Повышение производительности мехатронных систем лазерной обработки на основе взаимосвязей контурной точности с программными параметрами движения и динамическими свойствами приводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Заруднев, Александр Сергеевич

• Заруднев, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Заруднев, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МЕХАТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ.

1.1. Актуальность задачи повышения производительности лазерных комплексов с мехатронными системами управления движением рабочих органов.

1.2. Пути повышения производительности мехатронных комплексов лазерной резки при обеспечении точности исполнительных движений и совершенствовании законов управления.

1.31 Цель и задачи исследования.

1.4. Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕХАТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ, ОРИЕНТИРОВАННОЙ НА ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.

2.1. Структура математической модели мехатронной системы, управления движением рабочего органа комплекса лазерной обработки.

2.2. Математическая модель механических объектов управления в составе комплексов лазерной резки.

2.3. Математическая модель исполнительной подсистемы в составе системы управления движением комплекса лазерной обработки.

2.4. Редуцированная математическая модель исполнительной подсистемы, содержащей следящие приводы и упругие механические передачи.

2.5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛАЕМОЙ ТРАЕКТОРИИ, КОНТУРНОЙ СКОРОСТИ И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПРИВОДОВ НА ТОЧНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА

В ОКРЕСТНОСТЯХ УЗЛОВЫХ ТОЧЕК ТРАЕКТОРИИ.

3.1. Программная реализация компьютерной модели мехатронной системы управления комплекса лазерной резки для исследования контурной погрешности движений рабочего органа в окрестностях узлов траектории.

3.2. Выявление факторов, влияющих на значение максимальной контурной погрешности при движении рабочего органа в окрестностях узлов траектории.

3.3. Определение зависимости значения максимальной контурной погрешности движения рабочего органа в окрестностях узлов траектории от выявленных параметров.

3.4. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ,

ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ПРИ СОБЛЮДЕНИИ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ ДВИЖЕНИЙ.

4.1. Идентификация динамических параметров мехатронной системы для использования в модели контурной погрешности.

4.2. Назначение параметров желаемого закона движения рабочего органа с учётом технологических ограничений на желаемую контурную скорость и ускорение, а также требований к контурной точности.

4.3. Формирование управляющих воздействий на следящие приводы мехатронной системы управления движением рабочего органа лазерного комплекса.

4.4. Оценка прироста производительности лазерного комплекса с разработанным законом управления мехатронной системой управления движением.\.

4.5. Выводы по четвёртой главе.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

С РАЗРАБОТАННЫМ АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ.

5.1. Экспериментальная установка для исследования точности и производительности мехатронных технологических систем лазерной обработки.

5.2 Порядок проведения экспериментов и основные результаты исследования системы.

5.3. Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение производительности мехатронных систем лазерной обработки на основе взаимосвязей контурной точности с программными параметрами движения и динамическими свойствами приводов»

В настоящее время на промышленных предприятиях малого и среднего бизнеса получили распространение компактные и относительно недорогие технологические комплексы лазерной резки. Их особенность состоит в том, что они реализуют движение рабочего органа (лазерной головки) по двум или трём координатам, содержат устройства управления на базе персональных компьютеров, комплектные исполнительные следящие приводы с бесконтактными двигателями постоянного тока и координатные столы, как правило, оснащённые механическими передачами на базе зубчатых ремней. Такие комплексы удобны в эксплуатации, поскольку их системы управления движением рабочих органов обладают открытой архитектурой и развивающимся программным обеспечением. Однако, такие комплексы имеют среднюю степень точности, обусловленной, прежде всего, упругостью механических передач.

Актуальной задачей является повышение производительности рассматриваемого класса лазерных комплексов при обеспечении требуемой гарантированной точности вырезаемых деталей. В качестве-критерия производительности рассматривается время выполнения программы движения рабочего органа лазерного комплекса. Минимизация времени обработки рассматривается при соблюдении технологических ограничений, наложенных на скорость и ускорение движения рабочего органа по желаемой траектории, то есть на максимальные допустимые значения контурной скорости и ускорения, обусловленные мощностью лазера, необходимостью снижения перегрузок, действующих на оптику рабочего органа, и ограниченными возможностями исполнительных приводов. Очевидно, что для повышения производительности скорость и ускорение движения рабочего органа на каждом сегменте траектории должны быть как можно больше, однако рост этих величин сдерживается их влиянием на контурную ошибку лазерной обработки, которая представляет собой отклонение фактической траектории движения рабочего органа от желаемой траектории.

