PROGRAM CEEX nr. 23/2005 modulul II-PD
Titlul proiectului: Tehnici bazate pe tehnologia informatiei si comunicarii pentru controlul dimensional adaptiv/inteligent al unei noi generatii de sisteme de manufacturare reconfigurabile
Rezumat:
Sistemele de fabricaţie reconfigurabile din noua generaţie se caracterizează prin faptul că pe aceste sisteme are loc: fabricarea, monitorizarea procesului, identificarea geometrică şi cinematică a procesului, corecţia şi compensarea erorilor geometrice şi de proces. Toate aceste activităţi au loc on‑line şi fără intervenţia operatorului.
În timpul funcţionarii unui RMS, în spaţiul ocupat de acestea se instalează simultan un ansamblu de câmpuri mecanice, termice, electrice sau chiar magnetice, care solicită sistemul. Efectul acestei solicitări este instalarea altor câmpuri cum ar fi: câmpul deformaţiilor elastice, câmpul tensiunilor electrice, câmpul deformaţiilor termice sau câmpul uzurilor, toate provocând inevitabil abateri dimensionale ale obiectului manufacturat. În prezent, pentru diminuarea abaterilor dimensionale (efectul), se procedează la reducerea intensităţii procesului de manufacturare şi la reducerea erorilor componentelor sistemului (cauza), ceea ce afectează dramatic economicitatea procesului. În plus, câmpurile de natură termo-mecanică ce se instalează în sistemele de manufacturare au unele particularităţi (cum ar fi coerenţa) care pot genera proprietăţi specifice şi tehnici de manipulare, de asemenea specifice.
Aceste aspecte au indus ideea că pentru păstrarea la nivel înalt a intensităţii procesului este necesară folosirea unor echipamente ieftine - pentru a asigura economicitatea - iar pentru a asigura precizia, se impune compensarea abaterilor dimensionale în locul reducerii acestora.
Pentru a se putea realiza compensarea erorilor şi a putea fi utilizate particularităţile câmpurilor apărute la sistemele de manufacturare reconfigurabile a fost necesară dezvoltarea unor tehnici de identificare şi conducere adaptiv / inteligentă a acestor sisteme.
Dezvoltarea noilor tehnici de identificare a sistemelor de fabricaţie reconfigurabile porneşte de la stabilirea modelului matematic al componentei sistemului şi al erorilor acestuia.
Modelarea geometriei, cinematicii şi dinamicii sistemelor de fabricaţie reconfigurabile se realizează prin descrierea discretă a realităţii.
În cadrul cercetării efectuate în prezentul proiect au fost dezvoltate următoarele tehnici noi:
1. Tehnica celor mai apropiaţi vecini.
2. Tehnica raţionamentului bazat pe cazuri.
3. Tehnica bazată pe coerenţa dinamicii.
4. Tehnica regenerării virtuale.
5. Tehnica vecinătăţilor virtuale.
6. Tehnica circulaţiei parametrilor.
7. Tehnica gradientului.
8. Tehnica modelării armonice.
9. Tehnica modelării spline‑cubice.
10. Tehnica modelării neuronale.
11. Tehnici de căutare genetică.
Noile tehnici realizează înlocuirea sistemului printr‑un model analitic, numeric sau logic, având parametri ce pot fi determinaţi prin metode specifice.
Determinarea parametrilor modelului permite identificarea on‑line a sistemului de manufacturare şi, prin acest lucru, face posibile acţiunile necesare pentru compensarea erorilor de prelucrare.
Metodele utilizate în cadrul noilor tehnici sunt metode moderne, specifice inteligenţei artificiale, (algoritmi genetici, modelare cu ajutorul reţelelor neuronale, utilizarea modelelor logice, prelucrare virtuală), făcând posibilă obţinerea unor rezultate rapide în condiţiile utilizării unui echipament de calcul cu preţ scăzut. Datorită acestui fapt se pot realiza sisteme de tipul embeded systems.
Au fost introduse concepte noi referitoare la identificarea sistemelor de manufacturare, ca de exemplu conceptul de structură topologică, a cărei aplicare permite identificarea simultană a mai multor suprafeţe. Acest tip de identificare este mult mai aproape de realitate deoarece suprafeţele componente sunt considerate în ansamblul lor şi nu ca suprafeţe individuale independente. Rezultatele obţinute prin identificare neuronală şi genetică a structurilor topologice au confirmat avantajele privind exactitatea identificării obţinute prin acest mod de abordare.
Aplicarea acestor tehnici de identificare a permis dezvoltarea unor noi tehnici de control dimensional adaptiv / inteligente:
Controlul adaptiv‑neuronal este o tehnică de control bazată pe un model obţinut prin antrenarea unei reţele neuronale pe baza bazei de date ce conţine datele numerice obţinute prin simularea experienţelor. Sunt analizate fenomenele mecanice, de tip static, pe baza unui model general şi peren.
Valorile parametrilor ce caracterizează modelul sunt determinate prin metoda “back propagation”, prin identificarea off‑line a sistemului. Variabilele deterministe au structura n varibile de intrare / n variabile de ieşire.
