НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

”КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

СУШИЦЬКИЙ Вячеслав Анастасійович

УДК 681.532.1

РОЗРОБКА МАНІПУЛЯТОРІВ З СИЛОВИМИ

ЗВОРОТНИМИ ЗВ’ЯЗКАМИ ДЛЯ ГНУЧКИХ

СИСТЕМ КОНТРОЛЮ ПРИЛАДІВ

Спеціальність 05.13.20 – Гнучкі виробничі системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Житомирському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти і

науки України на кафедрі автоматизації та комп’ютеризованих технологій.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Самотокін Борис Борисович, Житомирський інженерно-технологічний інститут Міністерства освіти і науки України, проректор, завідувач кафедрою

автоматизації та комп’ютеризованих технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Стенін Олександр Африканович, НТУ України ”Київський

політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри технічної

кібернетики;

кандидат технічних наук Тертишний Віталій Тимофійович, Інститут електрозварювання ім.

Є.О.Патона НАН України, старший науковий співробітник відділу автоматизованих систем

управління технологічними процесами.

Провідна установа:

науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики”, державне науково-виробниче підприємство “Автоматизовані інформаційні системи та технології” Міністерства промислової політики України, м Київ.

Захист відбудеться 22 січня 2001 р. о 1430 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.04 при НТУУ ”Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги, 37, корпус №18, кімната 432.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ ”Київський політехнічний інститут” за

адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги, 37.

Відгуки на автореферат просимо надсилати на ім’я вченого секретаря спеціалізованої вченої

ради за зазначеною адресою.

Автореферат розісланий 21 грудня 2000 р.

ВЧЕНИЙ СЕКРЕТАР

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., професор Л.С.Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Промисловістю випускається широкий асортимент багаторежимних та

багатофункціональних технічних пристроїв: лабораторна контрольно-діагностична апаратура,

побутова радіотехніка, комбіновані вимірювальні прилади. Ці пристрої мають у своєму складі

органи ручного налаштовування: перемикачі, кнопки, сенсори, плавні та дискретні регулятори.

Рівень автоматизації випуску такої продукції на підприємствах залишається низьким, при чому

найбільш важко піддаються автоматизації операції проміжного та вихідного контролю, пов'язані з

необхідністю автоматичного переключення приладу в різні режими функціонування. Це пояснюється відсутністю надійних методів та засобів для автоматичного керування положенням

органів налаштовування приладу (ОНП), в основу конструкції та принципу дії яких закладені,

насамперед, ергономічні вимоги, оскільки користувачем такого приладу буде людина з її

розвинутою сенсорною системою.

В умовах великої кількості модифікацій та періодичної змінюваності номенклатури продукції,

коли автомати з жорсткою структурою економічно невиправдані, найбільш ефективним шляхом

автоматизації залишається створення гнучкої виробничої системи (ГВС) контролю на базі

автоматичних маніпуляторів, робота яких грунтується на тих самих принципах, до яких вдається

людина-оператор при виконанні аналогічних операцій. Найважливіший серед них – використання

інформації про силу реакції на переміщення з боку ОНП. В даний час багато питань проектування

та промислового застосування автоматичних маніпуляторів з силовими зворотними зв'язками

залишаються відкритими, що визначає актуальність та доцільність досліджень з теми роботи.

Успішне розв’язання окресленої задачі відкриває шлях до створення ГВС контролю, які значно

покращують якість та об'єктивність проміжного і вихідного контролю продукції, скорочують

терміни переналаштовування виробництва.

Зв’язок роботи з науковими планами. Робота виконувалася за планом Північно-Західного

координаційного центру АН УРСР в рамках НДР "Пост контролю вимірювальних приладів" №226

від 1.01.1990р. на замовлення Житомирського виробничого об'єднання "Електровимірювач".

Мета роботи: підвищення рівня автоматизації та скорочення термінів переналаштовування

виробництва багаторежимних приладів шляхом створення ГВС контролю таких приладів на базі

автоматичних маніпуляторів із силовими зворотними зв'язками.

