Модернизация роботизированного комплекса контроля ходовых колес железнодорожного вагона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

колесо автоматизация контроль

Данная дипломная работа посвящена модернизации роботизированного комплекса контроля ходовых колес железнодорожного вагона, включающей в себя разработку системы управления, основанной на экспертной системе. В качестве прототипа взят промышленный робот с ЧПУ М20П.40.01.

Целью модернизации является повышение экономической эффективности засчет автоматизации процесса контроля поверхности. Применение нового робота позволяет освободить работающий персонал от небоходимости выполнения монотонных работ по слежению за процессом производства. Актуальность данной темы состоит в том, что применение экспертных систем позволяет моделировать рассуждения человека-эксперта, применительно к заданной области. Так как одна из основных целей робототехники - освободить человека от тяжелого, рутинного труда, то автоматизация путем применения экспертных систем есть прямой путь к достижению цели. Экспертные системы уже имеют широкое применение для решения прикладных задач по автоматизации бухгалтерских расчетов, моделированию экономических операций, и таких областей становится все больше. Переориентация производства на интеграцию всех призводственных процессов с единой системой управления, где носителями знаний являются робототехнические системы-эксперты, позволит получить существенную экономическую выгоду в перспективе, поскольку в крупных производственных системах на обмен информацией между структурными подразделениями затрачивается большая доля финансовых и временных ресурсов.

Основная инженерная работа в данном проекте будет посвящена моделированию и построению экспертной системы. Согласно проекту, есть возможность внедрить на предприятиях такой роботизированный комплекс, т.к. уже сейчас ведущие предприятия ищут возможность интеграции производства, а в перспективе, такая автоматизация станет нормой.

Объектами диагностирования являются литые и цельнокатаные колеса. Производству колес придается особое значение, поскольку чрезвычайно высока ответственность за безопасность подвижного состава. Литые колеса при более низкой себестоимости обладают более низкими техническими характеристиками и меньшей ресурсоемкостью, поэтому в последнее время рынок все больше захватывают цельнокатаные колеса. В 2004 году объем производства составил 800 тыс. штук. На рисунке представлена технологичесая схема производства колес.

Рис. 1. Технологическая схема производства железнодорожных колес: 1 -- порезка слитков; 2 -- ломка слитков; 3 -- нагрев заготовок; 4 -- гидросбив окалины; 5 -- осадка заготовки; 6 -- разгонка заготовки; 7 -- формовка; 8 -- колесопрокатный стан; 9 -- выгибка и калибровка; 10 -- ускоренное охлаждение; 11 -- изотермическая выдержка; 12 -- осмотр черновых колес; 13 -- предварительная механообработка; 14 -- осмотр и контроль колес; 15 -- нагрев колес под закалку; 16 -- закалка колес; 17 -- отпуск и замедленное охлаждение; 18 -- окончательная механообработка; 19 -- дробеструйное упрочнение; 20 -- ультразвуковой контроль; 21 -- приемка готовой продукции

В связи с потребностью более тщательного контроля цельнокатаных ходовых колес появляются новые методы и способы. Рассматриваемый роботизированный комплекс контроля кодовых колес работает на основе оптического метода контроля. В дипломе излагаются основные принципы этого метода, необходимые операции по модернизации оборудования, подготовке позиций контроля и процесс мониторинга.

Использование робототехнических комплексов недостаточно широко применяется в настоящее время, особенно в железнодорожном транспорте. Внедрение новых технологий позволит освободить человека от монотонного ручного труда, более точно и своевременно обнаруживать погрешности производства, что в свою очередь приведет к повышению безопасности железнодорожного движения.

1. Обзор существующих конструкций

Контроль геометрии вагонных колес и букс являются одной из важнейших процедур обеспечения безопасности, наработанных железными дорогами за свою более чем столетнюю историю. На Российских железных дорогах, такие осмотры должны происходить практически непрерывно. Сегодня для решения поставленной задачи используются автоматизированные системы контроля геометрии колес вагонов на ходу. Конструкторско-технологический институт научного приборостроения (КТИ НП) уже разработал технологию точного измерения размеров трехмерных объектов, основанную на бесконтактном лазерном сканировании с использованием обычных датчиков координат. По данным КТИ НП, эта технология уже использовалась в ряде промышленных систем контроля качества и доказала свою состоятельность. Такая система на скорости до 60 км/ч обеспечивает надежное обнаружение предельного износа колеса и дефектов типа наваров и наплывов, обнаружение крышки колесной буксы. При этом система работоспособна даже при неблагоприятных погодных условиях: температуры -50..+50°C, дождь, туман, пыль, грязь от движения поезда. К сентябрю 2006 г. система установлена более чем в двадцати точках, разбросанных по всей территории Российской Федерации. Внедрение системы позволило людям осматривать только проблемные вагоны, что привело к существенному снижению количества рутинной работы, а значит ошибок, и таким образом повысило безопасность движения поездов. По оценкам специалистов, полное внедрение системы на всех дорогах страны сократит время движения поезда из Азии в Европу на сутки. Система промерила более 50 миллионов колесных пар с момента первой установки. Несколько тысяч грузовых вагонов, идущих на дефектных колесных парах, были отцеплены для замены колес. Плюс ко всему, РЖД получила исчерпывающую статистику состояния колесного парка и темпов его износа. Таким образом, при поступлении на ремонт, колеса вагона не нужно диагностировать, так как вся информация уже имеется на компьютерах в депо. Принципиальная схема данной установки приведена на рисунке 1.1.

Рис.1.1. Принципиальная схема системы контроля геометрии колес вагонов, разработанной отечественной компанией Эксельсиор по заказу ОАО «РЖД».

Пояснения к рисунку:

1 - Правый и левый осевые датчики

2 - Внешний колесный датчик

3 - Внутренний колесный датчик

4 - Датчик температуры для термостабилизации системы

5 - Магнитная педаль

6 - Модуль сбора данных

7 - Коммутатор

Система ориентирована на контроль ходовых колес в процессе эксплуатации. Но на этапе производства колес, до запрессовки осей, такая практика пока не реализована. Разрабатываемый в дипломном проекте комплекс планируется внедрить в производство как раз для работы на этапе до запрессовки колес на ось.

