Повышение эффективности информационно-измерительных и управляющих систем робототехнических транспортных установок

Автоматизация производства — это процесс в развитии приборостроительного производства, при котором часть или весь комплекс операций по качественному преобразованию состояния исходного сырья, управлению и контролю, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим устройствам и приборам.

Основная цель автоматизации производства — повышение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, создание условий для разумного использования ресурсов производства, соблюдение норм экологии, обеспечение высокого социального и культурного уровня общества [1]. Различают частичную, комплексную и полную автоматизации производства.

Частичная — автоматизация рабочего цикла машины, создание машин-автоматов и полуавтоматов.

Комплексная автоматизации производства — создание автоматических участков, цехов и заводов, которые функционируют как единый взаимосвязанный автоматический комплекс. Она целесообразна в условиях высокоразвитого производства на базе прогрессивной технологии и методов организации и управления с применением ЭВМ и других надежных технических средств и оборудования, включая промышленные роботы, действующие по заданной им самоорганизующейся программе при общем контроле за работой всего комплекса со стороны человека или ЭВМ.

Полная автоматизации производства предусматривает управление комплексно-автоматизированным производством без участия человекапроводится, когда производство рентабельно, устойчиво, а при изменившихся условиях имеется научно-техническая база, позволяющая адаптироваться в автоматическом режиме на полный цикл производства по выпуску новой продукции, что характерно для гибкого автоматизированного производства (ГАП) [2].

При определении степени автоматизации производства учитывается экономическая эффективность и целесообразность автоматизации исходя из конкретных условий производства.

Автоматизация производства претерпевает новый качественный скачок, что выражается в разработке компонент, комплексов и новых систем гибкого автоматизированного производства, основанных на использовании станков с ЧПУ, промышленных роботов, математических моделей и средств вычислительной техники.

Создание средств, станков счисловым программным управлением (ЧПУ), робототехники обусловило создание базы для автоматизации серийного, мелкосерийного и единичного производства, а также для перехода к гибкому автоматизированному производству (далее ГАП) и к массовому внедрению гибких производственных систем (далее ГПС).

Гибкое производство — это такое производство, в котором представляется возможность за короткое время и при минимальных затратах на том же оборудовании без перерыва производственного процесса и не останавливая оборудования переходить на производство других изделий произвольной номенклатуры в пределах технических возможностей и технологического назначения оборудования.

Функционирование ГПС обеспечивают две группы элементов: производственно-технические функциональные элементы ГАП, составляющие производственно-технологическую часть ГПСэлектронно-вычислительные функциональные элементы ГАП, составляющие информационно-вычислительную и управляющую часть ГПС.

Основными элементами производственно-технологической частиГПС являются: гибкий производственный модуль (ГПМ) — роботизированный технологический комплекс (РТК) и система обеспечения.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) — это единица технологического оборудования промышленного робота и средств оснащения для производства изделий произвольной номенклатуры, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все производственные функции, имеющая возможность встраиваться в более сложную систему.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) — это совокупность единиц технологического оборудования от 3 до 10 станков ЧПУ, роторов и средств их оснащения.

Система обеспечения функционирования ГПС включает автоматические системы: транспортно-складскую, инструментального обеспечения, слежения за состоянием инструмента, обеспечения надёжности качества продукции, удаления отходов производства.

Дальнейшее развитие ГПС создало более сложные гибкие системы в виде гибких производственных комплексов (ГПК), гибких автоматизированных линий (ГАЛ), гибких автоматизированных цехов (ГАЦ) и гибких автоматизированных заводов.

Как уже отмечалось, гибкие автоматизированные производства позволяют быстро переходить от обработки одного изделия к другому, одновременно выполнять различные операции. Гибкие автоматизированные производства применяются в различных формах, определяемых требованиями производства, для обработки самых разнообразных деталей станков, двигателей, транспортных машин, турбин.

