Введение к работе
з
Актуальность работы. Строительство представляет собой одну из важных областей применения промышленных роботов. Технологические особенности строительных процессов накладывают существенные ограничения на масштабы внедрения уже имеющихся роботов и манипуляторов и требуют значительной доработки существующих конструкций. Успешная роботизация строительства возможна лишь при адаптации промышленных роботов к условиям строительной площадки.
Достижения в области промышленной робототехники являются основой при роботизации строительства. Механический перенос существующих технических решений в совершенно иные условия по сравнению с машиностроением в подавляющем большинстве случаев невозможен. Поэтому необходимо заново решать задачи структурной организации роботов и робототехнических комплексов, искать оптимальные алгоритмы решения задач кинематики и динамики манипуляторов для целей строительства, осуществлять выбор информационно-измерительных систем и устройств, заниматься планированием траекторий движения роботов при выполнении различных операций, разрабатывать системы управления, функционирующих в условиях недетерминированной среды.
По сравнению с другими отраслями технологические процессы в строительстве характеризуются івпкой произюдительностью, тяжелым, монотонным трудом, повышенной опасностью работ, загрязненностью рабочей зоны. Сложность строительного производства, разнообразие технологических операций и особые условия их выполнения обусловливают низкий уровень комплексной механизации и автоматизации строительных процессов.
В последнее время получены определенные положительные результаты по применению роботизированных средств на строительно-монтажных работах.
Операции монтажного процесса делятся на две группы: операции монтажного цикла и вспомогательные операции. Операции монтажного цикла связаны с установкой элементов в проектное положение, а вспомогательные операции связаны с закреплением элементов, герметизацией и бетонированием стыков, антикоррозийной защитой закладных деталей, заделкой швов на фасаде здания. Наиболее трудоемкими из перечисленных операций являются операции монтажного цикла, доля которых превышает 65% общих монтажных трудозатрат. Это вызывает необходимость решения вопросов комплексной мехшшзации и автоматизации этих процессов, что позволит повысить технический уровень производства, поднять производительность труда, решить социально-экономические проблемы.
Поэтому совершенствование технологических операций монтажного цикла, методов и средств выполнения монтажных работ на основе применении кранов-манипуляторов, разработка научно обоснованной методики определения конструктивных параметров многозвенных манипуляторов,
4 обеспечивающих повышение производительности монтажных работ, сокращение затрат трудовых ресурсов и тяжелого физического труда, является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка и исследование систем автоматического управления технологическими операциями монтажного цикла, методов и средств выполнения монтажных работ на основе применения кранов-манипуляторов и защиты их от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях.
Для достижения поставленной цели: . ,, выполнен анализ зарубежного и отечественного опыта автоматического управления технологическими операциями монтажного цикла с использованием кранов-манипуляторов, методов и средств их автоматизации;
на основании принципа максимума решена оптимальная задача по быстродействию перемещения захватного устройства в зону ориентации;
решена задача повышения динамической точности отработки траекторий движения и позиционирования объектов при выполнении монтажных операций на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических процессов в исполнительной системе робота при существенном изменении массы и моментов инерции объектов манипулирования;
разработана самонастраивающаяся система управления выполнением монтажных операций с эталонной моделью, которая позволяет обеспечить устойчивость и высокие качественно - точностные показатели процессов управления в широких пределах изменения характеристик объекта управления;
на основе матричного метода стандартных кинематических связей разработана универсальная аналитическая модель кинематики управления модульным грузозахватным устройством;
„., і . разработана двухпроцессорная система защиты кранов-манипуляторов от перегрузок и опрокидывания и работы в стесненных условиях с одним комплектом рабочих датчиков, которая позволяет обеспечить высокую надежность аппаратуры защиты, выявить неисправности датчиковой аппаратуры и устройств сопряжения;
.-і : проведена экспериментальная проверка полученных результатов. ,-,:. Методы исследования. Теоретические и расчетно-аналйтические исследования базировались на фундаментальных положениях автоматизированного проектирования технических систем, теории автоматического управления, теории систем, теории вероятностей и других областях науки.
Экспериментальные исследования опирались на методы моделирования и обработку результатов на ЭВМ.
Научная новизна. Основным научным результатом является развитие теории и практики автоматического управления и оптимизации технологических операций монтажного цикла с использованием кранов-манипуляторов и зашиты их от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях.
1. Проведен системотехнический анализ специфических особенностей технологических
операций монтажного цикла с использованием кранов-манипуляторов в целях определения
принципов структурного синтеза и функционального наполнения автоматизированной
технологии производства строительно-монтажных работ.
2. На основании принципа максимума решена оптимальная задача перемещения
захватного устройства кранов-манипуляторов в зону ориентации по максимуму быстродействия
перехода системы из одпого состояния в другое.
Решена задача повышения динамической точности отработки траекторий движения и позиционирования объектов при выполнении монтажных операций на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических процессов в исполнительной системе кранов-манипуляторов при существенном изменении массы и моментов инерции объектов манипулирования.
Разработаны принципы и механизм формирования двухпроцессорной системы защиты кранов-манипулягоров от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях, обеспечивающей высокую надежность аппаратуры защиты.
На защиту выносятся:
1. Комплекс теоретических и практических методов автоматического управления и
оптимизации технологических операций монтажного цикла с использованием кранов-
манипуляторов, базирующихся на концепции адаптации промышленных роботов к условиям
строительной площадки.
2. Матричный метод стандартных кинематических связей и универсальная
аналитическая модель кинематики управления модульным грузозахватным устройством с
заданным числом степеней свободы.
Методы и средства защиты строительных кранов-манипуляторов от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях.
Роботизированная система перемещения захватного устройства крана-манипулятора при выполнении монтажных операций на объектах строительства.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований.
Практическую ценность работы составляет разработанная автоматизированная система управления перемещением захватного устройства крана-манипулятора и позиционирования объектов при вьшолнешш мошажных операций, методы расчета вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации манипуляционных систем, а также средства защиты строительных кранов-манипуляторов от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях. Применение разработанной манипуляционнои системы автоматизации монтажных операций позволяет решать задачи оптимизации технологических режимов кранов-манипуляторов, обеспечивая, тем самым, повышение качества строительно-монтажных работ и ряда других технико-экономических показателей строительного производства.
Результаты исследований в виде методик и программных продуктов использовались в составе средств автоматизации процессов в ООО «Технопромстроймонтаж» и ОАО «Волгагипротранс».
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов.
Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств, а также практическими результатами внедрения теоретических положений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции «Интерстроймех-2006» (МГСУ, 2006 г.), обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ), кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ (ГТУ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Основное содержание составляет 188 страниц текста, 77 иллюстраций, 14 таблиц, список литературы включает 106 наименования.
При рассмотрении вопросов разработки двухпроцессорной системы защиты кранов-манипуляторов научным консультантом являлся к.т.н., профессор Тихонов А.Ф.
