CC BY
31
L ^^^^
1. Mikheev M.A., Mikheeva 08поуу teploperedacЫ. - izd. 2-ое. - М.: Energiya, 1977. - 344 s.
2. Nikolaenko A.V., Shkrabak V.S. Energeticheskie mashiny i ustanovki. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. - 8РЬ.: SPbGAU, 2005. - 438 s.
3. Zeynetdinov R.A. Energodinamika porshnevykh dvigateley: monografíya. - SPb.: SPbGAU, 2018. - 272 s.
4. Morozyuk L.I. 0ptimizatsiya teplooЬmennykh apparatov kholodil'nykh mashin metodom minimizatsii proizvodstva entropii // Vostochno-Evropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy. -Khar'kov: Tekhnologicheskiy tsentr, 2015. - 8. 42-47.
5. Yakubovich A.I. Sístemy okЫazhdeшya traktornykh í avtomoЫГnykh dvígateley. - М^к: Novoe znanie; М.: ШИЛ- М, 2014. - 473 s.
6. Pavlov K.F., Romankov P.G., Noskov A.A. Primery i zadachi po kursu protsessov i apparatov khimicheskoy tekhnologii. - М.: А1'УЯШ, 2006. - 575 s.
УДК: 637.112.5; 637.115 D0I 10.24411/2078-1318-2019-13158
Канд. техн. наук Н.В. МУХАНОВ (ФГБОУ ВО ИГСХА, nikem81@rambler.ru) Доктор техн. наук В.А. СМЕЛИК (ФГБОУ ВО СПбГАУ, smelik_va@mail.ru) Аспирант Д.В. БАРАБАНОВ (ФГБОУ ВО ИГСХА, barabanov_dmitry@mail.ru) Канд. ветеринар. наук Л.В. ГУРКИНА (ФГБОУ ВО ИГСХА, gurkinalv@yandex.ru)
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАНИПУЛЯТОРА РОБОТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ПРЕДДОИЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ВЫМЕНИ
Доильные робототехнические системы выполняют все необходимые операции при доении коров. Но обслуживание стада с большим поголовьем КРС при помощи роботов требует их большого количества, что связано не только со значительными затратами на их приобретение, а также с проблемой их размещения и обслуживания [1, 2, 3]
Поэтому в настоящее время обозначился тренд на роботизацию традиционных доильных систем, где роботы-манипуляторы в сочетании с доильной установкой, по сути, становятся единой роботизированной системой, способной обслужить большое количество животных [3, 4, 5].
Вопрос роботизации доильных залов изучается не только в странах Западной Европы. Следует отметить, что и в России учёные ФГБНУ ФНАЦ ВИМ занимаются исследованиями по данному направлению [4].
Сократить отставание в области роботизации доения позволит концепция, которая заключается в поэтапной роботизации отдельных операций, выполняемых при доении коров на доильной установке типа «Карусель». Выбор в пользу этой установки сделан ввиду того, что в станки, расположенные на вращающейся платформе, животные входят по одному с одинаковым временным интервалом, что очень удобно для последовательного обслуживания каждого животного [3, 5, 6].
На первом этапе предполагается разработать установку преддоильной подготовки вымени, осуществляющей подмыв и массаж вымени, основу которой составляет станок с входной и выходной дверцей и система позиционирования рабочего органа, которую образуют манипулятор и система машинного зрения [3, 5, 6].
Создание такой установки в первую очередь требует разработки манипулятора. Так, некоторые компании, выпускающие доильные роботы, пошли по пути разработки
манипулятора собственной конструкции. Однако существуют доильные роботы, построенные на базе промышленных манипуляторов. При этом важно отметить высокую стоимость таких манипуляторов, что отрицательно сказывается на стоимости готового доильного робота.
Поэтому для роботизированной установки вымени преддоильной подготовки вымени с целью снижения её стоимости была предложена конструкция, обеспечивающая подведение рабочего органа в рабочую область, и при этом имеющая максимальную простоту [5].
Цель исследований - изучить возможность разработки манипулятора для установки преддоильной подготовки вымени на шаговых двигателях, а также определить факторы, влияющие на режимы работы и точность перемещения рабочего органа в плоскости.