Задачі досліджень

1. Дослідження кінематичних схем об'єктів керування (ОНП) та складення їхніх математичних

моделей динаміки;

2. Розробка способів та засобів для маніпулювання ОНП, складення їхніх математичних моделей

динаміки;

3. Розробка методів та засобів силового контролю в контурі керування маніпулятором;

4. Постановка та розв’язок задачі синтезу керувань спеціалізованими маніпуляторами як

структурної компоненти ГВС контролю;

5. Експериментальна перевірка результатів теоретичних розрахунків.

Методи досліджень. Робота грунтується на класичних методах теоретичної механіки та

обчислювальної математики, теорії ймовірностей і математичної статистики, теорії диференційних

рівнянь, теорії автоматичного керування та теорії обчислювальних машин.

Наукова новизна роботи. Вперше одержані наступні наукові результати:

- отримані математичні моделі динаміки поширених ОНП: багатопозиційних поворотних

перемикачів з механічними фіксаторами, перемикачів кнопкового типу, поворотних змінних

резисторів;

- розроблені оригінальні способи та пристрої для автоматичного керування положенням

ОНП, які забезпечують надійне виконання маніпуляцій за рахунок силового зворотного зв’язку.

Модульність їх конструкції сприяє підвищенню гнучкості системи контролю. Отримані

математичні моделі динаміки цих пристроїв;

- розроблена методика організації силового контролю виконавчих елементів спеціалізованих

модулів локальних рухів з використанням непрямого методу вимірювань моменту сил опору

електроприводу на базі дискретного датчика кутових переміщень вала, що, порівняно з прямим

методом, спрощує конструкцію системи керування;

- сформульовані та розв’язані прямими чисельними методами задачі синтезу програмних

керувань спеціалізованими маніпуляторами у стохастичній постановці. Отримані програмні

керування є субоптимальні за критерієм швидкодії;

- розроблені алгоритми функціонування автоматичних маніпуляторів з силовими зворотними

зв'язками як структурної компоненти ГВС контролю багатофункціональних приладів. Алгоритми

враховують конструкційні особливості маніпуляторів та специфіку технології контролю.

Практична цінність роботи. За результатами виконаних досліджень створений дослідно-

промисловий зразок спеціалізованого маніпулятора для ГВС проміжного та вихідного контролю

комбінованих електровимірювальних приладів серії ЕК на замовлення Житомирського

виробничого об'єднання "Електровимірювач".

Математичне, програмне та апаратне забезпечення розробленого спеціалізованого модуля

локальних рухів для маніпулювання багатопозиційними поворотними перемикачами

використовується в спільному підприємстві “МЕТРА УКРАЇНА” (м. Житомир) для створення

ГВС калібрування та повірки багатофункціональних електровимірювальних приладів.

Результати роботи впроваджені в учбовий процес Житомирського інженерно-технологічного

інституту у формі навчального посібника [1]. Матеріали дисертації використовуються також в

курсах лекцій за навчальними дисциплінами “Технологія автоматизованого виробництва”,

“Системи автоматизованого контролю” та “Математичне моделювання на електронних

обчислювальних машинах”.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались, обговорювались та

демонструвались на ІІ, ІІІ та ІV обласних міжгалузевих науково-технічних конференціях

“Роботизація технологічних процесів в машинобудуванні та приладобудуванні”, м.Житомир,

1987р. 1989р. та 1991р.; на ІІ республіканській конференції “Фундаментальні та прикладні

проблеми космонавтики“, м.Київ, 1990р.; на республіканській науково-технічній конференції

“Проблеми автоматизації контролю та діагностування складних технічних систем”, м.Житомир,

1991р.; дослідно-промисловий зразок спеціалізованого маніпулятора для гнучких виробничих

систем проміжного та вихідного контролю комбінованих електровимірювальних приладів

демонструвався на міжнародній виставці “TECH-EX '90“, м.Пловдив, Болгарія, 1990р.

Публікації. За результатами теоретичних та експериментальних досліджень опубліковано 12

друкованих робіт, у тому числі отримано 3 авторські свідоцтва.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків,

списку використаних літературних джерел із 89 назв та трьох додатків. Основна частина роботи

викладена на 146 сторінках машинописного тексту, загальний обсяг – 189 сторінок. В тексті

використані 82 рисунки та 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається обгрунтування актуальності теми дисертації, зв’язок роботи з науковими

планами, мета та задачі досліджень, зазначена наукова новизна та практична цінність роботи, дана

інформація про публікації, структуру та обсяг роботи.

