Введение к работе
Актуальность проблемы подтверждается также выполнением работ по практической реализации предложенных методов и алгоритмов в рамках Республиканских научно-технических программ 14.01р (Постановление СМ БССР No 67 or 05.03.82 ), "Автоматизация" (Постановления СМ БССР No 205 от 02.07.86 и No 179 от 13.06.89), "Мсти строение" (Постановление Президиума АН ПССР No 39 от 03.04.86 ), "Сварка". (Постановление СМ РБ No 23/121 от 29.04.93) н программы АН СССР "Роботы и робототехптеские системы" (Постановление Президиума АН СССР No 494/1216 от 05.12.85)
Цель и задачц работу, Цель диссертационной работы состоит в разработке основ теории, методов и алгоритмов многокритериального синтеза машшуляциониых и управляющих систем ПР и РТК для сборочно-сварочных производств, обеспечивающих решение крупных прикладных проблем в области автоматизации ' проектирования и создания промышленных робототехнических систем.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
разработка методов многокритериального синтеза манипуляииошшх систем ПР, обеспечипающих учет наиболее существенных требований технологических процессов сборки и сварки;
разработка алгоритмов решения обратной задачи кинематики для сборочно-сварочных роботов с кистью повышенной грузоподъемности;
разработка методов многокритериального синтеза алгоритмов управлення степенями' подвижности ПР и аппаратных средств для их реализации, обеспечивающих использование предельных динамических возможностей приводов;
разработка методов калибровки геометрических моделей РТК и их элементов, обеспечивающих упрощение измерительных подсистем и калибровочной оснастки; ;
разработка методов многокритериального синтеза компановок РТК сборки-сварки, обеспечивающих оптимальное расположение объектов в рабочей зоне ПР, а также распределение технологических операций между роботами;
практическая реализация разработанных методов и алгоритмов в системах автоматизированного проектирования и автономного программирования робототехнологических комплексов, а также в системах управления промышленных роботов.
Ошшш^резулыиаты. лшшашие.Ш-Зіщіші. Н диссертационной работе обоснованы, предложены и защищаются:
метод многокритериального синтеза машшуляционнмх систем промышленных роботов, основанный на оптимизации показателей гарантированной мобильности и приемистости;
алгоритмы решения обратной задачи кинематики для манипуляторов IIP, не удовлетворяющих условиям Пайпера;
методы синтеза алгоритмов позиционного и контурного управл -,! "-звеньями роботов, основанные на аппарате векторной оптимизации;
методы автоматизированного спптеза геометрических noaev.r манппулянионных систем, обладающих свойствами полно';».', испзбыточности и непрерывности, и алгоритмы идентификации их параметров;
метод спптеза компоноькн РТК сборкн-сзарки и алгоритми' распределения техпологических операций между роботами, учитывающие особенности технолошческих процессов.
Научная новизна результатов работы. Защищаемая работа содержит систематизированное изложение методов и алгоритмов макро-проьктированпа РГК сборки и сварки. Научная значимость полученных в ней результатов состоит в следующем:
» МЄТОЦ МНОТОКрИтерИаЛЫЮПЭ СПНТеза МПІТЛТУуЛЯШЮНІШХ СЇЇСТеМ робщ:;!-
впервые позволяет получить реп.ення для антропоморфны?: манипуляторов, удовлетворяющие как инженерным требованиям, так ; пропорциям биомеханики;
алгоритмы решения обратной задачі: кинематики для манипулятор';?, сборочно-сваречш.іх роботов основаны, в опнине от известных, па аналитических выражениях для обобщенных координат либо сводятся я одномерной итерационной процедуре;
методы синтеза алгоритмов управления звеньями робота основаны, г.
отличие іпгестиьгх, па оптимизации векторних критериев и іюзволгчо' построить набіювдтелн состояния, порядок 'і структурі котори; определяется разработчиком;
алгоритмы синтеза геометрических моделей мапипуляцпонпых систем
впервые позволяют формализовать процесс исключения избыточных
параметров при сохранении свойств полнены и непрерывности;
» метод синтеза компоновки РТК реализует принцип последовательного усложнения модели н впервые позволяет формализовать процесс выбора технолошческих инструментов и роботов, а также процесс расстановки роботов в ячейке с учетом особенностей технологических процессов сборки и сварки.
Достоверность результатов работы обеспечивается математическим доказательством выдвинутых утверждений; аналитическим выводом основных зависимостей, используемых при анализе и синтезе моделей; корректным применением методов > современной теории управления, теоретической механики, теории идентификации, теории вероятности, а также методов оптимизации и аппарата матричного исчисления. Полученные результаты подтверждаются также моделированием на ЭВМ, экспериментальными исследованиями и опытом эксплуатации промышленных роботов, роботизированных комплексов и пакетов программных средств, созданных на основе защищаемых методов и алгоритмов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
предложенные методы многокритериального синтеза ПР и РТК позволяют учесть специфику технологических процессов сборки-сварки и формализовать наиболее трудоемкие этапы проектирования;
предложенные алгоритмы решения обратной задачи кинематики для манипуляторов, не удовлетворяющих условиям Пайпера, позволяют реализовать контурное управление роботом в режиме реального времени и автоматизировать процесс его технологического программирования;
разработанные алгоритмы управления степенями подвижности манипуляторов и аппаратные средства для их реализации обеспечивают малую чувствительность к изменению динамических параметров и использование предельных возможностей приводов;
разработанные методы, алгоритмы и программные средства для. калибровки геометрических моделей ПР и РТК обеспечивают достижение точности выполнения операций, требуемой технологическим процессом, и существенно упрощают конструкцию калибровочной оснастки.
