Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 531.7

ПРОЕКТУВАННЯ КООРДИНАТНО–ВИМІРЮВАЛЬНОЇ МАШИНИ НА НЕЙРОННИХ МЕРЕЖАХ

Квасніков В.П., Кочеткова О.В.

Вступ

Проектування прецизійних координатно-вимірювальних машин (КВМ), що характеризуються високим рівнем інтелектуалізації вимірювання геометричних розмірів деталей, значно відрізняється від проектування автоматизованих систем  високої точності. Перспективним напрямком розробки КВМ для вимірювання деталей авіаційних приладів є використання штучних нейронних мереж, дослідження яких почалося ще в 60-і роки, завдяки біонічному направленню в кібернетиці.

В останні роки структури штучних нейронних мереж  викликають підвищену зацікавленість і застосовуються в різноманітних областях науки і техніки, в залежності від їх основних функціональних властивостей, що сприяє розвитку нейрокомп’ютерної техніки і її використанню для обробки вхідної інформації.

Нейронні мережі (НМ) представляють собою системи, елементами якої є базові процесорні елементи (штучні нейрони). Штучні НМ можуть змінювати свою поведінку в залежності від внутрішніх і зовнішніх впливів та використовуються для розв’язання задач розпізнавання і класифікації, обробки зображень та сигналів датчиків, системи ідентифікації і керування рухом, планування маршруту, навігації та ін.

Системи керування КВМ розробляються як модульні так і ієрархічні, що складаються із взаємодіючих модулів, які вирішують означені задачі на різних рівнях керування. Одночасно, КВМ повинні забезпечуватися трирівневими, з інтелектуальними особливостями, функціями.

Постановка задачі

Розробити нову прецизійну КВМ з підвищеними метрологічними характеристиками на штучних НМ, що дозволяє з високою точністю та швидкодією проводити вимірювання прецизійних деталей та провести аналіз просторового руху вимірювального наконечника при подоланні перешкод.

Розв’язання проблеми

Розглянемо вимірювання деталей різної конфігурації на КВМ з використанням НМ,  що реалізуються у формі самонавчання комп’ютерних програм.

Оптимальна траєкторія вимірювального наконечника визначається як безпечний маршрут (М), що забезпечує мінімум функціоналу [4-6].

 

                                   ‚                                                           (1)

 

де k1 ³ 0, k2 ³ 0константи, що характеризують енергетичні витрати на переміщення і поворот;  – довжина j-ї ділянки руху з точки ij у точку ij+1 поверхні;  – кут повороту в точці ij при переході від (j-1)-ї ділянки до j-ї.

Проаналізуємо просторові траєкторії кусочно-лінійного виду, що дозволяє визначити маршрут для поверхні і перешкод довільної конфігурації.

 Для вибору оптимального маршруту пропонується використовувати мережу Хопфілда як один із класичних типів НМ [1]. Параметри нейромережі визначаються елементами матриці , що характеризує стан мережі, і енергетичною функцією Е, що відповідає як даній матриці, так і мінімізуємого функціоналу, тобто значення функції повинне задовольняти умовам формування матриці і зменшуватися при зменшенні вихідного функціоналу.

 Статика мережі Хопфілда в векторно-матричній формі описується співвідношенням [1]

 

                                                                                                       (2)

 

де - компоненти векторної функції обчислюються як

 

                                                 .

 

            Динаміка мережі Хопфілда забезпечується через елементи затримки  (- період дискретизації безперервних функцій ) введенням зворотних  зв’язків з виходів на входи базових елементів (). У цьому випадку НМ відповідає нелінійній багато зв’язній системі з векторними зворотними зв’язками. Вихід дискретної моделі мережі Хопфілда в векторній формі має вигляд

 

                                                                                            (3)

 

де - вектор нелінійних функцій активації.                                                                                        

            Для вибору оптимального маршруту при русі по поверхні, заданої кінцевим набором точок у декартовому просторі, зручно поставити у відповідність кожної траєкторії бінарну матрицю  розмірності  (- число точок, включаючи початкову точку та кінцеву – точку вимірювання): якщо - а ділянка руху починається в точці  і закінчується в точці  поверхні, то елементи  та будуть дорівнювати одиниці; інші елементи матриці покладаються рівними нулю. У цьому випадку умови формування матриці можна записати в такому вигляді:

        кожен стовпець повинен містити не більш однієї одиниці, тому що ділянка руху не може починатися і закінчуватися одночасно в двох точках;

         загальне число одиниць дорівнює N;

         кожен елемент (1, 1) і (N,N) повинен дорівнювати одиниці (визначає точку старту – 1 і точку вимірювання – N).

