Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы 12
1.1. Анализ работ, посвященных разработке КИМ и ИР 12
1.2. Принцип работы и структура КИМ и ИР 18
1.3. Основные объекты, контролируемые КИМ и ИР 28
1.4. Цель и основные задачи работы 35
ВЫВОДЫ 36
Глава 2. Разработка функциональной схемы и технических требований, предъявляемых к ииус КИМ и ИР 37
2.1 Технические требования к составу и структуре КИМ и ИР 37
2.2 Приводы координатных перемещений 40
2.3 Измерительные системы координатных перемещений 44
2.4 Устройства взаимодействия с измеряемой деталью 51
2.5 Обзор некоторых КИМ разработки ЦНИТИ 54
2.6 Функциональная схема ИИУС КИМ и ИР 62
ВЫВОДЫ 65
Глава 3. Анализ электроприводов КИМ и ИР 66
3.1 Анализ схем построения электроприводов КИМ и ИР 66
3.2 Разработка математической модели РЭП КИМ и ИР 68
3.3 Анализ РЭП КИМ и ИР с учетом нелинейностей 70
3.4 Анализ СЭП КИМ и ИР 75
ВЫВОДЫ 83
Глава 4. Синтез оптимальных по быстродействию алгоритмов работы КИМ и ИР 84
4.1 Анализ методов решения оптимизационных задач 84
4.2 Основы метода замещений 87
4.3 Синтез алгоритма управления КИМ и ИР 96
Выводы 105
Заключение 105
Литература
- Принцип работы и структура КИМ и ИР
- Приводы координатных перемещений
- Разработка математической модели РЭП КИМ и ИР
- Основы метода замещений
Введение к работе
В настоящее время в машиностроении и приборостроении к числу наиболее важных и актуальных задач отнесено коренное повышение качества выпускаемой продукции [1,2].
Надежность правильно сконструированной машины, функционирование ее узлов в расчетном режиме, а значит, и ресурс в определяющей степени зависят от геометрической точности изготовления деталей по сопрягаемым поверхностям. Повышение требований к качеству машин влечет за собой ужесточение допусков. Каждое десятилетие допуски ужесточаются примерно в 1,5 раза. Одновременно повышается и доля трудоемкости операций контроля в технологическом процессе изготовления деталей и изделий, совершенствуются измерительные средства. В машиностроении контроль занимает около 15% общей трудоемкости продукции, а в капитальных вложениях доля измерительных средств и контрольного оборудования достигает 20% объема средств, расходуемых на технологическое оборудование.
Для полного контроля деталей промышленность получила широкоуниверсальное, автоматическое, достаточно гибкое средство контроля - координатные измерительные машины (КИМ) укомплектованные мини- или микроЭВМ для управления КИМ и обработки результатов измерения. КИМ пригодны для контроля деталей с разнообразными поверхностями. С их применением повышается точность и достоверность результатов измерения. Использование принципов оперативного и диалогового программирования дало возможность упростить применение КИМ как универсального средства контроля в единичном и мелкосерийном производствах. [3,4]
КИМ значительно упрощает метрологическую подготовку производства нового изделия, так как отпадает необходимость создания значительного количества средств специальной измерительной оснастки. Протокол с
результатами контроля, выдаваемый КИМ, повышает ответственность изготовителей за качество обработки.
Новые задачи по обеспечению качества изготовления деталей и выработки рекомендаций для сборки возникают с применением КИМ в ГПС. КИМ в составе ГПС должна иметь возможность автоматически принять деталь, опознать ее, выбрать программу измерения и измерительные наконечники, произвести измерения, передать результаты измерения ЭВМ высшего ранга для принятия решения о пригодности детали и технологического процесса или о необходимости внести корректировку. В памяти ЭВМ накапливаются данные об отклонениях размеров проверенных деталей, и эти данные статистически обрабатываются.
В мировой практике уже имеется ряд примеров применения универсальных КИМ в измерительных модулях, работающих по безлюдной технологии и встраиваемых в ГПС, и специальных КИМ для ГПС - так называемых измерительных роботов.
