Модели автоматизации проектирования технологических процессов роботизированной сборки

Использование промышленных роботов и робототехнических комплексов 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.

Существующие на сегодняшний день системы аналитического программирования роботов делятся на два класса. Первый класс представляет автономные системы, ориентированные на узкий класс роботов. К ним относятся VAL (Unmation), Sigla (Olivetti), AML (IBM), MCL (McDonnell Douglas), ACRAMITIC (Cincinnati Milacron) и др. Системы второго класса как самостоятельный модуль входят в состав универсальных машиностроительных САПР/САТПП и в специализированные робототехнические САПР/САТПП. Наиболее известными САПР, используемыми при проектировании РТК, являются пакеты CATIA, Microsoft Robotic Studio, CimStation, IRIP, RobCAD. В связи с тем, что методика аналитического программирования тесно связана с технологией САПР/АСТПП, создание второго класса систем является сегодня более предпочтительным.

Разработанные на сегодняшний день зарубежные системы автоматизированного проектирования решают, как правило, задачи макропроектирования ПР и РТК, а также простейшие задачи синтеза. Это связано в первую очередь со сложностью формализации универсальных задач, а также с тем, что при проектировании оптимальных в технико-экономическом смысле систем необходимо удовлетворять ряду взаимно-противоречивых требований. При этом данные системы могут быть установлены только на дорогих графических станциях типа Silicon Graphics и Sun. В отличие от них, отечественные системы являются, как правило, узкоспециализированными. Они специализируются либо для решения задач для конкретных моделей промышленных роботов, либо на конкретные отрасли промышленности [57].

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что одной из недостаточно проработанных подсистем САПР является подсистема ввода информации. Одной из причин этого недостатка является проблема в лингвистическом обеспечении САПР ТП, связанная со сложностью общепринятых языков ввода. При проектировании интерфейсов ввода интеллектуальных роботизированных систем следует исходить из того, что системы управления роботами эксплуатируются инженерами, проектировщиками и многими другими людьми, которые не являются виртуозами программирования. Поэтому важно проектировать системы, «дружелюбные» к пользователю. Этот термин толкуется очень по-разному. Термин дружелюбной к пользователю системы определяются следующим образом [57, 88, 90]:

- обеспечение удовлетворительного интерфейса с пользователем. Все программы связываются с пользователем; ключевые слова и термины имеют смысл во всех приложениях, равно как и ключи управления; обеспечиваются легкодоступные экраны подсказки, советы и меню для руководства необученными пользователями;

- способность отменять все меню и советы опытным пользователям для повышения скорости;

- способность общения с пользователем происходит на привычном для него языке, а не в терминах САПР/АСТПП;

- обеспечение логической последовательности этапов процесса, сходного с процессом проектирования вручную.

1.7 Цель и задания исследования

Проведенный обзор и обобщённый анализ опубликованных результатов научных исследований и технических решений в области разработки систем, моделей технологических процессов и методов описания объектов проектирования выявил существование определённых сложностей и неоднозначностей при разработке САПР технологических процессов.

1. Разработка производственных систем характеризуется всё большим внедрением САПР, однако задачи проектирования технологических процессов сборки роботизированного производства остаются в основном нерешенными.

2. При реализации САПР решение задач проектирования технологических процессов зачастую не связано непосредственно с этапом разработки управляющих программ для технологического оборудования.

3. Проектирование технологических процессов сборки трудно поддаётся математическому моделированию, основано на использовании технологических правил и зачастую зависит от субъективных факторов.

4. Существующие методы проектирования технологических процессов роботизированного производства не в полной мере соответствуют современному уровню программно-технических средств САПР.

Кроме того, анализ литературы по данному вопросу указывает на новые перспективные тенденции в разработке САПР технологических процессов:

- применение методов искусственного интеллекта при проектировании технологических процессов позволит учесть неформальный характер закономерностей проектирования технологии и учесть современные технологии адаптации роботизированных систем, включая системы технического зрения, системы голосового ввода информации;

- использование голосового ввода информации как средства реализации интерактивного интерфейса САПР позволит более точно отразить особенности конкретной технологической задачи, учесть характеристики оборудования и рабочей зоны функционирования робота, обеспечит коррекцию задания технологических переходов, оперативный контроль состояния роботизированной системы.

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 сборки деталей.

Для достижения цели необходимо решить такие 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, что обеспечит техническую реализацию предложенного метода.

Таким образом, данная диссертационная работа направлена на снижение трудоемкости и повышение эффективности процесса проектирования процессов сборки роботизированного производства. Сущность данной работы заключается в решении важной научно-прикладной задачи теоретического и методического обоснования автоматизации проектирования технологических процессов сборки для предприятий машиностроения и приборостроения Украины.

Основные результаты, полученные в данном разделе, опубликованы в работах [6, 15].

РАЗДЕЛ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ

2.1 Постановка задачи моделирования

Проектирование технологических процессов в производстве радиоэлектронной аппаратуры продолжает оставаться областью, в которой роль человеческого фактора велика даже при проектировании изделий несложной конструкции.

Технология процессов сборки изделий имеет, в основном, описательный характер и не позволяет в полной мере использовать вычислительные методы из-за следующих особенностей [65]:

- отсутствие строгих аналитических зависимостей;

- сложная взаимосвязь и взаимное влияние отдельных задач;

- большая роль эмпирических зависимостей и существование неявных объективных законов;

- наличие огромных информационных потоков и влияющих друг на друга факторов.

Такие характерные особенности технологии с самого начала привлекают внимание специалистов из смежных областей, больше ориентированных на работу со слабоформализуемой информацией - технологий представления знаний и методов искусственного интеллекта.

