05.02.05 – роботы, мехатроника и робототехнические системы

 Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. № 108
 

1. Цели и задачи Программы-минимума

Цель программы-минимума – регламентация объема и уровня знаний аспиранта по специальности 05.12.05 – роботы, мехатроника, робототехнические системы.

Робот (промышленный робот) -  автоматическая машина, представляющая собой совокупность манипулятора и программируемого устройства управления, для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека при перемещении предметов производства и (или) технологической оснастки (ГОСТ 25686-85).

Мехатроника – это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающим создание качественно новых модулей, машин и систем с интеллектуальным управлением.

Робототехническая система – любая система, содержащая хотя бы один ПР. В качестве РТС может выступать отдельный ПР, как самостоятельный объект разработки,  робототехнический комплекс или гибкая производственная система (участок, линия).

Задачи программы-минимум:

  • Сформулировать требования к знаниям, умениям и навыкам аспиранта в области мехатронных и робототехнических систем (МРТС).
  • Определить состав тем, охват которых обеспечивает требуемую компетенцию аспиранта.
  • Определить содержание каждой темы.
  • Привести список литературы, достаточный для освоения тем в нужном объеме.

2. Требования к знаниям, умениям и навыкам аспиранта

Аспирант должен обладать следующими компетенциями:

  • владеть системным анализом;
  • владеть математическими методами анализа, моделирования, управления и оптимизации систем;
  • уметь работать с источниками информации, включая телекоммуникационные;
  • владеть, по крайней мере, одним из современных алгоритмических языков (систем) программирования;
  • владеть, по крайней мере, одной из современных систем компьютерной математики;
  • владеть, по крайней мере, одной из современных систем автоматизированного проектирования (САПР) общего назначения;
  • уметь проводить патентные исследования и оформлять заявки на изобретения;
  • владеть методикой обследования производства и технико-экономического обоснования целесообразности автоматизации и роботизации;
  • осуществлять постановку задач, разрабатывать концепцию и предлагать принципиальные решения по комплексной автоматизации и роботизации производства;
  • знать принципы проектирования технологических процессов и механической подсистемы МРТС;
  • знать принципы проектирования управляющей и информационно-измерительной подсистем МРТС;
  • знать теорию и владеть навыками разработки математического и программного обеспечения МРТС;
  • владеть методиками проведения натурных и модельных исследований МРТС;
  • владеть методиками проведения испытаний МРТС.

3 Содержание курса

1. Предметная область

Место и перспективы рассматриваемой области знаний.

Промышленные роботы и робототехнические системы. Основные термины и определения. Назначение, классификация, характеристики. Обобщенная структурная схема промышленного робота. Поколения промышленных роботов.

Мехатронные модули и мехатронные системы. Основные термины и определения. Назначение, классификация, характеристики.

2. Технология и оборудование роботизированного производства

Классификация изделий машино- и приборостроения, как объектов автоматизированного и роботизированного производства. Классификация конструкционных и электротехнических материалов. Классификация и кодирования изделий для автоматизированного учета, проектирования и производства. Этапы жизненного цикла изделия.

Производство: виды, показатели назначения, критерии эффективности, типы. Структура производственной программы.

Технологический процесс: определение, сфера,  содержание,  виды описания, структура, нормирование.

Методы обработки изделий. Методы защитно-декоративных покрытий. Методы упрочнения.

Точность обработки: компоненты, определяющие факторы, аналитический и статистический метод оценки. Оптимизация режимов.

Технологичность изделий в условиях роботизированного производства: определение, компоненты, определяющие факторы, количественная оценка. Отработка изделий на технологичность в условиях автоматизированного и роботизированного производства.

Принципы проектирования роботизированных технологических процессов. Групповая технология.

Основное технологическое оборудование  роботизированной обработки. Виды, требования к компоновке и конструктивному исполнению. Методы и средства обеспечения точности и производительности. Инструмент и оснастка.

Вспомогательное технологическое оборудование  роботизированной обработки: склады, накопители, транспорт, перегружатели, подающе-ориентирующие устройства. Классификация, требования, исполнения. Технологические и конструктивные пути повышения точности и производительности роботизированной сборки.

Особенности объектов, технологии, оборудования и систем роботизированной сборки.

Концепция и средства интегрированного автоматизированного производства.