Стремление механизировать операции осмотра колес и испытания их по Бринелю привело к созданию отечественными машиностроителями специального стенда для выполнения операций осмотра и отбраковки колес. Стенд представляет собой комплексный агрегат, состоящий из стола для осмотра и определения твердости колес, механизма кантования колес и механизированных кассет для набора колес. Для укладки колес на стол применен консольно-поворотный кран.

Схема работы стенда такова. Колесо укладывается консольно-поворотным краном на стол стенда наружной поверхностью кверху. В этом положении производят осмотр наружной стороны колеса и обмер всех размеров. Затем специальным механизмом с пневматическим приводом колесо перемещается по столу к месту засверловки площадки для испытания по Бринелю. После засверловки колесо перемещается еще на шаг под пресс Бринеля. Для измерения диаметра отпечатка колесо перемещают еще дальше по столу. Для последующего осмотра и обмера колеса с внутренней стороны оно кантуется и укладывается внутренней стороной кверху. Все указанные операции могут производиться на столе одновременно над пятью колесами. После осмотра и обмера колесо специальным механизмом перекантовывается в вертикальное положение и скатывается в кассету.

При обмере проверяются размеры по наружному и внутреннему диаметрам обода колеса, овальность по наружному диаметру (как разность между максимальным и минимальным диаметром), ширина и толщина обода, толщина диска у обода и у ступицы, размеры ступицы, эксцентриситет отверстия ступицы относительно круга катания и расстояние от внутренней поверхности обода до наружного торца ступицы. Последний размер определяется путем вычисления разности между шириной обода и замеренным расстоянием от наружной поверхности обода до наружного торца ступицы (утопание). Выборочно проверяются размеры гребня колеса.

Все дефекты, выявленные при осмотре, отмечаются и подвергаются полной или частичной (контрольной) вырубке.

Наличие припуска на обработку по диаметру и по гребню в чернокатаных колесах, а также допусков, позволяет в большинстве случаев вывести вырубку при обточке колес. Так как обточка производится на вагоностроительных заводах, для определения годности колеса достаточно произвести подсчет необходимой обточки.

При наличии вырубки на поверхности катания или на торце гребня достаточно удвоить глубину вырубки и вычесть полученную величину из фактического диаметра колеса.

При расположении дефекта (вырубки) на внутренней боковой стороне обода возможность удаления его определяется, прежде всего, возможностью получения необходимой ширины обода после обточки, а затем уже необходимой обточкой по диаметру для образования требуемой толщины гребня. При этом следует учитывать, что на внутренней стороне обода обработанного колеса стандартом допускается вырубка глубиной до 3 мм.

При расположении вырубки на наружной стороне гребня, удаление ее возможно лишь путем обточки по диаметру. При этом следует также учитывать необходимость обточки колеса по внутренней боковой стороне обода и гребня, обычно обязательно осуществляемой при обточке колесных пар.

Наконец, в случае расположения вырубки на внутренней стороне гребня, по техническим условиям на приемку колес требуется полное удаление вырубки.

Такой стенд требует присутствия человека, следовательно, применение робототехнического комплекса для контроля ходвых колес с целью избавления этого человека от рутинного труда оправдано.

2. Анализ различных вариантов организации

Существует два варианта исполнения системы управления:

- С замыкание петли обратной связи через компьютер

- С замыкание петли обратной связи внешним устройством

Оба эти варианта применяются в промышленности при управлении робототехническими комплексами и станками с ЧПУ, однако наибольшее распространение получил второй вариант из-за меньшего требования к параметрам компьютера и операционной системы. Однако в дипломной работе будет использован первый вариант.

При замыкании петли обратной связи через компьютер передача данных ведется через параллельный порт компьютера, при необходимости или недостатке входных или выходных каналов используется дополнительная PCI плата с одним или более параллельными портами.

Данная схема подключения имеет повышенные требования к операционной системе и не допускает приостановки процесса передачи информации через параллельный порт для выполнения каких-либо других первостепенных задач. Таким требованиям удовлетворяет операционная система Linux UBUNTU.

Данная схема накладывает множество ограничений, в том числе на количество управляемых степеней свободы. Также при применении данной схемы одновременно может управляться только один станок.

Достоинства данной системы в том, что она значительно проще в установке, наладке и настройке.

При замыкании петли обратной связи внешним устройством передача данных может вестись как через последовательный порт компьютера по протоколу 232, так и через USB или сетевой кабель по протоколу Ethernet либо вообще беспроводными средствами такими как ИК-порт, Bluetooth или wifi по сетевому протоколу или через специальный коптраллер по СAN интерфейсу.

Данная схема подключения не требует каких либо специальных условий использования операционной системы. Ее смысл заключается в последовательной передаче данных от компьютера на устройство приемник робота или станка, которое в свою очередь запоминает эти данные и обрабатывая их управляет станком. При применении этой схемы можно использовать любую операционную систему такую как: Windows XP/NT/Me/98 Windows Vista, Linux.

При использовании данной схемы компьютер может управлять сразу несколькими устройствами, поочередно обращаясь к ним и посылая необходимую информацию, вплоть до полной передачи программы с тем чтобы не обращаться более к этому устройству пока от него не придет сигнал о выполненном задании либо сигнал об ошибке.

Такой метод широко применяется в промышленных системах управления роботами и станками с ЧПУ. В его основе лежит мощный контроллер управляющий всеми процессами робота и выполняющий все математические операции. По сути, он в данном случае заменяет компьютер.

Чаще всего при этом применяются ПЛИС (Программируемые логические интегральные схемы). Именно они позволяют достичь тех требований в вычислительным процессам, которые необходимы при работе робота или станка. Недостатком такой схемы является чрезвычайная сложность разработки устройств собираемых на ПЛИС.