В першому розділі проводиться аналіз процесу виробництва багаторежимних пристроїв та

постановка задач досліджень. Показано, що підвищення рівня автоматизації та скорочення

термінів переналаштовування виробництва багатофункціональних приладів досягається шляхом

створення ГВС контролю таких приладів. Основною структурною компонентою ГВС має бути

автоматичний маніпулятор, який замінює людину-оператора на досить складних та монотонних

операціях перемикання приладу в різні режими функціонування. Вибрана структурна схема

маніпулятора модульного типу Кожний із спеціалізованих модулів локальних рухів (СМЛР) може

маніпулювати ОНП лише одного типу.

Показано, що внаслідок накопичення в системі “КЕП – маніпулятор” похибок виготовлення,

складання, базування КЕП та позиціювання робочого органу маніпулятора позиційний слідкуючий електропривод не гарантує надійного функціонування СМЛР. Введенням елементів

пасивної адаптації не вдається компенсувати всі складові сумарної похибки.

Ця обставина, а також те, що в процесі виконання основних операцій з переміщення ОНП в

задані позиції на маніпулятор покладаються і супутні операції контролю механічних пошкоджень

ОНП, які потребують наявності засобів силового контролю, змусили вибрати інший підхід до

розробки СМЛР: в їх основу закладений позиційний електропривод, доповнений силовим

зворотним зв’язком.

Виходячи із складності задач вибрана двохрівнева система керування, в якій нижній рівень

утворюють n локальних систем автоматичного керування (ЛСАК) замкнутого типу (по одній на

кожний СМЛР або ланку регіонального руху) з глобальним керуванням від центральної ЕОМ

верхнього рівня.

Другий розділ присвячений складанню математичних моделей об'єктів керування – ОНП та

вузлів автоматичних маніпуляторів – СМЛР на основі аналізу їхніх кінематичних схем. Складені

математичні моделі динаміки поширених ОНП: багатопозиційних поворотних перемикачів з

механічними фіксаторами, перемикачів кнопкового типу, поворотних змінних резисторів [2]. Для

маніпулювання цими ОНП запропонований ряд оригінальних пристроїв (СМЛР), новизна яких

підтверджена авторськими свідоцтвами на винаходи [7,8,9]. Приводяться їхні кінематичні схеми

та математичні моделі динаміки. В основі математичних моделей СМЛР лежить модель динаміки

електричного двигуна постійного струму із збудженням від постійних магнітів:

де U – напруга, прикладена до якірної обмотки двигуна; C – конструкційна константа; Ф – магнітний потік; – кутова швидкість вала двигуна; І – струм якоря; R – опір кола якоря; L – індуктивність кола якоря; t – час; J – сумарний момент інерції вала та всіх зв’язаних з ним кінематичних ланок; – приведений до вала двигуна момент сил опору.

Спільна риса всіх конструкцій СМЛР – контакт їх робочих органів з ОНП здійснюється через

пружні ланки (еластичні прокладки). Їх наявність принципово необхідна з ряду об’єктивних

причин. Врахування таких ланок значно ускладнює математичні моделі СМЛР. В багатьох

практичних випадках їхніми пружними властивостями можна нехтувати, тому, наряду з повними,

приводяться спрощені моделі динаміки СМЛР як в холостому (без контакту з ОНП), так і в

основному режимах руху (робочий орган в контакті з ОНП).

Третій розділ присвячений розробці локальних систем автоматичного керування (ЛСАК)

СМЛР. Проаналізовані три можливі варіанти реалізації ЛСАК із силовим зворотним зв’язком: з

датчиком сили, із спостерігачем та з моделлю. Перша з цих схем грунтується на прямому методі

вимірювання сил опору на валу електродвигуна, дві інші – на непрямому методі. Вибраний в

роботі підхід до визначення моменту сил на валу виконуючого двигуна на основі непрямого

методу вимірювань у порівнянні з прямим вимірюванням сило-моментним датчиком дозволяє

успішно розв’язати поставлену задачу без ускладнення апаратного забезпечення системи

керування маніпулятора шляхом більш ефективного використання наявних в системі апаратних

ресурсів (імпульсного датчика переміщення вала та керуючої ЕОМ).