Обладая широкой гибкостью, ГАП обеспечивает высокую производительность оборудования, приближающуюся к уровню производительности автоматический линий и линий, скомпонованных из специализированных станков. Основной показатель ГАП — степень гибкости производственной системыэто неоднозначный, многокритериальный показатель. В зависимости от конкретно решаемой задачи ГАП выдвигаются различные аспекты гибкости: машинная гибкость — простота перестройки технологического оборудования для производства заданного большого количества изделий каждого наименования;

— технологическая гибкость — способность системы производить заданное большое количество деталей каждого наименования при различных вариантах технологического процесса;

— структурная гибкость — возможность расширения ГАП за счёт введения новых дополнительных технологических модулей, а также объединение нескольких систем в единый комплекс;

— гибкость по объёму выпуска — способность системы экономично изготавливать изделия каждого наименования при разных объёмах партий запуска и может быть охарактеризована минимальным размером партии, при котором использование системы остаётся экономически эффективным;

— гибкость по номенклатуре — способность системы к обновлению выпуска продукции, характеризуется сроками и стоимостью подготовки производства деталей нового наименования.

Следует отметить, что одним из важнейших процессов в ГПС является процесс перемещения грузов, от которого во многом зависит производительность всей системы.

Перемещение грузов на предприятиях происходит в двух связанных между собой зонах — изготовления и хранения продукции. Под зонами изготовления продукции понимаются площади производственных подразделений (участков, линий, цехов), на которых размещено оборудование для выполнения технологических операций. Зоны хранения продукции (механизированные склады) обычно организуются в составе крупных производственных подразделений (цехов, групп смежных цехов) и служат для приема и выдачи готовых изделий, материалов, инструмента и др.

Зоны изготовления и хранения связаны между собой грузопотоками и снабжаются соответствующими подъемнотранспортными средствами [1]. Характер перемещения грузов для тех и других зон имеет определенные специфические отличия. Так, в зонах изготовления грузы перемещаются в основном в горизонтальных направлениях, а расстояния перемещений относительно велики, грузопотоки по расположению мест загрузки-разгрузки и по виду грузов достаточно разнообразны. Зоны хранения современных крупных предприятий, оснащенные преимущественно высотными стеллажами, требуют перемещения грузов в равной мере по вертикали и горизонтали, имеют стабильные места разгрузки-загрузки и сравнительно ограниченную номенклатуру грузов по их массе и форме (обычно это поддоны, контейнеры и т. п.).

Особенности перемещения грузов в различных зонах определяют разнообразие применяемых в них подъемно-транспортных средств. В зонах изготовления используются надземные (мостовые и другие краны, монорельсовые тележки с электроталями, подвесные конвейеры) и наземные (конвейеры, рельсовые и безрельсовые тележки) машины. В зонах хранения находят широкое применение так называемые стеллажные краны-штабелеры. В современных условиях, когда проявляется устойчивая тенденция перехода к гибким автоматизированным производствам, важнейшее значение приобретает роботизация технологических процессов перемещения грузов в зонах изготовления и хранения продукции [2].

К основным направлениям такой роботизации относятся: совершенствование подъемно-транспортных машин путем дополнительного оснащения устройствами автоматики или их замена специальными подъемно-транспортными роботамиустановка ПР в местах загрузки-разгрузки конвейеров, платформ, транспортных тележекиспользование автоматических средств, рельсового и безрельсового напольного транспорта, главным образом, робокаровприменение программно-управляемых стеллажных кранов-штабелеров на складах.

Рассмотрим подробнее сущность этих направлений роботизации.

