Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы построения и управления роботизированных технологических комплексов лазерной обработки 9
1.1. Структура роботизированных технологических комплексов лазерной обработки 9
1.2. Основы физических процессов газолазерной резки металлов 23
1.3. Общие вопросы управления технологических комплексов лазерной резки 37
2. Структуры манипуляционных систем технологических лазер-роботов 47
2.1. Принципы построения манипуляционных систем лазер-роботов 47
2.2. Структура системы транспортировки излучения 62
2.3. Упругие деформации и рабочее пространство манипуляционной системы лазер-робота 72
2.4. Математические модели манипуляционной системы лазер-робота 82
2.5. Система приводов манипуляционной системы лазер-робота 103
3. Структурно-алгоритмическое построение системы управления манипуляционной системой технологического лазер-робота 121
3.1. Кинематическое и динамическое управление движением оптической головки при обработке объектов с недетерминироваными геометрическими параметрами 121
3.2. Алгоритмы управления при обработке объектов с недетерминироваными геометрическими параметрами 141
3.3. Координатно-параметрическое управление с учетом неопределенности технологических параметров процесса обработки 150
3.3. Управление приводами технологических роботов при выполнении операции подготовки поверхности 163
3.5. Дистанционно-автоматическое управление и обучение лазер-робота 174
4. Экспериментальные исследования 186
4.1. Описание лабораторной установки 186
4.2. Экспериментальное исследование возможности применения серийного промышленного робота в качестве манипулятора оптической головки 198
Выводы 206
Заключение 207
Литература 209
Приложения 221
- Основы физических процессов газолазерной резки металлов
- Структура системы транспортировки излучения
- Алгоритмы управления при обработке объектов с недетерминироваными геометрическими параметрами
- Экспериментальное исследование возможности применения серийного промышленного робота в качестве манипулятора оптической головки
Введение к работе
Современная экономическая ситуация требует правильного выбора приоритетов развития отечественной науки и техники. Одним из таких приоритетных научно-технических направлений является гибкая автоматизация, включая роботизацию производственных процессов. Гибкость производства основана на применении новых высокоэффективных технологий, автоматизированного, с элементами искусственного интеллекта, технологического оборудования, в т.ч. технологических роботов, и открытой архитектуры компьютерных систем проектирования, управления и контроля. Это одна из главных особенностей технического и технологического перевооружения существующих производств, создания новых производств, приспособленных к функционированию в условиях рыночной экономики. Уровень роботизации является одним из показателей научно-технического, промышленного и военно-стратегического потенциала каждой страны.
Развитие робототехнических систем, как средств гибких автоматизированных производств, определяет второй этап развития робототехники, связанный с созданием технологических (производственных) роботов, непосредственно выполняющих операции контактной механобработки, характеризующихся сложной пространственной обрабатываемой поверхностью при невысоких требованиях к размерной точности, бесконтактной (лазерной, гидроабразивиой) обработки режущим инструментом; обработки поверхностей путем их окраски или напыления антикоррозионных жидкостей; испытания, контроля; монтажно-сборочных и сварочных операций. Одной из главных особенностей развития робототехники является тенденция создания унифицированных комплектующих узлов, устройств и универсальных технологических роботов с расширенными функциональными возможностями и технологической гибкостью.
Современное развитие производства связано с внедрением новых технологий, применением нетрадиционных материалов и способов обработки. Одно из наиболее перспективных направлений развития и внедрения высокотехнологических способов обработки на сегодня связано с применением лазера [12].
Основными особенностями лазерной обработки, обеспечивающими эффективность применения по сравнению с традиционными технологиями, являются значительное повышение точности и качества, локальность воздействия, определяющая отсутствие деформации изделия, гибкость, возможность практически полной автоматизации и быстрой перестройки процесса. Немаловажную роль играет экологическая чистота лазерных технологий.
Лазерные технологии дают возможность не только увеличить скорость обработки, но и получить принципиально новые результаты во всех областях применения.
Современная ситуация в индустриальной лазерной технике характеризуется постоянными новыми разработками и усовершенствованиями в области повышения качества лазерного излучения, увеличения мощности лазерных установок, снижения стоимости лазерного оборудования. Однако широкое внедрение лазерных технологий в промышленную практику сдерживается значительными капитальными и эксплуатационными затратами.
