Построение мехатронных систем

1.doc

Для заданной кинематической схемы манипулятора:
указать звенья виды перемещений и классы кинематических пар
определить число степеней подвижности (W)
задать диапазоны перемещений по степеням подвижности
рассчитать объём рабочей зоны (V)
определить тип системы координат
определить погрешности позиционирования по степеням подвижности (D).
Рисунок 2. Структурная схема манипулятора.
Звено № 1 (цилиндрическое соединение)
Вращательное вокруг оси
Число степеней подвижности.
По формуле Сомова-Малышева (1) определяем число степеней подвижности
где n=3 – общее количество звеньев.
Диапазоны перемещений по степеням подвижности (рис. 2).
Объём рабочей зоны (V).
Рисунок 3. Рабочая зона манипулятора.
Тип системы координат.
Основываясь на вид рабочей зоны можно сделать вывод что система координат в которой функционирует данный манипулятор является сферической.
Погрешности позиционирования по степеням подвижности (D).
) Суммарная допустимая погрешность по оси ОХ для заготовки d=5мм:
) Значения по степеням подвижности:
в направлении ОХ складываются из погрешностей степеней подвижности:
) Уравнение погрешностей:
) Погрешность звена :
)Погрешность звена :
) Значения переводных коэффициентов:
) Учитывая что находим:
) Допустимые погрешности звеньев:
) Допустимые погрешности для угловых перемещений:
В итоге получаем суммарную погрешность:
Конструктивная кинематическая схема.
Рисунок 5. Конструктивная кинематическая схема манипулятора.
Кафедра “Технология машиностроения ”
Домашнее задание №1
по курсу: «Проектирование мехатронных систем»

кинем.схема.dwg

е.doc

Для заданной кинематической схемы манипулятора:
указать звенья виды перемещений и классы кинематических пар
определить число степеней подвижности (W)
задать диапазоны перемещений по степеням подвижности
рассчитать объём рабочей зоны (V)
определить тип системы координат
определить погрешности позиционирования по степеням подвижности (D).
Рисунок 2. Структурная схема манипулятора.
Звено № 1 (цилиндрическое соединение)
Вращательное вокруг оси
Число степеней подвижности.
По формуле Сомова-Малышева (1) определяем число степеней подвижности
где n=3 – общее количество звеньев.
Диапазоны перемещений по степеням подвижности (рис. 2).
Объём рабочей зоны (V).
Рисунок 3. Рабочая зона манипулятора.
Тип системы координат.
Основываясь на вид рабочей зоны можно сделать вывод что система координат в которой функционирует данный манипулятор является сферической.
Погрешности позиционирования по степеням подвижности (D).
) Суммарная допустимая погрешность по оси ОХ для заготовки d=5мм:
) Значения по степеням подвижности:
в направлении ОХ складываются из погрешностей степеней подвижности:
) Уравнение погрешностей:
) Погрешность звена :
)Погрешность звена :
) Значения переводных коэффициентов:
) Учитывая что находим:
) Допустимые погрешности звеньев:
) Допустимые погрешности для угловых перемещений:
В итоге получаем суммарную погрешность:
Конструктивная кинематическая схема.
Рисунок 5. Конструктивная кинематическая схема манипулятора.
Кафедра “Технология машиностроения ”
Домашнее задание №1
по курсу: «Проектирование мехатронных систем»

кинем.схема.doc

Для заданной кинематической схемы манипулятора:
указать звенья виды перемещений и классы кинематических пар
определить число степеней подвижности (W)
задать диапазоны перемещений по степеням подвижности
определить тип системы координат
рассчитать объём рабочей зоны (V)
определить погрешности позиционирования по степеням подвижности (D)
Рисунок 2. Структурная схема манипулятора.
Звено № 1 (соединение с перемещением вдоль прямолинейной направляющей)
Возвратно-поступательное
(цилиндрическое соединение)
Вращательное вокруг оси
Вращательное вокруг оси
Число степеней подвижности.
По формуле Сомова-Малышева (1) определяем число степеней подвижности
где n=3 – общее количество звеньев.
Диапазоны перемещений по степеням подвижности.
Возвратно-поступательное - S I = 500мм.
Вращательное вокруг оси - f II = 180 0
Вращательное вокруг оси - f III = 180 0
Объём рабочей зоны (V).
Рисунок 3. Рабочая зона манипулятора.
Тип системы координат.
Основываясь на вид рабочей зоны можно сделать вывод что система координат в которой функционирует данный манипулятор является цилиндрической..
Погрешности позиционирования по степеням подвижности (D).
Суммарная допустимая погрешность по оси ОХ для заготовки d=5мм:
Значения по степеням подвижности:
в направлении ОХ складываются из погрешностей степеней подвижности:
Уравнение погрешностей:
Погрешность линейного перемещения:
Значения переводных коэффициентов:
Учитывая что находим:
Допустимые погрешности звеньев:
В итоге получаем суммарную погрешность:
Кафедра “Технология машиностроения ”
по курсу: «Проектирование мехатронных систем»

Адаптивным резанием.doc

Адаптивным резанием называется способ механической обработки обеспечивающий оптимизацию процесса за счет изменения условий обработки прежде всего режимов резания в зависимости от конкретных условий стружкообразования в каждой точке заготовки.
Реализация систем автоматического управления по этому принципу обычно вызывает большие трудности поэтому изложенную выше задачу в общей подстановке часто заменяют более простой адаптивной системой у которой в качестве регулирующего параметра принимают один из физических показателей процесса резания.
Системы автоматического регулирования процесса резания в зависимости от типа управляющего воздействия делятся на:
) стабилизирующие системы – поддерживающие постоянный управляемый параметр системы резания они сохраняют по мере обработки значение одного или нескольких параметров;
) следящие системы – изменяющие управляемый параметр системы резания в зав-ти от неизвестного заранее значения переменной величины на входе автоматической системы.

Вопрос 1.doc

№1 Свойства сложных систем. Уникальность слабопредсказуемость целенаправленность (негэнтропийность).
Система-это объект любой природы обладающий выраженным системным свойством т.е. свойством которого не имеет не одна из частей системы при любом способе расчленении этой системы. Система порождает новое свойство не присущее её элементам.
Заключается в следующем каждая система не имеет полных аналогов поведения либо случаи настолько редки что с их наличием в исследованиях можно не считаться. Примеры: станки с ЧПУ робот.
) Слабопропредсказуемостъ Никакое сколь угодно подробное и точное поведение объекта на интервале (-10) не позволяет точно предсказать его поведение на интервале (ОХ).
) Целенаправленостъ Заключается в том что система в состоянии управлять ( в определённых пределах) при случайном и неблагоприятном воздействии среды т.е. способна осуществлять достижение определённых целей. Целенаправленность это стремление к достижению целей выражает именно эту тенденцию т.е. сохранения и усиления основного процесса идущего к цели. Существует три принципа системотехники:
- принцип физичности
Всякой системе присуще физические законы.
- пр. моделируемости
Сложная система представима конечным множеством каждая из которых отражает конечную грань её сущности. Позволяет исследовать свойства или группу свойств сложной системы при помощи одной или нескольких упрощённых моделей. Модель ориентирована на определённую группу систем она всегда проще самой системы
№2. Понятие термина "Проектирование". Принципы используемые при создании описании сложных объектов (систем).
Проект – образ того изделия которое мы хотим получить.
Проектирование - ушверсальный и самостоятельный процесс направленный на создание образа объекта с заданными параметрами. Принципы проектирования:
- декомпозиция (расчленение) и иерархичность;
- многоэтапность и итарационность( пошаговость);
- унификация и типизация проектных решений.
- функциональный: функциональное пр-е.
- конструкторский; конструкторское пр-е.
- технологический; и т.д.
- эксплуатационный; и т.д.
- утилизационный. и т.д.
функциональное пр-е связано с отображением основных принципов проектирования а также характером физических и информационных устройств протекающих в данном устройстве.
конструкторское пр-е связано с реализацией результатов функционального проектирования (определение геометрических форм элементов расположении их в пространстве) технологическое пр-е относиться к реализации конструкторского проектирования т.е. оно связано с разработкой методов средств описания объектов. эксплуатационное пр-е завершающий этап пр-я.
№3. Стадии проектирования.
научно-исследовательских работ (НИР)
-Предпатентный поиск;
-разработка и согласование с заказчиком ТЗ;
-Теоретические и экспериментальные исследования;
-Обобщение результатов и оценка выполненной НИР;
-Обсуждение и согласование задания на ОКР.
опытно-конструкторских работ (ОКР)
-Техническое предложение;
-Технический проект;
-Разработка рабочей презентации.
технического проекта
испытаний опытного образца.
Проектирование как отдельных объектов так и систем начинается с выработки технического задания (ТЗ) на проектирование. В ТЗ содержатся основные сведения об объекте проектирования условиях его эксплуатации а также требования предъявляемые заказчиком к проектируемому изделию. Важнейшее требование к ТЗ - это его полнота. Выполнение этого требования определяет сроки и качество проектирования. Следующий этап - предварительное проектирование - связан с поиском принципиальных возможностей построения системы исследованием новых принципов структур обоснованием наиболее общих решений. Результатом этого этапа является техническое предложение.
На этапе эскизного проектирования производится детальная проработка возможности построения системы его результатом является эскизный проект.
На этапе технического проектирования выполняется укрупненное представление всех конструкторских и технологических решений; результатом этого этапа является технический проект.
На этапе рабочего проектирования производится детальная проработка всех блоков узлов и деталей проектируемой системы а также технологических процессов производства деталей и их сборки в узлы и блоки.
Заключительный этап - изготовление опытного образца по результатам испытаний которого вносят необходимые изменения в проектную документацию.
При неавтоматизированном проектировании наиболее трудоемкими являются этапы технического и рабочего проектирования. Внедрение автоматизации на этих этапах приводит к наиболее эффективным результатам
№5 Мехатронные модули - это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением предназначенные для выполнения движений как правило по одной управляемой координате.
Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения.
Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с
традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов.
Синергетическая интеграция - это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Синергетика- это усиление отдельных свойств (имея два предмета которые имеют определенные свойства их объединяют при этом появляются новые свойства которыми не могли обладать эти предметы в отдельности в этом и заключается принцип синергетики)
Пример. В данном вопросе в качестве примера можно рассмотреть мотор-редуктор. Раньше приходилось использовать мотор-редукторы соединённые муфтами они как правило занимали много места сейчас используют мотор-редукторы компактные универсальные намного удобные.
№6. Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий может служить сила резания для операций механообработки контактные силы и моменты сил при сборке сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.
Устройство компьютерного управления осуществляет следующие основные функции:
Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.
Организация управления функциональными движениями мехатронной системы которая предполагает координацию управления механическим движением мехатронной системы и сопутствующими внешними процессами. Как правило для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входывыходы устройства.
Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line).
Организация обмена данными с периферийными устройствами сенсорами и другими устройствами системы.
Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно что электрическая энергия (гидравлическая пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.
№7. Основой метода мехатроники является интеграция составляющих частей которая закладывается на этапе проектирования и затем реализуется в технологических процессах производства и эксплуатации мехатронных систем. На современном этапе развития мехатроники особенно является решение следующих интеграционных задач:
Функциональная структурная и конструктивная интеграция элементов в мехатроннных модулях.
Аппаратно – программная интеграция исполнительных и интеллектуальных элементов в интеллектуальных мехатронных модулях.
Разработка и внедрение гибридных технологий производства интегрированных модулей машин.
Создание информационных сред для поддержки решений междисциплинарных мехатронных задач.
Построение математических и компьютерных моделей мехатронных модулей и систем отражающих их интеграционную специфику.
Интеграционные подходы в организационно – экономической деятельности предприятий выпускающих мехатронные изделия.
Междисциплинарная подготовка специалистов способных к системной интеграции в области мехатроники.
Иерархия уровней интеграции в мехатронных системах.
Первый уровень интеграции образуют мехатронные устройства и составляющие их элементы. Второй уровень включает интегрированные мехатронные модули. Набор мехатронных умтройств определяет тип мехатронного модуля. В общем случае для интеллектуального модуля можно выделить две основные группы: в исполнительную группу входят механические устройства и двигатели а группа интеллектуальных устройств является совокупностью электронных информационных и управляющих компонентов. На третьем уровне интеграции из мехатронных модулей компонуются многокоординатные мехатронные машины. Высший уровень предполагает построение на единой итеграционной платформе комплексов мехатронных машин для реконфигурируемого производства.
в целом проектирование мехатронных систем является сложной многофакторной проблеиой выбора и оптимизации приемлемых технических и технологических организационно – экономических и информационных решений.
№4. Типовые проектные процедуры
Проектная процедура называется типовой если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов. Классификация проектных процедур представлена на рисунке 1.
Процедуры синтеза обеспечивают получение описания объекта по заданному функциональному назначению этого объекта либо по закону его функционирования. Поскольку описание любого объекта состоит из структуры и совокупности значений конструктивных параметров то синтез может быть структурным и параметрическим. Структурный синтез определяет структуру объекта то есть набор элементов составляющих объект и способ связи элементов между собой в составе этого объекта. Параметрический синтез заключается в определении числовых параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности.
Процедуры анализа производят оценку образа объекта заключающуюся в определении его выходных характеристик и исследовании работоспособности при известных начальных условиях по какому-либо описанию этого объекта. Анализ может быть одновариантным и многовариантным. Одновариантный анализ проводится с целью установления соответствия выходных характеристик требованиям технического задания и заключается в определении значений выходных параметров объекта по заданным значениям внутренних и внешних параметров. Как правило сводится к однократному решению уравнений представляющих математическую модель.
Многовариантный анализ направлен на исследование свойств объекта в некотором пространстве внутренних (или внешних) параметров и заключается в установлении наглядной связи между входными данными выходными характеристиками и конструктивными параметрами. Это осуществляется путем многократного повторения решения систем уравнен при изменении внутренних или внешних параметров. Примером является определение межосевого расстояния.
Типичная последовательность выполнения проектных процедур на одном из проектирования представлена на рисунке 2.
Результатом решения задач предыдущего этапа - К-го иерархического уровня - является формулировка технического задания на проектирование систем следующего (К+1)- рассматриваемого уровня. Проектирование объекта начинается с синтеза исходного варианта его структуры. Для оценки варианта создается модель которая может быть либо математической либо экспериментальной (испытательный стенд).
После выбора исходных значений параметров элементов с помощью модели производится анализ варианта по результатам которого становится возможной его оценка заключающаяся обычно в проверке выполнения условий работоспособности сформулированных в техническом задании. Если условия работоспособности выполняются в должной мере то полученное проектное решение принимается система (К+1)-го уровня описывается в принятой форме и формулируется техническое задание на проектирование элементов данного уровня (т.е. систем следующего уровня). Если проектное решение неудовлетворительно выбирается один из возможных способов улучшения проекта.
Первый способ (наиболее простой) заключается в изменении числовых значений параметров элементов составляющих множество возможных параметров X. Совокупность процедур модификации (изменения либо варьирования) X анализа и оценки результата анализа представляет собой процедуру параметрического синтеза. Если при этом используется стратегия поиска наилучшего значения некоторого показателя качества (например повышения производительности) то процедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации.
Возможно что путем параметрического синтеза не удается добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности или осуществления условий технологического процесса. Тогда используют другой способ связанный с изменением структуры: разрабатывается новый вариант структуры для которого повторяются процедуры формирования модели и параметрического синтеза.
Если и на этом пути не удается получить приемлемое решение ставится вопрос о корректировке технического задания сформулированного на предыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур К-го иерархического уровня что обуславливает итерационный (то есть возвратный) характер проектирования.
№8 Синергетическая интеграция - это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения как правило по одной управляемой координате.
Мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками» из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.
Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения. Приведем схему энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном модуле.
На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения которое формируется верхним уровнем системы управления а выходом является целенаправленное мехатронное движение конечного звена например перемещение выходного вала модуля.
Для физической реализации электромеханического мехатронного модуля теоретически необходимы четыре основных функциональных блока последовательно-соединенные: информационно-электрический и электромеханический функциональный преобразователь в прямой цепи и электро-информационный и механико-информационный преобразователи в цепи обратной связи.
Интегрированные мехатронные модули и машины отличаются повышенной надежностью устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям точностью выполнения движений модульностью и компактностью конструкции. С точки зрения потребителя - это целостные изделия удобные при настройке и программировании движений. Интегрированные решения в конечном счете экономически выгодны для потребителя так как машина принимается "под ключ" упрощается ее сервис и повышается ремонтопригодность.
