WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

 

ТАРМАЕВ ОЛЕГ АЛЕКСЕЕВИЧ

       

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ

ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАМОТКИ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Специальность: 05.01.01 «Инженерная геометрия и

компьютерная графика»

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент

Аюшеев Тумэн Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент,

Панчук Константин.Леонидович, заведующий кафедрой «Инженерная геометрия и САПР» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

кандидат технических наук,

Баландина Елена Александровна, доцент кафедры «Конструирование швейных изделий» ФГБОУ ВПО «Омский государственный институт сервиса»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Бурятский

государственный университет»

Защита диссертации состоится 04 мая 2012 г. в 1630ч. на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира 5, тел., факс: (3812) 65-03-23, e-mail: Arkhipenko_m@sibadi.org

Автореферат разослан  04  апреля  2012 г.

Ученый секретарь объединенного

диссертационного совета

ДМ 212.250.03, канд. техн. наук  М.Ю. Архипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Процесс намотки широко используется в производстве изделий из композиционных материалов (КМ). Изделия, полученные таким способом, обладают целым рядом ценных физико-механических свойств, причем в таких сочетаниях, которые не встречаются в других материалах: легкость, прочность, технологичность, антикоррозийность, кислотостойкость. Особенно эффективно применение указанной технологии для создания баллонов минимальной массы, способных выдерживать высокие внутренние давления.

Намотка изделий производится на специальных станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Важнейшим звеном системы автоматизированного программирования намоточных станков (САП НС) является программа намотки (или управляющая программа). С помощью нее выполняется управление движениями исполнительных органов станка, ведется непрерывная укладка армирующей ленты на поверхность вращающейся оправки. Эксплуатационные характеристики и прочность изделия определяются формой оправки и схемой укладки ленты на ее поверхности. Схема укладки ленты для данной формы оправки должна быть выполнима с технологической точки зрения на конкретном намоточном оборудовании. Точность получения изделия и производительность процесса его изготовления во многом зависят от качества разработки управляющей программы.

Проблемам моделирования процесса намотки и разработке систем автоматизированной подготовки управляющих программ посвящено большое число работ. Это связано с тем, что развитие практики намотки требует разработки эффективных методов моделирования процессов намотки нетрадиционных видов изделий,
в частности таких, которые не являются оболочками вращения.  Усилия разработчиков современных САП НС направлены на  формулирование требований к конструкциям намоточных станков и вспомогательного оборудования при изготовлении изделий новых видов. Ведутся интенсивные исследования по созданию методик разработки программ намотки, обеспечивающих снижение влияния дестабилизирующих факторов на процесс регулирования технологических параметров изготовления изделий.

В последние годы, благодаря развитию вычислительной техники, появи­лись возмож­ности оснащения намоточных станков мощными персональными компьютерами, эффективными средствами контроля и управления, использование которых позволит осуществить те алгоритмы, которые раньше считались невыполнимыми. К их числу можно отнести алгоритмы адап­тивного управ­ления технологическим оборудованием, созданные на основе при­ме­нения систем технического зрения (СТЗ). Подобные системы управ­ления стали приме­няться в производстве относительно недавно. Ана­лиз же работ, относя­щихся к изучаемому вопросу, показал, что данное направление исследований только нара­батывается. 

Из сказанного вытекает актуальная на сегодняшний день про­блема разра­ботки и внедрения в САП НС способов адаптивного управления процессом на­мотки на базе СТЗ. Использование СТЗ в ка­честве сенсорного устройства для ор­ганизации обратной связи в сис­теме управления намоточного станка позволит осуществить инте­гральный учет возмущающих факторов, связанных как со слож­ным нелинейным движением исполнительных органов намоточного станка, так и с идеализацией самой модели процесса укладки ленты на поверхность оправки, не прибегая к их моделированию. Это даст воз­можность полностью автоматизиро­вать весь комплекс управления технологическим процессом намотки, повысить качество получаемого изделия и производительность его изготовления, а также по­зволит расширить номенклатуру выпускаемых изделий.

Целью диссертационной работы является разработка способа адаптивного управления процессом намотки на базе системы технического зрения, позволяющего отслеживать и корректировать в автоматическом режиме укладку армирующей ленты на поверхность оправки для повышения эффективности изготовления деталей сложной формы из композиционных материалов на станках с программным управлением.

