Дипломная работа: Проектирование мобильной автоматизированной системы окрашивания

Москва 2018 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

ИМ. А.Н. ТИХОНОВА

Выпускная квалификационная работа

по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОБИЛЬНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОКРАШИВАНИЯ

Завелинский Илья Олегович

Аннотация

В настоящей выпускной квалификационной работе был изучен принцип работы автоматизированных систем окрашивания, был приведен подробный обзор вариантов построения подобных промышленных роботов, спроектирована собственная конструкция мобильной автоматизированной системы окрашивания с помощью системы автоматизированного проектирования SolidWorks, проведен и обоснован выбор комплектующих. На основе выбранных составных частей была создана и разработана система управления с интерактивным интерфейсом на графическом языке программирования G в программном комплексе LabVIEW.

In this final qualification work were studied the principles of operation of automated coloring systems, it was given a detailed overview of solutions of the constructing similar industrial robots, the own design of the automated mobile coloring system was designed using the CAD system SolidWorks, it was carried out and justified the choice of components. Based on the selected parts, the control system with an interactive interface was created and developed in the graphical programming language G in the LabVIEW software package.

Оглавление

Введение

1. Описание автоматизированной системы окрашивания

1.1 Мобильная автоматизированная система окрашивания и системы координат промышленных роботов

1.2 Классификация промышленных роботов

1.3 Режимы работы промышленных манипуляторов

1.4 Постановка задачи на проектирование мобильной автоматизированной системы окрашивания

2. Разработка конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания

2.1 Разработка конструкции

2.2 Обоснование выбора электронных составляющих элементов системы

2.3 Обоснование выбора составляющих элементов системы окрашивания

3. Разработка системы управления

3.1 Реализация системы управления с помощью программного комплекса LabVIEW

Заключение

Список использованных источников

Введение

Одной из основных тенденций развития современного мира является автоматизация всех процессов производства и работ, где есть возможность замены человеческого труда на выпуск профессиональной и качественной продукции с помощью роботизированных, не зависящих от человеческого фактора производственных мощностей. Проектируемая мобильная автоматизированная система окрашивания позволит решить целый спектр задач по окрашиванию изделий различной сложности без использования человека в данном процессе.

На данный момент существует большое количество автоматизированных систем, единственным минусом которых является стационарность в виду больших габаритов, массы и конструктивных особенностей. Любая мобильная система в отличие от промышленного комплекса имеет возможностью быстрого развертывания, подготовке к работе, а также возможностью использовать данную систему вне одного конкретного помещения, для возможности применения при решении целого комплекса задач по окрашиванию широкой номенклатуры изделий.

Мобильная система окрашивания позволит решить такие проблемы, как:

· автоматизация всех процессов окрашивания;

· возможность быстрого развертывания системы на объекте;

· исключение из работы человеческого фактора;

· увеличение производительности молярных и покрасочных работ;

· снижение себестоимости выпускаемой продукции на предприятиях.

1. Описание автоматизированной системы окрашивания

1.1 Мобильная автоматизированная система окрашивания и системы координат промышленных роботов

Мобильную автоматизированную систему окрашивания можно отнести к классу промышленных роботов, выполняющих различные функции. Такие автоматизированные системы используются для замены человеческого труда на производственных комплексах, при выполнении определенных операций, таких как подъем изделий, их окрашивание, сварка, перемещение с лент производственных конвейеров. Роботизированные линии позволяют практически полностью исключить человеческий фактор и работать с постоянными показателями качества производимой продукции и выполняемой работы, функционируя без выходных, перерывов на обед и исключая возможность получения травм сотрудниками предприятий. Практически все эти задачи выполняются благодаря манипуляторам, копирующим человеческую руку, имеющим определенное количество сочленении, шарниров и плеч, с использованием определенного навесного оборудования: сварочного аппарата на конце манипулятора для сварочных работ, пульверизатора или системы пульверизаторов для покрасочных работ, захватывающие клешни или похожие механизмы для перемещения объектов и т.д.

Существует несколько типов роботов, отличающихся друг от друга конструкцией, в зависимости от выполняемых задач, основным критерием отношения к конкретному типу являются кинематические схемы их исполнения и функционал [1].

В основном, для реализации систем с использование манипуляторов выделяют две основных кинематические схемы:

Декартова система координат. Данная система, изображенная на рисунке 1, реализует движение рабочего органа системы поступательно вдоль осей, на которых построена система перемещения. Такие роботы просты в эксплуатации и программировании, в основном используются для размещения элементов на горизонтальной, либо на вертикальной плоскости, а также отличаются высокой точностью.

