Автоматизированная система планирования технологического процесса микросборки с помощью микророботов

Актуальность темы

.

Для современного этапа в развитии инженерных задач характерна тенденция к более компактному исполнению машин и механизмов и к более простому, дешевому, автоматизированному производству устройств. В биомедицине, микромеханике возрастает потребность в более миниатюрных инструментах и механизмах. Однако адекватный рост предложения таких систем производителями сдерживается трудностями автоматизации производства микросистем. Это объясняется тем, что автоматизация сборочных работ ведется довольно медленно, медленнее, чем скажем автоматизация механообработки, заготовительных операций. В тоже время на этап сборочных работ приходится значительная часть трудовых и временных затрат общего цикла производства изделий. Трудоемкость сборочных работ при производстве микросистем достигает 70−90% [10].

На производительность сборочного процесса, на качество и стоимость продукции напрямую влияет выбор последовательности технологического процесса сборки. На сегодня планирование последовательности сборки на производстве в большинстве случаев осуществляется на основе опыта и интуиции инженеров. Однако количество узлов увеличивается, количество возможных последовательностей сборочных операций растет в геометрической прогрессии, так, что инженеры зачастую затрудняются найти оптимальную последовательность. В то же время зачастую в сборочной системе после возникновения определенных сбоев, изменений параметров системы или объектов, непредвиденных ситуаций, возникает необходимость оперативного перерасчета вариантов и выборки оптимальной последовательности. Поэтому возникает 6 необходимость в создании технических средств, способных облегчить работу инженеров осуществляя автоматический поиск оптимальной последовательности за минимальное время.

Выбор последовательности для сборки продукта определяется на этапе планирования последовательности сборки. В случае если задача сборки выполняется человеком, важно, чтобы последовательность сборки позволяла выполнять сборочный процесс сборщиком — человеком при помощи необходимых инструментов. В случае если задача сборки выполняется роботами, роботы должны быть запрограммированы на выполнение плана сборки.

Сборка микросистем человеком характеризуется чрезвычайной трудоемкостью, требует немалых временных и материальных затрат, что, очевидно, сказывается на себестоимости продукции при невысоком уровне точности и надежности изделий. С одной стороны особенностью микросборочной системы является то, что система функционирует в условиях ограниченных возможностей сенсорного контроля операций, ограниченных возможностей манипуляций объектами, достаточно нечеткими физическими и геометрическими свойствами объектов, что обусловливает повышенную неопределенность, вероятность появления непредвиденных событий. С другой стороны к микросборочной системе предъявляются повышенные требования к точности, универсальности, к рациональному использованию временных ресурсов. Эти две основные противоположные по своей сути особенности обусловливают то, что автоматизированная микросборочная система (AMC) прежде всего, должна быть гибкой. В основе такой системы должна лежать интеллектуальная система планирования технологических процессов и интеллектуальная система управления процессами. Система планирования микросборки должна учитывать геометрические и физические свойства изделий и 7 характеристики роботизированных микросборочных систем. Поэтому алгоритмы автоматизированной системы планирования микросборки (АСПМ) должны строиться на основе экспертной системы с единой универсальной базой данных и знаний.

Анализ отечественных и зарубежных работ таких учёных, как Бурцев A.A. [4], Иванов A.A. [10], Лебедовский М. С. [15], Муценек К .Я. [1,2,3], Тимофеев A.B. [27], Валаванис К. [109], Де Мелло X. [59,60,61], Де Фазио [37], Ли С. [73,74,75], показывает, что, несмотря на то, что в области автоматизации сборочных процессов, планирования последовательностей сборки, в области автоматизации сборки микросистем, ведутся активные исследования, до сих пор не решён целый ряд проблем, в первую очередь связанных с автоматизированным генерированием оптимальной последовательности технологического процесса микросборки на основе представления свойств изделий и AMC. Поэтому исследование и разработка АСПМ, использующих современные достижения теории искусственного интеллекта, несомненно, является актуальной задачей на современном этапе развития науки и техники.

Цель и задачи исследования

.

Целью работы является разработка и исследование автоматизированной системы планирования технологического процесса сборки микрообъектов с помощью микророботов, функционирующих в составе автоматизированных микросборочных систем.

Для достижения данной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Разработка многоуровневой структуры АСПМ, определение основных принципов построения и требований к элементам АСПМ. 8

2 Разработка алгоритмов автоматизированного планирования достижимых последовательностей микросборки для групповой сборки при помощи микророботов, алгоритмов выбора оптимальной последовательности сборки, алгоритмов координации и исполнения процессов сборки.

3. Разработка инженерной методики проектирования АСПМ, включая разработку программного обеспечения для автоматизированного планирования технологического процесса микросборки и моделирования процессов микросборки.

