CC BY
5УДК 621.865.8
Р.А. Гараев, А.О. Рогожников
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ РЫБОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Производственные мощности рыбодобывающих предприятий Камчатского края постоянно растут, поскольку технологии не стоят на месте, а также появляются все более совершенные способы добычи и переработки рыбы, для улучшения эффективности которых требуется более комплексный подход. Увеличение объемов производства и повышение удельной производительности труда на предприятии является одной из ключевых задач по развитию российской промышленности. Разработка и последующая эксплуатация промышленных роботов-манипуляторов поможет решить эту непростую задачу.
Ключевые слова: манипулятор, робот, автоматизация, промышленность, производство.
R.A. Garaev, А.О. Rogozhnikov
Kamchatka State Technical University Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
THE RELEVANCE OF USING A ROBOT-MANIPULATOR TO INCREASE THE PRODUCTION CAPACITY OF FISH PROCESSING ENTERPRISES
The production capacity of Kamchatka Krai fishing enterprises is constantly growing, since technology is not standing still and more and more advanced methods for extracting and processing fish are appearing, the study of the effectiveness of which requires a more comprehensive approach. Increasing production volume and increasing specific labor productivity at the enterprise is one of the key tasks for the development of Russian industry. The development and subsequent operation of industrial robotic manipulators will help solve this difficult problem.
Key words: manipulator, robot, automation, industry, production.
Полуостров Камчатка с западного и восточного побережья омывается морями и океаном, в связи с чем состояние водной биосферы играет ключевую роль в целостном и непрерывном развитии данного края [1]. Рыбохозяйственный комплекс является основной отраслью экономики Камчатского края, поскольку регион обладает богатой флорой и фауной. На долю Камчатки приходится до 75% вылова по всему Дальневосточному бассейну. Однако, несмотря на богатые запасы водных биологических ресурсов, рыбодобывающие и рыбоперерабатывающих предприятия, к сожалению, нередко сталкиваются с рядом различных проблем, которые могут существенно снизить их производственную мощность и повлиять на конечное качество продукции. Одной из таких проблем является низкий уровень автоматизации производства и нехватка квалифицированных специалистов, способных выполнять сложные технологические операции.
На данный момент в большинстве компаний преобладает высокий удельный вес ручного труда, в результате чего все основные технологические операции выполняются вручную, что требует больших трудовых ресурсов и территорий, а также в негативном ключе влияет на скорость производства и качество продукции. В ряде случаев ситуация доходит до того, что лишь ограниченный круг лиц имеет необходимые компетенции для обработки и дальнейшего изготовления определенного водного биоресурса. Для поддержания конкурентоспособности и увеличения как производственных мощностей, так и экономического эффекта от производства опреде-
ленных товаров, предприятие постоянно должно совершенствовать свое технологическое оборудование и производственные процессы. Именно в этом контексте актуальным становится применение различных роботов-манипуляторов, нацеленных на создание полностью автономного конвейерного производства с минимальным количеством вовлеченных в это людей, что сделает возможным не только значительное повышение экономических показателей предприятия, но и снижение уровня травматизма на предприятии практически до нуля [2]. Кроме того, постоянная модернизация и поддержка промышленного оборудования в хорошем состоянии позволит снизить расходы на обслуживание и закупку новых устройств.
Все промышленные роботы-манипуляторы относятся к дорогостоящему и профессиональному оборудованию, которое изготавливают узкоспециализированные компании со строгим уклоном в необходимую отрасль. В большинстве случаев устройство имитирует движение руки человека, что позволяет использовать робота повсеместно [3]. Конечная область применения таких устройство зависит от установленного на них рабочего органа и поставляемого программного обеспечения. Правильная настройка алгоритмов робота-манипулятора и его эксплуатации строго в обозначенных промышленных условиях позволяет сильно повысить качество конечного продукта, снизить влияние человеческого фактора на производство и просто автоматизировать выполнение любой задачи. Ключевой проблемой для закупа и установки данных устройств является их высокая стоимость, иностранное производство, а также узкая специализация работы. Зачастую стоимость устройств данного типа превышает несколько миллионов рублей, что для малых и средних предприятий является неподъемной суммой. Кроме того, даже покупка дорогостоящего робота-манипулятора не всегда гарантирует его высокую эффективность, поскольку в текущих реалиях роботы-манипуляторы практически не производятся отечественными компаниями, что создает высокие трудности с покупкой и доставкой. На рис. 1 изображены вариации подобных роботов-манипуляторов.
