Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ существующих методов и средств повышения точности позиционирования деталей при автоматизированной сборке 11
1.1. Анализ основных этапов автоматизированной сборочной операции 12
1.2. Модель погрешностей устройства позиционирования деталей 18
1.3. Анализ аппаратного обеспечения условий автоматического совмещения деталей для универсальных средств автоматизации сборки 24
1.4. Анализ методического обеспечения условий автоматического совмещения деталей для универсальных средств автоматизации сборки 40
1.5. Цель и задачи исследований 44
Глава 2. Обоснование метода управления движением детали при переходе от этапа транспортирования к этапу совмещения 46
2.1. Особенность функционирования сборочного устройства при переходе от этапа транспортирования детали к этапу ее ориентации 47
2.2. Формирование поисковой траектории в начале этапа ориентации детали 50
2.3- Особенности угловой адаптации соединяемой детали при автоматизированной сборке 66
Выводы по главе 75
Глава 3. Программирование нечетких контроллеров 76
3.1. Нечеткая логика и её применение в задачах управления 76
3.2. Разработка методики выбора и расчета параметров нечеткого контура управления 84
3.3. Программа расчета данных на основе желаемого закона движения детали для проектирования нечеткого логического контроллера в среде MATLAB 94
3.4. Построение и обучение нечеткого контроллера с использованием субтрактивной кластеризации 97
Выводы по главе 101
Глава 4. Сравнительное моделирование регуляторов активных систем номинального совмещения собираемых деталей в среде SIMULINK 4 из пакета MATLAB 6 103
4.1. Структурные схемы и общие параметры моделирования 103
4.2. Моделирование системы номинального совмещения собираемых деталей под управлением ПИД-регулятора 114
4.3. Моделирование системы номинального совмещения собираемых деталей под управлением нечеткого логического контроллера 118
4.4. Сравнительный анализ влияния нелинейностей на основные характеристики сборочной системы 122
Выводы по главе 134
Глава 5. Экспериментальные исследования сборочной системы на основе метода нечеткого управления движением детали 136
5.1. Описание экспериментального образца сборочной системы на основе метода нечеткого управления движением детали 136
5.2. Результаты экспериментальных исследований сборочной системы на основе метода нечеткого управления движением детали 147
Выводы по главе 154
- Анализ аппаратного обеспечения условий автоматического совмещения деталей для универсальных средств автоматизации сборки
- Формирование поисковой траектории в начале этапа ориентации детали
- Программа расчета данных на основе желаемого закона движения детали для проектирования нечеткого логического контроллера в среде MATLAB
- Моделирование системы номинального совмещения собираемых деталей под управлением нечеткого логического контроллера
Введение к работе
Завершающим этапом выпуска изделий машино- и приборостроения является операция сборки, от качества которой в значительной степени зависит их надежность и долговечность. Автоматизированная сборка позволяет повысить производительность труда, исключить вредное воздействие на человека шума, вибрации, пыли, грязи, токсичных веществ, а главное обеспечить стабильное качество изготавливаемых изделий [31, 54, 70, 95, 13]. В настоящее время обрабатывающие операции автоматизированы на 90...95 %, тогда как сборочные - на 5...7 %. Трудоемкость сборки составляет 30 - 40 % от общей трудоемкости изготовления изделий, а стоимость этих работ в машиностроении достигает 50 % и 80 % в приборостроении.
Исследованием в области автоматизации и механизации сборки посвящены работы таких ученых, как Гусев А.А., Житников Ю.З., Замятин ВЛС., Лебедовский М.С., Симаков А.Л., Соломенцев Ю.М., Тимофеев А,В., Федотов А.И., Ямпольский Л.С., Яхимович В.А.
Совершенствование технологических процессов выдвигает все более высокие требования по точности, качеству, быстродействию, универсальности и прочим критериям к различного рода сборочным устройствам и механизмам [33]- Проведенный в первой главе анализ показывает, что классическими подходами решить проблему, связанную с ужесточением требований, в большинстве случаев не удается [16, ПО]. Системный подход к созданию сборочных устройств, предполагающий использование последних достижений механики, информатики, управления, вычислительной техники, дает положительные результаты, о чем свидетельствует опыт зарубежных стран. Особое значение при создании сборочных устройств [108], выполняющих операции перемещения и взаимного ориентирования собираемых деталей, имеет организация системы управления [19,24,27,65, 93, 134, 176, 185, 231].
В последнее время на первый план выходят интеллектуальные технологии, способные, как показывают зарубежные и отечественные разработки, обеспечить высококачественное управление в широком диапазоне скоростей, внешних возмущений и внутренних нелинейных факторах [7, 58, 59, 60, 84, 87, 138, 178, 232, 250]- Таким образом, разработка интеллектуальных систем управления, не применявшихся ранее в сборочных устройствах, является важной и актуальной задачей [79, 81].
Одной из быстро развивающихся интеллектуальных технологий является нечеткая логика, обладающая, кроме вышеперечисленных, рядом положительных особенностей, таких как осуществление качественного управления при недостаточной или неточной информации об объекте, быстродействие, простота реализации, и т.д [37, 75, 166, 207, 208, 253, 254J. Различным аспектам проектирования и использования нечетких систем управления, основоположником которых является Lotfi A. Zadeh, посвящены работы Макарова И.М., Блохнина А. Г., Беляева А.Н., Алексеева А.В., Куржанского А.Б., Мелихова А.Н., Орловского С.А., Цьтбульника В.Н., Sugeno М., Mamdani Е.Н., Hasegawa Т., Sangalli A., Klir G.R., Watanabe R и других известных ученых. По этой тематике активно ведутся исследования в МГТУ им КЭ.Баумана, ЛЭТИ, ЦНИИ РТК, МАИ, МИФИ, МЭИ и еще ряде научных школ, что подтверждает актуальность разработок, направленных на расширение границ применения нечеткой логики.
В первой главе работы проведен анализ существующих методов и средств повышения точности позиционирования деталей при автоматизированной сборке. Проведен анализ этапов транспортирования, ориентации и совмещения, которые являются основными этапами автоматизированной сборочной операции. В результате проведенного анализа для каждого из этапов выявлены факторы неопределенностей, влияющие на процесс сборки, на основе которых построена модель погрешностей устройства позиционирования и выявлена зависимость допустимых угловых и линейных рассогласований сопрягаемых
з поверхностей. При этом обоснована необходимость проведения ориентации, осуществление которой при существующих на данный момент технических средствах и системах управления сборочными процессами возможно только специальными ориентирующими (адаптирующими) устройствами- Проведен обзорный анализ аппаратного и методического обеспечения условий автоматического совмещения деталей для универсальных средств автоматизированной сборки. Сделан вывод о невозможности достичь одновременно высокой производительности и точности при детерминированном управлении на существующем сборочном оборудовании. Это определило дальнейшее направление исследований, комплекс задач, предстоящих решению и структуру диссертации.
Во второй главе рассмотрены особенности функционирования сборочного устройства при переходе от этапа транспортирования детали к этапу ее ориентации- На основе рассмотренных особенностей получен алгоритм формирования поисковой траектории на этапе ориентации детали. Исходя из особенностей угловой адаптации соединяемой детали при автоматизированной сборке, предложен метод угловой ориентации деталей, использующий привода линейного перемещения. Учитывая действие на сборочную систему факторов неопределенностей, выявлено, что управление по предложенному алгоритму возможно только с помощью интеллектуальных систем снабженных базой знаний, а, в частности, методами нечеткой логики.
Третья глава посвящена проектированию нечетких систем управления роботизированными сборочными устройствами. Нечеткий контроллер, как одно из наиболее важных практических приложений нечеткой математики, служит для построения высококачественных систем управления сложными нелинейными процессами. Задача построения нечетких систем управления для каждого конкретного случая решается двумя путями: интуитивным методом, пользуясь услугами экспертами в области нечетких технологий и методом субтрактивной кластеризации на основе экспертных данных, получаемых из
экспериментов. Предлагаемый теоретический метод получения экспертных данных применительно к роботизированным сборочным устройствам заключается в следующем: имея информацию о системе усилитель-двигатель-преобразователь движения при условии кратчайшей траектории и движения с максимальной скоростью можно определить желаемый закон относительного движения собираемых деталей. Полученная зависимость позволяет определить характер необходимого управляющего воздействия в каждый момент времени с определенной частотой квантования. Данных о рассогласовании собираемых деталей, их относительной скорости движения и характере управляющего сигнала, который должен быть сформирован в этот момент времени достаточно для обучения нечеткого контроллера.