4. Исследование эффективности применения предложенных алгоритмов на основе моделирования и экспериментальных исследований в реальной AMC.

Методы исследования.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач были применены методы автоматизированного проектирования, методы разработки технологических сборочных систем, методы разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения, другие методы теории искусственного интеллекта, теории автоматического управления, кибернетики, робототехники, микросистемотехники.

На защиту выносятся:

1. Структура АСПМ, содержащая организационный, координационный, исполнительный уровни и обеспечивающая гибкое автоматизированное планирование технологического процесса микросборки.

2. Алгоритмы автоматического генерирования множества допустимых последовательностей сборки микроизделий, основанные на анализе геометрических и физических свойств изделий и характеристик 9 сборочной системы и предназначенные для групповой сборки при помощи микророботов.

Алгоритмы выбора оптимальной последовательности микросборки из множества допустимых последовательностей на основе предложенных критериев оптимальности и с учетом возможных неопределенностей.

Алгоритмы координации последовательности выполнения микросборки и управления микросборочными операциями.

3. Инженерная методика проектирования АСПМ, включая разработку программного обеспечения для автоматизированного планирования технологического процесса микросборки и моделирования процессов микросборки.

4. Результаты экспериментальных исследований разработанных алгоритмов на основе моделирования и экспериментов в реальных AMC.

Научную ценность представляют.

1. Предложенная структура АСПМ, содержащая организационный, координирующий и исполнительный уровни, а также универсальную базу данных и знаний, объединенных в единую систему. Данная структура обеспечивает высокую степень автоматизации и гибкость планирования последовательности микросборки за счет полноты охвата решаемых функций.

2. Разработанные методы автоматизированного генерирования множества допустимых последовательностей сборки микроизделий на основе анализа геометрических и физических свойств изделий и характеристик AMC для групповой сборки при помощи микророботов, позволившие формализовать основные задачи системы планирования микросборки и создать алгоритмы их решения.

Разработанный метод выбора оптимальной последовательности микросборки из множества допустимых последовательностей на основе представления всех возможных последовательностей сборки при помощи сетевого графа специального вида. Предложенный метод учета элементов неопределенности при формировании критериев оптимальности плана микросборки на основе нечеткой логики позволяет оценить влияние факторов неопределенности на степень сложности выполнения сборочных операций.

Разработаннный метод координации микросборочных операций на основе предложенной структуры системы координации с использованием сети Петри с управляемыми переходами.

Предложенные методы управления микросборочными операциями, учитывающие специфику микросборки.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в том, что:

1. Разработана инженерная методика проектирования АСПМ, обеспечивающая автоматизацию планирования микросборки. На основе данной методики разработана АСПМ и на основе предложенных алгоритмов создано программное обеспечение для нее, которое реализует автоматизированное планирование гибких микросборочных процессов для сборки микроизделий, состоящих из многих составных частей в системе микросборочных станций, применяемых в промышленности, медицине, биологии.

2. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение обладают высокой степенью эффективности, что подтверждается результатами моделирования и экспериментальными исследованиями на микросборочных системах, разработанных в Институте вычислительных систем и и робототехники Университета г. Карлсруэ (Германия) и на кафедре Технической кибернетики Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета.

Диссертационная работа выполнена в рамках международного научно-исследовательского проекта научного комитета НАТО «Интеллектуальное планирование и управление для автоматизированной микросборочной станции с микророботами» (исследовательский грант CRG 972 063), выполняемого кафедрой Технической кибернетики УГАТУ совместно с Институтом управляющих вычислительных систем и робототехники Университета г. Карлсруэ (Германия).

Автор выражает глубокую благодарность доценту Мунасыпову P.A. за подробные консультации по вопросам разработки автоматизированных систем планирования микросборки.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

• Advanced Summer Instiute (ASI, ICIMS-NOE), July 1997, Budapest.

• IEEE-RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS'97), September 1997, Grenoble.

• 4th International Symposium on Distributed Autonomous Robotic Systems (DARS'98), Mai 1998, Karlsruhe.

• всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы», 1995, Уфа.

• всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы», 1997, Уфа.

• научно-практической конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении», 1998, Уфа.

Публикации.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 11 научных трудах, в том числе в виде научных статей в 6-и международных и 2-х всероссийских научных изданиях.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа состоит из 198-и страниц машинописного текста, включающего в себя введение, пять глав, заключение, рисунки, таблицы и список литературы из 112-и наименований.

Содержание работы.

