Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Диссертационная работа:

Ифанов Андрей Владимирович. Структура и управление манипуляционных систем технологических роботов при лазерной резке объемных объектов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.05.- Владимир, 2005.- 227 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-5/1055

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ
РОБОТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 9

  1. Структура роботизированных технологических комплексов лазерной обработки 9

  2. Основы физических процессов газолазерной резки металлов 23

  3. Общие вопросы управления технологических комплексов

лазерной резки 37

Выводы 46

2. СТРУКТУРЫ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕР-РОБОТОВ 47

  1. Принципы построения манипуляционных систем лазер-роботов 47

  2. Структура системы транспортировки излучения 62

  3. Упругие деформации и рабочее пространство манипуляционной системы лазер-робота 72

  4. Математические модели манипуляционной системы лазер-робота.,.. 82

2.5. Система приводов манипуляционной системы лазер-робота 103

Выводы 120

3. СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЛАЗЕР-РОБОТА 121

  1. Кинематическое и динамическое управление движением оптической головки при обработке объектов с недетерминироваными геометрическими параметрами 121

  2. Алгоритмы управления при обработке объектов с недетерминироваными геометрическими параметрами 141

  3. Координатно-параметрическое управление с учетом неопределенности технологических параметров процесса обработки 150

3.3. Управление приводами технологических роботов при выполнении
операции подготовки поверхности 163

3.5. Дистанционно-автоматическое управление

и обучение лазер-робота 174

Выводы 185

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 186

  1. Описание лабораторной установки 186

  2. Экспериментальное исследование возможности применения серийного промышленного робота в качестве манипулятора оптической головки 198

Выводы 206

Заключение 207

Литература 209

ПРИЛОЖЕНИЯ 221

Введение к работе:

Современная экономическая ситуация требует правильного выбора приоритетов развития отечественной науки и техники. Одним из таких приоритетных научно-технических направлений является гибкая автоматизация, включая роботизацию производственных процессов. Гибкость производства основана на применении новых высокоэффективных технологий, автоматизированного, с элементами искусственного интеллекта, технологического оборудования, в т.ч. технологических роботов, и открытой архитектуры компьютерных систем проектирования, управления и контроля. Это одна из главных особенностей технического и технологического перевооружения существующих производств, создания новых производств, приспособленных к функционированию в условиях рыночной экономики. Уровень роботизации является одним из показателей научно-технического, промышленного и военно-стратегического потенциала каждой страны.

Развитие робототехнических систем, как средств гибких автоматизированных производств, определяет второй этап развития робототехники, связанный с созданием технологических (производственных) роботов, непосредственно выполняющих операции контактной механобработки, характеризующихся сложной пространственной обрабатываемой поверхностью при невысоких требованиях к размерной точности, бесконтактной (лазерной, гидроабразивиой) обработки режущим инструментом; обработки поверхностей путем их окраски или напыления антикоррозионных жидкостей; испытания, контроля; монтажно-сборочных и сварочных операций. Одной из главных особенностей развития робототехники является тенденция создания унифицированных комплектующих узлов, устройств и универсальных технологических роботов с расширенными функциональными возможностями и технологической гибкостью.

Современное развитие производства связано с внедрением новых технологий, применением нетрадиционных материалов и способов обработки. Одно из наиболее перспективных направлений развития и внедрения высокотехнологических способов обработки на сегодня связано с применением лазера [12].

Основными особенностями лазерной обработки, обеспечивающими эффективность применения по сравнению с традиционными технологиями, являются значительное повышение точности и качества, локальность воздействия, определяющая отсутствие деформации изделия, гибкость, возможность практически полной автоматизации и быстрой перестройки процесса. Немаловажную роль играет экологическая чистота лазерных технологий.

Лазерные технологии дают возможность не только увеличить скорость обработки, но и получить принципиально новые результаты во всех областях применения.

Современная ситуация в индустриальной лазерной технике характеризуется постоянными новыми разработками и усовершенствованиями в области повышения качества лазерного излучения, увеличения мощности лазерных установок, снижения стоимости лазерного оборудования. Однако широкое внедрение лазерных технологий в промышленную практику сдерживается значительными капитальными и эксплуатационными затратами.