Безусловно системы с глубокой степенью интеграции элементов имеют и оборотную сторону - такие машины являются менее гибкими т.е. имеют ограниченные возможности для модернизации и реконфигурации. Поэтому мехатроника предлагает конечным потребителям мехатронные модули различного уровня интеграции что позволяет находить разумный компромисс для конкретных задач автоматизации.
Узким местом (по-английски "bottleneck" - бутылочное горлышко) мехатронных модулей и машин являются интерфейсы между составляющими устройствами и элементами.
Понятие "интерфейс" является ключевым для предлагаемого подхода к проектированию мехатронных модулей и систем. В первую очередь отметим что взаимодействие основных устройств в мехатронной системе осуществляется не напрямую а через некоторые соединительные блоки. С физической и технической точки зрения это могут быть совершенно различные устройства однако они имеют одинаковое функциональное назначение. Их главная функция - это выполнение энергетического и информационного обмена между сопрягаемыми структурными элементами системы.
Место интерфейса в структуре мехатронной системы задается связями с входными и выходными устройствами. Технические характеристики интерфейса определяются способом и процедурой передачи (при необходимости - преобразования хранения и синхронизации) воздействий сигналов и информации а также аппаратно-программной реализацией используемых каналов связи.
Характеристики интерфейса
Устройство на выходе
Передаваемые воздействия сигналы информация
Человек-оператор или компьютер верхнего уровня
Устройство компьютерного управления (УКУ)
Силовые электронные преобразователи
Сигналы управления приводами
Силовые электронные " преобразователи
Исполнительные двигатели
Управляющие напряжения
Механическое устройство
Движущие силы и моменты
Информационное устройство
Информация о состоянии механического устройства
Информация о состоянии двигателей
Сигналы обратной связи
Проблема интерфейсов" обусловлена многогранностью структурного и технологического базисов мехатроники. В таблице перечислены основные мехатронные интерфейсы.
Как следует из приведенной таблицы многочисленные интерфейсы в мехатронной машине связывают устройства различной физической природы (механические электронные и информационные) что предопределяет их конструктивную и аппаратно-программную сложность. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой самостоятельные устройства и узлы. Обычно это блоки которые выпускаются специализированными фирмами но многие интерфейсы приходится разрабатывать и изготовлять самим пользователям. В машине с компьютерным управлением по трем координатам построенной на традиционных приводах только для связи основных устройств необходимо соединить порядка 100 сигнальных и силовых проводов. Опыт эксплуатации комплексных машин и систем показывает что до 70 % проблем их функционирования связаны с надежностью связей и соединений.
№9 Метод объединения элементов мехатронного модуля в едином корпусе.
Минимизация конструктивной сложности мехатронного модуля путём создания элементов реализующих несколько функциональных и структурных преобразований.
Мехатронные модули – это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением предназначенные для выполнения движений как правило по одной управляемой координате.
Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов т.е. суть метода заключается в аппаратно-конструктивном объединении выбранных элементов (интеллектуальных устройств) и интерфейсов в едином корпусе ММ.
Синергетическая интеграция – это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Преимущества которые даёт применение интеллектуальных мехатронных модулей:
- способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно без обращения к верхнему уровню управления что повышает автономность модулей гибкость и живучесть мехатронных систем работающих в изменяющихся и неопределённых условиях внешней среды;
- упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления что позволяет добиваться помехозащищенности МС и её способности к быстрой реконфигурации;
- создание на основе ИММ распределённых систем управления с применением ПК и соответствующего программного обеспечения;
- использование современных методов управления (программных адаптивных интеллектуальных оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях.
Интеграция элементов в мехатронных модулях является ведущей тенденцией при создании современных машин и систем т.к. позволяет добиться качественно нового уровня по основным техническим показателям – скорости и точности движения компактности конструкции и способности машины к быстрой реконфигурации. Практическое воплощение этой тенденции в машинах сегодняшнего дня зависит от эффективности взаимодействия конструктора который выдвигает новые интеграционные идеи и технолога реализующего предложенные проектные решения в автоматизированных технологических процессах.
№11 Основные тенденции развития отрасли которые будут оказывать серьезное влияние на использование современных информационных систем таковы: рост конкуренции прежде всего со стороны развивающихся стран таких как Китай Индия и т. д.; переход на позаказный тип производства; ужесточение требований клиентов к качеству продукции и срокам поставки; сокращение цикла разработки и подготовки производства новой продукции и усложнение изделий (для привлечения клиентов предприятия вынуждены выпускать все более сложные в техническом плане продукты сохраняя при этом цены); снижение себестоимости изделий.
Развивающиеся страны обладая серьезным заделом в области дешевых трудовых ресурсов производят все более технологичную и при этом дешевую продукцию. В отличие от них наши машиностроительные предприятия могут выиграть только за счет разработки и выпуска очень высокотехнологичных изделий которые не могут пока производиться в странах третьего мира из-за отсутствия там соответствующей инженерной школы.
В целом при автоматизации предприятий используются следующие подходы; внедрение ЕRРМRР-систем; построение на предприятии системы электронного документооборота РDМРLМ которая будет объединять движение проектно-конструкторской финансовой управленческой документации; организация электронного архива различного рода документации с целью дальнейшего построения системы управления потоками документов проектами информацией об изделии.
Для предприятий машиностроительной отрасли ключевыми являются вопросы управления производством. Очевидно их стремление снизить издержки и повысить собственную конкурентоспособность особенно в нынешних условиях когда на российском рынке появляются западные производители. В результате руководители осознают необходимость внедрения информационных систем класса ЕRР систем управления закупками и управления производством (так называемые МЕS-системы).
Вообще на сегодня актуально создание комплексных систем автоматизации конструкторско-технологических и производственных процессов. В России эти системы в полной мере пока нигде не реализованы так как огромные массивы нормативно-справочной информации существующие разрозненно в различных подразделениях предприятий требуют организации и приведения к единым стандартам.
Самым востребованным направлением является управление ресурсами предприятия т. е. ЕRР-системы и системы послепродажного обслуживания. Часто именно с ЕRР начинается процесс автоматизации. Для сложного машиностроения это путь неправильный так как производственные модули ERР-системы не заработают с нужной достоверностью если не будет автоматизированного ввода информации об изделии прежде всего о его структуре и техпроцессах если не будет извещений об изменении. А для этого нужно правильно внедрить САПР и РDМ. И именно из РDМ вся информация должна поступать как в ЕRР так и в другие подсистемы поддержки жизненного цикла изделия в том числе для создания электронных руководств и послепродажного обслуживания. САПР включает в себя такие автоматические системы обработки мнформации: CAD (Computer Aided Design) – система автоматизированного проекти-рования CAM (Computer Aided Manufactoring) – система подготовки управляющих программ СAPP (Computer Automated Progress Planet) – автоматические системы технологической подготовки производств ( системы ведения проекта) PPS ( Production Plaines System) – автоматизированная система управления и планирования CAQ (Computer Aided Quality Control) – системы управления качества.
Иначе говоря ЕRР-системы (системы предварительного проектирования технологического проекта и технологических процессов) позволяют предприятию экономить деньги а САПР и РDМ - их зарабатывать.
Но все же можно говорить о тенденции предприятий машиностроительной отрасли к созданию комплексных систем автоматизации которые могут существенно повысить конкурентоспособность. Комплексная система дает руководству компании возможность на основе актуальной и точной информации оценивать насколько выгоден и рентабелен тот или иной заказ в какие сроки и за какие деньги можно его выполнить.
№12 ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
ГПС – совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ роботизированных технологических комплексов гибких производственных модулей отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.
Определение ГПС отражает ее свойство гибкости позволяющее производить изделия произвольной номенклатуры. По принципу организации ГПС делятся на: гибкие автоматизированные линии (ГАЛ); гибкие автоматизированные участки (ГАУ) и гибкие автоматизированные цехи (ГАЦ). Гибкие автоматизированные линии строятся на основе технологического маршрута изготавливаемой продукции. Гибкие автоматические участки обычно создаются на основе единства обрабатывающего оборудования.
Для сравнения гибкости разных вариантов ГПС можно использовать индекс гибкости
где М – номенклатура изготавливаемых изделий k – доля впервые изготавливаемых изделий (коэффициент обновления) n – средний объем изготавливаемой партии.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) – единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с программным управлением автономно функционирующая автоматически осуществляющая все функции связанные с изготовлением продукции имеющая возможность встраивания в гибкую производственную систему.
Понятие гибкости производства. Научно-технический прогресс в наше время развивается все ускоряющимися темпами. Это обуславливает необходимость быстро обновлять изделия в технике и в быту. Увеличивается потребность выпуска на одном предприятии небольшими партиями разнообразной номенклатуры изделий причем различные модели однотипных деталей и изделий должны изготавливаться на одной и той же технологической линии для чего необходима ее частая переналадка.
Гибкостью производства называется его способность быстро и без существенных затрат труда и средств переналаживаться на изготовление новой или модернизированной продукции и на новые технологические процессы с новой их организацией. По сути дела речь идет о новых организационных формах решения стратегических задач развития производства его интенсификации в условиях ускорения научно-технического прогресса при ограниченных трудовых материальных и энергетических ресурсах. При этом нужно существенно увеличивать производительность технологических линий цехов и заводов в целом на тех же площадях (или даже с их уменьшением) и обязательно при сокращении числа работающих. Одновременно стоит вопрос о повышении качества продукции и надежности ее функционирования в последующей эксплуатации у потребителя. Вместе с тем производственная система должна быть гибкой относительно своего дальнейшего развития модернизации и расширения.
К сказанному о гибкости производства необходимо добавить еще высокий уровень комплексной автоматизации как самого технологического процесса так и всех процессов контроля качества и управления производством с ликвидацией или существенным сокращением ручного труда во всех его звеньях. Во всяком случае ручного труда человека уже не должно быть непосредственно в совершении самого технологического процесса (безлюдное производство) хотя человек и остается как оператор наладчик диспетчер.
Решению таких задач удовлетворяет технологическая линия цех завод которые управляются сетью электронных вычислительных машин с соответствующим программным обеспечением широким применением робототехнических систем и технологического оборудования с ЧПУ. Тогда производство может быть переналажено в основном программным путем возможно со сменой лишь отдельных агрегатов.
Выбор обрабатывающего оборудований ГПМ
В кач основного технологического оборудования в механообрабатывающих ГПМ используются металлорежущие станки. К станку предъявляются требования высокой степени автоматизации процесса обработки и гибкости т.е. обеспечения автоматизированной перенастройки станка при смене обрабатываемой детали. 'Этим двум требованиям одновременно отвечают металлообрабатывающие станки с ЧПУ которые являются основным видом оборудования для ГПМ механообработки. Для использования станка в составе ГПМ необходимо автоматизировать следующие функции:
переналадку станка на изготовление детали нужного типоразмера;
загрузку заготовок и выгрузку обработанной детали;
контроль и коррекцию режимов технологического процесса;
контроль геометрических параметров обрабатываемых деталей;
контроль состояния инструмента;
замену сломанного изношенного или ненужного инструмента;
сбор и удаление отходов технологического процесса;
контроль наличия расхода и других параметров используемых технологических материалов (технологических сред);
диагностику узлов станка и его системы управления;
связь с более высоким уровнем управления
При проектировании ГПМ выбирают станки у которых перечисленные функции могут выполняться автоматически или производят небольшую модернизацию станка для автоматизации этих функций. На выбор оборудования влияет тип обрабатываемой детали. С этой точки зрения механообрабатывающие ГПМ можно разделить на две группы:
ГПМ для обработки деталей типа «тел вращения»
ГПМ для обработки корпусных деталей.
В ГПМ первой группы используются токарные станки с ЧПУ: центровые патронно-центровые патронные. Требованиям работы в составе ГПМ наиболее полно отвечают станки моделей 16К20ФЗ и другие. Высокую степень автоматизации имеет многоцелевой токарный станок с ЧПУ модели ИРТ180ПМФ. Этот станок оснащен в частности системой автоматической смены инструмента и измерительной головкой выдвижного типа предназначенной для контроля размеров инструментов в сменном диске револьверной головки. На станке можно выполнять операции точения фрезерования сверления растачивания и нарезания резьбы.
Двухкоординатный суппорт станка оснащен 2-позиционной револьверной головкой с горизонтальной осью вращения. Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон с быстросменными комплектами кулачков обеспечивает быструю переналадку станка. Станок имеет герметичное ограждение рабочей зоны и автоматический конвейер для уборки стружки расположенный непосредственно под зоной резания.
№16 Система координат — комплекс определений реализующий метод координат то есть способ определять положение точки или тела с помощью чисел или других символов. Совокупность чисел определяющих положение конкретной точки называется координатами этой точки.
Рабочая зона – это досягаемость рабочим органом различных точек пространства. В зависимости от рабочей зоны выбирается система координат.
№ 18. Определение суммарной погрешности позиционирования промышленных роботов.
В роботе каждая степень подвижности имеет автономный привод обеспечивающий определенную точность позиционирования. Погрешность позиционирования по степени подвижности определяется выражением где КИ – коэффициент характеризующий качество измерительной системы. В современных измерительных системах роботов КИ=15 20.
Так как в позиционировании участвуют степени подвижности осуществляющие как прямолинейное так и вращательное перемещения суммарная погрешность робота имеет вид
где ΔS-составляющая погрешности от степеней подвижности осуществляющих прямолинейное движение; Δφ- составляющая погрешности от степеней подвижности осуществляющих вращательное движение (К-коэффициент запаса равный 12 13). Величину ΔΣ определяют исходя из требований к точности установки объекта манипулирования а величины ΔS и Δφ – исходя из взаимосвязи линейных и угловых погрешностей робота и их значений приведенных к объекту манипулирования:
где П l В Di – число дискрет датчика используемых на перемещениях. Величины Пi Вi li определяются из геометрических зависимостей взаимного положения схвата и звеньев робота при позиционировании.
№ 19 Определение максимальных скоростей и ускорений. Расчет проводят исходя из реального закона движения (рис. 1 а) путем приравнивания заштрихованных площадей реального графика движения и графика движения со средней скоростью
№20 Определение параметров движения по степеням подвижности. Определение средних скоростей. Циклограмма работы оператора и робототехнического комплекса.
Для каждой степени подвижности должны быть определены средняя технологическая скорость (цикловая) максимальные скорость и ускорение.
Определение средних скоростей:
Исходной величиной для определения максимальной скорости и ускорения является средняя (цикловая скорость)
; Где - суммарное перемещение кисти робота; - суммарное время цикла выполняемого роботом. Суммарное перемещение кисти робота рассчитывается из программы робота и планировки ГПМ. Время цикла определяется на основе технологических требований и сравнивается со временем цикла выполняемого вручную и рентабельности внедрения промышленного робота:
Где - время выполнения цикла человеком; - коэффициент увеличения производительности труда при замене человека роботом.
Время выполнения цикла человеком определяется как сумма времени на выполнение всех движений в цикле. При наличии утверждённых нормативов выполнения ручных операций вычисляют с их использованием .
Минимальный уровень рентабельности определяется отсутствием убытков т.е. годовой экономический эффект должен быть равен нулю:
Где - затраты на производство единицы продукции при ручной работе; В – коэффициент учитывающий уменьшение выхода бракованных изделий при замене рабочего роботом; и - доли отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление единицы изготовляемого изделия; рассчитываются как величины обратные общему сроку службы изделия при ручном производстве и при автоматизированном производстве; - нормативный коэффициент эффективности:
= 0.15; - затраты на эксплуатацию робота отнесённые к единицы времени; - сопутствующие капитальные вложения (без учёта стоимости робота) на отладку ГПМ;
- приведённые затраты на новое средство труда (робот).
Полагая =0 и решая (1.3.) относительно получаем
Где - сроки службы изделия при ручном и роботизированном производстве; - годовые расходы на эксплуатацию робота; - стоимость робота; - срок службы робота; - фонд заработной платы рабочего с учётом отчислений на социальные службы; n – число высвобожденных рабочих.
Таким образом выражение (1.4) учитывает уменьшение выхода бракованных деталей увеличение срока службы изделий эксплуатационные расходы стоимость робота затраты на зарплату рабочего и социальные нужды.
Для определения средних скоростей по степеням подвижности требуется составление циклограммы работы человека (табл. 1) и уже по ней рассчитывают перемещения робота исходя из планировки ГПМ.
Пример циклограммы работы оператора:
Протянуть руку к детали (400 мм)
Снять с переднего центра
Выдвинуть деталь из рабочей зоны станка

