автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Разработка сборочного робототехнологического комплекса с использованием метода замещения

Введение

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ СУ РТК

1.1.Обзор существующих РТК

1.1.1 Сварочные роботизированные комплексы

1.1.2 Робототехнические комплексы для нанесения покрытия

1.1.3 Роботизированные технологические комплексы механообработки

1.1.4 Роботизированные технологические комплексы холодной штамповки

1.1.5 Роботизированные технологические комплексы в кузнечно-штамповочном ^производстве

1.1.6 Роботизированные технологические комплексы литья под давлением

1.1.7 Роботизированные сборочные комплексы

1.2. Анализ вариантов построения РТК сборки

1.3. Анализ вариантов построения СУ РТК

1.4. Обзор методов оптимизации СУ РТК

1.5. Определение круга задач, связанных с оптимизацией СУ РТК и постановка задачи

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА ОПТИМИЗАЦИИ СУ РТК

2.1. Основы метода замещений

2.2.Разработка математических моделей для оптимизации СУ РТК методом замещений 61 2.2.1. Разработка математической модели алгоритма функционирования РТК

2.2.2. Разработка математической модели структуры 66 СУ РТК

2.3. Выбор унифицированных технических характеристик элементов СУ РТК

2.4.Разработка алгоритмического обеспечения процесса оптимизации алгоритма функционирования РТК

2.5. Разработка алгоритмического обеспечения процесса оптимизация структуры СУ РТК

ВЫВОДЫ 8 б

ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ ОПТИМИЗАЦИИ СУ РТК НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЗАМЕЩЕНИЙ

3.1. Разработка методики проектирования сборочных

СУ РТК

3.2. Пример оптимизации технологического процесса сборки (примеры оптимизации сборки)

ВЫВОДЫ

Суть современной научно-технической революции заключается в создании автоматизированного производства. При этом параллельно развиваются два вида автоматированного производства - жесткое и гибкое [1].

Жесткое автоматизированное производство характерно для изготовления больших партий деталей, гибкое - для малых и средних партий. В последнее время гибкое автоматизированное производство (ГАП) получает широкое распространение из-за необходимости частой смены продукции, что связано с изменением потребительского спроса. Применение ГАП позволяет [2]: резко (в 7-10 раз) повысить производительность труда;

- сократить длительность производственного цикла;

- повысить технический уровень и качество выпускаемой продукции;

- снизить материало- и энергоемкость продукции;

- увеличить коэффициент сменности оборудования; высвободить значительную часть работающих на производстве;

- сократить производственные площади.

Гибкость - это способность ГАП к перестройке производства, причем как отдельных единиц производственного оборудования, так и всего технологического комплекса. Гибкость ГАП проявляется также в возможности широкого маневрирования при определении последовательности операции обработки. Гибкость обусловлена также рационализацией маршрутной технологии.

Большое значение в обеспечении гибкости производства отводится методам групповой технологии и организации на их основе системы робототехнических комплексов (РТК), охватывающих разные технологические процессы и реализующих одинаковые цепочки различных технологических маршрутов.

При создании РТК - характерной чертой стало применение получившего распространение в настоящее время в мире принципа проектирования ГАП - так называемого модульного подхода [3] .

Принцип модульности заключается в использовании при создании ГАП типовых ячеек для обработки, транспортировки и складирования, типовых конфигураций электронно-вычислительного оборудования, типовых устройств управления, типовых программных модулей и т.д.

Осуществление этого принципа на практике позволяет создавать различные конфигурации ГАП применительно к конкретным нуждам предприятия практически из одних и тех же модулей, производить при необходимости реконструкцию ГАП, и наконец, что очень важно, создавать ГАП поэтапно, добавляя к системе дополнительные подсистемы. Большое практическое значение принцип модульности имеет в создании программного обеспечения ГАП, состоящего из совокупности основных (функциональных) и обслуживающих (сервисных) модулей.

Основной целью проектирования РТК является определение качественного и количественного состава его оборудования и его пространственной компоновки. В РТК входит технологическое, информационно-управляющее, вычислительное оборудование, что обусловливает, несмотря на существенную зависимость между этими типами оборудования, два отдельных подпроцесса проектирования-технологического и информационного, связанных между собой на отдельных этапах проектирования всего РТК.