           Тоді енергетична функція мережі може бути представлена сумою двох доданків:

 

                                                                                                                                  (4)

 

Енергетичні функції ,  мають вигляд

 

                                    ,                                   (5)

 

де , – граничні функції активації, – ваговий коефіцієнт синоптичних зв’язків штучних нейронів, – функція перетворення (входи), – граничне значення функції активації,

                                              – символ Кронекера.                                             (6)

 

У формулі (4) перший доданок відповідає контролю за станом матриці і дорівнює нулю, якщо матриця задовольняє перерахованим вище умовам її  цьому випадку умови формування матриці можна записати в такий спосіб:

– кожен стовпець повинен містити не більш однієї одиниці, тому що ділянка руху не може починатися і закінчуватися одночасно в двох точках;

– загальне число одиниць дорівнює N;

– кожен елемент (1, 1) і (N,N) повинен дорівнювати одиниці (визначає точку старту – 1 і точку вимірювання – N).

Енергетична функція мережі Хопфілда не містить доданка з кубічною залежністю від елементів матриці. У цьому випадку вона введена для обліку впливу кута повороту на пріоритет вибраного маршруту. Відповідним чином змінений і вид НМ. Пріоритет і зовнішні входи визначаються з умови не зростання значення Е при зміні стану мережі на кожній ітерації.

НМ можуть розходитися, при рівнобіжних обчисленнях можливо одночасне спрацьовування декількох нейронів і, в силу не лінійності енергетичної функції, її значення відрізняється від очікуваних. Можливі наступні три варіанти рішення даної проблеми:

1) на кожній ітерації змінювати значення одного нейрона, зберігаючи загальний вид мережі Хопфілда, але втрачаючи основну її перевагу – паралельність, і зменшуючи в кілька разів швидкість обчислень;

2) обчислювати кінцеву різницю, виходячи з припущення про одночасну зміну значень довільного числа нейронів, що є причиною ускладнення мережі і залежність методу від розмірності задачі;

3) з аналізу зміни побудованої на першому етапі НМ було відмічено, що основна причина її нестійкості – одночасне спрацьовування декількох нейронів у сусідніх стовпцях матриці. У деяких стовпцях спостерігається поява більш ніж однієї одиниці, навпаки, всі елементи стовпця приймають нульове значення. При цьому нема сенсу ставити у відповідність визначеному маршруту матрицю стану мережі. Тому пропонується на кожній ітерації зберігати в кожному стовпці одну одиницю і ненульові значення елементів (1, 1) і (N, N) матриці, тобто фіксувати початкову і кінцеву точки маршруту, а в інших стовпцях змінювати не більш ніж один елемент, виходячи з припущення, що на початку даної ітерації в даному стовпці ненульові точки відсутні (це відповідає зміні точки траєкторії).

Останній варіант найбільш прийнятний тому що точка, що має на попередній ітерації значення 1, виключається з точок повороту траєкторії (вузлів ламаної), а точка, що приймає це значення, включається. Даний підхід дозволяє на кожній ітерації визначати точку повороту, що забезпечує мінімум функціоналу Ф(М) у кожен момент часу. У цьому випадку доданок Е1 енергетичної функції стає тотожно рівним нулю і виключається із суми; також виключається коефіцієнт G з цього що складається Е2, що значно спрощує обчислення вагових коефіцієнтів.

Можна зменшити і розмірність мережі, скоротивши максимальне число припустимих точок повороту, що не вплине на збіжність НМ і вибір маршруту вимірювального наконечника.

Використання мереж Хопфілда дозволяє вибирати оптимальний маршрут вимірювального наконечника КВМ при скануванні по вимірюваній деталі з надлишковістю  ступенів вільності та з високою точністю позиціювання і роботою в екстремальних ситуаціях, включаючи обхід перешкод.

Висновок

Розроблена нова  функціональна структура координатних-вимірювальних машин з використанням штучних нейронних мереж, побудованих на принципах самонавчання компю`терних програм, що дозволяє з високою точністю і швидкодією здійснювати вимірювання геометричних розмірів об’єктів з обходом довільної кількості перешкод.

