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
тельность одной линии в несколько раз, требуется установка нескольких линий.
Очевидно, за минимальную единицу декомпозиции мехатронного комплекса по структурным уровням следует принимать производственный модуль.
Предлагаемый модульный принцип позволяет обеспечить многовариантное построение мехатронного комплекса для первичной обработки рыбы с разнообразием функциональных, геометрических и параметрических характеристик. Составляющие элементы комплекса при этом выбираются из ограниченного, технически и экономически целесообразного набора типовых модулей. При компоновке мехатронного комплекса допускается использование серийных отечественных и зарубежных машин для выполнения некоторых технологических
операций, если это оправдано с экономической точки зрения и оговаривается
потребителем. Такой подход обоснован и положительно зарекомендовал себя в
практике зарубежных компаний, создающих комплексно автоматизированные
рыбоперерабатывающие линии.
Задачи выбора конфигурации модульного мехатронного комплекса
должны решаться на основе математических методов многокритериальной оптимизации, поскольку существует объективное противоречие между высокой
производительностью и универсальностью. Вопросы технико-экономического
анализа проектных вариантов новой техники подробно рассмотрены в работах
[7, 35, 223, 230, 261], поэтому целесообразно использовать подходы, предлагаемые в указанных источниках. Экономическая целесообразность должна иметь
решающее значение при выборе вариантов построения комплекса в зависимости от возможностей и потребностей заказчика. Известно, что высокая производительность и полная автоматизация технологической линии вступает в системное противоречие с универсальностью и пониженной производительностью мехатронного оборудования. Функции поиска оптимального соединения
производительности и универсальности должны быть возложены на управляющую ЭВМ.
Добавим к этому, что модульное построение мехатронного комплекса для
первичной обработки рыбы сопряжено с рядом особенностей, отмеченных в
191
работах [32, 75, 351]:
– требуется структурная интеграция специалистов пищевого, инженерно-
механического, электронного и информационного профилей в единые проектные и производственные коллективы;
– нужна подготовка инженеров-конструкторов, способных к системной
интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной
квалификации;
– необходима интеграция информационных технологий из различных
научных областей (пищевая инженерия, механика, электроника, информатика)
в единый инструментарий для выполнения мехатронных задач;
– требуется стандартизация и унификация элементов и процессов при
проектировании и производстве мехатронных систем.
Проведённый анализ свидетельствует, что разработка мехатронного ком-
плекса является многодисциплинарной проблемой и требует решения таких
сложных задач, как разработка единого математического и программного обеспечения, организация технологической подготовки, планирования и управления
процессами первичной обработки рыбы, технико-экономической оценки вариантов исполнения модулей. Необходимому объединению для этих целей множества специалистов и возможностей вычислительной техники содействует
применение научных методов технического творчества [7, 261] и переход к
САПР [500-503]. При этом важной научной задачей является исследование конструктивно-технологической основы создания эффективных мехатронных модулей. Её решение требует новой методологии структурного синтеза мехатронного комплекса с использованием модульных компоновок [2, 75, 351].
192
4.6 Роторно-конвейерный принцип построения мехатронного оборудования для
первичной обработки рыбы
Анализ тенденций развития современного промышленного оборудования
с числовым программным управлением, а также робототехники позволяет сделать вывод, что в мехатронном комплексе должен применяться роторноконвейерный конструктивный принцип. Это означает, что рабочие инструменты и сырье в мехатронных модулях обработки находятся на роторных транспортных системах, а внутри модулей и между ними перемещение полуфабриката осуществляется конвейерами. Такой подход позволяет обеспечить требуемые
характеристики оборудования – стабилизацию производительности, снижение
массы и габаритов, быструю переналадку за счёт автоматической смены рабочих органов. Кроме того, роторно-конвейерный конструктивный принцип позволяет реализовать многооперационную обработку в одном мехатронном модуле. Рыбный продукт, последовательно перемещаемый за каждый оборот ротора
с одной рабочей позиции на другую, получает запрограммированный объём
технологических воздействий.
