Моделирование процессов роботизированной сварки, с учетом технологических погрешностей свариваемых деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Лимаренко, Денис Павлович

• Лимаренко, Денис Павлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лимаренко, Денис Павлович

ВВЕДЕНИЕ.'.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО НАУЧНОГО Й ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ

ДУГОВОЙ СВАРКИ.!.

1.1. Анализ возмущающих воздействий при сварке.

1.2. Современные методы и средства адаптации сварочных роботов.

1.2.1 Тактильные электромеханические датчики.

1.2.2 Бесконтактные датчики расстояния.:.

1.2.3 Использование сварочной дуги в качестве датчика.

1.2.4. Видеосенсорные устройства.

1.2.5. Выбор системы адаптации для целей построения комплексной математической модели РТК дуговой сварки.

1.3. Принципы построения системы адаптации робота с использованием видеосенсорного датчика.;.

1.3.1. Система распознавания стыка свариваемых деталей.

1.3.2. Построение оптической измерительной системы, нечувствительной к излучению электрической дуги.

1.4,Оценка качества сварки и постановка задачи.

2. РАЗРАБОТКА ВИДЕОСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ НАПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ПО СТЫКУ.

2.1. Разработка фотоэлектрического преобразователя.

2.2. Разработка математического описания функционирования видеосенсорной системы.

2.2.1. Принцип построения системы обработки отраженного излучения.

2.2.2. Дискретизация сигнала.

2.2.3. Квантование сигнала по уровню.

2.2.4. Шумы квантования.

2.2.5. Оптимальное квантование и компандирование сигнала.

2.3. Математическое описание системы наведения сварочной горелки на стык.!.

2.4. Разработка алгоритма поиска стыка в условиях сложного фона.

ВЫВОДЫ.;.

3. ПОСТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РТК ДУГОВОЙ СВАРКИ.

3.1. Обобщенная математическая модель сварочного промышленного робота.

3.1.1. Структурная схема математической модели промышленного робота.

3.1.2. Математическое описание для решения обратной задачи кинематики шестиосного манипулятора ПР.

3.1.3. Математическая модель электрического сервопривода степеней подвижности ПР.

3.1.4. Математическое описание для решения прямой задачи динамики шестиосного манипулятора.

3.2. Получение упрощенной математической модели промышленного робота.

3.2.1. Определение возможности фиксации некоторых параметров.

3.2.2. Обоснование исключения взаимного влияния звеньев манипулятора.

3.3. Математическое моделирование функционирования РТК сварки.

3.3.1. Входные и выходные данные математической модели.

3.3.2. Исследование динамических и статических характеристик системы коррекции положения сварочной головки.

ВЫВОДЫ.

4. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ГИБКОЙ РОБОТИЗАЦИИ

ДУГОВОЙ СВАРКИ РАМ МОТОТЕХНИКИ.

4.1.Факторный анализ и параметрическая оптимизация при индетификации математической модели РТК дуговой сварки.

4.1.1. Планирование эксперимента.

4.1.2. Задача оптимизации.:.

4.2.Экспериментальное исследование процесса дуговой сварки с использованием видеосенсорного датчика положения.

4.3 .Теоретические исследования динамических и точностных возможностей функционирования РТК сварки со средствами адаптации.;.-.

4.3.1. Общая характеристика конструкций рам мототехники.

4.3.2.Моделирование адаптивной роботизированной дуговой сварки.115 4.4. Разработка предложений по повышению технологичности конструкций рам мототехники с целью роботизации ее сварки.

4.4.1. Общие требования к технологичности конструкций рам мототехники.

4.4.2. Разработка предложений по доработке с целью повышения технологичности существующих конструкций рам мототехники.

4.4.3. Анализ сборочного состава изделий и разделение на технологические сборочные единицы.

ВЫВОДЫ.'.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов роботизированной сварки, с учетом технологических погрешностей свариваемых деталей»

Традиционные методы механизации и автоматизации производства, основанные на использовании поточных и автоматических линии, а также различных специализированных установок и приспособлений, эффективно используются главным образом в условиях крупносерийного производства. В то же время основная масса сварных изделий выпускается в условиях серийного и мелкосерийного производств, где осуществить комплексную механизацию и автоматизацию традиционными методами обычно не удается, следствием чего является низкая производительность и большие затраты ручного труда.

