Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0054

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0054
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка новых интеллектуальных информационно-коммуникационных систем и технологий для высококачественного управления очувствленными промышленными роботами, предназначенными для автоматического выполнения сложных технологических операций в условиях неопределенности
Докладчик
Филаретов Владимир Федорович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является создание комплекса научных и программно-технических решений в области разработки интеллектуальных информационно-коммуникационных управляющих систем (ИИКУС) очувствленных промышленных роботов (ОПР) для автоматического выполнения сложных технологических операций в условиях неопределенности.
Для достижения поставленной цели в проекте определены следующие задачи.
1. Разработать новые подходы к построению моделей неизвестной окружающей рабочей среды (РС), которые формируются с помощью систем технического зрения (СТЗ) и других сенсоров и позволят ОПР строить и корректировать траектории и режимы движения их рабочих инструментов (РИ) при выполнении сложных технологических операций.
2. Разработать методы формирования и адаптивной коррекции траекторий движения РИ ОПР при обработке нежестких деталей со сложной пространственной конфигурацией на основе комплексирования данных, получаемых от СТЗ и CAD - моделей деталей.
3. Разработать методы формирования и коррекции в реальном масштабе времени (РМВ) пространственных траекторий движения сварочных инструментов ОПР, обеспечивающих качественную сварку корпусных изделий даже при наличии значительных температурных пространственных деформаций сварных швов.
4. Разработать методы синтеза систем автоматического формирования режимов движения РИ ОПР по произвольным пространственным траекториям, обеспечивающих это движение с максимально возможной скоростью при сохранении заданной точности движения вдоль этих траекторий.
5. Разработать методы синтеза систем аккомодации к дефектам в блоках ОПР для сохранения требуемого качества их функционирования в течение всего рабочего цикла.
Актуальность и новизна исследования
В современном машиностроительном производстве усиливается тенденция использования промышленных роботов для автоматического выполнения сложных технологических операций (сверление, фрезерование, гидроабразивная и лазерная резка, сварка и т.п.) с деталями, имеющими сложную пространственную конфигурацию. Технологии обработки корпусных деталей достаточно хорошо развиты и отработаны, если эти детали обладают высокой жесткостью или точно и жестко зафиксированы в конкретном месте детерминированной РС робота. При этом требование по созданию строго детерминированной РС является обязательным при использовании традиционных промышленных роботов. Это обусловлено особенностями существующих информационно-коммуникационных управляющих систем, использующих «жесткие» управляющие программы роботов, которые используют CAD-модели деталей и остаются неизменными во время выполнения всех технологических операций независимо от возможных изменений места, условий и точности позиционирования указанных деталей в производственных условиях.
В связи с отмеченным целесообразно существенно изменить и усовершенствовать технологии обработки указанных изделий, по возможности полностью исключив использование жесткопрограммируемых роботов из технологического процесса, заменив их на ОПР, оснащаемые современными ИИКУС, позволяющими в реальном масштабе времени формировать и впоследствии при необходимости корректировать управляющие программы роботов в условиях существенной неопределенности рабочей среды. Таким образом, определенная в проекте задача является весьма актуальной и требует своего скорейшего теоретического решения и практического освоения.
Описание исследования

Эффективная работа ОПР при выполнении сложных технологических операций в условиях полной или частичной неопределенности РС возможна только при автоматическом планировании и коррекции траекторий движения (управляющих программ) его РИ с использованием различной сенсорной информации. Проведенный анализ показал, что ввиду большого многообразия возможных технологических операций и стратегий использования ОПР, обладающих различным набором сенсоров, не удается выделить какой-либо один универсальный подход к формированию и коррекции управляющих программ, который оказался бы эффективным для различных ОПР и режимов их работы.

С учетом отмеченного в проекте предложен единый комплексный подход к созданию ИИКУС для ОПР, согласно которому в зависимости от вида технологических операций, степени детерминированности РС и т.п. предлагается использовать различные алгоритмы и методы получения моделей этой среды, планирования и коррекции траекторий движения РИ ОПР, обеспечивающие качественное выполнения заданных технологических операций.

В общем виде можно выделить два уровня детерминированности РС: неизвестная стационарная и неизвестная нестационарная РС. Первый из рассмотренных уровней предполагает работу ОПР в неизвестной, но стационарной РС. При этом допускается, что детали могут иметь неизвестное положение и ориентацию в рабочей зоне ОПР, а также неизвестную, но постоянную деформацию, полученную в процессе их закрепления (особенно тонкостенных и упругих) в универсальной оснастке перед их последующей обработкой, что приводит к невозможности использования для выполнения технологических операций традиционных промышленных роботов. На этом уровне в проекте создан алгоритм быстрого и точного формирования моделей РС (определение положения и ориентации деталей относительно базовой системы координат ОПР).

Для качественной обработки деталей при их неизменной деформации необходима разработка алгоритмов адаптивной коррекции траекторий движения РИ ОПР с использованием формируемых моделей траекторий, строящихся на основе сенсорной информации. Причем указанная коррекция может осуществляться в режиме off-line перед началом выполнения технологических операций. Разработку таких алгоритмов в проекте предложено проводить на основе комплексирования данных (совмещении трехмерных моделей), получаемых от СТЗ ОПР и известных CAD - моделей деталей. Однако, как показали предварительные исследования, при возникновении деформаций деталей более чем на 5-7% от эталонной CAD модели такой подход не позволит сформировать точную траекторию движения РИ. В этом случае целесообразнее использовать алгоритмы автоматической генерации программ движения РИ на основе отслеживания промаркированных на деталях линий обработки.

