11045

Мехатронные системы в машиностроительных технологиях

Реферат

Физика

Мехатронные системы в машиностроительных технологиях. Автоматизация технологических процессов в производственной сфере проходит путем широкого внедрения мехатронных объектов. Аппаратурные вычислительные и программные возможности в настоящее время позволяют созд...

Русский

2013-04-03

794.5 KB

144 чел.

Мехатронные системы в машиностроительных технологиях. 

Автоматизация технологических процессов в производственной сфере проходит путем широкого внедрения мехатронных объектов. Аппаратурные, вычислительные и программные возможности в настоящее время позволяют создавать системы управления объектами и процессами, используя для этого ограниченный набор функционально завершенных устройств процессорного управления, контроллеров, модулей связи с датчиками, с исполнительными и другими подсистемами. К мехатронным системам в машиностроительных технологиях следует отнести машины с компьютерным управлением, предназначенные для выполнения технологических операций. Это – машины для быстрого прототипирования, станки с ЧПУ, технологические машины – гексаподы,  промышленные роботы (ПР)

             Технологии быстрого прототипирования

Современные технологии изготовления некоторых деталей, элементов конструкций реализованы благодаря мехатронному научному и техническому базису. В качестве примера можно привести технологии быстрого прототипирования, позволяющие за очень короткие сроки построить на ЭВМ трехмерный образ  изделия, а затем изготовить ее натурную копию. Это может быть необходимым для отработки дизайна изделий, проверки узлов на собираемость, аэродинамических тестов, создания литейных форм и в других случаях.

Технологии быстрого создания твердотельных прототипов  (Fast Free Form Fabrication - FFFF) в отличие от традиционных методов  обработки резанием основаны на послойном «выращивании» модели объекта из определенных материалов.

Процессом выращивания управляет компьютер с помощью программы, полученной на основе компьютерной модели изделия, спроектированной в какой-либо CAD/САМ системе. По этой компьютерной модели строится набор плоских параллельных сечений с заданным шагом, которые и определяют границы перемещения формообразующего устройства  (лазер, фильерная головка и т.д.). В зависимости от используемых физических процессов и материалов применяются различные технологии быстрого прототипирования, реализованные в серийно выпускаемых установках.

К таким технологиям относится метод стереолитографии, (Stereolithography), который основан на явлении фотополимеризации - отвердевании некоторых полимеров под действием светового излучения. В ванне с жидким фотополимером вблизи его поверхности размещается подвижная поддерживающая платформа. С помощью перемещающейся в плоскости X-Y лазерной головки на поверхности фотополимера лучом ультрафиолетового лазера сканируется («рисуется») первое, самое нижнее сечение моделируемого изделия.

После формирования этого сечения платформа опускается вниз на толщину сечения. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформировано последнее (самое верхнее) сечение. Для системы STEREOS600 фирмы EOS максимальные габариты прототипа 600x600x400 мм, при максимальной точности изготовления ±0,1 мм.

Стереолитография достаточно широко используется при проектировании и изготовлении литейных моделей и форм, но она имеет ряд серьезных недостатков: токсичность и высокая стоимость большинства фотополимерных материалов, недостаточная предсказуемость поведения фотополимеров как на этапе выращивания модели, так и при ее последующем использовании.

Применяются и другие технологии: послойное нанесение расплавленного полимера, струйное напыление полимера. В последнем случае реализован принцип работы струйного принтера: перемещающаяся в плоскости X-Y головка содержит два микросопла, через которые на предыдущий слой полимера наносится новый слой моделирующего и поддерживающего полимеров. Диаметр микрокапель составляет всего 0,075 мм, остаточные деформации и усадки практически отсутствуют, поэтому при выращивании прототипов по такой технологии удается получить точность до 0,05 мм при максимальных габаритах модели 150x150x150 мм. При этом сохраняются все остальные преимущества (компактность, экологичность, низкая себестоимость). Существенным недостатком данной технологии является большое время получения прототипа.

Еще одним вариантом является технология, основанная на вырезании лучом лазера плоских сечений модели из полимерной пленки или бумаги с полимерным покрытием и последующим их склеиванием. Достижимая точность составляет ±0,1 мм.