На современной КИМ можно измерить практически любые сложные поверхности и детали в целом, что до появления КИМ не всегда было возможно. Отличительной чертой КИМ является объективность контроля. Выдаваемый КИМ протокол результатов измерения повышает ответственность производственного персонала за выпуск качественной продукции.
Одним из основных достоинств КИМ является то, что на ней концентрируются операции контроля. На современных КИМ с одной установки детали можно измерить все контролируемые ГЭ и размеры с пяти ее сторон. Это свойство значительно повышает производительность и оперативность контроля, так как исключается время на транспортирование детали, выжидание между контрольными операциями, переустановку и выверку на различных приборах.
Использование КИМ на производстве значительно повышает уровень метрологического обеспечения предприятия; с применением КИМ отпадает необходимость изготовления значительного количества специальной
измерительной оснастки. Это очень важно при модернизации и обновлении продукции. КИМ дают возможность ускорить подготовку производства нового изделия, способствуют повышению качества опытных образцов и опытных партий изделий.
В мировом парке оборудования в настоящее время уже имеется несколько десятков тысяч КИМ разного уровня автоматизации. В 1980 г. в объеме всего оборудования Германии КИМ с ручным управлением составляли 58% [по данным фирмы «Комег» (Komeg), Германия]. В последнее время выпуск КИМ с ручным приводом уменьшается, увеличивается доля автоматизированных КИМ с управлением от ЭВМ. На ведущих фирмах Германии, таких, как «Оптон», «Маузер», «Лейтц» и других, производятся лишь КИМ с ЧПУ.
По данным фирмы «Комег», наиболее активными потребителями КИМ в Германии являются предприятия автомобильной промышленности. На крупных фирмах этой отрасли используются до 40 КИМ. Эти машины применяются в подразделениях, создающих новые конструкции автомобилей и их узлов, в подразделениях подготовки производства, экспериментальных цехах. Для контроля деталей на потоке крупносерийного и массового производства КИМ практически не применяются, а используются специальные средства контроля - автоматы, измеряющие сразу много точек, по своей производительности соответствующие производительности потока.
На предприятиях машиностроения нашей страны наиболее популярны КИМ фирм ДЕА, «Оливетти», «Оптон», «Маузер». На Ивановском станкостроительном производственном объединении разработана программа метрологического перевооружения с переводом всех операций контроля исключительно на КИМ. Несколько КИМ на этом объединении уже эксплуатируются. Они установлены в специальных кабинах в технологических потоках.
В настоящее время в большинстве случаев КИМ используются как универсальное измерительное средство, установленное в лабораторном помещении для обслуживания небольшого предприятия или цеха крупного
предприятия [5]. На КИМ контролируется определенная группа ответственных и довольно сложных деталей. Детали устанавливаются на стол КИМ и снимаются с него вручную или с помощью подъемных механизмов. При контроле партии деталей для удобства расположения и закрепления проверяемых деталей на столе КИМ устанавливают базирующие и зажимные приспособления. На проверяемые детали обычно заранее разрабатывают программы управления КИМ и обработки результатов измерения. Программы могут составляться и непосредственно на КИМ, если в ПМО имеется диалоговый режим.
По выданному КИМ протоколу решается вопрос о пригодности детали по ее точностным параметрам. Этот протокол может служить аттестатом качества детали.
Полученные результаты измерения используются для подналадки инструментов или корректировки управляющей программы.
Для более рационального использования возможностей автоматизированной КИМ автоматизируются также операции погрузки-разгрузки и хранения измеряемых деталей. Создаются роботизированные измерительные комплексы, измерительные модули и др.
Фирма «Оптон» для своих нужд на базе высокопрецизионной КИМ мод. UMM 500 построила роботизированный измерительный комплекс для аттестации калибров-пробок и колец. Этот комплекс после ручной загрузки проверяемыми калибрами поворотного стеллажа в дальнейшем работает по безлюдной технологии. За смену, в том числе и ночную, аттестуются до 150 калибров. Преимущество такой системы - исключение монотонной ручной работы, повышение достоверности результатов контроля, повышение оперативности контроля.
Фирма «Комег» на базе измерительных центров фирм «Оптон», «Маузер» и «Империал Прима» (Imperial Prima, Италия) построила гибкий измерительный модуль мод. FSK-P. Он предназначен для проведения контроля корпусных деталей по безлюдной технологии.