Материалы, методы и объекты исследования. Точность позиционирования рабочего органа определяется погрешностью, возникающей при перемещении рабочего органа в пространстве из начальной точки в заданную. При этом величину этой погрешности образуют две составляющие. Во-первых, это погрешность определения координат системой машинного зрения и, во-вторых, погрешность перемещения манипулятором рабочего органа в пространстве, которая определяется количеством пропущенных шагов шаговыми двигателями. Пропуски шагов определяются характеристиками приводов и режимами их работы, а также особенностями конструкции манипулятора.
Изучение факторов, влияющих на работу манипулятора и количество пропусков шагов, проводилось на лабораторной установке (рис. 1), содержащей каркас, очерчивающий область станка, в котором должно содержаться животное, и манипулятор, обеспечивающий подведение рабочего органа в рабочую область.
Каркас, очерчивающий область станка, используется для крепления камер, а также для определения фактических координат точки, в которую перемещается манипулятор. Измерения координат осуществлялись относительно системы координат, связанной с каркасом, ограничивающим область станка, и проводились при помощи лазерного дальномера COSMO 50 (внесен в Государственный реестр средств измерений, свидетельство об утверждении типа измерения CN.C.27.314.A №68555 от 29.12.2017 ) (рис. 2).
Рис. 1. Лабораторная установка для изучения факторов, влияющих на точность позиционирования рабочего органа в пространстве
Дальномер при помощи кронштейна крепится на металлическом каркасе, благодаря чему имеет возможность свободно перемещаться вдоль его сторон для измерения координат. Для обозначения точки, в которую перемещается манипулятор, был использован флажок, размещающийся на конце второго рычага манипулятора.
Рис. 2. Устройство для измерения координат и флажок для обозначения точки перемещения
манипулятора
9
Рис. 3. Схема манипулятора лабораторной установки: 1 - пластина нижняя опорная; 2 - пластина верхняя; 3 - шпильки; 4 - держатели; 5 - втулки;
6 - пластина подвижная; 7 - рычаг грузовой; 8 - рычаг вспомогательный; 9 - двигатели шаговые,
10 - передача ШВП; 11 - редуктор
Манипулятор, разработанный для лабораторной установки преддоильной подготовки вымени, имеет три степени свободы и позволяет перемещать рабочий орган в пространстве вдоль трех осей системы координат х, у, 2 (рис.3) [5]. Позиционирование манипулятора в пространстве обеспечивают три шаговых двигателя 86НБ156-5004 и редуктор, а длины рычагов изготовлены в соответствии с предварительно проведенным кинематическим анализом.
Основание манипулятора образуют пластины 1 и 2, которые соединены между собой шпильками 3, установленными в держателях 4. Шпильки 3 являются направляющими для перемещения втулок (линейных подшипников) 5, на которых закреплена подвижная пластина 6. На подвижной пластине 6 закреплены грузовой 7 и вспомогательный 8 рычаги. Поступательное перемещение подвижной пластины 6 и вращательные движения рычагов
осуществляются при помощи трех шаговых двигателей 9 и редуктора 11. Грузовой 7 и вспомогательный 8 рычаги манипулятора установлены на валах шаговых двигателей 9. Перемещение подвижной пластины 6 осуществляется при помощи шариковой винтовой передачи (ШВП) 10. Винт получает вращение от шагового двигателя 9, установленного на верхней пластине 2. На консольный участок вспомогательного рычага 8 устанавливается исполнительный рабочий орган, осуществляющий преддоильную подготовку вымени.
Управление манипулятором осуществляется при помощи блока управления, который составляют: драйверы шаговых двигателей DM860, блоки питания шаговых двигателей S-360-70, программируемый контроллер Atmega 2560, модуль ручного управления, модули ввода и вывода данных (рис. 4). Для блока управления было разработано программное обеспечение, позволяющее работать манипулятору в различных режимах [3].
Результаты исследования. Проведение преддоильной подготовки вымени регламентировано «Правилами машинного доения коров», утвержденными Министерством сельского хозяйства СССР, где одним из важнейших пунктов является соблюдение зоотехнических требований по времени преддоильной подготовки [7, 8].
