Модели автоматизации проектирования технологических процессов роботизированной сборки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Модели автоматизации проектирования технологических процессов роботизированной сборки

05.13.12 - системы автоматизации проектных работ

Милютина Светлана Святославовна

Научный руководитель

Невлюдов Игорь Шакирович,

доктор технических наук, профессор

Харьков - 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ АВТОМАТИЗИРО-ВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ В РОБО-ТИЗИРОВАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 САПР в структуре современного производства

1.2 Основные методы автоматизации проектирования технологических процессов

1.3 Анализ основных закономерностей моделирования технологических процессов сборки

1.4 Анализ особенностей проектирования технологических процессов роботизированного производства

1.5 Анализ методов искусственного интеллекта при автоматизированном проектировании технологических процессов

1.6 Подсистемы ввода информации в САПР технологических процессов

1.7 Цель и задания исследования

РАЗДЕЛ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ

2.1 Постановка задачи моделирования

2.2 Логическая модель в проектировании технологических процессов сборки

2.3 Моделирование технологических процессов сборки при помощи семантической сети

2.4 Представление технологических процессов сборки при помощи фреймовой модели

2.5 Моделирование технологических процессов сборки при помощи сетей Петри

2.6 Выводы к разделу 2

РАЗДЕЛ 3. ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБОРКИ НА ОСНОВЕ ГОЛОСОВОГО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ

3.1 Голосовой ввод информации при проектировании технологии роботизированной сборки

3.2 Цифровая обработка сигналов и её использование при вводе голосовой информации

3.3 Метод голосового ввода информации для системы автоматизации проектирования технологических процессов

3.4 Выводы к разделу 3

РАЗДЕЛ 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫЧ ГОЛОСОВОГО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В САПР ТЕХНОЛОГИЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РОБОТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

4.1 Разработка программного обеспечения для цифровой обработки информации при её голосовом вводе

4.2 Стандартные средства обработки звуковой информации в операционной системе WINDOWS

4.3 Разработка программного обеспечения подсистемы проектирования технологических операций сборки роботизированного производства

4.4 Руководство пользователя

4.5 Оценка эффективности применения САПР с подсистемой голосового ввода информации

4.6 Выводы к разделу 4

ВЫВОДЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства.

АСТПРП - автоматизированная система технологической подготовки роботизированного производства.

ГАП - гибкое автоматизированное производство.

ГПС - гибкая производственная система.

ГС РТС - гибкая сборочная робототехническая система.

ИАП - интегрированное автоматизированное производство.

ИИ - искусственный интеллект.

ИНС - искусственная нейронная сеть.

ПР - промышленный робот.

РП - роботизированное производство.

РТК - робототехнический комплекс.

РТС - робототехническая система.

САПР - система автоматизации проектирования.

СП - сеть Петри.

ТП - технологический процесс.

ТПП - технологическая подготовка производства.

ЭВМ - электронная вычислительная машина.

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование технологических процессов сборки в производстве изделий радиоэлектронного приборостроения с точки зрения автоматизации остаётся сложным научно-техническим заданием из-за большого набора разнообразных геометрических форм деталей и способов соединения. Его решение предусматривает создание интегрированных систем автоматизации проектирования технологических процессов (САПР ТП).

Автоматизированное проектирование технологических процессов, как правило, предполагает использование программных и технических средств, позволяющих сократить трудоёмкость проектировщика при проектировании ТП. Основой для систем такого рода, как правило, является ЭВМ с периферийными устройствами различного рода (устройства ввода и вывода информации). При этом уровень использования ЭВМ в значительной степени колеблется в зависимости от задач проектирования. Сам процесс взаимодействия проектировщика с ЭВМ обычно предусматривает взаимодействие с программным интерфейсом, что включает, например, выбор (из списка) технологических и вспомогательных операций, переходов, определение координат расположения деталей, выбор их последовательностей. В любом случае такой подход требует определённой квалификации проектировщика и, как правило, производится при отключённом технологическом оборудовании в так называемом режиме «off-line».

Голосовой ввод информации в САПР технологических процессов позволит обеспечить необходимую привязку робота к координатам рабочей зоны, позволит более гибко задавать значения скоростей, задержек, осуществлять выбор режима работы системы управления роботом. Голосовой ввод информации в САПР технологических процессов позволит также осуществлять экстренное управление роботом (команды «стоп», «вернуться», «назад»).

Актуальность темы. Проектирование технологических процессов сборки остаётся областью, в которой применение средств автоматизированного проектирования невелико и зависит от субъективных, связанных с человеком факторов. В первую очередь это связано с неформальностью закономерностей проектирования, недостаточными возможностями средств трёхмерного и твердотельного моделирования, необходимостью сочетания вычислительных возможностей с методами искусственного интеллекта.

Современные САПР технологических процессов, используемые в роботизированном производстве, обычно предусматривают режим обучения, реализованный при помощи программного интерфейса. Однако и в этом случае, такой интерфейс не всегда способен точно передать требования проектировщика. Например, некоторые значения координат точек, параметры скорости и направлений перемещения могут оказаться неверными. Целесообразным способом решения проблемы является введение интерактивного режима управления и проектирования технологических процессов и, как вариант, введение голосового ввода информации в форме управляющих команд.

Обеспечение голосового ввода информации в САПР ТП сборки требует разработки моделей технологических процессов, учитывающих особенности технологии сборки, и определения, на основе моделей, метода голосового ввода информации.