Исследованию системных проблем, возникающих при проектировании РТК, уделяется в мире достаточно много внимания. Ряд задач системного выбора оборудования для РТК с использованием имитационного моделирования решен в

Дрейперовской лаборатории Массачусетского

Технологического Института [4] . В Германии аналогичные методики разработаны под руководством профессора Г.Варнеке [5], профессора Г.Шпура [б]. В России ряд учереждений также интенсивно занимается решением аналогичных задач - МГТУ им. Н.Э.Баумана, МГТУ "СТАНКИН", Центральный Научно-Исследовательский Технологический Институт, АО "ЭНИМС" и др. [7, 8, 9] .

Несмотря на общность целей, подходы к созданию РТК и их элементов, базирующиеся на системной основе, неизбежно различаются. Главная причина этого - многолетний опыт создания производственных систем, который различен в каждой стране, организации и базируется на соответствующих методах, рекомендациях, традициях, парке технологического и информационно - управляющего оборудования, способах оперативного управления и условий внедрения и эксплуатации таких систем. Кроме того, результаты внедрения таких систем часто являются "Ноу-Хау" .

Важнейшей составной частью РТК является его система управления (СУ РТК) . Так как РТК занимает, как правило, значительное пространство, а элементы РТК (промышленные роботы, станки и т.д.) расставлены в определенном порядке в этом простанстве [10], то и устройства управления (УУ) этих элементов распределены в пространстве. Связь между этими распределенными в пространстве УУ осуществляется через стандартные интерфейсы, имеющимися в каждом из них, в результате чего и создается определенная структура СУ РТК.

Эффективность работы такой СУ РТК зависит от [11] :

- структуры системы;

- технических характеристик УУ и их интерфейсов; алгоритма функционирования системе управления

РТК.

Задача повышения эффективности СУ РТК является очень важной и определяет необходимость оптимизации проектируемых систем управления, что достигается с помощью сложных математических методов [12, 13], реализованных в прикладных пакетах программ.

Однако, эти методы более пригодны для научных работников, чем для инженеров, т.к. оперируют с абстрактными математическими моделями, поэтому проблема разработки инженерных методов и программных средств оптимизации СУ РТК является чрезвычайно актуальной.

Интенсивные разработки этой проблемы ведутся в : МГТУ им.Н.Э.Баумана, МГТУ «СТАНКИН», ЭНИМС, ЦНИТИ, ИПМ им.М.В.Келдыша и других.

Решением этой проблемы занимаются : Охонцимский Д.Е, Боровин Г.К, Крутько П.Д, Поспелов Т.С, Горошков А.Ф, Юревич Е.И, Медведев В.С, Ющенко А.С и др.

В настоящей работе рассмотрены вопросы разработки методов и программных средств оптимизаций систем управления робототехнических комплексов сборки. При этом основной упор делается на разработку алгоритмического и программного обеспечения, позволяющего получить алгоритм функционирование отдельными элементами и структуру системы управления РТК.

Работа состоит из введения, 3-х глав, заключения и приложения.

В первой главе проведен обзор существующих РТК, проведен анализ вариантов построения СУ РТК, проведен обзор методов оптимизации, сформулированы цель и задача диссертации.

Во-второй главе приведены методологические основы метода "замещений", разработаны математические модели элементов РТК, выбраны унифицированные технические характеристики элементов СУ РТК, пригодные для применения метода "замещений".

В третьей главе проведена разработка алгоритмического и программного обеспечения процесса оптимизации законов управления и структур СУ РТК а также приведена методика проектирования СУ РТК и приведены примеры оптимизации СУ РТК, для конкретных технологических процессов сборки.

В заключении изложены основные научные и практические результаты работы.В приложении приведены тексты программ.

ВЫВОДЫ

1-Предложеные методы оптимизации системы управления сборочных РТК доведены до пакета прикладных программ, который может быть применен для решения конкретной задачи.

2-Рассмотренные примеры показывают, что метод замещений позволяет успешно решать две основые задачи проектирования систем управления РТК, а именно: оптимизировать технологический процесс сборки и структуру системы управления РТК.

3- Применение методов оптимизации, предложенных в диссертации, позволяет сократить время технологического процесса сборки на 20.25%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационной работе представлены теоретические исследования, относящиеся к проблемам анализа и синтеза систем управления промышленных РТК. Итогом работы являются следующие основные результаты:

1. Проведен анализ различных РТК и разработана обобщенная структура сборочного комплекса; сформулированы задачи исследования и оптимизации РТК сборки.