38 1).doc

2.4. АНАЛИЗ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ
ПОКАЗАТЕЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНОЙ
Методы интеграции элементов рассмотренные в двух предыдущих параграфах основаны на совместном анализе функциональной и структурной моделей мехатронных модулей. Принятый подход к проектированию мехатронных модулей и систем заключается в нахождении оптимального соответствия между функциональной и структурной моделями синтезируемой системы. С инженерной точки зрения заданная последовательность функциональных преобразований может быть реализована различным набором структурных блоков. Процесс проектирования интегрированных мехатронных модулей и систем требует численных мер для оценки уровня интеграции элементов для обоснованного выбора среди вариантов решений. Предлагаемый показатель позволяет количественно оценивать функционально-структурной уровень интеграции сравнивать и классифицировать различные мехатронные структуры на ранних этапах разработки.
Алгоритм анализа мехатронной системы на основе показателя функционально-структурной интеграции имеет следующий вид.
Структурная модель исследуемой системы представляется в виде связного ориентированного графа Gs = Gs(Us Vs) где множество вершин Vs составляет структурные элементы системы а множество ребер Us отображает связи между ними. Для геометрического представления ориентированное ребро показывают в виде дуги со стрелкой направление которой совпадает с направлением потока энергии или информации между соединяемыми вершинами.
Для построенной структурной модели Gs определяется число вершин графа N равное числу сепаратных блоков используемых в данном структурном варианте.
Функциональная модель мехатронной системы также строится в виде связного ориентированного графа Gfo = Gfo (Ufo VFo) где множество вершин Vfo графа образует функциональные преобразователи а множество ребер Ufo отображает связи между ними.
Если в исходной функциональной модели две соседние вершины соответствуют одинаковым по типу функциональным преобразованиям то они объединяются в одну вершину. В результате этой операции получаем сжатый функциональный граф GF = GF (UFVF) который содержит только оригинальные преобразователи.
Для сжатого функционального графа GF определяют число вершин NF равное числу оригинальных функциональных преобразователей в исследуемой мехатронной системе.
Показатель функционально-структурной интеграции (ФСИ) для данной мехатронной системы рассчитывают как отношение
Введенный показатель ФСИ представляет собой численную оценку уровня интеграции составляющих элементов. При проектировании интегрированных мехатронных систем следует стремиться к повышению показателя ФСИ т.е. реализовывать наибольшее количество функциональных преобразований минимально возможным числом структурных элементов. В этом смысле выгодно исключать промежуточные структурные преобразователи и самостоятельные интерфейсы а также создавать многофункциональные мехатронные модули. Рассмотренные в предыдущих параграфах два метода интеграции дают путь к решению именно этих задач.
Оценим на основании введенного показателя ФСИ степень интеграции элементов в приведенных ранее примерах. Традиционный электропривод с компьютерным управлением (см. рис. 2.7) содержит 7 основных структурных блоков и 8 интерфейсов которые выполняют 7 функциональных преобразований (см. рис. 2.6). Следовательно только если все интерфейсы встроить в основные блоки то имеем нулевое значение показателя ФСИ:
IFS = NFNs-1=77-1=0.
В случае когда хотя бы один интерфейс представляет собой сепаратный блок получаем отрицательные величины показателя.
В общем случае показатель IFS будет отрицательным для избыточных структур где число отдельных структурных элементов в системе
ТРАДИЦИОННЫЕ ПРИВОДЫ (IFS0)
Рис. 2.9. Показатели функционально-структурной интеграции для традиционных приводов и мехатронных решений
превышает число заданных функциональных преобразований. Для мехатронных решений целесообразно принять за базовую степень интеграции значение IFS = 0 (рис. 2.9).
Базовая степень интеграции достигается при равенстве между числом требуемых функциональных преобразований и выполняющих их структурных блоков. Другими словами каждый из семи функциональных преобразователей (см. рис. 2.6) технически реализуется одним самостоятельным устройством.
Применение мехатронных решений основанных на различных методах интеграции позволяет получить структурные решения с положительными значениями показателя ФСИ (см. рис. 2.9). Зависимость показателя ФСИ от числа интегрируемых элементов при заданном числе функциональных преобразований имеет гиперболический характер. Особенно высокая степень интеграции достигается при объединении в меха-тронном модуле более пяти элементов. Этому условию удовлетворяют интеллектуальные мехатронные модули в которых максимум функциональных преобразований сосредоточен в едином (с точки зрения пользователя) структурном элементе.
Введенный показатель ФСИ может быть рассчитан не только для мехатронного модуля полного состава но и его отдельных подсистем. Рассмотрим в этой связи примеры проектирования и сравнительного анализа подсистем компьютерного управления для манипуляционного робота "PUMA-560". Эти разработки выполнены специалистами кафедры "Робототехника и мехатроника" МГТУ "СТАНКИН" совместно с коллегами из других организаций.
Манипулятор "PUMA-560" который входит в состав серийно выпускаемого промышленного робота РМ-01 обладает сложной антропоморфной кинематической схемой с шестью степенями подвижности (см. рис. 1.13). Робот оснащен электромеханическими приводами на базе двигателей постоянного тока с фотоимпульсными датчиками обратной связи. Устройство управления (в серийном варианте - типа "Сфера") предназначенное для позиционного и контурного управления имеет двухуровневую многопроцессорную архитектуру [68]. Структура традиционной системы управления для манипулятора "PUMA-560" представлена на рис. 2.10.
Верхний уровень системы управления содержит центральный процессор (DES LSI-1102) который решает задачи тактического уровня управления (в первую очередь это работа с человекомашинным интерфейсом и планирование траектории) а также демультиплексор задающий программу перемещений по обобщенным координатам манипулятора. Исполнительный уровень управления реализован на шести микропроцессорах МП1 МП6 (типа "Rockwell 6503") со встроенными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Каждый из этих микропроцессоров по своему каналу управления через ЦАП аналоговый усилитель и широтно-импульсный модулятор выдает мощные ШИМ-сигналы на коллекторные двигатели постоянного тока установленные в шарнирах робота. На исполнительном уровне управления предназначенном для отработки траектории движения робота реализованы две петли обратной связи. Первый контур предназначен для вычисления в реальном времени позиционной ошибки как разности между программным (qipr I=1 n)
и текущим (qi) положением данного привода. Внутренний контур построен на аналоговых устройствах и реализует обратную связь по скорости движения. Оба контура имеют фиксированные коэффициенты регуляторов которые заданы предварительно и не могут быть изменены пользователем.
Таким образом главный недостаток в построении традиционной системы управления заключается в том что центральный процессор не участвует в отработке программной траектории. Это не позволяет учитывать в процессе управления важные для манипуляционных роботов динамические эффекты (взаимовлияние степеней подвижности переменность приведенных моментов инерции звеньев нелинейность кинематических и динамических моделей) что существенно ухудшает качество управления особенно на низких и высоких скоростях.
Построим функциональную модель для традиционной системы управления роботом (рис. 2.11) ограничившись рассмотрением только управляющей подсистемы так как исполнительная подсистема в данном исследовании не будет подвергаться изменениям.
В состав модели входят общий информационный преобразователь а также три функциональных преобразователя по каждому из каналов управления (это информационный информационно-электрический и электрический преобразователи). Эти функциональные преобразования в традиционной структуре (см. рис. 2.10) реализуются двумя модулями (центральный процессор и демультиплексор) которые являются общими для всех каналов управления и тремя структурными блоками (МП аналоговый усилитель и широтно-импульсный модулятор) дополнительно на каждый привод.
Следуя принятому алгоритму расчета два последовательно соединенных информационных преобразователя при расчете считаем одним
функциональным преобразованием. Тогда показатель ФСИ для традиционной системы имеющей п каналов управления рассчитываем по формуле
Характерные численные значения показателя I1FS для различного числа степеней подвижности робота приведены ниже:
Функция (и) для положительных значений аргументов п представляет собой возрастающую гиперболу которая достигает максимального значения =0 при бесконечно большом числе каналов управления. Причем для любого числа каналов (в частности при и = 6 что соответствует кинематике манипулятора "PUMA-560") получаем из (2.5) отри-
дательное значение показателя ФСИ. Следовательно согласно предложенной классификации (см. рис. 2.9) рассмотренная традиционная структура системы управления содержит избыточное число модулей по отношению к базовому уровню и ее нельзя считать мехатронным (интегрированным) решением.
Дальнейшие разработки осуществлялись на основе функционально-структурного подхода с целью реализации каждого из заданных функциональных преобразований на одном структурном модуле. Представленная в данном разделе система управления является совместной разработкой Будапештского технического университета и МГТУ "СТАНКИН" в рамках программы научно-технического сотрудничества между университетами [82]. Структурная интеграция элементов в традиционной системе управления робота проводилась по двум направлениям:
- объединение аналогового усилителя и широтно-импульсного модулятора что технически реализовано в виде усилителя-модулятора;
- использование управляющего контроллера вместо демультиплек-сора и шести микропроцессоров с цифроанапоговыми преобразователями.
Структура разработанной системы управления представлена на рис. 2.12.
Верхний уровень управления реализован на компьютере IBM PC (Pentium II) который выполняет две основные функции: оперативное взаимодействие с пользователем и координация выполнения программных подзадач двумя управляющими контроллерами. Компьютер выдает позиционные уставки на вход контроллеров с максимальной частотой 2 кГц.
Исполнительный уровень системы аппаратно выполнен на двух управляющих контроллерах (типа "Advantech PCL-832") каждый из которых одновременно управляет тремя степенями подвижности робота. Контроллеры установлены в параллельные слоты компьютера в их состав входят декодер вычислительное устройство и ЦАП работа которых синхронизирована. На вход каждого усилителя-модулятора (типа АМС-25А) от контроллера поступает маломощный аналоговый сигнал где он преобразуется в широтно-модулированные силовые импульсы непосредственно управляющие вращением двигателей. Таким образом управляющие контроллеры сочетают функции информационного и информационно-электрического преобразователей.
Важным преимуществом рассматриваемой системы (см. рис. 2.12) по сравнению с традиционной структурой (см. рис. 2.11) является доступ в реальном времени компьютера верхнего уровня к информации о текущем состоянии системы что позволяет применять алгоритмы адаптивного управления движением.
Формула расчета показателя функционально-структурной интеграции для данной управляющей подсистемы для п каналов управления имеет вид
Зависимость показателя ФСИ от числа степеней подвижности манипулятора представляет собой участок возрастающей гиперболы которая в пределе стремится к показателю Imах = 2. Характерные численные значения функции I1FS (n)в диапазоне п = [16] приведены ниже.
Таким образом рассматриваемая структура неэффективна (показатель отрицателен) для однокоординатной системы (при п = 1) и значения показателя ФСИ становятся положительными только начиная с двух каналов управления. Для шестистепенного манипулятора "PUMA-560" показатель ФСИ равен 10 что позволяет отнести эту структуру к меха-тронным решениям.
Этот класс систем управления в настоящее время предлагается на рынке целым рядом ведущих фирм (Galil Delta Tau MEI) которые производят системы компьютерного управления движением для многокоординатных роботов производственных машин и мехатронных систем. Высокая эффективность управляющих контроллеров по критерию ФСИ хорошо корреспондируется с их оценками по стоимости и компактности что в свою очередь положительно влияет на массогабаритные и ценовые характеристики конечной продукции - мехатронных и робототехниче-ских систем.
Продолжим функционально-структурный анализ системы управления робота с целью дальнейшего повышения значений показателя ФСИ. Проектирование системы управления нового уровня представляется целесообразным сосредоточить на двух главных точках интеграции:
- реализация всех функций информационного преобразователя в едином структурном модуле;
- сосредоточение функции информационно-электрического преобразования в одном структурном блоке.
Таким образом в предлагаемой системе робот является единым объектом управления а не набором отдельных звеньев. С прикладной точки зрения указанные решения позволяют также устранить два существенных недостатка присущих рассмотренным выше системам: наличие аналоговой связи между контроллером и усилителем-модулятором и замыкание контуров скоростной и токовой обратных связей в усилителе. В производственных условиях интерфейсы аналогового типа значительно уменьшают помехозащищенность и робастность системы управления.
Один из возможных вариантов системы управления где реализованы указанные решения представлен на рис. 2.13.
Ядром разработанной системы управления является контроллер движения (КД) который выполняет все заданные информационные преобразования. В состав системы входят также усилитель с широтно-импульсным входом и фотоимпульсные датчики обратной связи.
Важнейшим преимуществом данной системы управления является участие КД как в планировании траектории робота так и в отработке
программного движения. Это позволяет применять современные методы интеллектуального и адаптивного управления роботами и манипуляторами. Контроллер движения в представленном варианте реализован как аппаратно-программное сочетание цифрового сигнального процессора (DSP-processor) и блоков FPGA (Field Programmable Gate Arrays) которые описаны в п. 1.3. В системе исключено цифроаналоговое преобразование сигналов так как на выходе блоков FPGA сразу формируется широтно-модулированный сигнал который по сути имеет цифровое представление.
Функцию информационно-электрического преобразования выполняет усилитель с ШИМ-входом. ШИМ-сигнал поступающий от контроллера движения может иметь только два уровня (высокий и низкий) и при этом является маломощным что принципиально отличает данную схему от традиционных широтно-импульсных модуляторов.
Показатель функционально-структурной интеграции для рассматриваемой системы (см. рис. 2.13) в общем случае (для п каналов управления) имеет вид
Численные значения функции I3FS (n)которая как и в предыдущем случае является гиперболой приведены ниже.
Для шестистепенного робота получили I3FS= 157 т.е. наибольшее значение показателя ФСИ из всех рассмотренных вариантов построения системы управления.
Очевидно что все аспекты анализа классификации и проектирования столь сложных систем как мехатронные не могут быть оценены единственным численным критерием. Тем не менее введенный показатель ФСИ дает возможность сравнивать структуры мехатронных систем и определять уровень достигнутой интеграции для конкретного технического решения.

26.doc

Гибкостью производства называется его способность быстро и без существенных затрат труда и средств переналаживаться на изготовление новой или модернизированной продукции и на новые технологические процессы с новой их организацией.
Проектирование модулей для обработки корпусных деталей
Для обработки корпусных деталей к которым относятся сложные детали призматической формы в составе ГПМ используются обрабатывающие центры. Наличие высокой степени автоматизации процесса обработки и возможность автоматической смены инструмента в процессе работы повышают автономность станка и сокращают потребность в обслуживании станка оператором. В то же время при использовании обрабатывающего центра в составе ГПМ возникает задача автоматической смены и закрепления заготовок существенно отличающихся размерами и формой.
Для установки заготовки на спутник используется вспомогательное приспособление конструкция которого определяется конфигурацией конкретной заготовки.
Для обрабатывающего центра ИР320ПМФ4 разработан комплект (рис. ниже) который включает базовые элементы (угольник 1 с сеткой координатно-фиксирующих отверстий патрон 2 и плиту 3) а также установочные и крепёжные элементы (4 - клин; 5 18 - шпильки; 6 20 - корпусы; 71519 - винты; 8 - хомут; 9 - кольцо; 10 - удлинитель; 112) - упоры; 1214 - гайки; 1323 - шайбы; 16 - прихват; 17 - пружина; 2224 -болты).
Комбинируя перечисленные элементы в разных сочетаниях получают приспособление необходимое для установки и базирования на спутнике детали конкретной конфигурации.
Конструкция спутника (рис. ниже) используется в отечественной ГПС модели АЛП-3-1. Спутник снабжён направляющими типа «ласточкин хвост». Конструкция таких направляющих обеспечивает стабильную установку спутника в приспособлении станка с точностью ± 0015 мм. На верхней поверхности плиты расположены базовые пальцы 2 и 3 и резьбовые отверстия 4 предназначенные для установки и базирования промежуточного приспособления с заготовкой. Спутник снабжён кодовой гребёнкой К которая определяет конкретный код спутника для заготовки которого производится выполнение набора конкретных операций. При смене заготовки или её переустановке меняют кодовую гребёнку.
Накопители спутников
Для автоматической работы модуля в течение заданного промежутка времени необходимо иметь запас заготовок. Эти заготовки на спутниках хранятся в накопителе модуля. Сюда поступают спутники с обработанными деталями для временного их хранения. При использовании модуля в составе ГПМ с развитой транспортно-складской системой накопитель модуля может отсутствовать однако при автономном использовании модуля в режиме безлюдной технологии их необходимо применять. Ёмкость накопителя выбирается такой чтобы обеспечить заданную продолжительность работы модуля в автономном режиме. При этом в накопителе могут содержаться разные заготовки необходимые для обеспечения выпуска заданной на данный период номенклатуры деталей.
В состав накопителя входят устройства для установки спутников их перемещения и для обеспечения приёмки-выдачи спутников при взаимодействии с внешней транспортной системой и с приёмно-передающем столом станка.
Схемы компоновок накопителей различны. Чаще на практике используются горизонтальные накопители (рис.ниже где 1 - накопитель спутников; 2 - спутник; 3 - позиция загрузки-разгрузки станка; 4 -позиция загрузки-раз-грузки накопителя; 5 транспортная магистраль 6 - транспортный манипулятор; 7- продольный роликовый конвейер для спутников; 8 - угловой подъёмный механизм; 9 - поперечный цепной конвейер ускоренного перемещения спутников).
Основу кругового накопителя (рис. ниже а) составляет круговая платформа с позициями для установки спутников. Число позиций накопителя зависит от его размеров. Часто используется накопители на восемь позиций. Такой накопитель имеет привод для периодического поворота платформы на угол соответствующий шагу позиций и механизмы перемещения спутников между накопителем и позициями 3 и 4 через которые обеспечивается обмен спутниками с внешней транспортной системой и со станком (через приёмно-передающий стол или непосредственно). Специальное устройство 4 обмена спутниками с транспортной системой может отсутствовать и тогда спутники подаются непосредственно в свободную позицию накопителя.
Большую ёмкость при сравнительно небольших габаритах имеет накопитель карусельного типа (рис. 112 б). Основу такого накопителя представляет замкнутый конвейер который обеспечивает пошаговое перемещение спутников. Конструкция карусельного накопителя получается сложнее чем конструкция кругового накопителя В таких накопителях часто используются цепные конвейеры с грузонесущими платформами. Карусельные конвейеры могут применяться при обработке заготовок массой до 500 кг.
В накопителе (рис. 112 в) перемещение спутников осуществляется транспортным манипулятором. В каждый момент времени в таком накопителе движется только один спутник. При этом транспортный манипулятор 6 обеспечивает захват спутника 2 из позиции накопителя I и перемещение его к позиции 3 обслуживания станка а также обратные перемещения. Загрузка накопителя производится через одну из его позиций. Сам накопитель прост по конструкции не содержит приводов и движущихся деталей однако конструкция транспортного манипулятора сложна и стоимость накопителя может быть значительной. Известные накопители такого типа имеют до 10 позиций.
Роликовый конвейер-накопитель (рис. 112 г) имеет два продольных роликовых конвейера 7 которые соединяются двумя поперечными цепными конвейерами 9 обеспечивающими ускоренное перемещение спутников. Для передачи спутников с роликового конвейера 7 на цепной 9 служат угловые подъёмные механизмы 8. Накопитель имеет также механизм перемещения спутников на приёмно-передающий стол станка. Ёмкость накопителя составляет до 12 спутников.
Рассмотренные схемы являются наиболее распространенными и встречаются в различных вариантах исполнения. Наряду с этими схемами накопителей используются и другие. Например встречаются накопители вертикального типа в которых спутники размещаются на вертикальном конвейере.
При использовании накопителя должен обеспечиваться доступ к его произвольной позиции что необходимо для поиска конкретной заготовки. Поэтому накопители снабжаются устройствами определения кодов спутников. А система управления накопителем имеет возможности поиска и выбора любого нужного в данный момент спутника на какой бы позиции он не находился.
Накопитель взаимодействует с транспортной системой ГПС. Для обмена спутниками между приёмной позицией накопителя и транспортным средством необходимо обеспечить точное позиционирование последнего относительно позиции накопителя.

13.doc

13. Выбор обрабатывающего оборудований ГПМ
В качестве основного технологического оборудования в механообрабатывающих ГПМ используются металлорежущие станки. К станку предъявляются требования высокой степени автоматизации процесса обработки и гибкости т.е. обеспечения автоматизированной перенастройки станка при смене обрабатываемой детали. 'Этим двум требованиям одновременно отвечают металлообрабатывающие станки с ЧПУ которые являются основным видом оборудования для ГПМ механообработки.
Для использования станка в составе ГПМ необходимо автоматизировать следующие функции:
переналадку станка на изготовление детали нужного типоразмера;
загрузку заготовок и выгрузку обработанной детали;
контроль и коррекцию режимов технологического процесса;
контроль геометрических параметров обрабатываемых деталей;
контроль состояния инструмента;
замену сломанного изношенного или ненужного инструмента;
сбор и удаление отходов технологического процесса;
контроль наличия расхода и других параметров используемых технологических материалов (технологических сред);
диагностику узлов станка и его системы управления;
связь с более высоким уровнем управления
При проектировании ГПМ выбирают станки у которых перечисленные функции могут выполняться автоматически или производят небольшую модернизацию станка для автоматизации этих функций. На выбор оборудования влияет тип обрабатываемой детали. С этой точки зрения механообрабатывающие ГПМ можно разделить на две группы:
ГПМ для обработки деталей типа «тел вращения»
ГПМ для обработки корпусных деталей.
В ГПМ первой группы используются токарные станки с ЧПУ: центровые патронно-центровые патронные. Требованиям работы в составе ГПМ наиболее полно отвечают станки моделей 16К20ФЗ 16КЗОФЗ ИРТ180ПМФ4 Ш61П1МФЗ 16Б16ФЗ 1713ФЗ 172ОФ30 KT14I 1П42ОПФ40 и другие.
Высокую степень автоматизации имеет многоцелевой токарный станок с ЧПУ модели ИРТ180ПМФ. Этот станок оснащен в частности системой автоматической смены инструмента и измерительной головкой выдвижного типа предназначенной для контроля размеров инструментов в сменном диске револьверной головки. На станке можно выполнять операции точения фрезерования сверления растачивания и нарезания резьбы.
Двухкоординатный суппорт станка оснащен 2-позиционной револьверной головкой с горизонтальной осью вращения. Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон с быстросменными комплектами кулачков обеспечивает быструю переналадку станка. Станок имеет герметичное ограждение рабочей зоны и автоматический конвейер для уборки стружки расположенный непосредственно под зоной резания.

3.doc

Стадии проектирования.
научно-исследовательских работ (НИР)
-Предпатентный поиск;
-разработка и согласование с заказчиком ТЗ;
-Теоретические и экспериментальные исследования;
-Обобщение результатов и оценка выполненной НИР;
-Обсуждение и согласование задания на ОКР.
опытно-конструкторских работ (ОКР)
-Техническое предложение;
-Технический проект;
-Разработка рабочей презентации.
технического проекта
испытаний опытного образца.
Проектирование как отдельных объектов так и систем начинается с выработки технического задания (ТЗ) на проектирование. В ТЗ содержатся основные сведения об объекте проектирования условиях его эксплуатации а также требования предъявляемые заказчиком к проектируемому изделию. Важнейшее требование к ТЗ - это его полнота. Выполнение этого требования определяет сроки и качество проектирования. Следующий этап - предварительное проектирование - связан с поиском принципиальных возможностей построения системы исследованием новых принципов структур обоснованием наиболее общих решений. Результатом этого этапа является техническое предложение.
На этапе эскизного проектирования производится детальная проработка возможности построения системы его результатом является эскизный проект.
На этапе технического проектирования выполняется укрупненное представление всех конструкторских и технологических решений; результатом этого этапа является технический проект.
На этапе рабочего проектирования производится детальная проработка всех блоков узлов и деталей проектируемой системы а также технологических процессов производства деталей и их сборки в узлы и блоки.
Заключительный этап - изготовление опытного образца по результатам испытаний которого вносят необходимые изменения в проектную документацию.
При неавтоматизированном проектировании наиболее трудоемкими являются этапы технического и рабочего проектирования. Внедрение автоматизации на этих этапах приводит к наиболее эффективным результатам

18.doc

Определение суммарной погрешности позиционирования промышленных роботов.
В роботе каждая степень подвижности имеет автономный привод обеспечивающий определенную точность позиционирования. Погрешность позиционирования по степени подвижности определяется выражением где КИ – коэффициент характеризующий качество измерительной системы. В современных измерительных системах роботов КИ=15 20.
Так как в позиционировании участвуют степени подвижности осуществляющие как прямолинейное так и вращательное перемещения суммарная погрешность робота имеет вид
где ΔS-составляющая погрешности от степеней подвижности осуществляющих прямолинейное движение; Δφ- составляющая погрешности от степеней подвижности осуществляющих вращательное движение (К-коэффициент запаса равный 12 13). Величину ΔΣ определяют исходя из требований к точности установки объекта манипулирования а величины ΔS и Δφ – исходя из взаимосвязи линейных и угловых погрешностей робота и их значений приведенных к объекту манипулирования:
где П l В Di – число дискрет датчика используемых на перемещениях. Величины Пi Вi li определяются из геометрических зависимостей взаимного положения схвата и звеньев робота при позиционировании.