Большинство грузоподъемных кранов, применяемых для выполнения подъемнотранспортных операций, относится к кранам с гибким подвесом груза, т. е. их грузоподъемное устройство (обычно крюк), расположенное на свободном конце канатного грузового полиспаста, при работе крана может совершать колебания относительно вертикальной оси. Если рассматривать кран как манипуляционную систему, то последняя обеспечивает три переносные степени подвижности (перемещение крана вдоль пути, перемещение грузовой тележки вдоль моста крана и подъем-опускание крюка), позволяющие установить крюк в любую точку рабочего пространства. Автоматическое позиционирование крюка в заданную точку рабочего пространства обеспечивается достаточно отработанным способомразмещением по степеням подвижности датчиков (например, бесконтактных индукционных), подающих сигналы в систему управления о фактических положениях крюка в пространстве. Для автоматической зацепки-отцепки груза крюк можно оборудовать навесным захватным устройством. Учитывая невысокую точность позиционирования, снижаемую также возможными отклонениями крюка на канатах, в качестве навесных захватных устройств можно использовать электромагниты, пневмозахваты и, в меньшей степени, некоторые типы механических захватов [3].

Расширению функциональных возможностей кранов роботов с гибким подвесом груза препятствует трудность реализации ориентирующих степеней подвижности. В этом смысле более перспективными являются краны с жестким подвесом груза — специальные краны-роботы.

Широко используемые для подъемно-транспортных операций монорельсовые тележки с электроталями имеют тоже гибкую подвеску груза, что резко снижает их манипуляционные возможности и затрудняет (хотя не исключает) применение в качестве автоматизированных средств перемещения грузов. Учитывая эту особенность тележек с электроталями, а также их сравнительно небольшую грузоподъемность, при роботизации технологических процессов перемещения грузов их стремятся заменить специальными транспортными ПР. Базой для последних являются подвесные монорельсовые тележки, к которым снизу («вниз головой») прикрепляют манипулятор с переносными и ориентирующими степенями подвижности, что расширяет возможности захватывания и укладки грузов. Управление такими транспортными роботами производится с пульта, на котором оператором задаются «адреса» мест приема и укладки грузов.

Узкими местами в транспортных потоках всегда являлись узлы перегрузки продукции с одного транспортного средства на другоес конвейера на транспортную тележку и наоборот, укладка поступающих по конвейеру грузов в тару, а также другие перегрузочные операции. Во многих случаях эти операции до сих пор выполняются вручную [4, 5].

При роботизации в таких узлах устанавливаются перегрузочные ПР, не требующие обычно специальной конструкции. Для перегрузки пригодно большинство универсальных ПР. Рабочий процесс роботов, занятых перегрузкой, в значительной мере соответствует процессу вспомогательных ПР, т. е. он заключается в переносе груза с одной позиции (позиции захвата) -ч на другую (позицию установки) без особых промежуточных манипуляций, что позволяет считать процесс достаточно простым.

Однако в отличие от ряда процессов вспомогательныхПР работа перегрузочных роботов осложняется нестабильностью расположения позиций захвата и установки грузов, поскольку последние приходится брать с непрерывно движущихся конвейеров, укладывать в разные места по объему тары и т. п. Для нормального функционирования ПР в этих случаях в систему его управления должна поступать четкая информация о положении грузов на взаимодействующих с ПР устройствах — конвейерах, таре, столах, кантователях и т. д., что может потребовать их оборудования датчиками той или иной конструкции [6].

Следует отметить, что при погрузочно-разгрузочных работах с транспортными средствами общего назначения (грузовые автомобили, железнодорожные вагоны и др.) использование промышленных роботов в автоматическом режиме затруднено, поэтому в таких случаях более целесообразным является применение манипуляторов, по структурной схеме напоминающих МС роботов, но управляемых вручную со специальных пультов. Для удобства контроля захвата грузов органы управления этими манипуляторами могут располагаться непосредственно на рабочем органе.

Для перемещения грузов на значительные расстояния (например, в пределах цеха или из одного цеха в другой) и по различным трассам в последние годы все шире используются роботизированные транспортные устройства (РТУ), в особенности безрельсовые автоматические тележкиробокары, заменяющие обычные сопровождаемые водителями электрокары и электропогрузчики. Робокара представляет собой самоходную безрельсовую тележку, автоматически движущуюся по заданной трассе и останавливающуюся в местах загрузки-разгрузки с помощью специальных устройств маршрутослежения — механических, оптических, индукционных и.