При построении моделей технологических процессов (ТП) следует учитывать огромный опыт, накопленный специалистами-технологами [74, 90, 91], несмотря, зачастую, на его неструктурированность. В то же время необходимо исходить из наличия вполне определенных закономерностей проектирования технологии.

Роботы, как перепрограммируемые автоматические устройства, наиболее часто применимы при осуществлении операций обслуживания технологического оборудования, окраски и контроля. Одним из наиболее перспективных направлений является применение роботов на сборочных операциях. Создание моделей сборочных операций позволяет упростить проектирование технологических процессов сборки, особенно, если представление модели и проектирование системы принятия решений робота будут производиться на общей математической и логической основе.

Разработка систем поддержки и принятия решений роботов включает значительный объем логического программирования. Если рассматривать систему принятия решений как структуру, в состав которой входит решатель интеллектуальных задач, целесообразным является включение в состав системы поддержки и принятия решений подсистемы проектирования (планирования) сборочных операций, также основанной на логической модели.

Исходя из сказанного, можно определить общие требования к проектированию технологических процессов сборки.

Цель технологического процесса сборки заключается в обеспечении необходимой конфигурации сборочной детали в соответствии с технологией конкретного производства.

Результатом процесса сборки является выстроенная в определённой последовательности совокупность сборочных единиц. Как правило, цель достигается одним или несколькими вариантами.

Целевое состояние процесса сборки G можно характеризовать матрицей инцидентностей:

, (2.1)

где dij - наличие общей поверхности сборочных единиц i и j.

Данная матрица описывает взаимное расположение сборочных единиц.

С другой стороны, при описании сборочных деталей необходимо учитывать матрицу размерностей, характеризующую взаимные размерные связи сборочных единиц:

, (2.2)

где rij - наличие размерной связи сборочных единиц i и j.

При проектировании процессов сборки, для достижения цели G используется матрица инцидентностей, матрица размерностей и логические закономерности проектирования технологических процессов сборки, которые учитываются при принятии решения на проектирование. Данные закономерности, в свою очередь, разумно представить матрицей

, (2.3)

где каждое lij - логическая закономерность, характеризующая сочетание сборочных единиц в детали

Матрицы инцидентностей и размерных связей могут быть достигнуты разработкой плана процесса сборки - упорядочением последовательности установки сборочных единиц, т. е.

G= {u1, u2, …, un}, (2.4)

где ui - сборочная единица.

С другой стороны, эти же матрицы инцидентностей и размерных связей можно получить при анализе конструкторской документации как сформулированную в особой форме цель проектирования технологического процесса сборки, иначе говоря, матрицы D и R рассматриваются как в начале процесса проектирования, так и в его конце.

Задача проектирования состоит в том, чтобы на каждом i-том шаге процесса сборки найти необходимую ui, соответствующую условиям матрицы R, D и L.

= Gi(), (2.5)

где - элемент множества упорядоченных сборочных единиц;

G - целевая функция;

- множество неупорядоченных сборочных единиц, ={,,…, };

В результате, технологический процесс сборки можно описать в виде декартова произведения:

G()=DЧRЧLЧ= DЧRЧ, (2.6)

где D - матрица инцидентностей;

R - матрица размерностей;

L - множество логических закономерностей проектирования технологических процессов сборки;

- неупорядоченный набор сборочных единиц;

- упорядоченный набор сборочных единиц (спроектированный технологический процесс).

Таким образом, на основе представленной обобщённой модели предлагается разработать модели технологических процессов, обеспечивающие детальное описание различных подходов к проектированию технологических процессов и учитывающие описанные выше особенности процесса проектирования.

2.2 Логическая модель в проектировании технологических процессов сборки

Технологический процесс сборки - есть совокупность операций по соединению деталей в определенной технически и экономически целесообразной последовательности для получения сборочных единиц и изделий, полностью отвечающих установленным для них требованиям [65, 92]. Другими словами, это последовательность соединений деталей и связанный с ней производственный процесс, обеспечивающий получение соединений деталей, механизмов или машин, отвечающих установленным для них требованиям.

Из определения следует, что в технологическом процессе сборки имеют место функциональные связи двух видов:

- между соединениями и элементами производственной системы;

- характеризующие порядок выполнения соединений.

Под последовательностью соединения деталей следует понимать последовательность действий, связанных с образованием изделия в процессе сборки. К этим действиям относятся как действия по установке очередных деталей, так и действия, связанные с обеспечением технических требований, требуемых параметров и технологией выполнения самих соединений (склеивание, пайка и т. д.) и отдельных сборочных единиц.

Наличие правил и ограничений позволяет представить модель технологического процесса сборки при помощи набора логических выражений, соответствующих логической модели представления знаний. При этом используется подход, аналогичный [93].

Построим логическую модель ТП сборки на примере соединения направляющих перемещений транспортного робота. Такой выбор обуславливается относительной простотой соединения, ограниченностью набора деталей, малым количеством особенностей. Кроме того, указанное соединение - пример отсутствия применения средств автоматизации, как проектирования, так и реализации самого процесса сборки. Все приведенные ниже размеры носят условный характер.

Пусть имеется набор деталей: 2 направляющих, 2 соединительные планки, 8 шайб, 4 гайки и 4 болта. Схема соединения изображена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема соединения направляющих

Описание наличия фактов данной производственной ситуации в терминах логики предикатов имеет следующий вид:

деталь (”направляющая1”)

деталь (”направляющая 2”)

деталь (”планка1”)

деталь (”планка2”)

деталь (”шайба1”)

……………………

деталь (”шайба8”)

деталь (”гайка1”)

…………………….

деталь (”гайка4”)

деталь (”болт1”)

……………………..