3. Механика и приводы  МРТС

Структурный анализ и синтез манипуляторов. Виды кинематических пар. Степени подвижности. Формулы Сомова-Малышева и Чебышева. Кодирование структурных схем манипуляторов.

Кинематический анализ и синтез манипуляторов. Прямая и обратная задачи кинематики. Анализ столкновений. Точностной анализ. Анализ манипуляционных возможностей: рабочее  пространство, зона обслуживания, маневренность (угол и коэффициент сервиса), возможность стереотипных движений, мобильность конфигурации, коэффициент передачи скорости, коэффициент неравномерности.

Кинетостатический анализ и синтез манипуляторов. Определение действующих сил в звеньях манипуляторов.

Динамический анализ и синтез манипуляторов. Уравнения Лагранжа.

Классификация конструкций манипуляторов. Основные конструктивные исполнения манипуляторов с жесткими звеньями. Достоинства и недостатки концепции «привода на звеньях» и «привода на основании». Конструктивные особенности характерных механизмов и деталей машин МРТС.

Методы расчета механизмов МРТС на прочность. Методы расчета механизмов МРТС жесткость. Методы расчета механизмов МРТС на долговечность. Методы расчета структурной надежности МРТС.

Теоретические основы построения,  методы расчета и проектирования гидравлических и пневматических приводов.

Электрические машины в МРТС. Теоретические основы автоматизированного электропривода. Методы расчета и оптимизации приводов. Механика электропривода. Автоматизированный электропривод постоянного и переменного тока.

4. Управление в МРТС

Способы математического описания процессов и систем автоматического управления (САУ). Передаточные функции. Частотные характеристики. Временные характеристики.

Типовые динамические звенья. Правила преобразования структурных схем, правило Нэйсона.

Устойчивость линейных систем, алгебраические и частотные критерии устойчивости САУ.

Оценка качества САУ. Синтез линейных непрерывных систем управления с заданными показателями качества.

Синтез систем с типовыми регуляторами.

Нелинейные САУ и их математические модели. Устойчивость нелинейных систем по Ляпунову. Функции Ляпунова. Линеаризация нелинейных систем. Уравнения гармонического баланса.

Дискретные САУ и их классификация. Основы теории дискретизации. Теорема дискретизации. Устойчивость линейных дискретных САУ. Дискретные преобразования Лапласа и Фурье, Z-преобразования. Частотные характеристики дискретных систем. Законы управления, синтез передаточных функций в управляющей ЭВМ.

Постановка задачи оптимального управления. Критерии оптимальности. Оптимальные законы управления. Решение оптимальных задач методом вариационного исчисления. Метод динамического программирования Беллмана и принцип максимума Понтрягина. Системы оптимальные по быстродействию. Системы, оптимальные по квадратическим критериям качества. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по методу Летова и Калмана. Синтез оптимальных САУ по функционалу обобщенной работы Красовского. Синтез оптимальных систем при неполной информации о состоянии объекта управления. Наблюдатели состояния. Оптимальная фильтрация случайных процессов. Фильтры Винера и Калмана. Теорема разделения.

Принципы самонастройки и адаптации. Классификация адаптивных систем. Способы построения экстремальных регуляторов. Поисковые и беспоисковые самонастраивающиеся системы. Системы с эталонной моделью.

Принципы функционирования и построения цикловых, позиционных и контурных управляющих систем. Элементная база и типовые схемные решения систем управления МРТС. Интерфейс. Групповое управление.

Системы числового программного управления металлорежущими станками. Основные функции и классификация систем ЧПУ. Системы координат станка, детали, инструмента. Программирование позиционной и контурной обработки. Кодирование управляющих программ. Коррекция программ. Системы автоматизированного программирования.

Программируемые логические контроллеры: назначение, функции, параметры, программирование.

Сетевые технологии в управлении МРТС.

5. Информационно-измерительные подсистемы МРТС

Основные положения теории информации. Современные информационные технологии. Принципы функционирования систем передачи и обработки данных. Принципы построения баз данных и баз знаний.

Системы автоматизированного контроля. Датчики внутренней и внешней информации МРТС.

6. Математическое и программное обеспечение МРТС

Математический аппарат описания положения и ориентации: векторная и матричная алгебра. Отображение при переносе и повороте фреймов. Однородные координаты и оптические преобразования. Углы тонгажа, крена, рыскания. Углы Эйлера.

Вычислительные аспекты кинематики манипуляторов.