ДР-[7].

На трассе движения робокары намечаются и кодируются характерные узловые точки — места остановок, перекладок, ответвлений, трассы и др. — и оборудуются светоотражающими, электромагнитными, либо иными информационными устройствами, с которыми взаимодействуют при подходе к ним датчики внешней информации робокары. В результате сигналы от датчиков направляются в управляющую компьютерную систему, где на основании программы с учетом текущей информации обратных связей формируются команды управления дальнейшими действиями робокары. Задание программы осуществляется с помощью клавишного пульта, установленного на робокаре. При большом числе робокар и сложной разветвленной трассе управление их согласованными движениями осуществляется со стационарного центрального пульта Последний оборудуется средствами программирования, а также световым табло, отражающим схему трассы и положение робокар на трассе в каждый данный момент [8].

Как упоминалось ранее, современные зоны хранения (склады) оборудуются высотными стеллажами, имеющими до нескольких десятков горизонтальных и вертикальных рядов ячеек, в которых размещаются грузы (обычно в поддонах, контейнерах и другой подобной таре). С целью экономии общей площади, занимаемой складом, проходы между стеллажами делаются минимальными. В таких условиях наиболее эффективно для перемещения грузов использование стеллажных кранов-штабелеров, которые по своей общей конструктивной схеме существенно отличаются от других грузоподъемных кранов, оборудованы системой программного управления и являются, по существу, кранами-роботами. Они имеют низкую двухколесную ходовую балку, перемещающуюся по наземному рельсу, установленному в проходе между стеллажами. На ходовой балке установлена высокая колонна, в верхней части которой смонтированы горизонтальные ролики, контактирующие со специальными направляющими. Вдоль колонны перемещается грузоподъемник (каретка), оборудованный захватом для груза Кран связан кабелем управления со стационарным пультом, который включает в свой состав компьютерное! устройство, позволяющее оператору программировать работу крана [9].

Работа крана заключается в захвате груза с исходной позиции (единственной для данного крана) и размещении груза в одной из заданных программой ячеек или в перемещении груза из какой-либо ячейки на исходную позицию. Подача грузов на исходную позицию из цеха (зоны изготовления) и обратно производится другими подъемно-транспортными средствами — конвейерами, робокарами и т. п. Стеллажный кран-штабелер оборудуется системой датчиков, информирующей систему управления о положении захвата относительно ячеек стеллажей. а основании вышеизложенного можно отметить следующее [10]: робокары позволяют оперативно изменять транспортно-технологические маршруты при перестройке и реконструкции на предприятииосвободить производственные площади от транспортных устройств. Применение робокаров снижает затраты на погрузочно-разгрузочные и транспортно-складские работы. Выход из строя одного робокара не выводит из строя всей системы, а прокладка трассы для него в 10 и более раз дешевле, чем сооружение конвейера. Робокары снижают затраты на погрузочно-разгрузочные и транспортно-складские работы, уменьшают долю затрат на эти виды работ в себестоимости готовой продукции.

Учитывая важность РТУ, становится понятным внимание к ним со стороны как потребителей так и производителей такой техники — фирм «Интрансмаш» (НРБ — ВНР), «Daifuku» (Япония), «ErnstWagner» (ФРГ), «DIP» (Италия), «Roela» (Финляндия), «JungheinrichSmelt» (ФРГ— СФРЮ), «Cisa» (Италия), «VanNelle» (Нидерланды), «ChristianDior» (Франция), «Coca Cola» (США) и т. Рассмотрим еще одну важную проблему, связанную с применением РТУ.