3. Конструкторская часть

3.1 Технология производства цельнокатанных колес

Технология производства железнодорожных колес включает следующие процессы:

- выплавка стали;

- обработка на установке печь-ковш и вакуумирование стали;

- сифонная разливка стали;

- прокатка колес на колесопрокатном стане;

- термическая обработка колес;

- механическая обработка колес.

В процессе производства колесная сталь выплавляется в мартеновской печи и разливается в изложницы круглого сечения с волнистой поверхностью. Сталь для производства колес выплавляют в мартеновских печах или конвертерным способом. На всех предприятиях осуществляется обработка на комплексе внепечной обработки стали и на вакууматоре, что значительно улучшаеткачественные характеристики стали.Ковши с металлом поочередно поступают на установку печь-ковш, где осуществляется доводка и рафинирование металла. Продувка стали в ковшеаргоном наряду с рафинированием, обеспечивает низкое содержание в готовом металле серы и фосфора, а также равномерное распределение других химических элементов. После обработки в печи-ковше, сталь обрабатывается на вакууматоре для дегазации. Получаемые после такой обработки стали значения вязкости и пластичности металла, в сочетании с прочностными характеристиками обеспечивают высокую стойкость стали против возникновения и развития усталостных трещин, против хрупкого разрушения колес. Разливку стали производят сифонным способом на многоместных поддонах, с использованием шиберных затворов. Для производства колес используют многокомплектные слитки массой 3,5-4,0 т, при их разливке применяют теплоизолирующие покрытия в виде дисков или смесей. Слитки имеют преимущественно удлиненную форму с отношением длины тела к среднему диаметру более 4,0, при этом конусность слитка должна быть минимально возможной. Для производства колес обычно используют уширенные кверху слитки, отливаемые в сквозные изложницы с прибыльными надставками. [4]

Колеса изготавливаются из слитков колесной стали массой 3510 кг с удалением прибыльной и донной частей рис. 3.1.

Рис. 3.1

Полученный слиток стали разделяется на части. Для этого вначале производится его порезка на слиткоразрезных станках. Диаметр центральной неразрезанной части слитка составляет 150-160 мм, эту перемычку ломают затем на прессах усилием 2-8 МН, установленных автономно, либо в составе механизированных линий ломки рис.3.2., сортировки и ремонта заготовок.

Рис.3.2.

Перед дальнейшей обработкой заготовки тщательно осматриваются.

Рис.3.3.

Заготовки с недопустимыми поверхностными дефектами удаляются из технологического процесса рис.3.3. Подача заготовок в производство и обработка колес осуществляется партиями.

Перед деформированием заготовок осуществляется их нагрев, до температуры 1240 - 1260 °C в течение 5 часов, в кольцевых нагревательных печах с вращающимся подом для нагрева. При этом используют кольцевые печи диаметром 28 и 30 м с шириной вращающего пода, соответственно 3,0 и 4,4 м. При этом на подине размещают от 3 до 5 заготовок в один ряд. Затем проводят удаление окалины.

Деформирование нагретых заготовок производится на прессах и колесопрокатном стане. Перед деформированием с заготовок сбивается окалина рис.3.4.

Рис.3.4.

Все операции деформирования производятся с одного нагрева. Температура в конце деформации должна быть не ниже 940 °C.Если это требование не выполнено, то происходит потеря качества. Для оперативного контроля температуры, при которой производится деформация, применяются X- и R карты контроля качества. Эти карты позволяют определить критическое изменение температуры в печи и в режиме реального времени дать сигнал оператору на изменение условий процесса.

Деформирование заготовок производится в следующей последовательности: вначале выполняется осадка заготовок гладкими плитами на прессе; рис.3.5.

Рис.3.5 .

затем производится кантовка осаженной заготовки; рис.3.6.

Рис. 3.6.

осадка в плавающем кольце и разгонка на прессе для оптимального распределения металла между ободом и ступицей;

формовка заготовки на прессе с формированием ступицы и прилегающей к ней части диска, а также подготовкой обода и прилегающей к нему части диска к прокатке на колесопрокатном стане; рис.3.7.



Рис. 3.7.

прокатка на колесопрокатном стане с целью получения обода заданного профиля и раскатки обода по диаметру; рис.3.8.

Рис. 3.8.

калибровка обода, выгибка диска, прошивка отверстия в ступице и маркировка колес. Рис.3.9.

Рис. 3.9.

Для исключения флокенов все колеса после деформирования проходят изотермическую выдержку в конвейерных печах в течение не менее 3-х часов при температуре 600-650 °C. Рис.3.10.



Рис. 3.10.

После изотермической выдержки колеса осматриваются и обмеряются рис.1.11. по геометрическим параметрам и, при необходимости, подвергаются ремонтной обточке для устранения поверхностных дефектов рис.3.12.

Рис. 3.11.

Изготовленные колеса направляются на механическую обработку, которая производится в 2 этапа, включая предварительную и окончательную обработку.

Рис. 3.12.

Предварительная механическая обработка колес состоит в подрезке торца и обточке поверхности катания, гребня и боковых поверхностей обода с обеих сторон колеса. После предварительной механической обработки вновь осуществляется автоматический замер диаметра колеса. Рис.3.13.



Рис. 3.13.

После предварительной механической обработки колеса подаются к нагревательным печам для их нагрева до температуры 830-870 °C для дальнейшей термической обработки.

Режимы термической обработки выбираются в зависимости от состава стали. Обод колеса подвергается прерывистой закалке водой на машинах вертикального типа с последующим отпуском при температуре 460-520 °C в течение не менее 2-х часов.

Рис. 3.14.

Прием продукции осуществляется следующим образом. Из каждой партии колес отбирается проба для проведения приемно-сдаточных испытаний рис.3.14. Каждая партия группируется из колес одного назначения, изготовленных из стали одной плавки-ковша. Обычно проводятся следующие виды контроля и испытаний:



Рис. 3.15.

контроль остаточных напряжений в металле колеса, сходимость обода; рис.3.15.