деталь (”болт4”)

тип(направляющая1, направляющая)

тип(направляющая2, направляющая)

тип(планка1, планка)

тип(планка2, планка)

тип(шайба1, шайба)

………………………..

тип(шайба8, шайба)

тип(гайка1, гайка)

………………………...

тип(гайка4, гайка)

тип(болт1, болт)

………………………..

тип(болт4, болт)

Каждая деталь характеризуется определёнными размерами, что может быть представлено в следующем виде:

размер (направляющая1,7000,30). (2.7)

Здесь аргументами являются: название детали, длина, толщина.

Каждая деталь соединения имеет свои особенности. Направляющие соединяются болтами, поэтому детали соединения характеризуются отверстиями. В рамках соединения одна направляющая имеет два отверстия диаметром 20 мм, на расстоянии 50 мм и 250 мм соответственно. Соединительные планки длиной 710 мм имеют по четыре отверстия такого же диаметра: два - симметрично центру находятся на расстоянии 50 мм от края и два на расстоянии 250 мм от края. Болты, гайки и шайбы имеют соответствующий диаметр:

особенность (направляющая1, отверстие(1,20,6700), (2.8)

отверстие (2,20,6900)).

особенность (направляющая2, отверстие(1,20,6700), (2.9)

отверстие (2,20,6900)).

особенность (планка1, отверстие(1,20,50), отверстие (2,20,250), (2.10)

отверстие(3,20,460), отверстие(4,20,660)).

особенность (планка2, отверстие(1,20,50), отверстие (2,20,250), (2.11)

отверстие(3,20,460), отверстие(4,20,660)).

Детали типа направляющая и планка относятся к классу основных деталей, для них записывается специальное выражение:

(2.12)

Детали типа болт, гайка и шайба относятся к классу элементов крепления:

(2.13)

Наиболее важная информация о технологии сборки содержится в сборочном чертеже. Помимо взаимного расположения и характера ориентации деталей, важную роль играет описание сборочных единиц. При построении логической модели следует исходить из естественного порядка расположения деталей в каждой сборочной единице.

Так, для рассматриваемой модели процесса сборки соединения направляющих сборочную единицу предлагается представить в следующем виде:

сборочная_единица (1,[болт1, шайба1, планка1,

направляющая1, планка 2, шайба5, гайка1],0). (2.14)

Здесь первый аргумент обозначает номер сборочной единицы. Далее указан список деталей, образующих сборочную единицу в соответствующем порядке. Последним указан приоритет в процессе сборки сборочной единицы (в сравнении с другими сборочными единицами).

При реализации сборочного соединения направляющих необходимо учитывать ряд технологических правил. В сборочную единицу входят болт, шайба, планка, направляющая, планка, шайба, гайка. С точки зрения логической модели можно записать следующее выражение:

(2.15)

Основные детали должны иметь одинаковую особенность (отверстие), элементы крепления - соответствующие размеры.

(2.16)

Аналогично можно представить сборку радиоэлектронной аппаратуры. Рассмотрим установку на плату подвесных элементов. Пусть на печатную плату необходимо установить микросхемы, количество которых может изменяться от 0 до некоторого i, конденсаторы в количестве от 0 до j, от 0 до k транзисторов, от 0 до l резисторов, от 0 до m катушек индуктивности и от 0 до n диодов. Описание наличия этих фактов в терминах логики предикатов можно описать следующим образом:

деталь (”печатная плата”)

деталь (”микросхема_1”)

тип (печатная плата, печатная плата)

тип (микросхема_1, микросхема)

……………………

деталь (”микросхема_i”)

деталь (”конденсатор_1”)

……………………

деталь (”конденсатор_j”)

деталь (”транзистор_1”)

……………………

деталь (”транзистор_k”)

…………………….

деталь (”резистор_1”)

……………………..

деталь (”резистор_l”)

……………………

тип (микросхема_i, микросхема)

тип (конденсатор_1, конденсатор)

………………………..

тип (конденсатор_j, конденсатор)

тип (транзистор_1, транзистор)

……………………

тип (транзистор_k, транзистор)

………………………...

тип (резистор_1, резистор)

………………………..

тип (резистор_l, резистор_l)

деталь (”катушка_индуктивности_1”)

……………………

деталь (”катушка_индуктивности_m”)

тип (катушка_индуктивности_1, катушка_индуктивности)

……………………

тип (катушка_индуктивности_m, катушка_индуктивности)

деталь (”диод_1”)

……………………

деталь (”диод_n”)

тип (диод_1, диод)

……………………

тип (диод_n, диод)

Каждая деталь характеризуется определёнными параметрами, что может быть представлено в следующем виде:

параметры (название, площадь, размер, вариант_установки). (2.17)

Вариант установки учитывает, какие выводы содержит навесной элемент (планарные либо стержневые). Для сборки изделий РЭА особенность можно записать в следующем виде:

особенность (название, [список_контрольных_точек]), (2.18)

где [список_контрольных_точек]=[кт1,кт2],где кт1, кт2 - точки ориентации элемента на плате.

Тогда сборочную единицу можно представить в следующем виде:

сборочная_единица (номер, плата, [список_навесных_элементов]). (2.19)

Для сборки изделий РЭА можно записать следующее правило:

(2.20)

Изделие считается собранным, когда собраны все его сборочные единицы. Сборочная единица собрана, когда найдены все детали, составляющие её.

Первым шагом является нахождение базовой детали:

(2.21)

Далее находится деталь, которая будет соединяться с базовой (совместимая деталь) и сборочная единица, в которую входят базовая и совместимая с ней деталь.

Базовой деталью выбирается деталь с наибольшими размерами:

(2.22)

Деталь, совместимая с базовой, должна обладать и совместимыми особенностями:

(2.23)

Затем необходимо определить последовательность процесса сборки сборочных единиц и детали, с помощью которых будут соединяться базовая и совместимая детали.