В настоящее время удаленное управление мобильным внутрицеховым транспортом зачастую производится оператором в супервизорном режиме. Как показал отечественный и зарубежный опыт разработки и использования мобильных роботов (РТУ), системы супервизорного дистанционного управления имеют ряд принципиальных недостатков и ограничений, основными из которых являются следующие [6, 11]: к каналу связи предъявляются повышенные требования по надежности, обусловленные необходимостью непрерывного участия человека-оператора в процессе управлениярадиус действия дистанционно управляемого РТУ ограничен зоной уверенного радиообмена между пультом и объектом управления: существует возможность зашумления радиоканала, создаваемый навигационный маршрут не является оптимальным. скорость реакции оператора может превышать опасные допустимые пределы реагирования и ниже скорости реагирования автоматизированных систем.

Поэтому дальнейшее развитие автоматизации процесса маршрутизации мобильных роботов, связано с повышением автономности РТУ за счет передачи функций, выполняемых человеком-оператором, бортовым средствам. Такая «интеллектуализация» РТУ требует комплексного решения бортовыми средствами следующих основных задач: дистанционное определение геометрических и опорных характеристик зоны маневрированияопределение текущих координат и ориентации РТУформирование оперативной (локальной) и тактической (глобальной) моделей внешней среды с учетом оперативной (показания бортовых датчиков и сенсоров) и априорной (картографические данные) информации о районе маневрированияпланирование целенаправленных траекторий движения на оперативном и тактическом уровняхотработка планируемых траекторий движенияконтроль и диагностика программно-аппаратных средств бортовой системы управления и двигательной установки.

При дистанционном управлении РТУ они двигаются только повторяя движения управляющих механических сигналов от оператора. Применяют их.

14 в основном для работы в экстремальных условиях. Но при этом человек не свободен от напряженного ручного труда, что приводит к быстрой его утомляемости и медленному выполнению операций.

Устранить недостатки дистанционного управления МР позволит применение интерактивных систем. Существуют три основных типа интерактивных систем управления: автоматизированные, супервизорные и диалоговые.

В автоматизированных системах происходит расчленение выполняемых операций: часть их осуществляется РТУ автоматически, а другая часть выполняется человеком.

Важным для практического применения на промышленных предприятиях видом автоматизированных систем являются системы, в которых автоматические режимы управления (программные или адаптивные) чередуются с копирующими. В такой комбинированной системе оператор выполняет две функции:

1) включает и переключает программы режимов управления РТУ;

2) переключает на режим управления в экстремальных ситуациях (например, попадание в аппарат посторонних предметов, поломка оборудования и т. п.).

При супервизорном режиме управления оператор руководит РТУ, способным самостоятельно выполнять по определенным программам (жестким или адаптивным) отдельные элементы операций. Поэтому оператор, наблюдая за обстановкой (например, на экране дисплея) и зная общую задачу, оставляет за собой анализ ситуации и принятие решения, соответствии с этим он подает команды или включает те или иные программы, которые затем выполняются МР в автоматическом режиме.

Диалоговый режим [6,10] предполагает более совершенную систему управления роботом. Если в супервизорном режиме робот выполняет команды оператора, то в диалоговом режиме организуется активное взаимодействие робота с человеком. Все движения исполнительного устройства робота осуществляются автоматически, но планирование этих движений производится ЭВМ совместно с оператором.

Автоматические системы управления различаются средствами очувствления, принципами адаптации и уровнем развития элементов искусственного интеллекта [6,11].

В автоматических системах управления функции оператора состоят в обучении, запуске и периодическом наблюдении за работой РТУ.

Под маршрутизацией понимают автоматизированное геометрическое моделирование траектории движения МР в пространстве или на плоскости. Исходная информация об окружающей среде представляется моделями, а алгоритмы решения задач представляются в виде программ.

Вопросами маршрутизации различных транспортных устрйств занимается много фирм и организаций.

Однако, несмотря на такой интерес и огромное количество конкретных образцов РТУ, много конкретных вопросов проектирования как самих РТУ, так и для их элементов остались нерешенными.