Сравнительный стоимостной анализ удельных (на единицу длины обработки) затрат на резку для различных методов (лазерной резки, газовой резки, резки плазмой, и водяной струей) и материалов без учета технологических аспектов показывает достаточно высокий уровень этих затрат. [14]. Однако решающими для промышленного применения являются не только экономические причины, но и технологические преимущества лазерных технологий перед аналогами.
Особенно эффективно применение лазерных технологий в тех случаях, когда невозможно использовать другие технологии (например, при обработке хрупких и очень твердых материалов) или когда лазерная обработка позволяет получить уникальные результаты, не достижимые для других видов обработки (например, при нанесении синтетического алмазного покрытия на поверхность деталей без использования вакуумного оборудования). Наиболее рационально использовать лазерное оборудование в мелкосерийном производстве, когда более дорогое и производительное оборудование не окупается, а также при обработке особо сложных деталей, когда лазерная обработка не оказывает существенного влияния на окончательную стоимость детали.
Анализ состояния мирового рынка лазерной промышленности, комплексов и установок лазерной обработки, показывает значительный рост объемов приобретения лазерных технологических установок [13, 93, 142]. Объем рынка удваивается каждые три - четыре года. По виду применения более половины мирового рынка занимают лазерные установки и комплексы, предназначенные для обработки материалов.
В настоящее время созданы, серийно выпускаются и широко применяются для разных назначений: газовые лазеры, включая He-Ne-лазеры, He-Cd-лазеры, ионные лазеры, лазеры на парах металлов, непрерывные СОг-лазеры, импульсивно-периодические СОг-лазеры, СО-лазеры, экси-мерные лазеры; твердотельные лазеры, включая Nd-YAG-непрерывные и импульсно-периодические лазеры, лазеры на других кристаллах; лазеры на красителях (растворах); полупроводниковые лазеры (непрерывные инжек-
ционные лазеры и решетки лазеров, импульсно-периодические июкекци-онные лазеры, лазеры с диодной накачкой) и другие лазеры различной мощности излучения (от ваттов до десятков киловатт).
Промышленное применение лазеров связано сегодня с такими технологическими операциями как резка, сварка, гравировка, термическая обработка поверхности.
Лазерная резка, основанная на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны реза, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степенью точности, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.
С помощью имеющихся на рынке С02-лазеров можно резать обычную сталь толщиной до 20 мм, высокопрочную сталь до 10 мм, листы алюминия до 6 мм и пластмассы (ограничением является образование при резке токсичных газов). При определенных условиях можно резать листовые слоистые композиционные материалы, кварцевое и обычное стекло (включая скрайбирование и разделение листа методом управляемого термораскалывания). Ширина реза металлов обычно не превышает 0,2-0,3 мм при хорошем качестве поверхности реза (кромки). Например, глубина волнообразных неровностей поверхности меньше 100 мкм, а не перпендикулярность реза меньше ОД мм для материала толщиной 10 мм, т.е. рез получается практически вертикальным, при этом обычно нет сколов и часто не требуется повторной обработки. При резке термоупрочняемых металлических материалов поверхность реза закаляется (обычно на глубину 0,1-0,2 мм), а при резке с использованием 02 появляется незначительный оксидный слой.
Преимущества лазерной сварки широко известны: высокая скорость, достигающая 5 м/мин; незначительный нагрев, вызывающий заметно меньшие деформации и остаточные напряжения по сравнению с традиционной дуговой сваркой; меньшее потребление присадок благодаря малой ширине лазерного шва; возможность так называемого кинжального проплавлення, что в сочетании с применением автоматических систем постоянного контроля за ходом процесса дает высокое качество сварного шва. Такая технология снижает трудоемкость, повышает прочность конструкции и снижает ее вес. В промышленности западных стран лазерная сварка
применяется в автомобильной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности.
Лазерные методы модификации поверхности металлов с целью повышения твердости, износостойкости коррозионной стойкости и других параметров вызывают интерес из-за их специфических возможностей: дистанционная доставки энергии в зону обработки, возможность работы в атмосферной среде, регулировка размеров зоны обработки. Кроме того, эта технология обеспечивает существенно лучшие результаты по сравнению с другими способами обработки. Например, прочность сцепления порошковых покрытий, нанесенных с помощью лазера, в три — пять раз превышает прочность сцепления покрытий, полученных другими методами [93].
Таким образом, лазерные технологии наиболее быстро и успешно внедряются в практику в тех случаях, когда по ряду причин им нет конкуренции, т.е. другие технологии не обеспечивают решение конкретной технологической задачи.
