автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование системы управления робототехническим контрольно-измерительным комплексом

ВВЕДЕНИЕ.

1. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

ДЕТАЛЕЙ В ТОЧНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ.

1.1. Типовые задачи контроля обработанных поверхностей деталей

1.2. Типовая задача контроля цилиндрической поверхности.

1.3. Средства автоматизации процесса контроля и сборки прецизионных цилиндрических пар.

1.4. Выводы.

2. ГРАФ-МОДЕЛЬ РТКИК.

2.1. Задачи моделирования РТК.

2.2. Применение аппарата системных графов для проектирования сложных систем управления.

2.3. Системный граф РТКИК.

2.4. Выводы.

3. АДАПТИВНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РТКИК.

3.1. Задачи математического обеспечения.

3.2. Типовая операция "Измерение".

3.3. Типовая операция "Классификация".

3.4. Типовая операция "Адаптация"

3.5. Выводы.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ОПЕРАЦИЙ РТКИК.

4.1. Исполнительные устройства в РТКИК.

4.2. Уравнения динамики манипулятора РТКИК. Манипулятор как объект управления - обобщенная динамическая модель.

4.3. Обеспечение быстродействия транспортных подсистем РТКИК.

4.4. Об устойчивости транспортных подсистем

4.5. Выводы.

В настоящее время ведутся интенсивные научно-исследовательские и практические работы в области проектирования и внедрения гибких автоматизированных производств (ГАЮ, эффективно решающих задачи комплексной автоматизации производства на современном этапе научно-технического прогресса.

Основой ГАП является робототехнический комплекс (РТК), представляющий совокупность технологического оборудования и цромшшгенных роботов (ПР), и цредназначенный для выполнения технологических операций в автоматическом режиме.

Создание ГАП имеет для народного хозяйства исключительный экономический эффект. Это позволит организовать безлвдную производственную технологию и добиться многократного увеличения выпуска промышленной продукции. Помимо значительного повышения производительности необходимо, чтобы автоматизация вела и к повышению качества. Хорошая организация контроля качества может заметно снизить себестоимость продукции за счет предотвращения брака.

Развитие техники характеризуется все более широким распространением прецизионных деталей, качество работы которых определяется точностью и достоверностью измерения поверхностей совместно работающих пар. Геометрические размеры и форма прецизионных деталей претерпевают непрерывные изменения в процессе производства вследствие износа инструмента и нарушения настройки станков. Поэтому разработка адаптивной робототехничес-кой контрольно-измерительной системы, реализующей процесс измерения деталей, распределения их по сортировочным группам, обеспечивающей заданные допуски при сборке, а также непрерывный контроль формы и размеров деталей в процессе производства с целью своевременной подналадки технологического оборудования, является актуальной научно-технической задачей.

Адаптивность проектируемого РТК вносится за счет применения оптимальных по точности и быстродействию алгоритмов измерения и статистической обработки измерительной информации с учетом возможности коррекции числа измерений с целью повышения производительности комплекса.

Цель работы. Разработка общих принципов проектирования системы управления робототехническим контрольно-измерительным комплексом (РТКИК) для контроля качества цилиндрических поверхностей в точном машиностроении и, в частности, при цроизводс-тве топливной аппаратуры дизелей.

В соответствии с этой целью в диссертации решаются следующие задачи:

1) анализ процесса измерения цилиндрических прецизионных деталей, разработка структуры РТКИК на основе пространственно-временных циклограмм и типовых операций;

2) построение функционально-целевой цричинно-следственной графчяодели РТКИК;

3) разработка прикладного математического обеспечения РТКИК;

4) анализ устойчивости транспортных операций РТКИК при использовании электродвигателей переменного тока.

Методы исследования. В работе использованы методы теоретико-вероятностного цредставления реальных поверхностей деталей, статистической обработки измерительной информации, теория системных графов, методы теории оптимального управления, метод частотно-параметрического пространства. В работе использованы экспериментальные профилограммы, полученные в НПО ЦНЙТА.

Научная новизна. В результате решения комплекса задач по разработке и исследованию системы управления РТКИК для контроля цилиндрических поверхностей в точном машиностроении получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Предложена научная методика проектирования системы управления робототехническим комплексом, основанная на разбиении технологического процесса на типовые операции, построении ее граф-модели при помощи методов анализа сложных систем и проектировании математического обеспечения для реализации требований, предъявляемых к комплексу.

2. Предложена структура адаптивного робототехнического контрольно-измерительного комплекса, предусматривающая автоматическое изменение программ управления и обработки измерительной информации в зависимости от характера потока контролируемых деталей.

3. Предложена и разработана функционально-целевая граф-модель системы управления РТКИК на базе теории системных графов А.А.Вавилова, позволяющая упорядочить переменные и обеспечить надлежащее взаимодействие подсистем измерения, классификации, транспортирования и адаптации.