Использование метода голосового ввода информации позволит улучшить точность необходимой привязки робота к координатам рабочей зоны, включая ситуации динамического её изменения. При этом оператор, используя голосовой ввод информации, может сориентировать манипулятор в тех положениях сочленений и тех координатах, которые требуются для выполнения технологических переходов и операций. Используя данный метод можно значительно упростить процесс проектирования технологии сборки, осуществлять оперативный контроль функционирования роботизированной системы.

Таким образом, исследования в области разработки моделей автоматизированного проектирования технологии роботизированной сборки, методов организации интерактивных систем ввода информации в САПР, в том числе на основе голосового ввода информации, являются актуальной задачей.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследования, результаты которых изложены в диссертации, проводились в соответствии с госбюджетной и хоздоговорной темами НИР, которые выполнялись в Харьковском национальном университете радиоэлектроники:

- госбюджетная тема №089-1 «Теоретические основы создания перспективных компонентов и новых технологий их производства для широкого класса волоконно-оптических систем» (Министерство образования и науки Украины № 960 от 22.12.04);

- хозяйственный договор №04-50 о научно-техническом сотрудничестве с Государственным Научно-исследовательским центром нормативно-технических материалов по труду Министерства промышленной политики Украины от 01.09.04 «Aвтоматизированная система определения технически обоснованных норм труда и трудоемкости изготовления изделий» (ГР №0104U009289);

- хозяйственный договор №07-59 о научно-техническом сотрудничестве с Государственным научно-исследовательским центром нормативно-технических материалов по труду Министерства промышленной политики Украины от 01.11.07 р. «Разработка математического обеспечения для автоматизации проектирования вывода зависимости норм труда и режимов резания от конструктивно-технологических факторов» (ДР №0108U001430);

- договор №97 о научно-техническом сотрудничестве с Государственным предприятием «Научно-исследовательский технологический институт приборостроения» (ГП НИТИП) Министерства промышленной политики Украины от 10.01.2008 р.;

- договор №98 о научно-техническом сотрудничестве с Государственным Научно-исследовательским центром нормативно-технических материалов по труду Министерства промышленной политики Украины от 10.01.2008 р.

При выполнении работ по указанным темам и хозяйственным договорам автор был разработчиком моделей, метода голосового ввода информации в САПР технологических процессов и программных средств.

Цель и задания исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов проектирования и снижение трудоёмкости технологической подготовки производства за счёт разработки и обобщения моделей, методов автоматизации проектирования технологических процессов роботизированной сборки изделий.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих математических описаний технологических процессов и методов автоматизированного проектирования технологических процессов сборки;

- разработать модели автоматизированного проектирования технологических процессов, модели представления сборочных единиц и изделий, позволяющие определить порядок проектирования технологического процесса сборки и характер связей сборочных единиц, сократить время проектирования технологических процессов сборки и затраты материалов;

- разработать метод голосового ввода информации в САПР технологических процессов, обеспечивающий интерактивное формирование прикладных программ для сборочного робота и позволяющий сократить время проектирования технологических процессов сборки;

- разработать подсистему голосового ввода информации для системы автоматизации проектирования технологических процессов роботизированного производства, обеспечивающую техническую реализацию предложенного метода.

Объект исследования - технология роботизированной сборки.

Предмет исследования - процесс автоматизированного проектирования технологических процессов сборки.

Методы исследования: применяются методы теории множеств для представления сборочных единиц, методы теории графов для представления технологических процессов сборки, методы теории предикатов для представления закономерностей технологических процессов сборки, также применяются теория алгоритмов, методы организации графического диалога и построения интерфейса пользователя.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- впервые предложена логическая модель технологического процесса сборки, которая, исходя из свойств проектирования технологических процессов сборки, в отличие от известных, определяет логические связи между сборочными единицами; это позволяет установить порядок осуществления технологических операций, обеспечить снижение трудоёмкости проектирования технологического процесса роботизированной сборки;

- впервые предложен метод голосового ввода информации в САПР технологических процессов, который в отличие от известных, на основе интерактивного формирования технологических переходов, отдельных технологических операций обеспечивает формирование прикладных программ для сборочного робота и сокращает время проектирования технологического процесса роботизированной сборки;

- усовершенствована модель технологического процесса сборки на основе семантических сетей, которая в части описания отношений между сборочными единицами в изделии, позволяет отразить смысловые связи между сборочными единицами в конструкции изделия и уточнить последовательность операций сборки;

- усовершенствована модель технологического процесса сборки на основе сетей Петри, которая позволяет детально описать характер технологических переходов при разработке прикладных программ для сборочного робота;

- получила дальнейшее развитие модель технологического процесса сборки на основе фреймов для выделения типовых ситуаций в последовательности процессов сборки, что обеспечивает возможность упорядочения структуры процессов сборки по критериям экономии времени, материалов.

Практическое значение полученных результатов. Результаты исследований реализованы в виде программно-методического комплекса на основе разработанных моделей, которые составляют основу для автоматизации проектирования технологических процессов сборки роботизированного производства.

Все основные модели решения научно-технических задач проектирования технологических процессов реализованы программно и применяются при проектировании технологических процессов роботизированного производства.

Практическая ценность полученных результатов заключается в снижении себестоимости проектирования технологических процессов сборки; сокращении времени проектирования технологических процессов (акты внедрения приведены в прил. А).