Практическая реализация всех потенциальных возможностей лазерных технологий в промышленности с максимальным эффектом возможна при соединении передовых достижений в области источников лазерного излучения, способов его транспортировки, CAD/САМ систем проектирования изделия и интеллектуальных систем управления. Ускорение разработки и применения лазерных систем в промышленности требует выполнения очень сложной оптимизации параметров процесса, подбор источника лазерного излучения, способа его доставки к месту обработки и перемещения по траектории, обеспечение безопасности системы и др.
Спектр проблем, связанных разработкой и применением лазерных технологий весьма широк и включает в себя задачи из многих областей и направлений научных исследований, включая проблему обеспечения безопасности при эксплуатации лазерных систем.
Большие возможности по способу доставки лазерного излучения к месту обработки, перемещения объекта обработки под лучом лазера, автоматизации управления процессом, созданию гибких производственных комплексов представляет робототехника.
Среди отечественных научных и производственных организаций различными аспектами создания и применения лазерных технологий занимаются Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ), Институт проблем механики РАН (ИПМ РАН), НТЦ «Лазерная техника и технология» НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ГНЦ «ТРИНИТИ», ЗАО «Технолазер» и ООО «Лазерные комплексы» (г. Шатура), ЦНИИ РТК, НЛП «Лазерные технологии» (Санкт-Петербург) и др. Постоянно обновляемая информационно-справочная информация об организациях, работающих в области лазерных технологий, представлена в [153]. Из более чем трехсот зарубежных предприятий, работающих в области лазерных
технологий - Mitsubishi Electric, Kawasaki Steel Corp. (Япония), Rofin-Sinar Laser, Trumpf (Германия), Spectra Phisics, General Electric (США) [157].
В работах Абильсиитова Г.А., Белянина П.Н., Григорьянца А.Г., Козлова Г.И., Ковша И.Б., Сафонова А.Н., Соколова А.А., Макарова В.И., Шторм В.В. и других ученых отражены результаты научных исследований в области создания, исследования и эксплуатации лазерных технологических установок и комплексов.
Вопросы применения мехатронных и робототехнических систем в качестве основного технологического оборудования при лазерной обработке рассмотрены в работах Абильсиитова Г.А., Генералова Н.А, Голубева B.C., Забелина A.M., Сафонова А.Н., Югова В.И. и других ученых.
Методологическую и теоретическую основу исследований, представленных в данной работе, составили труды Вукобратовича М., Афонина В.Л., Егорова И.Н., Зенкевича С.Л., Корендясева А.И., Кулакова Ф.М,, Кулешова B.C., Макарова В.И., Подураева Ю.В., Попова Е.П., Черноусько Ф.Л., Юревича Е.И., Ющенко А.С. и других ученых.
Вместе с тем, несмотря на значительные успехи в развитии теории и практики построения роботов и мехатронных устройств, некоторые задачи, важные для создания технологических роботов, выполняющих лазерную обработку, решены не в полной мере. Анализ показывает, что актуальной в робототехнике и мехатронике является проблема построения структуры манипуляционной системы и алгоритмов управления технологическим роботом для лазерной резки недетерминированных объемных объектов.
Использование лазерного излучения в качестве обрабатывающего инструмента и специфика обрабатываемого объекта вносит принципиальные отличия в структуру манипуляционной системы и управление технологическим роботом для лазерной резки.
В данной работе рассматривается проблема построения и управления манипуляционной системой для выполнения технологической операции лазерной резки объектов с пространственной геометрией обрабатываемой поверхности.
Это могут быть корпусные детали квадратного и круглого сечения, детали типа профиля сечения сложной формы. Пространственные размеры могут быть как соизмеримы с размерами рабочей зоны обрабатывающего робота, так и намного превосходить их (крупногабаритные объекты). Геометрические характеристики поверхности объекта могут быть искажены по сравнению с паспортными данными в результате неточности изготовления, воздействия неблагоприятных условий при транспортировке и эксплуатации, проведения ремонтных работ. Качество поверхности также может не соответствовать требуемому, то есть возникает необходимость предварительной подготовки, например очистки от посторонних наслое-
ний при наличии загрязнений, либо нанесении специальных покрытий в случае малой поглощательной способности в диапазоне длин волн лазерного излучения. По своему расположению объект может находится как в заводских (цеховых) условиях, так и в полевых, экстремальных условиях.
