Автоматизация технологического процесса устройства сборного дорожного покрытия с использованием бортовой манипуляционной системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Ефремов, Дмитрий Александрович

• Ефремов, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ефремов, Дмитрий Александрович

Введение.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА СБОРНОГО ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ.

1.1. Технология устройства сборного дорожного покрытия и пути повышения его эффективности.

1.2. Требования к рабочему оборудованию для устройства сборных дорожных покрытий.

1.3. Классификация рабочего оборудования для устройства СДП.

1.4. Обзор и анализ предшествующих работ.

Выводы и постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СДП.

2.1. Оценка влияния технологического процесса устройства СДП на конструкцию и технические характеристики манипулятора.

2.2. Особенности кинематической структуры и компоновки манипуляционной системы.

2.3. Кинематические схемы строительных кранов - манипуляторов.

2.4. Методы синтеза трехзвенных кинематических цепей.

2.5. Определение зоны достижимости манипулятора.

2.6. Технологические особенности позиционирования шасси манипулятора относительно линии укладки сборных дорожных покрытий.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА СДП.

3.1. Выбор оптимальной кинематической структуры и геометрических параметров манипуляционной системы.

3.2. Оптимизация перемещений крана-манипулятора.

3.3. Планирование траектории крана-манипулятора для устройства СДП.

3.4. Концепция автоматизированного управления перемещением крана-манипулятора.

3.5. Гидравлические исполнительные механизмы сочленений манипуляционной системы.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ГРУЗОЗАХВАТНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УСТРОЙСТВА СДП.

4.1. Анализ существующих грузозахватных устройств.

4.2. Особенности выбора оптимальной кинематической схемы и геометрических параметров ГУ.

4.3. Алгоритм автоматизированной подачи и фиксации ГУ.

4.4. Исследования вакуумного ГУ.

Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ.

5.1. Математическое моделирование траектории движения манипуляционной системы.

5.2. Экспериментальные исследования позиционирования манипуляционной системы в рабочем пространстве.

Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация технологического процесса устройства сборного дорожного покрытия с использованием бортовой манипуляционной системы»

Устройство подъездных путей строительных объектов с использованием сборных дорожных покрытий (СДП) является перспективным направлением современного гражданского строительства, строительства на объектах агропромышленного комплекса и подъездных дорог к местам разработки полезных ископаемых.

К числу нерешенных задач по снижению трудозатрат в строительстве относится и механизация трудоемкого процесса устройства тяжелых (массой 100 кг и выше) железобетонных СДП, которые в настоящее время укладываются, в основном, ручным способом или с использованием традиционных механизмов, оснащенных малоэффективными грузозахватными устройствами (ГУ), требующими непосредственного участия большого количества стропальщиков. Известно, например, что трудоемкость ручной укладки СДП на территориях строительных объектов России приближается к 3 млн. чел.- ч.

Объем ежегодно устанавливаемых и реконструируемых СДП постоянно увеличивается и в настоящее время исчисляется десятками миллионов погонных метров, на что в общей сложности отвлекается около 50 тыс. рабочих, из которых больше третьей части занято непосредственно на ручной укладке СДП.

Высокий уровень затрат ручного труда в условиях устройства СДП при выполнении погрузочно-разгрузочных работ и особенно при их укладке, является результатом несовершенства применяемых организационно-технологических операций и отсутствия специальных средств механизации, автоматизации и технологического оснащения трудоемких работ.

Одним из наиболее перспективных направлений решения этого вопроса является использование манипуляторов с разработкой технологии их применения при устройстве СДП. 5

По данным ряда источников в строительстве может быть использовано не более 1-2% от всей номенклатуры производимых в настоящее время манипуляторов. Это связано с тем, что строительное производство, в том числе устройство СДП, характеризуется рядом особенностей (большое разнообразие технологических операций, постоянное перемещение фронта работ, необходимость перемещения крупногабаритных и тяжелых изделий, низкая повторяемость технологических операций на одном рабочем месте), усложняющих режим работы строительных механизмов и, в частности, манипуляторов. Отсутствуют методы расчета конструктивных параметров манипуляторов, которые не учитывают в полной мере технологических особенностей устройства СДП и не охватывают необходимый состав расчетных параметров крана манипулятора и особенности его рабочего органа -грузозахватного устройства, непосредственно взаимодействующего с технологической средой.