Для проверки эффективности нечеткого управления по сравнению с традиционным ПИД-регулированием и проверки предложенного метода построения нечетких контроллеров в четвертой главе в системе MATLAB проведено сравнительное моделирование. За основу взята сборочная система, имеющая факторы неопределенностей ввиде сухого и вязкого трения, люфта, помех в управляющем канале. В результате» при заданной точности, оценивалось быстродействие сборочной системы. При этом получены зависимости изменения рассогласования и управляющих сигналов регуляторов от времени. Также проведен анализ количественных параметров фактов неопределенностей на быстродействие сборочной системы и получена зависимость быстодействия от требуемой точности совмещения. На основании этого сделан вывод о допустимой области применения нечеткого управления.
В пятой главе для подтверждения работоспособности и эффективности нечеткого управления проведены экспериментальные исследования процесса автоматизированного совмещения цилиндрических деталей сборочным роботом, В качестве системы очувствления использовалась оптопара, состоящая из фотодиода, расположенного на схвате робота, и инфракрасного импульсного излучателя, находящегося в отверстии базовой детали. Нечеткий
*
контроллер заменяла специально разработанная программа, использующая файл с информацией о контроллере, полученный по разработанной методике на основе желаемого закона движения. Для разных значений рассогласований проведены серии опытов, по результатам которых построены зависимости полного времени сборочной операции от длины пути, который необходимо преодолеть совмещаемой детали. Полученные результаты подтверждают необходимость применения нечеткого управления в роботизированных сборочных устройствах.
II Глава 1.
Анализ существующих методов и средств повышения точности позиционирования деталей при автоматизированной
сборке.
Автоматизация сборочных операций развивается по двум направлениям: создание универсальных средств, обеспечивающих автоматическое выполнение всех основных функций оператора, и разработка специализированных устройств, назначение которых — воспроизведение отдельных функций сборщика [16]- При реализации универсальных средств автоматизации необходимо объединение различных функций в одном устройстве, то есть создание многофункциональных устройств. Наиболее универсальными и многофункциональными средствами автоматизации являются промышленные роботы и робототехнические устройства [63, 97, 198, 203, 205, 210, 214, 215, 216, 222, 225, 233, 239, 241, 246, 249].
В рамках второго направления разрабатываются средства автоматизации отдельных этапов сборочных операций, так как каждому из этапов соответствуют различные функции и действия оператора. Поскольку набор и последовательность выполняемых функций в универсальных устройствах зависит от этапов автоматизируемой сборочной операции [85], а требования к качеству выполнения этих функций являются общими для универсальных и специализированных устройств, остановимся на этапах сборочной операции.
1.1. Анализ основных этагпов автоматизированной сборочной
операции.
В соответствии с действиями, выполняемыми сборочными устройствами, можно выделить три основных этапа сборочных операций по соединению элементарных сборочных единиц [71, 201]-
Детали, образующие элементарные сборочные единицы должны отвечать условиям автоматизированной сборки по конструкции (наличию определенных конструктивных элементов [15]), геометрическим параметрам сопрягаемых поверхностей [202], массогабаритным характеристикам [55].
Наличие первого и третьего этапов сборочной операции связано с выполнением необходимых условий автоматического совмещения сопрягаемых поверхностей или их элементов [55]. По существу траектория транспортирования деталей и траектория окончательного совмещения должны являться начальным и конечным участками программной траектории совмещения, воспроизводимой автоматизированным сборочным устройством. Если бы движение детали по этой траектории отвечало достаточным условиям, а программная траектория совмещения — необходимым условиям автоматического совмещения сопрягаемых поверхностей [55, 54], то автоматизированная сборка была бы обеспечена. Однако в реальных сборочных
Рис. 1.1. Этапы сборочной операции
устройствах преобразования координат сопрягаемых поверхностей деталей при их перемещении по программной траектории, как правило, не могут быть описаны только линейными операторами (т.е. не выполняются необходимые условия автоматического совмещения) и погрешности ориентации модулей базирующих поверхностей деталей возрастают (что противоречит достаточным условиям автоматического совмещения деталей). Поэтому для реальных сборочных устройств необходимым является второй этап сборочной операции (этап ориентации), имеющий целью обеспечение указанных условий автоматического совмещения элементов сопрягаемых поверхностей.
Вспомогательные функции сборочного оборудования (захват детали, базирование и фиксация детали, удаление сборочной единицы), не связанные с выполнением условий автоматического совмещения, при рассмотрении автоматизированной сборочной операции могут быть исключены- В общем случае соединение элементарной сборочной единицы по сопрягаемым поверхностям, соответствующим классификации [13, 55, 71, 50J, обеспечивается целенаправленным перемещением одной из деталей (присоединяемой детали) при фиксированном начальном положении второй (базовой) детали. Этапы сборочной операции показаны на рис. 1Л.
Причинами невыполнения условий автоматического совмещения сопрягаемых поверхностей на этапе транспортирования детали являются [10]:
погрешности позиционирования рабочего органа сборочного устройства, вызванные инерционностью привода, неточным воспроизведением скорости перемещения детали, ошибками задания программного перемещения;
сухое трение в кинематических парах устройства и в зоне контакта присоединяемой и базовой деталей, проявляющееся при малых скоростях движения детали;
наличие зазоров и люфтов в кинематических парах сборочного устройства, приводящих к неопределенности положения детали при реверсивных движениях;
погрешности датчиков обратной связи, имеющие характер зоны нечувствительности и насыщения, приводящие к неопределенности управляющих воздействий;
геометрические особенности собираемых узлов, проявляющиеся в появлении «слепых зон» для датчиков взаимного положения сопрягаемых поверхностей;
высокая жесткость закрепления присоединяемой детали, исключающая ее угловую адаптацию при движении по координате совмещения.
Данные по точности позиционирования деталей универсальными средствам автоматизации сборочных операций — робототехническими устройствами приведены в таблице 1.1 [40, 210, 129, 130, 131, 116, 72, 69, 96, 174],
Таблица 1.1.
Окончание табл, 1.1
Как следует из этой таблицы, погрешности позиционирования детали при перемещении роботом составляют от 0,02 мм до 6 мм, что не позволяет обеспечить условия собираемости [32] для деталей средней и повышенной точности, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям с малыми зазорами или по переходным посадкам, а также по более сложным поверхностям [13]. Зависимость допустимых угловых 9^ и линейных 5t рассогласований
сопрягаемых поверхностей для сборки цилиндрического соединения приведена нарис.1.2[152].
*крхрад
0,00001 0,0001 0,001 0.01 0,1 1
Рис.1.2. Зависимость допустимых угловых и линейных рассогласований сопрягаемых
поверхностей
Для повышения точности позиционирования деталей на этапе транспортирования в настоящее время применяются как аппаратные, так и методические средства. Возможности этих направлений в повышении точности позиционирования деталей при автоматизированной сборке могут быть проанализированы на основе обобщенной модели погрешностей устройства позиционирования (привода перемещения детали).
1.2. Модель погрешностей устройства позиционирования деталей.
Основные причины возникновения погрешностей позиционирования детали на этапе ее транспортирования на сборочную позицию перечислены » п. 1,1. Для формализации погрешностей рассмотрим модель позиционного привода перемещения, обобщающую возможные варианты робототехнических устройств для автоматизированной сборки [68, 98, 127, 186]- Функциональная схема следящего устройства перемещения имеет вид рис.ї.З [10, 133]. На нем введено обозначение сумматора - устройства сравнения заданного и реализованного перемещений.