Сравнительный стоимостной анализ удельных (на единицу длины обработки) затрат на резку для различных методов (лазерной резки, газовой резки, резки плазмой, и водяной струей) и материалов без учета технологических аспектов показывает достаточно высокий уровень этих затрат. [14]. Однако решающими для промышленного применения являются не только экономические причины, но и технологические преимущества лазерных технологий перед аналогами.

Особенно эффективно применение лазерных технологий в тех случаях, когда невозможно использовать другие технологии (например, при обработке хрупких и очень твердых материалов) или когда лазерная обработка позволяет получить уникальные результаты, не достижимые для других видов обработки (например, при нанесении синтетического алмазного покрытия на поверхность деталей без использования вакуумного оборудования). Наиболее рационально использовать лазерное оборудование в мелкосерийном производстве, когда более дорогое и производительное оборудование не окупается, а также при обработке особо сложных деталей, когда лазерная обработка не оказывает существенного влияния на окончательную стоимость детали.

Анализ состояния мирового рынка лазерной промышленности, комплексов и установок лазерной обработки, показывает значительный рост объемов приобретения лазерных технологических установок [13, 93, 142]. Объем рынка удваивается каждые три - четыре года. По виду применения более половины мирового рынка занимают лазерные установки и комплексы, предназначенные для обработки материалов.

В настоящее время созданы, серийно выпускаются и широко применяются для разных назначений: газовые лазеры, включая He-Ne-лазеры, He-Cd-лазеры, ионные лазеры, лазеры на парах металлов, непрерывные СОг-лазеры, импульсивно-периодические СОг-лазеры, СО-лазеры, экси-мерные лазеры; твердотельные лазеры, включая Nd-YAG-непрерывные и импульсно-периодические лазеры, лазеры на других кристаллах; лазеры на красителях (растворах); полупроводниковые лазеры (непрерывные инжек-

ционные лазеры и решетки лазеров, импульсно-периодические июкекци-онные лазеры, лазеры с диодной накачкой) и другие лазеры различной мощности излучения (от ваттов до десятков киловатт).

Промышленное применение лазеров связано сегодня с такими технологическими операциями как резка, сварка, гравировка, термическая обработка поверхности.

Лазерная резка, основанная на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны реза, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степенью точности, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.

С помощью имеющихся на рынке С02-лазеров можно резать обычную сталь толщиной до 20 мм, высокопрочную сталь до 10 мм, листы алюминия до 6 мм и пластмассы (ограничением является образование при резке токсичных газов). При определенных условиях можно резать листовые слоистые композиционные материалы, кварцевое и обычное стекло (включая скрайбирование и разделение листа методом управляемого термораскалывания). Ширина реза металлов обычно не превышает 0,2-0,3 мм при хорошем качестве поверхности реза (кромки). Например, глубина волнообразных неровностей поверхности меньше 100 мкм, а не перпендикулярность реза меньше ОД мм для материала толщиной 10 мм, т.е. рез получается практически вертикальным, при этом обычно нет сколов и часто не требуется повторной обработки. При резке термоупрочняемых металлических материалов поверхность реза закаляется (обычно на глубину 0,1-0,2 мм), а при резке с использованием 02 появляется незначительный оксидный слой.

Преимущества лазерной сварки широко известны: высокая скорость, достигающая 5 м/мин; незначительный нагрев, вызывающий заметно меньшие деформации и остаточные напряжения по сравнению с традиционной дуговой сваркой; меньшее потребление присадок благодаря малой ширине лазерного шва; возможность так называемого кинжального проплавлення, что в сочетании с применением автоматических систем постоянного контроля за ходом процесса дает высокое качество сварного шва. Такая технология снижает трудоемкость, повышает прочность конструкции и снижает ее вес. В промышленности западных стран лазерная сварка

применяется в автомобильной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Лазерные методы модификации поверхности металлов с целью повышения твердости, износостойкости коррозионной стойкости и других параметров вызывают интерес из-за их специфических возможностей: дистанционная доставки энергии в зону обработки, возможность работы в атмосферной среде, регулировка размеров зоны обработки. Кроме того, эта технология обеспечивает существенно лучшие результаты по сравнению с другими способами обработки. Например, прочность сцепления порошковых покрытий, нанесенных с помощью лазера, в три — пять раз превышает прочность сцепления покрытий, полученных другими методами [93].

