Разработка мехатронного привода измерительной лазерной системы

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические аспекты построения мехатронных систем в точном машиностроении

1.1. Современное состояние и тенденции развития лазерных изметрительных комплексов в России

1.2. Нормативно-техническое регулирование и государственные стандарты в области мобильной робототехники и мехатроники

1.3. Классификация и сравнительный анализ исполнительных механизмов прецизионного позиционирования

Глава 2. Анализ технических требований и выбор структуры привода измерительной системы

2.1. Характеристика условий эксплуатации и метрологических требований к лазерному сканированию на производстве

2.2. Выбор и обоснование аппаратной части мехатронного модуля: исполнительные устройства и датчиковая аппаратура

2.3. Исследование динамических характеристик измерительной головки как объекта управления

Глава 3. Техническое проектирование мехатронного привода и разработка системы управления

3.1. Разработка кинематической схемы и расчет прецизионной передачи мехатронной системы

3.2. Программная реализация алгоритмов управления и синтез регуляторов в среде автоматизированного проектирования

3.3. Расчет показателей точности и оценка надежности спроектированного измерительного привода

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Разработка мехатронного привода измерительной лазерной системы

Специальность: 15.02.10 Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена стремительным развитием технологий прецизионного измерения и контроля геометрических параметров в машиностроении, что напрямую связано с повышением требований к точности изготовления деталей сложной конфигурации. В современных условиях цифровизации промышленности, реализуемой в рамках национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации», лазерные измерительные комплексы становятся неотъемлемым элементом систем контроля качества продукции на предприятиях авиационной, космической, автомобильной и энергетической отраслей. Однако эффективность таких систем критически зависит от качества мехатронного привода, обеспечивающего точное позиционирование измерительной головки в пространстве с минимальным временем переходных процессов и высокой повторяемостью результатов [1, c. 15].

Степень разработанности проблемы в российской научно-технической литературе характеризуется наличием фундаментальных трудов по теории мехатронных систем, представленных работами ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана, в частности кафедры робототехнических систем и мехатроники, а также исследованиями специалистов МГТУ «СТАНКИН» в области прецизионного оборудования. Значительный вклад в развитие методов синтеза мехатронных приводов внесли отечественные ученые, разработавшие математические модели динамики исполнительных механизмов и алгоритмы управления с компенсацией нелинейностей. Вместе с тем, в условиях импортозамещения и необходимости создания конкурентоспособного отечественного измерительного оборудования, задача разработки мехатронного привода лазерной системы с использованием компонентов российских производителей приобретает особую актуальность и требует комплексного инженерного подхода, сочетающего методы теории автоматического управления, расчета механических передач и программирования встроенных систем [5, c. 42].

Современные лазерные измерительные системы применяются для бесконтактного определения геометрических параметров деталей, контроля отклонений формы и расположения поверхностей, построения трехмерных моделей объектов. Качество измерений определяется не только характеристиками оптико-электронного датчика, но и способностью привода обеспечить требуемую траекторию движения с заданной скоростью и ускорением при минимальных вибрациях и температурных деформациях. В связи с этим разработка мехатронного привода представляет собой комплексную инженерную задачу, включающую выбор и обоснование структуры кинематической схемы, подбор исполнительных двигателей и датчиков обратной связи, расчет параметров механической передачи, синтез законов управления и верификацию полученных решений методами компьютерного моделирования [8, c. 78].

Цель выпускной квалификационной работы – разработка мехатронного привода измерительной лазерной системы с заданными точностными и динамическими характеристиками для применения в условиях машиностроительного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• изучить современное состояние и тенденции развития лазерных измерительных комплексов в России, а также нормативно-техническое регулирование в области мехатроники;
• провести классификацию и сравнительный анализ исполнительных механизмов прецизионного позиционирования для обоснования выбора структуры привода;
• проанализировать технические требования к приводу измерительной системы исходя из условий эксплуатации и метрологических норм;
• осуществить выбор и обоснование аппаратной части мехатронного модуля, включая исполнительные устройства и датчиковую аппаратуру;
• разработать кинематическую схему привода и выполнить расчет параметров механической передачи с учетом требований по точности и жесткости;
• реализовать алгоритмы управления приводом в среде автоматизированного проектирования и произвести расчет показателей точности и надежности спроектированной системы.

Объектом исследования является мехатронный привод прецизионного позиционирования измерительной головки лазерного сканера, предназначенного для контроля геометрии деталей в условиях машиностроительного производства.

Предметом исследования выступают методы расчета, проектирования и программной реализации систем управления мехатронными приводами измерительных комплексов.

Методологическая база работы включает теоретические основы мехатроники и робототехники, методы расчета кинематики и динамики механических систем, теорию автоматического управления, в частности методы синтеза ПИД-регуляторов и наблюдателей состояния. В качестве инструментальных методов использованы средства компьютерного моделирования в программных пакетах MATLAB/Simulink для расчета переходных процессов и анализа устойчивости системы управления. Нормативная база исследования опирается на ГОСТ Р 60.0.0.1-2016, регламентирующий термины в области робототехники, ГОСТ Р 56350-2015 по требованиям к промышленным роботам, ГОСТ Р МЭК 62061-2019 по функциональной безопасности систем управления, а также документы Национальной стратегии развития робототехники в Российской Федерации, утвержденной Минпромторгом России [12, c. 104].

Научная новизна работы заключается в разработке комплексного подхода к проектированию мехатронного привода лазерной измерительной системы, учитывающего специфику применения отечественных компонентов и обеспечивающего достижение метрологических характеристик, соответствующих международным аналогам. Предложены оригинальные технические решения по компенсации люфтов в механической передаче и минимизации влияния температурных деформаций на точность позиционирования.

Теоретическая значимость состоит в систематизации методов проектирования прецизионных мехатронных систем и адаптации классических подходов теории автоматического управления к специфике управления привод

…