Рис. 1.3. Функциональная схема устройства перемещения детали
Не конкретизируя реализацию основных функциональных элементов устройства перемещения детали, остановимся на модели погрешностей, вызываемых рассмотренными выше причинами [77]. Структурная схема устройства, описывающая динамику процесса перемещения детали, и соответствующая приведенной функциональной схеме показана на рис.1,4.
из
Рис. 1.4. Структурная схема устройства перемещения детали
На схеме введены обозначения:
Цз - сигнал задающего устройства, пропорциональный программному перемещению детали; U- сигнал датчика обратной связи; Е— сигнал ошибки; Wy(p)f Wdefp), Wmti(p), Wd(p) - передаточные функции усилителя, двигателя, механизма преобразования движения, датчика обратной связи соответственно; Uynp - управляющее воздействие; w — скорость выходного звена двигателя; q — обобщенная координата, описывающая перемещение детали.
Наличие первичных погрешностей функциональных элементов может быть представлено в виде отклонений выходных координат этих элементов. Такое представление позволяет описать погрешности различного характера, в том числе и связанные с существенными нелинеиностями, проявляющимися в виде неопределенности координат. Рассмотрим основные виды нелинейпостей, которые присущи элементам автоматизированной сборочной системы [10, 16].
Двигатель: вязкое и сухое трение, ограничение по минимальному и максимальному напряжению управления, конечное значение ускорения и скорости;
Механизм передачи (редуктор): люфт в зацеплении;
Усилитель и датчик: шум, зона нечувствительности и порог насыщения. Введем обозначения отклонений координат, вызванных первичными погрешностями элементов устройства: Д/7Э - погрешность заданного программного перемещения;
MJ^ - погрешность управляющего сигнала, связанная с наличием шумов и
нелинейностей в усилительном устройстве;
Ад- погрешности выходной координаты механизма преобразования движения,
связанные с зазорами в кинематических парах;
AU - погрешности датчика обратной связи.
С учетом приложения этих отклонений, получим структурную схему модели
погрешностей устройства перемещения детали (рис, 1,5).
РисЛ.5. Структурная схема модели погрешностей устройства перемещения детали
Д1)э
WflB(p) WMn[p] Ww(p]
Wrfpl *
,
Р^Ф ^
WflB[pI WMn(p)
WnlpJ
E»
Wrfp]
iq
ди
Wa(rf
WubIp) V/мпІр]
Wi.(p)
РисЛ.б. Преобразованные структурные схемы составляющих погрешностей
-ДС/±-
Єх*є* l+WWJVW* ~ \±wwjvwa
у де .lui tf
> Дв .111 A
AU,=0(p)AU3±0(p)AU (LI)
2 і+«У'Л^ ' wy
(1.2)
W.
\+wywjvjv4
(1.3)
w »W-.
w.
^ = ФД/7)Д^,±ФЛр)^±г?7^Д^ц,±^ё-Д?±Ф(р)Д^
(1.4)
Зависимость (1,4) показывает, что относительные отклонения приводят возрастанию погрешности позиционирования детали по сравнению с ее номинальным значением, регламентируемым только параметрами привода перемещения и его структурой и приводимым в паспортных данных устройства (см. табл.1 Л).
Учтенные в зависимости (1-4) первичные погрешности относятся к элементам устройства и поэтому имеют характер инструментальных погрешностей. Ошибки. позиционирования, связанные с инерционностью привода и отклонениями воспроизводимой скорости перемещения детали от заданного значения не связаны с отклонениями параметров устройства и имеют методический характер. Они проявляются в наибольшей степени на малых перемещениях детали, характерных для второго этапа сборочной операции -этапа ориентации детали. Зависимости этих погрешностей от времени перемещения детали (характеризующего быстродействие устройства) имеют вид [152]:
-1-е
"р
(і-г-
(1.5)
где 1\ - момент времени, для которого управляющее напряжение становится равным нулю (заданное время перемещения); Т9 Та -постоянные
времени двигателя; 5пр - относительная погрешность перемещения
соединяемой детали;
Инструментальные погрешности имеют место как на этапе транспортирования деталей (относительно большие перемещения), так и на этапе ориентации. Поскольку зависимости отклонений координат от величины первичных погрешностей и от перемещений детали не могут быть описаны общими зависимостями, количественная оценка достижимой погрешности позиционирования может быть получена по зависимости (1.4) для конкретных видов соединяемых деталей и привода перемещения. Уровень погрешностей может быть оценен по расчетным данным [129]: погрешность позиционирования робота SKILAM, вызванная сухим трением в кинематических парах составляет от 5 до 13 мм при различных ускорениях звеньев, в то время как заявленная погрешность (см. табл. 1.1) равна 0,05 -0,1мм. Принципиальным выводом из рассмотрения модели инструментальных погрешностей устройства позиционирования является то, что суммарная погрешность позиционирования зависит не только от величины инструментальных погрешностей, но и от характера их изменения при перемещениях детали.
Для повышения точности перемещения деталей на этапе транспортирования возможны два направления: снижение первичных погрешностей и уменьшение коэффициентов влияния этих погрешностей. Первое направление реализуется путем применения элементов с более высоким уровнем метрологических параметров и поэтому может быть обозначено как аппаратное обеспечение условий автоматического совмещения деталей. Второе направление можно осуществить изменением структуры устройства, то есть реализацией более точных методов управления. При этом повышение порядка астатизма системы увеличивает количество нулевых коэффициентов ошибок и тем самым снижает погрешность позиционирования. В связи с этим его можно назвать методическим обеспечением условий автоматического совмещения деталей.
1.3, Анализ аппаратного обеспечения условий автоматического совмещения деталей для универсальных средств автоматизации
сборки.
Снижение первичных погрешностей устройств перемещения достигается применением более точных датчиков обратной связи и исполнительных элементов. При этом метрологические характеристики элементов оказываются зависящими от их физического принципа действия. Поэтому остановимся на примерах устройств перемещения деталей, базирующихся на приводах, использующих электрические и пневматические двигатели с различными видами датчиков [1, 2, 3, 4, 5, 113, 32, 36, 15, 30, 48, 49, 51, 62, 99, 149, 161, 164].
На рис. 1.9. приведено устройство, состоящее из двух взаимно связанных контуров: исполнительного и контрольно-управляющего. Исполнительный контур содержит четыре пневмопривода 1-4, соединенных с центрователем 5, в котором располагается одна из собираемых деталей (валик 6). Центрователь находится на второй собираемой детали (втулка 7), закрепленной в приспособлении 8. Контрольно-управляющий контур имеет четыре сопла 9... 12, выполненных в центрователе и выходящих в зону стыка сопрягаемых поверхностей. В него входят трехмембранные логические реле управления давлением в камерах пневмоприводов. Каждое реле управляющего контура имеет четыре камеры: камера В соединена с источником питания, соответствующим пневмоприводом и камерой Е, имеющей выход в атмосферу; камера Г соединена с соплом центрователя и источником питания низкого давления; камера Д находится под постоянным давлением подпора. Подача сжатого воздуха в пневмоприводы определяется соотношением давления в камерах Г и Д, которое зависит от величины открытия сопел в зоне стыка валика и втулки. Если выход закрыт, то давление в сопле и камере Г повышается и становится больше давления подпора в камере Д,
Рис, 1.9- Пневматическое логическое устройство направленного ориентирования с обратной
связью
При этом шток реле перемещается вниз, открывая доступ воздуху из сети в камеру В и закрывая выход воздуха из камеры Е в атмосферу. Воздух, поступающий в камеру В, проходит в пневмопривод, который перемещает центрователь. В этот момент воздух свободно истекает из противоположного сопла, камера противоположного привода соединена с атмосферой и не препятствует перемещению центрователя. Если произойдет перебег центрователя, то давление в камере пневмопривода, перемещающего центрователь, упадет, а в камере противоположного привода возрастет. Таким образом будут происходить колебания центрователя с затухающей амплитудой. Как только интенсивность истечения воздуха из всех четырех сопел уравняется, ось центрователя совпадет с осью втулки, и создадутся условия для автоматической сборки. Не обеспечиваются: этап транспортирования, сборка деталей отличных от цилиндрических, угловая ориентация; низкая чувствительность; сборка деталей только с заходными фасками; низкое быстродействие.
