Содержание к диссертации
Введение
1. Автоматизация контроля прецизионных параметров деталей в точном машиностроении 8
1.1. Типовые задачи контроля обработанных поверхностей деталей 8
1.2. Типовая задача контроля цилиндрической поверхности 15
1.3. Средства автоматизации процесса контроля и сборки прецизионных цилиндрических пар 31
1.4. Выводы 43
2. Граф-модель РТКИК 45
2.1. Задачи моделирования РТК 45
2.2. Применение аппарата системных графов для проектирования сложных систем управления 46
2.3. Системный граф РТКИК 57
2.4. Выводы 64
3. Адаптивное математическое обеспечение РТКИК 67
3.1. Задачи математического обеспечения 67
3.2. Типовая операция "Измерение" 69
3.3. Типовая операция "Классификация" 80
3.4. Типовая операция "Адаптация" 89
3.5. Выводы 98
4. Оптимизация транспортных операций РТКИК 101
4.1. Исполнительные устройства в РТКИК 101
4.2. Уравнения динамики манипулятора РТКИК. Манипулятор как объект управления - обобщенная динамическая модель 105
4.3. Обеспечение быстродействия транспортных подсистем РТКИК 115
4.4. Об устойчивости транспортных подсистем 121
4.5. Выводы 126
Заключение 129
Литература 130
Приложение 136
- Типовая задача контроля цилиндрической поверхности
- Средства автоматизации процесса контроля и сборки прецизионных цилиндрических пар
- Применение аппарата системных графов для проектирования сложных систем управления
- Уравнения динамики манипулятора РТКИК. Манипулятор как объект управления - обобщенная динамическая модель
Введение к работе
В настоящее время ведутся интенсивные научно-исследовательские и практические работы в области проектирования и внедрения гибких автоматизированных производств (ГАП), эффективно решающих задачи комплексной автоматизации производства на современном этапе научно-технического прогресса.
Основой ГАП является робототехнический комплекс (РТК), представляющий совокупность технологического оборудования и промышленных роботов (ПР), и предназначенный для выполнения технологических операций в автоматическом режиме.
Создание ГАП имеет для народного хозяйства исключительный экономический эффект. Это позволит организовать безлюдную 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 робототехнической 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 производстве 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 причинно-следственной графчлодели 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 представления 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 графчиюдели 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 трех -7 мерного 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 "Электроника-60".
Типовая задача контроля цилиндрической поверхности
Реальная цилиндрическая поверхность отличается от геометрической за счет отклонения формы, волнистости и шероховатости (рис.1.3).
Отклонение формы, определяется как отклонение формы реальной поверхности или реального профиля от формы геометрической поверхности или геометрического профиля. При рассмотрении отклонения формы шероховатость поверхности исключается.
Для цилиндрической поверхности отклонение формы определяется величиной суммы элементарных отклонений поперечного (не-круглость) или продольного и поперечного сечений (нецилиндричностьД неЛ, (рис. 1.1 и). К элементарным видам некруглости относятся овальность и огранка (рис.1.1 ж,з), а элементарные виды отклонений профиля продольного сечения показаны на рис.1.1 л, м,н,о.
Численные значения допустимых отклонений формы .нормированы по 10 степеням точности обработки деталей и задаются как доля поля допуска Т для данного класса точности. Эти значения не накладывают дополнительных ограничений на соотношения мевду составляющими суммарной погрешности и на их характер. Современные приборы измеряют суммарное отклонение формы цилиндрической поверхности, но для целей автоматической подналадки процесса обработки (активный контроль) необходимо оценивать по величине и соответствующие элементарные отклонения. Поскольку разные элементарные отклонения возникают вследствие разных возмущающих факторов, их раздельная оценка позволяет компенсировать возмущения.
Волнистость поверхности (профиля) (рис.1.4) определяется как совокупность неровностей с относительно большими шагами, рассматриваемыми на участке, длина которого превышает базовую длину I , установленную для измерения шероховатости поверхности. Волнистость характеризуется шагом bw E , высотой Hw и. радиусом Rw при вершине волны. Требования к волнистости поверхности задаются в форме числовых значений высоты волн.
Шероховатость поверхности (рис.1.5) определяется как совокупность неровностей с относительно малыми шагами ( Ья ), образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах базовой ДЛИНЫ і , Т.Є. &R .
Параметры, оценивающие шероховатость, выбирают с учетом условий работы детали, а численные значения зависят от длины базовой линии. Для сопрягаемых поверхностей используют пара метры Rd , Rt , определяемые следующим образом. Среднее арифметическое значение профиля Ra,
Высота неровностей по десяти точкам Яг где п і ma , і А і ні/л - расстояния до максимумов и минимумов точек профиля от базовой линии. Для классов точности 7-14 Яг, = 5R i » а диапазон числовых значений 0,008 Ra 100 мкм, 0,025 Кг 1600 мкм.