 

In clause the new functional principle of the coordinate-measuring machine with use artificial neuronetworks realized in the form of self-training of the computer programs, allowing with high accuracy and speed is developed to carry out measurement of the geometrical sizes of objects and detour of obstacles by a measuring tip on an optimum trajectory. The expression for power function neuronetwork is received.

 

1.      Терехов В. А., Ефимов Д. В., Тюкин И. Ю. Нейросетевые системы управления .-М.:ИПРЖ. - 2002.-480 с.

2.      Дапонте Д., Гримальди Д. Искусственные нейронные сети в измерениях // Приборы и системы управления. - 1999. - №3. - С.48-64.

3.      Филаретов Г.Ф., Житков А.Н., Кабанов В.А. Применение искусственных нейронных сетей в системах управления // Приборы и системы управления.-1999.№4.С.3-6

4.      Координатные измерительные машины и их применение/Гапшис А.А., Каспарайтис А.Ю., М.Б. Модестов, Раманаускас З.А., Серков Н.А., Чудов В.А. - М.: Машиностроение. - 1988. -328 с.

5.      Дмитриев А.К., Мальцев П.А. Основы теории построения и контроля сложных систем. - Л.: Энергоатомиздат. - 1988. ‑ 340 с.

6.      Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Проектирование информационно управляющих систем. - М.: Радио и связь. - 1987. - 256 с.

 

 

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Современные технические средства, комплексы и системы

Краснов В.А., Прохорович А.В., Шутов С.В., Деменский А.Н. Анализ флуктуаций размера растущего кристалла (на примере легированных монокристаллов кремния, вытягиваемых из расплава по методу Чохральского)

Завальнюк И.П. Управление высокопроизводительной экструзией неоднородных материалов

Долина В.Г., Писаренко А.В. Синтез складної багатовимірної системи управління випарною станцією на основі рефрактометричних вимірювань

Стопакевич А.А., Тодорцев Ю.К. Анализ современного состояния систем управления брагоректификационными установками спиртового производства

Поливода В.В. Современные компьютерные технологии в АСУ на хлебоприёмном предприятии

Ладанюк А.П., Українець А.І., Кишенько В.Д. Управління автоматизованими технологічними комплексами харчових виробництв на основі сценарного підходу

Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В. Врахування обмежень для підвищення якості функціонування систем регулювання енергоблоків ТЕС і АЕС

Евдокимов А.В., Китаев А.В., Агбомассу В.Л. Исследование причин, определяющих вращение рамки с током в магнитном поле после воздействия на нее внешнего импульса

Аппазов Э.С. Применение твердых растворов InGaN в фотовольтаике

Кузнєцов Ю.М., Дмитрієв Д.О. Програмно математичний апарат керування виконавчим органом багатокоординатних верстатів нових компоновок

Черевко О.И., Ефремов Ю.И., Одарченко А.М., Одарченко Д.М, Агафонова Ю.Ю. Теоретическое обоснование перспективного биконического резонатора для СВЧ-устройств при переработке растительного сырья

Хобин В.А. Бабиков А.Ю. Системы экстремального управления молотковыми дробилками с функцией гарантированного соблюдения тепловых режимов их электродвигателей.

Стадниченко В.Н. Исследование влияния изменения эксплуатационных нагрузок на свойства металлокерамических слоёв полученных с использованием трибовосстанавливающих составов

Ісаєв Е.А., Наговський Д.А., Чернецька І.Е. До вибору факторів, що характеризують окомкування тонкоподрібнених залізорудних матеріалів

Федоровский К.Ю., Лунев А.А. Теплоотдача погружного пластинчатого теплообменника системы охлаждения энергоустановок морских технических средств

Федоровский К.Ю., Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотвода замкнутых систем охлаждения энергоустановок морских технических средств.

Пономарьов Я.Ю., Ладанюк А.П., Іващук В.В. Досвід використання нечітких регуляторів в системі атоматизації випарної установки.

Левченко А.А., Кравчук О.И. Эквивалентный макромодуль процесса технического обслуживания радиотехнических средств.

Іволгіна Т.О. Енергетичний підхід до аналізу стійкості руху вимірювальної головки координатно-вимірювальної машини

Ладанюк А.П., Кишенько В.Д., Ладанюк О.А. Системна задача управління біотехнологічними процесами.