Рис.ЇЛО. Устройство направленного ориентирования с фотоэлементами
Другим примером устройства
направленного ориентирования является
устройство (рис. 1.10) [15], в котором
перемещениями исполнительного
механизма с расположенной в нем одной из
собираемых деталей управляет регулятор
на основе сигналов фотосистемы,
выполненной в виде источника света и
расположенных по двум координатным
осям фотоприемников. Исполнительный
механизм устройства состоит из двух
электрических двигателей I и 2f которые с
помощью ходовых винтов соединены с
ползунами, установленными в
направляющих корпуса.
На одном из ползунов установлена сборочная головка с захватами 3, удерживающими одну из собираемых деталей (валик 4). В захватах 3 смонтированы фотоприемники 5, расположенные по двум координатным осям X и Y, За второй собираемой деталью напротив сопрягаемого отверстия размещен источник света 6. При работе устройства источник света 6 излучает пульсирующий световой поток, который сильнее улавливается фотоприемниками, расположенными ближе к оси отверстия в детали 7, в результате сила тока, протекающего через фотоприемники, расположенные по одной координатной оси, различна. Эта разность преобразуется усилителями 8, которые включают электродвигатели сборочной головки по той или другой координатной оси. Движение сборочной головки будет происходить до тех пор, пока засвеченный фотоприемник не выйдет из зоны засвечивания. При этом
сигнал рассогласования с чувствительных элементов становится равным нулю, что свидетельствует о совмещении осей сопрягаемых деталей. При нулевом смещении двигатель отключается, и валик с помощью осевого усилия подается к отверстию- Недостатками данного устройства невысокое быстродействие из-за применяемого обычно пропорционального управления, сборка только цилиндрических деталей типа вал-втулка, исключена угловая ориентация.
Устройство (рисЛЛІ) [15], работающее также по методу направленного поиска, создано для установки вала диаметром 20 мм с корректированием его положения по направлениям координатных осей. Собираемый вал 1 закреплен в шпинделе 2, установленном шарнирно в корпусе 3 и центрируемым с помощью пружин 4, Со шпинделем связан диск 5, в который упираются расположенные в корпусе индуктивные датчики 6, определяющие угловое
положение закрепленной в
шпинделе детали. Сборочной
головке с помощью двигателя 7
сообщается вертикальное
перемещение, при этом сборочное усилие постоянно контролируется датчиком 8.
Рис. 1.11. Адаптивное ориентирующее устройство
При несовпадении осей валика и отверстия происходит перекос шпинделя, и на индуктивные датчики поступают рассогласованные сигналы. Логический блок, преобразуя их, управляет включением шаговых двигателей 9, обеспечивающих перемещение устройства по двум взаимно перпендикулярным направлениям до достижения требуемого положения вала 1 относительно отверстия в детали 10. При совпадении контуров сопрягаемых поверхностей происходит сборка деталей с нормированным осевым усилием. После того как
28 вал войдет в отверстие на 15 мм, дается команда на отключение зажима и отвод головки в исходное положение.
Это устройство обеспечивает сборку деталей, имеющих фаски не менее 1 мм, при зазоре в соединении 0,5...0,1 мм и рассогласовании сопрягаемых поверхностей до 3—5 мм в течение 5 с. Замена спиральных пружин плоскими и шарнирных соединений направляющими с шариковыми втулками позволяет осуществлять соединение деталей с зазорами 500...20 мкм и заходпыми фасками 1,5...0,5 мм за 0,4...5,0 с при первоначальном рассогласовании осей деталей 0,5.,.6,5 мм.
а) б)
РисЛЛ2. Устройство относительной ориентации с пневматическими сенсорными датчиками
На рис.1.12 а и рис. 1.12 б [55] показаны схемы устройств относительной ориентации собираемых деталей, оснащенных пневматическими сенсорными датчиками. При вставлении вала в отверстие базовой детали (рисЛЛ2,а) вал зажимается четырьмя зажимными элементами, в каждом из которых имеется
подвижный сенсорный датчик с каналами для подачи воздуха. Датчики расположены в зажимных элементах таким образом, что прилегают к валу и несколько выступают над ним.
При перемещении вала вниз в направлении оси сборки (вдоль оси Z) и наличии суммарного относительного смещения Д^, превышающего свое допустимое значение, вал упрется своим торцом в торец базовой детали. При этом с помощью датчиков определяется значение и направление расположения Де и вырабатывается выходной сигнал, управляющий сервоприводом. Последний осуществляет перемещение охвата вместе с валом и обеспечивает совмещение осей сопрягаемых поверхностей вала и отверстия. При дальнейшем перемещении вниз вал входит в отверстие, при этом датчики заходят в пазы зажимных элементов.
При надевании кольца на вал (рис.1.12,6) сенсорные датчики и зажимные элементы расположены в отверстии кольца, причем датчики выступают из отверстия кольца и поэтому при перемещении кольца вниз первыми касаются торца и кромок вала. Определение величины Az и совмещение осей сопрягаемых поверхностей деталей выполняется аналогично, как и при вставлении вала в отверстие. При надевании кольца на вал датчики отжимаются вверх, а после окончания процесса сборки и подъема устройства вверх возвращаются в исходное положение с помощью пружин.
При совпадении осей пластины и отверстия базовой детали ДРх = ДРу = О, а при несовпадении в соответствии со значениями ДРх, и ЛРу вырабатывается выходной сигнал, управляющий сервоприводом, при этом последний обеспечивает совпадение осей пластин базовой детали. Сервопривод представляет собой плоский цилиндр, в котором расположен плоский золотник на пневмоопоре. Вместе с рамой, также расположенной на пневмоопоре, золотник может перемещаться вдоль осей X и Y на величину до ±4 мм с обеспечением погрешности центрирования деталей в пределах ±0,01 мм.
Не обеспечиваются: этап транспортирования; сборка деталей, отличных от цилиндрических, угловая ориентация.
На рис.ЫЗ показана схема фотооптической системы совмещения микроминиатюрных детален на основе использования волоконно-оптических жгутов с фотолриемниками [55, 57]. Совмещаемые элементы - подложка 7 и кристалл устанавливаются и фиксируются соответственно на неподвижном основании 3 и в держателе 4. Последний имеет привод вращения 5 и может перемещаться по двум координатам X и Y с помощью двигателей б и 7.
Рис. 1.13. Фотооптическая система совмещения микроминиатюрных деталей
Подсветка поверхностей подложки и кристалла осуществляется с помощью осветительной системы 8. На неподвижном основании установлен полудисковый модулятор 9 с зеркальной отражающей поверхностью, от
которой отраженные от поверхности подложки и кристалла световые потоки попадают поочередно на приемную площадку световодного жгута 10 с помощью объектива 11- По волокнам жгута световые потоки попадают на фотоприемники 12, где вырабатываются соответствующие электрические сигналы, которые поступают в электронный блок обработки 13 и регистрирующее устройство 14.
В электронном блоке вырабатывается сигнал рассогласования, пропорциональный числу неравномерно засвеченных светоотводов, поступающий затем на устройство 15 управления координатными перемещениями держателя по осям X и Y с помощью двигателей 6 и 7. В результате выполнения этих перемещений происходит совмещение рабочих поверхностей кристалла и подложки.
Из недостатков можно отметить узкую номенклатуру собираемых узлов, небольшие габариты, необеспечение этапа транспортирования.
Иногда оказывается экономически целесообразным применение устройств автопоиска с обратной связью, которые являются наиболее сложными по конструкции, Эти устройства основаны на методе направленного совмещения и сборки. В таких устройствах с помощью датчиков (фотодатчиков, тензодатчиков, индуктивных и др.) оценивается суммарное смещение Де и вырабатывается соответствующий сигнал, на основе которого исполнительные механизмы устраняют кратчайшим путем погрешность ДЕ. Среди устройств автопоиска с обратной связью значительное применение нашли устройства, в которых суммарное смещение ДЕ определяется путем ощупывания собираемых деталей. Могут быть также использованы пневматические, фотоэлектрические, акустические, телевизионные, голографи чес кие устройства [55].