испытание на растяжение обода и диска колеса. Испытания на растяжение в диске колеса проводится факультативно;

определение твердости по сечению обода колеса на глубине 30 и 50 мм от поверхности катания колеса;

испытания на ударную вязкость металла диска колеса;

контроль макроструктуры обода, ступицы и диска колеса методом глубокого травления и серных отпечатков по Бауману;

контроль загрязненности стали колес неметаллическими включениями. Рис.3.16.

Рис. 3.16.

При получении удовлетворительных результатов испытаний колеса направляются для окончательной механической обработки рис.3.17., которая состоит в следующем:

подрезка торца и обточка;

расточка отверстия в ступице колеса.



Рис. 3.17

Обточенные колеса подвергаются ультразвуковому контролю на автоматической установке в технологическом потоке рис.3.18.

Рис. 3.18.

При ультразвуковом контроле проверяется обод колеса в поперечном направлении (перпендикулярно боковым поверхностям обода) и радиальном направлении (перпендикулярно поверхности катания).

После ультразвукового контроля колеса подаются на стенды для осмотра и проверки размеров в соответствии с требованиями чертежей и технических условий.

На специальной установке, обеспечивающей высокую точность измерения, производится испытания партий колес на равномерность твердости. Рис.3.19.

Рис. 3.19.

После самоотпуска или отпуска цельнокатаные колеса подвергаются осмотру и обмеру с целью выявления дефектов. Для этого колеса раскладываются в горизонтальном положении на плацу, осматриваются и обмеряются с одной стороны, а затем переворачиваются на другую сторону с помощью крана и снова осматриваются.

Стремление механизировать операции осмотра колес и испытания их по Бринелю привело к созданию отечественными машиностроителями специального стенда для выполнения этих операций. Стенд представляет собой комплексный агрегат, состоящий из стола для осмотра и определения твердости колес, механизма кантования колес и механизированных кассет для набора колес. Для укладки колес на стол применен консольно-поворотный кран.

Схема работы стенда такова. Колесо укладывается консольно-поворотным краном на стол стенда наружной поверхностью кверху. В этом положении производят осмотр наружной стороны колеса и обмер всех размеров. Затем специальным механизмом с пневматическим приводом колесо перемещается по столу к месту засверловки площадки для испытания по Бринелю. После засверловки колесо перемещается еще на шаг под пресс Бринеля. Для измерения диаметра отпечатка колесо перемещают еще дальше по столу. Для последующего осмотра и обмера колеса с внутренней стороны оно кантуется и укладывается внутренней стороной кверху. Все указанные операции могут производиться на столе одновременно над пятью колесами. После осмотра и обмера колесо специальным механизмом перекантовывается в вертикальное положение и скатывается в кассету.

При обмере проверяются размеры по наружному и внутреннему диаметрам обода колеса, овальность по наружному диаметру (как разность между максимальным и минимальным диаметром), ширина и толщина обода, толщина диска у обода и у ступицы, размеры ступицы, эксцентриситет отверстия ступицы относительно круга катания и расстояние от внутренней поверхности обода до наружного торца ступицы. Последний размер определяется путем вычисления разности между шириной обода и замеренным расстоянием от наружной поверхности обода до наружного торца ступицы (утопание). Выборочно проверяются размеры гребня колеса.

Все дефекты, выявленные при осмотре, отмечаются и подвергаются полной или частичной (контрольной) вырубке.

Наличие припуска на обработку по диаметру и по гребню в чернокатаных колесах, а также допусков, позволяет в большинстве случаев вывести вырубку при обточке колес. Так как обточка производится на вагоностроительных заводах, для определения годности колеса достаточно произвести подсчет необходимой обточки.

При наличии вырубки на поверхности катания или на торце гребня достаточно удвоить глубину вырубки и вычесть полученную величину из фактического диаметра колеса.

При расположении дефекта (вырубки) на внутренней боковой стороне обода возможность удаления его определяется, прежде всего, возможностью получения необходимой ширины обода после обточки, а затем уже необходимой обточкой по диаметру для образования требуемой толщины гребня. При этом следует учитывать, что на внутренней стороне обода обработанного колеса стандартом допускается вырубка глубиной до 3 мм.

При расположении вырубки на наружной стороне гребня, удаление ее возможно лишь путем обточки по диаметру. При этом следует также учитывать необходимость обточки колеса по внутренней боковой стороне обода и гребня, обычно обязательно осуществляемой при обточке колесных пар.

Наконец, в случае расположения вырубки на внутренней стороне гребня, по техническим условиям на приемку колес требуется полное удаление вырубки.

3.2 Технические характеристики робота с ЧПУ М20П.40.01

Промышленный робот с ЧПУ М20П.40.01 предназначен для автоматизации установки--снятия заготовок и деталей, смены инструментов и других вспомогательных операций при обслуживании станков с ЧПУ. Устройство данного типа может обслуживать одни или два станка и образовывать вместе с накопительными и транспортными устройствами гибкий производственный обрабатывающий комплекс, предназначенный для продолжительной работы без участия оператора.

Общий вид П.Р. М20П.40.01 и его техническая характеристика приведены на листе Д.П.01.01.01.

Промышленный робот состоит из манипулятора 1, сменных схватов 2 и устройства ЧПУ, выполненного в виде автономной стойки 3.

Манипулятор включает в себя следующие сборочные единицы, некоторые из которых могут быть различного исполнения: механизм поворота 4; механизм подъема и опускания 5; механизм выдвижения руки 6; балансир 7; блок поворота (кисть руки) 8; блок подготовки воздуха (на листе Д.П.01.01.01. не показан).

Устройство ЧПУ позиционного типа обеспечивает управление перемещениями руки в цилиндрической системе координат, цикловое управление движениями кисти и зажимом-разжимом схвата, а также подачу команд пуска циклов работы станков, другого технологического оборудования и приема ответных команд после выполнения этих циклов. Возможны три режима работы П.Р:

1) «обучение»-- возврат в нулевую точку, ручное управление и шаговое перемещение по каждой оси координат, ввод в память заданных значений координат, скорости перемещений; количества обрабатываемых деталей (циклов) и др.;

2) «автомат» -- автоматическое управление по заданной программе;

3)«редактирование» -- подготовка и корректирование данных управления роботом.