Второй уровень детерминированности РС предполагает работу ОПР в неизвестной нестационарной РС. Характерными примерами таких операций могут являться: контактная обработка тонкостенных деталей, закрепленных в универсальной оснастке, допускающей их деформацию в процессе обработки; сварка деталей при температурной деформации пространственной геометрии сварочного шва; выполнение технологических операций с подвижными деталями и др. Для качественного выполнения этих операций в проекте предложены методы синтеза ИИКУС ОПР, обеспечивающие формирование в РМВ траекторий движения РИ ОПР на основе информации, получаемой от различных сенсоров. При этом в зависимости от условий выполнения технологических операций могут быть использованы либо контактные сенсоры, либо СТЗ, расположенные вблизи РИ робота.

Таким образом, совокупность разработанных в проекте алгоритмов и методов планировании и коррекции траекторий движения РИ позволяет обеспечивать высококачественное выполнение различных технологических операций в условиях неопределенности и переменности РС.

Результаты исследования

Главным результатом проекта является создание и практическое использование единого комплексного подхода к построению ИИКУС и технологий формирования управляющих программ для ОПР, обеспечивающих автоматическое выполнение сложных технологических операций.

При решении указанной комплексной проблемы были получены следующие новые превышающие мировой уровень научные результаты, относящиеся к созданию отдельных подсистем и устройств указанных роботов.

1. Разработан единый комплексный подход к созданию ИИКУС для ОПР, которая на основе информации, получаемой от различных сенсоров, позволяют автоматически формировать и корректировать управляющие программы роботов, приспосабливаясь к изменениям состояний внешней среды и самой робототехнической системы.

2. Разработаны программная архитектура и состав подсистем ИИКУС, позволяющих формировать и непрерывно корректировать траектории движения РИ ОПР (в процессе выполнения сложных технологических операций) на основе получаемой сенсорной информации.

3. Разработаны алгоритм и процедура формирования в РМВ с помощью СТЗ и других сенсоров моделей окружающей РС. При этом рассмотрено несколько подходов, учитывающих возможное перемещение СТЗ и сканируемых объектов среды. Разработан алгоритм привязки полученных трехмерных моделей к базовой системе координат ОПР.

4. На основе комплексирования данных, получаемых от СТЗ ОПР и CAD - моделей РС, разработан алгоритм коррекции траекторий движения РИ ОПР при наличии деформаций обрабатываемых деталей. Коррекция этих траекторий происходит в два этапа. На первом - обеспечивается совмещение CAD - модели и трехмерной модели отсканированной детали, имеющей деформации. В процессе этого совмещения происходит определение количества пар ближайших точек, входящих в совмещаемые модели, которые соответствуют деформированным участкам. На втором этапе после анализа сечений рассматриваемых моделей происходит перенос точек траекторий движения РИ с CAD - моделей на трехмерные модели деформированных деталей.

5. На основе непрерывно получаемого видеоизображения деталей со сложной пространственной конфигурацией разработан метод планирований траекторий движения РИ ОПР в процессе их обработки в условиях непрерывного изменения РС. Созданный алгоритм учитывает возможные неизвестные деформации отдельных участков деталей в процессе контактной механической обработки.

6. Разработан алгоритм формирования и коррекции в РМВ пространственных траекторий движения сварочных инструментов ОПР, обеспечивающий качественную сварку при возможной деформации сварного шва на основе данных, поступающих от контактного датчика.

7. Предложена новая концепция синтеза высокоточных адаптивных систем управления ОПР, которая основана на непрерывной подстройке скорости движения их РИ по произвольным пространственным траекториям. На основе этой концепции разработан метод синтеза легко реализуемых ИИКУС для ОПР, которые в зависимости от текущего расположения деталей формируют такие программные сигналы для всех электроприводов этих ОПР, которые обеспечивают движение их РИ с максимально возможной скоростью и с заданной динамической точностью.

8. Предложен обобщённый алгоритм и методы синтеза систем непрерывной аккомодации к дефектам в сенсорах и приводах ОПР, обеспечивающие инвариантность приводов ОПР к возникающим в процессе работы дефектам.

Практическая значимость исследования
По результатам выполнения проекта создан теоретический фундамент для проектирования интеллектуальных ОПР нового поколения с принципиально новыми свойствами и функциональными возможностями, аналогов которых в мире еще нет. Указанные теоретические результаты будут использованы в предполагаемых инновационных проектах. На базе этих теоретических результатов в последствии должны быть выполнены ОКР по созданию принципиально новых инновационных технологий эффективной роботизированной обработки нежестких деталей различного назначения на нескольких авиационных, судостроительных и приборостроительных заводах Дальнего востока России, с которыми уже начаты соответствующие проработки и исследования. После детальной апробации созданные ИИКУС предполагается тиражировать на другие заводы России указанного профиля, использующие передовые информационно-коммуникационные робототехнические технологии в условиях частичной или полной неопределенности. При этом специальных условий для эффективного использования результатов предстоящих исследований создавать не требуется.
В настоящее время в качестве заказчиков внедренческих работы выступают крупнейшие на Дальнем Востоке России предприятия: ПАО «Дальприбор» (г. Владивосток) и ПАО ААК «ПРОГРЕСС» (г. Арсеньев).