Таким образом, манипуляционная система должна обеспечивать движение оптической головки по сложной пространственной траектории с поддержанием зазора и ортогональной ориентации к обрабатываемой поверхности.
В задачи информационной системы входит измерение текущего состояния манипуляционной системы (определение координат, скоростей, и др.), параметров генерации и передачи лазерного излучения, хода технологического взаимодействия, идентификация ряда параметров в случае недетерминированности объекта обработки и передача полученной информации в систему управления для формирования и коррекции управляющих воздействий.
Система управления решает задачи координатно-параметрического управления перемещением, стабилизацией зазора и ориентацией оптической головки и параметрами лазерного технологического оборудования.
Целью работы является решение научно-технической задачи разработки структуры манипуляционной системы и алгоритмов управления функциональным движением технологического робота для лазерной разделительной резки изделий пространственной конфигурации при недетерминированности геометрических и технологических параметров процесса.
Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
Анализ и систематизация технологических комплексов лазерной обработки, учитывающую форму обрабатываемых изделий, выполняемые операции лазерной обработки, вид перемещения и применяемое оборудование.
Анализ основных закономерностей лазерной резки металлов с целью разработки математической модели и определения доминирующих факторов технологического процесса как объекта управления.
Разработка методики синтеза кинематических структур и структур манипуляционных систем технологических лазер-роботов.
Разработка алгоритмов управления и структур мехатронных устройств компенсации упругих деформаций звеньев кинематической цепи лазер-роботов при обработке крупногабаритных объектов.
Разработка алгоритмов взаимосвязного управления траекторным движением, ориентацией оптической головки и технологическим процессом лазерной резки объекта с недетерминированными геометрическими и технологическими параметрами.
Основы физических процессов газолазерной резки металлов
Технологический процесс лазерной резки предназначен для разделения практически любых материалов независимо от их теплофизических свойств.В машиностроении лазерная резка применяется при обработке углеродистых, легированных и нержавеющих сталей, алюминия, ряда неметаллических материалов.
Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения [30], распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности [124], взаимодействием с низкотемпературной плазмой, возникающей в зоне обработки [97] и др., а также специфическими для процесса резки особенностями [122].
Лазерное излучение, полученное на выходе из излучателя, как правило, нельзя непосредственно использовать для технологических целей. Для реализации процессов лазерной обработки применяются различные оптические системы преобразования параметров лазерного луча и доставки излучения в зону обработки в виде зеркальных и фокусирующих оптических элементов.
Для фокусировки лазерного излучения применяется как прозрачная оптика проходного типа (линзы), так и отражательные фокусирующие зеркала (рис. 1.13.). Зеркальные фокусирующие системы реализуются в виде одиночного фокусирующего зеркала (рис. 1.13.а.), двухзеркального объектива Кассегрена, построенного по классической схеме (рис. 1.13.6.) или схеме осесимметричного обращенного объектива (рис. 1.13.в.).
Использование прозрачных фокусирующих линз ограничено мощностью лазерного излучения до 1 кВт. Размер фокального пятна с учетом сферической аберрации для фокусирующей линзы может быть найден из выражения [40]:ігде Р = i(Aal /AjUj)2AaiAjul, є - коэффициент, учитывающий уве-1=1личение расходимости в резонаторе, Я - длина волны лазерного излучения, / - фокусное расстояние, D - диаметр входящего лазерного излучения, Acq - разность тангенсов углов наклона периферийных пучков лазерного луча, Ди/ - величина, обратная коэффициенту преломления.
При использовании внеосевого зеркального объектива (рис. 1.14.а) форма пятна лазерного излучения не круглая. Результаты расчетов, опубликованные в работе [122], показывают, что форма пятна хорошо аппроксимируется эллипсом и плоскость минимального размера пятна лежит в плоскости, наклоненной на угол у относительно оси лазерного излучения. Зависимости площади пятна и параметров объектива графически представлены на рис. 1.14.6., где Ь] и Ь2- линейные размеры пятна, S - его площадь.
Рис. 1.14. Конструкция обращенного внеосевого зеркального объектива Кассер-гена (а) и зависимость площади пятна фокусировки от параметров объектива (б).
Влияние условий фокусировки на глубину реза и его ширину представлено на рис. 1.15 а. На рис. 1.15 6 приведена зависимость глубины качественно выполненного реза в углеродистых сталях от скорости резки при различных условиях фокусировки [40].
