Введение к работе
'
Актуальность и состояние проблемы. Существенное повышение качества промышленной продукции, гарантирующее ее конкурентноспособность на мировом рынке, неразрывно связано с повышением требований к точности систем управления различного рода оборудованием, входящим в состаи автоматизированных технологических комплексов, в частности, систем управления сварочными, газорезательными и чертежно-графическими 'звтома-'таш, координатографами, промышленными роботами, манипуляторами и металлообрабатывающими станками, В связи с этим разработка аффективных методов повышения точности систем указанного класса представляется весьма актуальной.
Большой вклад в решение проблем, связанных с автоматизацией и роботизацией производства, внесли Б.Е.Патон, В.К.Лебедев, В.Й.Скурихин» Б.Б.Тимофеев» д.Г.Квахненко, Г.А.Спыну и многие другие ученые. Из огромного количества опубликованных работ по данная проблематике значительная их часть так или иначе посвящена вопросам повышения точности систем управления программным движением.' Общие методы решения указанных вопросов дает теория многосвязных систем, получившая существенное развитие в работах В.Т.Морозовского, О.С.Соболева, А.А.Туника, В.И.Гостева, П.Ф.Осмоловского, Б.И.Кузнецова, М.Меааго» vic, M.Colamp и ряда других ученых. Повышение точности систем управления программным двишвиви в рамках этой теории сводится фактически к уменьшению динамических ошибок локальных воспроизводящих систем (ЛВС), входящих в состав многоканальных систем управления. Такой традиционный подход достаточно эффективен, если сепаратные каналы слабо взаимосвязаны или их взаимодействием можно пренебречь, а программно заданные и желаемые траектории движения рабочего инструмента непременно совпадают. На практике же такое предполоиенш часто не выполняется. Например, при роботизированной дуговой сварке желаемые траектории, т.е. линии свариваемых соединений, из-за неточности изготовления и установки деталей под сварку могут» как известно, существенно не совпадать с заданными траекториями. Очевидно, что в таких ситуациях, независимо от того, какими бы высокими точностными характеристиками не обладали
ЛВС, точность движения по желаемым траекториям может оказаться недопустимо низкой. Иначе говоря, традиционный методы повышения точности здесь малоэффективны. Нужны, очевидно, совсем другие подхода. Впрочем, даже в том идеальном случае, когда желаемые траектории совпадают .с траекториями, веданными программно, точность дашения определяется непосредственно не вектором динамических ошибок ЛВС, как ато может показаться на шрвьш взгляд, а проекциев вектора ва нормаль it заданное траектории. Следовательно, для повышения точності! движения ш траекториям вовсе ке обязательно повышать точность ЛВС, s достаточно лишь обеспечить поворот вектора координатных ошибок или его смещение, т.е. обеспечить коррак-дао соотношения между динамическими ошибками ЛВС, корравдзю скорости или коррекцию заданных траєкторна.
Кошэгшия корраетируадвго управления, оршнтироваяная ва
давышениэ точности программных сиегеы, была выдвинута в рабо
тах M.S.Игнатьева и Ю.В.Крементуло. Дальнейшее ее развитие
связано с работам К.В.Леппика, Л.М.Боачука и И.В.Мирошникв.
Моду тем шм ряд вопросов, относящихся х теории и практике
построения многоканальных систем с корректирующим управлением
в исследованию их динамических свойств» да сих пор оставался
недостаточно изученьм, Так, до настоящего времени были не -'иск. ч
сждованы устойчивость, точность и переходные процессы в та- "
каж системах. Основная трудность в изучения систем этого
класса обусловлена структурной сложность» и тем обстоятельст
вом, что в их вамквутые контуры входят параметры заданной
траектории. в *
. При реализации корректирующего управления двшевиэм сварочных автоматов и роботов возникает ивая трудность, связанная о необходимостью текущего определения возможных отклонении линии свариваемого соединения от сварочного инструмента и геометрических параметров самого соединения от их номинальных значений. Одно из трстктивных направлений в поисках решения этой проблемы основано на использовании гак называемого електродугового метода, заключавшегося в том, что указанные отклонения определяется косвенным путем по текущему- изменен») сварочного тока. Значительные результаты в данном направлении
приведены в работах В.А.Тимченко, .Н.Нисилевскбго, Н.Р.Швидкого В.Т.Тертышнего, В.В.Долшенко, В.Ф.Трэфилова, В.М.Лана-рина, Y.Sugltani, T.Sensak и A.Yongyl. Однако до настоящего времени оставался нерешенной проблема, связанная с получением удовлетворительных оценок текущих величин упомянутых отклоне-ник, поскольку сами оценки rpt изменении режимов и параметров процесса сварки также изменяются. Для получения-оценок, слабо зависящих от изменения параметров, необходимо располагать, по . возможности, более глубокими представлениями: о функциональных' связях меаду оценками и указанными параметрами.