Разработанная модель послужила основой создания программы на языке Turbo-Prolog, как языке, практически реализующем логическую модель представления знаний [94, 95].

Основной предикат Prolog-программы обеспечивает определение порядка процесса сборки:

make_process: - find_base(Base), find_compatible(Base,D),

find_joiner(Base,D,L), find_joint(Base,D,L,UL),

assemble_joint(UL), make_process.

автоматизация проектирование роботизированная сборка

Таким образом, первоначально определяется базовая деталь Base. Далее находится совместимая с ней деталь D, также деталь L, являющаяся соединителем базовой и совместимой. На следующем шаге находится список сборочных единиц UL, обеспечивающих соединение базовой и совместимой деталей. Реализация соединений для всего списка сборочных единиц будет означать реализацию самого соединения. Процесс может быть рекурсивно повторен.

2.3 Моделирование технологических процессов сборки при помощи семантической сети

Рассмотрим моделирование процесса сборки объекта, изображённого на рис. 2.1 при помощи модели семантических сетей. Как известно, данная модель предусматривает наличие набора вершин, представляющих объект, моделируемой предметной области, и дуг, описывающих отношения между объектами. В соответствии с таким представлением, процесс сборки направляющих может быть описан следующим образом.

Направляющая1 присоединяется к Направляющая2, если существуют совместимые детали типа «планка», которые прикладываются с обеих сторон Направляющая1 и Направляющая2. Соединение Направляющая1, Направляющая2 при помощи Планка1 и Планка2 осуществляется совместимыми болтами, шайбами и гайками.

На основании этого высказывания построим семантическую сеть, которая представляет собой направленный граф с помеченными вершинами и дугами. При этом вершинам ставятся в соответствие определённые объекты (в данном случае - детали), а дугам - семантические отношения между ними.

Аналогично [93] пусть задано множество объектов А={Направляющая1, Направляющая2, Планка1, Планка2, Болт1, Бол2, Болт3, Болт4, Шайба1, Шайба2, Шайба3, Шайба4, Шайба5, Шайба6, Шайба7, Шайба8, Гайка1, Гайка2, Гайка3, Гайка4}, - атрибуты; и конечное множество отношений R={Соединение, Ориентирование, Совмещение, Следование за}. По определению схемой, или интенсионалом отношения Ri, называется следующий набор пар:

INT(Ri)={…,[Aj, DOM(Aj)], …}, (2.24)

где Ri - имя отношения;

DOM(Aj) - домен Aj, т.е. множество значений атрибута Aj отношения Ri.

Тогда интенсионал отношения «Соединение» можно записать в следующей форме:

INT(Соединение)={[Направляющая1, Направляющая2],

[Направляющая2, Направляющая1]}; (2.25)

интенсионал отношения «Ориентирование» будет выглядеть следующим образом:

INT(Ориентирование)={[Направляющая1, (Направляющая2,

Планка1, Планка2)],

[Направляющая2, (Направляющая1, Планка1, Планка2)],

[Болт1, Планка1], [Болт2, Планка1], [Болт3, Планка1],

[Болт4, Планка1], [Шайба1, Болт1], [Шайба2, Болт1], (2.26)

[Шайба3, Болт2], [Шайба4, Болт2], [Шайба5, Болт3],

[Шайба6, Болт3], [Шайба7, Болт4], [Шайба8, Болт4],

[Гайка1, Болт1], [Гайка2, Болт21], [Гайка3, Болт3], [Гайка4, Болт4]};

для отношения «Совмещение» интенсионал можно записать в следующем виде:

INT(Совмещение)={[Направляющая1, (Направляющая2, Планка1, Планка2)],

[Направляющая2, (Направляющая1, Планка1, Планка2)]

[Болт1, (Планка1, Шайба1, Шайба2, Гайка1)],

[Болт2, (Планка1, Шайба3, Шайба4, Гайка2)],

[Болт3, (Планка2, Шайба5, Шайба6, Гайка3)],

[Болт4, (Планка2, Шайба7, Шайба8, Гайка4)], (2.27)

[Шайба1, Болт1], [Шайба2, Болт1], [Шайба3, Болт2], [Шайба4, Болт2],

[Шайба5, Болт3], [Шайба6, Болт3], [Шайба7, Болт4], [Шайба8, Болт4],

[Гайка1, Болт1], [Гайка2, Болт21], [Гайка3, Болт3], [Гайка4, Болт4]};

интенсионал отношения «Следование за» представим следующим образом:

INT(Следование за)={[Шайба1, Болт1], [Шайба3, Болт2],

[Шайба5, Болт3], [Шайба7, Болт4],

[Планка1, (Шайба1, Шайба3, Шайба5, Шаба7)],

[Направляющая1, Планка1], [Направляющая2, Планка1],

[Планка2, (Направляющая1, Направляющая2)],

[Шайба2, Планка2], [Шайба4, Планка2], (2.28)

[Шайба6, Планка2], [Шайба8, Планка2],

[Гайка1, Шайба2], [Гайка2, Шайба4],

[Гайка3, Шайба6], [Гайка4, Шайба8], }.

Объединение всех доменов является экстенсионалом отношения Ri, т.е.

EXT(Ri)={F1,…,Fp}, (2.29)

где Fk(k=1,p) - факт отношения Ri.

Факт задается совокупностью пар «атрибут - значение», которые называются атрибутивными парами. В графической интерпретации факт - это подграф семантической сети, имеющий звездообразную структуру. Корень подграфа - вершина предикатного типа. Из вершины подграфа выходят рёбра, которые обозначаются именами атрибутов факта и направляются к вершинам базового множества, которые являются значениями этих атрибутов.

