Разработка информационно-измерительных и управляющих систем координатно-измерительных машин и измерительных роботов

В настоящее время в машиностроении и приборостроении к числу наиболее важных и актуальных задач отнесено коренное повышение качества выпускаемой продукции [1,2].

Надежность правильно сконструированной машины, функционирование ее узлов в расчетном режиме, а значит, и ресурс в определяющей степени зависят от геометрической точности изготовления деталей по сопрягаемым поверхностям. Повышение требований к качеству машин влечет за собой ужесточение допусков. Каждое десятилетие допуски ужесточаются примерно в 1,5 раза. Одновременно повышается и доля трудоемкости операций контроля в технологическом процессе изготовления деталей и изделий, совершенствуются измерительные средства. В машиностроении контроль занимает около 15% общей трудоемкости продукции, а в капитальных вложениях доля измерительных средств и контрольного оборудования достигает 20% объема средств, расходуемых на технологическое оборудование.

Для полного контроля деталей промышленность получила широкоуниверсальное, автоматическое, достаточно гибкое средство контроля — координатные измерительные машины (КИМ) укомплектованные миниили микроЭВМ для управления КИМ и обработки результатов измерения. КИМ пригодны для контроля деталей с разнообразными поверхностями. С их применением повышается точность и достоверность результатов измерения. Использование принципов оперативного и диалогового программирования дало возможность упростить применение КИМ как универсального средства контроля в единичном и мелкосерийном производствах. [3,4].

КИМ значительно упрощает метрологическую подготовку производства нового изделия, так как отпадает необходимость создания значительного количества средств специальной измерительной оснастки. Протокол с результатами контроля, выдаваемый КИМ, повышает ответственность изготовителей за качество обработки.

Новые задачи по обеспечению качества изготовления деталей и выработки рекомендаций для сборки возникают с применением КИМ в ГПС. КИМ в составе ГПС должна иметь возможность автоматически принять деталь, опознать ее, выбрать программу измерения и измерительные наконечники, произвести измерения, передать результаты измерения ЭВМ высшего ранга для принятия решения о пригодности детали и технологического процесса или о необходимости внести корректировку. В памяти ЭВМ накапливаются данные об отклонениях размеров проверенных деталей, и эти данные статистически обрабатываются.

В мировой практике уже имеется ряд примеров применения универсальных КИМ в измерительных модулях, работающих по безлюдной технологии и встраиваемых в ГПС, и специальных КИМ для ГПС — так называемых измерительных роботов.

На современной КИМ можно измерить практически любые сложные поверхности и детали в целом, что до появления КИМ не всегда было возможно. Отличительной чертой КИМ является объективность контроля. Выдаваемый КИМ протокол результатов измерения повышает ответственность производственного персонала за выпуск качественной продукции.

Одним из основных достоинств КИМ является то, что на ней концентрируются операции контроля. На современных КИМ с одной установки детали можно измерить все контролируемые ГЭ и размеры с пяти ее сторон. Это свойство значительно повышает производительность и оперативность контроля, так как исключается время на транспортирование детали, выжидание между контрольными операциями, переустановку и выверку на различных приборах.

Использование КИМ на производстве значительно повышает уровень метрологического обеспечения предприятияс применением КИМ отпадает необходимость изготовления значительного количества специальной измерительной оснастки. Это очень важно при модернизации и обновлении продукции. КИМ дают возможность ускорить подготовку производства нового изделия, способствуют повышению качества опытных образцов и опытных партий изделий.

В мировом парке оборудования в настоящее время уже имеется несколько десятков тысяч КИМ разного уровня автоматизации. В 1980 г. в объеме всего оборудования Германии КИМ с ручным управлением составляли 58% [по данным фирмы «Комег» (Komeg), Германия]. В последнее время выпуск КИМ с ручным приводом уменьшается, увеличивается доля автоматизированных КИМ с управлением от ЭВМ. На ведущих фирмах Германии, таких, как «Оптон», «Маузер», «Лейтц» и других, производятся лишь КИМ с ЧПУ.

По данным фирмы «Комег», наиболее активными потребителями КИМ в Германии являются предприятия автомобильной промышленности. На крупных фирмах этой отрасли используются до 40 КИМ. Эти машины применяются в подразделениях, создающих новые конструкции автомобилей и их узлов, в подразделениях подготовки производства, экспериментальных цехах. Для контроля деталей на потоке крупносерийного и массового производства КИМ практически не применяются, а используются специальные средства контроля — автоматы, измеряющие сразу много точек, по своей производительности соответствующие производительности потока.

На предприятиях машиностроения нашей страны наиболее популярны КИМ фирм ДЕА, «Оливетти», «Оптон», «Маузер». На Ивановском станкостроительном производственном объединении разработана программа метрологического перевооружения с переводом всех операций контроля исключительно на КИМ. Несколько КИМ на этом объединении уже эксплуатируются. Они установлены в специальных кабинах в технологических потоках.