Необходимо совершенствование технологического процесса устройства СДП на основе применения бортовых кранов-манипуляторов, оснащенных наиболее перспективными грузозахватными устройствами; разработка научно обоснованной методики определения конструктивных параметров многозвенных манипуляторов, обеспечивающих резкое повышение производительности строительно-монтажных работ, сокращение затрат трудовых ресурсов и тяжелого физического труда, высвобождение машин и механизмов, занятых на технологических операциях. 6

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Ефремов, Дмитрий Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Основной резерв существенного снижения трудозатрат и повышения общей культуры устройства сборных дорожных покрытий (СДП) заключается в снижении их трудоемкости. Существующие технологии работ по устройству сборных дорожных покрытий отличаются наличием множества сложных и трудоемких операций, контроль правильности исполнения которых затруднен. Кардинально решить поставленные задачи можно путем автоматизации технологических процессов производства работ по устройству сборных дорожных покрытий, потребность, в которой обусловлена технологической необходимостью и технической целесообразностью.

2. Разработан способ автоматизации процесса устройства сборных дорожных покрытий, позволяющий принципиально изменить характер труда строительных рабочих, многократно увеличить его производительность, повысить качество и общую культуру производства.

3. Выявлены специфические особенности технологического процесса устройства сборных дорожных покрытий и определены технические требования к конструкциям автоматизированных кранов-манипуляторов для подачи элементов СДП.

4. Предложен критерий и разработана методика выбора оптимальной кинематической структуры кранов-манипуляторов для подачи элементов СДП. Решена задача определения геометрических характеристик (длины звеньев, углов поворота сочленений звеньев) кранов-манипуляторов для заданных условий подачи и укладки элементов СДП.

5. Разработана методика кинематического анализа, позволяющая получить решение прямой и обратной задачи о положении кранов-манипуляторов для заданных условий подачи и укладки элементов СДД осуществлять планирование оптимальной траектории его перемещения.

159

Экспериментальные исследования подтвердили адекватность предложенной методики реальному технологическому процессу устройства сдп.

6. Синтезированы алгоритмы программного управления перемещением звеньев крана-манипулятора для заданных условий подачи и укладки элементов СДП. Разработана математическая модель управления исполнительными устройствами, позволяющая моделировать динамику работы крана-манипулятора в переходных режимах.

7. Разработано вакуумное грузозахватное устройство, как наиболее эффективное для устройства сборных дорожных покрытий.

8. Внедрение предлагаемой технологии автоматизации бетонных работ позволит повысить производительность труда на 30% и сократить себестоимость производства работ на 20%.

9. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке перспективных технологических устройств и автоматизированных систем управления процессом устройства сборных дорожных покрытий, оптимальные технические характеристики и алгоритмы функционирования которых определяются по предложенным методикам.

160

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ефремов, Дмитрий Александрович, 2009 год

1. Биттеев Ш.Б., Воробьев В.А., Дегтярев B.C., Мажибаев О.М. Методы и средства автоматизации строительно-дорожных работ и машин. Алматы: Тылым, 1996. - 262 с.

2. Булгаков А.Г., Гернер И., Каден Р. Исследования и практические примеры организации производства и использования роботов в стройиндустрии // Машины, механизмы, оборудование и инструмент М.: ВНИИНТПИ, 1990, вып. 1. - 48 с.

3. Булгаков А.Г., Гернер И., Каден Р. Микропроцессоры в системах автоматизации строительной техники // Технология строительно-монтажных работ М.: ВНИИНТПИ, 1991, вып. 3. - 52 с.

