гомогенные модульные системы мехатронного типа с роботами

ГОМОГЕННЫЕ МОДУЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ МЕХАТРОННОГО ТИПА
С РОБОТАМИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В.Д.Даровских
Кыргызский Государственный Технический Университет имени И.Раззакова
vdarovskih@inbox.ru
Достичь технико-экономических преимуществ и эффективности управления
мехатронных систем возможно при сокращении трудоемкости их проектирования
унификацией и типизацией элементов, связей и интерфейсов; наделении их
способностью интенсивной смены структурного разнообразия в специализированную
машину под конкретную технологическую задачу без функциональной избыточности;
задании удовлетворительной надежности от активно вводимых, заимствованных или
восстанавливаемых ресурсов в эксплуатационном режиме и без необходимости в
останове процессов. Иными словами, разнообразие систем должно снижаться, а их
распространенность в виде типовых решений увеличиваться. Это следствие согласуется
с объективными закономерностями развития систем любого вида и систематически
приводит к необходимому результату. Основное противоречие в таком инновационном
совершенствовании есть не что иное, как необходимость преобразования оригинальных
разработок до типового уровня без потери их инновационной сущности. Разрешение
противоречия
требует
естественно,
в
первую
очередь,
изобретательности
разработчиков.
Для удовлетворения объективным закономерностям предлагается создавать и
модернизировать модули движения, вводить в них информационные устройства и
получать мехатронные модули движения, которые посредством самонастраивающихся
систем управления преобразовывать в интеллектуальные мехатронные модули [1]. То
есть, необходимо умело развивать складывающийся в мехатронике целевой механизм
проектирования, в основе которого исполняется логическая цепь последовательных
заключений: нет модулей движения, не появятся и мехатронные модули движения, а
без последних - и интеллектуальные мехатронные модули.
Одним из способов технического развития сложилась и является поэтапная
модернизация производства и его процессов. При этом ресурсные издержки и
трудоемкость достижения минимальных преимуществ перед аналогами не отличается
от вложений в оригинальные и прогрессивные проекты. После модернизации
технологические системы не вписываются в существующие и действующие в данный
момент времени стадии логистики и инфраструктуры отрасли и региона или на
поддержание последних нет социальных заказов. У них растут конструктивное
разнообразие и технологическая распространенность, определяющие рост издержек,
падение цикловой производительности, гетерогенность номенклатуры. Возникает
эффект падения коэффициента использования производства и его компонентов,
оборудование
простаивает,
а
специалисты
предлагают
вводить,
например,
резервирование (структурное, технологическое или временное) для поддержания на
стабильном уровне надежности системы. В качестве базового модуля издавна [2]
рекомендуется линейная организация и ее развитие в такие структурные варианты, как
линейные с жесткой и гибкой межагрегатными связями и их комбинации; линейнопараллельные; параллельные с жесткой и гибкой межагрегатными связями; линейные
сходящиеся, расходящиеся и перекрещивающиеся; линейные с охватом с обратной
связью.
Элементы всех вариантов, линейных, по сути (несмотря на модификации) структур
технологических систем, как гибкие технологические ячейки – это стационарные
многооперационные станки (обрабатывающие и сборочные) типового исполнения, для
приспособления
которых
к
решаемым
технологическим
задачам
необходимы
значительные ресурсы на автоматизированные проектирования объектов и технологий,
транспортно-складские системы, инструментальное обеспечение, контроль, удаление
отходов.
Последнее
активно
описывается
в
многочисленных
публикациях.
Функционирование линейной, самой несовершенной из известных структур, возможно
в условиях ее активной поддержки научным потенциалом. То есть, имеет место
итеративное повторение прошедших этапов развития автоматических линий, но
названных в недалеком прошлом гибкими, роботизированными и т.д.
В данной ситуации исследования следует направлять на реализацию таких идей, как:
переход от технологий, позволяющих существовать десятилетиями к технологиям,
ориентированным на значительное длительное время; задание гомогенной модульной
индустрии минимум в отрасли, а в идеале и в экономической системе; введение в
проектные работы на фундаментальном и прикладном уровнях оценку вероятностных
возможностей системы; учет структурной специфики создаваемых систем для
универсализации их функциональных возможностей.