Розроблена методика організації силового контролю виконавчих елементів спеціалізованих

модулів локальних рухів з використанням непрямого методу вимірювань моменту сил опору

електроприводу грунтується на розв’язку прямої та оберненої задач динаміки за математичною

моделлю електромеханічного тракту СМЛР. В першому випадку оцінку моменту сил опору

електроприводу отримують від спостерігача безпосередньо за значеннями виміряних фазових

координат вала, в другому – отримують від адаптивної системи автоматичного керування з

активним параметричним налаштовуванням (АСАПН) опосередковано, як деякий проміжний

результат обчислень оцінки вектора фазових координат.

Опрацьовані три варіанти побудови ЛСАК із спостерігачем за математичними моделями

електромеханічного тракту СМЛР різної складності. Найскладніша з них має вигляд:

, (1)

де – параметри СМЛР; – перша, друга та третя похідні кутового переміщення вала двигуна,

а в спрощених варіантах [5] не враховуються старші похідні та ..

Оскільки вимірювання кута повороту вала двигуна здійснюється дискретно імпульсним

датчиком кута, то для обчислення похідних кутового переміщення вала використовуються

формули чисельного диференціювання, отримані з інтерполяційного багаточлена Лагранжа для

загального випадку різновіддалених вузлів інтерполяції:

; ;

де – проміжок часу, за який в ІФП відбувається зміна кута на квант ).

Приводяться варіанти блок-схем мінімізованих за кількістю арифметичних операцій

алгоритмів обчислень на одному такті ЛСАК із спостерігачем у вигляді, придатному для

складання програми в машинних кодах як для основної (1), так і для спрощених моделей.

Виконане порівняння обчислювальної складності алгоритмів, отримана оцінка чутливості

спостерігача до випадкових збурень. За результатами досліджень запропонований спосіб

керування положенням БПП та пристрій для його реалізації на основі спостерігача. Їх новизна

підтверджена авторським свідоцтвом [7].

В ЛСАК з моделлю момент сил опору визначається за допомогою підсистеми – АСАПН, представленій на структурній схемі (рис.2), де – параметр, що вимірюється фізичним датчиком, – оцінка цього параметра,– помилка оцінки.

Рис.2. Структурна схема АСАПН

В якості параметра можуть виступати кут повороту чи кутова швидкість вала виконуючого двигуна.

Розглянуті три варіанти дискретної моделі динаміки електромеханічного тракту різної

складності для постійного періоду дискретизації. Виконане порівняння обчислювальної складності

алгоритмів, реалізованих за схемами паралельного та безпосереднього програмування. Для

змінного періоду дискретизації використовується алгоритм чисельного інтегрування за методом

трапецій.

В основу алгоритму налаштовування закладений алгоритм лінійної екстраполяції залежності , який забезпечує компроміс між точністю та тривалістю обчислень. Якщо ця залежність в межах інтервалу дискретизації близька до лінійної, то можна обмежитись однією ітерацією і обчислювати оцінку за формулою:

,

де – початкове значення оцінки моменту сил опору; – початкове та кінцеве виміряні значення ; – проміжне значення , вирахуване при деякому проміжному значенні оцінки моменту сил опору ; q – крок обчислень.

Для постановки задачі синтезу керування проведений аналіз робочих рухів основних типів

ОНП. В результаті виділений характерний складний рух, який повинен виконувати робочий орган

СМЛР у процесі роботи. Він представлений на рис.3 у вигляді операційної схеми, де та – відповідно поточна координата та швидкість переміщення робочого органу СМЛР.

Рис.3. Операційна схема складного руху

На першому інтервалі часу робочий орган СМЛР в контакті з рухомою ланкою ОНП рухається з додатною швидкістю в напрямку кінцевої точки . В момент досягнення аналізатор сили генерує сигнал . Це відбувається при деяких невідомих наперед значеннях координат . Після цього починається гальмування робочого органу і закінчується в момент , коли , а координата переміщення . На останньому інтервалі робочий орган, рухаючись у зворотному напрямку, повертається в точку , яку досягає в момент .