Типовой рабочий цикл П.Р. при проверке колеса на РАБОЧЕМ МЕСТЕ включает в себя следующие этапы: Подвод руки П.Р. к смотровому столу 1 -- осмотр колеса -- отвод руки в исходную точку -- подвод руки к смотровому столу 2 -- осмотр колеса - отвод руки в исходную точку-- подвод руки к смотровому столу 3 -- осмотр колеса -- отвод руки в исходную точку -- начало нового цикла.

Наибольшее количество одновременно управляемых координатных перемещений может быть: 1 -- в режиме позиционирования (электродвигатели поворота, подъема-опускания или выдвижения руки) или 2 в режиме циклового управления (пневмодвигатели блока поворота кисти руки и схвата).

Принципиальные (кинематическая и пневматическая) схемы ПР приведены на листе «Пневмосхема блока поворота» пояснительной записки.

Диапазоны перемещений манипулятора по координатным осям показаны на листе Д.П.01.01.01.

3.3 Устройство и принцип работы

Для измерения овальности колеса применяется два оптических датчика расположенных друг напротив друга. Чертеж датчика приведен на листе ДП.01.03.01, а принципиальная схема приведена на листе ДП.01.04.01.

Принцип управления функцией преобразования канала контроля может быть использован при контроле деталей на наличие дефектов формы поверхности. При этом повышается достоверность контроля за счет исключения влияния флуктуаций яркости изображения световой марки, определяемых шероховатостью поверхности и посторонними засветками, нестабильностью спектрального коэффициента отражения, прозрачностью среды и т.п.

Принцип работы систем основан на регистрации смещения изображения световой марки относительно диафрагмы - анализатора расположенного в плоскости фотоприемника. На листе ДП.01.03.01 приведена схема такой системы. Световой пучок излучателя 1, сформированный щелевой диафрагмой 2, отражаясь от поверхности контролируемого изделия 13, попадает через зеркало 3 и диафрагму - анализатор 5 на фотоприемник 4. Сигнал с выхода фотоприемника 4 усиливается усилителем 6 канала контроля. Выходной сигнал усилителя определяется величиной светового потока, прошедшего через полупрозрачное зеркало, величиной смещения световой марки, вызванного отклонением формы поверхности от заданной, относительно диафрагмы - анализатора и коэффициентом усиления усилителя канала контроля. Его коэффициент усиления управляется в функции величины светового потока, сформированного излучателем 7 и щелевой диафрагмой 8, отраженного от контролируемого объекта по каналу коррекции, сформированному зеркалом 9, фотоприемником 10 с полностью открытой светочувствительной поверхностью, и усилителем канала коррекции 11, изменением сопротивления управляемого резистора 12, включенного в цепь отрицательной обратной связи усилителя канала контроля. Флуктуации величины светового потока, отраженного от контролируемой поверхности, определяют соответствующие изменения коэффициента усиления усилителя канала коррекции, в результате чего его выходной сигнал определяется только смещением световой марки относительно диафрагмы, которое пропорционально отклонению формы контролируемой поверхности от заданной [1]. Данный принцип будет дважды применен в нашем проекте. Описанные выше датчики, смонтированные по дифференциальной схеме, первый раз будут использованы для повышения точности позиционирования промышленного робота, а второй раз для контроля ходовых колес.

3.4 Внедрение робототехнического комплекса

Для того чтобы свести к минимуму тяжелый монотонный труд контролера отдела технического контроля, повысить производительность и минимизировать ошибки связанные с человеческим фактором, на производстве предлагается внедрить роботизированный комплекс контроля ходовых колес. В состав комплекса входит промышленный робот М20П.40.01, вспомогательный робот или консольный кран, два оптических датчика, три контрольные позиции и программные средства для управления роботом и обработки информации полученной с датчика. Задачей комплекса является автоматизировать процесс измерения овальности поверхности качения ходового колеса.

Процесс контроля происходит на специальной позиции, состоящей из самого робота (начало координат, центральная позиция) и трех контрольных столов расположен в зоне действия робота, жестко закрепленных с полом и имеющих конкретные координаты в системе координат робота. Колеса на позиции подаются вспомогательным роботом, на самих столах имеются специальные приспособления для центрирования подающихся на них колес.

Для измерения овальности комплекс оборудован двумя оптическими датчиками, работающими по дифференциальной схеме. Датчики, делая оборот в 180 градусов относительно контролируемого колеса, непрерывно считывают информацию с поверхности колеса. После поворота информация отправляется в вычислительное устройство, где она сравнивается с идеальным значением. После сравнения вычислительное устройство делает выводы и либо дает сигнал, что колесо прошло проверку и допущено к следующим проверкам, либо сигнализирует о том что колесо не прошло проверки и в зависимости от овальности должно отправится либо на переплавку, либо на дополнительную обработку с целью уменьшения овальности.

К позициям контроля колеса подаются конвейером перемещаются на столы либо вспомогательным роботом, либо консольно-поворотным краном, после осмотра колеса перемещают на другой конвейер, транспортирующий их на следующие позиции контроля.

3.5 Расчет крепления блока поворота кисти руки робота

Для контроля овальности колеса промышленный робот П.Р. М20П.40.01

подвергся некоторой модернизации. Модернизации подвергся блок поворота кисти, см. лист ДП.01.02.01. Изначально он имел продольное расположение и осуществлял поворот в плоскости перпендикулярной оси блока выдвижения манипулятора. Данное его расположение не могло быть применимо для разработанной нами системы контроля. Вследствие чего расположение поменяли, повернув его в продольной плоскости на 90°. Для крепления блока поворота в данном положении была разработана особая конструкция крепления.

Конструкция состоит из сварных труб квадратного сечения ГОСТ 8639-68 размер: 70x3, на концах которых приварены стальные пластины с отверстиями для болтов. Далее приведены все расчеты, связанные с проверкой конструкции на прочность.

Расчет конструкции был произведен в программном комплексе APM WinMachine. Точнее в его специализированном модуле APM Beam. Система АPМ Beam предназначена для расчета балок и брусьев. Система разработана в Центре АПМ. Программа позволяет рассчитать любую прямолинейную балку с любым поперечным сечением при произвольном нагружении и закреплении.

