Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Совершенствование технологического оборудования для первичной обработки рыбы опыт, проблематика, системный подход. Монография.pdf
привод, имеющий функции адаптивного управления, подсистемы связи и датчики.
Перспективность данного направления подтверждается всё более широким применением в машиностроении мехатронных компонентов, объединяющих в единой конструкции средства механики, электроники и электротехники.
Как показывает анализ, конструктивное объединение исполнительного и приводного элементов механизмов линейных и вращательных движений машин
позволяет исключить промежуточные механические преобразователи и передачи, повысить точность, быстродействие, а также снизить потери. Наличие в таком оборудовании встроенных систем автоматического управления и датчиков
превращает мехатронные узлы в быстродействующие интеллектуальные модули, на базе которых создаются машины новых типов с последовательной и параллельной кинематикой.
Следует отметить, что разработка техники на основе мехатроники представляет собой не только автоматизацию и роботизацию удачных и апробированных конструкций для первичной обработки рыбы. Совершенствование существующего оборудования на базе методов и средств мехатроники, а также
использование для этой цели богатого опыта в области робототехники – это
лишь одно из применений методологически нового подхода на определенных
стадиях жизненного цикла. Имеют существенное значение экономический и
социальный аспекты. Разработка и внедрение мехатронного оборудования приводит к сокращению численности операторов линий. Это позволяет экономить
на обслуживании, вентиляции, отоплении, освещении, культурно-бытовых расходах. Повышается культура труда и производительность работы персонала. По
этой причине мехатронная техника окупается быстрее по сравнению с частично
механизированными линиями.
Составляющие элементы должны выбираться конструктором и интегрироваться в мехатронное оборудование уже на стадии проектирования для эффективной поддержки жизненного цикла изделия. Оснащение устаревших и не
всегда удачных конструкций рыбоперерабатывающей техники электромехани-
181
ческими, электронными и управляющими устройствами приводит к снижению
надёжности и невысокой технико-экономической эффективности. Это означает
необходимость параллельного проектирования, при котором осуществляется
одновременный и взаимосвязанный синтез всех составляющих элементов – механических, электронных, сенсорных и вычислительных.
Мехатроника предопределяет принципиальные особенности нового клас-
са рыбоперерабатывающей техники. Среди них можно выделить следующие
существенные отличия от традиционных конструкций. Во-первых, в мехатронном оборудовании может быть существенно расширен так называемый базис
программирования движений, то есть координатный базис, в котором задается
программа движения рабочих органов. Более доступным становится применение нелинейных координатных базисов, что ранее было сопряжено с усложнением кинематических передач и механических программных устройств – копиров, кулачков, роликов, направляющих. Возможность применения мехатронных
модулей с параллельной кинематикой создает принципиальные предпосылки
для существенного упрощения кинематической схемы механической части машины и блока приводов. Вследствие этого, существенно упрощается математическое описание законов движения исполнительных механизмов, обеспечивающих движение режущих рабочих органов. Это связано с тем, что функции
управления снимаются с механических программных устройств и возлагаются
на ЭВМ, находя свое воплощение в программном обеспечении.
Во-вторых, возможное применение в мехатронном оборудовании нели-
нейных координатных базисов обусловливает нелинейную связь между показателями назначения и качества оборудования. Связи между стоимостью, производительностью, точностью обработки и металлоемкостью техники могут
иметь нелинейный и очень выгодный для потребителя характер. Например, при
незначительном снижении производительности машины можно добиться резкого скачка по точности обработки, получить значительное снижение металлоемкости, габаритов и массы машины. С другой стороны, существенное увеличение производительности и быстродействия настройки может быть достигну-
182
то незначительным увеличением стоимости машины с улучшением массогабаритных характеристик.
В-третьих, появляется возможность применения в рыбоперерабатывающем оборудовании серийных мехатронных модулей движения, а в дальнейшем
– интеллектуальных модулей. Это также создает предпосылки для существенного упрощения кинематической схемы оборудования, повышения уровня
унификации, значительного прироста ремонтопригодности, упрощения и ускорения ремонта, увеличения надежности без снижения функциональной нагрузки. Так, например, существенно возросла доступность комплектных цифровых
электроприводов для механизмов главного движения и механизмов перемещения рабочих органов, а также электропневматических и электрогидравлических
приводов. Увеличивается номенклатура и доступность компонентов для передач “винт-гайка”, шариковых винтовых передач, червячных передач с параллелограммными механизмами. Формируется основа для реального модульного
агрегатирования техники первичной обработки рыбы на основе типовых и унифицированных мехатронных изделий.