Личный вклад соискателя. Все основные научные положения, практические результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы получены автором самостоятельно. В печатных научных работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит: в [1] - разработка алгоритма оптимального синтеза процесса сборки сборочных единиц по критерию точности; в [2] - разработка метода определения параметров привода манипулятора робота; в [3] - анализ технологий разработки программного обеспечения для трёхмерного моделирования манипулятора робота; в [4] - построение модели искусственной нейронной сети, проведение машинного эксперимента по распознаванию голосовых команд при помощи многослойного персептрона; в [5] - разработка основных принципов создания системы анализа голосовой информации и программная реализация многослойного персептрона; в [6] - анализ закономерностей проектирования роботизированных процессов сборки, разработка алгоритмов проектирования технологических процессов сборки при помощи голосового ввода информации; в [7] - разработка логической модели сборки с использованием голосового ввода информации; в [8] - разработка сетевых моделей; в [9] - логическая модель проектирования технологического процесса сборки и разработка программного обеспечения; в [10] - создание алгоритма определения параметров стыка схвата робота; в [11] - обеспечение голосового управления трёхмерными моделями роботов; в [12] - анализ возможностей использования нейронной сети для распознавания звуковой информации; в [13] - разработка программы распознавания звуковой информации на основе искусственной нейронной сети; в [14] - программная реализация искусственной нейронной сети; в [15] - логическая модель технологических процессов сборки; в [16] - разработка транслятора голосовой информации; в [17] - разработка подсистемы ввода информации робота и метода голосового ввода информации; в [18] - разработка сборочной системы; в [19] - реализация планировщика в среде Visual C++.

Апробация результатов научных исследований по мере их получения обсуждалась на постоянно действующих семинарах кафедры «Технологии и автоматизации производства РЭС и ЭВС» Харьковского национального университета радиоэлектроники. Результаты докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: Международная научная конференция «Теория и техника передачи, приёма и обработки информации», 2003 г. (Харьков - Туапсе); 9-й Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке», 2005 г. (г. Харьков); 10-й Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке», 2006 г. (г. Харьков); 11-й Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке», 2007 г. (г. Харьков); 3-я Международная молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2007», 2007 г. (г. Севастополь); 9-я Международная молодежная научно-техническая конференция ТCSET'2008, 2008 г. (г. Львов); 4-я Международная молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2008», 2008 г. (г. Севастополь); «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития МРФ-2008», 2008 г. (г. Харьков); 4-я международная конференция «Стратегия качества в промышленности и образовании», 2008 г. (г. Варна, Болгария); Международная научно-техническая конференция «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», 2008 г. (г. Севастополь).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных трудов, из них 9 статей в научных журналах и 10 трудов в сборниках тезисов докладов. Среди публикаций - 8 статей в изданиях, которые входят в перечни, утвержденные ВАК Украины.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ В РОБОТИЗИРОВАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 САПР в структуре современного производства

Развитие производственных систем в условиях глобализации ведет к широкому обмену производственным опытом между странами с различным уровнем экономики. Высокоразвитые государства переносят свои производства в страны третьего мира из-за того, что рабочая сила в этих странах существенно дешевле. Однако, вывозя производство в эти страны, производители также вывозят технологии, благодаря чему в этих государствах происходит скачок в развитии, и они начинают развивать новые, ввезенные, технологии. Таким образом, проблемы производства, актуальные в высокоразвитых странах, становятся актуальными и в странах, которые принято называть странами третьего мира. Тем более, они становятся актуальными и для Украины, которая имеет значительный промышленный потенциал, хотя промышленность здесь в значительной степени основана на использовании устаревшего оборудования и его обеспечения. В то же время идёт постепенное развитие в области усовершенствования оборудования, технологии производства, разработки программного обеспечения, экспорта технологии [20-31].

Сфера производства постоянно привлекает к себе большое внимание многих исследователей и практиков. Различные отрасли промышленности для сохранения конкурентоспособности осваивают новые технологии. На основе этих технологий возникли новые концепции производства, а именно, концепции интегрированных автоматизированных производств (ИАП) и гибких производственных систем (ГПС) [20, 22, 32-42].

В сущности, понятия «ИАП» и «ГПС» означают одно и то же, а именно, интегрированную производственную систему, включающую в себя технологические компоненты, ЭВМ и программное обеспечение.

Системы ИАП объединяют следующие процессы: проектирование конструкций изделий и деталей; проектирование технологических процессов; программирование технологического оборудования (станков, роботов, робокаров); планирование производства; изготовление; прием, хранение и перевозка (материалов, деталей, подсборок, изделий).

Перечисленные процессы могут использовать следующие автоматизированные системы (рис. 1.1):

- систему автоматизированного проектирования (САПР);

- автоматизированную систему технологической подготовки производства (АСТПРП);

- автоматизированную систему управления производством (АСУП);

- информационно-управляющую систему (ИУС).

В ГПС могут осуществляться различные процессы, как, например, штамповка, сварка, механическая обработка, сборка и технический контроль [20].

В данное время существует два подхода к описанию ИАП: принятый в отечественной литературе и в зарубежной. На рис. 1.1 представлена схема производства, предлагаемая зарубежными авторами [20, 32, 33].

В отечественной литературе предлагается схема, несколько отличающаяся от схемы, предложенной зарубежными авторами [20, 22, 23, 33, 36, 37, 39, 43-58].