Выделенные отдельные факты представлены в приложении Б.

Отношения «Соединение», «Ориентирование» и «Совмещение» являются взаимными, то есть, если объекту1 присуще определённое отношение к объекту2, то и объекту2 присуще это отношение к объекту1. Отношение «Следование за» не является взаимным и означает, что объект1 следует за объектом2.

Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Соединение» представлен на рис. 2.2.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2. Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Соединение»

Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Ориентирование» для установки навесных элементов при сборке изделий РЭА представлен на рис. 2.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3. Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Ориентирование»

Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Совмещение» представлен на рис. 2.4.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4. Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Совмещение»

Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Следование за» представлен на рис. 2.5.

Таким образом, разработанная модель технологического процесса сборки обеспечивает описание отношений между сборочными единицами в собираемом изделии. Хотя семантическая сеть призвана отобразить наличие смысловых связей между сборочными единицами, полное описание изделия представляется достаточно громоздким даже для несложных изделий. Поэтому представляется целесообразным использовать модель семантической сети только для отображения отдельных узлов, в том числе стандартных по составу и технологическому исполнению.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.5. Фрагмент семантической сети, описывающий отношение «Следование за»

2.4 Представление технологических процессов сборки при помощи фреймовой модели

В предыдущих подразделах были рассмотрены логическая и семантическая модели процесса сборки. Так как при процессе сборки часто имеют место типовые ситуации процесса сборки отдельных узлов, имеет смысл рассмотреть фреймовую модель технологического процесса сборки.

Для каждого сборочного изделия может существовать множество возможных схем процесса сборки СД.

В частности, СД представляет собой:

СД=<C(D)1, C(D)2,…, C(D)N>, (2.30)

где СД - множество схем процесса сборки,

C(D)i - возможная схема процесса сборки,

N - количество возможных схем процесса сборки.

В свою очередь C(D) может быть записано в следующем виде:

C(D)=<da, db,…,dm>, (2.31)

где D - множество необходимых сборочных операций;

diD - отдельная сборочная операция;

m - количество необходимых сборочных операций.

Каждая отдельная сборочная операция осуществляется определённым инструментом, она также описывается начальным и конечным состояниями собираемых деталей. Это можно записать следующим образом:

di=<I, ndet1, ndet2, kdet1, kdet2>, (2.32)

где I - инструмент;

ndet1 - начальное положение детали 1;

ndet2 - начальное положение детали 2;

kdet1 - конечное положение детали 1;

kdet2 - конечное положение детали 2.

В схеме C(D)I может оказаться типовая подпоследовательность процесса сборки <di, dj,dk>, которая будет представлять типовую сборочную технологическую операцию (ТО), а значит, представляет собой фрейм технологической операции. Пример выделения типовых технологических операций (фреймов) в структуре технологического процесса приведен на рис. 2.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.6. Выделение типовых технологических операций (фреймов) в структуре технологического процесса

Фрейм «соединение» содержит перечисление всех возможных видов соединения: болтовое соединение, винтовое соединение, сварочное соединение, паянное соединение, заклёпочное соединение. Каждое из этих соединений в свою очередь представляет собой фрейм данного соединения, который содержит информацию об инструменте, времени выполнения соединения, а также начальное и конечное положения соединяемых деталей. Отметим, что для установки каждого типа элементов на печатную плату необходимо выполнить целую совокупность действий - подпоследовательностей технологического процесса. Фрейм «Установка_диодов» содержит операции, которые необходимы для установки диодов: операции взятия диода из магазина, поднесения диода к необходимому месту на печатной плате, ориентирование его относительно контрольных точек, и непосредственно сама установка. Аналогично выделяются фреймы для каждого типа навесных элементов: микросхем, транзисторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности.

При анализе технологических процессов сборки необходимо находить типовые подпоследовательности и упорядочить выполнение процесса сборки по критериям экономии времени, материалов, оборудования. Для выполнения этих критериев целесообразно выделить подпоследовательности, которые могут быть выполнены параллельно, минимизировать необходимости переориентации робота и деталей, а также смены инструмента во время процесса сборки.

Рассмотрение фреймовой модели позволяет сделать следующее заключение: при проектировании ТП сборки фреймовая модель подходит для описания типовых подпоследовательностей технологических процессов, отдельных технологических операций и переходов. Даже в совершенно новом изделии возможно наличие типовых сборочных узлов, для которых в структуре системы планирования технологических процессов будет существовать соответствующий фрейм, описывающий элемент технологии процессов сборки - своеобразное микро-“know-how” для отдельного узла, перехода или операции.

2.5 Моделирование технологических процессов сборки при помощи сетей Петри

При проектировании технологических процессов роботизированного производства удобно использовать сети Петри. Такой подход описан в [96-98]. Применение сетей Петри можно рассматривать в двух направлениях. С одной стороны, при помощи сети Петри возможно представление детальной структуры технологических переходов спроектированного технологического процесса сборки. При этом считается, что последовательность процесса сборки уже определена и её можно разработать либо также при помощи сетей Петри, либо с помощью других моделей. С другой стороны, модель сетей Петри может являться основой для проектирования технологического процесса с первоначально неопределённым характером переходов. В этом случае все возможные варианты процесса сборки можно описать последовательностью узлов - сборочных элементов и подсборок. Выбор той или иной последовательности может определяться при помощи логической модели и оцениваться при помощи коэффициентов определённости [96-99].