Таким образом, лазерные технологии наиболее быстро и успешно внедряются в практику в тех случаях, когда по ряду причин им нет конкуренции, т.е. другие технологии не обеспечивают решение конкретной технологической задачи.

Практическая реализация всех потенциальных возможностей лазерных технологий в промышленности с максимальным эффектом возможна при соединении передовых достижений в области источников лазерного излучения, способов его транспортировки, CAD/САМ систем проектирования изделия и интеллектуальных систем управления. Ускорение разработки и применения лазерных систем в промышленности требует выполнения очень сложной оптимизации параметров процесса, подбор источника лазерного излучения, способа его доставки к месту обработки и перемещения по траектории, обеспечение безопасности системы и др.

Спектр проблем, связанных разработкой и применением лазерных технологий весьма широк и включает в себя задачи из многих областей и направлений научных исследований, включая проблему обеспечения безопасности при эксплуатации лазерных систем.

Большие возможности по способу доставки лазерного излучения к месту обработки, перемещения объекта обработки под лучом лазера, автоматизации управления процессом, созданию гибких производственных комплексов представляет робототехника.

Среди отечественных научных и производственных организаций различными аспектами создания и применения лазерных технологий занимаются Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ), Институт проблем механики РАН (ИПМ РАН), НТЦ «Лазерная техника и технология» НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ГНЦ «ТРИНИТИ», ЗАО «Технолазер» и ООО «Лазерные комплексы» (г. Шатура), ЦНИИ РТК, НЛП «Лазерные технологии» (Санкт-Петербург) и др. Постоянно обновляемая информационно-справочная информация об организациях, работающих в области лазерных технологий, представлена в [153]. Из более чем трехсот зарубежных предприятий, работающих в области лазерных

технологий - Mitsubishi Electric, Kawasaki Steel Corp. (Япония), Rofin-Sinar Laser, Trumpf (Германия), Spectra Phisics, General Electric (США) [157].

В работах Абильсиитова Г.А., Белянина П.Н., Григорьянца А.Г., Козлова Г.И., Ковша И.Б., Сафонова А.Н., Соколова А.А., Макарова В.И., Шторм В.В. и других ученых отражены результаты научных исследований в области создания, исследования и эксплуатации лазерных технологических установок и комплексов.

Вопросы применения мехатронных и робототехнических систем в качестве основного технологического оборудования при лазерной обработке рассмотрены в работах Абильсиитова Г.А., Генералова Н.А, Голубева B.C., Забелина A.M., Сафонова А.Н., Югова В.И. и других ученых.

Методологическую и теоретическую основу исследований, представленных в данной работе, составили труды Вукобратовича М., Афонина В.Л., Егорова И.Н., Зенкевича С.Л., Корендясева А.И., Кулакова Ф.М,, Кулешова B.C., Макарова В.И., Подураева Ю.В., Попова Е.П., Черноусько Ф.Л., Юревича Е.И., Ющенко А.С. и других ученых.

Вместе с тем, несмотря на значительные успехи в развитии теории и практики построения роботов и мехатронных устройств, некоторые задачи, важные для создания технологических роботов, выполняющих лазерную обработку, решены не в полной мере. Анализ показывает, что актуальной в робототехнике и мехатронике является проблема построения структуры манипуляционной системы и алгоритмов управления технологическим роботом для лазерной резки недетерминированных объемных объектов.

Использование лазерного излучения в качестве обрабатывающего инструмента и специфика обрабатываемого объекта вносит принципиальные отличия в структуру манипуляционной системы и управление технологическим роботом для лазерной резки.