Базовая линия L - линия, параллельная средней линии, от которой производится отсчет ординат профиля. Средняя линия м - линия, до которой сумма квадратов расстояний ординат профиля является наименьшей.
Базовая длина I - длина средней линии, на которой определяются числовые значения параметров шероховатости. Базовые длины служат основой для выбора параметров измерительных средств. В зависимости от требуемой точности измерения можно подобрать радиус измерительного щупа в зависимости от шага и высоты неровностей на базовой длине /10/.
Классификации отклонений по размерному принципу можно дать аналитическое представление, используя аппарат гармонического анализа для описания неровностей /II/. Отклонение текущего радиус-вектора I от номинального Ч-ном (относительно теоретической оси вращений цилиндрической поверхности) будет.переменной величиной, т.е.
Средства автоматизации процесса контроля и сборки прецизионных цилиндрических пар
Эффективным средством автоматизации процесса контроля и сборки прецизионных цилиндрических пар является робототехническии комплекс (РТК), как было отмечено в п.1.1.
В основу формирования общего подхода к созданию РТК как иерархической многоуровневой сложной системы положено понятие типовых операций, соответствующих технологическим операциям процесса контроля и сборки пар (п.1.2). Автоматизация этих операций обеспечивается отдельными РТК, образующими единый робототехническии комплекс (ЕРТК).
Общая функциональная схема ЕРТК представлена на рис.1.10. Единый комплекс состоит из: РТКИК - робототехническии контрольно-измерительный комплекс, РТККОП - робототехническии комплекс комплектования оптимальных пар, РТКИП - робототехничес кий комплекс испытания пар, РТККУС - робототехнический комплекс консервации, упаковки и складирования готовой продукции. Детализируем состав и функции отдельных комплексов.
РТКЙК состоит из: ТР - транспортного робота, ИС - измерительной станции, БА - блока адаптивного математического обеспечения, СК - системы классификации, БДJ - Щц - банков деталей. Комплекс осуществляет операции транспортировки деталей до измерителя, определение числа точек измерения, измерения размеров деталей и транспортирования в соответствущий ВД . Математическое обеспечение состоит из алгоритмов измерений и классификаций, обладающих свойствами адаптации по результатам измерений к текущим особенностям контролируемых деталей.
Статистическая обработка многократных результатов измерений, осуществляемых с целью повышения их достоверности и определения некоторых статистических характеристик потока деталей, реализуется системой обработки информации (СОИ). Эта информация может быть использована для формирования сигналов управления отдельными операциями технологического процесса (ТП) обработки деталей с целью его подналадки. функционирование РТКЙК и СОИ позволяет формировать банки деталей (БД), необходимые для комплектования пар деталей. Система классификации определяет место детали в банках в зависимости от результатов статистической обработки измерений в СОИ, определяет траекторию движения каждой конкретной детали от РТКИК в БДfy и осуществляет транспортировку детали в БД. Информация о заполнении массивов БД, характеризующихся заданными полягли допусков, также может быть использована для формирования сигналов управления технологическими операциями производства деталей с целью получения максимального числа оптимальных пар и минимизации заполнения БД. РТККОП включает в себя ІШІ - программу комплектования пар, КР - комплектующий робот и осуществляет комплектование оптимальных пар деталей..В функции комплекса входит определение возможных паросочетаний, выбор конкретных деталей, вычисление траекторий на устройство сборки пар, транспортировки выбранных деталей и их сборки. Результаты обработки данных о ходе процесса комплектования оптимальных пар также могут быть использованы для управления операциями технологического процесса с целью получения максимального числа оптимальных пар, минимизации заполнения БД и минимизации числа деталей, возвращаемых для доводки в линию производства деталей.
РТКШІ включает в себя БИ - блок испытания, ПИ - программу испытания. Комплекс осуществляет операцию проверки работоспособности скомплектованных прецизионных пар. Здесь также необходимо осуществление транспортных операций, операций контроля и измерений. Пары, неудовлетворяющие критериям работоспособности, возвращаются в линию контроля или на операции доводки. Пары, соответствующие критериям работоспособности, поступают на робототехнический комплекс консервации, упаковки и складирования (РТККУС) готовой продукции. РТККУС состоит из СУ - системы упаковки, БГП - банка готовой продукции и реализует функции упаковки и складирования прецизионных пар.