Основные закономерности лазерной резки качественно описываются теорией Свифт-Хука-Джика [145]. Так, при высокой эффективности лазерной резки (когда потери на теплопроводность значительно меньше потерь на нагрев и плавление материала) эта теория где Р - суммарная мощность лазерного излучения и экзотермической реакции окисления; г] = ]эг]т - эффективность процесса (г/э- эффективный КПД; г]т - термический КПД); Lm - удельная энергия плавления металла, h, b, vp - глубина, ширина и скорость резания соответственно.
Количественные характеристики зависимости максимальной скорости резки от мощности лазерного излучения на представлены на рис. 1.16 а. Скорость резки, являясь также функцией глубины резки (рис. 1.16 б.), в свою очередь, оказывает влияния на такие параметры процесса, как ширина реза и ширина зоны термического влияния. Графические зависимости указанных параметров представлены на рис. 1.16 в и рис. 1.16 г соответственно [40].
Структура системы транспортировки излучения
Основной задачей системы транспортировки излучения - манипулятора оптики - является доставка лазерного излучения в оптическую головку.
В случае использования манипулятора изделия, перемещающего поверхность обработки под неподвижной оптической головкой, система транспортировки излучения предельно упрощается. При перемещении оптической головки по траектории обработки при неподвижном изделии, возникает ряд проблем при построении системы транспортировки излучения - манипулятора оптики (МО).
Требования, предъявляемые к кинематической структуре МО с отражающими зеркалами противоречивы. С одной стороны это обеспечение параметров достижимости и манипулятивности, согласующихся с аналогичными параметрами транспортного манипулятора, согласованная работа с ТМ - отсутствие соударения звеньев и сингулярностей, с другой стороны — минимальные потери мощности излучения на зеркалах и пространственные отклонения потока лазерного излучения, а также отмеченная в п. 1.1. необходимость поддержания постоянной длины оптического тракта.
Исходя из этого, МО должен иметь минимальное число отклонений луча от прямолинейности во всем диапазоне изменения заданной ориентации ОГ при использовании преимущественно вращательных степеней подвижности.
Проблема минимизации числа отклонений луча от прямолинейности во всем диапазоне изменения заданной ориентации ОГ в общем случае рассмотрена в работе [48], Схема прохождения луча из источника излучения к поверхности обработки в случае произвольного взаимного расположения показана на рис. 2.9,
Вектором L/ обозначено направление луча, выходящего из источника излучения к МО, и вектором Lfj - направление луча, ориентированного к поверхности обработки в т. А є Q{t), где Q(t) - траектория движения точки фокуса. В случае произвольного пространственного расположения векторов L/ и LJI для некоторой точки OeL/ можно записать замкнутое векторное уравнение
Из рассмотрения этого уравнения следует, что число отклонений луча от прямолинейности N = n + \ при ,=(); iV = l при /-.,- = 0, a L/ и Ьцимеют точку пересечения; N - 0 при і,-=0,аі/И Ьц лежат на одной прямой.
Если на луч не наложены внешние связи, то в общем случае минимальное число его отклонений N — 2 (N = 1 или N — 0 - частные случаи) и векторное уравнение приобретает видгде L\ - вектор, пересекающий Lj и Ьц в некоторых точках D и В,выбранных произвольно.
В т. О расположена базовая правая декартова система координат XQYQZQ, ось XQ направлена по оси луча, а в точках D и В системы координат, связанные с лучом и направленные аналогично. Тогда, приняв за обобщенные координаты углового щ{к-\ -А) и линейного / (7 = 1- 3)положения луча, можно, используя однородные преобразования, записать матричное соотношение
Здесь, М0А{(рк,1;) - матрица размерности 4x4 направляющих косинусов вектора Ьц и координат т. А в системе XQYQZQ, выраженных через координаты PkJ;\ М0В{ Рк,1:) - матрица преобразований координат; Ьц- вектор Ьц, представленный в координатной системе т. В [48].
Если считать, что все рк и /. являются переменными, то кинематическим аналогом оси луча будет пространственный разомкнутый механизм, имеющий семь степеней подвижности и содержащий три поступательные пары 4-го класса, которые можно заменить четырьмя парами 5-го класса. Следовательно, обобщенной пространственной модели луча соответствует МО, обладающий 7-ю степенями подвижности qn(n = І4-7). При этом величина N=2 обеспечивается в случае выполнения условия ц/2 4 - 0,5(я" (р24), где 2 4" УГЛІ і расположения нормали к поверхностиотклоняющих зеркал в точках D и В по отношению к оси соответствующих прямолинейных участков.