Объектом исследования является геометрическое моделирование процесса намотки для изготовления деталей из волокнистых композиционных материалов с полимерной матрицей.

Предметом исследования является модель, определяющая взаимосвязь между геометрическими параметрами процесса намотки, изображения армирующей ленты на экране камеры и движения раскладчика ленты адаптивного намоточного робота, оснащенного системой технического зрения.

В соотвествии с поставленной целью были определены следующие научные задачи:

- разработать методику трехмерной реконструкции сцены процесса намотки по двум изображениям;

- разработать способ калибровки камер для отслеживания процесса намотки;

- разработать экспериментальную установку адаптивного намоточного робота, оснащенного системой технического зрения;

- апробировать на экспериментальной установке разработанные способы и алгоритмы.

Научная новизна работы:

- разработана геометрическая модель процесса намотки на базе СТЗ, обеспечивающая заданную схему армирования при изготовлении деталей сложной формы, в том числе с некруглыми сечениями;

- разработана методика трехмерной реконструкции сцены процесса намотки для определения фактической траектории и параметров укладки армирующей ленты на поверхность оправки;

- разработан способ калибровки камер применительно к задаче намотки, не требующий знания параметров ориентации камер.

- разработаны и запатентованы способ адаптивного управления процессом намотки с использованием системы технического зрения и устройство для его осуществления (патент на изобретение № 2287430, № 2295109). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2005611497.

Практическая значимость заключается в разработке адаптивной системы на базе СТЗ для автоматизированной системы проектирования оболочек из КМ и управления намоточным оборудованием. Кроме того, результаты исследований позволили разработать модуль калибровки камер, и программно-технический комплекс, позволяющие в автоматическом режиме отслеживать точность укладки армирующей ленты на оправку по ее фактической траектории, а также повысить производительность процесса намотки за счет сокращения до минимума числа итераций по устранению отклонений.

Методы исследования. Решение геометрических за­дач проектирования технических объектов, сформулированных в работе, осуществлено методами теоретического и экспериментального исследования с применением аналитической, вычислительной, дифференциальной геометрий, вычислительной математики, а также использовались методы современной компьютерной обработки изображений. При разработке программного обеспечения применялись методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использовались:

- при выполнении НИР ЕЗН № 1.1.01 «Исследование геометри-ческих вопросов интеллектуальных робототехнических комплексов», 2001-2002 гг.,

- при выполнении исследований по теме гранта «Разработка намоточного робота для изготовления деталей  из волокнистых компо-зиционных материалов» в рамках Федеральной научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», № 03.01.025, 2001-2002 гг.

- на ОАО «Улан-Удэнский авиационный завод» в виде методик и алгоритмов моделиро­вания  и расчета параметров процесса намотки деталей сложных форм из волокнистых композиционных материалов.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения исследования диссертационной работы, докладывались и были представлены на II-ой Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информаци-онных технологий» (Улан-Удэ, 2001 г.), на науч­но-техническом семинаре по робототехнике, проводимой в рамках Федеральной научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей и сотрудников ВСГТУ (Улан-Удэ, 2001-2011 гг.).

Публикации. Результаты работы отражены в 8 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литерату­ры и приложения. Работа содержит 128 страниц основного тек­ста и 6 страниц приложений, 35 рисунков, 12 таблиц и 100 наименований используемых литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертацион-ной работы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе проведен анализ факторов, влияющих на точ-ность процесса армирования оболочек на намоточных станках с ЧПУ. Рассмотрены погрешности, связанные с математическим моделирова-нием процесса намотки и с возможностями намоточного оборудова-ния. В работе показано, что от этих факторов во многом зависит точность реализации процесса намотки.

Отмечено, что при моделировании процесса намотки невозможно учесть все факторы, влияющие на точность процесса. На точность реализации процесса существенное влияние оказывают не только факторы, связанные с идеализацией моделей укладки ленты из КМ на поверхность оправки, но факторы, которые не связаны напрямую с моделированием этого процесса и процессора станка. Поэтому расчет взаимоувязанных движений рабочих органов станка, обеспечивающих намотку по расчетной траектории, весьма сложен из-за невысокой жесткости системы и с трудностями учета всех факторов, влияющих на процесс намотки.