4. Разработан алгоритм работы РТКИК, основанный на теоретико-вероятностном описании реальной цилиндрической поверхности, выполняющий обработку измерительной информации методами математической статистики и периодограммного анализа и предусматривающий адаптацию объема выполняемых измерений к характеру отклонений геометрических параметров контролируемых деталей.

5. Исследована устойчивость транспортной подсистемы РТКИК с электродвигателями переменного тока, описываемой уравнением с периодическими коэффициентами с использованием трехмерного частотно-параметрического пространства.

Практическое значение. Полученные в работе научные результаты позволили разработать:

1. Адаптивную алгоритмическую систему управления РТКИК для контроля деталей топливной аппаратуры дизелей.

2. Алгоритмы измерения, классификации и транспортирования деталей, которые реализованы в виде программ на языках Бейсик и Ассемблер, отлажены на ЭВМ М-6000 и "Эйектроника-60".

I. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ

В ТОЧНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

4.5. Выводы

1. В качестве исполнительного устройства РТКИК перспективно применять электрический привод.

2. На основе анализа динамики манипулятора, входящего в состав РТКИК, получен оптимальный по быстродействию закон управления, реализуемый в виде обратной связи по двум координатам состояния.

Ту = 0,05с. а)

Цдв) X t i ч г w,c ю

Рис. 4.40 Проекции сецений

6 ? Г 9 (оЪ ci

4 S 6 7 s 9 10 и> С"1

Рис. 4Л Трехмерное частотно-параметр и веское. пространство

3. Анализ устойчивости работы электропривода с двигателями переменного тока, описываемого дифференциальными уравнениями с периодическими коэффициентами, выполнен методом частотно-параметрического трехмерного пространства. Система имеет несколько зон неустойчивости, для уменьшения которых необходимо снижать инерционность усилительной части системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Во о результате проведенных исследовании в диссертационнои работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Повышение качества и производительности труда при массовом производстве прецизионных деталей возможно только путем создания робототехнического контрольно-измерительного комплекса (РТЖЕС) с адаптивным управлением.

2. функционально-целевая причинно-следственная граф-модель РТКИК, построенная на основе системного графа А.А.Вавилова, учитывает изменения внешней среды и взаимосвязи между подсистемами измерения, классификации, транспортирования и адаптации.

3. Математическое обеспечение РТКИК предусматривает выбор необходимого количества измерительной информации, характеризующей геометрию реальных цилиндрических поверхностей, обработку этой информации для распределения деталей по сортировочным группам, а также автоматическое изменение количества измерительной информации и алгоритмов ее обработки в зависимости от возникающих отклонений в технологическом процессе производства деталей.

4. Оптимизация транспортных операций РТКИК с использованием электродвигателей переменного тока обеспечивается путем математического моделирования системы и использования метода частотно-параметрического пространства.

5. Разработанные алгоритмы и программы реализованы на управляющей микро-ЭВМ "ойектроника-60".

1. Бойцов B.B. Механизация и автоматизация в мелкосерийном и серийном цроизводствах. - М.: Машиностроение, 1971. -416 е., ил.

2. CT СЭВ 301-76. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения.

3. Справочник по производственному контролю в машиностроении /Под ред. д.т.н. А.К.Кутая. Л.: Машиностроение, 1974. -676 е., ил.

4. Левин И.Я. Справочник конструктора точных приборов. -М.: Машиностроение, 1967. 743 е., ил.

5. ГОСТ 10356-63. Отклонения формы и расположения поверхностей. Основные определения. Предельные отклонения.

6. ГОСТ 22267-76. Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров.

7. Панин Г.И., Фефелов H.A. Механизация и автоматизация процессов обработки прецизионных деталей. М.: Машиностроение, 1972. - 344с., ил.

8. Панин Г.И. и др. Автоматизированное оборудование для обработки прецизионных деталей дизельной топливной аппаратуры. М., 1979, вып.13.

9. Труды ЦНИТА. Л., 1975, вып.8.

10. Палей H.A. Отклонения формы и расположения поверхностей. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 244 е., ил.

11. Лоповок Т.С. Волнистость поверхности и ее измерение. -М.: Машиностроение, 1975. 115 е., ил.

12. Лунин-Барховский И.В. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1975.551 с., ил.

13. Взаимозаменяемость в машиностроении и приборостроении. М.: Изд. стандартов, 1970. - 551 е., ил.

14. Курочкин А.П. Автоматизация проихводства и средства измерений и контроля. Измерительная техника, 1983, № 10, с.15-19.

15. Имитационное моделирование производственных систем /Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР А.А.Вавилова. М.: Машиностроение; Берлин: Техника, 1983. - 416 е., ил.

16. Вавилов A.A. Структурный и параметрический синтез сложных систем. Л.: ЛЭТИ, 1979. - 94 е., ил.

17. Денисов A.A., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982. -288 е., ил.

18. Вавилов A.A., Имаев Д.Х. Эволюционный синтез систем управления. Л.: ЛЭТИ, 1983. - 80 с.