Рассмотрим моделирование работы сборочного РТК при помощи сети Петри. Работа сборочного РТК начинается с включения промышленного робота. Далее, при условии выполненного включения, проверяется наличие манипулятора в начальном положении (в точке 1'). На следующем этапе манипулятор переводится в точку расположения детали 2 (магазин деталей). После этого деталь зажимается схватом, после чего она переносится в точку установки (точка назначения 1). Следующим шагом является установка детали в необходимом положении и разжатие захватного устройства. Манипулятор переводится в точку назначения 1. Наращивается счётчик количества установленных деталей, выполняется проверка, все ли детали установлены, и если нет, манипулятор перемещается в необходимую точку 2 (магазин деталей). Цикл повторяется до тех пор, пока все детали не будут установлены, после чего рука манипулятора переводится в начальную точку 1', и робот выключается.

Сеть Петри для функционирования сборочного РТК приведена на рис. 2.7.



Рис. 2.7. Сеть Петри для функционирования сборочного РТК

На рис. 2.7 переменные принимают следующие значения: x0 - РТК включен, х1 - манипулятор ПР в начальной точке 1', х2 - манипулятор ПР в необходимой точке 2, х3 - деталь зажата захватным устройством ПР, х4 - манипулятор ПР в точке назначения 1, x5 - деталь установлена, х6 - деталь разжата захватным устройством ПР, х7 - манипулятор ПР в точке назначения 1, х8 - i=i+1, x9 - i<n+1, x10 - i=n+1, x11 - манипулятор ПР в начальной точке1', А0 - включение РТК, А1 - перемещение манипулятора ПР в начальную точку 1', А2 - перемещение манипулятора ПР в необходимую точку 2, А3 - захват заготовки роботом, А4 - перемещение манипулятора ПР в точку 1, А5 - установка детали, А6 - разжим заготовки роботом, А7 - перемещение манипулятора ПР в точку 1, А8 - i = i + 1, А9 - i<n+1, А10 - i=n+1, А11 - перемещение манипулятора ПР в начальную точку 1', А12 - выключение робота. Предлагается использовать сеть Петри для анализа технологического процесса робота для выявления ошибок, наличия зацикливаний и нерациональных перемещений манипулятора робота. В случае обнаружения данных ситуаций необходимо скорректировать непосредственно технологический процесс робота для избегания ошибок при составлении прикладной программы работы робота.

Таким образом, в данном разделе предложена модель технологического процесса сборки на основе сетей Петри. Данная модель позволяет детально описать характер технологических переходов при проектировании технологии сборочного РТК. Также сеть Петри разумно использовать при определении порядка процесса сборки в РТК, исключив возможные ошибки, зацикливания и нерациональные перемещения манипулятора робота. Учитывая многовариантность процесса проектирования технологии сборки и необходимость оценки каждого из вариантов, следует также говорить и о применимости подхода нечётких сетей Петри.

2.6 Выводы к разделу 2

В данном разделе рассмотрены модели проектирования технологических процессов сборки роботизированного производства. Формальное представление процессов сборки основано на общем представлении сборочной детали как упорядоченной совокупности сборочных единиц. Характер упорядочения определяется замыслом конструкции сборочной детали с учётом взаимодействия сборочных единиц, их размерных связей, формальных и неформальных логических закономерностей проектирования технологических процессов. При этом основными результатами, предложенными в этом разделе, являются следующие:

1. Существующие неформализованные закономерности проектирования технологических процессов сборки представлены в виде логических выражений, которые можно использовать в подсистемах САПР, связанных с технологическим проектированием. На основании свойств проектирования технологических процессов сборки разработана логическая модель технологического процесса. Она позволяет определить логические связи между сборочными единицами в детали, а также, исходя из них, составить последовательность процесса сборки.

2. Предложена модель технологических процессов на основе семантических сетей, которая описывает отношения между сборочными единицами в детали. Она позволяет определить порядок и способ совмещения, а также взаимную ориентацию сборочных единиц в изделии.

3. Для выделения типовых ситуаций в последовательности процесса сборки разработана фреймовая модель технологических процессов, что обеспечивает возможность упорядочивания выполнения процесса сборки. Эта модель позволяет использовать накопленный ранее опыт проектирования технологических процессов путём включения в состав технологического процесса ранее отработанных технологий осуществления процессов сборки.

4. Предложена модель технологического процесса сборки на основе сетей Петри, которая позволяет детально описать тип и последовательность технологических переходов. Данная модель позволяет представить технологический процесс как последовательность дискретных состояний робототехнической системы, причём переход из одного состояния в другое реализуется с помощью перемещений манипулятора робота и изменения его рабочей среды.

Таким образом, указанная совокупность моделей позволит описать процесс проектирования технологических процессов с разных точек зрения и с учётом использования голосового ввода информации, обеспечить целостное описание и подготовить основу для практической реализации подсистемы голосового ввода информации в составе САПР ТП робота.

Основные результаты, полученные в данном разделе, опубликованы в работах [1, 8, 9, 15].

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

3.1 Голосовой ввод информации при проектировании технологии роботизированной сборки

Применение средств систем технического зрения и тактильного очувствления призваны помочь повысить возможности робота в восприятии информации об изменениях внешней среды.

С точки зрения промышленных роботов наличие развитых средств очувствления должно обеспечить необходимый уровень адаптации технологических процессов к условиям рабочей среды, включая возможность изменения характера и последовательностей технологических переходов. Известно, что речь является лучшим и наиболее привычным способом передачи информации от человека к человеку. Рассматривая проектирование роботизированных технологических процессов вполне естественно предположить возможность реализации подсистемы голосового ввода информации, которая смогла обеспечить оперативный контроль функционирования робота, проектирования технологических операций и отдельных технологических переходов, режимы дистанционного управления роботом.

Ставится задача обеспечения формирования технологических процессов и отдельных операций с помощью голосового ввода информации.

Анализ голосовой информации может обеспечиваться различными методами. Уже указывалось, что классическим методом является обработка голосовой информации с помощью кратковременного дискретного преобразования Фурье. Более новым и перспективным методом является применение искусственных нейронных сетей (ИНС).