8,19,31.doc

8) Синергетическая интеграция - это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения как правило по одной управляемой координате.
Мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками» из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.
Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения. Приведем схему энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном модуле.
На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения которое формируется верхним уровнем системы управления а выходом является целенаправленное мехатронное движение конечного звена например перемещение выходного вала модуля.
Для физической реализации электромеханического мехатронного модуля теоретически необходимы четыре основных функциональных блока последовательно-соединенные: информационно-электрический и электромеханический функциональный преобразователь в прямой цепи и электро-информационный и механико-информационный преобразователи в цепи обратной связи.
Интегрированные мехатронные модули и машины отличаются повышенной надежностью устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям точностью выполнения движений модульностью и компактностью конструкции. С точки зрения потребителя - это целостные изделия удобные при настройке и программировании движений. Интегрированные решения в конечном счете экономически выгодны для потребителя так как машина принимается "под ключ" упрощается ее сервис и повышается ремонтопригодность.
Безусловно системы с глубокой степенью интеграции элементов имеют и оборотную сторону - такие машины являются менее гибкими т.е. имеют ограниченные возможности для модернизации и реконфигурации. Поэтому мехатроника предлагает конечным потребителям мехатронные модули различного уровня интеграции что позволяет находить разумный компромисс для конкретных задач автоматизации.
Узким местом (по-английски "bottleneck" - бутылочное горлышко) мехатронных модулей и машин являются интерфейсы между составляющими устройствами и элементами.
Понятие "интерфейс" является ключевым для предлагаемого подхода к проектированию мехатронных модулей и систем. В первую очередь отметим что взаимодействие основных устройств в мехатронной системе осуществляется не напрямую а через некоторые соединительные блоки. С физической и технической точки зрения это могут быть совершенно различные устройства однако они имеют одинаковое функциональное назначение. Их главная функция - это выполнение энергетического и информационного обмена между сопрягаемыми структурными элементами системы.
Место интерфейса в структуре мехатронной системы задается связями с входными и выходными устройствами. Технические характеристики интерфейса определяются способом и процедурой передачи (при необходимости - преобразования хранения и синхронизации) воздействий сигналов и информации а также аппаратно-программной реализацией используемых каналов связи.
Основные интерфейсы мехатронной системы
Характеристики интерфейса
Устройство на выходе
Передаваемые воздействия сигналы информация
Человек-оператор или компьютер верхнего уровня
Устройство компьютерного управления (УКУ)
Силовые электронные преобразователи
Сигналы управления приводами
Силовые электронные " преобразователи
Исполнительные двигатели
Управляющие напряжения
Механическое устройство
Движущие силы и моменты
Информационное устройство
Информация о состоянии механического устройства
Информация о состоянии двигателей
Сигналы обратной связи
Проблема интерфейсов" обусловлена многогранностью структурного и технологического базисов мехатроники. В таблице перечислены основные мехатронные интерфейсы.
Как следует из приведенной таблицы многочисленные интерфейсы в мехатронной машине связывают устройства различной физической природы (механические электронные и информационные) что предопределяет их конструктивную и аппаратно-программную сложность. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой самостоятельные устройства и узлы. Обычно это блоки которые выпускаются специализированными фирмами но многие интерфейсы приходится разрабатывать и изготовлять самим пользователям. В машине с компьютерным управлением по трем координатам построенной на традиционных приводах только для связи основных устройств необходимо соединить порядка 100 сигнальных и силовых проводов. Опыт эксплуатации комплексных машин и систем показывает что до 70 % проблем их функционирования связаны с надежностью связей и соединений.
) Определение максимальных скоростей и ускорений. Расчет проводят исходя из реального закона движения (рис. 1 а) путем приравнивания заштрихованных площадей реального графика движения и графика движения со средней скоростью
) Накопитель заготовок
Входящий в состав модуля накопитель обеспечивает приём извне заготовок накопление и временное хранение заготовок и обработанных деталей а также выдачу обработанных деталей автоматизированной транспортной системе. В качестве накопителей используются многоместные приёмно-передающие столы или различного рода магазины. Накопитель должен обладать достаточной ёмкостью обеспечивать заданную ориентацию заготовок и деталей в заданных пределах.
На рис. 2 показан пример кассетного накопителя используемого в ГПМ на базе станка 16К2ОФ3 для обработки ступенчатых дисков массой до 3 кг и диаметром до 150 мм. Накопитель выполнен в виде кронштейна 1 крепящегося к станине станка на которую устанавливается многоместная кассета 2 с заготовками 3.
Заготовки располагаются в шахматном порядке в направляющих отверстиях выполненных в верхней плите кассеты. Для выбора заготовок из гнёзд кассеты ПР должен обеспечить последовательное позиционирование в очередную позицию захвата что достигается например использованием позиционной системы ЧПУ ПР. После обработки всей партии деталей кассета заменяется целиком. Для деталей разной конфигурации используются кассеты с различным исполнением базирующих элементов: отверстия штыри прорези и др.
Более сложен накопитель конвейерного типа (рис. 3). Основание 1 накопителя устанавливается на полу. На основании 1 установлены грузонесущие площадки 2 которые могут перемещаться по направляющим. Площадки 2 связаны цепью 3 охватывающей звёздочки 4. Со звёздочками 4 соединён шаговый привод за один цикл работы которого грузонесущие площадки перемещаются на один шаг и в позицию захвата ПР подаётся очередная площадка с установленной на ней заготовкой.
При этом длинные валы могут устанавливаться на грузонесущую площадку с помощью промежуточных призм (рис. 4 где 1 – заготовка вала; 2 – призма;
– грузонесущая площадка).
Закрепление обрабатываемых деталей
Для автоматизации зажима заготовок в шпинделе токарного станка при его загрузке используются быстрозажимные патроны с механическим приводом. Однако такие патроны как правило обладают малым диапазоном зажимаемой детали что создаёт трудности при переходе к обработке деталей с изменившимся диаметром зажима. Решение этой задачи достигается применением промежуточных патронов автоматической заменой зажимных кулачков патрона с использованием промышленного робота и применением быстропереналаживаемых автоматических патронов.
В первом случае обрабатываемые заготовки предварительно вручную закрепляются в промежуточном патроне со стандартной посадочной частью за которую этот промежуточный патрон зажимается в патроне станка (рис.5 1 – быстрозажимной патрон станка; 2 – промежуточный вспомогательный патрон; 3 – заготовка; Dk – диаметр зажима промежуточного патрона; DЗ – диаметр заготовки). Промежуточный патрон выбирается для конкретной конфигурации заготовки и может быть двух- трёх- четырех- или шестикулачковым рассчитанным на зажим как по наружному так и по внутреннему диаметрам. Точность установки заготовок с использованием промежуточного патрона достаточно высока и погрешность зажима лежит в пределах 20 мкм.
Недостатком системы является необходимость в трудоёмкой ручной операции предварительного закрепления заготовок в промежуточном патроне и последующего освобождения обработанных деталей.

5.doc

Мехатронные модули - это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением предназначенные для выполнения движений как правило по одной управляемой координате.
Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения.
Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с
традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов.
Синергетическая интеграция - это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Синергетика- это усиление отдельных свойств (имея два предмета которые имеют определенные свойства их объединяют при этом появляются новые свойства которыми не могли обладать эти предметы в отдельности в этом и заключается принцип синергетики)
Пример. В данном вопросе в качестве примера можно рассмотреть мотор-редуктор. Раньше приходилось использовать мотор-редукторы соединённые муфтами они как правило занимали много места сейчас используют мотор-редукторы компактные универсальные намного удобные.

36.doc

36. Методы контроля за состоянием РИ.
Их можно разделить на прямые и косвенные. Коротко: прямые связаны с изменением геометрии резца а косвенные: с термосостоянием зоны резания с виброакустическими изменениями с силовыми изм-ями. Применение этих методов в производстве затруднено вследствие наличия стружки.
Прямые состоят в непосредственном измерении параметров инструмента при этом калибруется износ расстояние от режущей кромки до центра лунки глубина лунки уменьшение объема или массы инструмента размерный износ режущей кромки и др.Недостаток: в условиях производства эти методы можно применять только после прекращения процесса резания (межоперационный контроль) поэтому не исключается появление брака изделий между контрольные операциями. Эти методы не универсальны.
Косвенные методы активного контроля используются в процессе резания который сопровождается рядом физ.явлений основные: изменение термоэлектрического состояния зоны контакта детали с инструментом изменение составляющих величины силы резания изменение характера вибросигналов.
Косвенные методы активного контроля используются в процессе резания который сопровождается рядом физ.явлений основные: изменение термоэлектрического состояния зоны контакта детали с инструментом изменение составляющих величины силы резания изменение характера вибросигналов. Т.О. косвенные связаны с изменениями термосостояния зоны резания виброакустическими с силовыми. Применение этих методов в производстве затруднено вследствие наличия стружки.
При работе ГАМ наиболее эффективен контроль состояния режущего инструмента в процессе резания поскольку такой контроль не увеличивает цикла обработки введением дополнительных контрольных операций а нарушение работоспособности инструмента в принципе может быть обнаружено за время определяемое быстродействием измерительного преобразователя и средств обработки информации. Это особенно важно когда обрабатываются сложные детали и время обработки велико. В то же время техническая реализация достоверного контроля в процессе обработки наиболее сложна.
Наиболее простым из известных и широко применяемых методов контроля состояния инструмента в процессе резания является метод непрерывного или через короткие промежутки времени (для каждой детали) измерения текущих параметров приводных электродвигателей.
Метод в принципе легко реализуем для действующего парка оборудования поскольку не требует каких-либо существенных его изменений. Иллюстрация данного метода дана на рис. 4.5. Измерительные преобразователи устанавливаемые обычно на электродвигателях регистрируют изменения тока нагрузки и через АЦП передают информацию для обработки в микроЭВМ. Информативность данного метода во многом зависит от полноты и точности статистических данных о зависимости текущих параметров приводных электродвигателей для различных режимов резания всех применяемых инструментов с учетом особенностей комплексных деталей для групп которые могут обрабатываться на данном конкретном станке или обрабатывающем центре.
Целый ряд работ известных в научно-технической литературе посвящен применению акустического излучения для контроля состояния режущего инструмента. Считается что акустическое излучение (эмиссия) представляет собой упругую энергию
которая высвобождается в твердом теле при деформациях или разрушении. Акустический сигнал регистрируется датчиком воспринимающим ударные волны возникающие при высвобождении энергии. При этом различают низкочастотный сигнал с большой амплитудой связанный с поверхностными явлениями (например образование линий сдвига) и высокочастотный — с небольшой амплитудой источником которого являются внутренние явления возникающие при нагружении материала.
На рис. 4.6 представлена схема контроля поломки режущего инструмента акустическим методом. С помощью магнита к концу хвостовика инструмента прикрепляется акустический датчик с номинальной собственной частотой 05 МГц. Получаемый акустический сигнал усиливается соединенными последовательно предварительным и основным усилителями. Полоса частот фильтруется с помощью установленных в усилителях полосовых фильтров. Для верхних частот выбрана полоса пропускания 100 кГц чтобы подавить низкочастотные шумы от различных звуков и вибраций а для низкочастотного фильтра полоса пропускания составляет 1 кГц что исключает электрические шумы. На резцедержателе вблизи режущей кромки устанавливается также датчик ускорения сигнал от которого измеряется для сравнения в направлении скорости резания.

16.doc

Система координат — комплекс определений реализующий метод координат то есть способ определять положение точки или тела с помощью чисел или других символов. Совокупность чисел определяющих положение конкретной точки называется координатами этой точки.
Рабочая зона – это досягаемость рабочим органом различных точек пространства. В зависимости от рабочей зоны выбирается система координат.

9,20, 28.doc

Метод объединения элементов мехатронного модуля в едином корпусе.
Минимизация конструктивной сложности мехатронного модуля путём создания элементов реализующих несколько функциональных и структурных преобразований.
Мехатронные модули – это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением предназначенные для выполнения движений как правило по одной управляемой координате.
Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов т.е. суть метода заключается в аппаратно-конструктивном объединении выбранных элементов (интеллектуальных устройств) и интерфейсов в едином корпусе ММ.
Синергетическая интеграция – это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Преимущества которые даёт применение интеллектуальных мехатронных модулей:
- способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно без обращения к верхнему уровню управления что повышает автономность модулей гибкость и живучесть мехатронных систем работающих в изменяющихся и неопределённых условиях внешней среды;
- упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления что позволяет добиваться помехозащищенности МС и её способности к быстрой реконфигурации;
- создание на основе ИММ распределённых систем управления с применением ПК и соответствующего программного обеспечения;
- использование современных методов управления (программных адаптивных интеллектуальных оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях.
Интеграция элементов в мехатронных модулях является ведущей тенденцией при создании современных машин и систем т.к. позволяет добиться качественно нового уровня по основным техническим показателям – скорости и точности движения компактности конструкции и способности машины к быстрой реконфигурации. Практическое воплощение этой тенденции в машинах сегодняшнего дня зависит от эффективности взаимодействия конструктора который выдвигает новые интеграционные идеи и технолога реализующего предложенные проектные решения в автоматизированных технологических процессах.
Определение параметров движения по степеням подвижности. Определение средних скоростей. Циклограмма работы оператора и робототехнического комплекса.
Для каждой степени подвижности должны быть определены средняя технологическая скорость (цикловая) максимальные скорость и ускорение.
Определение средних скоростей:
Исходной величиной для определения максимальной скорости и ускорения является средняя (цикловая скорость)
Где - суммарное перемещение кисти робота; - суммарное время цикла выполняемого роботом. Суммарное перемещение кисти робота рассчитывается из программы робота и планировки ГПМ. Время цикла определяется на основе технологических требований и сравнивается со временем цикла выполняемого вручную и рентабельности внедрения промышленного робота:
Где - время выполнения цикла человеком; - коэффициент увеличения производительности труда при замене человека роботом.
Время выполнения цикла человеком определяется как сумма времени на выполнение всех движений в цикле. При наличии утверждённых нормативов выполнения ручных операций вычисляют с их использованием .
Минимальный уровень рентабельности определяется отсутствием убытков т.е. годовой экономический эффект должен быть равен нулю:
Где - затраты на производство единицы продукции при ручной работе; В – коэффициент учитывающий уменьшение выхода бракованных изделий при замене рабочего роботом; и - доли отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление единицы изготовляемого изделия; рассчитываются как величины обратные общему сроку службы изделия при ручном производстве и при автоматизированном производстве; - нормативный коэффициент эффективности:
= 0.15; - затраты на эксплуатацию робота отнесённые к единицы времени; - сопутствующие капитальные вложения (без учёта стоимости робота) на отладку ГПМ;
- приведённые затраты на новое средство труда (робот).
Полагая =0 и решая (1.3.) относительно получаем
Где - сроки службы изделия при ручном и роботизированном производстве; - годовые расходы на эксплуатацию робота; - стоимость робота; - срок службы робота; - фонд заработной платы рабочего с учётом отчислений на социальные службы; n – число высвобожденных рабочих.
Таким образом выражение (1.4) учитывает уменьшение выхода бракованных деталей увеличение срока службы изделий эксплуатационные расходы стоимость робота затраты на зарплату рабочего и социальные нужды.
Для определения средних скоростей по степеням подвижности требуется составление циклограммы работы человека (табл. 1) и уже по ней рассчитывают перемещения робота исходя из планировки ГПМ.
Пример циклограммы работы оператора:
Протянуть руку к детали (400 мм)
Снять с переднего центра
Выдвинуть деталь из рабочей зоны станка
Смена режущего инструмента
Токарные станки с ЧПУ оснащаются инструментальными магазинами и револьверными головками в которые устанавливается обрабатывающий инструмент. При этом как правило перед установкой производится размерная настройка инструмента вне станка. При использовании станка в ГПМ возникает необходимость автоматизации замены инструмента в магазине и револьверной головке вследствие его износа или поломки а также при переналадке станка на обработку детали иной конфигурации.
Замена инструмента при обработке деталей может осуществляться следующими способами:
дублированием инструментов в инструментальном магазине и в инструментальной головке и вводом в работу инструмента при износе или поломке основного инструмента;
сменой отдельных инструментов в инструментальном магазине или в инструментальной револьверной головке по мере их выхода из строя или при отсутствии потребности в данном инструменте для дальнейшей обработки;
полной заменой инструментального магазина или револьверной головки на новые оснащенные новым комплектом инструмента.
Способ дублирования инструмента позволяет в процессе обработки партии деталей автоматически перейти на инструмент-дублёр при поломке или затуплении основного инструмента. При этом станок должен быть оснащен автоматической системой диагностики инструмента а сам процесс замены инструмента осуществляется за счёт штатных управляемых программой движений инструментального магазина и револьверной головки. Дополнительных устройств при этом не требуется.
Способ замены инструмента в инструментальном магазине или в револьверной головке позволяет не только заменить новыми изношенные или сломанные инструменты но и изменить состав обрабатывающих инструментов на станке при изменении конфигурации обрабатываемой детали. Для такой замены используются специальные инструментальные манипуляторы вводимые в состав ГПМ или ПР осуществляющий загрузку-разгрузку станка. В последнем случае функции ПР существенно расширяются и к его возможностям предъявляются повышенные требования. Недостатком способа замены отдельных инструментов является сложность его технического осуществления и большое время затрачиваемое на комплектацию инструмента в магазине или револьверной головке что снижает производительность станка.
Замена инструментального магазина или револьверной головки целиком требует минимального времени при переналадке станка и сравнительно просто осуществляется в автоматическом режиме. В этом случае также применяются инструментальные манипуляторы или специальные устройства смены магазина и револьверной головки. Недостаток способа заключается в невозможности полного использования индивидуальной стойкости каждого обрабатывающего инструмента поскольку все инструменты приходится заменять одновременно ориентируясь на худший случай.
Для получения оптимальных характеристик системы смена инструмента ГПМ следует комбинировать все три способа что однако приводит к усложнению конструкторских решений системы.
Одним из возможных решений инструментальной системы ГПМ является размещение у станка дополнительного инструментального магазина с запасом инструментов из которого ПР обслуживающий станок по мере надобности извлекает необходимые инструменты и переносит их в инструментальный магазин станка или в его револьверную головку. В дополнительный инструментальный магазин также помещается сломанный или отработавший инструмент снимаемый со станка. Дополнительные инструментальные магазины крепятся на специальных кронштейнах или стойках.
Основными частями магазина барабанного типа (рис. 102) являются корпус 1 и инструментальный барабан 4. В барабане 4 выполнены направляющие гнёзда в которые устанавливаются инструменты 6 имеющие стандартные оправки. Вал 2 инструментального барабана через редуктор соединён с валом электродвигателя 5. Привод обеспечивает поворот барабана 4 вокруг оси с фиксацией его в шести положениях. Для фиксации барабана служит устройство 3 в состав которого входит также кодовый датчик позиции инструментального магазина.
Для подачи нужного инструмента на станок система управления выдаёт команду приводу магазина для установки позиции в которой находится искомый инструмент в позицию захвата ПР а ПР осуществляя позиционирование по высоте находит нужный инструмент в вертикальном ряду и извлекает его из магазина. Определение нужной позиции инструментального барабана 4 происходит с помощью кодового датчика в устройстве 3.