Для достижения поставленных целей задан концептуальный принцип исследований
с ориентацией на конечный результат, а не на регулирование [3], для чего в системе
достигается стабильность и устойчивость развитием внутренних свойств при полном и
не
избыточном
составе
элементной
и
коммуникационной
баз
до
уровней
самоорганизации и эволюции [4,5]. Последние качества обеспечивают управляемый
типоразмерный диапазон выдаваемых на выход системы объектов от одного строго
детерминированного до индивидуальных “горячих” заказов.
Рассматриваемые проблемы проектирования системы могут быть решены, если [5] в
ее основе заложен универсальный технологический модуль как обрабатывающее
устройство;
универсальный
модуль
приспособлен
к
структурному
развитию;
функциональные свойства модуля позволяют организовать дискретно производимые
объектов в непрерывные потоки; модуль оснащен генератором технологий и системой
управления, информационными системами мониторинга параметров элементов и
связей, а также повеления и эволюции системы в целом.
При этом активность каждого модуля в структуре заключается [5] в его способности
предвидеть управляющие воздействия или реакции иных модулей. Тогда модуль
наделяется
способностью
в
рамках
имеющихся
альтернатив
выбирать
свое
стратегическое поведение через целенаправленное изменение структуры ради
стабилизации параметров, их программного или произвольного изменения. Повеление
модуля при этом может не совпадать с директивными рекомендациями.
Становится очевидной актуальность новых подходов в создании проектов
интеллектуальных
мехатронных
модулей
с
роботизированными
устройствами.
Мехатронные модули упрощают организацию кооперативного поведения системы.
Каждому
модули
выгодно
задавать
способности
одновременного
исполнения
производящих и потребляющих функций с противоположными совокупностями
управлений,
входов,
действовать
в
выходов.
режимах
Непосредственно
регулярных
запусков
система
серий
при
этом
изделий,
способна
пропускать
индивидуальные заказы или полностью освобождаться от активных действий и
восстанавливать работоспособность.
Установлена концептуальная возможность задания качественного многообразия
систем, принципиально отличающаяся от традиционной. Новым результатом явилось
[5] объединение линейной и кольцевой структур в трехмерную модель, в которой
введено относительное движение системы с кольцевой структурой вдоль продольной
оси. Связи в структуре подобного вида реализуются мобильными многорукими
роботами, из-за чего система с многосвязной структурой объективно приспособлена к
активному и расширенному внутреннему информационному обмену, а впоследствии и
к принципиальному наращиванию геометрических, кинематических и, соответственно,
технологических возможностей и выходов во внешнюю среду. В системе выполняются
комплексные технологические воздействия на изделие как изнутри, так и снаружи ее
рабочего пространства, в то время как традиционные системы осуществляют эти
воздействия либо только изнутри, либо только снаружи. Естественно, что в первом
случае существенно расширяются модификации, конструктивные, типоразмерные
параметры планируемых к выпуску изделий и функциональные возможности
непосредственно производящей системы. Получено новое организационное качество,
присущее системе, задавать непрерывный поток объектов производственного процесса
в условиях дискретно действующих локальных технологических процессов. При этом
объекту задается способность поиска рабочей позиции, готовой решить необходимую
этому объекту технологическую задачу. В системе нового вида не оснастка, управление
и оборудование ищут объект, а наоборот. Этот эффект стал возможен при задании
производству и его компонентам многосвязной структуры. В ней уже в плоском
исполнении производства каждый его компонент взаимосвязан с каждым иным из
введенных в систему. Складская система, необходимая в прежде известном
исполнении, исключается, упрощается процедура удаления отходов, контроль не
просто упрощается, а ужесточается и ведется в параллельных с транспортными или
даже
с
обрабатывающими
операциями
ситуациях.
Основное
технологическое
оборудование нового поколения систем с многосвязной структурой гарантирует
обслуживание от одного до пяти потоков одновременно, причем в последнем крайнем
случае эксплуатация оборудования предпочтительней. Система инструментального
обеспечения становится тождественной системе питания, что повышает уровень
унификации конструкции, ускоряет процесс внедрения и снижает трудоемкость
эксплуатации.
Транспортная
функция
передается
роботам,
выполняющим
вспомогательные операции, что повышает их уровень использования.