Измерительные роботы как разновидность промышленных роботов появились вслед за КИМ. Их появление обусловлено тем, что современное развитие машиностроения, особенно гибких автоматизированных производств, ставит перед автоматизацией процессов контроля новые задачи. Так, применение КИМ в ГПС требует от них резкого увеличения быстродействия, а при измерении сложных деталей (закрытых полостей сложной формы) наряду с увеличением быстродействия требуются высокие манипуляционные свойства [6,7].
Указанными свойствами обладают современные промышленные роботы. Так, сборочные роботы имеют высокое быстродействие и хорошую точность [«Прагма» (Pragma, Италия)], а роботы антропоморфной конструкции [«Пума» (Puma, США); «ACEA» (ASEA, Швеция); ТУР-10, СССР] имеют высокие манипуляционные свойства [8,9]. Идеи, получившие развитие в промышленных роботах, используются в измерительных роботах, в которых высокие манипуляционные свойства и быстродействие, присущие промышленным роботам, сочетаются с точностными и информационными характеристиками КИМ. В настоящее время уже насчитывается более десятка моделей измерительных роботов, серийно изготовляемых промышленностью и различающихся по назначению, принципу действия, конструкции, точности и уровню автоматизации [10].
В развитии измерительных роботов можно выделить три направления [11]:
создание измерительных роботов антропоморфной конструкции с хорошими манипуляционными свойствами, а также применение универсальных промышленных роботов, оснащенных ИГ;
создание простых по конструкции измерительных роботов с ортогональными направляющими (такие роботы хотя и не обладают высокими манипуляционными свойствами антропоморфных роботов, однако позволяют производителю измерять сложные детали путем одновременной работы нескольких роботов в одной измерительной установке);
создание измерительных роботов традиционных компоновок КИМ с повышенными манипуляционными свойствами путем наращивания числа управляемых координат до 5-6 (например, встраиванием управляемых по нескольким координатам ИГ).
Ниже рассмотрены характерные примеры измерительных роботов указанных трех основных направлений их развития.
Фирма «АСЕА» оснастила универсальный промышленный робот IRb6 электромеханической измерительной головкой отклонения (ИГО) с передачей информации по радиоканалу фирмы «Ж Тул» (LK Tool, Англия), а в последнее время - оптоэлектронной головкой. Универсальный промышленный робот при оснащении ИГО позволяет проводить координатные измерения, реализуя дифференциальный метод сравнения с мерой. Точность измерений при этом ограничивается случайной составляющей погрешности позиционирования (повторяемостью) промышленного робота, которая для IRb6 составляет ±0,2 мм, а для IRb60 - ±0,4 мм. Влияние систематических погрешностей позиционирования на точность координатных измерений устраняется процедурой калибровки, которая состоит в следующем. Предварительно измеряется образцовая деталь, и результаты измерений запоминаются в системе управления роботом. В дальнейшем, когда контролируются изготовляемые детали, отклонения обработанных поверхностей отсчитываются относительно этих результатов измерений.
Для измерения сложных поверхностей, к которым не предъявляются повышенные требования к точности измерений (трубопроводы сложной пространственной конфигурации, корпуса автомобилей, пресс-формы в обувной промышленности, скульптуры и др.), эффективными являются измерительные роботы антропоморфной схемы. Характерным примером такой конструкции является измерительный робот с семью степенями подвижности, выполненный в виде легкой трубчатой конструкции. Отличительными особенностями этих измерительных роботов являются высокие
манипуляционные возможности и большое рабочее пространство при относительно небольших размерах конструкции.
Фирма ДЕА создала простой по конструкции измерительный робот «БРАВО», оснащенный ИГН и позволяющий проводить координатные измерения нулевым методом сравнения с мерой.
По конструкции измерительный робот «БРАВО» аналогичен сборочному роботу «ПРАГМА» с его высоким быстродействием и хорошими точностными возможностями. Измерительный робот «БРАВО» имеет ортогональную систему координат.
Основной областью применения измерительных роботов «БРАВО» является крупносерийное производство в условиях ГПС.