Проведенный анализ позволил сделать основной вывод о том, что модели укладки ленты и расчеты параметров технологического процесса намотки, в которых не учитывается реальная траектория намотки и изменение характеристик нитей в ее поперечном сечении при ее укладке на поверхность оправки, во многих случаях не удовлетворяют требованиям точности процесса, соблюдения проектной схемы армирования и достижения необходимой прочности изделия. Кроме того, при проведении расчетов параметров процесса намотки в принятых моделях процесса укладки ленты нужна обратная связь для отслеживания (контроля) и оперативного внесения изменений в проектные разработки.

Анализ литературных источников показал, что существующие методики оценивают влияние источников погрешности с помощью датчиков положения отдельных исполнительных органов намоточного станка, причем действия направленые на устранение отклонений выполняются вручную. Сложность учета всех факторов требует разработки методики определения их суммарной погрешности. Для этого необходимо включить в состав системы управления намоточным станком СТЗ для отслеживания реальной траектории укладки ленты на оправку. 

Вторая глава посвящена исследованию состояния вопроса, разработке способов решения задач, поставленных в первой главе.

Анализ литературных источников показывает, что отсутствует способ калибровки камеры, позволяющий однозначно задать закон преобразования координат точек регистрируемых объектов из двумерной системы на плоскости изображения в трехмерную объектную систему с интегральным учетом всех искажений. Таким образом, для решения задачи контроля процесса намотки с применением СТЗ необходимо разработать способ калибровки камер.

Суть предлагаемого способа калибровки камер состоит в построении набора интерполяционных сеток с известными  координатами узлов в объектной и в экранной системах координат для каждой виртуальной плоскости изображения. Для этого предлагается производить съемку калибровочного объекта (рис. 1), который состоит из  четырехугольников, лежащих на одной плоскости.

Введем для каждой камеры виртуальные плоскости изображений с количеством К 2 и известным положением в объектном пространстве. Виртуальные плоскости изображений могут быть непараллельны друг другу, реальной плоскости изображения и их расстояние до оптического центра камеры отлично от фокусного. В качестве нелинейной функции преобразования координат  используем кубическую сплайн-интерполяцию с параметризацией по длине дуги.  Результатом процесса калибровки камеры будут набор коэффициентов сплайнов.

Процесс калибровки является итерационным. На каждом шаге калибровки i выполняются следующие действия. Калибровка выполняется по серии из К снимков, получаемых при перемещении калибровочного объекта так, чтобы он находился полностью в поле зрения камеры и его плоскость поочередно совпадала с i-ой виртуальной плоскостью изображения.  Первый и последний шаг задают границы рабочей области.

На первом этапе определяются координаты узловых точек в объектной системе координат путем непосредственного измерения.

На втором этапе производится съемка калибровочного объекта.

На третьем этапе производится предварительная обработка полученного изображения, заключающаяся в понижении шума и бинаризации. На рис.1 представлено изображение калибровочного объекта после предварительной обработки. На рисунке хорошо просматриваются искажения, возникшие в результате дисторсии линз камеры.

На четвертом этапе производится определение точек контура изображения. 

На пятом этапе определяются уравнения прямых каждой из четырех сторон четырехугольников в экранных координатах. Поскольку компоненты векторов найденных точек контура изображения могут содержать ошибки, минимизируем их при помощи МНК. Точки с явными выбросам отфильтровываются путем задания порога изменения координат.

На шестом этапе определяются экранные координаты узлов сетки путем определения точек пересечения обнаруженных прямых – сторон четырехугольников калибровочного объекта.

Рисунок 1 - Изображение калибровочного объекта

после предварительной обработки

На седьмом этапе определяются коэффициенты кубической сплайн-интерполяции для их последующего использования при преобразовании координат.

Точность предлагаемого способа калибровки зависит от числа виртуальных плоскостей изображений и загущения интерполяционной сетки возможно увеличить точность предлагаемого способа калибровки.

Рисунок 2 - Интерполяционная сетка

Рисунок 3 - Рабочая область

Задача определения реальной траектории укладки ленты сводится к задаче реконструкции трехмерной сцены по двумерным изображениям, полученным с помощью камер.

Уравнение поверхности оправки декартовой системе x, y, z имеет вид

где u и v – криволинейные параметры.

Кривая намотки описывается уравнением


Будем рассматривать только среднюю нить ленты, которая является прямой в пространстве, уравнение которой можно представить в параметрической форме

где направляющий вектор прямой.