В базовом варианте плоской многосвязной технологической системы имеются все
отмеченные варианты линейных структур и более того, а в пространственном
исполнении многосвязной системы преимущества значительно усиливаются. В каждой
технологической цепи имеется возможность выхода в принципиально новую
технологию, что характеризует прогрессивность исполнения системы, а логика
управления
технологическими
переходами
упрощается.
Для
успеха
процесса
эксплуатации гибкого производства с многосвязной структурой накоплен опыт
описания ее вероятностных характеристик и свойств и получены уверенные гарантии
стабильного системного функционирования от этого знания.
Гибкая
производственная
система
[6]
состоит
(рис.1)
из
концентрично
расположенных относительно начала плоской системы координат х0о0у0 жестких
уровней 1,2,3,…n на которых смонтированы опоры (4,5,6,7,8,9)i, где i = 1, n - есть
порядковый номер жесткого концентрично расположенного уровня, мобильных
транспортных средств (10,11,12,13, 14,15)i как промышленных роботов. Последние
выполнены многорукими и каждая рука 16,17,18,19 каждого робота при этом
выполнена с возможностью взаимодействовать с рабочими позициями 20,21,22,23,
являющимися основными технологическими средствами. Рабочие позиции 20,21,22,23
установлены на расстоянии радиуса Ri от центра опоры 4,5,6,7,8,9 любого робота в
координатах сопряжения окружностей друг с другом. В результате этого рабочие
позиции оказываются в зоне достижения не только соответствующего им робота, но и
того робота, типоразмер которого меньше или больше исходного. Независимо от
количества жестких уровней 1,2,3,…n рабочие позиции, диаметрально смещенные к
центру о0 системы координат х0о0у0 и обслуживаемые роботами уровня 1, выполнены с
возможностью взаимодействовать с руками 24,25,26,27,28,29 робота, опора 30 которого
смонтирована в центре о0.
Рис.1. Гибкая
производственная
система
многофункциональной
целевой
специализации
Все опоры роботов, ориентированных в плоскости 31 с координатами х0о0у0,
выполнены
Названные
мобильными
оси
относительно
коллинеарные
и
о0о1,(4-41,5-51,6-61,7-71,8-81,9-91)j.
осей
совпадают
с
направлением
единой
оси z
пространственной системы координат х0у0z гибкой производственной системы. Все
опоры выполнены с возможностью вращения вокруг их центров и введенных
коллинеарных осей (4-41,5-51,6-61,7-71,8-81,9-91)j и единой оси о0о1 (z) системы
координат х1zу1. Из-за этого каждая рабочая позиция каждого жесткого уровня i
контактирует
с
рукой
соответствующего
робота.
При
этом
кинематическая
подвижность каждой опоры роботов превышает расстояние между замыкающими
плоскостями 31 (х0о0у0) и 32 (х1о1у1) расположения жестких уровней в направлении z.
Загрузка системы заготовками выполняется роботом, смонтированным на опоре 30.
Заготовки
подводятся
к
рукам
24,25,26,27,28,29
этого
робота
питателями.
Первоначально загружаются шесть рабочих позиций 231. Обработанные детали руками
(16, 17, 18,19)1 уровня расположения опор (4,5,6,7,8,9)1 роботов переносятся в рабочие
позиции (20, или 21, или 22 или 23)2. При этом, позиция 211 первого уровня есть
позиция 232 второго уровня и т.д. Детали, изготовленные в рабочих позициях
(20,21,22,23)2 перемещаются в любые рабочие позиции данного уровня, а выход на
более высокий технологический уровень обеспечен через позицию 212 (233) любого
модуля. Последние обслуживаются уже руками (16,17,18,19)2 роботов на опорах
(4,5,6,7,8,9)2. В рабочих позициях (20,21,22,23)I любого уровня выполняются
формообразующие, термические, сборочные, окрасочные, маркировочные и иные
операции. Перемещения сборочных единиц и далее изделий происходит до рабочих
позиций 21i конечного уровня.n. Названные позиции освобождаются устройствами
внешней среды.