Измерительные роботы традиционной для промышленных роботов компоновки обладают хорошими манипуляционными возможностями при невысокой точности измерений. Это обстоятельство не позволяет расширить область применения измерительных роботов на измерение высокоточных деталей сложной формы. Для этих целей в настоящее время применяют КИМ, дополнительно оснащаемые управляемыми поворотными головками, на которые устанавливаются обычные ИГ. Общее число степеней подвижности КИМ увеличивается до 5-6, т.е. КИМ, по сути, превращается в измерительный робот: относительное перемещение измеряемой детали и ИГ осуществляется за счет приводов КИМ (три-четыре координаты), а ориентация в пространстве измерительного наконечника - за счет приводов головки (две координаты). Характерным примером является четырехкоординатная КИМ мод. «Макси Чек» фирмы «ЛК Тул», оснащенная ИГ мод. РН9 фирмы «Ренишоу». Головка имеет возможность поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей и управляется от CNC. Такая КИМ, например, используется для измерения лопаток турбинного колеса фирмы «Лукас Аероспека» (Lucas Aerospeca, Англия).
Поворот головки вокруг каждой оси осуществляется дискретно, шагами по 7,5. Диапазон поворота ИГ вокруг вертикальной оси составляет ±180,
вокруг горизонтальной оси от 0 до 105. Перед началом измерений ИГ калибруется при каждой требуемой ориентации, что обеспечивает точность ее работы ±0,5 мкм.
В машиностроении наряду с контролем линейных и угловых размеров
деталей требуется контролировать детали и узлы машин по параметрам
шероховатости, твердости, дефектным полостям материала, толщине
немагнитных покрытий и др. Для этих целей создан ряд робототехнических
контрольно-измерительных комплексов (НИИ интроскопии МНПО «Спектр»),
в которых промышленный робот либо несет в захватном устройстве
преобразователь (датчик) контрольно-измерительного прибора,
взаимодействующий с контролируемым объектом, либо переносит измеряемый объект в контрольно-измерительное устройство. Указанные робототехнические комплексы строятся на базе серийно выпускаемых промышленных роботов и контрольно-измерительных приборов и благодаря этому обладают хорошими характеристиками по надежности и быстродействию.
Следует отметить, что, несмотря на важность и эффективность применения КИМ и ИР, работ, посвященных их проектированию, немного. Кроме того, работы таких ученых как Кобринский А.Е., Каспарайтис А.Ю., Модестов М.Б., Серков Н.А., Чудов В.А. посвящены, в основном, разработке отдельных узлов КИМ и ИР [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Работы же Хавкина И.Я., Барадокаса А.А., Евстигнеева В.Н., Кайнера Г.Б., Карелина Н.М., Шилюнаса П.И. [20, 21, 22, 23, 24, 25] посвящены вопросам применения КИМ и ИР. Работ, посвященных вопросам проектирования информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), обеспечивающих высокое качество по какому-либо критерию, мало.
Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе проанализировано состояние проблемы, основные принципы построения и объекты КИМ и ИР. Во второй главе выявлены особенности построения и функционирования КИМ
и ИР, разработаны технические требования, предъявляемые к элементам их ИИУС, разработана функциональная схема ИИУС.
В третьей главе выявлены особенности схем построения электроприводов, входящих в состав ИИУС КИМ и ИР, проанализированы их характеристики и разработаны средства, обеспечивающие повышение быстродействия.
В четвертой главе проведен сравнительный анализ методов оптимизации алгоритмов управления КИМ и ИР при определении последовательности измерений, выбран наиболее эффективный метод и разработана методика его использования.
В заключении изложены основные результаты работы, научные и практические.