Как видно из рис. 4 точки A’, B’, S1 и C’, D’, S2 соответственно  задают плоскости, уравнения которых можно записать в виде

где N1  и N2 - векторы нормалей.

Данная система уравнений при условии определяют искомую прямую как пересечение двух плоскостей.

Координаты вектора в точке r0 можно вычислить из решения системы уравнений

Преобразованию будем подвергать координаты не всех точек изображения, а только координаты точек, принадлежащих проекции средней нити ленты на виртуальные плоскости изображения (рис. 3).

На проекции средней нити ленты путем линейного сканирования выделяем точки Mi и Pi.  (рис. 5). Зная криволинейные координаты s и t этих точек в экранной системе координат, преобразуем их в трехмерную систему.

Рисунок 4 - Определение положения средней нити ленты с использованием СТЗ:

1 – поверхность оправки; 2 – средняя нить композиционной ленты;

3 – крайние нити ленты; 4 – раскладчик ленты; 5, 6 – плоскости изображения видеокамер, 7 – прямая, аппроксимирующая пространственное положение средней нити ленты.

Получим точки и для каждой i-й плоскости  калибровочного объекта. Массивы точек и могут содержать ошибки измерения. Поэтому для каждого из массивов минимизируем их, используя линейную аппроксимацию на основе МНК (рис. 6). Точки с явными выбросами по координатам отфильтровываются на этапе обработки двумерных изображений. На полученных таким образом двух прямых m и p произвольно выбираем три точки и задаем искомую проецирующую плоскость.

Аналогичные действия проводим для второй камеры и определяем положение средней нити ленты как пересечение этих плоскостей.

Таким образом, разработанный способ реконструкции  трехмерной  сцены позволяет определить положение средней нити композиционной ленты без знания внешних и внутренних параметров камер с учетом искажений, упростить процесс калибровки камер. 

Рисунок 5 - Преобразование координат точек проекции средней нити ленты

Рисунок 6 - Нелинейное преобразование координат из экранной

системы координат в объектную

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований.

Для экспериментальной проверки результатов исследований была разработана экспериментальная установка, которая представляет собой макет намоточного станка с адаптивным управлением, оснащенный системой технического зрения.  На рис. 7 приведена схема аппаратной части экспериментальной установки. Привод 4 обеспечивает вращательное движение шпинделя, на котором закреплена оправка 1. Раскладчик 3 композиционной ленты 3 выполняет  поступательные движения в продольном и поперечном направлениях по координатам X и Z. На управляющей ЭВМ 8 и блоке управления приводами 9 выполняется специальное программное обеспечение. С помощью видеокамер 6 и 7 организована обратная связь для отслеживания реальной траектории укладки ленты.

Рисунок 7 - Макет намоточного станка:

1 – оправка; 2 – композиционная лента; 3 – раскладчик ленты;

4 – шаговый двигатель; 5 – редуктор; 6, 7 – видеокамеры;

8 – компьютер; 9 – блок управления приводами

Процесс выполнения эксперимента с использованием макета намоточного станка состоит из семи этапов:

1)        подготовка модели поверхности оправки в виде набора точек трехмерного каркаса в каком-либо пакете трехмерного моделирования, например AutoCAD;

2)        выбор параметров намотки;

3)        калибровка видеокамер;

4)        симуляция процесса намотки с выбранными параметрами и генерация управляющей программы для приводов станка;

5)        выполнение намотки без обратной связи, сохранение результатов;

6)        выполнение намотки с обратной связью, сохранение результатов;

7)        анализ полученных результатов.

При проведении эксперимента использовалась оправка лонжерона стабилизатора вертолета. Оценивалась точность определения угла намотки ленты на оправку двумя способами. При выполнении намотки первым способом (без обратной связи), максимальное отклонение угла намотки от расчетного значения составило более 1о, что превышает допустимые значения. При втором способе намотка ленты проводилась с адаптивным управлением, т.е. автоматической коррекцией на каждом шаге с применением технического зрения. Максимальное отклонение угла намотки от расчетного значения составило менее 1о.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволили сделать вывод о том, что разработанный способ адаптивного правления с применением технического зрения позволяет достаточно точно определять реальное положение ленты в процессе намотки и вводить своевременные коррективы на каждом шаге в автоматическом режиме в управляющую программу намоточного робота. Это дает возможность обеспечивать высокую точность и производительность процесса намотки при изготовлении изделий сложных форм из волокнистых КМ.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе получены следующие теоретические и практические результаты:

