгрузочных, контрольно-сортировочных и других устройств, защищенные а. с. СССР.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мясников В.К. Интеллектуальная робототехническая система контроля деталей в машиностроении// Интеллектуальные системы в машиностроении/ Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф. - Самара: ИМАШ АН СССР, 1991. - 4.1. - С. 94 - 98.

2. Мясников В.К., Фокин В.Г. Семантическое моделирование робототехнологических измерительных комплексов/ / Нац. конф. "Искусственный интеллект - 94": Сб. науч. тр. - Рыбинск: АИИ, 1994. -Т.1. - С. 187 - 191.

3. Мясников В.К. и др. Робототехнические измерительные комплексы для контроля геометрических параметров деталей топливной аппаратуры// Двигателестроение. - 1990. - №12. - С. 15 - 17, 30.

4. Мясников В.К, Тихомиров O.E., Широков И.Ю. Робототехнический измерительный комплекс для контроля параметров пружин сжатия// Вестник машиностроения. - 1992. - №5 - С. 35 - 38.

5. Мясников В.К. Создание робототехнологических измерительных комплексов для интегрированного машиностроительного производства// Проблемы создания и эксплуатации ГПС и ПР на предприятиях машиностроения: Тез.док. Всесоюз. науч-техн. конф.- М.: ВНИИТЭМР, 1990. - С. 88 - 89.

6. Мясников В.К., Тихомиров O.E., Широков И.Ю. Автоматизация контрольно-измерительных операций в интегрированном производстве изделий машиностроения / / Автоматизация средств метрологического обеспечеения народного хозяйства: Материалы Всесоюз. науч.-техн.конф. - Тбилиси: НПО "Исари", 1989. - С. 357 - 368.

__________________7:-------Мясников B.K. Роботизированные технологические

измерительные комплексы для интегрированной производственной системы / / XXXV науч.-техн. конф. ЯрПИ: Тез.докл. - Ярославль: ЯрПИ, 1989. - С. 86.

8. Мясников В.К. Автоматизированное проектирование робототехнологических измерительных комплексов для машиностроения/ / Комплексная автоматизация проектных и конструкторских работ в машиностроении/ Материалы науч.-техн. семинара. - Л.: ЛДНТП, 1990. - С. 42 - 47.

9. Мясников В.К, Тихомиров O.E., Широков И.Ю. Имитационное и аналитическоё моделирование измерительных РТК // Прогнозирование создания ГПС и РТК в условиях интенсификации производства: Тез.докл. I Всесоюзн. научн.-техн. конф. - Киев: УкрНИИНТИ, 1990. - С. 54 - 55.

10. Мясников В.К., Тихомиров O.E. Интеллектуальная интегрированная САПР технологических модулей/ / Комплексная автоматизация проектных и конструкторских работ в машиностроении/ Материалы науч.-техн. семинара. - Л.: ЛДНТП, 1991. - С. 59 - 60.

11. Мясников В.К., Широков И.Ю. Пользовательский интерфейс в интеллектуальной системе автоматизированного проектирования измерительных модулей и робототехнических измерительных комплексов// Пользовательский интерфейс: исследование, проектирование, реализация. - Орел: ИАП АН СССР, 1991. - Вып.1. - С. 106 - 109.

12. Мясников В.К. Расчет электромеханических модулей промышленных роботов: Учебное пособие. - Ярославль: ЯрПИ, 1984. -

92 с.

13. Мясников В.К. Автоматизированное проектирование робототехнологических измерительных комплексов для контроля деталей в машиностроении и приборостроении// Итоги, проблемы и перспективы комплексно-автоматизированных производств в машиностроении и приборостроении: Тез. докл. науч.-техн. конф. -Горький: ГПИ, 1990. - С. 124 - 125.

14. Мясников В.К., Тимошкин Л.А. Проектирование механизмов автоматических манипуляторов: Учебное пособие. - Ярославль: ЯрПИ, 1982. - 81 с.

15. Мясников В.К., Буслов И.В., Алексеев A.C. Расчет несущих конструкций манипуляторов и промышленных роботов: Учебное пособие. - Ярославль : ЯрПИ, 1987,- 79 с.