В первой главе рассматриваются актуальность проблемы и особенности реализации систем планирования технологического процесса микросборки. Автоматизация сборки микроузлов при помощи гибких AMC является новым направлением исследований. Кроме традиционных трудностей автоматизации сборочного процесса решение задачи микросборки усугубляется спецификой объектов сборки, особенностями окружающей микросреды и соответствующими ограничениями микроманипуляционных устройств.

Далее в главе проводится обзор имеющихся робототехнических AMC, области их применения, а также перспективы использования автоматизированных систем планирования технологического процесса микросборки. Планирование сборочного процесса для существующих микросборочных комплексов практически не автоматизировано и на сегодня является объектом исследований.

Проведен анализ существующих алгоритмов планирования технологических процессов микросборки, обосновывается перспективность использования интеллектуальных алгоритмов планирования, проведен анализ проблемы выбора оптимального плана сборки, выбора методики создания программного обеспечения, проведен анализ методов построения экспертной системы для AMC.

Сформулированы цель и задачи исследования, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе рассматривается задача разработки концепции планирования процесса микросборки с помощью микророботов. В АСПМ станции для генерирования на верхнем уровне планирования всех возможных достижимых сборочных последовательностей предлагается использовать встроенную модель микросборки, которая основана на геометрическом представлении сборочного процесса. Приведено детальное описание данной модели. Далее на основе предлагаемого описания процесса микросборки разрабатывается формализованный подход к решению задачи планирования сборки. Предложены основные критерии выбора оптимальной последовательности сборки: минимизация времени выполнения, минимизация стоимости сборки, минимизация движений робота, максимизация гибкости планов и максимизация степени параллельности выполнения операций. При выборе критериев оптимальности учитывается возможная неопределенность воздействия таких факторов, как требуемая точность позиционирования, связанная с малыми размерами микрокомпонент, а также требуемые микроусилия при захвате микрообъектов, связанная с их малой прочностью и гибкостью (эластичностью). Предложена методика декомпозиции сборочного плана для групповой сборки при помощи микророботов.

В третьей главе рассмотрена разработка алгоритмов планирования множества достижимых последовательностей микросборки на основе предложенной модели. Описывается алгоритм для генерирования И/ИЛИ графа реализуемого процесса микросборки, который в дальнейшем может быть использован для поиска оптимального плана сборки с учетом степени сложности используемых сборочных операций, текущего состояния и ресурсов микросборочной станции. Описывается алгоритм выбора оптимальной последовательности сборки. Предложена структура системы координации и управления последовательности сборки на основе сети Петри. Единой основой предложенных алгоритмов являются общие множества данных и методы их представления.

В четвертой главе рассматриваются методы разработки программного обеспечения для автоматизации планирования процессов микросборки. Основной подход к разработке программ для системы планирования сборки основан на проблемно-ориентированном программировании роботизированных систем на основе технологий и методов создания систем искусственного интеллекта. Весь комплекс стоящих перед системой задач реализован при помощи языков программирования высокого уровня на основе объектно-ориентированных технологий. В качестве базового средства для разработки комплекса программ был выбран пакет Khoros v 2.0 (Khoral Inc.), в качестве базовой операционной системы — операционная система из клона UNIX для ПК, LINUX. Далее приводится описание и анализ реализации программ для автоматизированного генерирования оптимальных последовательностей микросборки с использованием разработанных универсальных алгоритмов. Рассматриваются вопросы взаимодействия пользователя с системой, приведено описание интерфейса программ, организованного на основе графического интерфейса в графической оболочке Х-Windows.

В пятой главе рассматриваются прикладные аспекты АСПМ для роботизированных AMC. Предложена инженерная методика автоматизации планирования сборочных процессов AMC. Рассматривается реальная микросборочная станция с пьезоэлектрическими микророботами. Дается описание технологического процесса сборки микроузла микромеханизмов, планирования процесса сборки изделия в структуре разработанной микросборочной станции. Анализируется эффективность предложенных алгоритмов на основе результатов планирования и моделирования выполнения сборки изделия, на микросборочных системах, разработанных в Институте управляющих вычислительных систем и робототехники Университета г. Карлсруэ (Германия) и кафедры Технической кибернетики Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета. Приведен анализ перспектив дальнейшего развития роботизированных микросборочных станций.

Выводы по главе V.

1. В данной главе были рассмотрены прикладные аспекты автоматизированных систем планирования для роботизированных микросборочных систем. Была предложена инженерная методика автоматизации планирования технологического процесса микросборки. Были рассмотрены вопросы построения технологической системы для роботизированных микросборочных систем на примере существующего технологического оборудования, анализ основных функций МСС, созданной в рамках совместного проекта между кафедрой Технической Кибернетики

Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета и Институтом Управления и Робототехники Университета Карлсруэ (Германия).