Рис. 1.14. Система автопоиска согласованного положения с обратной связью функционирующей по принципу ощупывания
Устройство, в котором суммарное смещение Д определяется путем ощупывания деталей (рисЛ.14), имеет приводной электродвигатель 1, который с помощью винта 9 и плоских пружин 8 перемещает головку 7 (по стрелке А). Подобное движение головка совершает вдоль другой координатной оси (по стрелке Б). В головке находится вал 6, а сопрягаемая с ним втулка 5 установлена на столе 4, Двигатель 1 через усилитель 2 и сумматор 3 соединен с чувствительными элементами Э| и Эг, которые при наличии Д^ вырабатывают различные сигналы. Эти сигналы сравниваются в сумматоре и затем, пройдя
через усилитель, управляют двигателем, который компенсирует погрешность Діу по стрелке Л. Аналогично происходит компенсация погрешности Д1У по стрелке Б. В момент полной компенсации Д^ двигатель останавливается, после чего вал под действием силы Рсб вставляется в отверстие втулки.
В фотоэлектрических устройствах (рисі. 15) [55] световое пятно от источника света 1 фокусируется оптической системой 2 на поверхность собираемой втулки 3 и, после отражения, направляется системой 4 па фотоэлемент 5. При суммарном смещении Ді больше некоторого значения поступление света на фотоэлемент прекращается. Это вызывает срабатывание исполнительного механизма, перемещающего собираемый вал 7, установленный в захватах 6, в сооспое с отверстием втулки 3 положение.
Рис. 1.15. Фотоэлектрическая система Рис. 1.16. Акустическая система автопоиска
автопоиска согласованного положения с согласованного положения с обратной '
обратной связью свяэью
В акустических устройствах [55] относительное положение деталей может определяться с помощью четырех микрофонов (акустических головок) 2 и 7 (рис.1.16), установленных па четырех кронштейнах 3, расположенных под
углом 90 друг к другу- Кронштейны прикреплены к захвату 5, в котором находится собираемый с втулкой 1 валик 6. Привод 4 перемещает захват с валиком вниз и одновременно сообщает захвату осевые колебания. В результате контактирования валика с втулкой (например, в точке О) возбуждается акустическая волна, которая достигает микрофона 2 раньше, чем микрофона 7. Суммируемый в устройстве сравнения сигнал вырабатывает соответствующие команды исполнительным механизмам, устраняющим погрешности относительного положения собираемых деталей.
Принцип действия инфракрасных устройств может быть основан на фиксации приемником инфракрасного излучения одной из собираемых деталей. Интенсивность этого излучения будет зависеть от относительного положения собираемых деталей и влиять на выдаваемый приемником выходной сигнал, управляющий исполнительными механизмами, устраняющими суммарное смещение Az-
Недостатком этих устройств является недостаточно высокое быстродействие и точность из-за влияния различных погрешностей и нелинейностей отдельных элементов сборочной системы, которые могут быть устранены или компенсированы.
Направленного совмещения осей собираемых деталей под действием вибраций можно достигнуть [55], если вдоль оси одной из деталей (или обеих сразу) возбудить колебания ультразвуковой частоты, при одновременном поджиме собираемых деталей друг к другу с некоторой силой. Если головку, в которой возбуждаются ультразвуковые колебания (рис. 1.17,а), вместе с валиком прижать с некоторой силой к втулке, то через доли секунды произойдет совмещение осей валика и втулки и их сопряжение. Центрирующее перемещение втулки происходит направленно вдоль прямой 0| ( определяющей смещения осей сопрягаемых поверхностей деталей перед началом их сборки. Втулку перед началом сборки устанавливают свободно в
базирующем устройстве, а валик крепят к концентратору с помощью захватов, пружинных цанг и т.п.
о о
Рис. 1.17. Устройства ультразвуковой сборки
При ультразвуковой сборке деталей могут быть также использованы схемы, при которых валик свободно устанавливают в подпружиненной втулке (рис. 1.17,6); валик устанавливают в захват типа цанги, а втулку размещают па подпружиненной платформе над валиком (рисЛ Л7,в). Одно из конструктивных решений устройства ультразвуковой сборки показано на рисЛЛ7,г валик и втулка могут быть поданы на позицию сборки питателями. Концентратор состоит из двух полых конусов. После опускания и надевания на валик
внутреннего конуса включается ультразвуковой генератор. Втулка, центрируясь по валику, сопрягается с ним, после чего поршень со штоком выталкивает валик из охватывающих губок внутреннего конуса. Подвижная часть ультразвуковой головки поднимается, а выполненное соединение удаляется с позиции сборки.
Недостатками этих устройств являются сравнительно невысокое быстродействие, обязательно наличие заходных фасок на собираемых деталях и невозможность выполнения этапа транспортирования.
Активные сборочные системы с источниками высокочастотных колебаний в качестве приводных элементов для поиска согласованного положения используют физические эффекты, в частности, ультразвук. Они облегчают совмещение деталей при контакте по фаскам и обеспечивают возможность их сборки при первоначальном взаимодействии по торцевым плоскостям [185]. При этом ориентирование происходит без применения устройств контроля положения деталей (рис, 1.18)_
Манипулятор промышленного робота (на рисунке не показан)
позиционирует сборочный модуль с удаленным центром податливости, а
вместе с ним и присоединяемую деталь (например, вал) 2 над базовой деталью
(втулкой) 1 на сборочной позиции, а затем прижимает вал 2 к торцевой
поверхности втулки 1. После включения преобразователей
(вибровозбудителей) 6 ультразвуковые колебания усиливаются
концентраторами 5 и передаются платформе 4. При этом в зависимости от фаз питания возбудителей 6 наклонные концентраторы разворачиваются в шарнирах 7, преодолевая жесткости Cj и Сг упругой механической системы 8, и заставляют смещаться в горизонтальной (для обеспечения совмещения осей собираемых деталей 1 и 2) и наклоняться в вертикальной (для обеспечения параллельности осей собираемых деталей 1 и 2) плоскостях платформу 4, а вместе с ней и захватное устройство 3 с присоединяемой деталью 2 до тех пор, пока оси базовой и присоединяемой деталей не совпадут, и не произойдет их
37 сопряжение, В процессе сопряжения детали 2 и базовой втулки 1 ультразвуковые колебания исключают их заклинивание при сопряжении под действием сборочных сил, развиваемых пружиной 10 механизма 9 сочленения руки манипулятора со сборочным модулем* В качестве преобразователя 6 ультразвуковых колебаний могут использоваться пьезокерамические пластины.
ю
.2
Рис. 1.18. Устройство сборки с источниками высокочастотных колебаний
'* Недостатки: не обеспечивается этап транспортирования детали, сложность
переналадки на иной тип деталей, сборка деталей только с бесконечным числом согласованных положений (цилиндрические изделия типа вал-втулка).
Таблица 1,2.
Окончание табл. 1.2
Результаты анализа приведенных устройств перемещения деталей приведены в таблице 1,2, Из них следуют выводы:
- средства перемещения деталей на основе различных приводов и чувствительных элементов обеспечивают движение деталей ограниченной номенклатуры и точности на этапе ориентации либо по линейным, либо по угловым координатам; для выполнения условий автоматического совмещения деталей эти средств должны дополняться устройствами транспортирования деталей на сборочную позицию и устройствами доориентации по тем или иным координатам, что существенно усложняет сборочное оборудование;
применение датчиков положения деталей ограничено конструктивными особенностями собираемого узла и в связи с этим повышение точности датчика в ряде случаев не приводит к повышению точности позиционирования детали.
Из этого можно заключить, что обеспечение условий автоматического совмещения аппаратными средствами не может решить задачу точного позиционирования деталей различной номенклатуры и точности при их транспортировании на сборочную позицию.
40 * -
1.4. Анализ методического обеспечения условий автоматического совмещения деталей для универсальных средств автоматизации
сборки
Вторым направлением повышения точности позиционирования деталей на этапе транспортирования является реализация методов управления движением, обеспечивающих уменьшение влияния инструментальных погреитностей устройства и снижение уровня методических погрешностей.