16. Мясников В.К. и др. Построение структурных моделей контрольно-измерительных РТК// Многопроцессорные вычислительные

системы и параллельные алгоритмы: Сб. науч. тр. - Ярославль: ЯрГУ, 1991. - С. 28 - 35.

17. Соколов В.А., Тамаров Б.В., Мясников В.К. Метод функционального проектирования робототехнологических измерительных комплексов// Моделирование и анализ информационных систем: Сб. науч. тр. - Вып.2. - Ярославль: ЯрГУ, 1994. - С. 153 - 163.

18. Мясников В.К., Потапова Л.В. Имитационные модели функционирования измерительных РТК; Яросл. политехи, ин - т. -Ярославль, 1989, - 21 е.: Деп. в ВИНИТИ, 12.12.89, № 7349.

19. Мясников В.К., Потапова Л.В., Широков И.Ю. Анализ имитационной модели функционирования измерительных РТК; Яросл. политехи. ин-т.Ярославль, 1990. - 27 е.: Деп. в'ВИНИТИ 23.11.90, № 5893-В90.

20. Мясников В.К. Автоматизированное проектирование конструктивных модулей робототехнического назначения для ГПС// XXXV науч.-техн. конф. ЯрПИ: Тез. докл. - Ярославль: ЯрПИ, 1989. -С. 85.

21. Мясников В.К. Диалоговое проектирование на Э>ВМ конструктивных модулей робототехнического назначения// Компьютерная технология в учебном процессе высшей школы: Тез. докл. науч.-метод, конф. вузов Урала и Сибири. - Челябинск: ЧПИ, 1989. - С. 32 - 33.

22. Кульков И.Н., Мясников В.К., Вахрин JI.A. Экспериментальное исследование законов движения линейных и угловых модулей промышленных роботов: Методические указания. - Ярославль: ФИПК Минавтопрома СССР, 1989. - 24 с.

23. Мясников В.К., Теренин C.B. Основы динамического расчета конструктивных модулей электромеханических роботов. - ЯрФИПК Минавтопрома СССР. - Ярославль, 1987. - 10 е.: Деп. ВНИИТЭМР 8.07.87, № 319. з

24. Кульков И;Н., Мясников В.К., Брызган В.И. Экспериментальное исследование, законов движения линейных и угловых модулей прмышленных роботов// Разработка путей интенсификации и повышения эффективности учебного процесса в вузе: Тез. докл. XV науч.-метод. конф. ЯрПИ. - Ярославль, 1990. - С. 193.

25. Мясников В.К., Буслов И.В., Магда'линский С.Н. Управление роботом с использованием конечно-элементной модели его конструкции / / Параллельные вычислительные системы и процессы : Сб.! научн.тр. -Ярославль: ЯрГУ, 1991. - С. 70 - 76. 26. Мясников В.К,'Суслов И.В., .Алексеев А.С. Расчет на ЭВМ несущих конструкций манипуляторов

промышленных роботов: Методические указания. - Ярославль: ЯрПИ, 1986. - 32 с.

________27_____Вахрин- H.А.г Мясников" В.К., Милешин В.П. Разработка

конструктивных модулей робототехнического назначения для гибких производственных систем в автомобилестроении: Методические указания. - Ярославль: ФИПК Минавтопрома СССР, 1987. - 40 с.

28. Вахрин H.A., Кульков H.H., Мясников В.К. Алгоритмы и организация управления РТК на базе роботов с цикловым управлением: Методические указания. - Ярославль: ФИПК Минавтопрома СССР, 1989.

- 51 с.

29. Гордеев Е.В., Скворцов C.B., Гришин Д.Е., Мясников В.К., Кулебякин A.A. Система управления шаговыми приводами в автомате монтажа гибридных микромодулей / / Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами: Тез. докл. Всесоюзн.науч.-техн. совещ. - M.: ВСНТО приборостроения,

1990. - 4.2. - С. 209.

30. Мясников В.К., Тимошкин JI.A. Автоматизация учебного проектирования механических систем роботов агрегатно-модульных конструкций// Задачи кафедр ТММ в свете перестройки высшего образования в стране: Тез. докл. сем.-совещ. по ТММ. - Калинин: КПИ, 1988. - С. 34.