Из условия обеспечения максимальной универсальности при обработке изделий сложной формы вектор Ln должен иметь в каждой т. A eQ(t) 5 обобщенных координат (/= 5) в базовой координатной системе.
Здесь буквами Л и Я, обозначен вид перемещения зеркала: поступательное перемещение или вращение вокруг оси, а знаками X, IT и —і -прохождение луча по тракту: X - подвижное преломление, II - отсутствие преломления, —і - неподвижное преломление (при "замораживании" ср2или р4) Все кинематические структуры, описанные выражением (2.12.) имеют поступательные степени подвижности - т.е. переменную длину оптического тракта, что является нежелательным.
Применяя методику, предложенную в работе [74], основанную на использовании специальной - индикаторной - бинарной матрицы частных передаточных отношений, рассмотрим шестисте пенные кинематические структуры манипулятора оптики (рис. 2.10.), построенных с использованием только вращательных кинематических пар с целью анализа параметров достижимости и манипулятивности.
Особенностью рассматриваемых структур является наличие трех параллельных осей шарниров в соответствии со структурами однотипных манипуляторов оптической головки, рассмотренных в п. 2.1.
Одна поступательная кинематическая пара в данных структурах является последней малой ограниченной степенью подвижности оптической головки, служащей для точной установки фокальной плоскости и принимается не влияющей на длину оптического тракта.
В общем случае матрица J частных передаточных отношений связы вает скорости V = [JC,J[ ,і, а)л,Сд , о,] простейших движений оптическойголовки с обобщенными скоростями ? = [7], 72 —) 7б]Гкак V—JQ, Представим движение оптической головки абсолютными векторами поступательного движения со скоростью полюса (точки приведения) и вращения вокруг него. Тогда матрицу J получим как проекцию этих векторов на оси некоторой назначаемой системы координат, положение которой полностью определено обобщенными координатами механизма.
Элементы Jji матрицы /можно выразить через элементы матрицы М0п и М0, и (і = 2,..., п), основываясь на правилах определения мгновенных передаточных отношений от (-й кинематической пары к j-му компоненту вектора V. Для получения шести компонентов Jj (j - 1,2,..., 6) f-ro столбца следует «заморозить» все обобщенные координаты, кроме qh и, рассматривая полученный механизм с одной степенью свободы, определить передаточные отношения V- /qr Пусть ось Zf.t системы О (-_/, X,-.;, Y,-./, Z ,-./ совпадает с осью 1-й кинематической пары и вектором qh а в центре оптической головки расположена система координат On, X n, Y n, Z n оси которой параллельны соответствующим осям абсолютной системы координат Оо- Элемент J, представляет собой передаточное отношение между скоростью qt в і-й кинематической
Алгоритмы управления при обработке объектов с недетерминироваными геометрическими параметрами
Рассмотрим управление лазер-робота при отслеживании незаданной поверхности сложной пространственной формы (рис. 3.8.). Сигналы датчиков зазора и нормали, расположенных в оптической головке, поступают в систему управления для коррекции движения ОГ.
Введем системы координат: неподвижную OoX0YoZo, связанную с основанием лазер-робота; подвижную OiXjYiZ], связанную с соплом оптической головки; подвижную O2X2Y2Z2, связанную с рассматриваемой точкой отслеживаемой поверхности. Координатные оси Zo, Zb Z2 направлены перпендикулярно плоскости чертежа. Координатная ось Yi совпадает с осью оптической головки, ось У2 ортогональна поверхности в рассматриваемой точке ат.
Обозначив М\4І) и Му$$) матрицы перехода из первой и второй подвижных систем координат к неподвижной системе, Мг\(\) — матрица поворота второй подвижной системы относительно первой, а транспонирован пая матрица М\п — М\2 определяет поворот оптической головки по отно Т шению к отслеживаемой поверхности, получаем M\2(t) = Л ю(0 2о(0 Текущее положение рассматриваемой точки в системах координат OOXQYO и O2X2Y2 соответствует координатам Х0ог Ynor X on Y2or, а тРе" буемое положение ОГ в системах координат 00XoY0 и OjXiYt определяется координатами Х0т, Y0T, Х1Ъ YIT. Сигналы ат и аог (рис. 3.9.) определяют соответственно положение рассматриваемой точки и оптической головки в неподвижной системе координат. Условием ортогональной ориентации оптической головки к поверхности обработки в рассматриваемой точке Рис. 3.9. Структурная схема формирования управляющих сигналов
Если лазер-робот оснащен оптической головкой с датчиками, осуществляющими измерение зазора, контроль отклонения оптической оси от нормали и контакта с препятствием (ОП), то контрольный проход может быть совмещен с резанием. Алгоритм управления для этого случая представлен на рис. 3.10.