Наиболее эффективно изменить сложившееся положение с автоматизацией сварочных работ могут гибкие производственные системы с использованием промышленных роботов [1].

Таким образом, объектом исследования диссертации является адаптивный роботизированный сварочный комплекс.

Из всего парка промышленных роботов примерно 11% выполняют контактную точечную сварку, 72% - манипулирование деталями на одной или нескольких машинах и 12% - напыление. Доля дуговой сварки промышленными роботами в роботизированном сварочном производстве относительно невелика [37].

Одной из наиболее характерных особенностей сварочного производства, сдерживающих до сих пор широкое применение автоматической и роботизированной дуговой сварки, является наличие случайных смещений фактической линии соединения свариваемых элементов от ее расчетного положения [38]. Эти смещения часто превышают допустимые значения для данной разновидности дуговой сварки и пространственной ориентации шва.

Дальнейшее расширение области применения автоматической и роботизированной сварки может быть обеспечено:

----------------путем повышения точности изготовления заготовок, их сборки под сварку и фиксации в рабочей зоне; | за счет повышения качественных параметров управления процессом сварки; за счет оснащения оборудования для сварки системами обратной связи, в частности средствами адаптации, позволяющими автоматически измерять случайные смещения линии соединения свариваемых заготовок расчетных траекторий движения сварочной горелки и автоматически корректировать эти траектории.

Опыт показывает, что первый путь в условиях сварочного производства пока трудноосуществим, поскольку для этого необходимо резкое повышение уровня заготовительного производства. Второй же путь не требует изменения технологии изготовления заготовок для сварки, а сами средства адаптации позволяют устранить не только смещения, вызванные неточностью изготовления и сборки заготовок, но и смещения, появляющиеся уже в процессе самой сварки из-за термических деформаций [17].

Таким образом, предметом исследования диссертации являются параметры адаптивного роботизированного сварочного комплекса, влияющие на качество сварочного процесса.

В связи с этим возникает задача исследования влияния технологических погрешностей изготовления и установки деталей на качество роботизированной дуговой сварки, с дальнейшей выработкой рекомендаций по усовершенствованию данного процесса.

Препятствием при этом являются сложность и высокая стоимость оборудования, используемого при исследованиях (роботы, различная аппаратура, технологическая оснастка), а также сложность самого объекта исследования.

Выходом в данной ситуации является компьютерно-ориентированое моделирование роботизированной дуговой сварки, с учетом погрешностей свариваемых деталей.

В этой связи нерешенными являются следующие задачи:

- методы формирования математических моделей средств адаптации робототехнического комплекса к параметрам свариваемых деталей;

- методы формирования математических моделей роботизированной дуговой сварки, включающей модели всех: узлов и блоков, формирующих соответствующие контуры управления, и учитывающих погрешностей свариваемых деталей;

- методы формирования математических моделей функционирования РТК дуговой сварки со средствами адаптации.

Целью работы является повышение качества роботизированной дуговой сварки за счет повышения эффективности управления оборудованием и использования средств адаптации манипулятора робота к погрешностям позиционирования свариваемых деталей.

Методы исследования. При разработке математической модели РТК дуговой сварки использовались методы теории сигналов, теории автоматического управления, а также теория факторного эксперимента!

На защиту выносятся:

- метод построения обобщенной математической модели адаптивного робототехнического комплекса дуговой сварки, сочетающий аналитическое моделирование динамики многозвенного манипулятора с экспериментальными исследованиями функционирования системы слежения за стыком свариваемых деталей;

- методика построения математической модели функционирования4 видеосенсорной системы, принцип действия которой построен на обработке отраженного излучения, как элемента математической модели функционирования РТК дуговой сварки;

- метод построения динамической модели многостепенного манипулятора;

- методика определения степени влияния различных факторов -роботизированного сварочного процесра на точность слежения роботом с системой адаптации за стыком.