Управление работой ЕРТК осуществляет система обработки информации (СОИ). Алгоритм функционирования ЕРТК представлен блок-схемой на рис.I.II. Блоки I, 2 и 3 реализуются БА, ТР и ИС. Определяется вид детали (плунжер или втулка), поступающей на контроль, осуществляется транспортировка на ИС и измеряются требуемые геометрические размеры детали. Блоки 4, 5, 6, 7 реализуются СК, ТР, БДj ... БДф . Программа формирования банков деталей обрабатывает измерительную информацию по определенным алгоритмам, распознает "образы" деталей (определяет реальную форму поверхности) и дает задание на транспортировку детали в соответствующий банк. Блоки 8, 9, 10, II реализуются в БДр.. Щ% , ЇЇКП, ТР и КР. Детали сопрягаемой пары комплектуются в соответствии с заданными полями допусков, транспортируются на сборочную позицию и собираются. Елок 12 реализуется ПИ и БИ. В случае невозможности сборки пары или отрицательного результата испытаний детали отправляются на повторный контроль, доводку или браковку.
Применение аппарата системных графов для проектирования сложных систем управления
Под системой понимается организованное множество взаимосвязанных между собой элементов, выполняющих определенные функции для достижения определенной цели /17/. Особым классом динамических систем являются системы управления, характеризующиеся способностью принимать решения в условиях внешней и внутренней неопределенности, необходимые для реализации самостоятельных функций и целей управления.
Внешняя неопределенность связана с невозможностью иметь полные данные о внешней среде в широком смысле, т.е. связана с некоторой неопределенностью для исследователя самой внешней среды. Внутренняя неопределенность обусловлена как неопределенностью целого ряда свойств и характеристик отдельных функциональных элементов, так и неопределенностью ряда отношений между элементами, образующими систему.
При проектировании сложных систем таких, как крупные автоматизированные, энергетические, информационные и другие сложные комплексы, возникает ряд специфических проблем. Они связаны главным образом с выбором оптимальной структуры и организации взаимодействия элементов, определением оптимальных процессов функционирования, учетом влияния внешней среды и, в меньшей степени, с рассмотрением свойств и законов функционирования отдельных элементов.
Эти проблемы являются следствием следующих особенностей сложных систем: I) большое число взаимосвязанных элементов; 2) использование разных способов описания; 3) отсутствие формальной математической модели функционирования; 4) иерархические связи в структуре системы.
С этими особенностями связаны и разные определения сложной системы в зависимости от следующих признаков /18/: число элементов, входящих в систему (10 - 10 элементов), способ описания системы (детерминированный или теоретико-вероятностный), математический аппарат, используемый для описания системы (дифференциальные уравнения и алгебра Буля), иерархическая структура взаимосвязей между элементами. Наличие внутренней неопределенности, связанной с большим числом элементов и неизвестной природой протекающих явлений, и внешней неопределенности не позволяет описать математически корректно ее функционирование, что является тоже признаком сложности системы.
Сложная система управления представляет собой некоторое множество иерархически взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем управления разных классов, выполняющих самостоятельные и общесистемные функции и имеющих собственные и общие цели управления. Цели управления определяют необходимый закон изменения заданных переменных или некоторых характеристик подсистемы управления в условиях ее функционально-целевого и при чинно-следственного взаимодействия с внешней средой и с другими подсистемами. А.А.Вавилов предложил классифицировать сложные системы в зависимости от характера взаимодействия с внешней средой на открытые и закрытые /19/.
Открытая целостная система определяется как некоторое взаимодействующее с внешней средой целостное интегративное образование на множестве функциональных элементов или подсистем, находящихся в определенных функционально-целевых и причинно-следственных отношениях. Всякая целостная система характеризуется новым интегративным качеством, несвойственным отдельным ее элементам и подсистемам. Задача выделения целостной системы не имеет в ряде случаев однозначного решения, что связано с наличием неопределенности внешней среды.
При неопределенности внешней среды могут оказаться неопределенными связи системы с внешней средой и границы целостной системы. Раскрытие этой внешней неопределенности связано с дальнейшим изучением внешней среды системы и связи системы со средой.
Для закрытой системы не учитываются взаимосвязь и взаимодействие с внешней средой. Переход к закрытой системе позволяет изучить целый ряд свойств системы и раскрыть таким путем ее внутреннюю неопределенность.
Сложные системы управления характеризуются следующими основными свойствами, которые необходимо учитывать при анализе, синтезе и системном моделировании: 1. Система управления по функционально-целевому назначению является основным звеном в цепи причинно-следственных отношений внешняя среда - система управления - внешняя среда. 2. Каждая подсистема управления выполняет самостоятель ные функции и обеспечивает достижение заданных целей управления. 3. Системы характеризуются специальной системной организацией (сильной связностью графов или обратной связью), позволяющей использовать текущую информацию для достижения заданных целей. 4. Оценка степени реализации в системе заданных целей управления осуществляется на основе некоторых показателей или критериев качества систем управления.