1 2 3 4
Рис. 1. Вариации промышленных роботов-манипуляторов: 1 - UR-10; 2 - Doosan Robotics A0912;
3 - PULSE 75; 4 - CRP RH14-10
Не менее важным фактором является и полное отсутствие адаптивности роботов-манипуляторов. Если при перестроении процесса производства на предприятии возник переизбыток устройств на одном виде производства, но недостаток на другом, то поменять специализацию робота не выйдет, что полностью срезает любую мобильность и вариативность применения данного промышленного оборудования. Этому препятствует в первую очередь невозможность смены рабочего органа, а также чужое, заблокированное для редактирования программное обеспечение. Если в первом случае устройство еще можно будет использовать в смежной, близкой к изначальной отрасли, то во втором уже не остается никаких вариантов.
В данный момент на кафедре «Энергетические установки и электрооборудование судов» в Камчатском государственном техническом университете ведется разработка своего робота-манипулятора [4]. Проектируемое устройство необходимо для увеличения адаптивности и снижения экономической нагрузки на предприятия при покупке. Разработка устройства проводится с оглядкой на основные недостатки широко востребованных и хорошо используемых промышленными компаниями роботов-манипуляторов. Основной упор в проектировании был сделан на возможность смены области применения разрабатываемого устройства, для чего необходима
возможность быстрой смены рабочего органа и переключения программного режима работы. Реализация такого функционала требует авторского подхода к программно-аппаратной части устройства, в результате чего было принято решение о разработке собственного программного обеспечения и рабочих модулей. На рис. 2 представлена визуализация разрабатываемого устройства с установленной на него механической клешней.
Поскольку разработка такого устройства требует комплексного подхода, изначально был спроектирован и находится на финальной стадии сборки самый востребованный орган для подобных устройств - механическая клешня. В ходе адаптации математической модели и серии базовых испытаний по подбору необходимых компонентов были получены показатели моделируемого рабочего органа. Сила сжатия механической клешни составит порядка 20 кг во время пиковой нагрузки, а диаметр открытия будет составлять 117,5 мм, что является оптимальным показателем для работы. Кроме того, планируется разработать несколько вариантов изготовления самих захватов для обеспечения высокого уровня хвата и надежного удержания объекта. Для этого будут использоваться варианты модуля с двумя и тремя хватами, которые будут изготавливаться из различного материала, от металла до ABS-пластика, в том числе с внедрением ребер жесткости для более плотного удержания необходимого объекта.
Сам прототип корпуса будет представлять из себя полую конструкцию, внутри которой будут размещаться необходимые для работы робота-манипулятора компоненты в виде плат, сервоприводов и преобразователей. Для повышения прочности возможно использование стальных усилений. Робот-манипулятор будет обладать четырьмя степенями свободы, которые будут достигаться за счет использования сервоприводов с моментом на валу более 10 кг/см, угол их поворота, в зависимости от места установки, будет варьироваться от 90 до 270 градусов соответственно.