Рисунок 1 - Декартова система координат манипулятора

Сферическая система координат. Роботизированные системы, использующие такую кинематическую схему универсальны, более сложны в производстве, но имеют возможность работать в пространстве в виде сферы, тем самым способны выполнять работы с более сложными по форме изделиями, чем роботы, использующие декартову систему. На рисунке 2 изображен типовой сферический манипулятор.

Рисунок 2 - Сферическая система координат манипулятора

Также, существует наиболее универсальная, но сложная система координат - ангулярная или угловая, а также цилиндрическая, но их применение ограничено ввиду сложности конструкции, обслуживания и стоимости. В некоторых случаях, при производстве автоматизированных манипуляторов, прибегают к использованию сразу нескольких систем координат для решения многофункциональных задач, используя одну рабочую единицу техники.

1.2 Классификация промышленных роботов

В настоящий момент на производствах применяется широкий спектр роботизированных автоматизированных систем, в том числе манипуляторов, имеющих различные конструкторские решения. Перейдем к рассмотрению классификации и типов манипуляторов [2].

По конструктивным особенностям, манипуляторы подразделяются по:

· типу привода (гидравлический, пневматический, электрический);

· грузоподъемности (менее 1 килограмма - сверхлегкие, до 10 килограмм - легкие, до 1000 килограмм - тяжелые, более 1000 килограмм - сверхтяжелые);

· мобильности (стационарный или подвижный);

· применяемой системе координат (декартову или прямоугольную, цилиндрическую, сферическую, ангулярную или угловую);

По способу управления и заданию алгоритма работы:

· программный (алгоритм работы полностью задается машинным кодом);

· адаптивный (система запоминает движения оператора и повторяет их при дальнейшей работе);

· интеллектуальный (система работает на основании показателей с датчиков, устанавливаемых на границах объектов, с которыми работает система или датчиков, установленных на самом манипуляторе);

По универсальности применения, роботизированные автоматические системы бывают:

· полностью универсальные (имеют возможность перепрограммирования, смены рабочего органа для решения различных неоднотипных задач, применяемые на различных предприятиях в различных отраслях промышленности);

· специализированные (задачей такой системы является однотипная операция, применяющаяся в сварочных или покрасочных работах);

· узкоспециализированные (выполняющие однотипную монотонную низкоподвижную работу).

Исходя из поставленных задач роботы бывают:

· подвесные;

· напольные;

· встраиваемые.

Несмотря на отличия, типы и особенности исполнения автоматизированных систем, они имеют схожую структурную схему и принцип построения. Рассмотрим роботизированные комплексы окрашивания, их строение и характеристики выполняемых работ на примере антропоморфного робота для окраски CMA GR-530 итальянского производства.

Манипулятор робота изготовлен из легкосплавной конструкции, движущийся по пяти осям и имеющий пневматическую балансировку, что обеспечивает высокую гибкость, скорость вращения и движения всех составных частей. Робот способен достать до любой точки окрашиваемого изделия благодаря особым системам сочленений робота, позволяющим вращаться каждой оси на 360 градусов. Система робота также оснащена каруселью для погрузки изделий, но это является дополнительным оборудованием, не влияющим на основной функционал.

Данный робот CMA GR-530 G, изображенный на рисунке 3, предназначен для выполнения покрасочных работ различными методами нанесения лакокрасочных материалов (электростатический, пневматический и т.д.) сложных деревянных, металлических и пластмассовых изделий.

Рисунок 3 - Робот CMA GR-530 G.

Управление роботом может осуществляться двумя ключевыми способами - программному и адаптивному, когда оператор, двигая своей рукой манипулятор, задает определенную последовательность движений, программа самообучения записывает данные движений, и после воспроизводит их с большей или меньшей скоростью, в зависимости от задачи. Также, сохраненные программы после самообучения могут редактироваться методом «блочного программирования». Максимальное количество записанных программ - 9999, хранение и управление которыми осуществляется с встроенного компьютера, программы записываются на флеш-накопитель и выбираются на компьютере с помощью быстрого поиска с клавиатуры или джойстика. Технические характеристики антропоморфной системы окрашивания CMA GR-530 G представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики CMA GR-530 G