Решение названных проблем, а также проблем, свянныж с теорией и практикой построения широкого класса многоканальных систем с-автоматической коррекцией программного движения, положено' в 'основу диссертация.
Шль работы. Целью даесертационша работы являлось разработка и практическая реализация методов повышение точности систем управления программным движением сварочных автоматов ж роботов путем корректирующего управления движением. При этом решались следующие задачи:
-
Аналитическое исследование динамики программных систем с корректирующем управлением, включающее анализ устойчивости, точности и времени переходных процессов;
-
Анализ влияния параметров сварочного контура» режима сварки, формы свариваемого соединения и характеристик поискового движения сварочного инструмента на оценку отклонения этого инструмента от линии соединения, получаемую путем наблюдения за изменением тока сварочной дуле
-
На основе полученных теоретических результатов разработка высокоточных систем управления пространотвеннш дан-«енш* рабочих органов сварочных автоматов и роботов.
Методология и методи исследования. Для решения поставленных задач использовалась методология теория управления, методы пространства состояние, функций Ляпунова, рекуррентного оценивания я идентификации. .
Научная новизна. Предложены методы повышения точности, основанные на совместном использовании принципов инвариантно-
сти» коррекции соотношения между динамическими ошибками Ж} и коррекции скорости воспроизведения заданных траекторий. Разработаны структуры систем управления, реализующих указанные метода.
Подучены уравнения динамики траекторией ошибки для систем управления программным движением с различными законами коррекции скорости, поворота вектора координатных ошибок « комбинированного корректирующего управления.
Определены робастные условия, в вида алгебраических соотношения, гарантирующие асимптотическую устойчивость движения систем с корректирующим упраачением.
Разработан аналитический метод оценивания точности в ус-.тановшщемся режиме, основанный на развитии метода коэффициентов оашйок. прадсшгриващем построение прорэдуры рекуррентного оценивания, а также получены оценки точности и оценки времени выхода систем на номинальный режим.
Построенамодель динамических процессов, протекающих в сварочном контуре при дуговой сварке плавящимся электродом в среда защитного газа, и предложена квазигиперболическая модель jmsfflH поперечного сечения свободной поверхности сварочной ванны, формирующейся в процессе сварки углового соединения.
Впервые установлены зависимости,, связывающие параметры сварочного контура, рендаа дуговой сварки, свариваемого соединения и текущее отклонение конца электрода от линии э$ого соединения с измеряемыми амплитудами старших гармоник колебании сварочного тока.
Предложен принципиально новый метод оценивания изменений геометрических параметров свариваемого соединения, который основан на текущем измерении амплитуды второй гармоники сварочного тока, содержащей информацию об этих параметра!.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные методы и технические решения могут быть успешно использованы при создании широкого класса систем управления программным движением. Американское математическое общество а Мичиганский университет США сделали запрос по публикациям авторе, в которых изложены упомянутые методы.
Устано&данные аналитические зависимости между параметрами сварочного процесса и отклонением сварочного инструмента от линии соединения, а также метод текущего оценивания изменении параметров этого соединения открывают вовью возможности повышения качества формирования сварных швов, выполняема сварочными автоматами и роботами, и расширения номенклатуры свариваемых изделий.
Предложены оригинальные технические решения систем с ав~ . томзтическоя коррекцией программного движения, защищенные авторскими свидетельствами и обеспечивающие значительное повышение точности воспроизведения заданных траекторий.
Полученные теоретические и практические результаты использованы при выполнении хоздоговорных и госбюдштвых работ, которые были проведены в период с 1987 по 1995 год под руководством и при непосредственном участии автора.
Методы текувд?й коррекции траекторий движения сварочного инструмента были реализованы в рамках теш X.6.1.21.10, выполняемой по постановлению Бюро ОФТПМ НАН Украины, и использованы в разработке систеш геометрической адаптации ИК да для НПО "Ритм" (г.Саякт-Штербург, хоздоговор. Й 77X0).
Метод коррекции соотношений между даашческьш овгайка-да восгфошводашж систем использован при разработке 4-х систем тзкувдй адаптации роботов FM 01 для НПО "ШШїтш" (г.Краматорск, хоздоговоры N 17 и Ш 227).