38.doc

АНАЛИЗ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ
ПОКАЗАТЕЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНОЙ
Принятый подход к проектированию мехатронных модулей и систем заключается в нахождении оптимального соответствия между функциональной и структурной моделями синтезируемой системы. Процесс проектирования интегрированных мехатронных модулей и систем требует численных мер для оценки уровня интеграции элементов для обоснованного выбора среди вариантов решений. Предлагаемый показатель позволяет количественно оценивать функционально-структурной уровень интеграции сравнивать и классифицировать различные мехатронные структуры на ранних этапах разработки.
Алгоритм анализа мехатронной системы на основе показателя функционально-структурной интеграции имеет следующий вид.
Структурная модель исследуемой системы представляется в виде связного ориентированного графа Gs = Gs(Us Vs) где множество вершин Vs составляет структурные элементы системы а множество ребер Us отображает связи между ними. Для геометрического представления ориентированное ребро показывают в виде дуги со стрелкой направление которой совпадает с направлением потока энергии или информации между соединяемыми вершинами.
Для построенной структурной модели Gs определяется число вершин графа Ns равное числу сепаратных блоков используемых в данном структурном варианте.
Функциональная модель мехатронной системы также строится в виде связного ориентированного графа GFO= Gfo(Ufo Vfo) где множество вершин VFO графа образует функциональные преобразователи а множество ребер UFO отображает связи между ними.
Если в исходной функциональной модели две соседние вершины соответствуют одинаковым по типу функциональным преобразованиям то они объединяются в одну вершину. В результате этой операции получаем сжатый функциональный граф GF = Gf(UfVf) который содержит только оригинальные преобразователи.
Для сжатого функционального графа GF определяют число вершин NF равное числу оригинальных функциональных преобразователей в исследуемой мехатронной системе.
Показатель функционально-структурной интеграции (ФСИ) для данной мехатронной системы рассчитывают как отношение
Введенный показатель ФСИ представляет собой численную оценку уровня интеграции составляющих элементов. При проектировании интегрированных мехатронных систем следует стремиться к повышению показателя ФСИ т.е. реализовывать наибольшее количество функциональных преобразований минимально возможным числом структурных элементов. В этом смысле выгодно создавать многофункциональные мехатронные модули.
В общем случае показатель IFS будет отрицательным для избыточных структур где число отдельных структурных элементов в системе превышает число заданных функциональных преобразований.
Для мехатронных решений целесообразно принять за базовую степень интеграции значение IFS = 0 (рис. 1).
Рис. 1. Показатели функционально-структурной интеграции для традиционных приводов и мехатронных решений
Применение мехатронных решений основанных на различных методах интеграции позволяет получить структурные решения с положительными значениями показателя ФСИ (см. рис. 1). Зависимость показателя ФСИ от числа интегрируемых элементов при заданном числе функциональных преобразований имеет гиперболический характер. Особенно высокая степень интеграции достигается при объединении в меха-тронном модуле более пяти элементов. Этому условию удовлетворяют интеллектуальные мехатронные модули в которых максимум функциональных преобразований сосредоточен в едином (с точки зрения пользователя) структурном элементе.
Введенный показатель ФСИ может быть рассчитан не только для мехатронного модуля полного состава но и его отдельных подсистем.
Очевидно что все аспекты анализа классификации и проектирования столь сложных систем как мехатронные не могут быть оценены единственным численным критерием. Тем не менее введенный показатель ФСИ дает возможность сравнивать структуры мехатронных систем и определять уровень достигнутой интеграции для конкретного технического решения.

25.doc

25 Компоновка ГПМ для обработки тел вращения
Для обработки тел вращения в составе ГПМ используется операционный станок с ЧПУ токарной группы. Автоматизация загрузки и разгрузки такого станка производится с помощью промышленного робота. ПР может при этом выполнять также некоторые другие функции обслуживания. Могут быть использованы портальные напольные и встроенные ПР. Тип применяемого ПР определяет общую компоновку ГПМ. Рассмотрим ряд типовых компоновок ГПМ в составе «операционный станок с ЧПУ – промышленный робот».
Линейная однорядная компоновка ГПМ на базе портального ПР (рис. 1 где обозначены следующие элементы: 1 – портал ПР; 2 – манипулятор ПР;
– станок с ЧПУ; 4 – накопитель; 5 – шпиндель станка). Портал 1 ПР при данной компоновке располагается над обслуживаемым оборудованием таким образом что координатная плоскость ОCZ рабочих перемещений робота проходит через ось шпинделя 5 станка 3 (предполагается станок токарной группы с горизонтальной осью шпинделя). При этом накопитель 4 располагается в одну линию со станком 3. Рабочая зона ПР должна включать рабочие зоны накопителя и станка.
Для реализации линейной компоновки ГПМ может быть использован портальный ПР с плоской системой координат. ПР обеспечивает загрузку-разгрузку станка и его связь с накопителем. При линейной компоновке в состав ГПМ обычно входит только один станок что определяется ограниченными размерами портала ПР. Линейная многорядная параллельная компоновка (рис. 2 где 1 – портал ПР; 2 – манипулятор ПР; 3 – станок; 4 – накопитель) имеет больше возможностей.
В ГПМ используется портальный ПР с многозвенной рукой. Его рабочая зона располагается по обе стороны портала что позволяет устанавливать обслуживаемое оборудование по обе стороны от портала и тем самым увеличивать число обслуживаемых единиц оборудования. В результате появляется возможность создания многостаночных ГПМ.
Достоинством ГПМ с портальным ПР является экономия производственных площадей и возможность обработки крупногабаритных деталей (массой до 300 кг). В то же время описанные компоновки пригодны в основном для обслуживания станков с горизонтальной рабочей осью. Портальные ПР могут быть многорукими что увеличивает их производительность.
Значительные возможности при построении ГПМ дает использование напольного робота с цилиндрической или сферической системой координат при круговом расположении обслуживаемого оборудования относительно ПР (рис. 3). При круговой компоновке ПР 1 устанавливается в центре а вокруг него размещаются накопитель 2 и обрабатывающие станки 3. ПР должен иметь достаточную рабочую зону для обслуживания установленного оборудования. В известных ГПМ одновременно используются до пяти станков.
При компоновке ГПМ напольные ПР могут устанавливаться на вспомогательные стойки или на технологическое оборудование (рис. 4 где 1 – станок; 2 – робот; 3 – накопитель; 4 – стойка ПР). В рассматриваемом варианте использован ПР с цилиндрической системой координат ось Z которой располагается горизонтально (это должно допускаться конструкцией ПР). Возможна установка ПР непосредственно на переднюю бабку токарного станка.
К ПР входящему в состав ГПМ предъявляются требования гибкости что прежде всего означает возможность автоматического перепрограммирования его рабочего цикла и перенастройку для манипулирования с объектами различной конфигурации.
Первому условию отвечают ПР с ЧПУ имеющие средства адаптации к изменяющимся условиям функционирования. Возможность работы с различными предметами манипулирования (заготовки детали инструмент оснастка) обеспечивается либо созданием универсальных широкодиапазонных захватов манипулятора либо обеспечением возможности автоматической смены захватов хранящихся в специальных магазинах. Такие быстросменные захваты автоматически заменяются в ходе отработки рабочего цикла ПР под управлением рабочей программы.

30.doc

Автоматизация уборки стружки является трудной задачей однако при использовании модуля в безлюдном режиме эту задачу необходимо решать. Наиболее благоприятные условия для удаления стружки создаются при обработке вертикальных поверхностей детали. При этом стружка по большей части падает вниз где устанавливаются стружкосборники. Для защиты направляющих и горизонтальных поверхностей станка устанавливаются дополнительные экраны (рис. 118 где 1 – шнековый транспортер для стружки; 2 – наклонные защитные экраны; 3 – шпиндель обрабатывающего центра; 4 – обрабатываемая заготовка). При выборе станка для ГПМ следует рассмотреть его конструктивные особенности влияющие на отвод стружки из зоны обработки.
Если при проектировании станка этот вопрос удачно решен то дальнейшие проблемы стружкоуборки становятся значительно проще. Полностью решить проблему стружкоудаления за счет её естественного падения вниз не удаётся. Дополнительно используют смыв стружки смазочно-охлаждающей жидкостью или сдув сжатым воздухом.
Для этого вокруг шпинделя часто располагаются несколько сопел в которые подается жидкость обеспечивая смыв стружки с поверхности детали и инструмента. Сжатый воздух можно применять для удаления мелкой и лёгкой стружки. При принудительном стружкоудалении необходимо ограждать рабочую зону.
Хорошие результаты дает удаление стружки с помощью различных щёток скребков и пр. Например резиновый скребок может устанавливаться в инструментальный магазин станка и после обработки детали вызываться в шпиндель. Перемещая скребок под управлением программы очищают стол станка и другие поверхности. Если станок обслуживается промышленным роботом то удаление стружки с помощью щётки и скребка может быть одной из его функций.
Сложно удалять стружку из отверстий особенно из отверстий малых диаметров. В тоже время наличие стружки в отверстии может например существенно усложнить операцию резьбонарезания метчиком.
Специальное устройство для удаления стружки из отверстий и её сбора (рис.119) представляет собой контейнер 3 снабжённый стандартным хвостовиком 4 и хранимый в инструментальном магазине обрабатывающего центра. Контейнер устанавливается в шпиндель станка и подводится к поверхности обрабатываемой детали 1 до соприкосновения с поверхностью резинового шланга 2. После этого в центральную трубку подаётся воздух под давлением происходит выдувание стружки из отверстия и перенос её в контейнер.
Ёмкость контейнера достаточна для сбора стружки в течение двух смен. Стружка удаленная из рабочей зоны станка падает в стружкоприёмники транспортёров и удаляется за пределы станка. Дальнейшая транспортировка стружки возможна либо с помощью робокаров либо с помощью различных конвейеров. При этом система стружкоудаления на базе использования робокаров отличается гибкостью и не требует больших затрат на своё осуществление.
При обработке корпусных деталей возникает необходимость в очистке самих деталей от стружки после обработки. Для этой цели используют мойку детали в моечных камерах или с помощью промышленных роботов очистку деталей с помощью промышленных роботов или специальные качающиеся платформы где с наклоняемой детали стружка ссыпается.
На рис. 120 показана схема камеры для очистки деталей от стружки используемая в ГПМ АЛП-3. Плотно закрываемая камера 1 имеет подъёмную дверку 3 и направляющие 5 для установки спутника с обработанной деталью. Направляющие 5 выполнены на поворотной платформе которая с помощью электромеханического привода 2 может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. После подачи спутника с деталью в камеру автоматически закрывается дверка 3 и включается привод 2 поворачивающий спутник с деталью вокруг горизонтальной оси на 360°.
Одновременно от гидростанции в магистраль 4 снабженную системой сопел подаётся эмульсия обеспечивая интенсивный смыв стружки и загрязнений с детали и удаление стружки. Камера может использоваться самостоятельно в технологическом маршруте обработки детали или встраиваться в накопитель обработанных деталей в составе ГПМ. После моечной камеры обработанная деталь готова к передаче на сборку или к поставке потребителю.

39.doc

ПОКАЗАТЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ
Большой интерес представляет распределение функций между структурными элементами мехатронной системы. Современная тенденция при построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным компьютерным и информационным) компонентам которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Использование данного метода интеграции позволяет минимизировать механическую сложность мехатронной системы.
На рис. 1 представлен характерный график который отражает динамику этого процесса в производственных машинах за 30 лет начиная с 1970-х годов.
Рис.1 Распределение функциональной нагрузки в современных производственных машинах
Анализ показывает что еще в начале 90-х годов XX века подавляющее большинство функций машины (более 70%) реализовывалось механическим путем. Однако сейчас механические устройства все чаще становятся узким местом в сложных машинах. Это объясняется их недостаточной функциональной гибкостью наличием трения люфтов и упругостей в передачах все возрастающей стоимостью изготовления.
Поэтому в последующие десятилетия происходило постепенное вытеснение механических узлов сначала электронными а затем и компьютерными блоками. Производители отдают предпочтение упрощенным механическим решениям но со сложными интеллектуальными системами управления. В настоящее время в мехатронных системах объем функций (а соответственно и стоимость) распределен между механическими электронными и компьютерными компонентами практически поровну. При этом доля компьютерной части возросла за последнее 10-летие вдвое и есть все основания прогнозировать сохранение этой тенденции в технике будущего.
Мехатронный подход предполагает не дополнение а замещение функций традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.
Для количественного анализа и оценки мехатронных модулей и систем введем специальную меру - показатель распределения функциональной нагрузки (РФН). Показатель РФН позволяет оценить объем функциональной нагрузки которую несет каждый из структурных элементов или блоков в исследуемой системе. Чем выше значение данного показателя тем большее влияние оказывает данный элемент на качество системы в целом т.е. ее стоимость надежность и другие комплексные характеристики. Показатель РФН является численной мерой которая определяет важность структурной единицы (элемента группы элементов подсистемы) на основе наличия и числа ее связей с другими элементами системы. Чем выше ранг данного узла тем большую функциональную нагрузку он несет тем больше он влияет на качество системы в целом.
Используем метод анализа значимости структурных элементов разработанный на основе теории графов и матриц. Алгоритм вычисления рангов структурных элементов и анализ распределения функциональной нагрузки внутри системы имеет следующий вид.
Структурная схема исследуемой системы представляется в виде ориентированного графа G = G(V U) где множество вершин V составляет структурные элементы системы а множество ребер U отображает связи между ними. Для геометрического представления ориентированное ребро и U показывается в виде дуги со стрелкой направление которой совпадает с направлением потока энергии или информации между соединяемыми вершинами. Рассматриваются только связные графы в которых для любой пары вершин(vivj)V (ij = 1 и) существует соединяющий их путь.
Для построенного графа формируется матрица смежности
Пусть структура системы содержит п вершин (Х1Х2 Хn) V
соединенных т ребрами (u1и2 ит)U. Тогда получаем матрицу А размером (п х п) которая состоит из нулей и единиц. Элемент матрицы аij = 1 если граф содержит ребро uijU направленное от вершины Xi к
j-му узлу. В противном случае принимается что aij = 0. Число единичных элементов в матрице А будет равно числу ребер.
Определяем матрицу R по следующей формуле:
где А - матрица смежности; Е - единичная матрица.
Ранг элемента Xi определяется как сумма элементов i-й строки матрицы R :
Таким образом ранг структурного элемента представляет собой
векторную норму первого порядка матрицы R в пространстве Сn (п -мерное вещественное пространство). Иногда такой вектор еще называется манхэттенским вектором т.е. его ранг рассчитывается суммированием элементов в строках матрицы.
Показатель РФН для структурного элемента Xi определяется выражением
Как следует из формулы значение этого показателя определяется в процентном соотношении и нормализуется таким образом что сумма показателей РФН всех элементов системы единична для любого исходного графа т.е.
Такая нормализованная форма удобна для сравнительного анализа распределения функциональной нагрузки в системах различной сложности и с различными типами структуры.
Расчет общего показателя РФН группы элементов входящих в определенную подсистему g G производится суммированием показателей РФН составляющих элементов.
Например если заданная группа g состоит из k элементов
V (X1Х2 Хk) тогда показатель РФН группы получается как сумма к показателей:
Для оценки функциональной нагрузки целесообразно определить среднее значение показателя РФН для элементов данной группы:
Ранжирование элементов мехатронной системы производится на основе значений их показателей РФН и делается заключение о распределении функциональной нагрузки в исследуемой системе.
Средний показатель РФН для элементов компьютерной и электронной группы
Структурные варианты подсистемы управления
Средний показатель РФН %
Традиционная структура (первый уровень интеграции)
Структура второго уровня интеграции
Структура третьего уровня интеграции
В табл. 1 приведены средние значения показателя РФН для группы элементов содержащих компьютерные и электронные компоненты. Эта группа содержит структурные блоки ответственные за информационное информационно-электрическое и электроинформационное функциональные преобразования в мехатронной системе. Расчет проводился по рассмотренного алгоритма.
Как следует из приведенной таблицы среднее значение показателя РФН для подсистемы управления на основе контроллеров движения почти в 3 раза выше чем в случае традиционного структурного варианта.
Таким образом предложенные две новые численные меры - критерий функционально-структурной интеграции и показатель распределения функциональной нагрузки - в совокупности позволяют на начальном этапе проектирования оценивать и классифицировать структурные решения в мехатронике. Конечно далеко не все важные аспекты такой сложной системы как мехатронная могут быть оценены несколькими числовыми показателями. Тем не менее становится возможным сравнивать и анализировать важные структурные характеристики системы на стадиях разработки концепции системы и проектирования ее составных частей.

15.doc

15 Виды кинематических пар звеньев. Степени подвижности манипулятора.
Соединение звеньев МС в кинематическую цепь осуществляется с помощью кинематических пар. В большинстве своем это пары V класса – вращательные иии поступательные обеспечивающие одну степень свободы. Совокупность некоторого числа звеньев обеспечивает механизму определенное число степеней подвижности.
В роботе для выполнения манипуляционных (двигательных) функций используется манипулятор представляющий собой ряд кинематических звеньев соединенных друг с другом кинематическими парами. Пример кинематической схемы манипулятора приведен на рис. 1 где обозначены: 0 4 – кинематические звенья манипулятора А0 А3 – кинематические пары А4 – характерная точка (центр) схвата. Одно из звеньев манипулятора (на рис. 177 звено 0) является стойкой а другие могут совершать управляемые движения под силовым воздействием со стороны приводов.
В манипуляторах роботов обычно используются одноподвижные вращательные (рис. 2 а) или поступательные (рис. 2 б) кинематические пары 5-го класса.
Распространенность в манипуляторах роботов одноподвижных кинематических пар 5-го класса объясняется тем что такие пары обеспечивают относительное движение образующих их кинематических звеньев относительно друг друга по одной координате а следовательно для перемещения одного звена относительно другого требуется один привод.
Силовое воздействие приводов на звенья манипулятора осуществляется в соответствии с управляющими сигналами поступающими от системы управления робота которые в свою очередь формируются в соответствии с заданием на движение схвата учетом состояния робота и окружающей технологической среды. Таким образом при подаче сигналов управления на приводы робота звенья манипулятора и его схват будут совершать определенные перемещения в пространстве.
Число степеней подвижности – число степеней свободы звеньев кинематической цепи относительно звена принятого за неподвижное. Число степеней свободы определяется как сумма возможных координатных движений объекта манипулирования относительно неподвижного звена (стойки опорной системы основания и т.п.) без учета движения зажима объекта манипулирования захватным устройством.
Обобщенная компоновка промышленного робота приведена на рис. 1 где 1 – корпус манипулятора 2 – рука робота 3 – операционное устройство робота 4 – устройство управления.
В составе промышленного робота можно выделить манипулятор и устройство управления. Манипулятор служит для управляемого перемещения операционного устройства в пространстве. Операционным устройством может служить схват или инструмент. При наличии схвата робот может захватывать им различные объекты и затем их перемещать в пространстве требуемым образом. Если робот оснащен инструментом то с помощью последнего он может выполнять ту или иную обработку.
Манипулятор состоит из последовательности кинематических звеньев подвижно соединенных друг с другом посредством кинематических пар поступательного или вращательного движения. Все кинематические звенья оснащены управляемыми приводами что позволяет их взаимно перемещать создавая необходимое движение операционного устройства.
Все движения манипулятора можно разделить на движения переноса и ориентирующие движения. Движения переноса в основном обеспечивают перемещение операционного устройства в пространстве (при переносе происходит и побочное изменение ориентации операционного механизма). Ориентирующие движения служат для нужной ориентации операционного устройства в пространстве.
На рис. 3 движениями переноса являются: поворот вокруг вертикальной оси на угол j радиальное перемещение r руки робота вертикальное перемещение z. Эти перемещения создают цилиндрическую систему координат промышленного робота. Ориентирующими движениями являются повороты операционного устройства вокруг вертикальной оси на угол a и вокруг горизонтальной оси на угол b.
Характер траектории движения схвата и приспособленность робота к обслуживанию того или иного оборудования в значительной мере зависят от выбранного сочетания кинематических пар манипулятора и от системы координат в которой движется схват.
Количество и вид кинематических пар определяют подвижность робота. Число степеней подвижности W определяется из выражения
где n – число подвижных звеньев pi – число кинематических пар
Поскольку в манипуляторах промышленных роботов применяют вращательные и поступательные кинематические пары (пары пятого класса) и реже шаровые шарниры (пары третьего класса) то выражение для числа степеней подвижности приобретает вид
где p3 – число пар третьего класса (шаровых шарниров) р5 – число пар пятого класса (чисто поступательного или чисто вращательного движения).
При рассмотрении кинематики манипуляторов различают переносные и ориентирующие степени подвижности звеньев.
Переносные (региональные) степени подвижности манипулятора. Переносными (региональными) степенями подвижности называют такие с помощью которых обеспечивается пространственное перемещение схвата. Для обеспечения пространственного движения схвата в общем случае достаточно трех степеней подвижности расположенных определенным образом относительно друг друга. Основными минимальными условиями обеспечения пространственного движения в манипуляторе содержащем пары 5-го класса являются:
) наличие двух вращательных пар с непаралеллельными осями (обычно оси располагаются перпендикулярно друг другу) и третьей вращательной или поступательной пары обеспечивающей изменение радиуса сферы (рис. 182 а);
) наличие двух вращательных пар с параллельными осями и третьей поступательной пары направляющая которой неперпендикулярна осям вращательных пар (обычно ее принимают параллельной осям вращательных кинематических пар (рис. 182 б)) или третьей вращательной пары ось вращения которой непараллельна предыдущим кинематическим парам;
) наличие двух поступательных пар с непараллельными направляющими и третьей вращательной пары ось которой неперпендикулярна плоскости образованной направляющими поступательных пар (рис. 182 в) или третьей поступательной пары направляющая которой непараллельна названной плоскости (обычно направляющие принимают перпендикулярными друг другу а ось вращательной пары параллельной плоскости).
Ориентирующие (локальные) степени подвижности манипулятора. Если в каждой точке рабочего пространства манипулятора его схват должен иметь вполне определенную ориентацию то манипулятор необходимо снабдить как минимум тремя ориентирующими степенями подвижности. Хотя в промышленных роботах обычно обходятся одной-двумя ориентирующими степенями подвижности.
Кинематические схемы ориентирующих степеней подвижности
Схемы ориентирующих степеней подвижности
Степень применимости %
Ротация схвата с дополнительным пространственным движением
Обеспечение полной пространственной ориентации схвата
Без ориентирующих степеней подвижности
Оборудование и манипулятор выставляются так чтобы рука робота оказывалась в требуемом положении относительно оборудования