^ Общими методами повышения точности позиционных и следящих
приводов следует считать [38, 39,126, 172,248, 104, 122]:
пропорционально — интегрально - дифференциальное управление (ГТИД -управление) [180, 19] (рис.1.19);
повышение порядка астатизма (методы В.А. Боднера, М.В. Мссрова, Т.Н. Соколова и др. [137, 19]) (рис.1.20 а, б, в);
введения управления по производным от управляющего воздействия [19J
* (рис. 1.21);
комбинированное управление по возмущающему и управляющему воздействию [72, 120] (рисЛ.22);
позиционно-силовое управление [41,42, 43, 98, 185] (рис.1.23);
синхронно - синфазное управление [ 105] (рис. 1.24);
адаптивное управление [181, 74, 170] (рисЛ .25);
*
адаптивное управление на основе алгоритмов искусственного интеллекта [17,25,45,58,87, 166, 184,213,228].
[ЖИВ
№bu
Wrfp)
Uynp
WflB[p)
H V/мпИ
Wfl(p)
Рис.1 Л 9. Пропорционально - интегрально - дифференциальное управление
Us Х-Х Е
н
Wyipj
Uynp
W*6(p)
WMn[p]
Wfl(p)
«)
6)
в)
Рис. 1.20. Управление по методам В.А. Боднера а)ч М.В. Меерова 6), Т.Н. Соколова в)
РисЛ.21. Введения управления по производным от управляющего воздействия
Рис. 1.23» По зицион но-силовое управление
Рис. 1.22. Комбинированное управление по возмущающему и управляющему воздействию
Рис Л ,24. Синхронно - синфазное управление
РисЛ.25. Адаптивное управление
К методам повышения точности позиционирования деталей при автоматизированной сборке относятся:
позиционирование деталей по упорам, в качестве которых могут использоваться сами соединяемые детали [180, 185];
использование податливости манипулятора и механизмов захвата [204];
?.,m -
2,54 :
2,52 '
2,5
0,02 0,04
0,08 0,1 0,12 0,14 0,16
б)
Рие4.25. Зависимость времени їїомииального совмещения от велігчшш лшфта з&цегсленш n
редукторе для систем совмещения под управлением ПИД-регулятора (а) и нечеткого
контроллера (б)
Задачи:
разработка алгоритмов управления движением детали на этапах транспортировки и ориентации, учитывающих влияние различных факторов неопределенности;
обоснование метода управления поиском согласованного положения и адаптацией положения деталей по линейным и угловым координатам на основе нечеткой логики;
разработка алгоритма и профаммного обеспечения для автоматизации проектирования нечетких контроллеров управления РСУ;
проведение сравнительного анализа детерминированных и нечетких систем управления РСУ на основе машинного моделирования;
проведение экспериментальных исследований, подтверждающих работоспособность и эффективность предложенных алгоритмов управления.
Анализ аппаратного обеспечения условий автоматического совмещения деталей для универсальных средств автоматизации сборки
Снижение первичных погрешностей устройств перемещения достигается применением более точных датчиков обратной связи и исполнительных элементов. При этом метрологические характеристики элементов оказываются зависящими от их физического принципа действия. Поэтому остановимся на примерах устройств перемещения деталей, базирующихся на приводах, использующих электрические и пневматические двигатели с различными видами датчиков [1, 2, 3, 4, 5, 113, 32, 36, 15, 30, 48, 49, 51, 62, 99, 149, 161, 164].
На рис. 1.9. приведено устройство, состоящее из двух взаимно связанных контуров: исполнительного и контрольно-управляющего. Исполнительный контур содержит четыре пневмопривода 1-4, соединенных с центрователем 5, в котором располагается одна из собираемых деталей (валик 6). Центрователь находится на второй собираемой детали (втулка 7), закрепленной в приспособлении 8. Контрольно-управляющий контур имеет четыре сопла 9... 12, выполненных в центрователе и выходящих в зону стыка сопрягаемых поверхностей. В него входят трехмембранные логические реле управления давлением в камерах пневмоприводов. Каждое реле управляющего контура имеет четыре камеры: камера В соединена с источником питания, соответствующим пневмоприводом и камерой Е, имеющей выход в атмосферу; камера Г соединена с соплом центрователя и источником питания низкого давления; камера Д находится под постоянным давлением подпора. Подача сжатого воздуха в пневмоприводы определяется соотношением давления в камерах Г и Д, которое зависит от величины открытия сопел в зоне стыка валика и втулки. Если выход закрыт, то давление в сопле и камере Г повышается и становится больше давления подпора в камере Д,
При этом шток реле перемещается вниз, открывая доступ воздуху из сети в камеру В и закрывая выход воздуха из камеры Е в атмосферу. Воздух, поступающий в камеру В, проходит в пневмопривод, который перемещает центрователь. В этот момент воздух свободно истекает из противоположного сопла, камера противоположного привода соединена с атмосферой и не препятствует перемещению центрователя. Если произойдет перебег центрователя, то давление в камере пневмопривода, перемещающего центрователь, упадет, а в камере противоположного привода возрастет. Таким образом будут происходить колебания центрователя с затухающей амплитудой. Как только интенсивность истечения воздуха из всех четырех сопел уравняется, ось центрователя совпадет с осью втулки, и создадутся условия для автоматической сборки. Не обеспечиваются: этап транспортирования, сборка деталей отличных от цилиндрических, угловая ориентация; низкая чувствительность; сборка деталей только с заходными фасками; низкое быстродействие. Другим примером устройства направленного ориентирования является устройство (рис. 1.10) [15], в котором перемещениями исполнительного механизма с расположенной в нем одной из собираемых деталей управляет регулятор на основе сигналов фотосистемы, выполненной в виде источника света и расположенных по двум координатным осям фотоприемников. Исполнительный механизм устройства состоит из двух электрических двигателей I и 2f которые с помощью ходовых винтов соединены с ползунами, установленными в направляющих корпуса. На одном из ползунов установлена сборочная головка с захватами 3, удерживающими одну из собираемых деталей (валик 4). В захватах 3 смонтированы фотоприемники 5, расположенные по двум координатным осям X и Y, За второй собираемой деталью напротив сопрягаемого отверстия размещен источник света 6. При работе устройства источник света 6 излучает пульсирующий световой поток, который сильнее улавливается фотоприемниками, расположенными ближе к оси отверстия в детали 7, в результате сила тока, протекающего через фотоприемники, расположенные по одной координатной оси, различна. Эта разность преобразуется усилителями 8, которые включают электродвигатели сборочной головки по той или другой координатной оси. Движение сборочной головки будет происходить до тех пор, пока засвеченный фотоприемник не выйдет из зоны засвечивания. При этом сигнал рассогласования с чувствительных элементов становится равным нулю, что свидетельствует о совмещении осей сопрягаемых деталей. При нулевом смещении двигатель отключается, и валик с помощью осевого усилия подается к отверстию- Недостатками данного устройства невысокое быстродействие из-за применяемого обычно пропорционального управления, сборка только цилиндрических деталей типа вал-втулка, исключена угловая ориентация.
Устройство (рисЛЛІ) [15], работающее также по методу направленного поиска, создано для установки вала диаметром 20 мм с корректированием его положения по направлениям координатных осей. Собираемый вал 1 закреплен в шпинделе 2, установленном шарнирно в корпусе 3 и центрируемым с помощью пружин 4, Со шпинделем связан диск 5, в который упираются расположенные в корпусе индуктивные датчики 6, определяющие угловое положение закрепленной в шпинделе детали. Сборочной головке с помощью двигателя 7 сообщается вертикальное перемещение, при этом сборочное усилие постоянно контролируется датчиком 8. При несовпадении осей валика и отверстия происходит перекос шпинделя, и на индуктивные датчики поступают рассогласованные сигналы. Логический блок, преобразуя их, управляет включением шаговых двигателей 9, обеспечивающих перемещение устройства по двум взаимно перпендикулярным направлениям до достижения требуемого положения вала 1 относительно отверстия в детали 10. При совпадении контуров сопрягаемых поверхностей происходит сборка деталей с нормированным осевым усилием. После того как вал войдет в отверстие на 15 мм, дается команда на отключение зажима и отвод головки в исходное положение.