Научная новизна:

- построение обобщенной математической модели функционирования робототехнического комплекса дуговой сварки на базе шестистепенного манипуляционного робота и системы адаптации, использующей фотоэлектронный способ определения величины отклонения сварного шва от заданного положения;

- разработка математической модели функционирования видеосенсорной системы поиска сварного стыка, принцип действия которой построён на обработке отраженного от поверхности деталей излучения;

- получение зависимостей для оценки влияния параметров роботизированного сварочного процесса на точность слежения роботом с системой адаптации за стыком свариваемых деталей с помощью факторного анализа.

Практическая ценность и реализация результатов.

На основании поведенных исследований и разработок показана возможность осуществления роботизации дуговой сварки деталей и узлов мототехники с применением средств адаптации.

Разработана система компьютерного моделирования на ЭВМ функционирования робототехнического комплекса дуговой сварки, с целью анализа влияния на сварочный процесс погрешностей изготовления и установки деталей.

Выработаны рекомендации по изменению конструкций рам мототехники, выпускаемой АК «Туламашзавод», для обеспечения их пригодности к роботизированной сварке.

Диссертационная работа выполнена в рамках хоздоговорных НИР по темам № 13501 «Роботизация сварки рамы грузового мотороллера», № 92603 «Разработка технического проекта семейства грузовых мотороллеров», госбюджетной НИР «Разработка методов автоматического проектирования высокотехнологичных, в условиях гибкого робртизированного производства, несущих конструкций семейства грузопассажирских мотомашин с дизельными двигателями». Важность народно-хозяйственного значения данной работы подтверждается включением ее в тематику отраслевых и межотраслевых опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ.

Результаты диссертационной работы внедрены на АК «Туламашзавод» при разработке новых конструкций мототехники и других видов продукции.

Апробация работы и публикации.

Результаты исследований и разработок докладывались на международной научно-технической конференции «Приборостроение - 97» (Винница -Симеиз, 1997 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 1998 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава ТулГУ.

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в числе которых 2 научные статьи в центральной печати, 1 статья за рубежом, 1 статья в сборнике научных трудов «Известия ТулГУ», 2 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем работы.

В первом разделе приводится анализ современного научного и технического состояния в области автоматизации процессов дуговой сварки, рассмотрены возмущения воздействующие на сварочный процесс, средства адаптации промышленных роботов к этим возмущениям, представлены принципы построения видеосенсорных систем и сформулированы задачи работы.

Во втором разделе разработано математическое описание функционирования видеосенсорной системы, принцип действия которой построен на обработке отраженного излучения. Разработан фотоэлектронный преобразователь, обеспечивающий преобразование отраженного излучения в сигналы, характеризующие положение сварочной горелки относительно стыка. Представлен алгоритм, обеспечивающий поиск стыка при неоднородных отражательных свойствах поверхностей свариваемых деталей. Построенные статическая и динамическая модели видеосенсерной системы, пригодны для включения ее в комплексную математическую модель адаптивного РТК сварки.

В третьем разделе построена математическая модель динамики функционирования шестистепенного промышленного робота. Посредством цифрового моделирования проведено исследование совместной работы, в составе РТК сварки, манипулятора и системы коррекции положения сварочной головки. Исследовано влияние параметров колебаний электрода и разделки стыка на динамические и статические характеристики системы слежения.

В четвертом разделе выполнен факторный анализ полной математической модели РТК сварки для выявления параметров, оказывающих наибольшее влияние на точность слежения роботом с системой адаптации за стыком свариваемых деталей. Проведено ранжирование факторов в порядке их влияния на конечный результат. Указана возможность построения оптимизационных и проектировочных задач по результатам проведения факторного анализа. Приведены результаты моделирования на ЭВМ адаптивной роботизированной сварки типичных швов рам мототехники, выпускаемой Тульским машиностроительным заводом, разработаны рекомендации по изменению конструкций рам для обеспечения их пригодности к роботизированной сварке.

В заключении изложены основные выводы и полученные результаты.

В приложении представлен акт внедрения диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Лимаренко, Денис Павлович

9. Результаты работы внедрены АК «Туламашзавод» при реконструкции участка роботизированной дуговой сварки рам мотомашин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лимаренко, Денис Павлович, 2000 год

1. Алексеев П.И. Гибкие производственные системы М.: Машиностроение, 1989. - 349 с.

2. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: Учеб. пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1983.-248 е., ил.

3. Башаппсин Ю.А, Ющенко A.C. Промышленные роботы в технологии современного машиностроительного производства. М.: НИИмаш, 1984. - 392 с.

4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

5. Бухаров В.А. Разработка моделей управления дуговой сваркой в защитных газах // Сварочное производство, 1997, №2, -С. 15-18.

6. Гладков Э.А. Автоматизация сварочных процессов. Часть I. М.: МВТУ, 1976.-68с.

7. Гладков Э.А. Автоматизация сварочных процессов. Часть И. М.: МВТУ, 1976. - 65с.

8. Дегтерев С.П., Зайцев М.П., Иншаков М.М. и др. Система управления перемещением сварочной головки // Электротехническая промышленность. Электросварка. -1983. №2. - С.15-17.

9. Догановский С.А. Устройства запаздывания и их применение в автоматических системах. -М.: Машиностроение, 1986, 278 с.

10. Евсюков В.В. Анализ составляющих погрешности определения координат стыка свариваемых деталей. // Алгоритмы и структуры специализированных вычислительных устройств. Тула, ТПИ, 1980, С.78-84.

11. Евсюков В.В. Информационно-измерительная система определения параметров целенаправленного движения сварочного электрода. // АлIгоритмы и структуры специализированных вычислительных систем. Тула, 1981, С.145-152.

12. Евсюков В.В. Разработка стохастической модели стыка для управления сварочным роботом. // Автоматизация технологической подготовки сварочного производства. Тула, ТПИ, 1986, С. 90-94.

13. Жилкин А.М. Бесконтактные оптико-электронные преобразователи положения. 7/ Оптико-механическая промышленность, -1987, -№6, -С.58-64.

14. Ищенко Е.Ф., Климов Ю.М. Оптические квантовые генераторы. -М.: Сов.радио, 1978,470 с.

15. Коренькова Г.А. Распознавание стыка свариваемых деталей. // Управление сварочными процессами. Тула, ТПИ, 1983, С.92-96.

16. Курапаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высшая школа, 1980. - 287 с.

17. Куркин Н.С., Панкратов С.Б., Фишкис М.М. Опыт применения промышленных роботов для дуговой сварки // Сварочное производство. -1985.-№1.-С.27-28.

18. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. -М.: Машиностроение, 1970. 335 с.

19. Лимаренко Д.П. Автоматизация проектирования высокотехнологичных несущих конструкций, // Междунар. науч.-техн. конф. Приборостроение 97: Тез. докл. - Симеиз, 1997. - Часть 1. - С. 215-216.

20. Логвинов В.Н. Использование лазера при распознавании стыка свариваемых кромок. // Управление сварочными процессами. Тула, ТПИ, 1980, С. 115-12.4.

21. Логвинов В.Н. Система автоматического направления электродапо стыку. // Автоматические системы оптимального управления технологическими процессами. Тула, ТулПИ, 1988, С. 126-129.

22. Лумельский В.Я. Один алгоритм обнаружения момента времени изменения свойств случайного процесса. // Автоматика и телемеханика, -1-982,-№10,-С.67-73.

23. Львов Н.С. Автоматизация конторля и регулирования сварочных процессов. М.: Машиностроение. 1973. - 128 с.

24. Львов Н.С. Автоматизация направления сварочной головки по стыку. М.: Машиностроение. 1966. - 156 с.

25. Львов Н.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. М.: Машиностроение, 1982. - 302 с.

26. Мазель А.Г. Технологические свойства сварочной дуги. М.: Машиностроение, 1969. - 178 с.

27. Мельбард С.Н., Красильников Б.И., Ермолов М.И. и др. Системы слежения за направлением движения горелки // Автоматическая сварка. -1984.-№2.-С.64-68.

28. Механика манипуляционных систем: Учеб. пособие / В.Б. Пеньков; Тул. политехи, ин-т. Тула, 1990. -100с.

29. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров / Пер. с англ. М.Н. Микшиса и И.Н. Теплюка. Под ред. И.Н. Теплюка. М.: Мир, 1984.-320 с.

30. Мучник Р.Б. Алгоритмы выделения и анализа характерных участков кривых и их взаимного расположения. // Техническая кибернетика. Каунас, 1970, С. 196-204.

31. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. М.: Высшая школа, 1971. - 760 с.

32. Нуждихин В.Г., Лимаренко Д.П. Разработка модели процесса дуговой сварки для системы адаптации промышленного робота // Автоматизация и современные технологии. 1999. - № 3. - С. 17-20.

33. Панарин В.М., Карпов B.C., Тонких O.E. Моделирование сварочных процессов и систем адаптации роботов второго поколения для электродуговой сварки // Компьютерные модели технологии сварки. Тула: ТПИ, 1990.-С.26-34.

34. Панарин В.М., Карпов B.C., Тонких O.E. Система управления промышленным роботом для электродуговой сварки // Сварочное производство. -1994. №3,-С.31-33.

35. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Киселевский Ф.Н. и др. Роботы в сварке. Сварка и спец. электрометаллургия. Киев: Наукова думка, 1984. - с.228243.

36. Подсевалов В.В. Организация поиска сварного стыка. // Управление сварочными процессами. Тула, ТПИ, 1982, С. 126-132.

37. Подсевалов В.В. Разработка и исследование оптической измерительной системы. // Разработка элементов градиентной оптики. Тула, 1979, С.93-100.

38. Ратнер A.M. Спектральные, пространственные и временные характеристики лазеров. -М.: Сов.радио, 1988, 202 с.

39. Робототехника. / Под. ред. Е.П. Попова и Е.И. Юревича,- М: Машиностроение, 1984. -288с

40. Сапожников P.A. Теоретическая фотометрия. -Л.: Наука, 1987.

41. Сварочные роботы / Под. Ред. Г. Гердена. М.: Машиностроение, 1988.-288 с.

42. Сергацкий Г.И., Коротун Ю.М. Методы автоматического копирования линии сварочного соединения // Автоматическая сварка. 1981. -№5. - С.38-43.

43. Сергацкий Г.И., Родичев С.Н. Исследование систем автоматического копирования с запаздыванием // Автоматическая сварка. 1982. - №6. -с.37-41.

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

45. Тимченко В.А. Роботизация сварочного производства. К.: Тэх-ника, 1988.- 175с.

46. Тимченко В.А., Дубовецкий C.B. Некоторые технологические особенности дуговой сварки роботами. // Автоматическая сварка. -1984. -№6, -С.44-52.

47. Тимченко В.А., Цыбулькин Г.А., Власов О.В. Использование сварочной дуги в качестве источника информации для "очувствления" промышленного робота РМ-01. // Автоматическая сварка. 1990. - №10. - С.69-72.

48. Титов Н.И. Моделирование систем с запаздыванием. -Л.: Энергия, 1989, 97 с.137

49. Толокнова Н.В. Анализ движения приемника излучений при распознавании стыка свариваемых деталей. // Алгоритмы и структуры специаIлизированных вычислительных устройств. Тула, 1984, С. 118-124.

50. Трефилов В.Ф., Коробко Г.И. Система управления адаптивного сварочного робота // Сварочное производство. 1981. - №10. - С.5-7.

51. Трефилов В.Ф., Коробко Г.И., Култыгин Ю.И. Датчик стыка на основе магнитного управления дугой // Сварочное производство. 1985. -№6 - С.24-25.

52. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. М.: Наука, 1988, 411 с.

53. Тупиков Н.Г. Система автоматического направления электрода по стыку. // Алгоритмы и структуры специализированных вычислительных устройств. Тула, ТПИ, 1981, С.124-127.

54. Фу К., Гонсалес Р., Ли К., Робототехника: Пер. с англ. -М.-: Мир, 1989.-634с., ил.

55. Чемоданов Б.К. и др. Следящие приводы В 2-х кн. Кн. 1 М.: Энергия, 1976.-480с., ил.

56. Ц1енк X. Теория инженерного эксперимента. -М.: Мир, 1972.381с.138