В структуре произвольного гибкого сборочного производства (ГСП) интегрируются системы автоматизированного проектирования изделий (САПР И) и технологий (САПР Т), автоматизированная система научных исследований (АСНИ), автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП) и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и производством (АСУП). При этом основной подсистемой ГСП является технологическая подсистема, которая представляет собой совокупность средств технического и технологического обеспечения и реализованного на них по специальным инструкциям и регламентам технологического производственного процесса, в том числе контрольных и транспортных операций.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так появляются CAE/CAD/CAM системы:

- САПР функционального проектирования, иначе САПР-Ф или CAE (Computer Aided Engineering) системы.

- конструкторские САПР общего машиностроения - САПР-К, часто называемые просто CAD системами;

- технологические САПР общего машиностроения - САПР-Т, иначе называемые автоматизированными системами технологической подготовки производства АСТПП или системами САМ (Computer Aided Manufacturing) [59].

Как видно, термины САПР ТП (САПР-Т) и АСТПП определяют один и тот же объект, поэтому в последующем тексте они используются равнозначно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1. Структура системы ИАП [20]

Основными функциями CAM-систем являются разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ (NC - Numerical Control), расчет норм времени обработки [59].

Разновидностью гибких производственных систем являются сборочные системы. Гибким сборочным системам присущи следующие особенности [32, 49, 56, 60]:

- степень автоматизации станков и систем транспортировки материалов в гибкой системе сборки намного выше, чем у соответствующей классической системы механической обработки;

- гибкая система сборки включает в себя меньшее число станков, чем эквивалентная классическая система;

- расположение станков в гибкой обрабатывающей системе определяется типом используемых транспортных средств. Наиболее часто применяются манипуляционные роботы, мостовые роботы, робокары и штабелеры;

- количество установок изделия, задаваемое планом технологического процесса для гибкой производственной ячейки, значительно меньше, чем в плане соответствующего классического процесса.

При планировании классического процесса обычно назначают небольшое число операций (чаще всего только одну) на один установ [2]. Это обуславливается ограниченными возможностями традиционных станков и транспортных систем, а также концепцией специализации, доминирующей в управлении классическим производством. При разработке процесса для ГПС стараются назначить как можно большее число операций на один установ [20]. Здесь уже можно говорить о подходе, основанном на агрегатировании, в противоположность концепции специализации, принятой в классических производственных системах.

В гибкой системе рабочее время, приходящееся на одну загрузку станка, намного больше, чем в эквивалентной классической системе.

Объем и поток информации в гибкой обрабатывающей системе намного выше, чем в эквивалентной классической системе.

В гибкой обрабатывающей системе размеры партий деталей зависят главным образом от объемов заказа, вместимости приспособлений и стойкости инструмента, что заметно расходится с оптимизационными процедурами выбора размеров партий, применяемыми в классических производственных системах.

Структура гибкой системы сборки оказывает влияние на работу этой системы [20].

При рассмотрении технологических процессов сборки машиностроительного производства в условиях ГПС также видны определённые характерные особенности. Рассмотрим изделие (рис. 1.2а), состоящее из четырех деталей или подсборок (р1... р4). В классической сборочной линии (рис. 1.2б) изделие Р собирается последовательно на трех сборочных постах (СП1... СПЗ) из деталей р1... р4. В ГСС универсальность сборочных постов позволяет выполнять несколько сборочных операций на одном посту. Поэтому в типовой ГСС число последовательных сборочных постов меньше, чем в эквивалентной классической системе. Пример ГСС, состоящей из двух параллельных сборочных постов СП1 и СП2, представлен на рис.1.2в. Каждый из двух сборочных постов включает здесь по одному роботу (ПР1 или ПР2).



а) б) в)

а - Структура изделия Р [20]; б - сборка изделия по классической схеме [20]; в - гибкая сборочная система [20];

Рис. 1.2. Особенности сборочных систем

Изделие Р (см. рис.1.2а) может быть собрано из деталей р1,…,р2 на одном из двух сборочных постов (см. рис. 1.2в). Так как стоимость переналадки каждого сборочного поста невелика, все изделия могут собираться малыми партиями [20, 38, 42, 61].

Технологическая подготовка гибкого производства отличается от традиционной схемы технологической подготовки производства. Изменения связаны со сдвигом в сторону значительного усложнения всех работ по технологической подготовке производства и необходимостью решения принципиально новых алгоритмических и системотехнических задач применения ЭВМ и качественно нового оборудования, особенно роботов [62].

Таким образом, задача разработки САПР технологических процессов является одной из важных задач подготовки современного автоматизированного производства, в рамках которой проектирование технологических процессов сборки обладает специфическими особенностями.

1.2 Основные методы автоматизации проектирования технологических процессов

Автоматизированное проектирование ТПП представляет собой развернутый и сложный процесс переработки информации разнообразного вида, формы и содержания. Его анализу посвящено значительное количество специальной литературы, например [21, 23, 24, 32, 33, 34, 36, 37, 39, 41, 43-57, 59, 63-65].

Высшей формой комплексно автоматизированных производств являются гибкие автоматизированные производства (ГАП) [66, 67]. Они позволяют быстро переходить на выпуск новой продукции, в первую очередь, путём смены управляющих программ. Такие производства легко модернизируются и совершенствуют технологию. На рис. 1.3 приведен его состав.

Согласно рис.1.3 видно, что в полном виде ГАП состоит из двух частей:

- гибкая производственная система, которая непосредственно реализует технологические процессы изготовления деталей;

- автоматизированные системы научных исследований и проектирования (АСНИ, САПР) подлежащих изготовлению деталей и технологической подготовки производства (АСТПП), реализуемые с помощью показанных в нижней части рисунка автоматизированных рабочих мест (АРМ) [67].