19. Раскин Л.Г. Анализ сложных систем и элементы теории оптимального управления. М.: Сов. радио, 1976. - 344 е., ил.

20. Горбатов В.А., Кафаров В.В., Павлов П.Г. Логическое управление технологическими процессами. М.: Энергия, 1978. -272 е., ил.

21. Алгоритмизация в автоматизированных системах управления /Б.В.Тимофеев, Г.А.Козлик, А.Ф.Кулаков, А.И.Мартьянов. -Киев: Техника, 1972. 240 е., ил.

22. Свами М., Тхуласираман Г. Крафы, сети и алгоритмы. Дер. с англ. М.: Мир, 1984. - 455 е., ил.

23. Саркисян С.А., Ахундов В.М., Минаев Э.С. Большие технические системы. М.: Наука, 1977. - 350 е., ил.

24. Вавилов A.A., Имаев Д.Х. Машинные методы расчета систем управления. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981. - 232 е., ил.

25. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. - 399 е., ил.

26. Косгман А. Введение в прикладную комбинаторику /Пер. с англ. М.: Наука, 1975. - 479 е., ил.

27. Месарович М., Мако Д., Такахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем /Пер. с англ. М.: Мир, 1973. -344 с., ил.

28. Харари Ф. Теория графов /Пер. с англ. М.: Мир, 1973. - 300 е., ил.

29. Тараканов К.В., Овчаров Л.А., Тырышкин А.II. Аналитические методы исследования систем. М.: Сов. радио, 1974. -240 е., ил.

30. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. -М.: Энергия, 1980. 424 е., ил.

31. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход /Пер. с англ. М.: Мир, 1978. - 432 е., ил.

32. Зыков A.A. Теория конечных графов. Новосибирск: Наука, 1969. - 543 е., ил.

33. Управление роботами от ЭВМ / Под ред. Е.И.Юревича. -Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980. 264 е., ил.

34. Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей (теоретико-вероятностный подход). М.: Наука, 1975. - 344 е., ил.

35. Дунин-Барховский И.В., Карташова А.Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некрутлости поверхности. -М.: Машиностроение, 1978. 232 е., ил.

36. Витенберг Ю.Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки. М.: Машиностроение, 1977. - 330 е., ил.

37. Витенберг Ю.Р. Оценка шероховатости поверхности с помощью законов распределения ординат профиля. Труды СЗПИ, 1970, № 12.

38. Унифицированный ряд приборов для особо точных измерений в массовом производстве. ЦНИТА, 1982.

39. Вайханский С.М., Сегалович Л.В. Метод определения действующего размера цилиндрических поверхностей прецизионных деталей топливной аппаратуры дизелей. В кн. Труды ЦНИТА, Л., 1978, вып.72, с.66-70.

40. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. - 576 е., ил.

41. Тимофеев В.А. Теория и практика анализа результатов наблюдений над техническими объектами, работающими в эксплуатационных условиях. Л.: ЛЭТИ, I960. - 322 е., ил.

42. Крамер Г., Лвдбеттер М. Стационарные случайные процессы /Пер. с англ. М.: Мир, 1969. - 398 е., ил.

43. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов. -М.: Мир, 1976. 757 е., ил.

44. Шенон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука /Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 418 е., ил.

45. Брадцт 3. Статистические методы анализа наблюдений /Пер. с англ. М.: Мир, 1975. - 310 е., ил.

46. Шметтерер Л. Введение в математическую статистику /Пер. с нем. М.: Наука, 1976. - 520 е., ил.

47. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1973. - 831 с.

48. Белянин П.Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1975. - 398 е., ил.

49. Синтез позиционных систем программного управления /Под ред. А.А.Вавилова. Л.: Машиностроение, 1977. - 280 е., ил.

50. Кулаков Ф.М. Супервизорное управление манипуляционны-ми роботами. М.: Наука, 1980. - 448 е., ил.

51. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976. - 424 е., ил.

52. Ту Ю. Современная теория управления /Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1971. 472 е., ил.

53. Дис1фетные нелинейные системы /Под ред. Ю.И.Топчее-ва. М.: Машиностроение, 1982. - 312 е., ил. - (нелинейные системы автоматического управления).

54. Куракин К.И., Куракин Л.К. Частотный анализ следящих систем с амплитудной модуляцией. М.: Энергия, 1976. - 176с., ил.

55. Розенвассер Е.Н. Периодически нестационарные системы управления. М.: Наука, 1973. - 512 е., ил.

56. Гостев В.И., Чинаев П.И. Замкнутые системы с периодически изменяющимися параметрами. М.: Энергия, 1979.272 е., ил.

57. Виноградов Е.Г., Котченко Ф.Ф. Расчет одного класса периодических систем методом частотно-параметрической плоскости. В кн.: Автоматические системы оптимального управления технологическими процессами. Тула, ТЛИ, 1981.

58. Якубович В.А., Старшинский В.Н. Линейные дифференциальные уравнения с периодическими коэффициентами. М.: Наука, 1972. - 716 с.