В тех случаях, когда необходимо непосредственно получать металлические модели изделий, применяется технология лазерного спекания металлического порошка, полимеров, керамических порошков и других материалов. На подвижный стол установки наносится тонкий слой порошкового материала. Под действием лазерного излучения происходит спекание отдельных микрочастиц порошка; таким образом, перемещение лазерной головки в плоскости X-Y позволяет сформировать плоское сечение модели, после чего стол опускается на толщину слоя. Процедура повторяется до полного формирования модели. Возможность использования различных экологически чистых материалов, получения прототипов с высокими механическими свойствами делают эту технологию весьма привлекательной.

Работы по созданию промышленных установок быстрого прототипирования ведутся и в России. Например, в рамках проекта «Карат», в Петербурге создана опытная модель установки «КАРАТ-200» с рабочей зоной 200x200x430 мм. В этой установке используется СО2-лазер, с помощью которого из бумаги с термоадгезивным слоем толщиной 78,5 мкм вырезаются сечения модели. Склейка сечений осуществляется термопрессованием. Скорость наращивания модели - до 6 мм/час. Имеется система слежения за текущей толщиной изделия и коррекции геометрии изделия в процессе наращивания. Реализация подобных технологий стала возможна благодаря технологическому мехатронному оборудованию.

Многокоординатные металлорежущие станки с ЧПУ

Мехатронный подход положен в основу создания семейства многокоординатных металлорежущих станков с ЧПУ на базе ограниченного набора унифицированных мехатронных модулей вращательного и линейного перемещений, предназначенных для высококачественной обработки изделий со сложной поверхностью. При разработке таких станков использованы принципы блочно-модульного построения и управления. Предусмотрены возможности измерения текущих параметров деталей и записи управляющих технологических программ по модели изделия.

В качестве примера рассмотрим вертикальный обрабатывающий центр, предназначенный для высокоскоростной механической обработки деталей из различных материалов, имеющих сложную геометрическую форму (пресс-формы, штампы и т.д.), а также тонкостенных деталей сложного профиля.

Обрабатывающий центр выполняет операции сверления, прямолинейного, контурного и объемного фрезерования, растачивания, нарезание резьбы. Благодаря поворотному 2-координатному столу возможна полная обработка заготовки (с пяти сторон) за одну установку, что обеспечивает высокую точность обработки и производительность.

Отсутствие в приводе передаточных звеньев (шкивов, ремней, зубчатых передач) позволяет добиться высокой надежности и долговечности работы обрабатывающего центра.

Цифровое программное управление в комплекте с цифровыми приводами с высокодинамичными серводвигателями, не требующими технического обслуживания, обеспечивает отличные динамические характеристики вертикальных обрабатывающих центров, высокую точность обработки и большую надежность.

Технологические машины – гексаподы 

Анализируя типовые кинематические схемы манипуляционных роботов (см. рис.), а также металлорежущих станков,  можно отметить присущие им две особенности:

1) оси кинематических пар расположены параллельно либо перпендикулярно друг другу;

         2) звенья соединены в последовательную кинематическую цепь.

Рисунок 4.1 .- Схема манипулятора промышленного робота

Здесь явно прослеживается бионический подход, ведь приведенные схемы манипуляторов (особенно антропоморфные структуры типа "PUMA" и "SCARA") аналогичны по кинематике человеческой руке (которая имеет 27 степеней свободы, из них 20 – обеспечиваются кистью). Эти структуры обеспечивают промышленным роботам высокую манипулятивность и большой угол сервиса, вместе с тем они имеют и целый ряд существенных недостатков:

низкий показатель грузоподъемность/масса манипулятора, что обусловлено последовательной схемой соединения звеньев. Действительно, каждый привод вынужден перемещать не только полезную нагрузку, но и все последующие по цепи звенья;

погрешности в перемещениях всех шарниров суммируются на концевой точке манипулятора, что приводит к низкой точности позиционирования манипуляторов по сравнению с машинами с декартовой компоновкой;

относительно низкая жесткость манипуляционных роботов, так как упругое отклонение рабочего органа есть результат накопления деформаций по цепи по всем степеням подвижности робота. Причем весовые коэффициенты этой суммы пропорциональны расстояниям от концевой точки до осей соответствующих шарниров.