Задача синтезу керування представляється у вигляді системи із двох пов’язаних між собою межовими умовами задач у двох фазах руху [4]: фаза 1 – рух від точки до точки та фаза 2 – рух від точки до точки . Задача синтезу керування в другій фазі зводиться до відомої детермінованої постановки задачі максимальної швидкодії при наявності обмежень на керування. До схожої постановки зводиться і перша задача з відміною у формуванні функціоналу якості. Для цього вводиться в розгляд бінарна функцію стану :

В операційній схемі (рис.3) функція стану математично описує генерацію аналізатором сили сигналу при досягненні точки , в якій відбувається перехід . Місце розташування точки на осі 0х носить випадковий характер і визначається апріорно відомою функцією розподілення вірогідності :

,

де f(х) – щільність вірогідності переходу .

Залежність f(х) має визначені ліву та праву межі. В таких позначеннях функціонал якості І має наступний вигляд:

, (2)

де – час руху об’єкта від початкової точки до точки (детермінована складова); – час руху об’єкта від точки до точки ; – час руху об’єкта від точки до точки .

Синтез субоптимальних керувань в умовах сформульованої задачі проводився з використанням

прямих методів. Для цього була опрацьована модифікація методу Рітца з інтерполяційними

сплайн-функціями [3], яка дозволяє покращити якість знайденого субоптимального керування для

задач з розривами без суттєвого підвищення степеня інтерполяційного поліному. Невідомі

параметри сплайн-функцій визначаються межовими умовами та вимогою мінімізації заданого

функціоналу якості. В алгоритмі використовується процедура випадкового пошуку з адаптацією.

Запропонований ще один прямий чисельний метод синтезу субоптимальних керувань [6],

алгоритм якого грунтується на ітераційній процедурі пошуку керування шляхом варіації

траєкторій початкового (стартового) розв’язку. Стартовий розв’язок, який не забезпечує

екстремум функціоналу якості, однак задовольняє межовим умовам задачі та обмеженням на

керування, задається у вигляді довільних функцій часу. На кожному кроку процедури

перевіряється виконання обмежень на керування та умова просування в напрямку екстремуму

функціоналу якості. Метод дозволяє знаходити якісне чисельне субоптимальне керування для

широкого кола лінійних та нелінійних задач з обмеженнями фазових координат та керувань.

Обидва методи гарантують математично строге виконання межових умов. Апробацію методів

проведено на задачі з відомим точним аналітичним розв’язком.

Для практичного застосування розглянутих чисельних методів синтезу керування здійснюється

перехід до дискретного аналогу задачі і наводиться методика розрахунку складових функціоналу

якості. Відзначаються відмінності у використанні загального підходу, які враховують особливості

конструкцій об’єктів маніпулювання та самих СМЛР.

В четвертому розділі представлені результати математичного моделювання на ЕОМ елементів

та вузлів маніпулятора. Для демонстрації результатів досліджень вибраний СМЛР для

багатопозиційних поворотних перемикачів як такий, що поєднує в собі характерні особливості

динаміки руху інших СМЛР і має серед них найскладнішу функціональну залежність моменту сил

опору від кутового переміщення робочого органу маніпулятора.

За фазовими портретами перехідних процесів системи визначено відносну помилку, викликану

нехтуванням в математичній моделі СМЛР електромагнітною сталою часу якоря.

Імітаційним моделюванням роботи ЛСАК із спостерігачем та з моделлю під час перехідного

процесу отримані їхні динамічні характеристики при різній складності спостерігачів і моделей та

при різній кутовій дискретності датчика кута повороту вала двигуна . Відібрані найкращі за

точністю варіанти обох вимірювальних систем.

Для отримання якісних показників та проведення порівняльного аналізу запропонованих

методів синтезу субоптимального програмного керування синтезовані програмні керування для

задачі з функціоналом якості (2). Наочно продемонстровані переваги методу варіації траєкторій

стартового розв’язку.

Дослідження показали, що достатня для практичних застосувань точність алгоритмів

непрямого визначення моменту сили забезпечується за умови постійної або повільно змінюваної

керуючої функції. З іншого боку, керування, знайдені за критерієм максимальної швидкодії,

мають розриви першого роду. Примусове згладжування керуючої функції призводить до

збільшення часу виконання операцій. Компроміс досягнутий шляхом побудови ЛСАК СМЛР із

змінною структурою: на початковій ділянці руху , (рис.3), де керуюча функція стрибком

змінює свій знак, в ЛСАК використовується позиційний зворотний зв’язок, а на кінцевій ділянці

, де керуюча функція повільно змінюється, – силовий зворотний зв’язок.