31. Мясников В.К., Гончаров Г.М. О преподовании вопросов робототехники на кафедре теории механизмов и машин// Вопросы робототехники в курсе теории механизмов и машин: Тез. док. Межвуз. науч.-метод, совещ. - М.: Мосстанкин, 1988. - С. 23.

32. Мясников В.К., Кульков И.Н. Новые лабораторные работы по исследованию механизмов промышленных роботов// Задачи кафедр ТММ по реализации перестройки высшего образования в стране: Тез. докл. Всесоюз. семинара. - Калинин: КПИ, 1989. - С. 53 - 54.

33. Мясников В.К. Современное состояние робототехники и содержание дисциплин МСПР и ТММ и ОРТ// Разработка путей интеграции и повышение эффективности учебного процесса в вузе: Тез. докл. XV иауч.-метод. конф. ЯрПИ. - Ярославль, 1990. - С. 176.

34. Мясников В.К. Программа учебной дисциплины "Мехатроника"// Проблемы организации подготовки специалистов в вузе: XVII науч.-метод. конф. ЯрПИ: Тез. докл. - Ярославль: ЯрПИ, 1994.

- С. 112.

35. A.c. 1548655 СССР МКИ G 01 В 5/14 // В 25 J 11/00. -Измерительный орган робота для контроля линейных размеров / Мясников В.К., Шмидт В.Н. / / Открытия. Изобретения. - 1990. - № 9. -С. 214-215.

36. A.c. 1645138 СССР МКИ В 25 J 15/00. - Захват / Мясников В.К., Кулебякин A.A., Касаткин М.И. // Открытия. Изобретения. -

1991. - № 16. - С. 60.

37. A.c. 1668848 СССР МКИ G 01 В 5/12. - Устройство для контроля отклонений диаметра отверстия / Мясников В.К., Кулебякин A.A., Костылев В.М. // Открытия. Изобретения. - 1991. - № 29. - С.

. 177.

38. A.c. 1729617 СССР МКИ В 07 С 5/04. - Контрольно-сортировочное устройство для деталей цилиндрической формы / Мясников В.К., Костылев В.Н., Тихомиров O.E., Широков И.Ю. / / Открытия. Изобретения. - 1992. - № 16. - С. 48.

39. A.c. 1756105 СССР МКИ В 23 Q 7/00. - Загрузочное устройство / Мясников В.К., Тихомиров O.E., Широков И.Ю. / / Открытия. Изобретения. - 1992. - № 31. - С. 59.

40. A.c. 1763861 СССР МКИ G 01 В 5/08. - Устройство для измерения диаметра отверстия / Костылев В.М., Богачев Г.И., Мясников В.К., Тихомиров O.E. // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 35. - С. 158.

41. A.c. 1803712 СССР МКИ G 01 В 5/14. - Измерительный орган робота/ Мясников В.К., Широков И.Ю. // Открытия. Изобретения. -1993. - № 11. - С. 109.

42. A.c. 1821791 СССР МКИ G 05 В 19/18. - Устройство для программного управления / Мясников В.К., Кулебякин A.A. / / Открытия. Изобретения. - 1993. - № 22. - С. 114 - 115.

43. Патент РФ N2023571 кл. МКИ В 23 Q 41/02. - Контрольно-сортировочный комплекс / Мясников В.К., Тихомиров O.E., Широков И.Ю. // Открытия. Изобретения. - 1994. - № 22. - С. 52.

Принятые сокращения: АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ГПС - гибкая производственная система; ИУ - исполнительное устройство; ИзУ - измерительное устройство; КИМ - контрольно-измерительная машина; КМ - конструктивный модуль; КЭ - конечный элемент; MC ИСО - международный стандарт; МСАПК - мехатронная система автоматизации послеоперационного контроля ( или РТИК -роботизированный технологический измерительный комплекс); ОЗУ -оперативное запоминающее устройство; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; ПММ - пневмомеханический модуль; ПР промышленный робот; СПУ - система программного обеспечения; РТК -роботизированный технологиический комплекс; ТК - технологический комплекс; ТНВД - топливный насос высокого давления; УСО -устройство связи с объектом; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; ЭММ - электромеханический модуль; ЭС - экспертная система.

3.2052.Т.100,ЯГТУ.