Для приведения всей конструкции в движение и внедрения последующей автоматизации устройства ведется разработка собственного программного обеспечения. Для экономии времени и удешевления начальных испытаний стартовые версии программ для управления устройством пишутся на базе плат ARDUINO, что позволяет быстро отрабатывать предполагаемые алгоритмы и режимы работы в широком диапазоне, а также помогает изучать потенциальные возможности используемых компонентов, их надежность и соответствие разрабатываемому устройству, а также максимальный ресурс работы. После прохождения всех предполагаемых разработчиками испытаний будет осуществлен полный перенос программ и алгоритмов устройства на плату RASPBERRY PI 4, предлагается использование разновидности model b. Это необходимо для оптимизации программного кода и закладки фундамента под будущие программные расширения, которые позволят значительно увеличить функционал устройства, а также добавить большое количество датчиков для последующей интеграции. Датчики с помощью программной эмуляции помогут повысить точность устройства, а также исключить возможность возникновения несчастных случаев.
Рис. 2. Визуализация робота-манипулятора с установленной механической клешней
Герметизация рабочего органа планируется путем изготовления водостойкого корпуса путем изготовления плотных соединений с использованием, в зависимости от места установки, резиновых или силиконовых уплотнений. Защита корпуса от попадания воды будет достигаться путем изготовления цельной конструкции с отдельной изоляцией особо уязвимых узлов. В ходе моделирования команда разработчиков столкнулась со сложностью обеспечения должного уровня водонепроницаемости. В результате расчетов и проведения ряда экспериментов были выбраны три основных материала для герметизации: силикон, эпоксидная смола и герметик. Ключевым фактором для выбора конечного вещества являлась его герметичность и долговечность, поэтому была выбрана именно эпоксидная смола. Хотя она и обладает большей массой, чем герметик и силикон, ее показатели герметичности и прочности значительно превышают значения аналогов. Кроме того, в случаях использования в морской воде она практически не подвержена коррозии, что оставляет ее бескомпромиссным лидером для герметизации разрабатываемого устройства.
Разрабатываемый робот-манипулятор, способный работать в условиях морской среды, позволит предприятиям значительно упростить процесс интеграции подобных промышленных устройств, что в свою очередь значительно повысит производственные мощности предприятия и позволит обуздать ранее малоразвитые области производства. Эксплуатация робота-манипулятора на предприятии позволит увеличить все ключевые производственные аспекты:
1. Значительное повышение объемов переработки различной продукции благодаря заранее отлаженным алгоритмам.
2. Увеличение производительности труда предприятия путем круглосуточной эксплуатации данных устройств.
3. Практически полное исключение травматизма на рабочем месте, в соответствии с замещаемыми роботом-манипулятором рабочими операциями.
4. Повышение уровня автоматизации производства до высокого, путем прописывания узконаправленных программных алгоритмов в соответствии с нуждами предприятия.
Необходимо подчеркнуть, что разработка роботов-манипуляторов и их последующее внедрение на производственные предприятия является основополагающем фактором развития промышленности как Камчатского края, так и всей России в целом. Данные устройства позволяют предприятию значительно повысить производственные мощности и улучшить качество конечной продукции, а также снизить экономические издержки и трудности, вызванные острой нехваткой персонала. Немаловажным фактором необходимости эксплуатации промышленных роботов-манипуляторов также является неограниченный ресурс работы, что позволяет устройствам работать круглосуточно, это в конечном итоге поможет поднять производительность предприятия в несколько раз по сравнению с полным использованием ручного труда.
Литература
1. Гараев Р.А., Змеев А.Д. Актуальность разработки подводного дрона и робота-манипулятора для отслеживания состояния водной биосферы Камчатского края // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы XIV Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. (21-22 марта 2023 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2023. - С. 72-75.
2. Разумова Т.И. Роль роботизированных систем в современном производстве // Экономика и управление: проблемы, решения. - 2014. - № 9(63). - С. 60-65.
3. Гараев Р.А., Рогожников А.О. Перспектива использования робота-манипулятора в различных отраслях // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Пятой междунар. науч.-техн. конф. (18-21 октября 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2022. - С. 57-60.
4. Гараев Р.А., Рогожников А.О. Разработка робота-манипулятора для работы в морских условиях // Молодежь. Наука. Инновации. - 2023. - Т. 1. - С. 616-621.