Принцип работы и структура КИМ и ИР
Работа КИМ основана на координатных измерениях, т.е. на поочередном измерении координат определенного числа точек поверхности детали и последующих расчетах линейных и угловых размеров, отклонений размера, формы и расположения в соответствующих системах координат. Используются три основные системы координат: абсолютная системы координат машины (СКМ), относительная система координат машины (СКО) и система координат детали (СКД). СКМ образуют направляющие координатных перемещений и измерительные системы КИМ; начало СКМ выбирается произвольно. Направление осей СКО совпадает с направлением осей СКМ, а начало совмещается с центром или другой точкой калибратора (геометрического элемента, неподвижного во время измерения). СКО обеспечивает единство координатных данных при измерении несколькими чувствительными элементами КИМ, взаимодействующими с измеряемой поверхностью, в случае изменения их параметров или положения в СКМ. Результаты измерения представляются в СКД, которая формируется путем измерения положения в СКМ выбранных базовых поверхностей детали. СКД может изменяться в процессе измерения. Все операции по расчету систем координат и трансформации значений координатных данных выполняются по программе автоматически, на основе данных измерений, вводимых в системы координат машины [26].
Координатные измерения реализуются комплексом аппаратурных и программных средств. КИМ условно можно разделить на базовую часть, содержащую узлы координатных перемещений, измерительные преобразователи (ИП) и измерительную головку (ИГ) и предназначенную для непосредственного измерения координат точек, и управляющий вычислительный комплекс (УВК) на основе ЭВМ, предназначенный для управления процессом измерения, обработки и представления данных измерения. Габариты, конструкция, точность базовой части в основном определяются параметрами измеряемых деталей и условиями эксплуатации. Для определения структуры УВК решающими являются тип ИП и ИГ базовой части КИМ, требуемая степень автоматизации измерения, показатели программно-математического обеспечения и требования к форме представления результатов измерения. Состав и показатели программно-математического обеспечения зависят от спектра метрологических задач и степени автоматизации КИМ.
Координаты точек могут считываться при движении узлов КИМ или состоянии их покоя. Первый режим реализуется с применением нулевых измерительных головок (головок касания) или головок отклонения. В головках касания в момент соприкосновения измерительного наконечника с измеряемой поверхностью происходит дискретное изменение электрического сигнала, являющееся командным сигналом на останов и реверс приводов. Головки данного типа не дают информации о значении и направлении смещения их измерительных наконечников. При взаимодействии же наконечника ИГО с измеряемой поверхностью представляется информация о значении, а иногда и направлении смещения измерительного наконечника из исходного положения. Отсчет координат точек проводится после достижения нулевых показаний встроенных в ИГО измерительных преобразователей или по команде от системы управления. Во втором случае координаты точек определяются суммированием показаний измерительных преобразователей ИГО и КИМ. Измерения в динамическом режиме обладают высоким быстродействием и универсальностью, однако несколько меньшей точностью (главным образом, из-за колебаний подвижных узлов КИМ).
Точность измерения повышается при измерении в статическом режиме, когда отсчет координат точек производится в состоянии покоя подвижных узлов КИМ. Этот способ измерения реализуется только с применением ИГО.
Измерения в динамическом режиме реализуются при ручном и автоматическом управлении, а в статическом - только при автоматическом управлении, за исключением КИМ с жесткими измерительными наконечниками, устанавливаемыми вместо ИГ. Такие наконечники используются в малогабаритных ручных КИМ невысокой точности. Управление подвижными узлами КИМ в автоматическом режиме осуществляется от ЭВМ, а в ручном - от специального пульта. ЭВМ, кроме управления измерительными органами КИМ, выполняет обработку данных измерения. Эта обработка включает следующие операции:
1. Определение координат и поправок отдельных измерительных наконечников измерительных головок. Необходимую информацию для этих расчетов получают измерением калибратора - аттестованной с высокой точностью образцовой детали (сферы или куба), сохраняющей в процессе измерения неизменное положение относительно СКМ. Выполнение данной операции необходимо после каждого изменения параметров или положения ИГ относительно узла КИМ, на котором она закреплена. Результаты вводятся в память ЭВМ и учитываются при расчетах геометрических параметров деталей.
2. Формирование систем координат детали, которые необходимы для правильной оценки результатов измерения, возможности переставлять деталь в процессе измерения, не теряя при этом единства измерений. СКД может быть сформирована относительно любых геометрических элементов детали, однозначно определяющих положение и ориентацию СКД в СКМ. Число СКД не ограничивается.