Существенный вклад в улучшение технико-экономических показателей
мехатронного рыбоперерабатывающего оборудования вносит построение узлов
машин на основе механизмов с параллельной кинематикой. Механизмы параллельной структуры имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными последовательными схемами, допускающими независимое движение звеньев по одной из координат при неизменном значении других координат. В параллельных кинематических схемах все координаты связаны, и перемещение по любой одной координате требует одновременного согласованного
изменения всех остальных. Такие механизмы имеют связи между исполнительным приводом и подвижной платформой, на которой установлен рабочий орган, посредством рычагов и штанг со сферическими шарнирами. При этом требуемая траектория перемещения режущего инструмента относительно рыбного
сырья обеспечивается согласованным изменением либо угловых и линейных
положений штанг и рычагов, либо длин штанг. Механизмы параллельной
183
структуры с тремя рычагами и шестью штангами, соединёнными сферическими
шарнирами, обеспечивают пространственное движение платформы с рабочим
органом с шестью степенями свободы.
Анализ системных принципов построения пищевых производств, исследованных в работах [22, 208, 246-248], подтверждает вывод, что основной
структурной частью гибких рыбоперерабатывающих линий в ближайшем будущем будет являться мехатронный комплекс. Это интеллектуальная многомерная сложная техническая система, предназначенная для экономичного изготовления рыбного продукта и построенная на мехатронных принципах и технологиях, способна выполнять программы функциональных движений рабочих
органов с адаптацией к изменяющимся условиям внешней среды. Составными
элементами мехатронного комплекса являются мехатронные модули, по функциям соответствующие самостоятельным машинам, но обладающие рядом
принципиальных преимуществ.
4.5 Модульный принцип построения мехатронного оборудования для первичной обработки рыбы
Модульный принцип построения изделий машиностроения исследован в
работах [2, 32, 75¸76], в которых под ним понимается построение различных
технических систем с разнообразными характеристиками путём компоновки из
типовых модулей ограниченной номенклатуры. Принципы построения и исследования характеристик модульных мехатронных систем рассмотрены в работах
[67, 89, 93, 112, 130, 144, 179, 186, 200, 217, 218, 239, 259, 325, 351, 377, 407 ].
Под мехатронным модулем подразумевается конструктивно и функционально
самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый привод, механическое и информационное устройства. Информационное устройство включает
датчики обратной связи и информации. Кроме того, в его состав входят вычислительные блоки для обработки и преобразования сигналов. В частности, такими приборами для сбора данных могут быть оптические датчики положения и
184
скорости вращения вала двигателя, оптические линейки и матрицы, миниатюрные видеокамеры и другие приспособления [31, 40, 77, 184, 244, 323, 355, 356,
378]. Интеграционная специфика и взаимопроникновение функций мехатронных модулей отражены на обобщённой структурной схеме мехатронного
устройства (рис. 1).
В работах [67, 89, 93, 112, 144, 186 , 218, 239 , 325, 377 , 407] проанализиро-
вана синергетическая интеграция элементов мехатронных модулей, суть которой состоит в объединении в единое техническое устройство элементов различной физической природы при сохранении функционального преобразования, выполняемого данным устройством. При этом используются следующие
базовые принципы. Заданные функциональные преобразования реализуются
минимально возможным количеством структурных и конструктивных блоков
путём объединения двух и более элементов в единый модуль. Модули объединяются в комплексы. Интерфейсы выбираются в качестве локальных точек интеграции, а избыточные структурные блоки и интерфейсы исключаются как сепаратные элементы. Функциональная нагрузка перераспределяется от аппаратных блоков к интеллектуальным компонентам. Снятие с механической части
системы части функций и перенос их на управляющие и электронные элементы
придает комплексу свойство гибкости, делает его способным к реконфигурации
и переналадке под новые технологические задачи. Интеграция предполагает не
только аппаратное объединение элементов, но и организацию интегрированных
информационных процессов управления в интеллектуальных модулях.
Постепенное оснащение мехатронных модулей движения микропроцессорами, цифровыми сигнальными процессорами (DSP – digital signal
processors), коммутаторами, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, программируемыми вентильными матрицами переводит их в
класс интеллектуальных изделий.
С учётом наличия серийно выпускаемых приводов, для построения мехатронных модулей целесообразно использовать унифицированные пневматические, гидравлические и электромеханические приводы.
185
Электромеханический привод должен применяться в тех случаях, когда
требуется плавность движения при сравнительно невысоких значениях предельной нагрузки и моментов вращения [14, 64, 69, 78, 100, 107, 110 , 117, 122,
153, 199, 201, 211 , 321]. При совместной работе нескольких приводов нагрузка
на каждый из них снижается. Точность позиционирования рабочих органов
обеспечивается с помощью микроЭВМ. Пневматический привод обеспечивает
высокое быстродействие и грузоподъемность, а гидравлический привод должен
применяться при больших нагрузках и моментах вращения [72, 121, 193, 196,
228, 251, 342, 349].