11.doc

Основные тенденции развития отрасли которые будут оказывать серьезное влияние на использование современных информационных систем таковы: рост конкуренции прежде всего со стороны развивающихся стран таких как Китай Индия и т. д.; переход на позаказный тип производства; ужесточение требований клиентов к качеству продукции и срокам поставки; сокращение цикла разработки и подготовки производства новой продукции и усложнение изделий (для привлечения клиентов предприятия вынуждены выпускать все более сложные в техническом плане продукты сохраняя при этом цены); снижение себестоимости изделий.
Развивающиеся страны обладая серьезным заделом в области дешевых трудовых ресурсов производят все более технологичную и при этом дешевую продукцию. В отличие от них наши машиностроительные предприятия могут выиграть только за счет разработки и выпуска очень высокотехнологичных изделий которые не могут пока производиться в странах третьего мира из-за отсутствия там соответствующей инженерной школы.
В целом при автоматизации предприятий используются следующие подходы; внедрение ЕRРМRР-систем; построение на предприятии системы электронного документооборота РDМРLМ которая будет объединять движение проектно-конструкторской финансовой управленческой документации; организация электронного архива различного рода документации с целью дальнейшего построения системы управления потоками документов проектами информацией об изделии.
Для предприятий машиностроительной отрасли ключевыми являются вопросы управления производством. Очевидно их стремление снизить издержки и повысить собственную конкурентоспособность особенно в нынешних условиях когда на российском рынке появляются западные производители. В результате руководители осознают необходимость внедрения информационных систем класса ЕRР систем управления закупками и управления производством (так называемые МЕS-системы).
Вообще на сегодня актуально создание комплексных систем автоматизации конструкторско-технологических и производственных процессов. В России эти системы в полной мере пока нигде не реализованы так как огромные массивы нормативно-справочной информации существующие разрозненно в различных подразделениях предприятий требуют организации и приведения к единым стандартам.
Самым востребованным направлением является управление ресурсами предприятия т. е. ЕRР-системы и системы послепродажного обслуживания. Часто именно с ЕRР начинается процесс автоматизации. Для сложного машиностроения это путь неправильный так как производственные модули ERР-системы не заработают с нужной достоверностью если не будет автоматизированного ввода информации об изделии прежде всего о его структуре и техпроцессах если не будет извещений об изменении. А для этого нужно правильно внедрить САПР и РDМ. И именно из РDМ вся информация должна поступать как в ЕRР так и в другие подсистемы поддержки жизненного цикла изделия в том числе для создания электронных руководств и послепродажного обслуживания. САПР включает в себя такие автоматические системы обработки мнформации: CAD (Computer Aided Design) – система автоматизированного проекти-рования CAM (Computer Aided Manufactoring) – система подготовки управляющих программ СAPP (Computer Automated Progress Planet) – автоматические системы технологической подготовки производств ( системы ведения проекта) PPS ( Production Plaines System) – автоматизированная система управления и планирования CAQ (Computer Aided Quality Control) – системы управления качества.
Иначе говоря ЕRР-системы (системы предварительного проектирования технологического проекта и технологических процессов) позволяют предприятию экономить деньги а САПР и РDМ - их зарабатывать.
Но все же можно говорить о тенденции предприятий машиностроительной отрасли к созданию комплексных систем автоматизации которые могут существенно повысить конкурентоспособность. Комплексная система дает руководству компании возможность на основе актуальной и точной информации оценивать насколько выгоден и рентабелен тот или иной заказ в какие сроки и за какие деньги можно его выполнить.

Автоматические транспортно-накопительные системы.doc

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ТРАНСПОРТНО-НАКОПИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Особенности транспортно-накопительных систем ГПС
В автоматизированном производстве при отсутствии обслуживающего персонала необходима автоматизация этих операций. Поэтому в составе гибкой производственной системы предусматривается автоматизированная транспортно-накопительная система.
Автоматизированные транспортно-накопительные системы (АТНС) обеспечивают автоматизацию складских и транспортных операций в ГПС. Совершенство и характеристики этих систем во многом определяют эффективность ГПС в целом. В составе АТНС можно выделить подсистему складирования и подсистему транспорта. Для складирования могут использоваться распределенные по ГПС локальные накопители. Однако наибольшее распространение получили автоматизированные центральные склады.
В зависимости от применяемого способа складирования различают распределенные АТНС и АТНС с центральным складом.
Распределенные транспортно-накопительные системы характерны для сравнительно небольших ГПС. При увеличении объема складских операций используют автоматизированные склады.
Автоматизированные склады
1 Назначение и состав автоматизированного склада
Операции складирования необходимы в производстве вследствие неравномерностей циклов производства транспортировок и потребления материальных объектов. Использование автоматизированных складов позволяет:
снизить трудоемкость складских операций и общую трудоемкость производства;
сократить запасы и ускорить оборачиваемость материальных объектов;
повысить ритмичность производства;
улучшить сохраняемость материальных объектов;
сократить потребные производственные площади;
высвободить вспомогательных рабочих.
Склады ГПС принято делить на стеллажные и конвейерные. Наибольшее распространение в ГПС получили автоматизированные унифицированные стеллажные склады.
2 Система управления складом
Для управления складом используется автоматизированная система управления которая решает две основных задачи:
ведение информационной модели склада
управление штабелирующими машинами.
Ведение информационной модели склада сводится к:
регистрации поступлений на склад и размещению поступающих грузоединиц по ячейкам склада;
поиску запрошенных грузоединиц на складе и определению адреса ячейки склада;
регистрации убытия грузоединицы;
определению текущей загрузки склада;
определению статуса ячеек склада (свободна занята неисправна забронирована и пр.);
ведению документации на выполняемые грузооперации (накладные комплектовочные ведомости и др.);
выдаче запрашиваемой информации и подготовке отчетов.
Автоматизированные транспортные системы
Автоматизированная транспортная система ГПС обеспечивает материальные потоки между модулями и оборудованием ГПС в том числе между оборудованием и автоматизированным складом. Перемещаемыми предметами являются: заготовки полуфабрикаты материалы инструмент технологическая оснастка тара со стружкой и свободная тара сырье технологические отходы.

27.doc

5.3.4 Смена инструмента
Токарные станки с ЧПУ оснащаются инструментальными магазинами и револьверными головками в которые устанавливается обрабатывающий инструмент. При этом как правило перед установкой производится размерная настройка инструмента вне станка. При использовании станка в ГПМ возникает необходимость автоматизации замены инструмента в магазине и револьверной головке вследствие его износа или поломки а также при переналадке станка на обработку детали иной конфигурации.
Замена инструмента при обработке деталей может осуществляться следующими способами:
дублированием инструментов в инструментальном магазине и в инструментальной головке и вводом в работу инструмента при износе или поломке основного инструмента;
сменой отдельных инструментов в инструментальном магазине или в инструментальной револьверной головке по мере их выхода из строя или при отсутствии потребности в данном инструменте для дальнейшей обработки;
полной заменой инструментального магазина или револьверной головки на новые оснащенные новым комплектом инструмента.
Способ дублирования инструмента позволяет в процессе обработки партии деталей автоматически перейти на инструмент-дублёр при поломке или затуплении основного инструмента. При этом станок должен быть оснащен автоматической системой диагностики инструмента а сам процесс замены инструмента осуществляется за счёт штатных управляемых программой движений инструментального магазина и револьверной головки. Дополнительных устройств при этом не требуется.
Способ замены инструмента в инструментальном магазине или в револьверной головке позволяет не только заменить новыми изношенные или сломанные инструменты но и изменить состав обрабатывающих инструментов на станке при изменении конфигурации обрабатываемой детали. Для такой замены используются специальные инструментальные манипуляторы вводимые в состав ГПМ или ПР осуществляющий загрузку-разгрузку станка. В последнем случае функции ПР существенно расширяются и к его возможностям предъявляются повышенные требования. Недостатком способа замены отдельных инструментов является сложность его технического осуществления и большое время затрачиваемое на комплектацию инструмента в магазине или револьверной головке что снижает производительность станка.
Замена инструментального магазина или револьверной головки целиком требует минимального времени при переналадке станка и сравнительно просто осуществляется в автоматическом режиме. В этом случае также применяются инструментальные манипуляторы или специальные устройства смены магазина и револьверной головки. Недостаток способа заключается в невозможности полного использования индивидуальной стойкости каждого обрабатывающего инструмента поскольку все инструменты приходится заменять одновременно ориентируясь на худший случай.
Для получения оптимальных характеристик системы смена инструмента ГПМ следует комбинировать все три способа что однако приводит к усложнению конструкторских решений системы.
Одним из возможных решений инструментальной системы ГПМ является размещение у станка дополнительного инструментального магазина с запасом инструментов из которого ПР обслуживающий станок по мере надобности извлекает необходимые инструменты и переносит их в инструментальный магазин станка или в его револьверную головку. В дополнительный инструментальный магазин также помещается сломанный или отработавший инструмент снимаемый со станка. Дополнительные инструментальные магазины крепятся на специальных кронштейнах или стойках.
Основными частями магазина барабанного типа (рис. 102) являются корпус 1 и инструментальный барабан 4. В барабане 4 выполнены направляющие гнёзда в которые устанавливаются инструменты 6 имеющие стандартные оправки. Вал 2 инструментального барабана через редуктор соединён с валом электродвигателя 5. Привод обеспечивает поворот барабана 4 вокруг оси с фиксацией его в шести положениях. Для фиксации барабана служит устройство 3 в состав которого входит также кодовый датчик позиции инструментального магазина.
Для подачи нужного инструмента на станок система управления выдаёт команду приводу магазина для установки позиции в которой находится искомый инструмент в позицию захвата ПР а ПР осуществляя позиционирование по высоте находит нужный инструмент в вертикальном ряду и извлекает его из магазина. Определение нужной позиции инструментального барабана 4 происходит с помощью кодового датчика в устройстве 3.

33.doc

Целостная система – это относительно обусловленная система от окружающей среды но связанная с ней совокупность частей и связей между ними вся организация которой подчиняется некоторой цели. Прежде чем рассмотреть систему как средство достижение цели необходимо выделить эту цель. Цель – выпуск годной продукции (соответствие изготавливаемых деталей с техническими требованиями определенными конструктором): отклонение размеров детали формы детали показателей качества поверхности (шероховатость). Цель достигается в случае когда процесс резания характеризуется определенной совокупностью параметров состояния: режима резания подготовленное оборудование заготовки инструменты. Процесс резания как система будет схематически выглядеть так:
- шероховатость поверхности.
Х – данные получаемые и преобразованные в диапазон измерений напряжения (сила тока) благодаря этому диапазону можно выбирать силу резания регулировать входные данные если получаются отклонения от заданной точности геометрической формы или не соответствующей шероховатости поверхности.
Обратная связь реализуется с помощью сенсора или датчика.
Wp – переходная характеристика с помощью которой реализуются системы решения уравнения для осуществления обратной связи.

23.doc

Источниками питания являются промышленные сети. Для пневматических приводов устанавливается один (или несколько) компрессоров высокой производительности которые обеспечивают необходимым давлением все оборудование. Сжатый воздух поступает в центральные трубопроводы только после этого подается на приводы.
Для гидравлических приводов устанавливается гидравлический насос непосредственной близости к гидроаппаратуре отдельного узла. Делается это для того чтобы уменьшить потери по длине провода и для экономии жидкости используемой в гидроаппаратуре.
Питание же электрических приводов осуществляется от сети промышленного пользования.
Гидравлические и пневматические приводы.
Для осуществления необходимых движений промышленный робот оснащается приводами. Приводные устройства связываются с кинематическими звеньями манипулятора и осуществляют их перемещения под управлением программы. Для контроля перемещений используются соответствующие датчики которые также связываются с кинематическими звеньями. Приводные устройства в зависимости от используемого вида энергии делятся на пневматические гидравлические.
Пневматические привода реализуются с использованием пневматических цилиндров возвратно-поступательного или вращательного перемещения реже используются ротационные пневмодвигатели. Пневмопривод обеспечивает высокие скорости движения (до 2 мс) прост по конструкции и дешев может работать во взрывоопасных и запыленных средах однако пневмопривод обладает малой нагрузочной способностью и не может быть использован в промышленных роботах с позиционным принципом управления.
Пневматический привод используется в малых и средних роботах с цикловыми системами управления и позиционированием по упорам. В приводе используются пневматические цилиндры пневматические поршневые поворотные двигатели а также специальные виды приводов. Питание пневмопривода осуществляется от заводских сетей сжатым воздухом.
Гидравлический привод основан на применении гидроцилиндров и гидродвигателей. Этот привод компактен обладает высокой нагрузочной способностью и жесткостью что позволяет создавать манипуляторы с позиционным и следящим принципом управления. В то же время гидропривод сложен и дорог. Для питания гидропривода используются локальные гидростанции что дополнительно усложняет и удорожает привод.
Гидропривод обеспечивает большой диапазон рабочих нагрузок робота (1..100000) Н высокую точность позиционирования
(+001 20)мм широкий диапазон скоростей рабочих органов (15 2000) ммс или (3 180) градс высокую удельную мощность (01 06) кВткг высокую жесткость до 5000 Нмкм и ряд других преимуществ. Рабочее давление жидкости лежит в пределах (14 21) МПа.

12.doc

ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
ГПС – совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ роботизированных технологических комплексов гибких производственных модулей отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.
Определение ГПС отражает ее свойство гибкости позволяющее производить изделия произвольной номенклатуры. По принципу организации ГПС делятся на: гибкие автоматизированные линии (ГАЛ); гибкие автоматизированные участки (ГАУ) и гибкие автоматизированные цехи (ГАЦ). Гибкие автоматизированные линии строятся на основе технологического маршрута изготавливаемой продукции. Гибкие автоматические участки обычно создаются на основе единства обрабатывающего оборудования.
Для сравнения гибкости разных вариантов ГПС можно использовать индекс гибкости
где М – номенклатура изготавливаемых изделий k – доля впервые изготавливаемых изделий (коэффициент обновления) n – средний объем изготавливаемой партии.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) – единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с программным управлением автономно функционирующая автоматически осуществляющая все функции связанные с изготовлением продукции имеющая возможность встраивания в гибкую производственную систему.
Понятие гибкости производства. Научно-технический прогресс в наше время развивается все ускоряющимися темпами. Это обуславливает необходимость быстро обновлять изделия в технике и в быту. Увеличивается потребность выпуска на одном предприятии небольшими партиями разнообразной номенклатуры изделий причем различные модели однотипных деталей и изделий должны изготавливаться на одной и той же технологической линии для чего необходима ее частая переналадка.
Гибкостью производства называется его способность быстро и без существенных затрат труда и средств переналаживаться на изготовление новой или модернизированной продукции и на новые технологические процессы с новой их организацией. По сути дела речь идет о новых организационных формах решения стратегических задач развития производства его интенсификации в условиях ускорения научно-технического прогресса при ограниченных трудовых материальных и энергетических ресурсах. При этом нужно существенно увеличивать производительность технологических линий цехов и заводов в целом на тех же площадях (или даже с их уменьшением) и обязательно при сокращении числа работающих. Одновременно стоит вопрос о повышении качества продукции и надежности ее функционирования в последующей эксплуатации у потребителя. Вместе с тем производственная система должна быть гибкой относительно своего дальнейшего развития модернизации и расширения.
К сказанному о гибкости производства необходимо добавить еще высокий уровень комплексной автоматизации как самого технологического процесса так и всех процессов контроля качества и управления производством с ликвидацией или существенным сокращением ручного труда во всех его звеньях. Во всяком случае ручного труда человека уже не должно быть непосредственно в совершении самого технологического процесса (безлюдное производство) хотя человек и остается как оператор наладчик диспетчер.
Решению таких задач удовлетворяет технологическая линия цех завод которые управляются сетью электронных вычислительных машин с соответствующим программным обеспечением широким применением робототехнических систем и технологического оборудования с ЧПУ. Тогда производство может быть переналажено в основном программным путем возможно со сменой лишь отдельных агрегатов.
Рисунок 1. Схема гибкого производственного модуля.
Примеры гибких производственных систем. На рис. изображена схема ГПС с использованием автоматического подвесного конвейера 8 доставляющего по заданным адресам заготовки и детали к двенадцати различным станкам 1 5 10 11 данного цеха с числовым программным управлением. Станки обслуживаются восемью роботами 2 6. Роботами же автоматически выполняются контрольно-измерительные функции у измерительных устройств 4 9 12. Около всех роботов установлены питающие их индивидуальные магазины 3 7. На схеме показаны центральный магазин инструмента 13 со своим роботом 14 и тара с заготовками 15 с роботом 16.
Обобщая приведенные примеры надо сказать что особенность ГПС состоит не только в применении высокопроизводительного технологического оборудования с ЧПУ вычислительных машин и робототехники но самое главное в новой организации всех процессов в их логической взаимосвязи. Оптимизация процессов позволяет высвободить потенциальные возможности повышения эффективности механической обработки сборки и других операций; в сильной степени повысить рабочее использование станочного и всего остального оборудования сократив до минимума все вспомогательные операции исключив использование людского труда обеспечив ритмичную круглосуточную работу цеха. Практика показывает что коэффициент использования основного технологического оборудования может быть при этом повышен например с 10 до 80%.