Один из новых и эффективных путей преодоления перечисленных недостатков - это создание машин с параллельной кинематикой (МПК). В основе их конструктивной схемы лежит обычно платформа Стюарта. Машина имеет основание и подвижную платформу, соединенные несколькими стержнями управляемой длины (рис.4.2).

Рисунок 4.2 .- Схема мехатронной системы типа станок-гексапод

Стержни закреплены на концах шарнирами, у которых не менее двух степеней подвижности. На подвижной платформе крепится рабочий орган (например, инструментальная или измерительная головка). Изменяя длины стержней с помощью приводов линейного перемещения, можно управлять перемещениями и ориентацией подвижной платформы, а, следовательно, и жестко связанного с ней рабочего органа.

Для универсальных машин, где требуется управление пространственным перемещением рабочего органа по шести степеням свободы, необходимо соответственно шесть стержней. В мировой литературе такие машины называются "гексаподы" (гекса - шесть). Если управляемых стержней три, то МПК называется трипод (см. рис.).

Рисунок 4.3.- Трипод, сканирующий поверхность сложной формы.

Основными преимуществами машин с параллельной кинематикой являются:

высокая точность исполнения движений;

высокие скорости и ускорения рабочего органа;

отсутствие традиционных направляющих и станины (в качестве несущих элементов конструкции используются приводные механизмы), поэтому улучшенные массогабаритные параметры и низкая материалоемкость;

- высокая степень унификации мехатронных узлов, обеспечивающая технологичность изготовления и сборки машины и конструктивную гибкость.

Повышенные точностные показатели МПК обусловлены следующими ключевыми факторами:

  1.  здесь не происходит суперпозиции (наложения) погрешностей позиционирования звеньев при переходе от базы к рабочему органу, что выгодно отличает гексаподы от кинематических схем с последовательной цепью звеньев;
  2.  стержневые механизмы обладают высокой жесткостью, так как при наличии двухстепенных шарниров крепления стержни не подвержены изгибающим моментам и работают только на растяжение-сжатие;
  3.  применяются прецизионные датчики обратной связи и измерительные системы (например, лазерные), а также используются компьютерные методы коррекции перемещений рабочего органа.

Благодаря повышенной точности МПК могут применяться не только как обрабатывающее оборудование, но и в качестве измерительных машин. Примерами могут служить трипод-сканер для измерения геометрических параметров костей (рис). Полученная цифровая информация о геометрии эталонного образца передается затем в CAD/CAM-систему для автоматического производства его копий. Эта же МПК может выполнять и технологические операции по обработке заготовки.

Высокая жесткость МПК позволяет применять их на силовых технологических операциях, например гибочных для производства сложных профилей и труб.

Следует особенно подчеркнуть, что все МПК построены на мехатронных принципах. Особенности математического обеспечения, программирования и управления этим классом машин обусловлены тем, что их базис исполнения движений (система координат) является косоугольным. Действительно, за обобщенные координаты для МПК обычно принимают длины управляемых стержней (поэтому их иногда называют l - координатами). Тогда координатные оси БИД машины могут пересекаться в общем случае под произвольными углами, образуя косоугольную систему координат. Однако косоугольность и нелинейность координатного базиса машины отнюдь не ведет автоматически к усложнению аналитического решения задач управления и моделирования. В качестве примера рассмотрим обратную задачу о положении, которая состоит в нахождении вектора обобщенных координат механизма для известного положения его концевой точки, заданного в декартовой системе координат.

Для двухзвенного манипулятора по заданным координатам схвата (х,у) требуется найти  значения углов поворота звеньев (q1, q2). Решение этой задачи имеет вид

где

Очевидно, что для манипуляторов сложность нахождения аналитического решения обратной задачи о положении определяется числом степеней подвижности и структурой последовательной кинематической цепи. Например, для шестизвенного робота типа "PUMA" разработано несколько методов (винтовой алгебры, двойственных кватернионов, геометрический подход и др.), причем все они основаны на специальных математических преобразованиях и требуют значительных вычислительных затрат.