3. Выполнение расчетов геометрических параметров деталей. При этом учитываются координаты и параметры отдельных измерительных наконечников ИГ, производится трансформация результатов, связанная с образованием нескольких систем координат. 4. Выполнение статистической обработки результатов измерений. 5. Подготовка данных для автоматического управления с учетом уже выполненных операций и полученных результатов измерения. 6. Представление результатов измерения в необходимом объеме и в удобном для пользования виде.
Приводы координатных перемещений
Вид привода зависит от способа и режима измерения. При поточечных измерениях и реализации нулевого метода в динамическом режиме подвижный узел должен быть выведен с постоянной заданной скоростью в определенную позицию, в которой будет обеспечен контакт измерительного наконечника головки с поверхностью. В момент касания по сигналу ИГ должно происходить быстрое торможение и реверсирование перемещения узла. В данном случае не требуется высокоточное позиционирования в заданную точку и остановка перемещаемого узла в строго заданном положении.
При статических поточечных измерениях подвижный узел вдоль оси перемещения должен быть выведен в строго заданное положение, соответствующее нулевым показаниям ИГ, и установлен в этой позиции за возможно короткий период. Для обеспечения высокого быстродействия позиционирование в заданную точку должно происходить с минимальным числом колебаний узла относительно этой точки. Следовательно, привод должен обладать высокой жесткостью и демпфирующими свойствами в направлении перемещения.
При непрерывных измерениях приводы должны перемещать подвижные узлы по заданной, как правило криволинейной, траектории в пространстве в соответствии с заранее составленной программой в режиме числового программного управления (дифференциальный метод) или поддерживать в заданных пределах отклонения от нулевых значений измерительных систем ИГ (измерение слежением, нулевой метод).
Независимо от способа и режима измерения, реализуемого на КИМ, приводы должны обладать следующими свойствами: высоким быстродействием и хорошими динамическими характеристиками; обеспечивать плавное перемещение подвижных узлов в широком диапазоне скоростей без механических переключений; не должны быть источниками вибраций и интенсивного теплового излучения; не должны создавать переменных усилий, перпендикулярных направлению перемещения узла; должны иметь механизмы предупреждения от поломки подвижных узлов при их случайном соприкосновении с деталью или другим объектом, установленном на машине; должны иметь малые массу и инерционность.
Построенный по наиболее распространенной схеме привод содержит электродвигатель, редуктор и механизм перемещения. В большинстве случаев используются высокомоментные двигатели постоянного тока со штампованным ротором и тахогенератором. Двигатели крепятся к несущему их основанию через виброизолирующие опоры, а к редуктору подключаются посредством плоского или зубчатого ремня. Редуктор содержит фрикционную муфту, предохраняющую от поломок в аварийных случаях и гасящую колебания узла вдоль направления перемещения. Тип и конструктивные параметры механизмов перемещения определяются массой подвижных узлов и режимом управления процессом измерения.
Для мало- и среднегабаритных КИМ наиболее часто используются механизмы винт - гайка качения и ленточные механизмы перемещений. При небольших перемещениях (в пределах 0,5 м) могут быть использованы винты с шариковыми гайками качения, аналогичные тем, которые используются, например, в металлорежущих станках. Однако чаще всего применяют специальные винты и гайки. Для уменьшения момента инерции при разгоне и торможении винты делают тонкими, диаметром до 20 мм. В противном случае для преодоления инерции винтов требуется увеличение мощностей двигателей. Для упрощения технологии производства тонкие винты при больших перемещениях состыкуются, и в местах стыка устанавливаются дополнительные опоры. В паре с такими винтами используются гайки специальной конструкции, у которых элементы качения выполняются в виде трех роликов с резьбой, устанавливаемых на кронштейнах в корпусе гайки. Ролики вращаются в кронштейнах, сопрягающих их с винтом в трех местах, расположенных через угол 120. Кронштейны в корпусе гайки установлены с возможностью качания в радиальном направлении винта. Это позволяет компенсировать биение последнего, вывести ролики из сопряжения с винтами и отключить гайку для ручного перемещения узла.