Performanţa modelului este evaluată prin valoarea erorii medii, permiţând implementarea preventivă a comenzii.
Controlul adaptiv‑armonic utilizează modele analitice armonice, locale şi temporare, obţinute pe baza experienţelor fizice ce constau în măsurarea in‑situ a erorilor apărute la deplasarea săniilor maşinilor‑unelte.
Modelul obţinut este influenţat de fenomenele termo‑mecanice ce apar pe parcursul desfăşurării experimentelor, acoperind aspectul cinematic al erorilor apărute la deplasarea săniilor. Variabilele sunt deterministe şi sunt calculate prin metode analitice, având structura: 1 variabilă de intrare / 1 variabilă de ieşire.
Performanţa modelului obţinut este evaluată prin eroarea medie şi permite determinarea unei comenzi de tip proporţional.
Control inteligent‑bazat pe cazuri are la bază un model logic, cu variabile de tip determinist. Modelele utilizate sunt modele locale şi temporare. Baza de date din care se aleg modelele este obţinută prin experienţe fizice, iar performanţa modelului este evaluată prin gradul maxim al erorii. Comanda este de tip preventiv.
Controlul adaptiv‑topologic se referă la folosirea unui model analitic, constituit pe baza experienţelor numerice. Modelul neuronal ia în considerare seturile de suprafeţe care formează o structură topologică şi, pe baza metodei “back propagation”, le analizează ca un ansamblu de suprafeţe. Aceste modele sunt influenţate de aspectul static mecanic al manufacturării acestor ansambluri de suprafeţe, fiind modele generale şi perene.
Variabilele deterministe sunt de tipul n/n, fiind determinate prin metoda “back propagation”, iar modul de identificare a sistemului este de tip off‑line.
Performanţa modelului este evaluată prin nivelul maxim al erorii, permiţând stabilirea preventivă a comenzii.
Controlul preventiv‑inteligent se bazează pe un model analitic cu selectat dintr‑o bază de date obţinute prin experienţe fizice. Modelul este local şi temporar, parametrii săi find obţinuţi prin regresie. Identificarea sistemului este executată in‑cycle, fiind posibilă implementarea preventivă a comenzii. Evaluarea rezulatelor modelului este făcută prin nivelul erorii medii.
Controlul adaptiv‑integrat permite identificarea simultană a piesei şi a sistemului de măsurare, utilizând un model de tip analitic general şi temporar, obţinut pe baza experienţelor numerice. Identificarea este realizată on‑line.
Pentru determinarea parametrilor modelului polinomial se utilizează algoritmi genetici.
Modelul este influenţat de fenomenele mecanice apărute în procesul de identificare şi are aspect static.
Variabilele sunt deterministe, de tip n/n.
Performanţa modelării este evaluată prin dinamica valorilor parametrilor modelului, fiind astfel posibilă implementarea comenzii preventive.
Controlul inteligent‑bazat pe vecinătăţi se bazează pe un model numeric, general şi temporar. Valorile parametrilor modelului cazuistic sunt determinate prin metoda “K‑nearest neighbor”, prin analizarea unei baze de date obţinute prin experienţe numerice.
Realizare de produse software
În baza noilor metode de identificare, s‑a realizat un pachet de programe pentru identificarea geometrica şi cinematică:
Identificare geometrică:
PLAN.PAS – determinarea coeficienţilor ecuaţiei unui plan determinat prin 3 puncte;
COEF.PAS – determinarea coeficienţilor ecuaţiei care fituieşte un nor de puncte dintr‑un plan;
EC-PL.PAS – determinarea ecuaţiei unui nor de puncte aflate într‑un plan;
FIT-2PL.PAS – fituirea a două plane;
FIT-TRI.PAS – fituirea unui triedru;
IDENTIF.PAS – identificarea ecuaţiei unui cilindru pe baza punctelor de pe el;
ID_ELIPS.PAS – determinarea necilindricităţii unui nor de puncte;
ID_CON.PAS – determinarea conicităţii unui nor de puncte;
FITUIRE.M – fituirea unui triedru prin algoritmi genetici;
SUP_CONJ.M – identificarea suprafeţelor prin reţele neuronale;
SUP_CONJ_C.M – identificarea corecţiilor prin reţele neuronale;
Identificare cinematică:
CREMALIERA.M – profilarea sculei cremalieră reconfigurabile;
FITUIRE-PL1.M – fituirea unui plan prin algoritmi genetici;
FOURIER.M – determinarea coeficienţilor seriei Fourier care aproximează un şir de date experimentale;
PLAN_NEURO.M – identificarea unui plan utilizând reţele neuronale;
GENERARE_CILINDRU.M – identificarea unui cilindru utilizând reţele neuronale;
GENERARE_PLAN.M - identificarea unui plan utilizând reţele neuronale;
GENERARE_GENERAL.M - identificarea unui ansamblu de suprafeţe (cilindru+plan) utilizând reţele neuronale;
CREMALIERA.LSP – determinarea avansului variabil astfel încât să se asigure o anumită valoare a secţiunii aşchiei nedetaşate.