Алгебраический и геометрический подход к решению прямой и обратной задачи кинематики. Соглашение Денавита-Хартенберга. Однородные дифференциальные преобразования координат. Матрица Якоби манипулятора.

Планирование траектории при позиционировании и контурном управлении. Формирование профиля скорости. Линейная и круговая интерполяция. Сглаживание траектории. Сплайн-интерполяция.

Языки и системы программирования МРТС. Автоматизация программирования.

7. Проектирование МРТС

Основные положения системного анализа, как методологии проектирования сложных систем. Принципы проектирования МРТС.

Технико-экономическое обоснование целесообразности МРТС.

Этапы проектирования. Методы анализа МРТС. Методы синтеза МРТС. Методы принятия проектных решений. Искусственный интеллект в проектировании: экспертные системы, теория решения изобретательских задач, нечеткая логика.

Основы автоматизации проектирования МРТС.

8. Методы моделирования и исследования МРТС

Классификация моделей МРТС.

Методы моделирования геометрии МРТС. Машинная графика. Твердотельное трехмерное параметрическое моделирование.

Методы моделирования структуры МРТС. Теория графов. Сети.

Методы моделирования свойств МРТС. Модели кинематики, кинетостатики, динамики.

Методы моделирования процесса функционирования МРТС. Метод объемного баланса. Циклограммы. Марковские случайные процессы (уравнения Колмогорова, теория массового обслуживания и сетей обслуживания), сети Петри, имитационное моделирование. Специализированные языки моделирования.

Методы экспериментального исследования МРТС (контроля, тестирования, калибровки, испытаний). Статистические модели (метод Монте Карло).

Основы планирования эксперимента. Корреляционный, факторный и регрессионный анализ экспериментальных данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Мехатроника: Пер. с япон./Исии Т., Сияма И., Иноуэ Х. и др. -М.: Мир,1988.
  2. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. -М.: Мир,1989.
  3. Шахинпур М. К. Курс робототехники. –М.: Мир,1990.
  4. Пол Р. Моделирование, планирование траектории и управление движениемробота-манипулятора.-М.: Наука, 1979.
  5. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для втузов: в 3 кн./Под ред. К.Ф.Фролова, Е.И. Воробьева.-М.: Высш.шк.,1988.
  6. Борисенко Л.А., Самойленко А.В. Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом: Учебное пособие для вузов. – Мн: Высш.шк.,1992.
  7. Справочник по промышленной робототехнике. В 3 кн. - М.: Машиностроение, 1990.
  8. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. -М.: Машиностроение, 1989
  9. Тимофеев А.В. Управление роботами. Л.: Изд-во ЛГУ, 1986.
  10. Коловский М.З., Слоущ А.В. Основы динамики промышленных роботов. М.: Наука, 1988.
  11. Козлов В.В. и др. Динамика управления роботами.- М.: Наука, 1984.
  12. Компьютерные сети. Принципы, протоколы, технологии /В.Г.Олифер, П.А.Олифер. – СПб.: Питер, 2000.
  13. Основы современных компьютерных технологий. Учебное пособие /Под ред. Хомоненко. – Сп.б: КОРОНАпринт, 1998.
  14. Гибкое автоматизированное производство / Под.ред. С.А.Майорова и др. –Л: Машиностроение, 1985.
  15. Волчкевич Л.И., Ковалев М.П. и др. Комплексная автоматизация производства. - М.: Машиностроение, 1983.
  16. Новичихин Р.В. Моделирование дискретных производств: Тексты лекций. Мн.:БГПА,1994.-86с.
  17. Коган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М.: Энергоатомиздат, 1995.
  18. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов.-С.-Петербург: Политехника, 1998.
  19. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов /В.Н.Брюханов, М.Г.Косов, С.П.Протопов и др.; Под ред. Ю.М.Соломенцева.-М.: Высш.шк., 1999.
  20. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высш. школа, 1989.
  21. Мита Ц., Хари С., Кондо Р. Введение в цифровое управление. М.: Мир, 1994.
  22. Розенвассер Е.Н. Линейная теория цифрового управления в непрерывном времени. М.: Наука, 1994.
  23. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1993.
  24. Карпов Ю.Г. Введение в моделирование с AnyLogic5. –БХВ-Петерберг, 2006.
  25. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS. -  Спб.: Питер; Киев: Изд. Группа BHV, 2004.