Тернова Т.І. Алгоритм оцінювання деформацій рапорту періодичних об'єктів

Рожков С.А., Федотова О.Н. Алгоритм обучения системы распознавания автоматической системы разбраковки тканей

Пупена О.М, Ельперін І.В, Ладанюк А.П. Особливості проектування комп’ютерно-інтегрованих систем управління

Водічев В.А., Мухаммед М.А. Дослідження системи стабілізації потужності різання металообробного верстата з фази-регулятором

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И., Самойлов Н.А. Методика испытания термофотовольтаических преобразователей

Хобин В.А. Повышение качества формирования смесей средствами интеллектуализации алгоритмов управления порционным дозированием

Терновая Т.И. Автоматическая система разбраковки тканей с печатным рисунком методом компенсации информационных потоков

Рожков С.А., Бражник Д.А. Использование нейросетевых структур для построения систем распознавания образов

Місюра М.Д., Кишенько В.Д. Математичні моделі технологічних процесів пивоварного виробництва як об’єктів автоматизації

Ладанюк А.П., Власенко Л.О. Автоматизоване управління бізнес-процесами в комп’ютерно-інтегрованих структурах підприємства

Жукова Н.В., Литвинов В.І. Вирішення проблеми погодженого руху валків з неоднаковими катаючими діаметрами профілезгинальних станів

Денисова А.Е., Тодорцев Ю.К., Максименко И.Н. К вопросу об автоматизации интегрированной установки теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии

Бессараб В.И. Компьютеризированная система управления водоотливным хозяйством угольных шахт по критерию минимума энергозатрат

Хобин В.А. Регулятор переменной структуры для объектов технологического типа

Тонконогий В.М. Трехконтурная АСУ нанесением ионно-плазменного покрытия на режущий инструмент.

Колесникова Е.В., Кострова Г.В. Формирование базы данных АСУТП дуговой сталеплавильной печи.

Водічев В.А. Автоматизована система керування швидкостями робочих рухів то-карного верстата для підвищення ефективності обробки торцевих поверхонь.

Бергер Е.Г., Дмитрієв Д.О., Бергер Є.Е., Діневич Г.Ю. Синтез строфоїдографів за методом параметричних сімей.

Бабак В.П., В.Н. Стадніченко, О.Г. Приймаков Прогнозування надійності, дов-говічності та витривалості авіаційних матеріалів

Бабак В.П., Стадниченко В.Н., Приймаков О.Г., Токарчук В.В. Прогнозування витривалості авіаційних матеріалів .

Куцак Р.С. Використання методу координатного еталону в задачах автоматизації контролю якості тканини.

Попруга А.Г. Усовершенствование электрических нагревателей по критерию экономии энергии.

Пашковский А.А., Далечин А.Ю. Система регистрации спектров фотолюминес-ценции

Никольский В.В., Цюпко Ю.М. Применение пьезоэлектрических датчиков в сис-теме кондиционирования воздуха судовых систем микроклимата.

Крапивко Г.И., Хлопёнова И.А. Повышение коэффициента полезного действия кремниевых фотоэлектронных преобразователей методом лазерной гравировки.

Кихтенко Д.А. Управление шаговыми двигателями в микрошаговом режиме, оп-тимизация управления.

Горохов В.А. Автоматизированная транспортно-складская система в текстильной и легкой промышленности.

Водічев В.А. Система стабілізації потужності різання фрезерного верстата з взаємозв'язаним керуванням швидкостями робочих рухів.

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний.

Худяев А.А. К проблеме повышения точности воспроизведенияв классе многоканальных воспроизводящих систем с эталонной настройкой каналов.

Тверезовський В.С., Бараненко Р.В. Принцип побудови елементів вимірювальних систем, представлених цифровими програмно керованими давачами.

Никольский В.В., Сандлер А.К. Моделирование процессов в вискозиметре с пьезоэлектрическим приводом.

Марончук И.Е., Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В. Использование метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава для формирования наноразмерных структур InSb в матрице GaSb.

Водічев В.А. Аналого-цифровий регулятор режиму металообробки для верстатів з числовим програмним керуванням.

Блинов Э.И., Кравцов В.И., Кравцов А.В., Недбайло А.Н. Управление гибкими протяженными объектами направленными силовыми воздействиями.