Исходные данные:

длина, м…..…………….150

ширина, мм ………………70

высота, мм ………………….70

толщина стенки, мм …………5

сила тяжести, Н……………...500

сила инерции,Н………………...1000

Диапазон цветов напряжений [МПа]

Параметры сечения:

Площадь 1281.062 кв.мм

Центр масс: X= 34.998 Y= -35.002 мм

Момент инерции вокруг горизонтальной оси 909302.945 мм4

вокруг вертикальной оси 909302.945 мм4

полярный 1818605.89 мм4

Угол наклона главных центральных осей 0 град

Максимальное напряжение в наиболее опасном сечении 6.583 МПа

Радиальные силы

N	Расстояние от левого конца балки, мм	Модуль, Н	Угол, град
0	115	1118.033989	116.5650512

Реакции в опорах

N	Расстояние от левого конца балки, мм	Реакция верт., Н	Реакция гориз., Н	Модуль Н	Угол, град
0	0	500	-1000	1118.03	153.43

Из расчетов видно, конструкция с заданными нами параметрами выдерживает приложенные к ней нагрузки. Максимальное напряжение в наиболее опасном сечении равное 6.583 МПа не может привести к разрушению балки, т.к. предел прочности материала балки 300 МПа, перемещения балки под нагрузкой являются минимальными и не могут оказать какого либо влияния на процесс работы комплекса, соответственно ее можно использовать в дальнейшем. Для большей наглядности далее представлены эпюры напряжения и перемещений исследуемой балки.



3.6 Расчет параметров сварного соединения

В креплении блока поворота кисти руки промышленного робота используются две стальные трубы. Для соединения труб будем использовать ручную электродуговую сварку. Для расчетов воспользуемся программным комплексом APM WinMachine, точнее одним из его модулей APM Joint, система предназначена для расчёта соединений деталей машин. Программа позволяет рассчитать практически все виды соединений, встречающихся в современном машиностроении.

Исходные данные:

длина, мм….....………………………………………….150

ширина, мм ………………………………………………70

Тип соединения: Тавровое односторонним швом

Тип расчёта: Проверочный



Рис. 3.20. Схема нагружения сварочного шва

Рис. 3.21. Соответствие цветов диапазонам напряжений [МПа]

Суммарные результаты:

Центр масс сварного шва: X= 35.00 Y= -35.00 мм

Площадь шва в опасном сечении	101.663	кв.мм
Момент инерции шва относительно центральных осей:
относительно горизонтальной оси	83022.733	мм^4
относительно вертикальной оси	83022.861	мм^4
Угол наклона главных центральных осей	0.000	град
Макс. касательное напряжение	42.000	МПа
Катет	0.519	мм
Коэффициент запаса по пределу прочности	3.000
Коэффициент запаса выносливости	1.032

Постоянные параметры:

Коэффициент запаса текучести деталей крепления	3.000
Предел текучести материала деталей сопряжения	210.000	МПа
Предел прочности материала деталей сопряжения	300.000	МПа

Таблица: Нормальные силы

N	Координаты [мм]	Макс. значение [Н]	Мин. значение [Н]
	x	y
0	35.00	-35.00	-500.00	0.00

Таблица: Касательные силы

N	Координаты [мм]	Макс. проекции силы [Н]	Мин. проекции силы [Н]
	x	y	z	на x	на y	на x	на y
0	0.00	0.00	0.00	1000.00	0.00	0.00	0.00
1	70.00	0.00	0.00	0.00	-1000.00	0.00	0.00
2	70.00	-70.00	0.00	-1000.00	0.00	0.00	0.00
3	0.00	-70.00	0.00	0.00	1000.00	0.00	0.00

Выполнив все расчеты, мы выяснили расположение опасных сечений и определили площадь шва в этих сечениях. Также мы узнали катет сварного шва.

Благодаря данным расчетам можно рассчитать параметры сварки:

Исходные данные:

толщина свариваемого металла, мм ………………………………3

диаметр электрода, мм ……………………..………………………...3

длина сварного шва, м…………………..…………………………0,28

плотность наплавленного металла, г/см3……………………….8,79

коэфицент наплавки г/А*ч………………………………………...11

вспомогательное время, сек……………………………………….27

Расчет силы сварочного тока:

I=k*d=40*3=120 A

Расчет технической нормы времени:

t0=F*y*60/aн*I = 101,6*7,8*60/11*120 = 4,6 мин = 276 сек

Расчет вспомогательного времени:

tв1=t'в1+t''в1=2,5+5=7,5 сек

Расчет оперативного времени:

tоп =(tо+tв1)*L+tв2=(276 + 7,5)*0,28+27= 106,5 сек

Расчет времени обслуживания рабочего места:

to.р.м. =0,14*to.п. =0,14*43,6 = 14,9 сек

Расчет подготовительно-заключительного времени:

t п.з.= 0,03*t о.п = 0,03*43,6= 3,1 сек

Расчет технической нормы времени на ручные сварочные работы:

tшк=tоп+tо.р.м.+tп.з. = 106,5+14,9+3,1= 124,5 с

Вывод: из расчетов следует, что для сваривания деталей конструкции креплении блока поворота кисти руки необходим ток сварки равный 120 А, при диаметре электрода 3 мм. Затраты по времени составят 124,5 секунд или примерно 2 минуты.

3.7 Расчет болтового соединения

Для того чтобы соединить в единое целое блок поворота, крепление блока поворота и механизм выдвижения будут использоваться болты. Чтобы узнать параметры болтового сокдинения проведем проверочный расчет в программном комплексе APM WinMachine, в модуле APM Joint.