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.3. Состав гибкого автоматизированного производства [67]

Эти части объединяются общей автоматизированной системой управления (АСУ) на базе локальной компьютерной сети.

В [32, 35, 48, 49, 60, 68, 69] рассматриваются особенности технологической подготовки роботизированного производства. При этом ТПП рассматривается как комплекс работ по обеспечению технологичности конструкции изделий, проектированию средств технологического оснащения, разработке технологического процесса изготовления объектов производства, расчету технически обоснованных материальных и трудовых нормативов, требуемого количества технологического оборудования и производственных площадей, внедрению технологических процессов и управлению ими в производственных условиях, что обеспечивает возможность выпуска изделий заданных объемах.

Многономенклатурность и частая сменяемость объектов производства, появление новых конструктивных решений, прогрессивных технологических процессов и материалов требуют сокращения длительности цикла ТПРП. Одна из возможностей такого сокращения состоит в использовании принципов стандартизации, типизации и унификации объектов роботизации, что способствует реализации групповых методов их изготовления, а также рациональной организации работ ТПРП [32].

При технологическом проектировании наибольшее распространение получил базовый метод структурного синтеза, основанный на использовании типовых решений и относящийся к методам выделения вариантов из обобщенной структуры. Проектирование ТП состоит из следующих основных уровней: разработки принципиальных схем процесса, технологического маршрута (сборки), технологических операций (переходов), управляющих программ (траекторий перемещения рабочего инструмента) для станков с ЧПУ. На каждом уровне технологическое проектирование представляется как решение совокупности задач (рис. 1.4) [32, 36].

Разновидностью базового метода проектирования ТП являются: метод адресации, метод синтеза с прототипом и без прототипа. В основу разработки названных методов проектирования закладываются принципы неокончательности решений, модульности, классификации задач проектирования ТП на виды, чтобы увеличить адаптивные свойства систем, минимизировать количество операций по формированию новых и сортировке старых массивов.

Принцип неокончательности решения позволяет представить процесс проектирования ТП в виде последовательности алгоритмов, каждый из которых решает конкретную задачу и определяет допустимое множество решений. Алгоритмы строят максимально независимыми друг от друга. Следовательно, имеется возможность создать библиотеку универсальных алгоритмов, из которых в дальнейшем можно генерировать конкретную систему проектирования ТП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.4. Обобщённая структурная схема САПР ТП (на примере ТП металлообработки) [32]

Некоторые авторы отмечают, что продуктивным методом проектирования ТП также является разработка и оценка ТП по стадиям.

В переводной литературе (например, [20, 38, 70-72]) термин «проектирование» обычно заменяют термином «планирование» от «technological processes planning». При этом признается, что планирование процессов является одним из самых главных видов работ, выполняемых в производственной системе.

Рис. 1.5 иллюстрирует поток информации в традиционной дискретной производственной системе.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.5. Схема традиционного двухступенчатого подхода к планированию производства [20]

Чтобы создать план процесса, разработчик процесса и разработчик наладки (зачастую это один человек) исследуют чертеж детали, просматривают различные картотеки и справочники. План содержит спецификации процесса и информацию по используемым приспособлениям и зажимным устройствам, а также данные по наладке детали на станке. Спецификации по наладке выпускаются в виде эскизов с примечаниями или чертежами [20, 73].

В то же время следует отметить, что упомянутые методы автоматизированного проектирования технологических процессов не в полной мере отражают современные свойства и характеристики аппаратного и программного обеспечения интегрированного автоматизированного производства (ИАП), в частности, использование современных средств обработки, ввода-вывода информации позволяет существенно сократить и упростить процесс проектирования ТП.

1.3 Анализ основных закономерностей моделирования технологических процессов сборки

С технологической точки зрения к основным свойствам любой конструкции относятся следующие.

Свойство 1. Все детали ограничены в перемещениях по направлениям.

Ограничение возможного перемещения детали в каком-либо направлении осуществляется другой деталью сборочной единицы или реакцией опоры, которая возникает при контакте в рассматриваемом направлении (рис. 1.6,а), или силами трения, которые возникают в местах контакта деталей (рис. 1.6,б), или силами межмолекулярных связей, которые возникают, например, при сварке и пайке (рис. 1.6,в).

а - деталь упирается в деталь а1; б - деталь запрессована в деталь а2; в - сварка (деталь а2 приварена к детали а1)

Рис. 1.6. Способы ограничения перемещений деталей в конструкции сборочной единицы (изделия) [65]

Данное свойство обеспечивается в конструкции реализацией следующих положений [65].

1. Для каждой детали изделия по любому направлению существует другая деталь, которая ограничивает ее перемещение по данному направлению.

Поскольку такое ограничение перемещений между деталями является взаимным, в дальнейшем будем употреблять термин «взаимность».

Взаимное ограничение деталей в конструкции запишем так: , где и - любые различные детали; <> - знак отношения взаимного ограничения в перемещении.

Пусть N - множество значений свойства детали, характеризующего направление ограничения ее возможного перемещения. Поскольку деталь в изделии и сборочной единице должна быть ограничена в перемещениях по всем координатным направлениям, то N принимает значения +х, -х, +у, -у, +z, -z.

При принятых обозначениях символически первое положение можно записать следующей формулой:

, (1.1)

где А - множество деталей изделия.

2. Каждая деталь изделия по любому направлению входит в группу деталей, которая образует замкнутую цепь взаимных ограничений перемещений.