Метода оцэнта бокового ш продольного текущих отклонений сваро<шего инструмента от лиши свариваемого соединения» ос-вовашше на использований; сварочной дуги в качестве источника шфоряаши, а также соотеэтствущш алгоритш и программы 8ыт рэалшоваш при вшшвэшш проектов 6.4.3.3 и 8.12.2, разрзбатывашш: в рамкэж Государственных научно-технических програш 5.54 "Сварка и смежны вопросы" и в. 4 "Способа создавая шшшгержьк интегрированных производств", утвэрвдэндах ГКЯІ, Эта катода зашли щтшвзт в разработках всех 5-ти укееэкаыЕ систем (хоздоговоры If 7710, N 17 и If 227).
Метода текуча опенки отклонений сварочного шструкдота, инвариантные ш отношению к изменению режима дуговой сварки, реализованы при выполнении НИР, проводимое ИЭС ш.Е.о.Шггона
по Торговому договору с фирмами NoEia и Altek (Финляндия). После завершения данной разработки предполагается создание промышленной версии системы слежения за сварочным швом. Акты внедрения привеведены в Приложении к диссертации»
На защиту выносятся следующие основные положения, разработанные лично автором:
I. Методы повышения точности движения по траектория», основанные на сжатии и повороте вектора координатных ошибок, а также структуры систем, реализующие указанные методы.
- 2. Динамические модели траекторией ошийки традиционнныж систем и систем с корректирующим управлением.
3. Результаты аналитического исследования динамических
свойств систем, включающие:
алгебраические условия робастноа устойчивости движения систем произвольного порядка по криволинейным траекториям с различными законами коррекции этого движения;
робастные условия устойчивости движения систем низкого порядка с коррекцией скорости, с поворотом вектора координатных ошибок и комбинированным корректирующим управленшм;
условия' устойчивости движения, полученные на основе * функций Ляпунова;
оценки точности движения по заданным траекториям в установившемся режиме и оденки времени переходных процессов, в -ь также методы их получения.
4. Математические модели динамических процессов, проте
кающих в сварочном контуре при дуговой сварке плавящимся
электродом в среде защитного газа, и модель огибающей линии
поперечного сечения свободной поверхности сварочной ванны,.
формирующейся в ходе дуговой сварки углового соединения при
поперечных колебаниях дуги. "'"
5. Аналитические зависимости, связывающие измеряемые
амплитуды старших гармоник колебании сварочного тока и их фа
зовые сдвиги с физическими и геометрическими параметрами, ss-
рантеризувдими сварочные процесс, свариваемое соединение. m-g*|
ПвреЧВОе ДВШвЮ ГОрЭЛКИ И Текущее ПрОСТраНСТВвННОв ПОЛОЙ»- W*
до конца електрода относительно линии данного соединения. . в. Метод оценивания изменении геометрических параметров
9 '
свариваемого соединения, основанный на идентификации амплитуда второй гармоники сварочного тока при готаречшх колебаниях дуги, относительно линии этого соединения.
7. Технические решения (защищенные авторскими свидетельствами), позволяющие реализовать автоматическую коррекцию
, скорости воспроизведения программно заданных траекторий, автоматический поворот вектора координатных ошибок, комбинированную автоиатическув коррекцию, боковую и продольную коррек-
даю сварочной горелки. '-
Апробация работы. Основные результаты, полученные'в диссертационной работе";1'докладывались и обсуадались на 5-м ж 7-й Всесоюзных совещаниях по теории швариантности (Кдав, 1976 к Баку, 1887), 4-м и 8-й Всесоюзной совещании по управлению многосвязвши системами (Москва, 1978 и Суздаль, 1990), 8-й —бштозире по проблемам избыточности в информационных системах (Ленинград, 1983), 8-м Региональном научно-техническом сэшшзрэ по многопроцессорным вычислительный системам (Таганрог, 1985 >, Всесоюзном семинар по динамита нелинейных процессов управления (Таллшв, Ї987), 11-и Всесоюзном совещаний по проблемам управления (Ташкент, 1989), 5-м Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Геленджик, 1890), 1-оа Всесоюзной конференции по координирующему управлению в технических и природных системах (Малый Маяк, 1991), конференции по роботизации производства сварных конструкций (Киев» 1990), семинаре по автоматизации методо? нэразрушакийэго контроля качества (Славское, 1992).'
Работа в целом докладывалась на научном семинаре
"Автоматика, источники нагрева я тетания, физика дуговых про
тесов, неразрушающиа контроль" в институте электросварки
им. Е.О.Патовэ ЕШ . »
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 37 печатных работ, в числе которых семь авторских свидетельств в один патент на изобретения.
Структура и объем работы; Диссертация состоит т введения, шести глав, заключения, списке литературы и праетенш. Работа содержит 300 стр., в том числе 45 стр. иллюстраций ш
таблиц, список литературы на Л? стр. (151 наименование) и 7 , стр. приложения.