Система управления движением рабочего органа лазерного комплекса рассматривается как единая динамическая система с компьютерным управлением, состоящая из компонентов различной физической природы и представляющая собой мехатронную систему. Повышение качества такой системы достигается благодаря совершенствованию алгоритмов согласованного компьютерного управления исполнительными приводами комплекса.

Главная цель работы состоит в повышении производительности мехатронных систем лазерной резки при выполнении требований к точности движений рабочего органа по желаемым траекториям на основе автоматизированного формирования закона управления с учётом > взаимосвязей точности движений, геометрических характеристик траекторий, контурной скорости лазерной обработки и динамических свойств исполнительных систем.

Диссертационная работа основывается на результатах исследований, выполненных автором в МГТУ «СТАНКИН», при разработке и усовершенствовании лазерного комплекса в компании «Лантан-Лазер».

Автор выражает благодарность профессору Ю.В. Илюхину за поддержку в работе, ценные советы и анализ материалов диссертации, а также коллективу кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН» за помощь в оформлении и участие в рассмотрении результатов данной работы.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Заруднев, Александр Сергеевич

Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН», на Vlll-ой, IX-й и Xl-й научных конференциях МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике в 2005, 2006, 2008 г., на 18-й научно-технической конференции "Экстремальная робототехника" (Санкт-Петербург, 2007 г.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Заруднев, Александр Сергеевич, 2009 год

1. Автоматизация проектирования и программирования роботов и ГПС. Сб. научн. трудов / Под ред. И.М. Макарова и Е.П. Попова. М.: Наука, 1998.-240 с.

2. Подураев Ю.В. Контурное силовое управление технологическими роботами на основе тензорно геометрического метода. Автореферат диссерт. д.т.н. - М.: МГТУ «СТАНКИН», 1993. - 38 с.

3. Simpson, J. A., Hochen, R. J., and Albus, J. A. The Automated Research Facility of the National Bureau of Standarts, Journal of Manufacturing Systems, 1983.

4. Вешников В.Б. "Исследование возможности применения робота РМ-01 для лазерной технологии"// Репр./ Ин-т проблем мех. АН СССР,-№387.-РЖ, 1989, "ПРиМ"

5. Илюхин Ю.В. Создание высокоэффективных систем управления исполнительными движениями роботов и мехатронных устройств на основе технологически обусловленного метода синтеза. Диссерт. д.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2001. - 378 с.

6. Мощные промышленные С02-лазеры с накачкой несамостоятельным тлеющим разрядом. Н.А. Генералов, М.И. Горбуленко, В.П. Зимаков, Н.Г. Соловьёв, М.Ю. Якимов ИПМ РАН, 2005 (http://www.lantanlaser.ru/articles/highpowerrus.html)

7. Shin K.G., McKay N.D. "Minimum-time control of robotics manipulators with geometric path constraints" IEEE Trans, of Autom. Contr., vol. AC-30, 6, 1985.

8. Медведев В.И. Автоматизированный синтез регуляторов следящих приводов манипуляторов с целью стабилизации динамических свойств промышленных роботов. Автореферат дисс. к.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2006 - 26 с.

9. Iserman R. Modelling and design Metodology for Mechatronic Systems. //IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol.1, 1996.

10. Базров Б.М. "Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков". М., Машиностроение, 1978.

11. Балакшин Б.С. "Автоматизация управления технологическим процессом с целью повышения точности и производительности обработки." М., Машиностроение, 1970.

12. Соломенцев Ю.М., Сосонкин B.J1. "Управление гибкими производственными системами" М., Машиностроение, 1988.

13. Стебулянин М.М. "Управление промышленными роботами при силовых взаимодействиях с внешними объектами". Итоги науки и техники, изд-во ВИНИТИ, 1988.

14. Кожокару А.А. Программное управпение технологическими роботами с аналитико-экспериментальной оптимизацией по критерию быстродействия. Автореферат диссерт. к.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1998. - 19 с.

15. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г. и др. "Математическая теория оптимальных процессов" / М., Наука, 1969.

16. Федотенок А.А. Кинематическая структура металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1970. - 406 с.

17. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 7. Лазерная резка металлов: Учеб. Пособие для вузов. / А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов; Под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высш. шк. 1988. - 127с

18. Лакокрасочные покрытия в машиностроении. Справочник / Под. ред. М.М. Гольдберга. М.: Машиностроение, 1974. - 576 с.

19. Афонин В.Л., Морозов А.В. Управление технологическими роботами для механической обработки. М.: РАН, Институт машиноведения, 1995.-156 с.