Время от получения внешнего сигнала - раздражения окончаний нервных волокон (рецепторов) тканей вымени - до активного припуска молока составляет около 45 сек. Именно за это время должны быть выполнены все подготовительные операции на вымени и включены в работу доильные стаканы. Выполнение этого требования особенно важно потому, что окситоцин, выделяемый гипофизом в кровь, действует непродолжительное время, затем разрушается и перестаёт воздействовать на ткани альвеол вымени: активное сжатие альвеол длится всего лишь 3-4 мин., после чего мышечные волокна расслабляются, наступает спад и полное прекращение молокоотдачи [9, 10].
Так, предварительно были проведены исследования работы доильного робота БеЬауа1, установленного на животноводческом комплексе предприятия ООО «Растениеводческое хозяйство Родина» Гаврилово-Посадского района Ивановской области. Полученные данные показали, что продолжительность преддоильной подготовки вымени в данном роботе не соответствует зоотехническим требованиям, превышая рекомендуемую [12, 13], в среднем, более чем в полтора раза.
Таким образом, исследование работы доильного робота и зоотехнические требования позволили определить ориентировочную продолжительность операций преддоильной подготовки вымени (табл. 1), а также сформулировать основные требования, предъявляемые к манипулятору роботизированной установки преддоильной подготовки вымени: подведение рабочего органа должно осуществляться в течение времени порядка 5 с., достаточная точность позиционирования.
Рис. 4. Устройства для ввода и вывода данных
Таблица 1. Продолжительность составляющих операции преддоильной подготовки вымени
№ п/п Наименование операции Продолжительность, сек.
1 Вход коровы в станок 5
2 Обнаружение сосков и подведение манипулятором рабочего органа в рабочую зону 5
3 Подмыв и массаж вымени рабочим органом 15
4 Выход коровы из станка 5
5 Вход коровы в станок на платформе «Карусель» 5
6 Обтирание вымени салфеткой 5
7 Сдаивание первых струек молока 5
8 Подключение доильных стаканов 5
Задача поиска оптимального режима работы манипулятора лабораторной установки была сформулирована как задача оптимизации и поиска минимума функции отклика: АК = /1(А1; А2;v1;v2) ^ min,которая является уравнением регрессии.
Где А1 - величина шага первого двигателя, град; А2 - величина шага второго двигателя, град; v1 - величина частоты вращения вала первого двигателя, с-1; v2 - величина частоты вращения вала второго двигателя, с-1.
Для экспериментального определения коэффициентов уравнения регрессии были определены уровни варьирования факторов и проведен трехуровневый эксперимент (табл. 2).
Таблица 2. Уровни варьирования факторов
Уровни А1, град А2,град
варьирования V с-1 V с-
факторов
+ 1 0,9 0,9 2,5 1,25
0 0,45 0,45 1,25 0,83
-1 0,036 0,036 0,42 0,42
По результатам статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения функции отклика как в кодированном, так и раскодированном виде (1): АК = 551,63 - 1002,86А1 - 398,01А2 - 245,12у2 + 148,54АХА2 + 158,73А^2 + 574,42А2Х +
+ 208,99А22 + 89,23у2
Эта функция позволяет провести полный анализ выбранной области, границы которой определяются табл. 2.
Как видно, в уравнении (1) полностью отсутствует зависимость от величины частоты вращения вала первого двигателя у1 , что является проявлением того, что этот мотор передает вращение посредством редуктора. Следовательно, для снижения влияния на количество пропущенных шагов узлы соединения рычагов манипулятора необходимо оснастить редуктором.
На рис. 5а, 5б, 5в приведены поверхности, построенные при помощи прикладного пакета МаШсаё 14, являющиеся функцией двух переменных АК = У1(А1; А2) при заданных значениях частоты вращения вала второго двигателя у2 .