В настоящее время в большинстве случаев КИМ используются как универсальное измерительное средство, установленное в лабораторном помещении для обслуживания небольшого предприятия или цеха крупного предприятия [5]. На КИМ контролируется определенная группа ответственных и довольно сложных деталей. Детали устанавливаются на стол КИМ и снимаются с него вручную или с помощью подъемных механизмов. При контроле партии деталей для удобства расположения и закрепления проверяемых деталей на столе КИМ устанавливают базирующие и зажимные приспособления. На проверяемые детали обычно заранее разрабатывают программы управления КИМ и обработки результатов измерения. Программы могут составляться и непосредственно на КИМ, если в ПМО имеется диалоговый режим.

По выданному КИМ протоколу решается вопрос о пригодности детали по ее точностным параметрам. Этот протокол может служить аттестатом качества детали.

Полученные результаты измерения используются для подналадки инструментов или корректировки управляющей программы.

Для более рационального использования возможностей автоматизированной КИМ автоматизируются также операции погрузки-разгрузки и хранения измеряемых деталей. Создаются роботизированные измерительные комплексы, измерительные модули и др.

Фирма «Оптон» для своих нужд на базе высокопрецизионной КИМ мод. UMM 500 построила роботизированный измерительный комплекс для аттестации калибров-пробок и колец. Этот комплекс после ручной загрузки проверяемыми калибрами поворотного стеллажа в дальнейшем работает по безлюдной технологии. За смену, в том числе и ночную, аттестуются до 150 калибров. Преимущество такой системы — исключение монотонной ручной работы, повышение достоверности результатов контроля, повышение оперативности контроля.

Фирма «Комег» на базе измерительных центров фирм «Оптон», «Маузер» и «Империал Прима» (Imperial Prima, Италия) построила гибкий измерительный модуль мод. FSK-P. Он предназначен для проведения контроля корпусных деталей по безлюдной технологии.

Измерительные роботы как разновидность промышленных роботов появились вслед за КИМ. Их появление обусловлено тем, что современное развитие машиностроения, особенно гибких автоматизированных производств, ставит перед автоматизацией процессов контроля новые задачи. Так, применение КИМ в ГПС требует от них резкого увеличения быстродействия, а при измерении сложных деталей (закрытых полостей сложной формы) наряду с увеличением быстродействия требуются высокие манипуляционные свойства [6,7].

Указанными свойствами обладают современные промышленные роботы. Так, сборочные роботы имеют высокое быстродействие и хорошую точность ["Прагма" (Pragma, Италия)], а роботы антропоморфной конструкции ["Пума" (Puma, США) — «АСЕА» (ASEA, Швеция) — ТУР-10, СССР] имеют высокие манипуляционные свойства [8,9]. Идеи, получившие развитие в промышленных роботах, используются в измерительных роботах, в которых высокие манипуляционные свойства и быстродействие, присущие промышленным роботам, сочетаются с точностными и информационными характеристиками КИМ. В настоящее время уже насчитывается более десятка моделей измерительных роботов, серийно изготовляемых промышленностью и различающихся по назначению, принципу действия, конструкции, точности и уровню автоматизации [10].

В развитии измерительных роботов можно выделить три направления.

11]: создание измерительных роботов антропоморфной конструкции с хорошими манипуляционными свойствами, а также применение универсальных промышленных роботов, оснащенных ИГсоздание простых по конструкции измерительных роботов с ортогональными направляющими (такие роботы хотя и не обладают высокими манипуляционными свойствами антропоморфных роботов, однако позволяют производителю измерять сложные детали путем одновременной работы нескольких роботов в одной измерительной установке) — создание измерительных роботов традиционных компоновок КИМ с повышенными манипуляционными свойствами путем наращивания числа управляемых координат до 5−6 (например, встраиванием управляемых по нескольким координатам ИГ).

Ниже рассмотрены характерные примеры измерительных роботов указанных трех основных направлений их развития.

Фирма «АСЕА» оснастила универсальный промышленный робот IRb6 электромеханической измерительной головкой отклонения (ИГО) с передачей информации по радиоканалу фирмы «Ж Тул» (LK Tool, Англия), а в последнее время — оптоэлектронной головкой. Универсальный промышленный робот при оснащении ИГО позволяет проводить координатные измерения, реализуя дифференциальный метод сравнения с мерой. Точность измерений при этом ограничивается случайной составляющей погрешности позиционирования (повторяемостью) промышленного робота, которая для IRb6 составляет ±0,2 мм, а для IRb60 — ±0,4 мм. Влияние систематических погрешностей позиционирования на точность координатных измерений устраняется процедурой калибровки, которая состоит в следующем. Предварительно измеряется образцовая деталь, и результаты измерений запоминаются в системе управления роботом. В дальнейшем, когда контролируются изготовляемые детали, отклонения обработанных поверхностей отсчитываются относительно этих результатов измерений.