Реализация данного положения обеспечивает определенность базирования каждой детали изделия [94]. В символическом виде это положение записывают формулой:

(1.2)

В дальнейшем группу деталей, входящих в замкнутую цепь, будем называть сокращенно «замкнутой цепью», а множество деталей, образующих эту группу, обозначим через Ас.

Свойство 2. Каждая деталь изделия ориентирована относительно других деталей этого изделия.

Данное свойство обеспечивается в конструкции реализацией следующего положения.

Для каждой детали изделия существует другая или другие детали, которые определяют ее положение.

Это свойство конструкции запишем через следующие отношения между деталями: , когда детали и имеют общую поверхность контакта, - знак отношения контакта; , когда детали и взаимно связаны размером, - знак отношения взаимной связи размером; , когда деталь является базовой для детали , -знак отношения базирования.

В символическом виде данное положение записывают формулой

(1.3)

Свойство 3. Все детали изделия связны между собой.

Выражение (1.2) описывает ограничение возможных относительных перемещений деталей каждой замкнутой цепи в отдельности по соответствующей координатной оси. Между тем, не только детали одной цепи, но все детали изделия соединены между собой. Это означает, что у деталей различных замкнутых цепей одного изделия также ограничены возможные относительные перемещения. Для характеристики такого отношения между деталями различных замкнутых цепей введем понятие «связность», физический смысл которого сводится к тому, что связные детали ограничены в перемещениях относительно друг друга по какому-либо направлению. Например, на множестве деталей A={a1,a2,a3,a4} справедлива формула (1.3), т. е. для каждой детали этого множества имеется группа деталей, с которой она образует замкнутые цепи ограничений возможных перемещений. В данном случае замкнутые цепи по любой координате образуют детали a1 и a2, а также a3 и a4, т.е. Ас1={a1,a2}, Ас2={ a3,a4}.

Однако детали, относящиеся к разным замкнутым цепям, например a1 и a3, не имеют ограничений возможных перемещений относительно друг друга, т.е. они не связны, и, следовательно, множество деталей A={a1,a2,a3,a4} не образует единого изделия.

Свойство связности деталей в изделии записывают через отношение , где щ1 и щ2 - любые различные детали изделия, - знак отношения связности.

Данное свойство обеспечивается в конструкции изделий реализацией следующего положения.

Любая пара деталей в изделии по любому направлению входит в группу деталей, образующих замкнутую цепь взаимных ограничений перемещений.

В символическом виде это положение записывают такой формулой:

(1.4)

или через введенное отношение связности

. (1.5)

Свойство 4. Конструкция любого изделия собираема.

Это одно из основных свойств конструкции любого изделия, на которое обращают внимание при конструировании и при анализе нового изделия на технологичность. Невыполнение этого свойства делает невозможным процесс сборки изделия из составляющих его деталей.

Данное свойство обеспечивается в конструкции изделия реализацией следующих положений.

Для любой пары деталей всегда существует такая последовательность их установки при процессе сборки изделия, когда одна деталь не ограничивает доступ к месту установки другой.

Свойство собираемости конструкции запишем через следующие отношения между деталями: , где щ1 и щ2 - любые детали изделия, причем деталь щ1 ограничивает доступ детали щ2 к месту установки, - знак отношения ограничения по доступу; , где щ1 и щ2 - любые детали изделия, причем деталь щ1 предшествует детали щ2, - знак отношения следования.

В символическом виде положение 5 записывают следующей формулой:

. (1.6)

Основные требования к порядку процесса сборки, исходя из условий базирования и доступа, можно выразить следующими двумя положениями.

Если одна деталь является базовой для другой, то базовую устанавливают ранее той, для которой она является базовой. Здесь под базовой деталью щ1 для детали щ2 понимают деталь, содержащую вспомогательную базу для детали щ2.

Если одна деталь ограничена по доступу другой, то ограниченную устанавливают ранее той, которая ее ограничивает.

Первое положение можно представить в следующем виде:

. (1.7)

Второе положение можно представить в виде формулы через ранее введенное отношение ограничения по доступу:

. (1.8)

Последовательность выполнения соединений зависит от последовательности установки деталей, но, учитывая требование к технологической законченности соединения как к структурной базовой единице, необходимо выполнение следующего условия: если не окончено выполнение одного соединения, не переходить к следующему.

Выполнение данного условия будет обеспечено, если формирование порядка установки деталей производить в соответствии с формулой

, (1.9)

где As1 и As2 - подмножества деталей, образующих два различных соединения.

Формула (1.9) представляет собой высказывание о том, что если имеется хотя бы одна деталь соединения, которая должна быть установлена раньше детали другого соединения, то все детали первого соединения устанавливают раньше деталей второго соединения, не вошедших в первое. Требования к порядку установки деталей левой части формулы (1.7) диктуются условиями, содержащимися в выражениях (1.7) и (1.8).

Таким образом, процесс формирования порядка процесса сборки изделия можно представить в следующем виде [65]:

разбиение изделия на технологические сборочные единицы;

определение последовательности выполнения сборочных единиц;

определение последовательности выполнения соединений по формуле (1.9).

При выполнении каждого соединения сохраняется та последовательность установки деталей, которая была определена по формулам (1.7) и (1.8). Результат решения задачи определения последовательности процесса сборки может быть представлен в виде схемы процесса сборки, сведенной в таблицу, которая содержит информацию о порядке на каждом из выделенных уровней.