2. Проведен анализ методов оптимизации алгоритмов работы и структур систем управления РТК по критерию минимума временных затрат, в результате которого выбран метод замещений.

3. Разработана математическая модель, позволяющая описывать алгоритм технологического процесса сборки и структуру системы управления робототехнического комплекса.

4. Разработаны алгоритмы оптимизации технологического процесса сборки и структуры системы управления РТК по минимуму временных затрат.

5. Разработаны и внедрены в производство пакет программ и инженерная методика проектирования систем управления РТК сборки; составлена Инструкция пользователя.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы: разработанный подход позволяет успешно решать задачи оптимизации технологического процесса сборки и структуры системы управления РТК; использование разработанных алгоритмов позволяет сократить затраты на внедрение систем управления РТК, а также снизить требования к квалификации разработчика; полученные результаты теоретических исследований могут быть использованы при автоматизированном проектировании систем управления РТК, в том числе в составе АРМ разработчика, а также в процессе отладки РТК в условиях реального производства.

1. Промышленная робототехника / А.В.Бабач, А.Г.Баранов, И.В.Калабин и др.; Под ред. Я.А.Шифрина - М: Машиностроение, 1982-415с.

2. Системное проектирование интегральных производственных комплексов / А.Н.Домарацкий, А.А.Лескин, В.М.Пономарев и др.; Под общ. ред. д-ра техн. Наук, проф. В.М.Пономарева. JI.: Машиностроение., Ленингр. отд-ние, 1986.-319 с.

3. Гибкие сборочные системы / Под ред. У.Б.Хегинботама; Пер. с англ. Д.Ф.Миронова/ Под ред. А.М.Покровского. М: Машиностроение, 1988.-400 с.

4. Hegland D.E. Flexible manufacturing-a strategy for winners//Production engineering.-1982.-Sept.-P.41-46.

5. Werncke H.J.,Gericke E. Modelling and simulation of automated manufacturing process//Proc. Of the IFAC intern symp. Oninformation control problems in manufacturing technology.-Tokyo,17-20oct.1977.-Tokyo, 197 8.-P.1-6.

6. Spur G.,Krause F.L.,Pistorius E. Computer international representation of products for the integration of design and technological planing. Integration of CAD/CAM // Elsevier science publishers B.V.- North-Holland ,1985.-P.79-105.

7. Лескин А.А., Пономарев В.М., Смиронов А. В. Принципы автоматизированного проектирования технологических структур гибких автоматизированных производств // Системы автоматизации в науке и производстве. М.: Наука, 1984.-С.209-216.

8. Великович В. Б. Анализ компоновочных схем роботизированных комплексов // Станки и инструменты. 1982- №1.-С. 7-8.

9. Микропроцессорные системы управления в робототехнике / Под ред И.М.Макарова, Д.Е.Охоцимского, Е.П.Попова.1. М.: Наука, 1984-176 с.

10. Кини P.JI., Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения: Пер. с англ. М. : Радио и связь, 1981.-560 с.

11. Левин Т.М., Тапаев B.C. Декомпозиционные методы оптимизации проектных решений. Минск: Наука и техника, 1978.-240 с.

12. Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В. И. Принцип сложности в теории управления: О проектировании технически оптимальных систем и о проблеме корректности. М.: Наука,1977.-344 с.

13. Гибкие производственные комплексы / Под ред. П.Н.Белянина, В.А.Лещенко. М.: Машиностроение, 1984.384 с.

14. Лебедовский М.С., Федотов А.Н. Автоматизация в промышленности. Л.: Лениздат, 1976-255 с.

15. Мишкинд С.И. Применение промышленных роботов в механосборочном производстве. М. : Машиностроение, 1981.-60 с.

16. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимошенко В.Г. Промышленные роботы для сварки.- Киев: Науковая думка, 1977.-277 с.

17. Мишкинд С.и., Ефремов Е.В. Развитие робототехники за рубежом (по материалам 3-го международного симпозиума по промышленным роботам): Обзор.- М.: НИИМАШ, 1976.-88с.