Защищаемые методы и алгоритмы представляют собой научную основу для создания программных и аппаратных средств, используемых при проектировании и изготовлении ПР и РТК. Практическая ценность работы подтверждается также созданием на их основе методических материалов для подготовки специалистов по промышленной робототехнике.
Реализация результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в НПО "Гранат" (г.Минск), НИИ СП (г.Минск), АО "Буран" (гЛІосква), а также использовались в БГУИР ири выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР 87-83, 5-86, 87-1004, 89-1021, 91-3033, 92-3031, 93-3022, 94-3051, 94-1008, 95-3067, 95-1021.
Программные ""средства для проектирования машшуляшюипых систем
роботов использовались прп создании экспериментальных образцов роботов "Граиат-2.5", "Гранат-2.5БК", а также робота Транат-10", выпускаемо,., серийно. Предложенный метод решения обратной задачи кинематики для робота "Гранат-10" реализован в профаммном обеспечен системы управлення "Сфера-ЗбМ". Разработанные методы параметрической идентификации мапинуляцнонних систем использовались при аттестация п калибровке роботов "РМ-01" и "Гранат-Ю".
Предложенные методы ц алшриімьі с«нтезп РТК реализованы в САПР "ROBOMAX", созданной совместно с АО "Буран" н внедренной в НИИ СП (г.Минск), АО ГАЗ (г.Нижнпй Новгород) и АО ВАЗ (г.Тольяттн). Прп помощи этой системы в 1993-1994 гг. были разработаны проекты 35 роботизированных комплексов для линий сварки и сборки автомобиля ГАЗ-3302 ("Газель"), а в 1995 г. - проекты 63 РТК для автомобиля ГАЗ-2705. Разработанные пакеты программ используются также й учебном процессе БГУИР и ряда других технических университетов.
На основании разработанных методов получено 19 авторских свидетельств па изобретения, использованных прп создании систем управления ПР и РТК \'а НПО "Гранат". Документы о внеяречпи приведены я приложении к диссертационной работе.
Агцшбацил^шйсют, Теоретические п практические результаты диссертационной работы докладывались н обсуждались на І1 международных симпозиумах, конференциях и семинарах, 14 всесоюзных совещаниях и конференциях, 20 республиканских конференциях ті семинарах, в том числе: (ЕЕ International Conference Control'95 (Cambridge, UK, 1985); LASTED International Symposium on Modelling, Identification and Control (Grindelwald, Switzerland, 1987); Международной конференции "Применение "ПМ а технике, и управлении производством: ol-Ю" (Москва, 19d7); Международной конференции "Автоматизация конструирования и проектирования технологических процессов в машинос-проснии" (Пловдив, Болгария, 1988); IFAC International Symposium on Computer-Aided Control Systems Design (Swansea, UK, 1991): IFAC International Workshops en Algorithms and Architectures for Real-Time Control (Seoul, Korea, 1992 ai:d Oslend, Belgium, 1995); SPIE International Symposium on Intelligent Robots and Computer Vision (Boston, USA, J993): European Symposium on Optics Jor Productivity in Manufacturing (Frankfurt, Germany, 1994); International Symposium on Tlizory and Practice of Robots and Manipulators (Gdansk, Poland, 1994); EPCD International Symposium on Advanced Robotics and Intelligent Automation (Athens, Greece, 1995) 4th International Conference on Intelligent Autonomous Systems (Karlsruhe, Germany, 1995)
Всесоюзных совещаниях по робототехнцческшл системам (Минск, 3991; Воронеж, 1984; Москва, 1990); Всесоюзной конференции "Роботы и робото-технические системы" (Челябинск, 1983); Всесоюзной научно-технической конференции "Роботизация и гибкие автоматизированные производства" (Черновцы, 1986); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических комплексов на предприятиях машиностроения" (Одесса, 1986); Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов" (Барнаул, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы комплексной автоматизации механосборочных и сборочно-монтажных работ в производстве РЭА и ВТ' (Ленинград, 1989).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 125 печатных работ, в том числе 1 монография, 2 учебных пособич, 3 аналитических обзора, 19 описаний изобретений и 37 статей. Без соавторов опубликовано 22 работы, в международной печати -18 работ.
Объем и струцтурд работы. Диссертационная работа состоиг из введения, семн глав, заключения, списка литературы и семи приложений. Она включает 96 иллюстраций, 16 таблиц и библиографию из 320 наименований. Общий объем работы - 270 стр., в том числе 198 стр. основного текста.