После выхода в точку j=l по показаниям датчиков вылета, расположенных на сопловой части по два на каждой из оси X и Y по обе стороны от оси сопла (согласно рис. 3.2.) определяется нормаль к поверхности. Нормаль считается достигнутой, если углы тангажа и крена находятся в допуске, в противном случае продолжается ориентация оптической головки по нормали. После ориентации по нормали по сигналам датчиков вылета, расположенным в направлении движения определяется зазор. Если зазор в допуске, то проверяется условие наличия контакта с препятствием внаправлении движения и при отсутствии контакта производится переход в j+1 точку. В случае, если датчик контакта зарегистрировал столкновение с препятствием анализируется возникшая ситуация. Если столкновение планировалось, и было запрограммировано, то с помощью подпрограммы выполнения обхода препятствия (например, обхода угла) выполняется соответствующий маневр, а после этого переход в j+1 точку.
Если препятствие не планировалось, управление осуществляется согласно алгоритмам обхода препятствия (см. рис. 3.11., 3.13.) или передается оператору, который в свою очередь определяет, возможен ли маневр обхода препятствия, выполнит его и переводит оптическую ось в j+1 точку или, если маневр не возможен, останавливает процесс выполнения операции.
В случае, если после ориентации по нормали зазор вышел за пределы допуска, с помощью привода сопла устанавливается требуемая величина зазора. При этом возможно срабатывание верхнего конечного выключателя (КВ1) и осуществляется отвод оптической головки на 5 мм от поверхности или нижнего конечного выключателя (КВ2) и осуществляется подвод на 5мм к поверхности движениями степеней подвижности технологического манипулятора. В случае, если конечные выключатели не сработали, требуемый зазор установлен и отсутствуют препятствия движению, осуществляется переход в j+1 точку. Если эта точка последняя, то осуществляется возврат в исходную точку и останов выполнения программы. Если достигнутая точка траектории не является последней, то цикл повторяется с опроса датчиков вылета.
Для обхода препятствия в плоскости, ортогональной обрабатываемой поверхности, предлагается использование следующего алгоритма.
Осуществляя перемещение по оси X, контролируется состояние датчика контакта с препятствием. Если после дискретного перемещения датчик не срабатывает, то движение по оси X продолжается. Как только срабатывает датчик движение останавливается, осуществляется ротация датчика. Затем осуществляется перемещение РО по оси Y, после получения информации с датчика о том, что препятствие отсутствует, происходит ротация датчика и перемещение осуществляется по оси X до получения сигнала об отсутствии препятствия, затем происходит ротация датчика и движение до выхода в т.В.
В алгоритме используются следующие переменные:С С С ь Aj му _ коэффициент положения;FX F.X- му _ рабочий коэффициент; n - шаг перемещения; T - текущая точка. Блок-схема алгоритма представлена на рис 3.11
Экспериментальное исследование возможности применения серийного промышленного робота в качестве манипулятора оптической головки
Испытания проводились с целью определения возможности серийной робототехнической системы функционировать в составе лазер-робота в качестве технологического манипулятора. Во время испытаний определялись повторяемость, точность позиционирования и амплитуда колебаний в режиме движения от точки к точке, точность небольших перемещений, колебания руки промышленного робота при движении по прямой.
Стандартный схват был заменен макетом оптической головки массой 2,5 кг. Координаты ОГ в процессе испытаний находились в диапазоне: Xw = -50...220, Yw — 540...800, Zw — -140...110. Результаты испытаний являются точными только для рабочей зоны, в которой они проводились, и выбранного для экспериментов образца ПР и контрольной системы.