Разработка математической модели РЭП КИМ и ИР
Затем выбирается тип контролируемого вала с известными параметрами из номенклатуры серийных или вал с неизвестными параметрами. В случае выбора вала с неизвестными параметрами программа потребует внести данные о контролируемом вале, необходимые для измерения и выдачи протокола на него, а именно: тип вала; направление вращения при измерении; количество шеек и кулачков; угловая погрешность базовой поверхности из паспорта на приспособление; номер базовой шейки, ближайшей к базовому элементу; расстояние от базовой шейки до остальных шеек и кулачков. В программе предусмотрена возможность расширения номенклатуры контролируемых валов.
После выбора типа вала оператору предлагается определить номенклатуру измеряемых объектов, а именно: количество и номера измеряемых шеек и кулачков; алгоритм расчета профиля кулачков. Программа позволяет применить четыре алгоритма расчета профиля кулачка: относительно оси, проходящей через технологические центра; относительно оси, проходящей через базовые шейки; относительно оси, проходящей через ближайшие шейки; относительно оси цилиндрической части кулачка. Программа позволяет измерить вал в полном объеме или измерить отдельные элементы вала. Измерение вала в полном объеме означает измерение всех имеющихся шеек и кулачков и расчет профиля кулачков относительно оси, проходящей через базовые шейки. Измерение отдельных элементов вала позволяет оператору выбрать требуемые кулачки и алгоритм расчета. В процессе измерения вала программа напоминает оператору экранной подсказкой, на какой элемент вала необходимо установить измерительный наконечник. После измерения каждого элемента вала на экран выводится график профиля измеренной поверхности и вопрос оператору -повторить измерение или продолжить, то есть перейти к измерению следующего элемента вала. Это исключает случайные ошибки и сбои в процессе измерения вала. После окончания измерений всей ранее выбранной номенклатуры контролируемых параметров программа приступает к обсчету данных измерения и формированию протокола.
При измерении коленчатых валов разработанное программное обеспечение позволяет проводить следующие операции: в механизированном режиме - перемещение каретки с измерительной головкой в нужное сечение, прижатие и отжатие от детали измерительного наконечника, поворот детали на требуемый угол. Все это без измерения; в автоматическом режиме - измерение профиля поверхности коленвалов в зависимости от угла поворота. Для этого оператор выбирает в меню на экране дисплея номер требуемого вала, а затем режим измерения - интерактивный или автоматический. Интерактивный режим измерения отличается от автоматического тем, что после обкатки измеряемого объекта на каждом сечении измерения на дисплей выводится график профиля поверхности объекта в данном сечении и вопрос - повторить измерение, продолжить его или завершить. Это предохраняет от попадания случайных сбоев в протокол измерения, поскольку позволяет оперативно повторить измерение. При желании графики распечатываются.
В автоматическом режиме измерения график не выводится и объект измеряется по полному циклу без остановок. Измерение начинается с поиска нулевого положения по координатам Z и W. Затем измеряются поочередно -верхнее образцовое кольцо, все шейки коленвала, каждая в четырех сечениях, и нижнее образцовое кольцо. Затем оператор отвечает на вопрос о том, проводить или нет расчеты параметров коленвала. Если выбран режим получения результатов измерения, то на экране появляется таблица работ, необходимых для расчета контролируемых параметров, которые по мере их выполнения отмечаются галочкой. Выполняющаяся в текущий момент работа отмечается мерцающей точкой.
Затем оператору предлагается ввести диаметры верхнего и нижнего образцовых колец или согласится с введенными. Работа «определение диаметров шеек» обсчитывает все шейки, начиная с нижней и по каждой спрашивает, выводить или нет график профиля поверхности шейки.
Для работы «Вычисление некруглости шеек» от оператора требуется выбрать интеграл углов, на котором проводится усреднение результатов измерений для уменьшения влияния случайных выбросов. Для оформления протокола результатов измерения оператор должен дать имя файлу для записи протокола.
Кроме перечисленного программное обеспечение позволяет выполнять следующие дополнительные функции: определение углового положения шпоночного паза; измерение коленвала в указанном сечении; проверка режимов работы КИМ.
Указание сечения вала, в котором желательно провести измерение, можно проводить от компьютера, указывая координату Z, а можно от пульта, вручную перемещая каретку в требуемое сечение. В измеренном сечении высветится рисунок профиля сечения, нанесенный на масштабную сетку с ценой деления, благодаря чему возможно визуально определить отклонение профиля сечения от круглости. Кроме того, по желанию оператора может быть проведен расчет диаметра вала в измеренном сечении и отклонение от круглости.