Для измерения сложных поверхностей, к которым не предъявляются повышенные требования к точности измерений (трубопроводы сложной пространственной конфигурации, корпуса автомобилей, пресс-формы в обувной промышленности, скульптуры и др.), эффективными являются измерительные роботы антропоморфной схемы. Характерным примером такой конструкции является измерительный робот с семью степенями подвижности, выполненный в виде легкой трубчатой конструкции. Отличительными особенностями этих измерительных роботов являются высокие манипуляционные возможности и большое рабочее пространство при относительно небольших размерах конструкции.

Фирма ДЕА создала простой по конструкции измерительный робот «БРАВО», оснащенный ИГН и позволяющий проводить координатные измерения нулевым методом сравнения с мерой.

По конструкции измерительный робот «БРАВО» аналогичен сборочному роботу «ПРАГМА» с его высоким быстродействием и хорошими точностными возможностями. Измерительный робот «БРАВО» имеет ортогональную систему координат.

Основной областью применения измерительных роботов «БРАВО» является крупносерийное производство в условиях ГПС.

Измерительные роботы традиционной для промышленных роботов компоновки обладают хорошими манипуляционными возможностями при невысокой точности измерений. Это обстоятельство не позволяет расширить область применения измерительных роботов на измерение высокоточных деталей сложной формы. Для этих целей в настоящее время применяют КИМ, дополнительно оснащаемые управляемыми поворотными головками, на которые устанавливаются обычные ИГ. Общее число степеней подвижности КИМ увеличивается до 5−6, т. е. КИМ, по сути, превращается в измерительный робот: относительное перемещение измеряемой детали и ИГ осуществляется за счет приводов КИМ (три-четыре координаты), а ориентация в пространстве измерительного наконечника — за счет приводов головки (две координаты). Характерным примером является четырехкоординатная КИМ мод. «Макси Чек» фирмы «ЛК Тул», оснащенная ИГ мод. РН9 фирмы «Ренишоу». Головка имеет возможность поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей и управляется от CNC. Такая КИМ, например, используется для измерения лопаток турбинного колеса фирмы «Лукас Аероспека» (Lucas Aerospeca, Англия).

Поворот головки вокруг каждой оси осуществляется дискретно, шагами по 7,5°. Диапазон поворота ИГ вокруг вертикальной оси составляет ±180°, вокруг горизонтальной оси от 0 до 105°. Перед началом измерений ИГ калибруется при каждой требуемой ориентации, что обеспечивает точность ее работы ±0,5 мкм.

В машиностроении наряду с контролем линейных и угловых размеров деталей требуется контролировать детали и узлы машин по параметрам шероховатости, твердости, дефектным полостям материала, толщине немагнитных покрытий и др. Для этих целей создан ряд робототехнических контрольно-измерительных комплексов (НИИ интроскопии МНПО «Спектр»), в которых промышленный робот либо несет в захватном устройстве преобразователь (датчик) контрольно-измерительного прибора, взаимодействующий с контролируемым объектом, либо переносит измеряемый объект в контрольно-измерительное устройство. Указанные робототехнические комплексы строятся на базе серийно выпускаемых промышленных роботов и контрольно-измерительных приборов и благодаря этому обладают хорошими характеристиками по надежности и быстродействию.

Следует отметить, что, несмотря на важность и эффективность применения КИМ и ИР, работ, посвященных их проектированию, немного. Кроме того, работы таких ученых как Кобринский А. Е., Каспарайтис А. Ю., Модестов М. Б., Серков Н. А., Чудов В. А. посвящены, в основном, разработке отдельных узлов КИМ и ИР [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Работы же Хавкина И .Я., Барадокаса А. А., Евстигнеева В. Н., Кайнера Г. Б., Карелина Н. М., Шилюнаса П. И. [20, 21, 22, 23, 24, 25] посвящены вопросам применения КИМ и ИР. Работ, посвященных вопросам проектирования информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), обеспечивающих высокое качество по какому-либо критерию, мало.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе проанализировано состояние проблемы, основные принципы построения и объекты КИМ и ИР. Во второй главе выявлены особенности построения и функционирования КИМ и ИР, разработаны технические требования, предъявляемые к элементам их ИИУС, разработана функциональная схема ИИУС.

В третьей главе выявлены особенности схем построения электроприводов, входящих в состав ИИУС КИМ и ИР, проанализированы их характеристики и разработаны средства, обеспечивающие повышение быстродействия.

В четвертой главе проведен сравнительный анализ методов оптимизации алгоритмов управления КИМ и PIP при определении последовательности измерений, выбран наиболее эффективный метод и разработана методика его использования.

В заключении изложены основные результаты работы, научные и практические.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана функциональная схема ИИУС КИМ и ИР, на основе проведенного анализа типовых КИМ и ИР.

2. Разработаны технические требования, предъявляемые к ИИУС КИМ и ИР, необходимые для обеспечения типовых операций измерения.

3. Разработано корректирующее устройство, уменьшающее время переходных процессов (особенно при «малых» перемещениях) позиционирования КИМ и ИР.

4. Предложена методика проектирования алгоритмов управления ИИУС КИМ и ИР, обеспечивающих минимальное время измерений за счет оптимальной последовательности измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.