4. Булгаков А.Г., Сухомлинов А.Д. Применение лазерных информационно-измерительных систем в строительстве. // Технология строительно-монтажных работ. М.: ВНИИИС, 1989, вып. 3. - 53 с.

5. Булгаков А.Г., Шиндлер И. Средства и системы автоматизации в строительной технике. Технология и автоматизация строительства. М.: ВНИИНТПИ, 1994, вып. 4.- 56 с.

6. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1986. - 264 с.

7. Вильман Ю.А. Основы роботизации в строительстве: Учеб. пособие. -М.: Высш. шк., 1989. 271 с.

8. Виглеб Г. Датчики: устройство и применение. -М.: Мир,1989. 196 с. 9. Воробьев В.А., Френкель Г.Ю., Юков А .Я. Анализ состояния и тенденция развития робототехники в строительстве // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1984. - № 10. - С. 81-87.

9. Воробьев Е.И., Козырев Ю.Г., Царенко В.И. Промышленныероботы агрегатно-модульного типа / Под. общ. ред. Е. П. Попова. М.:

10. Машиностроение, 1988. -240 с.161

11. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы / Под общ. ред. Е.П. Попова. М.: Машиностроение, 1986. - 328 с.

12. Домрачев В.Т., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1987. - 392 с.

13. Жуковский В.Г. Управление в технических системах: Учеб пособие / РИСХМ. Ростов н/Д, 1990. - 77 с.

14. Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я. Направления развития строи тельной робототехники // Опыт применения манипуляторов и роботов в строительстве. М.: МДНТГТ, 1988. - С. 28-32.

15. Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я. Строительная робототехника. М.: Стройиздат, 1990. - 269 с.

16. Зенкевич С.Л., Дмитриев A.A. Логическое управление адаптивным робо-тотехническим комплексом // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. -1986.-№3.- 113-126.

17. Зенкевич С.Л., Ющенко A.C. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 400 с.

18. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский A.M. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. Л.: Машиностроение, 1977-248 с.

19. Козлов Ю.М. Адаптация и обучение в робототехники. М.: Наука, 1990 -248 с.

20. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. -376 с.

21. Красников В.Ф. Промышленные роботы и манипуляторы: Учеб. пособие / РИСХМ. Ростов н/Д, 1981. - ПО с.

22. Крутько П.Д., Управление исполнительными системами роботов. М.: Наука, 1991.-336 с.

23. Куафе Ф. Взаимодействие робота с внешней средой- М.: Мир, 1985.-285 с.162

24. Кулаков Ф.М., Супервизорное управление манипуляционными роботами. -М: Наука, 1980.-448 с.

25. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. - 304 с.

26. Медведев В.С, Лесков А.Г., Ющенко A.C. Системы управления манипуляционных роботов / Под ред. Е. П. Попова. М.: Наука, 1978. 416 с.

27. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для втузов: В 3 кн. / Под ред. К. В. Фролова, Е.И. Воробьева. Кн. 1: Кинематика и динамика / Е.И. Воробьев, С.А. Попов, Г.И. Шевелева. М.: Высш. шк., 1998 - 304 с.

28. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для втузов: В 3 кн. / Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева. Кн. 2: Расчет и проектирование механизмов / Е.И. Воробьев, О.Д. Егоров, С.А. Попов. М.: Высш. шк., 1998. -367 с.

29. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода метал орежущих станков. -М.: Машиностроение, 1989. 224 с.

30. Паршин Д.Я., Булгаков А.Г. Автоматизация и роботизация строительно-монтажных работ: Учеб. пособие / НПИ. Новочеркасск, 1988. -88 с.

31. Писменский Г.В., Солнцев В.И., Воротников С.А. Системы силомоментного очувствления роботов. М.: Машиностроение, 1990. - 298 с.

32. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляцион-ные роботы: динамика, алгоритмы. М.: Наука, 1978. - 400 с.

33. Программное обеспечение промышленных роботов / Отв. Ред. А.К. Платонов. М.: Наука, 1986. - 279 с.