18. Попов Е.Л. Роботы манипуляторы.- М.: Знание, 1974.64 с.

19. Конструкция и наладка станков с программным управлением и роботизированных комплексов: Учеб. пособие для ПТУ / Л.Н.Грачев, В.А.Косовский, А.Н.Ковшов и др. -2-е изд.- М.: Высш. шк., 1989.-271 с.

20. Коган М.С., Агафонов Ю.Г., Шишулин A.JI. Опыт эксплуатации промышленных роботов "Циклон-3 6"//Станки и инструменты.- 1978.- №11.- С.17-19.

21. Промышленная робототехника / А.В.Бабич, А.Г.Баранов, И.В.Калабин и др.; Под ред. Я.А.Шифрина М. : Машиностроение, 1982.-415 с.

22. Гибкие сборочные системы / Под ред. У.Б.Хегинботама; Пер. с англ. Д.Ф.Миронова; Под ред. А.М.Покровского. -М.: Машиностроение, 1988.-400 с.

23. Гибкое автоматизированное производство / Под общ. ред. С.А.Майорова, Г. В. Орловского, С . Н. Халкиопова. -JI.: Машиностроение, 1985.-454 с.

24. JI. С .Ямпольский. Принципы построения робототизированных технологических комплексов. Приборостроение. Киев, 1980.- 116 с.

25. Рапоперт Г.Н., Солин Ю.В. применение промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1985.-272 с.

26. Балабанов А.С., Храбров А. С. Технологическое оснащение сборочных работ//Механизация и автоматизация производственных процессов.- JI.: ЛДНТП, 1979.-С. 6-9.

27. Опыт разработки и применения устройств ЧПУ для тяжелых и уникальных станков / П.С.Иванов, М.Б.Баранов, В.П.Росляков и др.- Л.: ЛДНТП, 1983.- 25 с.

28. Слепцов В.В., Руабхи Насир, Слепцов Т. В. Информационные измерительные системы.' Учебное пособие.-М.: МГАПИ, 1999.- 60 с.

29. К.Спиди, Р.Браун, Дж.Гудвин. Теория управления.- М.: Мир, 1973.-125 с.

30. И.Б.Кнаузр, Руабхи Насир, В.В.Слепцов, минимизация времени сборки в РТК//СТИН.- 1999.- №9.- С.3-5.

31. Нечетные множества и теория возможностей / Под ред. P.P.Ячеря.- М.: Радио и связь, 1986.-408 с.

32. В.В.Слепцов, Насир Руабхи, Т.В.Слепцов. Метод "замещений" в задачах оптимизации структурно-функционального синтеза робототехнических комплексов //Информационные технологии.- 1999.- №3.- С.18-22.

33. Горшков А.Ф., Гуров А. К. Методика синтеза алгоритмов управления гибкими производственными модулями роботизированных комплексов // Техническая кибернетика.-1990.- №6.- С.225-232.

34. Берж К. Теория графов и ее применение. М. : ИЛ, 1962.-366 с.

35. Вишняков Ю.С., Понамарев В.М. Экономическая эффективность информационно-вычислительной сети //Прикладная информатика.-1983.-№1.- С 173-183.

36. Горшков А.Ф., Соломенов Ю.М. Оперативной управления леквиднестю // Банки и технологи.-2000.-№2.-С 64-67.

37. Имитационное моделирование производственных систем /Под общ. ред. А.А.Вавилова.-М.- Берлин: Машиностроение.-Техника, 1983.-416 с.

38. Шеппон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука; Пер. с анг.-М.: Мир, 1978-418 с.

39. Оперативно производственное планирование ГПС / Под ред. Б.И.Чернякова М.: Высшая школа, 1989.-95 с.

40. Руабхи Насир. Современное состояние и перспектива применения робототехники.-М.: МГАПИ, 1998.-64 с.

41. Гоздняков О.И., Глейзер Л.Я., Слепцов В. В. Электропривод универсальных промышленных роботов //Электромеханическое обеспечение автоматических комплексов: Межвузовский сборник научных трудов.-Новосибирск, 1978.- С. 44-54.

42. В.В.Слепцов, Насир Руабхи, Т.В.Слепцов. Метод "замещений" в задачах оптимизации структурно-функционального синтеза робототехнических комплексов //Информационные технологии.- 1999.- №9.- С.18-22.