Наоборот, для машин с параллельной кинематикой обратная задача о положении решается аналитически просто. Так, для трипода (рис.4.4) при расчете следует задать декартовые координаты трех неподвижных точек основания: А (хА, уА, zA), В (хВ, уВ, zB), D (xD, yD, zD), а также трех точек, определяющих положение подвижной платформы: а (ха, уа, za), b{xb,yb,zb),d(xd,yd,zd).

Рисунок 4.4 .- Расчетная схема для трипода.

Тогда обобщенные координаты механизма (длины стержней) можно найти как расстояния между соответствующими точками:

q1 2 = (хАа)2 +(уА -ya)2 +(zA za)2;

q2 2 = (хв -xb)2 + в -yb)2 + (zB -zb)2;

q3 2 =(xD-xd)2 +(yD-yd)2 +(zD-zd)2.

Расчет по данным формулам не представляет собой вычислительных сложностей. Однако следует отметить, что решение прямой задачи о положении для МПК является неординарной аналитической и вычислительной проблемой.

В целом программирование и управление движением машин с параллельной кинематикой (МПК) в реальном масштабе времени стало возможным благодаря появлению мощных компьютеров, имеющих высокую производительность и большие объемы памяти. Мехатронный метод интеграции прецизионной механики с микроэлектронными, вычислительными и сенсорными устройствами делает перспективным создание и внедрение МПК в различных отраслях промышленности. Таким образом, именно мехатронные идеи дали импульс для появления и практического применения машин с параллельной кинематической структурой.

SCADA-системы

Появлению программного обеспечения, полностью автоматизирующего процессы управления большим количеством разнородного технологического оборудования, оснащенного микроконтроллерами и/или микроЭВМ, предшествовало несколько этапов. Многочисленные попытки объединить в единый технико-технологический и программно-информационный комплекс разнородные по своему построению системы автоматизации производства на уровне групп станков, участков, цехов не имели успеха. Основной причиной этого является отсутствие единого подхода к разработке, построению и функциям программного обеспечения и, естественно, невозможность их объединения в единую систему.

Логическим обобщением методологии интеграции всех этапов производства на базе применения компьютерно ориентированных технологий проектирования и изготовления являются SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition). Такие системы представляют собой мощную оболочку для разработки любой системы автоматического управления - от цеха до завода. На этапе создания прикладной автоматизированной системы управления имеющиеся наборы графически[ примитивов, обеспечивающих динамическое отображение всех произственных процессов и ситуаций посредством удобного операторского интерфейса, «привязываются» к конкретному оборудованию, датчикам, измеряемым и контролируемым параметрам. Формируются «рабочие окна» визуализации (в том числе анимационной) параметров, состояний и характеристик, необходимых оператору для контроля и оперативного принятия решений. После этого на специализированном языке записываются логические и математические формулы, составляющие алгоритмы отображения параметров процессов и управления технологическим оборудованием. Имеются библиотеки функциональных блоков, охватывающие всю гамму функциональных элементов, применяемых для управления оборудованием.

Исполнительная часть SCADA-системы работает в режиме реального времени и отвечает за опрос каналов ввода/вывода, выполнение алгоритмов сбора и обработки информации, как с внешних датчиков, так и из баз данных системы. Важной особенностью SCADA-систем является наличие удобного интерфейса «человек-машина» (Man Machine Interface), поддержки стандартных сетевых протоколов связи, как с серверами, так и с любыми Windows-приложениями, встроенными системами автоматического диагностирования и поиска неисправностей, для чего используется экспертная система. При устранении неисправностей система может выводить оператору чертежи, схемы, страницы текста, видеоролики и т.п. по обслуживанию или ремонту соответствующего оборудования.

Наиболее популярными SCADA-системами в настоящее время являются GENESIS фирмы ICONICS, GENIE фирмы Advantich, а также TRACE MODE московской фирмы AdAstra.