34. Проектирование и разработка промышленных роботов / Под общ. ред. Я.А. Шифрина, П.Н. Белянина. М.: Машиностроение, 1989. - 272 с.

35. Промышленные роботы для миниатюризации изделий / Под ред. В.Ф. Шаньгина. М.: Машиностроение, 1985. — 264 с.

36. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9 кн. Кн. 2. Приводы робототехнических систем: Учеб. пособие для вузов / Под. ред.

37. И.М. Макарова. М.: Высш. шк., 1986. - 175 с.

38. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9 кн. Кн. 3. Управление робототехническими системами и гибкими автоматизированными производствами: Учеб. пособие для вузов / Под. ред. И.М. Макарова. М.: Высш. шк., 1986. - 159 с.

39. Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы / Под общ. ред. Е.П. Попова, В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1985 - 256 с.

40. Справочник по промышленной робототехнике: В 2 кн. / Под ред. Ш Нофа. М.: Машиностроение, 1990. - 960 с.

41. Спыну Г.А. Промышленные роботы: Конструирование и применение. -Киев: Вища шк., 1985. 176 с.

42. Тимофеев А.В. Управление роботами: Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986. - 240 с.

43. Фу.К., Гонсалес Р., Ли К., Робототехника М.: Мир 1989.-349 с.

44. Френкель Г.Ю. Роботизация процессов в строительстве. М.:Стройиздат, 1987.- 173 с.

45. Шахинпур М. Курс робототехники: М.: Мир, 1990. - 527 с.

46. Заявка РСТ 81/01195 Великобритания. МКИ 001 С 15/00. Опубл. 30.04.81.

47. Коробов, Н.С. Концепция автоматизации арматурных работ в монолитном домостроении, с.20-21. Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки Н.Новгород: ННГАСУ, 2003 - 233с.

48. Коробов, Н.С. Разработка модели нечеткого управления стрелы манипулятора, с.326-330. Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов. Часть 2. Материалы международной научно-практической конференции Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004 - 352с.

49. Коробов, Н.С., Плотников, Н.М. Концепция автоматизации арматурных работ в монолитном домостроении, с.58-60. Итоги строительной науки: -тезисы докладов международной научно-технической конференции. -Владимир, 2003.164

50. Коробов, Н.С. Разработка и исследование модели нечеткого управления арматурным манипулятором, с.271-272. IX нижегородская сессия молодых ученых. Естественнонаучные дисциплины: тезисы докладов Изд. Гладкова О.В.: 2004-295с.

51. Коробов, Н.С., Плотников, Н.М. Математическое моделирование траектории движения манипуляционной стрелы для арматурных работ, с. 19252. Итоги строительной науки: Материалы IV международной научно-технической конференции Владимир: 2005 - 272с.

52. Коробов, Н.С. К вопросу решения задачи позиционирования манипуляционной системы для арматурных работ, с.32-33. X нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: тезисы докладов -Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В.: 2005 197с.

53. Коробов, Н.С. К вопросу решения задачи планирования траектории манипуляционной системы для арматурных работ, с.304-306. Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки Н.Новгород: ННГАСУ, 2005 -357с.

54. Коробов Н.С., Плотников Н.М. Система автоматизации арматурных работ в монолитном домостроении, с.12-17. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. М., ООО «Научтехлитиздат», №12, 2006 - 72с.

55. Вальков В.М. Микроэлектронные вычислительные комплексы. Л.: Машиностроение, 1990. -224 с.

56. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. С.576.

57. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: 1971.

58. Вентцель Е.С., Овчаров Л.О. Теория вероятностей. М.:Наука, 1969. 364 с.

59. Воронов А.А. Основы ТАУ. М.: Наука, 1988. -48 с.165

60. Карпелевич Ф.И. Элементы линейной алгебры и линейного программирования. М.: Наука, 1967. -312 с.

61. Кастильо Диас. МП система управления весовым ленточным дозатором непрерывного действия: Автореферат диссертации. -Одесса, 1987. -16 с. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1974. -513 с.