22.doc

22 Структура гидро- и пневмоприводов. Силовой контур приводов
Для осуществления необходимых движений промышленный робот оснащается приводами. Приводные устройства связываются с кинематическими звеньями манипулятора и осуществляют их перемещения под управлением программы. Для контроля перемещений используются соответствующие датчики которые также связываются с кинематическими звеньями. Приводные устройства в зависимости от используемого вида энергии делятся на пневматические гидравлические и электромеханические.
Пневматические привода реализуются с использованием пневматических цилиндров возвратно-поступательного или вращательного перемещения реже используются ротационные пневмодвигатели. Пневмопривод обеспечивает высокие скорости движения (до 2 мс) прост по конструкции и дешев может работать во взрывоопасных и запыленных средах однако пневмопривод обладает малой нагрузочной способностью и не может быть использован в промышленных роботах с позиционным принципом управления.
Пневматический привод используется в малых и средних роботах с цикловыми системами управления и позиционированием по упорам. В приводе используются пневматические цилиндры пневматические поршневые поворотные двигатели а также специальные виды приводов. Питание пневмопривода осуществляется от заводских сетей сжатым воздухом.
Гидравлический привод основан на применении гидроцилиндров и гидродвигателей. Этот привод компактен обладает высокой нагрузочной способностью и жесткостью что позволяет создавать манипуляторы с позиционным и следящим принципом управления. В то же время гидропривод сложен и дорог. Для питания гидропривода используются локальные гидростанции что дополнительно усложняет и удорожает привод.
Гидропривод обеспечивает большой диапазон рабочих нагрузок робота (1..100000) Н высокую точность позиционирования (+001 20)мм широкий диапазон скоростей рабочих органов (15 2000) ммс или (3 180) градс высокую удельную мощность (01 06) кВткг высокую жесткость до 5000 Нмкм и ряд других преимуществ. Рабочее давление жидкости лежит в пределах (14 21) МПа.
Схема пневмо- или гидропривода поступательного перемещения с разомкнутой системой управления показана на рис. 1. Поступательно перемещается шток 1 цилиндра 2. Управление движениями штока осуществляется распределителем 3. Скорость перемещения задается дросселем на выхлопной магистрали. Величина перемещений ограничивается упорами воздействующими на перемещающуюся часть (на схеме не показаны). Привод применим при цикловом управлении.
В случае позиционного управления когда необходимо обеспечить остановку штока в любой заданной точке диапазона перемещений может использоваться следящий привод схема которого показана на рис. 2. Со штоком пневмоцилиндра 1 соединен ползун 2 снабженный пневматическим тормозом приводимым от пневмоцилиндра 5 . Перемещение штока через кинематическую передачу воспринимается датчиком обратной связи 3 соединенным с блоком управления 4.
При подходе подвижной части к точке позиционирования определяемой датчиком 3 система управления подает встречное давление в цилиндр и скорость движения подвижного органа снижается до "ползучей" составлявшей 5..10 % от номинальной. Фиксация подвижного органа в точке позиционирования осуществляется тормозным устройством за счет включения тормозного пневмоцилиндра 5.Разница этих двух рисунков в том что на втором рисунке имеется обратная связь то есть привод имеет систему управления им можно управлять.
В силовой контур входит напорная и сливная линии напорная находиться до рабочего органа а сливная соответственно после.

7.doc

Основой метода мехатроники является интеграция составляющих частей которая закладывается на этапе проектирования и затем реализуется в технологических процессах производства и эксплуатации мехатронных систем. На современном этапе развития мехатроники особенно является решение следующих интеграционных задач:
Функциональная структурная и конструктивная интеграция элементов в мехатроннных модулях.
Аппаратно – программная интеграция исполнительных и интеллектуальных элементов в интеллектуальных мехатронных модулях.
Разработка и внедрение гибридных технологий производства интегрированных модулей машин.
Создание информационных сред для поддержки решений междисциплинарных мехатронных задач.
Построение математических и компьютерных моделей мехатронных модулей и систем отражающих их интеграционную специфику.
Интеграционные подходы в организационно – экономической деятельности предприятий выпускающих мехатронные изделия.
Междисциплинарная подготовка специалистов способных к системной интеграции в области мехатроники.
Иерархия уровней интеграции в мехатронных системах.
Первый уровень интеграции образуют мехатронные устройства и составляющие их элементы. Второй уровень включает интегрированные мехатронные модули. Набор мехатронных умтройств определяет тип мехатронного модуля. В общем случае для интеллектуального модуля можно выделить две основные группы: в исполнительную группу входят механические устройства и двигатели а группа интеллектуальных устройств является совокупностью электронных информационных и управляющих компонентов. На третьем уровне интеграции из мехатронных модулей компонуются многокоординатные мехатронные машины. Высший уровень предполагает построение на единой итеграционной платформе комплексов мехатронных машин для реконфигурируемого производства.
в целом проектирование мехатронных систем является сложной многофакторной проблеиой выбора и оптимизации приемлемых технических и технологических организационно – экономических и информационных решений.

37.doc

Косвенные методы контроля состояния РИ.
Все методы можно разделить на две группы: прямого и косвенного контроля. Прямые методы контроля основаны на непосредственном определении размеров деталей с помощью электромеханических оптико-телевизионных лазерных ультразвуковых и пневматических средств измерений. Общим недостатком данных методов является невозможность их использования во время обработки детали в процессе резания (активный метод контроля).
Косвенные методы измерения состояния режущего инструмента более универсальны и позволяют осуществлять его в процессе обработки деталей т. е. не требуют дополнительного времени на измерения. Косвенные методы контроля состояния режущего инструмента основаны на измерении различных физических величин сопутствующих процессу резания: температуры термо ЭДС электропроводности зоны резания виброакустических явлений зоны резания силы и момента на валу двигателя. Сравнительный анализ данных методов измерения показал что наиболее перспективным является виброакустический метод контроля который позволяет избавиться от существенных недостатков вышеперечисленных методов: необходимости установки датчика на каждом режущем инструменте электроизоляции инструмента сильного влияния температуры стружки и СОЖ (смачивающей и охлаждающей жидкости) на измеряемый параметр и др.
Однако использование виброакустических методов контроля связано с выделением полезного вибросигнала резания на фоне значительного уровня помех вызванных вибрациями станка сетевой помехи создаваемой мощным приводом станка и изменением скорости вращения асинхронного привода станка при изменении нагрузки.
Контроль состояния по величине сил резания.
a)Главная составляющая силы резания Pz
b)Радиальная составляющая Ру
c)Осевая составляющая Рх
Динамический шпиндель станка с ЧПУ(подвод питания и снятие сигнала безконтактно)
Изменение контролируемых сил в процессе резания
а). постепенный износ; б). поломка(скол) РИ

2.doc

2. Понятие термина "Проектирование". Принципы используемые при создании описании сложных объектов (систем).
Проект – образ того изделия которое мы хотим получить.
Проектирование - ушверсальный и самостоятельный процесс направленный на создание образа объекта с заданными параметрами. Принципы проектирования:
- декомпозиция (расчленение) и иерархичность;
- многоэтапность и итарационность( пошаговость);
- унификация и типизация проектных решений.
- функциональный: функциональное пр-е.
- конструкторский; конструкторское пр-е.
- технологический; и т.д.
- эксплуатационный; и т.д.
- утилизационный. и т.д.
функциональное пр-е связано с отображением основных принципов проектирования а также характером физических и информационных устройств протекающих в данном устройстве.
конструкторское пр-е связано с реализацией результатов функционального проектирования (определение геометрических форм элементов расположении их в пространстве) технологическое пр-е относиться к реализации конструкторского проектирования т.е. оно связано с разработкой методов средств описания объектов. эксплуатационное пр-е завершающий этап пр-я.

4.doc

4 Типовые проектные процедуры
Проектная процедура называется типовой если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов. Классификация проектных процедур представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Классификация типовых проектных процедур
Процедуры синтеза обеспечивают получение описания объекта по заданному функциональному назначению этого объекта либо по закону его функционирования. Поскольку описание любого объекта состоит из структуры и совокупности значений конструктивных параметров то синтез может быть структурным и параметрическим. Структурный синтез определяет структуру объекта то есть набор элементов составляющих объект и способ связи элементов между собой в составе этого объекта. Параметрический синтез заключается в определении числовых параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности.
Процедуры анализа производят оценку образа объекта заключающуюся в определении его выходных характеристик и исследовании работоспособности при известных начальных условиях по какому-либо описанию этого объекта. Анализ может быть одновариантным и многовариантным. Одновариантный анализ проводится с целью установления соответствия выходных характеристик требованиям технического задания и заключается в определении значений выходных параметров объекта по заданным значениям внутренних и внешних параметров. Как правило сводится к однократному решению уравнений представляющих математическую модель.
Многовариантный анализ направлен на исследование свойств объекта в некотором пространстве внутренних (или внешних) параметров и заключается в установлении наглядной связи между входными данными выходными характеристиками и конструктивными параметрами. Это осуществляется путем многократного повторения решения систем уравнен при изменении внутренних или внешних параметров. Примером является определение межосевого расстояния.
Типичная последовательность выполнения проектных процедур на одном из проектирования представлена на рисунке 2.
Результатом решения задач предыдущего этапа - К-го иерархического уровня - является формулировка технического задания на проектирование систем следующего (К+1)- рассматриваемого уровня. Проектирование объекта начинается с синтеза исходного варианта его структуры. Для оценки варианта создается модель которая может быть либо математической либо экспериментальной (испытательный стенд).
После выбора исходных значений параметров элементов с помощью модели производится анализ варианта по результатам которого становится возможной его оценка заключающаяся обычно в проверке выполнения условий работоспособности сформулированных в техническом задании. Если условия работоспособности выполняются в должной мере то полученное проектное решение принимается система (К+1)-го уровня описывается в принятой форме и формулируется техническое задание на проектирование элементов данного уровня (т.е. систем следующего уровня). Если проектное решение неудовлетворительно выбирается один из возможных способов улучшения проекта.
Первый способ (наиболее простой) заключается в изменении числовых значений параметров элементов составляющих множество возможных параметров X. Совокупность процедур модификации (изменения либо варьирования) X анализа и оценки результата анализа представляет собой процедуру параметрического синтеза. Если при этом используется стратегия поиска наилучшего значения некоторого показателя качества (например повышения производительности) то процедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации.
Рисунок 2 – Схема проектирования с использованием процедур анализа и синтеза
Возможно что путем параметрического синтеза не удается добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности или осуществления условий технологического процесса. Тогда используют другой способ связанный с изменением структуры: разрабатывается новый вариант структуры для которого повторяются процедуры формирования модели и параметрического синтеза.
Если и на этом пути не удается получить приемлемое решение ставится вопрос о корректировке технического задания сформулированного на предыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур К-го иерархического уровня что обуславливает итерационный (то есть возвратный) характер проектирования.

6.doc

Структура и принципы построения мехатронных систем.
Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий может служить сила резания для операций механообработки контактные силы и моменты сил при сборке сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.
Устройство компьютерного управления осуществляет следующие основные функции:
Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.
Организация управления функциональными движениями мехатронной системы которая предполагает координацию управления механическим движением мехатронной системы и сопутствующими внешними процессами. Как правило для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входывыходы устройства.
Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line).
Организация обмена данными с периферийными устройствами сенсорами и другими устройствами системы.
Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно что электрическая энергия (гидравлическая пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