В начале каждого программного движения в испытаниях использовалась команда «TOOL NARROW», чтобы гарантировать наивысшую точность работы ПР.Оптическая головка устанавливалась в точке Т, которая предполагалась расположенной на оптимальном, с точки зрения фокусировки, расстоянии от обрабатываемой детали с ориентацией оптической оси ОГ по нормали. Оптическая головка перемещалась, чтобы точку АО на радиусе 40 мм (рис. 4.6.) установить в точку Т, и это положение ОГ обозначалось как относительная точка Т(А0). Следующая точка А1 перемещалась в точку Т и ей присваивалось имя Т (А1). Таким образом значения всех 36 точек на радиусе 40 мм (Т(А0)...Т(А35) запоминались в памяти ЭВМ. Точки на радиусах R = 5, 10 и 20 мм запоминались с помощью аналогичной процедуры.
По этой программе ПР должен был пройти по точкам с радиусом 40 мм. Время полного цикла перемещения измерялось программным таймером. Проверка осуществлялась для разных скоростей, задаваемых по программе (SPEED 2...125 мм/с). Команда SPEED задавала теоретическое значение скорости ОГ при движении от одной точки к другой. Результаты испытаний с программными командами GO представлены нарис. 4.7.
Фактически полученная средняя скорость намного меньше, чем та, которая задается командой SPEED в программе, за исключением низких величин скорости. При маленьких радиусах фактическая средняя скорость постоянна (7 мм/с), хотя программная скорость, задаваемая командойSPEED изменяется от 15 до 125 мм/с. Это можно объяснить тем, что фактическая скорость меньше, чем теоретическая из-за времени, которое требуется для расчетов, выполняемых в системе управления, а также ускорений и торможений в моменты прохождения заданных точек.
При движении по окружности с большим радиусом область движения с фактической скоростью становится шире.При использовании команды GO оптическая головка движется от одной точки к другой путем перемещения каждого звена на минимально возможную величину. По команде GOS (GO STRAIGHT) перемещение теоретически должно быть по прямой линии. Тот же, как рассмотрено вше, тест был выполнен с командой GOS (рис. 4.8.). Установлено, что фактическая средняя скорость растет линейно при маленьких величинах, задаваемых командой SPEED. После определенной точки фактическая скорость остается постоянной, хотя значение по команде SPEED возрастает. По команде GOS фактической скоростью можно управлять при низких, но не при высоких скоростях. При этом необходимо отметить, что колебания во время движения были больше при использовании команды GOS , чем команды GO, как это можно было установить визуально. Удаление команды TOOL NARROW из программы не имело эффекта на значение средней скорости как для команд GO, так и GOS. Использование абсолютных точек ТА1,TA2 и т.д. вместо относительных точек ТА(1), ТА(2) не оказывало влияния на скорость ОГ.
Фактическая средняя скорость измерялась также при линейных движениях. Расстояние 200 мм от точки #А1 до точки #В1 разбивалось на различное число отрезков. Оптическая головка перемещалась через 5 (расстояние между точками 4 см), 10 (2 см) и 20 (1 см) точек, расположенных по прямой линии. Программа была аналогична программе при движениях по окружности.
Время на перемещение от точки #А1 до точки #В1 измерялось при различных величинах скорости, задаваемых командой SPEED. Результаты (рис. 4.9.) аналогичны тем, которые получены для круговых движений. Фактическая средняя скорость много меньше, чем теоретическое значение, если ОГ должна проходить через много точек.
Рис. 4.9. Фактическая средняя скорость как функция значений программной скорости, задаваемых командой SPEED придвижении по прямой линии от точки кточке. Точность установки рабочего органа оказывает большой эффект на возможности всей системы. В испытаниях использовалась модель оптической головки. Запястье ПР вращалось и сигнал с индуктивного датчика регистрировался как функция угла вращения. Точность позиционирования руки ПР измерялась на фланце руки. Точность позиционирования руки ПР представлена на рис. 4.10. Максимальная ошибка при вращении на 360 составляет 0,34 мм Рис. 4.10. Точность позиционирования как функция от угла поворота при 30 измерениях.
Устранение отклонений оптической головки в режиме движения от точки к точке при остановке в конечной позиции особенно важно. Если отклонение большое, то возможны непредсказуемые дефекты в районе конечной точки при остановке ОГ. Для их устранения необходимо знать реальную скорость конечного звена, когда луч подходит к конечной точке.
С этой целью при различных скоростях и направлениях движений изучались отклонения в режимах от точки к точке. ОГ подводилась от точки #S0 к #S 1 по команде GOS # S1. Расстояние между двумя точками было 100 мм и колебания схвата около точки #S1 оценивались по сигналу от датчика (рис. 4.11.). Рис. 4.11. Схема определения отклонения оптической головки при движении в