Это устройство обеспечивает сборку деталей, имеющих фаски не менее 1 мм, при зазоре в соединении 0,5...0,1 мм и рассогласовании сопрягаемых поверхностей до 3—5 мм в течение 5 с. Замена спиральных пружин плоскими и шарнирных соединений направляющими с шариковыми втулками позволяет осуществлять соединение деталей с зазорами 500...20 мкм и заходпыми фасками 1,5...0,5 мм за 0,4...5,0 с при первоначальном рассогласовании осей деталей 0,5.,.6,5 мм.
Формирование поисковой траектории в начале этапа ориентации детали
Во-вторых, при перемещении присоединяемой детали внутри сопрягаемой базовой поверхности возможно нелинейное (ступенчатое или импульсное) изменение внешних воздействий, к которым относятся силы и моменты реакции и трения.
В-третьих, на этапе угловой адаптации ухудшается такой важный параметр системы управления как ее наблюдаемость [19, 176], Это связано с тем, что измерение координат адаптации — малых угловых величин, усложняется по мере совмещения сопрягаемых поверхностей. Использование косвенных методов измерения приводит к тому, что выходные (или управляемые) координаты не совпадают с координатами адаптации, либо связаны с ними неоднозначными зависимостями. Поэтому информация о значениях координат адаптации не используется (или используется частично) в формировании управляющих воздействий, пропорциональных выходным координатам системы управления. Следовательно, система становится не полностью наблюдаемой и ухудшается качество управления. Рассмотрим возможность обеспечения угловой адаптации детали в устройстве линейных перемещений детали с учетом указанных особенностей этапа угловой адаптации.
Как показано в [152] возможными методами управления угловым положением детали являются стабилизация углового положения соединяемой детали и самонаведение соединяемой детали по угловому положению. Применительно к рассматриваемым устройствам разновидности этих методов могут быть получены из следующих соображений.
Метод стабилизации положения детали относительно адаптируемой программной траектории без существенных изменений применяться для решения задачи угловой адаптации не может. Это связано с неопределенностью программной траектории и необходимостью непрерывного изменения углового положения детали при совмещении сопрягаемых поверхностей. Стабилизация какого-либо из положений детали (то есть фиксация координаты адаптации) может привести к заклиниванию соединения. Предельное угловое положение соединяемой детали определяется ее линейным перемещением по координате номинального совмещения. Если принять в качестве программной траекторию перемещения точки контакта сопрягаемых поверхностей при угле поворота детали, имеющем постоянный знак, а в качестве цели управления принять стабилизацию положения точки контакта па этой траектории, то при выполнении этой цели будет достигнута косвенная стабилизация угла поворота детали для каждой точки программной траектории. Целевая функция стабилизации линейных координат имеет вид [152]:
Зависимость вектора линейных координат q(t) от матрицы-столбца угловых координат адаптации tp{t) обозначим [ (/)]. Так как перемещения детали в разных плоскостях независимы, то можно рассматривать скалярные зависимости для каждой из координат адаптации. После преобразований целевая функция запишется в виде:
Таким образом, при стабилизации положения точки контакта на траектории линейного перемещения, косвенно обеспечивается стабилизация угловых координат относительно программных значений " favtO] с точностью F l(s). Стабилизация точки контакта при постоянном знаке угла поворота детали достигается созданием силового фактора, пропорционального смещению этой точки с программной траектории (что соответствует разрыву контакта сопрягаемых поверхностей). Наиболее простым конструктивным решением, удовлетворяющим условиям стабилизации, является упругое базирование [154, 149, 159] соединяемой детали с обеспечением определенной угловой жесткости подвеса. Однако такое решение требует дополнительных пассивных средств адаптации, которыми должен быть оснащен схват роботизированного транспортирующего устройства.
Рассмотрим угловое движение детали в одной из плоскостей адаптации. Будем считать, что деталь имеет упругое крепление в рабочем органе, вращение детали происходит. относительно верхней точки контакта. Схема силовых факторов, действующих на деталь, приведена на рис.2.8. Уравнение движения детали при условии наличия контакта в двух точках (то есть при одноподвижности детали в рассматриваемой плоскости адаптации) имеет вид:
В статическом режиме первое и второе слагаемое уравнения (2.31) будут равны нулю и для уменьшения сопротивления движению детали (и, соответственно для снижения вероятности заклинивания детали) целесообразно уменьшить позиционирующий момент. Так как второе слагаемое в зависимости (2.32) не может быть изменено, необходимо уменьшить угловую жесткость С, .
В устройстве без средства адаптации она определяется жесткостью схвата. При Су - О имеем освобождение детали из схвата и переход от кинематического к силовому замыканию цепи схват — соединяемая деталь — базовая деталь. При этом соединяемая деталь приобретает три угловых степени подвижности, что является предпосылкой для ее угловой адаптации. При неподвижном схвате и освобожденной детали возможно совмещение сопрягаемых поверхностей под действием силы тяжести. При этом угол наклона детали уменьшается в соответствии с зависимостью (2.21) позиционирующий момент и момент сопротждс ішя стремятся к нулю. Такой способ совмещения получил название «сборка с освоШжадш м дегшш». Однако его реализация зависит ог начального угла наклона, который не должен превышать величины, приводяшей к за&лшшваишо детаж в начальном положеним. Для исключения таких ситуацией іірсдшігаєтся создание движущего уешшя за счет перемещения схвдга по координате линейной адаптации. При этом движущее усилие будет тчджтъ молені , противодействующий п&лжщоищуюшшу момешу и моменту сопротивление Принципиальным вопросом при зтом будет задача определения направления движения схвши Так как начальный угол рассогласования деталей ж определен, для решения этой задачи необходимо иашлкюванвд много пальцевык схватов е очувствлением. Последовательность действий предлагаемого способа совмещения следующая. В начальний момент времени торцы деталей совмещены, а присоединяемая деталь, зажатая в ехіше РСУ имеет неизвестный угловой перекос аг (рис.2.9).
Программа расчета данных на основе желаемого закона движения детали для проектирования нечеткого логического контроллера в среде MATLAB
Целью моделирования является сравнение по уровню быстродействия систем номинального совмещения собираемых деталей, имеющих только линейное рассогласование на базе ГШД-регулятора и нечеткого контроллера [227, 25, 24, 112, 28, 23, 206]. Структурная схема системы совмещения (рис.4Л), исполнительная часть которой включает усилитель, двигатель постоянного тока и механизм преобразования движения является общей, и отличается только регуляторами. Управление движением соединяемой детали производится по нескольким координатам, но поскольку структура систем управления по каждой из координат одинакова принято решение моделировать работу только одного канала. Между каналами управления существуют перекрестные связи, влияние которых в данный момент не рассматриваются [111]
Приведенная на рис.4 Л структура соответствует идеальному изолированному каналу управления по одной координате совмещения. Позиционирование детали в заданной точке обеспечивается обратной связью на базе регулятора. Сигнал рассогласования, формируемый регулятором, усиливается и подается на исполнительный двигатель. Предполагается, что в начальный момент времени величина относительного рассогласования сопрягаемых поверхностей известна и задающее устройство (ЗУ) формирует сигнал пропорциональный величине этого рассогласования. Этот сигнал сравнивается с выходным сигналом датчика перемещения детали, и напряжение пропорциональное разности координат ДХ, преобразуясь в регуляторе и усилителе, поступает на двигатель постоянного тока (ДПТ). Вращение выходного вала двигателя преобразуется в поступательное перемещение детали механизмом преобразования движения (МПД). В роли механизма преобразования движения выступает редуктор.
Естественно, моделирование идеальной системы позиционирования не даст достоверных данных о работе регуляторов. Для приближения моделей к реальным системам необходимо учесть погрешности и нелинейности, возникающие при функционировании данных систем. Эти нелинейности заключаются в следующем [167]:
Двигателю постоянного тока присуще сухое и вязкое трение, также, он имеет ограничение по минимальному и максимальному напряжению управления, конечное значение ускорения и скорости; редуктору, как и любой кинематической паре» характерен люфт в зацеплении; для усилителя, равно как и для датчика, характерен некоторый уровень шума, зона нечувствительности и порог насыщения. Влияние некоторых из перечисленных типов нелинейностей столь несущественно, что им можно пренебречь.