Опоры 30, (4,5,6,7,8,9)i роботов в необходимых ситуациях перемещаются вдоль осей
о1о2, (441,551,661,771,881,991)i, обеспечивая перенос заготовок, деталей, сборочных
единиц, изделий или их комплектующих между плоскостями 31,…,32 базирования
систем координат х0о0у0…х1о1у1 в направлении z. При этом опоры роботов,
принадлежащие непосредственной плоскости 31,…,32, перемещаются в том же
направлении на шаг и освобождают позиции. Запас хода в направлении ±z вдоль
каждой оси за пределы замыкающих систему плоскостей 31 и 32 обеспечивает
необходимое смещение опорам каждого робота в названных плоскостях на шаг за
пределы системы. Освобожденные позиции используются иными роботами для
материально-информационного обмена.
При необходимости уменьшения трудоемкости технологической операции и
упрощения ее реализации незаменим вариант [6] системы, показанной на рис.2. Она
выполнена из шести рабочих позиций 1,2.3,4,5,6, смонтированных в единой плоскости
и радиально на свободных концах траверс 7,8,9,10,11,12 относительно центра системы.
Траверсы 7,8,9,10,11,12 равной длины установлены под углами в 600 друг к другу.
Каждая траверса 7,8,9,10,11,12 с соответствующим рабочими позициями 1,2,3,4,5,6
выполнена с возможностью линейного и углового перемещений относительно оси 13–
14 системы, начинающейся в ее центре 13 и ориентированной перпендикулярно
плоскости расположения рабочих позиций 1,2,3,4,5,6. Общая длина оси 13–14 системы
зависит от величины дискретного шага ℓ линейного перемещения рабочей позиции и
количества этих дискретных перемещений. При этом величина шага ℓ превышает
габариты конкретной рабочей позиции в направлении этой оси, причем итоговая длина
последней составляет 5ℓ. Позиции, задаваемые каждым дискретным шагом ℓ на оси 1314 системы, определяют уровень перпендикулярной этой оси плоскости расположения
соответствующей рабочей позиции при условии их позиционирования. Установлен и
минимальный шаговый угол γ поворота рабочих позиций 1,2,3,4,5,6 вокруг оси 13-14,
который равен углу между траверсами 7,8,9,10,11,12 рабочих позиций и составляет 600.
Рис.2. Компоновочная схема
гибкой производственной
системы
Все рабочие позиции 1,2,3,4,5,6 снабжены шестью единицами технологических
средств
15,16,17,18,19,20,
расположенными
в
единой
плоскости.
Плоскости
расположения рабочих позиций и оборудований совпадают. Каждое оборудование
установлено радиально относительно рабочей позиции на траверсах 21,22,23,24,25,26
равной длины. Траверсы ориентированы под углами 600 друг к другу. Образованные
таким образом условные равносторонние шестиугольники, в вершинах которых
размещено оборудование системы, выполнены с возможностью контактировать друг с
другом двумя вершинами (оборудованиями) с каждым соседним шестиугольником.
Общее количество оборудований системы, расположенных в одной исходной
плоскости составляет, таким образом, 24.
Рабочие позиции 1,2,3,4,5,6
и общий исходный центр 13 системы снабжены
модульными роботами 27,28, выполненными с возможностью линейного и углового
перемещений относительно осей 13-14 системы и 1-29 рабочих позиций, которые
коллинеарные. Величины рабочих линейных и угловых перемещений роботов 27 и 28
определяются введенными дискретность ℓ и шаговым углом γ. Из-за этого рабочие
позиции 1,2,3,4,5,6 выполнены с возможностью последовательно базироваться в
плоскостях 31,32,33,34,35,36, а их угловая ориентация в которых также переменна.
Каждый
модульный
робот
оснащен
шестью
руками
30, установленными
с
возможностью взаимодействия с каждым оборудованием и имеющими радиальную
относительно осей 13-14 и 1-29 кинематическую подвижность. В исходном положении
рабочие позиции 1,2,3,4,5,6 и соответствующие им оборудования 15,16,17,18,19,20 с
траверсами 7,8,9,10,11,12 и 21,22,23,24, 25,26 ориентированы в единой плоскости 31.
При этом количество оборудований системы равно двадцати четырем. Кинематические
возможности системы не реализуются: ℓ = 0 и γ = 0.