1.        Анализ литературных источников позволил выявить основные факторы, влияющие на точность процесса армирования при намотке. Проведенный анализ факторов позволил выделить наиболее значимые из них. Рассмотрены погрешности, связанные с  моделированием процесса намотки и с возможностями намоточного оборудования. Проведенный анализ работ по точности процесса намотки показал, что существующие методики оценивают влияние источников погрешности с помощью датчиков положения отдельных исполнительных органов намоточного станка. Сложность учета всех факторов позволяет сделать вывод о необходимости разработки методики определения их суммарной погрешности. Для этого необходимо включить в состав намоточного оборудования систему технического зрения для отслеживания реальной траектории укладки ленты на оправку. 

2.        Разработан способ адаптивного управления процессом намотки на базе СТЗ. Путем отслеживания реальной траектории укладки ленты на оправку и коррекции в УП раскладчика ленты станка в реальном времени устраняется накопление погрешности параметров намотки, особенно для оболочек, имеющих некруглые сечения.

3.        Разработана методика реконструкции трехмерной сцены для определения параметров процесса намотки, который позволяет определить в системе координат станка положение ленты с помощью ее проекций на виртуальные плоскости изображений камер, причем для этого не требуется знание внутренних и внешних параметров калибровки камер.

4.        Создано экспериментальное намоточное устройство, оснащенное СТЗ, реализующее разработанные способы и алгоритмы. На этом устройстве подтверждена более высокая точность укладки ленты на оправку реального изделия по сравнению с существующими системами управления.

5.        Разработанные в диссертации методы и алгоритмы включены в формируемые системы автоматизированного проектирования и подготовки управляющих программ для намоточных станков с ЧПУ на ОАО «Улан-удэнский авиационный завод».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ  РАБОТАХ:

В  изданиях рекомендованных ВАК: 

  1. Тармаев, О.А. Определение реальной траектории армирования оболочек с применением системы техни­ческого зрения / Т.В. Аюшеев, В.В. Найханов, О.А. Тармаев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2003. - № 10. - С. 49-52.
  2. Тармаев, О.А. Способ калибровки цифровой видеока­меры для адаптивного процесса намотки / Т.В. Аюшеев, О.А. Тармаев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2006. - № 1. - С. 51-56.

В других изданиях:

  1. Тармаев, О.А. Разработка намоточ­ного робота для изготовления деталей из волокнистых композици­онных материалов / В.В. Найханов, Т.В. Аюшеев, О.А. Тармаев // Технический отчет по проекту №  ГР 03.01.025 – Улан-Удэ: ВСГТУ, 2002. – 50 с.
  2. Тармаев, О.А. Разработка адаптивной технологии изготовления деталей процессом намотки из волокни­стых композиционных материалов / В.В. Найханов, Т.В. Аюшеев, О.А. Тармаев // Отчет по НИР выполненной по единому заказ-наряду № 1.4.96 «Исследование геометрических вопросов проблемы искусственного интеллекта» – Улан-Удэ: ВСГТУ. – 2002. – 60 c.
  3. Тармаев, О.А. Разработка системы управления параметрами процесса намотки с применением технического зрения / В.В. Найханов, Т.В. Аюшеев, О.А. Тармаев // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современ­ных информационных технологий». – Улан-Удэ: ВСГТУ. – 2001. – С. 141-144.
  4. Тармаев, О.А. Способ адаптивного управления процессом намотки и устройство для его осуществле­ния / Т.В. Аюшеев, В.В. Найханов, О.А. Тармаев // Патент на изобретение № 2287430. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20.11.2006 г.
  5. Тармаев, О.А. Способ калибровки цифровой видеока­меры для адаптивного процесса намотки / Т.В. Аюшеев Т.В., О.А. Тармаев // Патент на изобретение № 2295109. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10.03.2007 г.
  6. Тармаев, О.А. Программный комплекс для адаптив­ного управления процессом изготовления деталей методом на­мотки / Т.В. Аюшеев Т.В., О.А. Тармаев // Св. № 2005611497. Программы для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных схем. Официальный бюллетень ФИПС. - 2005. - № 3. - С. 173.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.