Преимущества роторно-конвейерного принципа подтверждаются положительным опытом разработки и эксплуатации в рыбной отрасли отечественных карусельных и роторных машин, предназначенных для обезглавливания и
филетирования рыбы, заливки и закатки консервной продукции. Однако перспективность этих конструкций в настоящее время снижена, поскольку практически во всех изделиях применяется механическая систем автоматизации. Командным устройством (программоносителем) в них, как правило, является кулачковый распределительный вал, а рабочие органы приводятся в движение кулачково-рычажными, кривошипно-шатунными, рычажно-шарнирными или кулисными исполнительными механизмами.
Используя принципы построения роторного автоматического оборудования, исследованные в работах [152, 157, 178, 183, 268-271, 359], возможно
сформулировать два основных направления применения роторно-конвейерного
193
принципа в мехатронном оборудовании для первичной обработки рыбы. Первое
направление заключается в разработке технологических роторов для обработки
инструментом. Инструментальные блоки с рабочими органами при этом располагаются в модуле по окружности ротора и неподвижны. Сырье перемещается
операционным конвейером и последовательно проходит через инструментальные блоки. Второе направление заключается в разработке роторных устройств
для автоматической смены инструмента. Комплект рабочих инструментов при
этом находится на роторе, технологическую обработку осуществляет только
один инструмент, а его смена осуществляется путём вращения ротора, причем
сырье перемещается операционным конвейером. Широкое распространение
шаговых двигателей и микропроцессорных систем управления создают реальную основу для разработки роторной системы автоматической смены режущего
инструмента [433, 445].
Роторно-конвейерный принцип позволяет организовать в мехатронном
комплексе многопоточную обработку при непрерывном перемещении обрабатываемого сырья и инструментов. При этом возможна переменная плотность
технологического потока обрабатываемых полуфабрикатов.
4.7 Повышение гибкости технологического оборудования для первичной обработки рыбы на основе мехатроники
Гибкость производства означает способность мобильно переходить на
выпуск новой продукции, приспосабливаясь к изменяющимся условиям. Используя классификацию и основные определения, рассмотренные в работах [84,
85, 131, 160, 180], возможно сделать вывод, что мехатронный комплекс для
первичной обработки рыбы имеет ряд признаков гибкого автоматизированного
оборудования. В соответствии с иерархическим представлением гибких производственных систем в машиностроении и механообработке, мехатронный комплекс для первичной обработки рыбы в определённой мере носит черты гибкого производственного комплекса и гибкой автоматизированной линии, состоя-
194
щих из гибких производственных (технологических) модулей (обрабатывающих технологических ячеек). Основным признаком интеграции модулей в комплекс и линию является их объединение автоматизированной системой управления в соответствии с концепцией сквозной автоматизации [164].
Обеспечение производственной гибкости в первичной обработке рыбы
неизбежно приведёт к созданию в рыбоперерабатывающем машиностроении
новых технологических средств. Их номенклатура зависит от способов элементной декомпозиции производственной системы и последующего структурного синтеза из созданных элементов модульных производственных систем с
заданными характеристиками.
Опираясь на классификацию, предлагаемую в работах [67, 112, 239, 259],
следует отметить, что мехатронный модуль в общем случае представляет собой
совокупность основного и вспомогательного оборудования с числовым программным управлением на базе ЭВМ со средствами специального технологического оснащения, обеспечивающего обработку и накопление сырья и продукции, измерение их параметров, перемещение рыбы, инструментов и отходов.
Такая сложная техническая система предназначена для автоматизированного
выполнения первичной обработки рыбы и программно управляемой переналадки оборудования. Мехатронный комплекс включает модули обработки, контроля параметров, адаптивного ведения технологического процесса. Компоновка модулей должна обеспечивать подключение новых устройств и подсистем
по мере их разработки или освоения промышленностью, а также наращивание
технологического оборудования новыми сервисными средствами.
Переналадка должна осуществляться программным способом путём смены управляющих программ для локальных систем управления модулем, обеспечивающим управление как отдельными единицами технологического оборудования, так и согласованием его работы в составе мехатронного комплекса.
Учитывая вышеизложенное, необходимым средством для повышения
гибкости мехатронного комплекса являются микропроцессорные средства для
сбора данных. При этом решаются следующие задачи: автоматическое измере-
195
ние параметров сырья и продукции прямым методом; сбор данных для активного контроля технологического процесса; обеспечение точности и контроль
настройки рабочих органов оборудования; повышение качества обработки сырья; экономия ценных пищевых ресурсов.