На первом этапе в результате соответствующего управления каждая (i + 1)-я рабочая
позиция, где i – четный (нечетный) порядковый номер позиции, смещается линейно на
шаг ℓ вдоль оси 13-14 и поворачивается в любом направлении (по или против часовой
стрелки) на шаговый угол γ вокруг этой же оси. При этом рабочие позиции, например,
1,3,5 остаются в исходной плоскости 31, а рабочие позиции 2,4,6 устанавливаются в
плоскости 32, причем оборудования рабочих позиций каждой плоскости также сосны.
Общее число оборудований системы возрастает до тридцати шести, а в каждой
плоскости готовы к эксплуатации по восемнадцать основных технологических средств.
На
следующем
этапе
позиционированию
подвергаются
диаметрально
расположенные рабочие позиции 1-4 и 3-6, причем первая пара рабочих позиций
смещается в плоскость 32 из плоскости 31, т.е. на шаг ℓ, и поворачивается на шаговый
угол γ в направлении по часовой стрелке относительно оси 13-14. Вторая пара рабочих
позиций при этом смещается линейно в плоскость 33 из плоскости 31, т.е. на величину
2ℓ и поворачивается на шаговый угол γ относительно той же оси, но в направлении,
противоположном вращению первой пары рабочей позиции. В результате операции
позиционирования общее количество оборудований в системе не изменяется и
составляет тридцать шесть, а их количество в каждой плоскости равно двенадцати.
В
окончательном
варианте
позиционирования
каждая
рабочая
позиция
за
исключением исходной, следующая за предыдущей, перемещается линейно вдоль оси
13-14 на дискретный шаг ℓ, а их вращение вокруг той же оси организовано на шаговые
углы γ,2γ,3γ,4γ,5γ соответственно. При этом каждая рабочая позиция размещается в
индивидуальной плоскости 31,32,33,34,35,36 на единой оси, а их оборудования также
сосны. Это позволяет достичь тридцати единиц в системе при наличии шести
оборудований в каждой плоскости.
Удовлетворение условия соосности рабочих позиций и оборудований независимо от
их нахождения в заданной позиции вдоль осей 13-14 и 1-29 гарантирует
беспрепятственное линейное перемещение роботов 27 и 28 между плоскостями
31,32,33,34,35.36 и обслуживание всех основных оборудований. Для этого руки 30
робота 27 или 28 радиально перемещаются в рабочую зону оборудования и в обратном
направлении, а далее вращаются относительно осей 13-14 и 1-29 на шаговый угол γ,
который равен 600, от одного оборудования к другому.
Применение способа позиционирования рабочих позиций гибкой производственной
системы создает условия для организации в системе не только рабочих позиций, но и
автономных участков, у которых 6,12.18,24 или 36 единиц основных технологических
средств, связанных роботами. При этом количество участков варьируется от 1 до 6.
Решения, вынесенные на обсуждение прошли проверку в проекте ГПС с
многосвязной структурой [7] при производстве объектов на ПО Завод Арсенал (Киев).
Список литературы
1.
Подураев
Ю.В.
Мехатроника:
основы,
методы,
применение.
–
М.:
Машиностроение, 2006. – 256 с.
2. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизации производственных процессов. – М.:
Машиностроение, 1972. – 640 с.
3. Малинецкий Г.Г. Сценарий технологического развития России. Синергетический
подход. – В кн.: Проблемы прогнозирования технологического развития. Тезисы
выступлений. 3-я международная выставка “Робототехника - 2005”. – М.: ФГУ НИИ
РИНКЦЭ, 2005, с. 3-7.
4. Даровских В.Д. Многосвязные ГПС. – Б.: Текник, 1999. – 102 с. Многосвязные
ГПС. Информационные потоки в структуре. Ч.2. – Б.: Текник, 2000. – 82 с.
5. Даровских В.Д. Многосвязные ГПС. Теория и практика. – Б.: Текник, 2003. – 332 с.
6. Патенты 908, 909 (Кыргызская Республика). Гибкая производственная система.
Способ позиционирования рабочих позиций гибкой производственной системы / В.Д.
Даровских. Опубл. в б.и. № 11, 2006.
7. Патент 1613236 (СССР). Роботизированный комплекс горячей штамповки /
В.Д.Даровских. Опубл. в б.и. № 46, 1990.