В данной работе рассматривается проблема построения и управления манипуляционной системой для выполнения технологической операции лазерной резки объектов с пространственной геометрией обрабатываемой поверхности.

Это могут быть корпусные детали квадратного и круглого сечения, детали типа профиля сечения сложной формы. Пространственные размеры могут быть как соизмеримы с размерами рабочей зоны обрабатывающего робота, так и намного превосходить их (крупногабаритные объекты). Геометрические характеристики поверхности объекта могут быть искажены по сравнению с паспортными данными в результате неточности изготовления, воздействия неблагоприятных условий при транспортировке и эксплуатации, проведения ремонтных работ. Качество поверхности также может не соответствовать требуемому, то есть возникает необходимость предварительной подготовки, например очистки от посторонних наслое-

ний при наличии загрязнений, либо нанесении специальных покрытий в случае малой поглощательной способности в диапазоне длин волн лазерного излучения. По своему расположению объект может находится как в заводских (цеховых) условиях, так и в полевых, экстремальных условиях.

Таким образом, манипуляционная система должна обеспечивать движение оптической головки по сложной пространственной траектории с поддержанием зазора и ортогональной ориентации к обрабатываемой поверхности.

В задачи информационной системы входит измерение текущего состояния манипуляционной системы (определение координат, скоростей, и др.), параметров генерации и передачи лазерного излучения, хода технологического взаимодействия, идентификация ряда параметров в случае недетерминированности объекта обработки и передача полученной информации в систему управления для формирования и коррекции управляющих воздействий.

Система управления решает задачи координатно-параметрического управления перемещением, стабилизацией зазора и ориентацией оптической головки и параметрами лазерного технологического оборудования.

Целью работы является решение научно-технической задачи разработки структуры манипуляционной системы и алгоритмов управления функциональным движением технологического робота для лазерной разделительной резки изделий пространственной конфигурации при недетерминированности геометрических и технологических параметров процесса.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

  1. Анализ и систематизация технологических комплексов лазерной обработки, учитывающую форму обрабатываемых изделий, выполняемые операции лазерной обработки, вид перемещения и применяемое оборудование.

  2. Анализ основных закономерностей лазерной резки металлов с целью разработки математической модели и определения доминирующих факторов технологического процесса как объекта управления.

  3. Разработка методики синтеза кинематических структур и структур манипуляционных систем технологических лазер-роботов.

  4. Разработка алгоритмов управления и структур мехатронных устройств компенсации упругих деформаций звеньев кинематической цепи лазер-роботов при обработке крупногабаритных объектов.

  5. Разработка алгоритмов взаимосвязного управления траекторным движением, ориентацией оптической головки и технологическим процессом лазерной резки объекта с недетерминированными геометрическими и технологическими параметрами.

Подобные работы
Васильев Иван Анатольевич
Автоматизированное управление многоцелевой робототехнической системой
Кузьмин Дмитрий Васильевич
Автоматизация вывода уравнений динамики исполнительных систем роботов на основе метода связных графов
Таржанов Иван Владимирович
Повышение точности позиционирования манипуляционной системы робота путем уменьшения ускорений второго порядка
Баранов Дмитрий Николаевич
Разработка интеллектуальной системы управления мобильными роботами на основе следящей системы технического зрения и нечёткой логики
Павлов Алексей Николаевич
Роботы с манипуляционными системами переменной структуры
Цюй Дуньюэ
Разработка системы управления мобильных роботов с использованием нечетких моделей
Белов Владимир Владимирович
Управление структурой и свойствами композиций для изготовления строительных материалов с учетом действия капиллярного сцепления в дисперсных системах
Корепанов Андрей Олегович
Восстановление пространственной структуры древовидных объектов по нечетко наблюдаемым проекциям
Горелик Александр Гиршевич
Методы геометрического моделирования при автоматизированном проектировании объектов сложной структуры
Павлюков Павел Леонидович
Разработка средств вихретокового контроля линейно протяженных объектов сложной структуры

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net