Для спрощення практичної реалізації ЛСАК використовується лінійна апроксимація

програмної керуючої функції на кінцевій ділянці руху робочого органу горизонтальним відрізком

за критерієм мінімуму середньоквадратичного відхилення.

В п’ятому розділі дається опис створеного дослідно-промислового зразка спеціалізованого

маніпулятора для гнучких виробничих систем контролю комбінованих електровимірювальних

приладів. Обговорені варіанти структурних схем ГВС проміжного та вихідного контролю

продукції з використанням такого маніпулятора.

Докладно описується конструкція механічних вузлів маніпулятора, його система керування та

алгоритм роботи за структурною схемою.

Перевірка адекватності складених математичних моделей ОНП та СМЛР виконувалось шляхом

порівняння теоретичних та експериментальних перехідних функцій СМЛР (реакції на подачу в

якірну обмотку двигуна номінальної напруги живлення) в режимі спільного руху робочого органу

СМЛР з ОНП. Встановлено, що розраховані за математичними моделями та експериментально зняті перехідні функції СМЛР відрізняються не більше, як на 7%, що лежить в межах точності обчислень та вимірювань.

Описана методика випробовування надійності автоматичного маніпулятора, яка основана на

імітації його роботи в складі ГВС проміжного контролю за реальних виробничих умов. В

результаті випробовувань експериментально встановлені основні технічні характеристики

пристрою: середня тривалість початкової та заключної стадій роботи маніпулятора, середня

тривалість переміщення багатопозиційних поворотних перемикачів на одну позицію, середня

тривалість встановлення ПЗР в “нуль” стрілки та час напрацювання на відмову.

Результати проведених випробовувань надійності автоматичного маніпулятора підтвердили

його придатність для використання в ГВС проміжного та вихідного контролю комбінованих

електровимірювальних приладів.

У висновках в стислій формі викладені основні результати виконаної роботи.

В додатки винесені докладні методики виводу математичних моделей динаміки ОНП і СМЛР

та інформація про апробацію опрацьованих прямих методів синтезу субоптимального керування.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. Отримані та експериментально перевірені математичні моделі динаміки поширених ОНП:

багатопозиційних поворотних перемикачів з механічними фіксаторами, перемикачів кнопкового

типу, поворотних змінних резисторів.

2. Розроблені оригінальні способи та пристрої для автоматичного керування положенням

ОНП, які забезпечують надійне виконання маніпуляцій за рахунок силового зворотного зв’язку.

Модульність їх конструкції сприяє підвищенню гнучкості системи контролю. Вперше отримані та

експериментально перевірені математичні моделі динаміки цих пристроїв.

3. Розроблена методика організації силового контролю виконавчих елементів спеціалізованих

модулів локальних рухів з використанням непрямого методу вимірювань моменту сил опору

електроприводу на базі дискретного датчика кутових переміщень вала, що, порівняно з прямим

методом, спрощує конструкцію системи керування.

4. Сформульовані та розв’язані прямими чисельними методами задачі синтезу програмних

керувань спеціалізованими маніпуляторами у стохастичній постановці. Отримані програмні

керування є субоптимальні за критерієм швидкодії.

5. Розроблені алгоритми функціонування маніпуляторів з силовими зворотними зв'язками як

структурної компоненти ГВС контролю багаторежимних приладів. Алгоритми враховують

конструкційні особливості маніпуляторів та специфіку технології контролю.

6. Створений та випробуваний дослідно-промисловий зразок спеціалізованого автоматичного

маніпулятора для ГВС проміжного та вихідного контролю комбінованих електровимірювальних

приладів серії ЕК на замовлення Житомирського ВО "Електровимірювач".

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ

1. Детали и механизмы роботов: Основы расчета, конструирования и технологии производства:

Учебное пособие / В.А.Сушицкий, Р.С.Веселков, Т.Н.Гонтаровская и др. /Под ред. Б.Б.Самотокина

.-К.:Выща школа,1990.-343с.

2. Сушицький В.А. Математичне моделювання органів керування станом приладу та спеціальних маніпуляторів//Вісник ЖІТІ. Житомир.-1996.-№3.-C.160-166.

3. Сушицький В.А. Машинно-орієнтований метод синтезу субоптимального керування//Вісник

ЖІТІ. Житомир.-1996.-№3.-C.167-170.