В первую очередь это касается задач определения оптимальных по какому-либо критерию (быстродействию, точности, энергоэффективности и др.) траекторий движения робокар, во многом определяющих эффективность их применения[11].

Во вторую очередь это касается электроприводов РТУ, входящих в состав их информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), определяющих энергетические, скоростные и точностные характеристики РТУ [12].

Решение этих задач изложено в 4-х главах, заключении, библиографическом списке и приложениях.

В первой главе проведен обзор схем существующих РТУ с анализом их технических характеристик, разработана обобщенная функциональная схема ИИУС РТУ и технические требования, предъявляемые к ней и ее компонентам, сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе сформулирована технологическая и математическая задача оптимизации движения РТУ, а также разработан алгоритм решения задачи оптимального движения.

В третьей главесформулированы техническиетребования, предъявляемые к исполнительным приводам РТУ. Разработаны их математические модели в виде структурных схем. Проведен анализ основных динамических характеристик контуров положения электроприводов при контурном режиме работы. Также проведено исследование работы взаимосвязанной ИИУС РТУ.

В четвертой главе проведен анализ работы некоторых практических разработок ИИУС РТУ. Разработан алгоритм наладки системы электроприводов, обеспечивающий одинаковость их добротностей.

В заключении изложены основные результаты работы, научные и практические.

В Приложении приведены принципиальная электрическая схема электропривода ПРШ-102 (аналоговый вариант) и представлен акт внедрения результатов работы.

Выводы.

1. С помощью предложенного метода оптимизации траекторий движения, основанного на методе парных замещений, достигается существенное улучшение показателей РТУ (либо экономии электроэнергии, либо повышение быстродействия).

2. Технические показатели РБТ-1 полностью соответствуют предъявляемым к такому классу устройств требованиям по быстродействию и точности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1.На основании анализа известных ИИУС РТУ выявлены основные тенденции развития ИИУС роботизированных транспортных устройств, заключающиеся в использовании замкнутых по положению электроприводов совместно с управляющим вычислительным устройством, осуществляющим решение различных транспортных и оптимизационных задач.

2. Разработана обобщенная структура ИИУС РТУ, позволяющая адекватно определять как состав системы, так и взаимодействие отдельных элементов системы и их влияние на общие показатели качества всего РТУ.

3. Для повышения качества РТУ были определены технические требования, которым должны удовлетворять ИИУС РТУ, выбрана структура и метод настройкиконтуров положения электроприводов.

4. Разработана математическая модель электропривода, входящего в состав ИИУС РТУ, позволяющая получить оптимальный по критерию быстродействия и точности контур положения, с учетом перспектив расширения области их применения.

5. Разработана математическая модель системы из 2-х электроприводов, входящих в состав ИИУС, позволяющая учитывать ограниченную емкость аккумуляторной батареи.

6. Предложен метод определения оптимальных по какому-либо критерию (обычно быстродействию или энергозатратам) траекторий движения РТУ, использующий математический аппарат теории графов с соблюдением принципа парных замещений.

7. Разработана методика, реализующая предложенный метод определения оптимальных траекторий движения РТУ.

8. Предложен конкретный тип регулятора положения, обеспечивающий настройку контура положения на симметричный оптимум, реализованный в аналоговом и цифровом виде.

9. Проведены конкретные расчеты траекторий движения РТУ типа РБТ-1, оптимальных по энергозатратам и быстродействию, для исследований, проводимых на опытной площадке ОАО «ЦНИТИ».

10. Проведены испытания контуров положения электроприводов, входящих в состав ИИУС РТУ типа РБТ-1, подтвердивших повышение точности не менее чем в 2 раза.

11. Проведены исследования влияния ограниченной емкости аккумуляторной батарей на показатели качества ИИУС РТУ типа РБТ-1, показано, что разряде батареи более чем на 20% необходимо ограничивать токи электродвигателей, или, что тоже самое, ускорение перемещения.