Таким образом, наличие технологических правил указывает на необходимость создания логической модели технологического процесса сборки, который в общем определит последовательность установки сборочных единиц. Кроме того, для уточнения этой последовательности необходимо описать смысловые связи между сборочными единицами, для чего целесообразно построить модель на основе семантических сетей. Также следует рассмотреть модель на основе фреймов для выявления типовых подпоследовательностей с целью экономии времени, для выполнения нескольких операций параллельно, а также затрат на переориентацию манипулятора и смену инструмента.

1.4 Анализ особенностей проектирования технологических процессов роботизированного производства

В общем случае процесс сборки включает следующие операции [32, 52, 75-77]:

- ориентирование с требуемой точностью руки рабочего относительно определенных поверхностей деталей, подлежащих сборке;

- захват сопрягаемой детали, ее перемещение в пространстве к сборочному приспособлению или базовой детали;

- ориентирование сопрягаемой детали с требуемой точностью относительно поверхности базовой детали или приспособления;

- сопряжение деталей, ориентированных взаимно с требуемой точностью;

- фиксация скомплектованных деталей.

Сборка, как технологический процесс, является частью производственного процесса, связанного с качественным преобразованием (изменением) объекта производства. Данное обстоятельство приводит к многовариантности задачи осуществления сборки, так как для реализации одной и той же операции, а также функции всего процесса могут быть использованы системы с различной структурой и составом функциональных элементов (модулей), обладающие различными технико-экономическими параметрами. Решение этой задачи достаточно сложно - базируется оно на широком использовании разнообразных моделей (информационных, сетевых), а также на основных положениях теории графов и математических методов поиска и оптимизации [32, 34].

В [62] рассматриваются особенности построения ГПС холодной листовой штамповки (ГПС ХЛШ), в частности, приводится анализ возможностей технологических операций ГПС ХЛШ, показывающий наличие следующего множества в технологической операции, приведенный в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Примеры команд в системах управления автоматизированным оборудованием

РТК штамповки
Название устройства	Команда
1	2
Манипулятор ПМР-0.5 - 200 КВ	Опустить руку
	Поднять руку
	Втянуть руку
	Вытянуть руку
	Включить (сжать схват)
	Выключить (разжать схват)
	Поворот к ПУ (локальному транспортёру)
	Поворот к прессу
Тарное ПУ	Повернуть ПУ на 90 градусов
	Повернуть ПУ на 180 градусов
Кассетное ПУ	Фиксатор вверх
	Фиксатор вниз
	Шток поднять
	Шток опустить
Манипулятор «Гном»	Опустить руку
	Поднять руку
	Втянуть руку
	Вытянуть руку
	Включить схват
	Выключить схват
	Поворот к ПУ (локальному транспортёру)
	Поворот к прессу
Пресс	Ход пресса
Локальное транспортное устройство	Поднять ложемент
	Опустить ложемент
	Передвинуть ложемент к соседнему РТК
	Передвинуть ложемент от соседнего РТК

Характер команд управления роботами, приведенных в табл. 1.1, определяет основные требования к созданию САПР управляющих программ для роботизированного производства.

Семантический анализ технологических операций по методам падежной грамматики, который указан в [62], позволил разработать удобную их формализацию в виде блоков-фреймов со следующими именами ячеек атрибутов:

ТО = <a, b, c, d, E>, (1.10)

где a - индекс эшелона организационной иерархии (1 или 2);

b - номер модуля ГПС;

с - индекс типа единицы технологического оборудования;

d - индекс типа технологической команды;

E - список может иметь пустой параметр ТО, который состоит из объектов, субъектов, субъектов действия, адресов, и других ролей семантических падежей.

Указанные переменные могут принимать следующие значения: b - 1 - заготовительный РТК (при a = 1), 2 - 7 - РТК штамповки с 1-го по 6-й (при a = 1), 8 - транспортный комплекс: ТРТ-1 - 250 и ПУ склада (b = 2), 9 - складской комплекс: СТАС-250, ПУ склада, рольганги b = 2, с - 1 - ПМР-0,5 - 200 КВ, 2 - «Гном», 3 - пресс, 4 - кассетное ПУ, 5 - тарное ПУ, 6 - локальный транспортный манипулятор, 7 - кассетный манипулятор, 8 - кассетирующее лицо, 9 - листоподача, 10 - ТРТ-1 - 250, 11 - штабелер; d - 1 - движение вверх, 2 - движение вниз, 3 - движение вперёд, 4 - движение назад, 5 - движение линейное влево, 6 - движение линейное вправо, 7 - взять, 8 - отпустить, 9 - поворот влево, 10 - поворот вправо, 11 - удар.

В качестве примера приводится кодирование ТО для манипулятора ПМР-0,5 - 200КВ и кассетного ПУ в составе второго РТК штамповки:

опустить руку - <1,3,1,2>

поднять руку - <1,3,1,1>

вытянуть руку - <1,3,1,3>

включить схват - <1,3,1,7>

поворот к кассетному ПУ - <1,3,1,9>

поворот к прессу - <1,3,1,10>.

Последовательность конкретных блоков описаний ТО представляет технологическую программу на низшем слое концептуального организационно-технологического программирования.

1.5 Анализ методов искусственного интеллекта при автоматизированном проектировании технологических процессов

Использование промышленных роботов (ПР) и робототехнических комплексов (РТК) в современном производстве предполагает сквозную автоматизацию всех процессов, сопутствующих как разработке, так и изготовлению изделий. В связи с этим одной из важных задач, стоящих перед разработчиками программного обеспечения роботов, является автоматизация процесса создания программ для промышленных роботов [32, 35, 40, 49, 60, 78, 68, 70,79-85].