2. Технологический процесс сборки микроизделия основан на предварительном анализе моделей микроузлов, которые строятся при помощи методов моделирования геометрических свойств и представления физических особенностей объектов в единой базе данных. Предложенные в работе методы и алгоритмы позволяют полностью автоматизировать этапы планирования, оптимизации и исполнения процессов микросборки в гибкой микросборочной системе.

3. Была показана эффективность разработанных алгоритмов планирования, оптимизации и интеллектуального управления на основе экспериментальных исследований, проведенных в реальной AMC с микророботами MINIMAN I и MINIMAN II и на основе моделирования. Был рассмотрен пример автоматизированного планирования сборки изделиямикрошприца на основе предложенных ранее алгоритмов и разработанных программ в структуре МСС. Предложенные методы планирования прошли испытания на различных объектах и показали свою эффективность. Сравнение с аналогичными системами автоматизации сборочных процессов дает основания полагать, что предложенная система автоматизированного планирования уникальна в своем роде и характеризуется высокой степенью автоматизации, универсальности и эффективности.

4. Исследования AMC сегодня по существу находятся на начальной стадии своего развития. Основными направлениями исследования автоматизированного планирования последовательностей микросборки могут стать дальнейшая универсализация алгоритмов планирования, программ и механизмов микросборочных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе решались задачи разработки и исследования методов проектирования, структуры и алгоритмов автоматизированной системы планирования технологического процесса сборки миниатюрных и микроминиатюрных изделий с помощью роботов в составе AMC. Проведенный анализ аналогичных систем планирования микросборки позволяет говорить об уникальности разработанной системы.

В рамках работы были рассмотрены вопросы проектирования системы автоматизированного планирования микросборки, алгоритмы генерирования достижимых сборочных последовательностей, алгоритмы выбора оптимальной сборочной последовательности, алгоритмы координации и декомпозиции последовательностей сборки, принципы проектирования и разработки баз данных, программного обеспечения для автоматизированного планирования последовательностей сборки, вопросы моделирования сборочных последовательностей.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана многоуровневая структура АСПМ, в которой решается задача планирования технологического процесса микросборки путем генерации оптимальной последовательности микросборки и декомпозиции сборочного плана. Разработана концепция распределения функций между элементами АСПМ на основе системных принципов.

За счет полноты охвата выполняемых функций, распределения основных функций между элементами предложенной структуры АСПМ и автоматизации данных функций на основе системных принципов достигнут высокий уровень автоматизации и гибкости планирования технологического процесса микросборки.

2. Разработаны и исследованы алгоритмы автоматического планирования достижимых последовательностей микросборки с возможностью декомпозиции сборочного плана для групповой сборки при помощи микророботов. Планирование осуществляется автоматически, на основе геометрических и физических свойств объектов сборки и характеристик сборочной системы.

Разработан алгоритм выбора оптимальной последовательности сборки, позволяющий сократить время вычислений и объем необходимой памяти по сравнению с аналогичными методами за счет универсального представления всех возможных последовательностей сборки в виде графа И/ИЛИ и распараллеливания вычислений.

Разработана структура системы координации последовательности сборки на основе сети Петри. На основе свойств данной структуры предложен алгоритм координации последовательности сборки, который позволил обеспечить корректность выполнения плана, позволил исключить противоречия, неоднозначности, зацикливания при исполнении планов сборки и обеспечил эффективный механизм восстановления системы при сбоях.

3. Предложена инженерная методика проектирования AMC, включая разработку программного обеспечения для автоматизированного планирования процессов микросборки и моделирования процесса микросборки.

Разработана структура баз данных для представления и хранения геометрических и физических характеристик изделий и характеристик сборочной системы. Разработан комплекс программ для автоматизированного планирования и моделирования процессов микросборки, который включает программу для генерирования множества достижимых последовательностей сборкипрограмму для

187 выбора оптимальной последовательности сборкипрограммы декомпозиции планов сборки на элементарные операции для робота и интерпретатор команд роботапрограмму для моделирования процесса микросборки и др.

4. Исследована эффективность применения разработанных алгоритмов на основе моделирования и экспериментальных исследований в реальной системе микросборки. Эффективность полученных в работе алгоритмов и программ подтверждается результатами моделирования и экспериментальными исследованиями на микросборочных системах, разработанных в Институте управляющих вычислительных систем и робототехники Университета г. Карлсруэ (Германия) и кафедры Технической кибернетики Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета.

Результаты диссертационной работы внедрены в Институте управляющих вычислительных систем и робототехники Университета г. Карлсруэ, а также в Уфимском государственном авиационном техническом университете.