1.3 Режимы работы промышленных манипуляторов

Манипуляторы управляются специальным программным обеспечением, которое разрабатывается на основе предопределенных вычислений (аналитическое программирование) или путем обучения (запоминание команд оператора). Во время программирования значения могут быть определены как конечная точка траектории движения исполнительного элемента и весь путь движения. Существует еще один способ программирования - использование элементов искусственного интеллекта в качестве конечной цели робота, и машине необходимо разработать свой собственный метод ее достижения (траектория движения). Программа может быть записана на носитель данных, перфорированную ленту или перфокарту и на оптические диски. Роботы запрограммированы жестко, гибкоадаптируемые и перепрограммируются. Так же существуют перепрограммируемые и жестко программируемые роботизированные манипуляторы, которые не подлежат последующему перепрограммированию (автооператор). Жесткое программирование включает в себя реализацию монотонной роботизированной последовательности, встроенной в команды памяти. Считается, что окружающая среда является детерминированной (изменения, предсказуемые во времени), постоянными и единообразными (не изменяются или изменения заранее известны и задаются). Такие условия, например, относятся к массе, серийному производству или ряду аналогичных продуктов. Последовательность выполнения команд является постоянной или изменяется в предопределенную функцию. В некоторых случаях функция зависит от значений внешней или внутренней управляемой среды робота, что предполагает наличие различных датчиков. Адаптивный программный робот представляет собой набор из нескольких программ, один из которых является основным (аналогичная программа программируемых жестких роботов), а остальная часть - второстепенная, которая управляет бортовым компьютером в случае изменения внешней среды. В этом случае в дополнение к основным командам содержания программ для непосредственного управления исполнительным механизмом содержится процедура подключения вспомогательных программ или подпрограмм, когда устройство сталкивается с трудностями. Предполагается, что среда меняется со временем, но количество таких изменений ограничено и предсказуемо заранее. Любые возможные изменения в заранее рассчитанном алгоритме для преодоления трудностей. Для получения информации об изменениях в окружающей среде используется набор датчиков, включая видео приложение. Поэтому, эти механизмы часто называются «глаз-рука». Постоянно исполняемые инструкции могут реагировать независимо при необходимости в различных условиях окружающей среды. Гибкопрограммируемые промышленные роботы наиболее независимы, но также и более сложны. Их программное обеспечение предоставляет математическую модель внешнего мира, а также систему для анализа поступающей информации (с датчиками давления, видеокамерой, звуковыми датчиками и т. д.). Программа должна самостоятельно принимать свои собственные решения, человек лишь задает конечную цель. На ранних этапах с помощью оператора, в случае систем самообучения. Программируемые машины для гибкого «искусственного интеллекта», классические типы роботов относятся к первому, второму и третьему поколению соответственно. В случае биотехнических систем (управляемых манипуляторами) программное обеспечение представляет собой аналоговый или цифровой диспетчер сигналов из блока управления и преобразует их в команды, которые понятны для исполнительного механизма. Какой бы тип робота (биотехнологический или автоматический) человеческий диалог между ними неизбежен. Это может происходить на объектно-ориентированном языке, в виде текстовых сообщений и даже команд, не говоря уже о кнопке и рычажном управлении. Программа предоставляется в виде числового кода (числовое управление, ЧПУ), аналоговых сигналов (АПУ), комбинированного или серии последовательных операций. Современные роботы почти всегда изготавливаются с ЧПУ. Современные манипуляторы с ЦПУ, как правило, рассчитан на объем транзакций 10-50 операций. ЦПУ разумно применяемый в условиях, когда робот совершает ограниченное число движений с небольшим количеством позиционирующих точек, а операция занимает короткое время (роботы первого типа). Если количество возможных движений, точек позиционирования значительно, а операция требует относительно долгого времени, то используют позиционный контроль (второй тип). Наконец, при движении по заданному маршруту с заданной скоростью, используя программный контур управления (третий тип). Программное обеспечение управления контролирует позиционное позиционирование рабочего тела, не следуя его траектории. Контурное управление - контроль движения без эффективного контроля готовой продукции. Механизмы адаптации существуют только с контуром и положением управления. В большинстве случаев система управления физически удаляется из механической системы промышленного робота (манипулятора, крана). Это делается для постепенной модернизации возможностей оборудования, а также для управления манипулятором или для исправления его поведения с помощью удаленной консоли при участии в неблагоприятных для человека условиях [3].