Исходные данные:

диаметр, мм….....……………………………………………………….130

ширина, мм ……………………………………………………………..5

сила тяжести, Н…………….…………………………………………...500

сила инерции, Н……………………………………………………….1000

Тип соединения: Болтовое с зазором

Тип расчёта: Проектировочный

Диапазон цветов давлений [МПа] Диапазон нагрузок болтов [Н]

Суммарные результаты:

Центр масс поверхности стыка: X= 0.00 Y= 0.00 мм

Площадь поверхности стыка	13263.932	кв.мм
Момент инерции стыка относительно центральных осей
относительно горизонтальной оси	14000136.266	мм^4
относительно вертикальной оси	14000136.266	мм^4
Угол наклона главных центральных осей	0.000	град
Сила затяжки	2049.729	Н
Макс. нагрузка на болт	279.508	Н
Maксимальное давление	0.618	МПа
Диаметр болта	8.000	мм
Момент завинчивания	3.542	Н*м
Момент трения в резьбе	1.844	Н*м
Момент трения на торце гайки	1.697	Н*м

Постоянные параметры:

Коэффициент запаса на нераскрытие	1.100
Коэффициент запаса сдвига	1.100
Коэффициент основной нагрузки	0.200
Коэффициент запаса текучести деталей крепления	3.000
Предел текучести материала деталей крепления	335.000	МПа
Коэффициент трения	0.150
Предел прочности материала деталей крепления	570.000	МПа

Таблица: Болты

N	Координаты [мм]	Касательная сила [Н]	Нормальная сила [Н]
	x	y
0	0.00	55.00	279.51	0.00
1	0.00	-55.00	279.51	0.00
2	-55.00	0.00	279.51	0.00
3	55.00	0.00	279.51	0.00

Таблица: Касательные силы

N	Координаты [мм]	Проекции [Н]
	x	y	z	на x	на y
0	0.00	0.00	0.00	1000.00	-500.00

Выполнив расчеты мы определили многие параметры соединения, в частности диаметр болтов, который необходимо знать при изготовлении.

3.8 Повышение точности позиционирования

При проведении работ связанных с осмотром железнодорожного колеса необходима высокая точность позиционирования. Промышленный робот ПР М20П.40.01, в базовом исполнении, не позволяет выполнять работы с заданной точностью, для обеспечения точности позиционирования применяются те же датчик что и для измерения овальности колеса. Чертеж датчика приведен на листе ДП.01.03.01.

Принцип повышения позиционирования основан на дифференциальной схеме установки датчиков. Благодаря такому их расположению датчики измеряют диаметр колеса. При подведении руки робота к осматриваемому колесу возможна ошибка позиционирования, наибольшая абсолютная ошибка позиционирования достигает +/- 1 мм. Для стабильной и точной работы оптических датчиков необходимо уменьшить ошибку до +/- 0.1 мм. Этого можно достичь, внедрив в систему, робот-датчик, обратную связь. Информация, полученная с первого датчика сравнивается с информацией со второго датчика, если присутствует ошибка позиционирования, то при сложении двух сигналов на выходе будет величина отличная от нуля, в положительную или отрицательную сторону. Суммарный сигнал поступает на усилитель, а с усилителя на электродвигатель. После чего происходит смещение в том или ином направлении на необходимую величину. Благодаря данной модернизации точность позиционирования ПР повысится до +/- 0,1 мм. Зная параметры всего оборудования комплекса можно провести моделирование системы в специальном программном комплексе МВТУ.

Программный комплекс “Моделирование в технических устройствах” (“МВТУ”) - современная среда интеллектуального САПР, предназначенная для детального исследования и анализа нестационарных процессов в ядерных и тепловых энергоустановках, в системах автоматического управления, в следящих приводах и роботах, в любых технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования. Может использоваться для моделирования нестационарных процессов в физике, в электротехнике, в динамике машин и механизмов, в астрономии и т.д., а также для решения нестационарных краевых задач (теплопроводность, гидродинамика и др.). Может функционировать в многокомпьютерных моделирующих комплексах, в том числе и в системах удаленного доступа к технологическим и информационным ресурсам.

Является альтернативой зарубежным программным продуктам Simulink, MATRIX, VisSim и др.

Исследуемая нами система имеет вид:

Для начала, используя мощности программного комплекса, определим устойчивость заданной системы. Определять устойчивость будем критерием Найквиста. Из критерия Найквиста известно, что САР, находящаяся на границе устойчивости в разомкнутом состоянии, станет устойчивой при ее замыкании единичной главной обратной связью, если годограф АФЧХ не охватывает на комплексной плоскости «точку Найквиста» (-1, 0*i).

Поэтому рассмотрим более «внимательно» поведение линии годографа в окрестности точки (-1, 0*i).

Как видно из графика, линия годографа разомкнутой САР без сомнения не охватывает точку(-1, 0*i).

Вывод: исследуемая САР в замкнутом состоянии будет устойчива.

После проверки системы на устойчивость проведем моделирование переходного процесса.

Как видно из графика переходный процесс не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к САР:

-время переходного процесса, определяемое по факту входа выходного воздействия (регулируемой переменной) в 5-ти процентную «трубку», должно быть не более 2 секунд;

- переходной процесс должен проходить без перерегулирования.

Для выполнения требований предъявляемых к системе проведем оптимизацию заданной САР.

Оптимизации будет подвергнут усилитель, с целью выявления оптимальных его параметров. В программном комплексе задаем коэффицент усиления как неизвестную К и указываем желаемые параметры переходного процесса. Программа сама находит оптимальные значения и строит график.



Как видно из графика переходный процесс полностью удовлетворяет заданным нами параметрам.

Вывод: используя программный комплекс МВТУ мы исследовали систему на устойчивость и, оптимизировав ее, получили необходимые нам параметры усилителя.

4. Проектирование экспертной системы

4.1 Обзор языков представления знаний

Знания - это закономерности предметной области (принципы, связи, законы), полученные в результате практической деятельности и профессионального опыта, позволяющие специалистам ставить и решать задачи в этой области. Для хранения знаний используются базы знаний, которые составляют основу любой интеллектуальной системы.

На сегодняшний день знания приобрели чисто декларативную форму, то есть знаниями считаются предложения, записанные на языках представления знаний, понятных неспециалистам.

Существуют десятки языков (моделей) представления знаний для различных предметных областей.