         Мехатронные изделия представляют собой высокотехнологичные и наукоёмкие продукты. Для информационной поддержки жизненного цикла таких продуктов используются CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support) – технология непрерывной информационной поддержки жизненного цикла продукта. CALS-технологии— современный подход к проектированию и производству высокотехнологичной и наукоёмкой продукции, заключающийся в использовании компьютерной техники и современных информационных технологий на всех стадиях жизненного цикла изделия, обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции, поставщиков/производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными.   ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) — русскоязычный аналог понятия CALS.

Цель применения CALS-технологий - повышение эффективности деятельности участников создания, производства и пользования продуктом.

Все программные продукты, используемые в CALS-технологиях, можно разделить на две большие группы:

  1.  программные продукты, используемые для создания и преобразования информации об изделиях, производственной среде и производственных процессах, применение которых не зависит от реализации CALS-технологий;
  2.  программные продукты, применение которых непосредственно связано с CALS-технологиями и требованиями соответствующих стандартов.

К первой группе относятся программные продукты, традиционно применяемые на предприятиях различных отраслей промышленности и предназначенные для автоматизации различных информационных и производственных процессов и процедур. К этой группе принадлежат следующие программные средства и системы:

  •  подготовки текстовой и табличной документации различного назначения (текстовые редакторы, электронные таблицы и т. д. - офисные системы);
  •  автоматизации инженерных расчетов и эскизного проектирования (САЕ-системы);
  •  автоматизации конструирования и изготовления рабочей конструкторской документации (CAD-системы);
  •  автоматизации технологической подготовки производства (САМ-системы);
  •  автоматизации планирования производства и управления процессами изготовления изделий, запасами, производственными ресурсами, транспортом и т. д. (системы MRP/ERP);
  •  идентификации и аутентификации информации (средства ЭЦП).

На рынке программных средств перечисленные выше группы программных продуктов представлены достаточно широко.

Ко второй группе принадлежат программные средства и системы:

  •  управления данными об изделии и его конфигурации (системы PDM - Product Data Management);
  •  управления проектами (Project Management);
  •  управления потоками заданий при создании и изменении технической документации (системы WF - Work Flow);
  •  обеспечения информационной поддержки изделий на постпроизводственных стадиях ЖЦ;
  •  функционального моделирования, анализа и реинжиниринга бизнес-процессов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78115. Развитие Жилищно-коммунального хозяйства в Сочи в рамках подготовки к Играм 2014 52 KB
  Программа включает в себя в частности строительство и реконструкцию спортивных объектов обеспечение транспортной инженерной инфраструктурой и инфраструктурой связи природоохранную деятельность строительство и реконструкцию объектов здравоохранения градостроительство...
78119. Рассмотрение особенностей управления малым предприятием 35.57 KB
  Малый бизнес придает рыночной экономике необходимую гибкость. Существенный вклад он вносит в формирование конкурентной среды, что для экономики России имеет первостепенное значение. Именно в среде малого предпринимательства создаются условия максимально приближенные...
78120. Воздействие алкоголя на организм человека 96 KB
  Вред алкоголя очевиден. Доказано что при попадании алкоголя внутрь организма он разносится по крови ко всем органам и неблагоприятно действует на них вплоть до разрушения. При систематическом употреблении алкоголя развивается опасная болезнь алкоголизм.
78122. Холодная война и холодный мир. Истоки, этапы, последствия, противостояния 29 KB
  Установление по завершении Второй мировой войны советского контроля над странами Восточной Европы, в особенности создание просоветского правительства в Польше в противовес польскому эмигрантскому правительству в Лондоне, привело к тому, что правящие круги Великобритании...
78123. Распад СССР и его военно-стратегические последствия. Однополярность современного мира (Глобальная роль США) – потенциальный источник новых конфликтов 36.87 KB
  Сегодня совершенно ясно что мы живём в однополярном мире и США является главным мировым лидером с большим отрывом от других стран контролируя множество сфер деятельности человека по всему миру.