Для реальной электромеханической следящей системе совмещения с исполнительным двигателем постоянного тока исходными данными моделирования являются: Mo = 35,5 [н-м] — статический момент нагрузки; IQ = 4,35 [КРМ ] — момент инерции нагрузки; 2о = 0,9 [рад/с] - максимальная скорость; EQ - 6,8 [рад/с2] - максимальное ускорение; Тип усилителя — тиристорный усилитель. Исполнительный двигатель является ключевым элементом электромеханической системы. Выбор мощности двигателя производится исходя из необходимости обеспечения заданной работы при условии нормального температурного режима и допустимых механических перегрузок. Расчет мощности исполнительного двигателя постоянного тока производится по формуле: По этой структуре [124, 150] построена общая модель (рис,4.3) активной системы совмещения, с учетом всех действующих на звенья нслинеиностеи [6, 29, 56, 100]. Числовые значения параметров звеньев и их нелинейностей показаны в таблице 4Л_ Исходный файл модели приведен в приложении 4.1. y = sign{uy{Gain \u\+Offset), где и - входной сигнал, у - выходной сигнал, Gain -коэффициент вязкого трения, Offset - Величина сухого трения. 2. Минимальное напряжение управления выполнено блоком Dead Zone, который реализует нелинейную зависимость типа "зона нечувствительности (мертвая зона)" с параметрами Start of dead zone - Начало зоны нечувствительности (нижний порог) и End of dead zone - Конец зоны нечувствительности {верхний порог). Выходной сигнал блока вычисляется в соответствии со следующим алгоритмом: Если величина входного сигнала находится в пределах зоны нечувствительности, то выходной сигнал блока равен нулю у = 0 # Если входной сигнал больше или равен верхнему входному порогу R зоны нечувствительности, то выходной сигнал равен входному минус величина {0і порога y=u-Rt Если входной сигнал меньше или равен нижнему входному порогу F зоны нечувствительности, то выходной сигнал равен входному минус величина порога y = u-F. 3. Блок ограничения скорости изменения сигнала Rate Limiier, который обеспечивает ограничение скорости изменения сигнала (первой производной) использовался для имитации максимального ускорения с параметрами Rising slew rate - Уровень ограничения скорости при увеличении сигнала и Falling {щ:, slew rate - Уровень ограничения скорости при уменьшении сигнала. Вычисление производной сигнала выполняется по выражению; по - значение входного сигнала на текущем шаге, /(О значение модельного времени на текущем шаге, y(i-l) - значение выходного сигнала на предыдущем шаге, /(г-1) - значение модельного времени на предыдущем шаге.
Моделирование системы номинального совмещения собираемых деталей под управлением нечеткого логического контроллера
Одним из показателей качества любой следящей сборочной системы является вид переходного процесса, возникающего при изменении задающего сигнала, и приводящему к переходу от одного установившегося состояния (начального рассогласования) к другому (согласованному положению) [10]. По кривым переходного процесса (рисА16 и рис.4.22 - синим цветом) можно определить склонность системы к колебаниям. Эти колебания, в первую очередь, определяются максимальным значением регулируемой величины т.н. перерегулированием. Движение системы может и не носить колебательного характера. В этом случае в устойчивой сборочной системе переходный процесс протекает монотонно, перерегулирование отсутствует, а сигнал рассогласования непрерывно уменьшается во времени (рис.4.22). По перерегулированию можно охарактеризовать устойчивость системы.
Другим показателем качества сборочной системы является быстродействие, характеризующееся длительностью переходного процесса. Длительность переходного процесса определяется временем, в течение которого переходный процесс, возникший под действием возмущающего воздействия, заканчивается. Практически окончанием переходного процесса считают уменьшение его колебаний до допустимой ошибки, которая называется статической ошибкой системы. В данном случае величина статической ошибки определяется из условий собираемости и равна половине зазора собираемых узлов. Количество колебаний, возникающих в сборочной системе при переходном режиме, может допускаться в большинстве случаев до трех- пяти [10].
И, наконец, важнейшим показателем качества работы сборочной системы является точность, которая определяет способность системы выполнять условия работы в различных режимах вне зависимости от изменения внешних возмущающих факторов и внутренних параметров нелинейных компонентов сборочной системы. Таким образом, к следящим сборочным системам предъявляются следующие основные требования: ? Сборочная системы должна быть устойчива и должна обладать определенным запасом устойчивости; ? Время переходного процесса не должно превышать определенной величины, определяемой из требований по производительности; ? Значение перерегулирования не должно превышать допустимого предела (30%) от начальной величины рассогласования; ? Статическая ошибка по окончании переходного процесса в сборочной системе не должны превышать заданной величины; ? Воспроизводимая, т.е. регулируемая величина рассогласования в сборочной системе в переходном режиме не должна переходить через установившееся значение больше некоторого числа раз (не более трех). В связи с этими требованиями проанализируем влияние некоторых нелинейных параметров модели сборочной системы на быстродействие, точность и качество переходного процесса.
Оценка влияния коэффициентов вязкого и сухого трения. Так как сборочная система на базе нечеткого контроллера не имеет перерегулирования в переходном процессе, то и влияние трения на быстродействие при заданной точности сборки получается линейным. Поэтому зависимость быстродействия от различных коэффициентов трения для нечеткого контроллера не приводится. Графики влияния трения на быстродействие сборочной системы на базе ПИД-регулятора приведены на рис.4,23а и рисА23б. При отсутствии вязкого трения и при малых значениях коэффициента вязкого трения время номинального совмещения несколько больше минимального времени совмещения т.к. колебаниям системы ничто не мешает.
При увеличении ішзффицисїіта вязкого трения до (М)(ХК 5 нроисходщ1 увеличение быстродействия, связанное, очевидно, с демпфирующим эффектом фения. Дальнейшее увеличение коэффициента вязкого трения вызывает практически линейное увеличение времени номинального совмещения. Аналогичная зависимость и для сухою трения с той разницей, то пик быстродействия приходится на значение коэффицмента 0,00005, На всем диапазоне значений коэффициентов количество колебаний в переходном процессе не гомешшоеь - воспроизводимая величина рассогласования пересекала нулевую отметку девять разт величина перерегулирования оставалась постоянной, и, соответственно, быстродействие менялось незначительно (с увеличением трения больше пика быстродействия незначительно увеличивался период шлебший).
Оценка влияния зоны нечувствительности двигателя. На рис.4.24 для системы под управлением ПИД-регулятора (синим цветом) характерна зависимость колебательного типа по причине наличия колебаний в переходном процессе. Такие относительно резкие скачки быстродействия на интервале от 0,7 до 1,5 вольт происходят потому, что изменяется количество перебегов регулируемой величины через установившееся значение с 10 до 9 раз. Однако, в общем для системы на базе ПИД-регулятора наблюдалась тенденция снижения быстродействия при увеличении мертвой зоны в сигнале управления двигателем. Для системы совмещения на базе нечеткого контроллера (график зависимости на рис.4.24 показан красным цветом) по причине некоего аналога эффекта демпфирования можно увидеть очень незначительное уменьшение времени поминального совмещения практически линейного характера. Это может быть связано с тем, что при управлении нечетким контроллером при отсутствии мертвой зоны перемещаемая деталь подходит к согласованному положению с несколько большей скоростью чем требуется, и условие остановки срабатывает когда достигнуто рассогласование около 2 мкм, а мертвая зона снижает скорость движения и после остановки моделирования при зоне нечувствительности 2 вольта рассогласование уже равно 7 мкм. Дальнейшее увеличение зоны нечувствительности приводило к тому, что система позиционирования с управлением ПИД-регулятором получалась неустойчивой, а система на базе нечеткого контроллера оказывалась неспособной обеспечить необходимую точность совмещения.