В связи с этим требуется модульная интеграция средств видеотехники и
лазерной локации в мехатронный комплекс. Это создает основу для реализации
адаптивного управления при изменении условий внешней среды, существенно
расширяет универсальность и приспособляемость оборудования, позволяет выполнять оценку для автоматической перенастройки на различные режимы, виды сырья и готовой продукции.
Таким образом, мехатронный комплекс представляет собой предметнозамкнутую организационно-технологическую структуру, способную автономно
выполнять первичную обработку рыбы, обеспечивая необходимый уровень качества функционирования входящих в него модулей в условиях малолюдной
технологии. Основным принципом реализации системы управления мехатронным комплексом является информационная, программная, техническая интеграция всех её подсистем и компонентов на модульной основе [351]. Изменяемая структура мехатронного комплекса оказывает существенное влияние на работу каждого модуля и всего комплекса в целом.
Системный принцип открытости предусматривает будущую интеграцию
мехатронного оборудования с автоматизированными системами проектирования технологических процессов, складирования, загрузки сырья, диагностики
технического состояния – с целью устранения неизбежных недостатков комплекса на более высоком уровне развития технологий, материалов и производства. Совершенствование и замена электронной компонентной базы, повышение вычислительной мощности ЭВМ, наполнение баз данных и обновление
управляющих программ повышают эффективность работы комплекса и создают условия для его дальнейшей модернизации.
Более подготовленными к переходу к производству и внедрению ме-
хатронных систем оказываются малые и средние инновационные предприятия,
196
способные адаптировать свою структуру к требованиям внешней среды.
Необходимость обеспечения структурной гибкости мехатронного комплекса для первичной обработки рыбы обусловлена развитием малых и средних
производств. Ранее в отрасли разрабатывалось преимущественно оборудование
для крупных предприятий. Однако такая техника мало подходит для условий
небольших перерабатывающих предприятий, ориентированных на сырье прибрежного морского лова и внутренних водоемов. Существующие конструкции
ориентированы на обработку значительного количества однотипного океанического сырья, отличаются значительный производительностью, сложностью,
металлоемкостью, большими габаритами, высоким энерго- и водопотреблением, дороговизной. Таким образом, практически не учитывается специфика малых перерабатывающих предприятий.
Малые и средние производства не порождают высоких требований к производительности оборудования в связи с существенно меньшими объемами обрабатываемого сырья. Следовательно, механическая конструкция комплекса
для таких потребителей за счёт соответствующей компоновки мехатронных
модулей может существенно упрощаться и удешевляться, а также допускать
выборочное применение ручного труда на ряде промежуточных операций, плохо подающихся механизации (загрузке, укладке, ориентировании).
В то же время, поступающая на первичную обработку рыба отличается
большим многообразием видового состава, а на его основе производится широкий ассортимент гастрономической продукции. Это означает, что оборудование одновременно с простотой механической части должно обладать определённой универсальностью по назначению, то есть осуществлять обработку сырья различного видового состава. Учёт условий эксплуатации и предполагаемой квалификации обслуживающего персонала предполагает, что оно должно
быть простым в управлении, удобным в эксплуатации, надежным, отличаться
малой энергоемкостью, водопотреблением, габаритами, металлоемкостью.
Мехатронное оборудование создает реальную основу для автоматизированного производства, рассчитанного на малые и средние партии однотипной
197
рыбной продукции. Компоновка модулей может неоднократно и оперативно
модифицироваться потребителем с целью адаптации к условиям своего производства и требованиям рынка.
Комплекс должен приспосабливаться к частым и случайным изменениям
заданий по ассортименту и объёму готовой продукции. Из этого следует, что
такую систему следует рассматривать не как застывшее во времени организационно-техническое решение, а как гибкую структуру, способную развиваться,
совершенствоваться и приспосабливаться к изменяющимся условиям. Для этого комплекс должен обладать не только гибкостью, но и мобильностью. Если
гибкость предполагает способность системы перестраиваться на изменение выпускаемой продукции по ассортименту и количеству, то мобильность предполагает выполнять это быстро и организованно.