Сложные системы, характеризующиеся большой размерностью, внутренней и внешней неопределенностью, требуют соответствующего системного подхода для изучения вышеуказанных свойств в каждом конкретном случае. Для этой цели необходимо сформулировать основные принципы системного подхода. На их основе строятся система концептуальных понятий и представлений, методология практической реализации задач анализа, синтеза и системного моделирования сложных систем.
Уравнения динамики манипулятора РТКИК. Манипулятор как объект управления - обобщенная динамическая модель
Типизация задач автоматизации контроля в значительной мере способствует их эффективному решению. В основе выделения типовых задач можно положить соответствующую классификацию обработанных поверхностей и их отклонений от номинальной формы.
В зависимости от типа обработанной поверхности детали общемашиностроительного применения классифицируют на виды и группы /I/. Классификация по видам различает тела вращения, корпусные и плоские детали. Каждый вид подразделяется на группы: цилиндрические, конусные, сферические, радиусные; однопло-скостные; с несколькими плоскостями (параллельными, перпендикулярными, расположенными под разными углами); контурные и т.п.
Стандартом СТ СЭВ 301-76 /2/ установлены два основные типа геометрических отклонений: отклонения формы и отклонения расположения осей, профилей и поверхностей.
К отклонениям формы относятся непрямолинейность, неплоскостность, некруглость, нецилиндричность, отклонения профиля продольного сечения. К отклонениям расположения относятся непараллельность, неперпендикулярность, несоосность, несимметричность, отклонение наклона и т.п.
Отклонение от прямолинейности (непрямолинейность) (рис. I.I а,б) характеризует отклонение от формы правильной линии на плоскости или в пространстве. Полем допуска (Т) является область на плоскости или цилиндр в пространстве с размерами Т, внутри которых должны находиться все точки линии.
Отклонение от плоскостности (неплоскостность) (рис.1.1 в, г,д) характеризует отклонение от формы плоской поверхности. К частным видам отклонений от плоскостности относятся выпуклость и вогнутость. Полем допуска Т является область между двумя параллельными плоскостями.
Отклонение от круглости (некруглость) (рис.1.1 е,ж,з) характеризует отклонение от правильной окружности. К частным видам отклонения от круглости относятся овальность и огранка (рис.1.1 ж,з), которые характеризуются величиной овальности &о$- ЯтауС d-miri и величиной огранки Аогр (А - разность между максимальным и минимальным диаметрами сечения)..
Отклонение от цилиндричности (нецилиндричность) (рис.1.1 и,к,л,м,н,о) характеризует отклонение формы от правильного цилиндра. Нецилиндричность является сочетанием отклонений поперечного сечения от круглости и продольного сечения от прямолинейности и параллельности. Отклонения от круглости в поперечных сечениях показаны на рис.1.1 ж,з. Отклонения профиля в продольном сечении делятся на конусообразность (Икон ), боч-кообразность (&$очк ), седлообразность (йсе л )t изогнутость (Лиз ), где Д=. dmax, - dmin (рис.І.І л,м,н,о). Отклонение от параллельности (непараллельность) (рис.1.2 а,б,в) характеризует область в пространстве между двумя плоскостями, параллельными базовой плоскости или оси, или цилиндрическую область, внутри которой должны находиться реальная поверхность или ось.
Отклонение от перпендикулярности (неперпендикулярность) (рис.1.2 г,д,е) является областью пространства между двумя плоскостями или цилиндром, перпендикулярными базовой плоскости или оси.
Отклонение от заданного наклона (рис.1.2 ж,з,и) является областью между двумя плоскостями или цилиндром, расположенными под заданным углом относительно базовой плоскости или оси.
В соответствии с указанной классификацией и отклонениями от номинальной формы следует выделять вид и группу детали и тип геометрических отклонений. В результате такого выделения задачи автоматизации контроля обработанных поверхностей можно рассматривать как типовые. Под типовой задачей контроля будем понимать определение последовательности движений детали и измерителя, которые необходимы для измерения и оценки параметров геометрических отклонений и являющиеся общими для данной группы поверхностей. Типовыми задачами являются контроль цилиндрической поверхности, контроль конической поверхности, контроль прямолинейности, контроль перпендикулярности и т.д.
Основными показателями качества обработанных поверхностей являются функциональные параметры такие, как размеры, зазоры, расположение, форма и т.п. Достижение оптимальных эксплуатационных показателей и предъявляемых функциональных требований тесно связано с установлением допустимых отклонений геометрических параметров и с точностью изготовления деталей, узлов и машин. Классы точности и допуски отклонений задаются стандартом /3,4/. Такая связь особенно характерна для прецизионных деталей в точном машино- и приборостроении. Они отличаются повышенными требованиями к качеству обработанных поверхностей. Отклонения размеров, расположения и формы регламентируются соответствующими стандартами /2,5,6/.