Тестовая программа для проверки режимов работы КИМ при управлении его от компьютера представляет следующие возможности: позиционирование по Z; поворот стола; получение текущего положения рабочих органов; прижатие и отжатие измерительного наконечника; нахождение нулевого положения стола и оси Z. Остальные подпрограммы выполняют требуемое от компьютера -прижатие и отжатие измерительного наконечника, нахождение нулевого положения Z и W.
Основы метода замещений
Существует большое число методов, позволяющих решать эти задачи в той или иной степени, поэтому важно провести анализ этих методов, применительно к КИМ и ИР и выбрать наиболее эффективный метод.
Основные методы оптимизации сложных систем, которые применяются в настоящее время [106].
1. Метод перебора [68].
Суть метода заключается в последовательном переборе всех вариантов построения систем управления с одновременным вычислением функционала качества выбранному критерию оптимальности.
Соответственно, оптимальная система будет обладать лучшим показателем качества.
Метод прост, удобен, легко программируется на ЭВМ, позволяет анализировать и синтезировать любые структуры систем, однако требует большого количества времени.
2. Метод Монте-Карло [69, 70,71].
Суть метода заключается в расчете критерия оптимальности систем управления, выбранных с помощью генератора случайных чисел.
Далее среди этих систем выбирается оптимальная.
Достоинством метода является простота и быстрая сходимость, возможность анализировать и синтезировать любые структуры систем, а недостатком то, что выбранная система может быть оптимальной в малом, но не оптимальной в большом.
3. Метод ветвей и границ [72, 73,74].
Суть метода заключается в первоначальном нахождении минимальной границы функционала качества по выбранному критерию оптимальности. В дальнейшем выбирается система управления с показателем качества, большим минимального.
Достоинством метода является его простота, быстрая сходимость, а недостатком - возможность анализа и синтеза только последовательных (линейных) структур.
4. Метод динамического программирования [75, 76, 77].
Суть метода заключается в последовательном поиске управляющего оператора перехода, являющегося оптимальным на каждом шаге поиска.
Достоинством метода является эффективность при анализе и синтезе лишь линейных структур системы управления, недостатком - сложность и медленная сходимость.
5. Метод массового обслуживания [78, 79, 80].
Суть метода заключается в представлении поиска оптимальной системы управления как случайного процесса. Соответственно, сама система управления рассматривается как система, обслуживающая потоки заявок.
Достоинством метода является его универсальность при анализе и синтезе систем управления, а недостатком - сложность описания потоков событий.
6. Метод конечных автоматов [81, 82, 83].
Суть метода заключается в представлении системы управления в виде конечного автомата, выполняющего определенный набор операций в соответствии с заданным законом управления.
Достоинством метода является возможность анализа влияния некоторых внешних факторов на закон управления и структуру системы, недостатком -не проводится синтеза промежуточных вариантов.
7. Метод сетей Петри [84, 85, 86].
Суть метода заключается в представлении закона управления или структуры системы управления в виде ориентированного графа.
Достоинством метода является его универсальность при анализе систем управления, а недостатком то, что не проводится синтез вариантов.
8. Метод замещений [87, 88].
Суть этого метода заключается в целенаправленном построении некоторого небольшого количества систем управления, удовлетворяющих векторам допустимых связей, расчета значения критерия оптимальности для каждой из этих систем и выбора из них системы с минимальным значением критерия.
Метод позволяет анализировать любые алгоритмы и структуры систем управления, легко программируется, обладает быстрой сходимостью.
Метод замещений имеет целый ряд преимуществ.
Это связано с его следующими особенностями: по сравнению с методом перебора метод замещений обладает более быстрой сходимостью; в отличие от методов ветвей и границ, динамического программирования, метод замещений позволяет исследовать любые структуры систем управления; по сравнению с методом Монте-Карло метод замещений позволяет исследовать структуры с локальным и глобальным экстремумами целевой функции; в отличие от методов конечных автоматов и сетей Петри метод замещений позволяет не только анализировать, но и синтезировать различные структуры систем управления и РИИС.