Распознавание речи открывает широкие возможности применения его в робототехнике. Одна из возможных реализаций системы распознавания речи представлена на рис.3.1.

Рис. 3.1. Распознавание речи и система обработки

естественного языка [20]:

1 - монитор;

2 - микрофон;

3 - камера;

4 - робот.

Оператор распознает сложную деталь (например, кремниевую пластину) на экране и командует роботу: «Загрузить палету А». Эта команда влечет за собой множество действий. Прежде всего, после соответствующей обработки звукового сигнала, производится кодирование звукового сигнала и анализ его структуры. Как только произнесенное выражение обработано в виде лингвистической строки, начинается процесс распознавания смысла (понимания) речи [20].

В современных компьютерных системах все больше внимания уделяют построению интерфейса с естественным вводом-выводом информации (распознавание рукописного текста, речевой диалог).

Наиболее перспективными на сегодняшний день являются системы речевого ввода. Задачу распознавания речевой информации можно разделить на две большие подзадачи:

- непосредственное распознавание отдельных слов;

- распознание смысла команд.

Непосредственное распознавание отдельных слов осложняется рядом факторов: различием языков, спецификой произношения, шумами, акцентами, ударениями и т. п.

В настоящее время можно выделить два основных направления при построении систем распознавания речи.

Эталонный метод основан на сравнении некоторых характеристик речи (энергетических, спектральных и т.п.). В качестве эталонов в большинстве случаев используют целые слова. Данный метод удобен для использования в системах с ограниченным словарем (например, для ввода небольшого набора команд) [100, 101]. Эталоны формируются путем статистической обработки большого числа шаблонов. Сравнение входного сигнала с эталоном возможно путем нечёткого сопоставления образов [102].

Фонемно-ориентированный метод основан на выделении фонем из потока речи.

Сравнивая распознавание речевого потока методом распознавания целых слов и распознавание фонем можно сделать вывод: при небольшом количестве слов, используемых оператором, более высокую надежность и скорость можно ожидать от распознавания целых слов, но при увеличении словаря - скорость резко падает. Предположительно, размер словаря системы распознавания уже в сотню слов делает актуальным переход на уровень более низкий, чем распознавание слов в целиком [103].

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) [20].

Подсистема ввода голосовой информации может являться частью САПР технологических процессов роботизированной сборки и может обеспечивать интерактивное формирование прикладных программ для сборочного робота. Таким образом, проведение исследований в области применения голосового ввода прикладной программы позволит достичь улучшения качества.

При технологическом проектировании следует учитывать возможность применения имитационных моделей разного вида, учитывающих особенности технологического проектирования в условиях роботизированного производства [7].

Как известно, схемой сборки изделия является графическое изображение в виде условных обозначений последовательности сборки изделия или его составных частей. Выделяют [7] три структурных вида технологических схем сборки: последовательный, параллельный и смешанный (последовательно-параллельный). К схемам сборки последовательного вида относятся такие, которые дают необходимые признаки для последовательной сборки изделия. Аналогично, к схемам сборки параллельного вида относятся такие, которые имеют признаки для параллельной сборки. Третий вид схем комбинирует свойства первых двух.

На основе анализа сборочных чертежей разрабатывают технологическую схему сборки изделия с учётом размерных цепей. В различной литературе [7, 65, 104] выделяют следующие правила учёта размерных цепей при определении последовательности сборки:

1. При наличии нескольких размерных цепей, сборку начинают с наиболее сложной и ответвлённой размерной цепи, состоящей из других, более простых цепей.

2. Сборку начинают со сборочных единиц и деталей, у которых имеются общие звенья, принадлежащие наибольшему количеству размерных цепей.

3. При наличии размерных цепей с общими звеньями сборку начинают с элементов размерной цепи, которая максимально влияет на точность изделия.

4. Для равноценных по точности цепей, сборку начинают с более сложной цепи.

5. При выполнении последовательности сборки постепенно переходят к тем сборочным единицам и деталям, размеры и относительные повороты которых являются общими звеньями, принадлежащими постепенно уменьшающему количеству размерных цепей.

6. Если точность замыкающего звена устанавливается методом регулировки, необходимо найти компенсирующие звенья и детали, выполняющие роль неподвижных и подвижных компенсаторов.

7. Сборку завершают установкой замыкающих звеньев.

От моделей и формальных определений необходимо переходить к реальных деталям и их схемам сборки. В качестве примера детали рассмотрим чертёж клапана, представленного на рис. 3.2.

Последовательность сочетания сборочных элементов и общий порядок реализации схемы сборки можно отобразить графом. Для изделия, представленного на рис. 3.2, таким может являться граф, показанный на рис. 3.3.

При проектировании сборки исходят из необходимости составления схемы общей сборки, а затем технологические схемы узловой сборки могут быть разработаны параллельно на нескольких рабочих местах (в том числе несколькими программами).

Представление схемы сборки при помощи графа наглядно показывает основные этапы процесса. Например, он демонстрирует, что сочетание сборочных единиц 1 и 7 образует узел Х1, сочетание которого со сборочной единицей 10 даёт узел Х2. Аналогично можно рассмотреть и другие этапы технологической схемы сборки.

Рис. 3.2. Чертёж клапана [104]



Рис. 3.3. Граф последовательности сборки [104]

При голосовом вводе информации задаётся последовательность технологических переходов и операций. Таким образом, можно определить сочетания сборочных единиц, последовательность их соединения.