Сегодня существует три метода программирования роботов: программирование в режиме обучения, программирование на языке программирования роботом и аналитическое программирование. Наиболее перспективным и быстроразвивающимся является метод аналитического программирования (off-line программирования), который представляет собой методику частичной или полной разработки программ без непосредственного использования робота.

Простейшие системы off-line программирования представляют собой автономный модуль, включающий средства графического моделирования, подсистему моделирования кинематики робота, текстовый редактор и средства передачи управляющих программ роботу. Наибольшая эффективность от применения таких систем достигается при их интеграции с системами автоматизированного проектирования САПР/АСТПП.

Современные средства off-line программирования, интегрированные в САПР, должны быть инвариантными как к различным моделям роботов, так и к областям их применения. Кроме того, они должны обеспечивать совместимость с различными типами контроллеров и учитывать погрешности в реализации технологической среды [32].

Разработка каждого из них связана с решением некоторых специфических задач, сложность которых быстро возрастает по мере универсализации системы (расширения номенклатуры обслуживаемых роботов). Система должна быть универсальной (поскольку недостаточно универсальная система малоэффективна), но при этом она не должна становиться слишком сложной, так как в противном случае использование ее затрудняется.

Одна из актуальных задач развития программного обеспечения для роботов - повышение общности языка верхнего уровня, т. е. языка пользователя, до уровня профессионального языка технолога или другого специалиста, эксплуатирующего робототехнические системы, с тем, чтобы от них не требовалось специальных знаний по программированию таких систем. Пределом в этом направлении является возможность общения с робототехническими системами на естественном человеческом языке [67].

Если для передачи команд использовать человеческий голос, можно достичь таких результатов:

- снижается усталость работающего;

- повышается скорость и гибкость передачи команд (с использованием компьютеров);

- высвобождаются руки для выполнения других функций (например, для записи течения процесса);

- передается более насыщенная, богатая по содержанию информация в ответ на возникшую ситуацию;

- появляется возможность трудовой деятельности инвалидов;

- уменьшается однообразие работы, поскольку оператор может использовать свой орган слуха для контроля правильности подаваемых команд, тем самым более активно вовлекаясь в рабочий процесс [20, 25, 67, 70].

Распознавание речи вполне успешно используется в системах мобильной связи для автоматического набора номера телефона, и этот подход предоставляет разнообразные возможности применительно к робототехнике.

При обработке естественного языка используется процедура разбивки фразы на распознаваемые ключевые слова путем грамматического разбора. Полученная структура команды затем исследуется по синтаксису (грамматике, времени), словарю и контексту. Если итоговый результат несовместим с известными машине «правилами», то можно уменьшить размерность модели и либо повторить весь процесс, либо снова сделать грамматический разбор строки. Если же шаг был успешным, то генерируется последовательность команд движения, которые являются входом в контроллер робота [20, 67].

Если подаваемые команды несовместимы с текущим положением робота (например, робот не находится в положении, подходящем для взятия нужного объекта), компьютер должен вырабатывать звуковой сигнал обратной связи человеку (синтезирует речь), предлагая оператору выполнить корректирующие действия.

Этот обратный процесс может включать преобразование цифровой информации в точный аналоговый сигнал, управляющий громкоговорителем. Каков бы ни был результат, речевая обратная связь необходима для того, чтобы оператор смог подтвердить (голосом) команду, перед тем как фактическое движение робота будет совершено [86].

В целом анализаторы речи, распознающие говорящего или реагирующие на отдельные слова, несравненно легче создать, чем машины, распознающие связную речь. Несомненно, исследования по управлению роботами посредством человеческого голоса должны быть продолжены, поскольку существуют трудности в обучении машины, для обеспечения способности понимать заложенный в командах контекст, который человек быстро воспринимает естественным образом. Помимо этого голосовые изменения, которые имеются в речи разных людей или у одного человека, день ото дня создают большие препятствия для распознавания речи [20].

Роботы с техническим зрением и датчиками касания, управляемые речевыми командами, могли бы значительно быстрее захватывать нужные объекты и перемещать их к цели [87].

Естественно, что перед тем, как робот получит команду на выполнение, должны быть тщательно проверены ее правильность и осуществимость (либо обеспечена мгновенная реакция на звуковую команду прекратить движение). Наиболее эффективной проверкой правильности выполнения роботом требуемой задачи было бы графическое представление в режиме «off-line» (в автономном режиме) при помощи трёхмерных моделей.

Таким образом, исследования в области использования систем технического зрения, систем голосового ввода информации остаются актуальными задачами современной робототехники в ИАП.

1.6 Подсистемы ввода информации в САПР технологических процессов

Создание ГС РТС связано с реализацией сложного комплекса организационно-технических мероприятий, решение которых без использования ЭВМ в проектировании невозможно. В связи с этим и наши, и зарубежные авторы отмечают, что одним из основных направлений информатизации становится создание автоматизированных систем технологической подготовки роботизированного производства - АС ТПРП, решение которой должно обеспечить проектирование, анализ, учет и регулирование технологических процессор, выбор состава ГС РТС, средств технологического обеспечения, их проектирование, а также другие вопросы технологической подготовки гибкого сборочного производства в автоматическом или автоматизированном режиме [32].

...