шпоры по ПМС.doc

№1 Свойства сложных систем. Уникальность слабопредсказуемость целенаправленность (негэнтропийность).
Система-это объект любой природы обладающий выраженным системным свойством т.е. свойством которого не имеет не одна из частей системы при любом способе расчленении этой системы. Система порождает новое свойство не присущее её элементам.
Заключается в следующем каждая система не имеет полных аналогов поведения либо случаи настолько редки что с их наличием в исследованиях можно не считаться. Примеры: станки с ЧПУ робот.
) Слабопропредсказуемостъ Никакое сколь угодно подробное и точное поведение объекта на интервале (-10) не позволяет точно предсказать его поведение на интервале (ОХ).
) Целенаправленостъ Заключается в том что система в состоянии управлять ( в определённых пределах) при случайном и неблагоприятном воздействии среды т.е. способна осуществлять достижение определённых целей. Целенаправленность это стремление к достижению целей выражает именно эту тенденцию т.е. сохранения и усиления основного процесса идущего к цели. Существует три принципа системотехники:
- принцип физичности
Всякой системе присуще физические законы.
- пр. моделируемости
Сложная система представима конечным множеством каждая из которых отражает конечную грань её сущности. Позволяет исследовать свойства или группу свойств сложной системы при помощи одной или нескольких упрощённых моделей. Модель ориентирована на определённую группу систем она всегда проще самой системы
№2. Понятие термина "Проектирование". Принципы используемые при создании описании сложных объектов (систем).
Проект – образ того изделия которое мы хотим получить.
Проектирование - ушверсальный и самостоятельный процесс направленный на создание образа объекта с заданными параметрами. Принципы проектирования:
- декомпозиция (расчленение) и иерархичность;
- многоэтапность и итарационность( пошаговость);
- унификация и типизация проектных решений.
- функциональный: функциональное пр-е.
- конструкторский; конструкторское пр-е.
- технологический; и т.д.
- эксплуатационный; и т.д.
- утилизационный. и т.д.
функциональное пр-е связано с отображением основных принципов проектирования а также характером физических и информационных устройств протекающих в данном устройстве.
конструкторское пр-е связано с реализацией результатов функционального проектирования (определение геометрических форм элементов расположении их в пространстве) технологическое пр-е относиться к реализации конструкторского проектирования т.е. оно связано с разработкой методов средств описания объектов. эксплуатационное пр-е завершающий этап пр-я.
№3. Стадии проектирования.
научно-исследовательских работ (НИР)
-Предпатентный поиск;
-разработка и согласование с заказчиком ТЗ;
-Теоретические и экспериментальные исследования;
-Обобщение результатов и оценка выполненной НИР;
-Обсуждение и согласование задания на ОКР.
опытно-конструкторских работ (ОКР)
-Техническое предложение;
-Технический проект;
-Разработка рабочей презентации.
технического проекта
испытаний опытного образца.
Проектирование как отдельных объектов так и систем начинается с выработки технического задания (ТЗ) на проектирование. В ТЗ содержатся основные сведения об объекте проектирования условиях его эксплуатации а также требования предъявляемые заказчиком к проектируемому изделию. Важнейшее требование к ТЗ - это его полнота. Выполнение этого требования определяет сроки и качество проектирования. Следующий этап - предварительное проектирование - связан с поиском принципиальных возможностей построения системы исследованием новых принципов структур обоснованием наиболее общих решений. Результатом этого этапа является техническое предложение.
На этапе эскизного проектирования производится детальная проработка возможности построения системы его результатом является эскизный проект.
На этапе технического проектирования выполняется укрупненное представление всех конструкторских и технологических решений; результатом этого этапа является технический проект.
На этапе рабочего проектирования производится детальная проработка всех блоков узлов и деталей проектируемой системы а также технологических процессов производства деталей и их сборки в узлы и блоки.
Заключительный этап - изготовление опытного образца по результатам испытаний которого вносят необходимые изменения в проектную документацию.
При неавтоматизированном проектировании наиболее трудоемкими являются этапы технического и рабочего проектирования. Внедрение автоматизации на этих этапах приводит к наиболее эффективным результатам
№5 Мехатронные модули - это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением предназначенные для выполнения движений как правило по одной управляемой координате.
Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения.
Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с
традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов.
Синергетическая интеграция - это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Синергетика- это усиление отдельных свойств (имея два предмета которые имеют определенные свойства их объединяют при этом появляются новые свойства которыми не могли обладать эти предметы в отдельности в этом и заключается принцип синергетики)
Пример. В данном вопросе в качестве примера можно рассмотреть мотор-редуктор. Раньше приходилось использовать мотор-редукторы соединённые муфтами они как правило занимали много места сейчас используют мотор-редукторы компактные универсальные намного удобные.
№6. Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий может служить сила резания для операций механообработки контактные силы и моменты сил при сборке сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.
Устройство компьютерного управления осуществляет следующие основные функции:
Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.
Организация управления функциональными движениями мехатронной системы которая предполагает координацию управления механическим движением мехатронной системы и сопутствующими внешними процессами. Как правило для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входывыходы устройства.
Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line).
Организация обмена данными с периферийными устройствами сенсорами и другими устройствами системы.
Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно что электрическая энергия (гидравлическая пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.
№7. Основой метода мехатроники является интеграция составляющих частей которая закладывается на этапе проектирования и затем реализуется в технологических процессах производства и эксплуатации мехатронных систем. На современном этапе развития мехатроники особенно является решение следующих интеграционных задач:
Функциональная структурная и конструктивная интеграция элементов в мехатроннных модулях.
Аппаратно – программная интеграция исполнительных и интеллектуальных элементов в интеллектуальных мехатронных модулях.
Разработка и внедрение гибридных технологий производства интегрированных модулей машин.
Создание информационных сред для поддержки решений междисциплинарных мехатронных задач.
Построение математических и компьютерных моделей мехатронных модулей и систем отражающих их интеграционную специфику.
Интеграционные подходы в организационно – экономической деятельности предприятий выпускающих мехатронные изделия.
Междисциплинарная подготовка специалистов способных к системной интеграции в области мехатроники.
Иерархия уровней интеграции в мехатронных системах.
Первый уровень интеграции образуют мехатронные устройства и составляющие их элементы. Второй уровень включает интегрированные мехатронные модули. Набор мехатронных умтройств определяет тип мехатронного модуля. В общем случае для интеллектуального модуля можно выделить две основные группы: в исполнительную группу входят механические устройства и двигатели а группа интеллектуальных устройств является совокупностью электронных информационных и управляющих компонентов. На третьем уровне интеграции из мехатронных модулей компонуются многокоординатные мехатронные машины. Высший уровень предполагает построение на единой итеграционной платформе комплексов мехатронных машин для реконфигурируемого производства.
в целом проектирование мехатронных систем является сложной многофакторной проблеиой выбора и оптимизации приемлемых технических и технологических организационно – экономических и информационных решений.
№4. Типовые проектные процедуры
Проектная процедура называется типовой если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов. Классификация проектных процедур представлена на рисунке 1.
Процедуры синтеза обеспечивают получение описания объекта по заданному функциональному назначению этого объекта либо по закону его функционирования. Поскольку описание любого объекта состоит из структуры и совокупности значений конструктивных параметров то синтез может быть структурным и параметрическим. Структурный синтез определяет структуру объекта то есть набор элементов составляющих объект и способ связи элементов между собой в составе этого объекта. Параметрический синтез заключается в определении числовых параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности.
Процедуры анализа производят оценку образа объекта заключающуюся в определении его выходных характеристик и исследовании работоспособности при известных начальных условиях по какому-либо описанию этого объекта. Анализ может быть одновариантным и многовариантным. Одновариантный анализ проводится с целью установления соответствия выходных характеристик требованиям технического задания и заключается в определении значений выходных параметров объекта по заданным значениям внутренних и внешних параметров. Как правило сводится к однократному решению уравнений представляющих математическую модель.
Многовариантный анализ направлен на исследование свойств объекта в некотором пространстве внутренних (или внешних) параметров и заключается в установлении наглядной связи между входными данными выходными характеристиками и конструктивными параметрами. Это осуществляется путем многократного повторения решения систем уравнен при изменении внутренних или внешних параметров. Примером является определение межосевого расстояния.
Типичная последовательность выполнения проектных процедур на одном из проектирования представлена на рисунке 2.
Результатом решения задач предыдущего этапа - К-го иерархического уровня - является формулировка технического задания на проектирование систем следующего (К+1)- рассматриваемого уровня. Проектирование объекта начинается с синтеза исходного варианта его структуры. Для оценки варианта создается модель которая может быть либо математической либо экспериментальной (испытательный стенд).
После выбора исходных значений параметров элементов с помощью модели производится анализ варианта по результатам которого становится возможной его оценка заключающаяся обычно в проверке выполнения условий работоспособности сформулированных в техническом задании. Если условия работоспособности выполняются в должной мере то полученное проектное решение принимается система (К+1)-го уровня описывается в принятой форме и формулируется техническое задание на проектирование элементов данного уровня (т.е. систем следующего уровня). Если проектное решение неудовлетворительно выбирается один из возможных способов улучшения проекта.
Первый способ (наиболее простой) заключается в изменении числовых значений параметров элементов составляющих множество возможных параметров X. Совокупность процедур модификации (изменения либо варьирования) X анализа и оценки результата анализа представляет собой процедуру параметрического синтеза. Если при этом используется стратегия поиска наилучшего значения некоторого показателя качества (например повышения производительности) то процедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации.
Возможно что путем параметрического синтеза не удается добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности или осуществления условий технологического процесса. Тогда используют другой способ связанный с изменением структуры: разрабатывается новый вариант структуры для которого повторяются процедуры формирования модели и параметрического синтеза.
Если и на этом пути не удается получить приемлемое решение ставится вопрос о корректировке технического задания сформулированного на предыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур К-го иерархического уровня что обуславливает итерационный (то есть возвратный) характер проектирования.
№8 Синергетическая интеграция - это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения как правило по одной управляемой координате.
Мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками» из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.
Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения. Приведем схему энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном модуле.
На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения которое формируется верхним уровнем системы управления а выходом является целенаправленное мехатронное движение конечного звена например перемещение выходного вала модуля.
Для физической реализации электромеханического мехатронного модуля теоретически необходимы четыре основных функциональных блока последовательно-соединенные: информационно-электрический и электромеханический функциональный преобразователь в прямой цепи и электро-информационный и механико-информационный преобразователи в цепи обратной связи.
Интегрированные мехатронные модули и машины отличаются повышенной надежностью устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям точностью выполнения движений модульностью и компактностью конструкции. С точки зрения потребителя - это целостные изделия удобные при настройке и программировании движений. Интегрированные решения в конечном счете экономически выгодны для потребителя так как машина принимается "под ключ" упрощается ее сервис и повышается ремонтопригодность.
Безусловно системы с глубокой степенью интеграции элементов имеют и оборотную сторону - такие машины являются менее гибкими т.е. имеют ограниченные возможности для модернизации и реконфигурации. Поэтому мехатроника предлагает конечным потребителям мехатронные модули различного уровня интеграции что позволяет находить разумный компромисс для конкретных задач автоматизации.
Узким местом (по-английски "bottleneck" - бутылочное горлышко) мехатронных модулей и машин являются интерфейсы между составляющими устройствами и элементами.
Понятие "интерфейс" является ключевым для предлагаемого подхода к проектированию мехатронных модулей и систем. В первую очередь отметим что взаимодействие основных устройств в мехатронной системе осуществляется не напрямую а через некоторые соединительные блоки. С физической и технической точки зрения это могут быть совершенно различные устройства однако они имеют одинаковое функциональное назначение. Их главная функция - это выполнение энергетического и информационного обмена между сопрягаемыми структурными элементами системы.
Место интерфейса в структуре мехатронной системы задается связями с входными и выходными устройствами. Технические характеристики интерфейса определяются способом и процедурой передачи (при необходимости - преобразования хранения и синхронизации) воздействий сигналов и информации а также аппаратно-программной реализацией используемых каналов связи.
Характеристики интерфейса
Устройство на выходе
Передаваемые воздействия сигналы информация
Человек-оператор или компьютер верхнего уровня
Устройство компьютерного управления (УКУ)
Силовые электронные преобразователи
Сигналы управления приводами
Силовые электронные " преобразователи
Исполнительные двигатели
Управляющие напряжения
Механическое устройство
Движущие силы и моменты
Информационное устройство
Информация о состоянии механического устройства
Информация о состоянии двигателей
Сигналы обратной связи
Проблема интерфейсов" обусловлена многогранностью структурного и технологического базисов мехатроники. В таблице перечислены основные мехатронные интерфейсы.
Как следует из приведенной таблицы многочисленные интерфейсы в мехатронной машине связывают устройства различной физической природы (механические электронные и информационные) что предопределяет их конструктивную и аппаратно-программную сложность. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой самостоятельные устройства и узлы. Обычно это блоки которые выпускаются специализированными фирмами но многие интерфейсы приходится разрабатывать и изготовлять самим пользователям. В машине с компьютерным управлением по трем координатам построенной на традиционных приводах только для связи основных устройств необходимо соединить порядка 100 сигнальных и силовых проводов. Опыт эксплуатации комплексных машин и систем показывает что до 70 % проблем их функционирования связаны с надежностью связей и соединений.
№9 Метод объединения элементов мехатронного модуля в едином корпусе.
Минимизация конструктивной сложности мехатронного модуля путём создания элементов реализующих несколько функциональных и структурных преобразований.
Мехатронные модули – это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением предназначенные для выполнения движений как правило по одной управляемой координате.
Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов т.е. суть метода заключается в аппаратно-конструктивном объединении выбранных элементов (интеллектуальных устройств) и интерфейсов в едином корпусе ММ.
Синергетическая интеграция – это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов которые имеют как правило различную физическую природу.
Преимущества которые даёт применение интеллектуальных мехатронных модулей:
- способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно без обращения к верхнему уровню управления что повышает автономность модулей гибкость и живучесть мехатронных систем работающих в изменяющихся и неопределённых условиях внешней среды;
- упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления что позволяет добиваться помехозащищенности МС и её способности к быстрой реконфигурации;
- создание на основе ИММ распределённых систем управления с применением ПК и соответствующего программного обеспечения;
- использование современных методов управления (программных адаптивных интеллектуальных оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях.
Интеграция элементов в мехатронных модулях является ведущей тенденцией при создании современных машин и систем т.к. позволяет добиться качественно нового уровня по основным техническим показателям – скорости и точности движения компактности конструкции и способности машины к быстрой реконфигурации. Практическое воплощение этой тенденции в машинах сегодняшнего дня зависит от эффективности взаимодействия конструктора который выдвигает новые интеграционные идеи и технолога реализующего предложенные проектные решения в автоматизированных технологических процессах.
№11 Основные тенденции развития отрасли которые будут оказывать серьезное влияние на использование современных информационных систем таковы: рост конкуренции прежде всего со стороны развивающихся стран таких как Китай Индия и т. д.; переход на позаказный тип производства; ужесточение требований клиентов к качеству продукции и срокам поставки; сокращение цикла разработки и подготовки производства новой продукции и усложнение изделий (для привлечения клиентов предприятия вынуждены выпускать все более сложные в техническом плане продукты сохраняя при этом цены); снижение себестоимости изделий.
Развивающиеся страны обладая серьезным заделом в области дешевых трудовых ресурсов производят все более технологичную и при этом дешевую продукцию. В отличие от них наши машиностроительные предприятия могут выиграть только за счет разработки и выпуска очень высокотехнологичных изделий которые не могут пока производиться в странах третьего мира из-за отсутствия там соответствующей инженерной школы.
В целом при автоматизации предприятий используются следующие подходы; внедрение ЕRРМRР-систем; построение на предприятии системы электронного документооборота РDМРLМ которая будет объединять движение проектно-конструкторской финансовой управленческой документации; организация электронного архива различного рода документации с целью дальнейшего построения системы управления потоками документов проектами информацией об изделии.
Для предприятий машиностроительной отрасли ключевыми являются вопросы управления производством. Очевидно их стремление снизить издержки и повысить собственную конкурентоспособность особенно в нынешних условиях когда на российском рынке появляются западные производители. В результате руководители осознают необходимость внедрения информационных систем класса ЕRР систем управления закупками и управления производством (так называемые МЕS-системы).
Вообще на сегодня актуально создание комплексных систем автоматизации конструкторско-технологических и производственных процессов. В России эти системы в полной мере пока нигде не реализованы так как огромные массивы нормативно-справочной информации существующие разрозненно в различных подразделениях предприятий требуют организации и приведения к единым стандартам.
Самым востребованным направлением является управление ресурсами предприятия т. е. ЕRР-системы и системы послепродажного обслуживания. Часто именно с ЕRР начинается процесс автоматизации. Для сложного машиностроения это путь неправильный так как производственные модули ERР-системы не заработают с нужной достоверностью если не будет автоматизированного ввода информации об изделии прежде всего о его структуре и техпроцессах если не будет извещений об изменении. А для этого нужно правильно внедрить САПР и РDМ. И именно из РDМ вся информация должна поступать как в ЕRР так и в другие подсистемы поддержки жизненного цикла изделия в том числе для создания электронных руководств и послепродажного обслуживания. САПР включает в себя такие автоматические системы обработки мнформации: CAD (Computer Aided Design) – система автоматизированного проекти-рования CAM (Computer Aided Manufactoring) – система подготовки управляющих программ СAPP (Computer Automated Progress Planet) – автоматические системы технологической подготовки производств ( системы ведения проекта) PPS ( Production Plaines System) – автоматизированная система управления и планирования CAQ (Computer Aided Quality Control) – системы управления качества.
Иначе говоря ЕRР-системы (системы предварительного проектирования технологического проекта и технологических процессов) позволяют предприятию экономить деньги а САПР и РDМ - их зарабатывать.
Но все же можно говорить о тенденции предприятий машиностроительной отрасли к созданию комплексных систем автоматизации которые могут существенно повысить конкурентоспособность. Комплексная система дает руководству компании возможность на основе актуальной и точной информации оценивать насколько выгоден и рентабелен тот или иной заказ в какие сроки и за какие деньги можно его выполнить.
№12 ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
ГПС – совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ роботизированных технологических комплексов гибких производственных модулей отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.
Определение ГПС отражает ее свойство гибкости позволяющее производить изделия произвольной номенклатуры. По принципу организации ГПС делятся на: гибкие автоматизированные линии (ГАЛ); гибкие автоматизированные участки (ГАУ) и гибкие автоматизированные цехи (ГАЦ). Гибкие автоматизированные линии строятся на основе технологического маршрута изготавливаемой продукции. Гибкие автоматические участки обычно создаются на основе единства обрабатывающего оборудования.
Для сравнения гибкости разных вариантов ГПС можно использовать индекс гибкости
где М – номенклатура изготавливаемых изделий k – доля впервые изготавливаемых изделий (коэффициент обновления) n – средний объем изготавливаемой партии.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) – единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с программным управлением автономно функционирующая автоматически осуществляющая все функции связанные с изготовлением продукции имеющая возможность встраивания в гибкую производственную систему.
Понятие гибкости производства. Научно-технический прогресс в наше время развивается все ускоряющимися темпами. Это обуславливает необходимость быстро обновлять изделия в технике и в быту. Увеличивается потребность выпуска на одном предприятии небольшими партиями разнообразной номенклатуры изделий причем различные модели однотипных деталей и изделий должны изготавливаться на одной и той же технологической линии для чего необходима ее частая переналадка.
Гибкостью производства называется его способность быстро и без существенных затрат труда и средств переналаживаться на изготовление новой или модернизированной продукции и на новые технологические процессы с новой их организацией. По сути дела речь идет о новых организационных формах решения стратегических задач развития производства его интенсификации в условиях ускорения научно-технического прогресса при ограниченных трудовых материальных и энергетических ресурсах. При этом нужно существенно увеличивать производительность технологических линий цехов и заводов в целом на тех же площадях (или даже с их уменьшением) и обязательно при сокращении числа работающих. Одновременно стоит вопрос о повышении качества продукции и надежности ее функционирования в последующей эксплуатации у потребителя. Вместе с тем производственная система должна быть гибкой относительно своего дальнейшего развития модернизации и расширения.
К сказанному о гибкости производства необходимо добавить еще высокий уровень комплексной автоматизации как самого технологического процесса так и всех процессов контроля качества и управления производством с ликвидацией или существенным сокращением ручного труда во всех его звеньях. Во всяком случае ручного труда человека уже не должно быть непосредственно в совершении самого технологического процесса (безлюдное производство) хотя человек и остается как оператор наладчик диспетчер.
Решению таких задач удовлетворяет технологическая линия цех завод которые управляются сетью электронных вычислительных машин с соответствующим программным обеспечением широким применением робототехнических систем и технологического оборудования с ЧПУ. Тогда производство может быть переналажено в основном программным путем возможно со сменой лишь отдельных агрегатов.
Выбор обрабатывающего оборудований ГПМ
В кач основного технологического оборудования в механообрабатывающих ГПМ используются металлорежущие станки. К станку предъявляются требования высокой степени автоматизации процесса обработки и гибкости т.е. обеспечения автоматизированной перенастройки станка при смене обрабатываемой детали. 'Этим двум требованиям одновременно отвечают металлообрабатывающие станки с ЧПУ которые являются основным видом оборудования для ГПМ механообработки. Для использования станка в составе ГПМ необходимо автоматизировать следующие функции:
переналадку станка на изготовление детали нужного типоразмера;
загрузку заготовок и выгрузку обработанной детали;
контроль и коррекцию режимов технологического процесса;
контроль геометрических параметров обрабатываемых деталей;
контроль состояния инструмента;
замену сломанного изношенного или ненужного инструмента;
сбор и удаление отходов технологического процесса;
контроль наличия расхода и других параметров используемых технологических материалов (технологических сред);
диагностику узлов станка и его системы управления;
связь с более высоким уровнем управления
При проектировании ГПМ выбирают станки у которых перечисленные функции могут выполняться автоматически или производят небольшую модернизацию станка для автоматизации этих функций. На выбор оборудования влияет тип обрабатываемой детали. С этой точки зрения механообрабатывающие ГПМ можно разделить на две группы:
ГПМ для обработки деталей типа «тел вращения»
ГПМ для обработки корпусных деталей.
В ГПМ первой группы используются токарные станки с ЧПУ: центровые патронно-центровые патронные. Требованиям работы в составе ГПМ наиболее полно отвечают станки моделей 16К20ФЗ и другие. Высокую степень автоматизации имеет многоцелевой токарный станок с ЧПУ модели ИРТ180ПМФ. Этот станок оснащен в частности системой автоматической смены инструмента и измерительной головкой выдвижного типа предназначенной для контроля размеров инструментов в сменном диске револьверной головки. На станке можно выполнять операции точения фрезерования сверления растачивания и нарезания резьбы.
Двухкоординатный суппорт станка оснащен 2-позиционной револьверной головкой с горизонтальной осью вращения. Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон с быстросменными комплектами кулачков обеспечивает быструю переналадку станка. Станок имеет герметичное ограждение рабочей зоны и автоматический конвейер для уборки стружки расположенный непосредственно под зоной резания.
№16 Система координат — комплекс определений реализующий метод координат то есть способ определять положение точки или тела с помощью чисел или других символов. Совокупность чисел определяющих положение конкретной точки называется координатами этой точки.
Рабочая зона – это досягаемость рабочим органом различных точек пространства. В зависимости от рабочей зоны выбирается система координат.
№ 18. Определение суммарной погрешности позиционирования промышленных роботов.
В роботе каждая степень подвижности имеет автономный привод обеспечивающий определенную точность позиционирования. Погрешность позиционирования по степени подвижности определяется выражением где КИ – коэффициент характеризующий качество измерительной системы. В современных измерительных системах роботов КИ=15 20.
Так как в позиционировании участвуют степени подвижности осуществляющие как прямолинейное так и вращательное перемещения суммарная погрешность робота имеет вид
где ΔS-составляющая погрешности от степеней подвижности осуществляющих прямолинейное движение; Δφ- составляющая погрешности от степеней подвижности осуществляющих вращательное движение (К-коэффициент запаса равный 12 13). Величину ΔΣ определяют исходя из требований к точности установки объекта манипулирования а величины ΔS и Δφ – исходя из взаимосвязи линейных и угловых погрешностей робота и их значений приведенных к объекту манипулирования:
где П l В Di – число дискрет датчика используемых на перемещениях. Величины Пi Вi li определяются из геометрических зависимостей взаимного положения схвата и звеньев робота при позиционировании.
№ 19 Определение максимальных скоростей и ускорений. Расчет проводят исходя из реального закона движения (рис. 1 а) путем приравнивания заштрихованных площадей реального графика движения и графика движения со средней скоростью
№20 Определение параметров движения по степеням подвижности. Определение средних скоростей. Циклограмма работы оператора и робототехнического комплекса.
Для каждой степени подвижности должны быть определены средняя технологическая скорость (цикловая) максимальные скорость и ускорение.
Определение средних скоростей:
Исходной величиной для определения максимальной скорости и ускорения является средняя (цикловая скорость)
; Где - суммарное перемещение кисти робота; - суммарное время цикла выполняемого роботом. Суммарное перемещение кисти робота рассчитывается из программы робота и планировки ГПМ. Время цикла определяется на основе технологических требований и сравнивается со временем цикла выполняемого вручную и рентабельности внедрения промышленного робота:
Где - время выполнения цикла человеком; - коэффициент увеличения производительности труда при замене человека роботом.
Время выполнения цикла человеком определяется как сумма времени на выполнение всех движений в цикле. При наличии утверждённых нормативов выполнения ручных операций вычисляют с их использованием .
Минимальный уровень рентабельности определяется отсутствием убытков т.е. годовой экономический эффект должен быть равен нулю:
Где - затраты на производство единицы продукции при ручной работе; В – коэффициент учитывающий уменьшение выхода бракованных изделий при замене рабочего роботом; и - доли отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление единицы изготовляемого изделия; рассчитываются как величины обратные общему сроку службы изделия при ручном производстве и при автоматизированном производстве; - нормативный коэффициент эффективности:
= 0.15; - затраты на эксплуатацию робота отнесённые к единицы времени; - сопутствующие капитальные вложения (без учёта стоимости робота) на отладку ГПМ;
- приведённые затраты на новое средство труда (робот).
Полагая =0 и решая (1.3.) относительно получаем
Где - сроки службы изделия при ручном и роботизированном производстве; - годовые расходы на эксплуатацию робота; - стоимость робота; - срок службы робота; - фонд заработной платы рабочего с учётом отчислений на социальные службы; n – число высвобожденных рабочих.
Таким образом выражение (1.4) учитывает уменьшение выхода бракованных деталей увеличение срока службы изделий эксплуатационные расходы стоимость робота затраты на зарплату рабочего и социальные нужды.
Для определения средних скоростей по степеням подвижности требуется составление циклограммы работы человека (табл. 1) и уже по ней рассчитывают перемещения робота исходя из планировки ГПМ.
Пример циклограммы работы оператора:
Протянуть руку к детали (400 мм)
Снять с переднего центра
Выдвинуть деталь из рабочей зоны станка