Большинство из них могут быть сведены к следующим классам:

продукционные модели;

семантические сети;

фреймы.

Продукционная модель- модель, основанная на правилах, которая позволяет представить знания в виде предложений типа “ЕСЛИ (условие), ТО (действие)”.

То есть, когда текущая ситуация (факты) в задаче удовлетворяет или согласуется с частью правила ЕСЛИ, то выполняется действие, определяемое частью ТО.

Под “условием” (антецедентом) понимается некоторое предложение-образец, по которому осуществляется поиск в базе знаний, а под “действием” (консеквентом) - действия, выполняемые при успешном исходе поиска.

Правила обеспечивают естественный способ описания процессов, управляемых сложной и быстро изменяющейся внешней средой.

Продукционная модель привлекает разработчиков своей наглядностью, высокой модульностью, легкостью внесения дополнений и изменений, простотой механизма логического вывода.

Имеется большое число программных средств, реализующих продукционный подход - язык OPS 5; «оболочки» или «пустые» ЭС- EXSYS Professional, ЭКСПЕРТ; инструментальные системы ПИЭС и др.

Семантическая сеть- это ориентированный граф, вершины которого - понятия, а дуги - отношения между ними.

Характерной особенностью семантических сетей является обязательное наличие следующих типов отношений:

класс - элемент;

свойство- значение;

пример элемента класса.

Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отражающей поставленный запрос к базе.

Для реализации семантических сетей существуют специальные сетевые языки, например NET, язык реализации систем SIMER+MIR и др.

Фрейм- это минимальное смысловое описание в словесной структурно-классифицированной форме иерархических знаний о каком-либо понятии (объект, субъект, операция, явление, состояние, событие).

Термин фрейм (от английского frame, что означает «каркас» или «рамка») был предложен Марвином Минским в 70-е годы для обозначения структуры знаний для восприятия пространственных сцен.

Традиционно структура фрейма может быть представлена как список свойств (слотов):

(ИМЯ ФРЕЙМА:

(имя первого слота: значение первого слота),

(имя второго слота: значение второго слота),

(имя N-ого слота: значение N-ого слота)).

В таблице дополнительные столбцы предназначены для описания способа получения слотом его значения и возможного присоединения к тому или иному слоту специальных процедур, что допускается в теории фреймов. В качестве значения слота может выступать имя другого фрейма. Так образуются сети фреймов.

Достоинство фрейма заключается в том, что элементы, присутствующие в описании объекта или события, группируются в самостоятельную структурную единицу, и поэтому могут извлекаться и обрабатываться как единое целое.

Специальные языки представления знаний в сетях фреймов: FRL (Frame Representation Language), KRL (Knowledge Representation Language) и другие программные средства.

На разных этапах формирования модели предметной области возможно использование тех или иных языков представления знаний. Например, при описании понятий предметной области лучше использовать фреймы, так как его структура представлена в виде таблицы, что обуславливает наглядность. А также, описание понятия происходит по его свойствам, что облегчает понимание.

4.2 Выбор среды реализации

Для разработки качественного продукта, конкурентоспособного на рынке программных продуктов, необходимо применять современные среды разработки. На данный момент существуют следующие универсальные средства разработки программных продуктов: Visual Studio version 6, Borland C++ Builder 5, Delphi 6. Имеются также математические пакеты моделирования (MahLAb, MathCad, Mathematica), в последних версиях которых добавлены возможности разработки интерфейса. Однако интерфейсные возможности данных средств сильно уступает возможностям разработки интерфейса универсальным программным средам. А интерфейсная часть является очень важной для разработки качественного компьютерного учебника.

Выбор сводится в выборе языка реализации между языками высоко уровня С++ и Pascal. Достоинство Pascal является более быстрая работа компилятора, однако он менее гибкий, предоставляет меньше средств при разработке программ. Поэтому был выбран язык С++, этот язык предоставляет возможность программирования с применением объектно-ориентированного подхода. У языка С++ более развита объектно-ориентированная поддержка чем у Pascal. Для языка С++ наиболее распространены среды разработки Visual С++ и Borland C++ Builder, выбор между ними дело вкуса программиста. К плюсам Visual С++ можно отнести мощную справочную систему Microsoft Developer Network (MSDN), а к плюсам Borland C++ Builder - меньшие требования к ресурсам компьютера при разработке программ.

4.3 Описание работы программы

4.3.1 Этапы формирования модели

Рассмотрим этапы формирования модели:

Идентификация проблемы;

Получение (извлечение) знаний;

Структурирование (концептуализация) знаний;

Формализация.

На этапе идентификации проблемы уточняется задача, планируется ход разработки модели, определяются:

необходимые ресурсы (время, тип ЭВМ);

источники знаний (книги, методики и др.);

классы решаемых задач.

На стадии получения (извлечения) знаний происходит получение наиболее полного из возможных представлений о предметной области и способах принятия решения в ней. Извлечение знаний может происходить с использованием различных методов.

При структурировании или концептуализации знаний выявляется структура полученных знаний о предметной области, то есть определяются:

терминология;

список основных понятий и их атрибутов;

отношения между понятиями.

На этом этапе происходит разработка описания знаний о предметной области в виде графа, таблицы, диаграммы, которая отражает основные концепции и взаимосвязи между понятиями предметной области.

Этап формализации заключается в разработке базы знаний на языке представления знаний.

Традиционно на этом этапе используются:

логические методы;

продукционные модели;

семантические сети;

фреймы.

В свою очередь этапы структурирования и формализации для конкретной предметной области можно разделить на несколько подэтапов:

Формирование параметров и их значений;

Формирование сети связей параметров;

Пополнение базы знаний.

Подробное описание этих подэтапов при формировании модели анализа работоспособности элементов металлоконструкций рассмотрено далее.

4.3.2 Формирование значений параметров. Связь параметров

При формировании модели предметной области сначала выделяется множество параметров (количественных и качественных), описывающих объект моделирования или моделируемый процесс.

Параметры - это характеристики предметной области. То есть здесь определяется список основных понятий и их атрибутов.

...