На основании заданных команд управления можно составить граф, описывающий последовательность сборки. Не следует думать, что при проектировании роботизированного ТП технологическая схема сборки предоставляет всю информацию для программирования РТК. Например, установка и сборка элементов 1 и 7 в сборочный узел Х1 подразумевает следующие технологические переходы манипулятора:

а) взять элемент 1;

б) установить элемент 1 в приспособление А;

в) взять элемент 7;

г) установить элемент 7 на элемент 1.

Несложно заметить, что данные технологические переходы манипулятора можно задать при помощи голосового ввода информации, таким образом, они являются более детализированным уровнем формирования технологической схемы сборки.

В результате можно представить следующие особенности формирования ТП сборки:

а) оператор РТК при помощи набора голосовых команд задаёт технологический переход для манипулятора робота, который должен быть трансформирован в последовательность команд управления манипулятором;

б) отдельные технологические переходы формируют узлы технологической схемы сборки и всю схему сборки;

в) сформированная технологическая схема сборки реализует модель технологического процесса и позволяет использовать математические методы оптимизации технологических процессов.

С практической точки зрения это может означать необходимость реализации следующих программно-технических компонентов:

- подсистемы голосового ввода информации со встроенными блоками лексического и синтаксического анализа, интерпретации;

- функции формирования графового представления технологической схемы сборки;

- подсистемы, реализующей расчёты оптимальных характеристик технологического процесса сборки.

Согласно рис. 3.4, при проектировании технологических процессов необходимо рассматривать последовательность сборки сборочной детали как сборку совокупности узлов и состоящих из них сборочных единиц.

Рис. 3.4. Особенности проектирования сборки

Однако такое представление не дает информации о выполнении технологических переходов и может лишь служить исходной информацией для их проектирования, особенно в случае проектирования роботизированной технологии.

Уровень технологических переходов также представляет лишь укрупненную схему проектирования роботизированных технологических процессов, но именно на нем можно применить голосовой ввод управляющих команд. При этом технологический переход может задаваться в виде последовательности команд, показанных в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Последовательность соединения элементов

Взять_е1	Установить_е1_в_точку_А
Взять_е7	Установить_е7_на_объект_е1	Результат - X1
Взять_е10	Установить_е10_на_объект_Х1	Результат - X2
Взять_е5	Установить_е5_в_точку_В
Взять_е2	Установить_е2_на_объект_е5	Результат - X3
Взять_е8	Установить_е8_на_объект_Х3	Результат - X4
Взять_е6	Установить_е6_на_объект_Х4	Результат - X5
Взять_X5	Установить_X5_на_объект_X2	Результат - X6
Взять_е14	Установить_е14_на_объект_X6	Результат - X7
Взять_е3	Установить_е3_на_объект_X7	Результат - X8
Взять_е15	Установить_е15_на_объект_X8	Результат - X9
Взять_е12	Установить_е12_на_объект_X9	Результат - X10
Взять_е4	Установить_е4_на_объект_X10	Результат - X11
Взять_е13	Установить_е13_на_объект_X11	Результат - X12
Взять_е11	Установить_е11_на_объект_X12	Результат - X13
Взять_X13	Перевернуть_X13
Взять_е9	Установить_е9_на_объект_X13	Результат - X14

Рассмотрение отдельных технологических операций, используемых в РТК, показывает взаимную связь и состав переходов. В частности, можно рассмотреть схематическое представление отдельной операции как совокупности переходов:

взять_объект = открыть_схват, переместиться_к_объекту, закрыть_схват;

установить_объект = взять_объект, переместить_объект, открыть_схват.

перевернуть_объект = взять_объект, повернуть_схват_ +180, открыть_схват.

Применительно к описанному на рисунке 3.3 графу необходимо рассматривать следующие технологические переходы (рассмотрена часть схемы):

переместиться_к_e1;

взять_e1;

переместить_e1_в_точку_А;

установить_e1_в_точку_А;

переместиться_к_e7;

взять_e7;

переместить_e7_к _объекту_e1;

установить_e7_на_объект_e1;

переместиться_к_e5;

взять_e5;

переместить_e5_в _точку_В;

установить_e5_в_точку_В;

переместиться_к_e2;

взять_e2;

переместить_e2_к _объекту_e5;

установить_e2_на_объект_e5.

Собственно на их основе будет строиться граф технологической схемы сборки, представляющий модель технологического процесса.

Более детально:

переместиться_к_е10;

взять_е10;

переместить_е10_к _объекту_Х1;

установить_е10_на_объект_Х1;

……………………..

переместиться_к_е5;

взять_е5;

переместить_е5_в _точку_В;

установить_е5_в_точку_В;

переместиться_к_е2;

взять_е2;

……………………

взять_е11;

переместить_е11_к _объекту_ X12;

установить_е11_на_объект_ X12;

переместиться_к_ X13;

взять_ X13;

перевернуть_ X13;

переместиться_к_е9;

взять_е9;

переместить_е9_к _объекту_X13;

установить_е9_на_объект_ X13.

Таким образом, технологическая схема сборки разбивается сначала на технологические переходы, а далее - на отдельные движения манипулятора, которые, по сути, будут представлять программу управления роботом при осуществлении технологического процесса сборки.

В описанном процессе проектирования важно проследить место и значение голосового ввода информации. Использование голосового ввода информации возможно в первую очередь при задании отдельных движений манипулятора и построенных на их основе технологических переходов.

Элементарным уровнем при этом будут команды типа «повернуть основание на плюс семьдесят пять». Более сложными будут являться команды типа «взять объект А», предполагающие знание координат объекта, или «разместить объект А на объект В», предполагающее информацию об обоих объектах. Таким образом, голосовое управление обеспечит формирование ключевых этапов технологического процесса сборки, исключить многие «бумажные» этапы и позволит существенно упростить процесс проектирования.

3.2 Цифровая обработка сигналов и её использование при вводе голосовой информации

...