62. Cohrs H.H. Richtig platt durch Elektronik // Baumaschinendi-enst 1995.- № 6, P. 592-600.

63. Craigie N.S.: Technischer Bericht 1/88, Ultraschallwandler in Luft: Firmenschrift Pepperl+Fuchs GmbH. 1989.

64. Denavit J., Hartenberg R.S. Kinematic notation for Lower-Pair Mechanisms Based on Matrices // J. Appl. Mech., Vol. 77. 1955. - P. 215-221.

65. Handbook of industrial robotics / Edited by S.Y. Nof. NewYork: John Wiley & Sons, Inc., 1999. - 1349 pp.

66. Hasegawa J. Robotization of Construction Work // Robot. -1983. №38. - pp. -41-46.

67. Hesse, R. Grandlagen der Sensortechnik. Hoppenstedt, 1991.-126 S.

68. Kindermann Th., Cruse H., Dautenhahn K. A fast, three-layer neural network for path finding // Network: Computation in Neural Systems, Vol. 7. 1996. - pp. 423-436.

69. Kinsley L.E., Frey, A.R.: Fundamentals of Acoustics. Wiley, 1982. - 412 pp.

70. Kolushev F.A., Bogdanov A.A. Neural Algorithms Of Path Planning for Mobile Robots in Transport Systems // Proceedings of the IEEE Int. Joint Conf. on Neural /Networks, 1999.-pp. 126-131.166

71. Laser fur Hoch,- Tief- und Innenausbau, Mechanisierung, Vermes-sungsgerate. Prospekt der Firma Geo-Feinmechanik GmbH. Muhlheim an der Ruhr, 1998. - S. 6.

72. Maschinensteuerungen. Prospekt der Firma Silier (BRD). Wei-den, 2000. -S. 8.

73. Mikropaver paver control system. Prospekt der Firma Mikrofyn A/S (Denmark). Odense, 2000. - S. 6.

74. Mitani K. Robotization of Construction Work // Kowan Niyaku, Vol. 61. -1984.-№6.-pp. 23-28.

75. Muller G. Möglichkeiten der Steuerung von Baumaschinen. // Ver-messungs-technik. 198. —№ 8. - S. 269-272.

76. Proceedings of the 18 th International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC-2001 (10-12 Sept., 2001, Krakow, Poland). -Krakow, 2001.-984 pp.

77. Proceedings of the 19 th International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC-2002 (9-11 Sept., 2002, Washington, USA). -Washington, 2002. 896 pp.

78. Saarn W. Hohe Präzision mit Licht // Baugewerbe. 1993. - № 13-14. -S. 25-35.

79. Schnell, G. Sensoren in der Automatisierungstechnik / 2. Aufl. Vie -wegVerlag. Wiesbaden, 1993.-321 S.

80. Szafranek B. Automatyzacja maszyn budowlanych. / / Pzeglad bu-dowlany. -1977.-№. 4.-P. 186- 187.

81. Тиба Д. Применение электроники в строительных машинах. //Кэсэцу кикай. 1980. - № 10. - С. 64-75.

82. Warszawski A. Robots in the Construction Industry // Robotica, V 4. 1986. -№3. - P. 181-188.

83. Wirth B. Lenkautomat bei mobilen Baumaschinen mit elektronisc-hem Leitsystem. Tiefbau. - 1996. - № 11. - S. 731-732.167

84. Yoshida Т. Possibilities of Industrial Robotics in Construction // Semento Konkurito. 1982. - №424. - P. 34 - 40.

85. Баранников В.Ф., Влас А.П. Задачи автоматизации рабочих процессов землеройных машин. Сб. научн. тр. «Горные, строительные, дорожные и мелиоративные машины». К.: Техника, 1989. — Вып. 42. - с. 8-13.

86. Chors Н.-Н. Elektronische Uberwachungssystemen in Baumaschinen // Baumaschinendienst. 1987. - № 2. - S. 52-54.