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

21. Егоров И.Н., Кулешов B.C. Позиционно-силовое управление технологическими роботами при действии внешних связей. // Материалы VIII научно-техн. конфер. «Экстремальная робототехника». С-Пб: Изд-во СПбГТУ, 1997. - с. 269-274.

22. Казмиренко В.Ф. Электрогидравлические мехатронные модули движения. Основы теории и системное проектирование. Учеб. пос. -М.: Радио и связь, 2001 .-211 с.

23. Ломака М.В., Медведев И.В. Микропроцессорное управление приводами промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. -96 с.

24. Илюхин Ю.В. Реализация мехатронного подхода при построении систем компьютерного управления комплексов лазерной и плазменной резки // Мехатроника, автоматизация, управление. № 10, 2005.-с.45-50.

25. Срочко В.А. Численные методы: Курс лекций. Иркутск: Иркут. ун-т, 2003.-168с.

26. Илюхин Ю.В., Подураев Ю.В. Проектирование исполнительных систем роботов. Линеаризованные системы: Учебное пособие М.: Издательство МПИ, 1989. - 75с.

27. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Системы числового программного управления. М.: Логос, 2005. - 296 с.

28. Shin K.G., McKay N.D. "Minimum Cost Trajectory Planning for Industrial Robots." Control and Dynamic Systems, 1991.

29. Юревич Е.И. Управление роботами и робототехническими системами: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. 168 с.

30. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов. /В.Ф.Казимиренко, М.В.Баранов, Ю.В.Илюхин и др.; под ред. В.Ф.Казимиренко. М.: Энергоатомиздат, 1984 - 240с.

31. К. Фу , Р. Гонсалес , К. Ли "Робототехника", /пер. под ред. Градецкого В.Г. М. "Мир", 1989.

32. Вукобратович М., Стокич Д., Кирчански Н. "Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами" М., Мир, 1989.

33. Илюхин Ю.В., Заруднев А.С. Повышение производительности контурного управления манипуляторами мобильных технологических роботов. // Материалы X научно-техн. конференции «Экстремальная робототехника». С-Пб: Изд-во СПбГТУ, 2007. - т. 5 с. 258-262.

34. Густафсон Р.Д. Упрощенный метод расчета систем регулирования. Теоретические основы инженерных расчетов // Труды американского общества инженеров-механиков. Сер. D, 1966, №2-с.54-55.

35. Медведев B.C., Лесков А.Г., Ющенко А.С. Системы управления манипуляционных роботов. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М.: 1978.-416 с.

36. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные роботы: динамика и алгоритмы. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М.: 1978.-400 с.

37. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. М.: Мир, 1989.-624 с.

38. Ратмиров В.А. Управление станками гибких производственных систем. М.: Машиностроение, 1987. - 272 с.

39. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. - 304 с.

40. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 184 с.

41. Байков В.Д., Вашкевич С.Н. Решение траекторных задач в микропроцессорных системах ЧПУ. П.: Машиностроение, 1986. -106 с.

42. Ломака М.В., Медведев И.В. Микропроцессорное управление приводами промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. -96 с.

43. Лебедев A.M., Орлова Р.Т., Пальцев А.В. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 223 с.

44. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С.Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин. П.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

45. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 272 с.

46. Карнаухов Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы. -Ростов н/Д: Феникс, 2006. 320 с.

47. Микропроцессорные системы автоматического управления / В.А. Бесекерский, Н.Б. Ефимов, С.И. Зиатдинов и др.; Под общ. Ред. В А. Бесекерского. Л.: Машиностроение, 1988. - 365 с.

48. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. - 541 с.

49. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с.

50. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение. М.: Машиностроение, 2006. - 256 с.

51. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки дипломированного специалиста 652000 Мехатроника и робототехника / Министерство образования РФ. М., 2000.

52. Мехатроника / Под ред. Т. Исии. М.: Мир, 1988.

53. Подураев Ю.В., Кулешов B.C. Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем // Мехатроника, 2000, №1.

54. Следящие приводы. / Под ред. Б.К. Чемоданова. Т.1. Теория и проектирование следящих приводов. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1999. - - 904 с.

55. КЕВ COMBIVERT F5-MULTI/SERVO 2.6. КЕВ ANTRIEBSTECHNIK, 02/2003. Руководство по использованию. 2003 г.

56. Математическая модель мехатронной системы управления движением рабочего органа лазерного комплекса, ориентированная на компьютерное исследование точности исполнительных движений и производительности лазерных комплексов;