4. Сушицький В.А. Оптимальна швидкодія систем з комплексируванням датчиків//Вісник ЖІТІ.

Житомир.-1996.-№4.-C.198-201.

5. Сушицький В.А. Непрямий метод визначення моменту сил опору на осі електричного

двигуна//Вісник ЖІТІ. Житомир.-1997.- №5.-C.111-114.

6. Сушицький В.А. Прямий чисельний метод синтезу субоптимального керування//Вісник

ЖІТІ. Житомир.-2000.-№12.-C.168-173.

7. А.с. №1522162 СССР, МКИ G05D3/00. Способ управления поворотными переключателями и

устройство для его осуществления. / Б.Б.Самотокин, В.А.Сушицкий, В.В.Месяц (СССР).–

№4321241/24-24; №4321242/24-24; Заявл.28.10.87; Опубл.15.11.89. Бюл. №42.-7с.

8. А.с. №1624433 СССР, МКИ G06F3/02. Переключатель кнопок / Б.Б.Самотокин,

В.А.Сушицкий, С.К.Корзун (СССР).– №4453298/24; Заявл. 29.06.88; Опубл. 30.01.91. Бюл. №4.-3с.

9. А.с. №1634489 СССР, МКИ B25J15/00,19/00. Измерительный схват промышленного робота /

Б.Б.Самотокин, В.А.Сушицкий, С.И.Савчук (СССР).–№4430743/08; Заявл.04.04.88; Опубл.

15.03.91. Бюл. №10.-3с.

10. Сушицкий В.А., Корзун С.К. Проектирование манипуляторов для контроля изделий с

кнопочными переключателями // Тезисы докл. ІІІ обл. межотрасл. конф.”Роботизация

технологических процессов в машиностроении и приборостроении”.-Житомир.-1989.-С.24.

11. Сушицкий В.А. Сило-моментная обратная связь в робототехнических системах//Тезисы докл.

ІІ республик. конф. “Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики”.-Киев.-1990.-С.85-

86.

12. Сушицкий В.А., Савчук С.И. Машинный метод расчета программной скорости обучаемого

робота // Тезисы докл. ІV обл. межотраслевой конф. ”Роботизация технологических процессов в

машиностроении и приборостроении”.-Житомир.-1991.-С.33-34.

АНОТАЦІЯ

Сушицький В.А. Розробка маніпуляторів з силовими зворотними зв’язками для гнучких систем

контролю приладів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.20 –

гнучкі виробничі системи. – Національний технічний університет України ”Київський

політехнічний інститут”, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено питанням проектування автоматичних маніпуляторів з силовими

зворотними зв’язками для гнучких виробничих систем контролю багаторежимних приладів, які

мають у своєму складі органи ручного налаштовування: дискретні поворотні перемикачі, кнопки,

змінні резистори. В проектування різних за конструкцією та функціями окремих модулів

маніпулятора закладена єдина концепція організації зворотних зв’язків на основі непрямих

методів вимірювання моменту сил опору на валу виконавчого двигуна. Поставлена та розв’язана

задача синтезу субоптимального керування за критерієм швидкодії в стохастичній постановці.

Основні результати роботи знайшли промислове впровадження при проектуванні ГВС контролю

багатофункціональних приладів.

Ключові слова: автоматизований контроль, автоматичні маніпулятори, силовий зворотний

зв’язок, синтез, субоптимальне керування.

АННОТАЦИЯ

Сушицкий В.А. Разработка манипуляторов с силовыми обратными связями для гибких систем

контроля приборов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.13.20 – гибкие производственные системы. – Национальный технический университет Украины

”Киевский политехнический институт”, Киев, 2000.

Диссертация посвящена вопросам проектирования автоматических манипуляторов с силовыми

обратными связями для гибких производственных систем (ГПС) контроля многорежимных

приборов, имеющих в своем составе органы ручной настройки (ОРН): дискретные поворотные

переключатели, кнопки, переменные резисторы.