Применение мехатроники и модульного принципа базируется на наличии
элементных баз на модульном уровне каждого звена производственной цепочки: изделие – технологический процесс – технологическая линия - организационная форма производственного процесса. Следует отметить, что элементные
базы должны быть открытыми для вывода устаревших технических решений и
ввода новых прогрессивных решений, а также элементные базы должны быть
связаны между собой. Это предполагает и наличие информационного обеспечения в виде баз данных технологического обеспечения на модульном уровне
для разработки модульных технологических процессов переработки рыбного
сырья.
Важно отметить, что уровень гибкости звеньев производственной цепочки должен определяться техническими возможностями и учитывать степень их
влияния на гибкость производства. Немаловажным является экономический
фактор в качестве критерия для выбора уровня гибкости производственной системы.
С учётом вышеизложенного и исследований, выполненных в работах [67,
89, 93, 112, 130, 144, 179, 186, 200, 217, 218, 239, 259, 325, 351, 377, 407], представляется возможным обобщить определяющие принципы создания мехатрон-
198
ного комплекса для первичной обработки рыбы:
– проектирование мехатронного комплекса как сложной технической си-
стемы с учётом состава и характеристик её подсистем, элементов и связей между ними [429, 430, 437, 439, 440, 448, 456, 463, 466, 474-476, 482, 486];
– модульный принцип построения комплекса [49];
– роторный и роторно-конвейерный принцип построения рабочих ин-
струментов и модулей [433, 435, 444];
– разработка оптико-электронных и микропроцессорных средств сбора
данных прямым методом в модульном исполнении [436, 442, 443, 468, 469];
– наличие унифицированного привода (пневматического, гидравлическо-
го, шагового, сервопривода) управляемого от ЭВМ [452, 453, 458, 460];
– применение стандартных интерфейсов для управляющих ЭВМ и пото-
ков информации [431, 432];
– автоматическая настройка рабочих органов в мехатронных модулях об-
работки [441, 470, 471];
– автоматическая смена рабочих инструментов в мехатронных модулях
обработки [445];
– системная совместимость мехатронных модулей, включающая в себя
технологическую, информационную, конструктивную, эксплуатационную и
энергетическую совместимости [493, 494];
– распределённо-централизованное управление и обработка информации,
предусматривающие распараллеливание вычислений в пространстве и времени
с целью повышения надёжности и живучести [459];
– структурная и параметрическая адаптация мехатронного комплекса к
изменениям в технологическом процессе [467];
– принцип программной переналадки мехатронного комплекса;
– совместимость мехатронного комплекса с другими производственными
системами рыбоперерабатывающего производства на уровне линии, цеха,
предприятия, включая открытость и приспосабливаемость к будущим технологическим системам [459];
199
– принцип обеспечения рациональной предметной замкнутости (первич-
ная обработка рыбы) в зависимости от условий производства;
– принцип управления производительностью и повышения универсально-
сти;
– принцип поэтапного внедрения комплекса с различной степенью авто-
матизации.
В целях решения сложной межотраслевой проблемы создания мехатронного комплекса для первичной обработки рыбы сформулированы следующие
научные задачи:
– создать теоретическую основу многовариантного построения модульного мехатронного комплекса для реализации технологических процессов первичной обработки рыбы;
– на основе топологических моделей технологических процессов выполнить многовариантный системный синтез функциональной структуры мехатронного комплекса и провести её имитационное моделирование;
– разработать научные принципы построения мехатронных модулей обработки (обезглавливания рыбы, потрошения и зачистки брюшной полости,
филетирования, обесшкуривания, порционирования), а также модулей сбора
данных (видеокомпьютерного и весоконтрольного);
– разработать математические модели и методику многокритериальной
оценки и выбора вариантов мехатронного комплекса с целью его структурной
адаптации к условиям рыбоперерабатывающих производств;
– исследовать функциональные структуры и физические принципы действия мехатронных модулей обработки сырья и сбора данных, а также систематизировать инженерные методики расчёта их основных параметров;
– создать типовые конструктивные решения мехатронных модулей обработки и сбора данных, их компонентов и элементов на новых принципах с характеристиками, превосходящими существующее оборудование;
– разработать и исследовать численными методами на ЭВМ твердотельные модели инструментов и средств технологического оснащения мехатронных
200