186
Рис. 1. Обобщённая структурная схема мехатронного устройства
Согласно принятой в машиностроении классификации [32, 75, 76, 259],
мехатронный комплекс целесообразно создавать путём функциональногеометрического модулирования. При этом в качестве минимальной единицы
принимается функциональной модуль. Он представляет собой технологическое
187
изделие, содержащее устройство программного управления и средства автоматизации. Модуль функционирует автономно, осуществляет многократные циклы обработки рыбного сырья, имеет возможность встраиваться в систему более
высокого уровня. В мехатронном комплексе для первичной обработки рыбы
предусмотрены два класса мехатронных модулей: модули обработки и модули
сбора данных.
При построении мехатронного комплекса целесообразно использовать
следующие положения, характеризующие модульный принцип проектирования и изготовления оборудования в машиностроении [2, 32, 75, 76, 259]:
– модуль является конструктивно и функционально законченной единицей, являющейся составной частью мехатронного комплекса;
– модули характеризуются наименьшим возможным числом связей для
присоединения к ним новых модулей (с унифицированными присоединительными элементами);
– ограниченная номенклатура доступных модулей должна обеспечивать
множество различных компоновок мехатронного комплекса путем многообразия сочетаний и положений модулей;
– модульный принцип проектирования мехатронного комплекса наиболее
полно отвечает требованиям решения конкретной технологической задачи;
– сокращается время и трудоемкость проектирования мехатронного комплекса, поскольку модульный принцип позволяет более полно использовать
выполненные ранее разработки;
– увеличивается надёжность работы мехатронного комплекса за счет
апробирования входящих в него модулей и наибольшего соответствия данной
конструкции модулей выполняемым задачам;
– уменьшение разнообразия конструкций модулей и составляющих их
элементов улучшает условия эксплуатации и ремонтопригодность;
– модульное проектирование позволяет создавать новое высокопроизводительное оборудование для выполнения качественной обработки сырья, а не
188
подгонять технологический процесс под возможности уже имеющегося оборудования;
– модульный принцип дает реальную возможность изменить устаревшую
форму и методы проектирования новых конструкций мехатронного комплекса
и их подсистем.
В соответствии с работой [351], к преимуществам мехатронных модулей
по сравнению с традиционными машинами отнесены следующие факторы:
– снижение себестоимости благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации;
– высокое качество реализации сложных и точных движений благодаря
управлению от ЭВМ;
– высокая надёжность, долговечность и помехозащищённость;
– конструктивная компактность модулей;
– улучшенные массогабаритные и динамические характеристики обору-
дования вследствие упрощения кинематических цепей;
– возможность комплексирования функциональных модулей под кон-
кретные задачи производства.
Структурный синтез мехатронного комплекса является сложной многоуровневой задачей. Действительно, на технологическом уровне требуется снижение доли ручного труда и количества операторов. На конструктивном уровне
требуется разработка модулей из серийных элементов на базе типизации и
унификации функционально законченных конструкций. На функциональном
уровне требуется обеспечить внутреннюю аппаратную, информационную и
программную совместимость составляющих элементов комплекса, а также
внешнюю совместимость с системой верхнего уровня. Как указывалось выше,
для наиболее эффективной компоновки и сопряжения подобранных узлов и механизмов в единую работоспособную конструкцию необходимо блочномодульное агрегатирование на ЭВМ.
На основе выбранной базовой функциональной конструкции разрабатывается ряд типовых модулей, которые можно рассматривать в качестве моди-
189
фикаций типового конструктивно-унифицированного ряда. Модули должны создаваться путём морфологического синтеза узлов и механизмов, известных как
по принципу функционирования, так и по исполнению. Используются апробированные прототипы с введением конструктивных изменений, учитывающих
специфические свойства конкретного вида рыбного сырья. При этом функциональная структура базовой конструкции модуля должна оставаться унифицированной для всех модификаций. При проектировании различных исполнений
модуля необходимо заново конструировать лишь те его узлы, которые служат
для получения требуемой характеристики, соответствующей виду обработки и
свойствам рыбного сырья.
При создании мехатронного комплекса с использованием принципа модулирования структурные составляющие компонуются из модулей в соответствии со следующими структурными уровнями.
Первый структурный уровень “модуль” является конструктивно законченной совокупностью сборочных единиц и деталей, объединённых общим
функциональным назначением и подчиняющихся общим требованиям по габаритам, установочным и присоединительным размерам. При этом предполагаются различные исполнения модулей, отличающихся физическими принципами
действия.
Второй структурный уровень “модуль - агрегат” является укрупнённой
сборочной единицей, состоящей из модулей первого уровня, применяемой в
различных компоновках (модификациях) мехатронного комплекса и оформленной по положениям блочного конструирования.
Третий структурный уровень “модуль – мехатронный комплекс” являет-
ся законченным оборудованием, имеющим различные компоновки и выполняющим несколько конкретных операций в составе линий взаимодействующих
машин.
Четвертый структурный уровень – производственная линия, имеющая
расчётный объём выпуска продукции. В составе производственного подразделения, выпускающего рыбные продукты в объемах, превышающих производи-
190