Выбрана структурная схема манипулятора, в состав которой, кроме звеньев региональных

движений, входит платформа с несколькими специализированными модулями локальных

движений (СМЛД). Каждый такой модуль предназначен для манипулирования ОРН только одного

типа. В основу конструкции СМЛД заложен позиционный электропривод, дополненный силовой

обратной связью. Это позволяет повысить надежность работы манипулятора за счёт

использования в качестве информационного параметра силу реакции ОРН на перемещение, а

также расширить функциональные возможности манипулятора, возложив на него сопутствующие

функции контроля механических повреждений ОРН. Используется двухуровневая система

управления манипулятором, в которой верхний уровень занимает центральная ЭВМ, нижний –

локальные системы автоматического управления (ЛСАУ) СМЛД и звеньями региональных

движений.

На основе анализа кинематических схем составлены и экспериментально проверены

математические модели динамики движения распространенных типов ОРН: дискретных

поворотных переключателей, кнопочных переключателей, переменных резисторов. Разработаны

способы и конструкции СМЛД для манипулирования такими ОРН, составлены и

экспериментально проверены математические модели динамики их движения.

В результате анализа трех возможных вариантов измерения момента сил сопротивления на

валу исполнительного двигателя прямым методом (датчиком силы), и косвенными методами:

наблюдателем и ЛСАУ с моделью, с учетом особенностей решаемой задачи, принята концепция

организации обратных связей на основе косвенных методов. Главным достоинством этих методов

является то, что они позволяют получить информацию о силе без дополнительных аппаратных

средств, используя уже имеющиеся в системе дискретные датчики перемещений. Существенно

усложняются лишь алгоритмы работы ЭВМ, включенной в цепь ЛСАУ. Эти алгоритмы

разработаны и представлены в виде, удобном для программирования в машинном коде.

Поставлена и решена задача синтеза субоптимальных управлений звеньями манипулятора по

критерию быстродействия в стохастической постановке. Для синтеза субоптимальных

программных управлений проработана модификация метода Ритца, базирующаяся на

представлении решения в виде сплайн-функций времени. Также предложен прямой численный

метод синтеза управлений инерционными объектами с ограничениями, в основе которого лежит

итерационная процедура поиска управления путём вариации траекторий стартового решения. Оба

метода гарантируют математически строгое выполнение граничных условий. Апробация методов

произведена на задаче с известным точным аналитическим решением.

Имитационным моделированием работы ЛСАУ с наблюдателем и с моделью во время

переходного процесса исследованы их метрологические характеристики при различной сложности

наблюдателя и модели, а также при различной дискретности датчика угла поворота вала

двигателя. Получена сравнительная количественная оценка программных управлений, найденных

предложенными методами синтеза в условиях реальной задачи.

По результатам теоретических исследований создан опытно-промышленный образец

специализированного манипулятора для ГПС контроля комбинированных электроизмерительных

приборов. Представлены варианты структурных схем ГПС промежуточного и выходного контроля

продукции с использованием специализированного манипулятора. Подробно описана конструкция

механических узлов манипулятора, система управления и алгоритм роботы по структурной схеме,

приведена методика и результаты экспериментальной проверки адекватности составленных

математических моделей, а также методика и результаты испытаний надежности работы

манипулятора.

Ключевые слова: автоматизированный контроль, автоматические манипуляторы, силовая

обратная связь, синтез, субоптимальное управление.

ABSTRACT

Sushitsky V.A. Design manipulators with force feedback for flexible devices testing systems. –

Manuscript.

Thesis for candidate of engineering science degree by speciality 05.13.20 – flexible industrial system. –

The Ukraine National Technical University “Kiev’s Polytechnics Institute“, Kiev, 2000.

The dissertation is devoted to design automatic manipulators with force feedback for multi-mode

devices testing system. Manipulators intend for set manual tune elements (discrete turning switches, push-

buttons, variable resistors) of multi-mode devices into pre-set position in the production testing stage. The

principle of feedback on bases indirect force measuring on the shaft of executive motors being in design

of different manipulators unit which have diverse construction and unlike functions. Formulated and

solved problem of synthesis sub-optimal control in stochastic staging. The results of the work have found

an industrial utility in the automation of multi-mode devices testing.

Key words: automation of testing, automatic manipulator, force feedback, synthesis, sub-optimal

control.

Підписано до друку 08.11.2000р.

Формат 60х84 1/16. Папір друк.№2.

Друк офсетний. Ум.др.арк.0,93. Зам.№ 77.

Тираж 100 прим. Безкоштовно.

Редакційно-видавничий відділ

Житомирського інженерно-технологічного інституту

10005, Житомир, вул.Черняховського, 103