а б
в
Рис.5. График зависимости АК = /1 (А1; А2) при различных значениях у2 : а - v2 = 0,42 с-, б - v2 = 0,83 с- , в - v2 = 1,25 с-
Все поверхности имеют ярко выраженный минимум, приходящийся примерно на одну и ту же область. Пересечение плоскости, образованной осями и А2, и поверхностей при различных значениях у2 , образует плоскую область, для которой АК равно нулю. Эти области изображены на рис. 6.
1 11.115 0,1 П. 15 11.2 <1.25 0.3 0.15 11.4 0.4? 11.5 0.55 0.« 11.65 <1,7 (.75 lt.fi <>.N5 0.9 <1.95 1
Рис. 6. Область значений и А2 , при которых АК = 0 : 1 - при у2 = 0,42 с-1, 2 - при у2 = 0,83 с- , 3 - при v2 = 1,25 с-
Как видно из графических зависимостей, величина АК = 0 в области, где величина шага двигателей составляет от 0,450 до 0,90 при всех рассматриваемых частотах вращения вала двигателя. При этом более широкий диапазон значений А1 и А2, при которых величина АК = 0, соответствует режиму работы, при котором второй двигатель работает в режиме у2 = 0,83 об /с. При этом для других частот вращения вала двигателя соответствующие
области смещены в сторону значений А1 = 0,90 и А2 = 0,450 при v2 = 0,42с-1, и при v2 = 1,25 с-1 в сторону значений А1 = 0,450 и А2 = 0,90.
На рис. 7 приведен график зависимости АК при заданных значениях шагов А1 и А2, и различных значениях частот вращения вала второго двигателя у2 . Как видно из графических зависимостей, наименьшее значение пропусков шагов определяет график 4, который соответствует следующим режимным параметрам работы двигателей: А1 = 0,450, А2 = 0,90, у2 = 1 с-1.
АК
1>2, с ~1
и. 1 0.2 «.3 0.4 0.5 0.6 11.7 «.И 0.9 5 1.1 1.2 1,3 1.4 1.5 1.6 1.7 1Л 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
Рис. 7. График функции АК = /(у2) при заданных значения шагов двигателей:
1 - А1 = А 2 = 0,90; 2 - А1 =А 2 = 0,450; 3 - А1 = 0,90, А2 = 0,450; 4 - А1 = 0,450, А 2 = 0,90.
При этом общее время подведения манипулятора в рабочую область будет определяться совместной работой обоих моторов, а именно частотой вращения их валов. В табл. 3 приведены данные о времени позиционирования при различных значениях частоты вращения вала второго мотора.
Таблица 3. Время позиционирования манипулятора при различных частотах вращения вала первого двигателя
А1,град А 2, град -1 У^ с ( ,, мс имп1 ' -1 V с t т , мс имп.2 ' t , с позицион. >
2,5 0,5 1,84
0,45 0,9 1,25 1 1 2,5 3,43
0,42 3 9,72
Как видно из таблицы, при частоте вращения первого мотора 2,5 с 1 время позиционирования значительно меньше отводимых, согласно зоотехническим требованиям -5 с. Частота вращения 1,25 с-1 также позволяет уложиться в заданный временной интервал для позиционирования. Однако в первом случае движения манипулятора достаточно резкие.
Позиционирование с такой скоростью может напугать животное и привести к проблемам в работе с установкой. В этом смысле более рационально использовать режим работы первого мотора с частотой вращения 1,25 с-1, что обеспечит большую плавность движения механических частей и также позволит уложиться в заданный интервал позиционирования.
При частоте вращения первого мотора 0,42 с-1 время позиционирования составляет 9,72 с, что очень медленно для поточного обслуживания животных.
Выводы:
1. На основе проведенных экспериментальных исследований режимов работы электромеханического привода лабораторной установки построена математическая модель в виде уравнения регрессии (1), позволяющая связать величину пропущенных шагов с параметрами, определяющими режимы работы двигателей.
2. По результатам обработки экспериментальных данных определены оптимальные режимы работы шаговых двигателей манипулятора, обеспечивающие минимальное количество пропусков шагов и обеспечивающие соблюдение временных рамок позиционирования. Установлено, что оптимально использовать режимы работы двигателя, при которых величина шага составляет 0,450 и 0,90. В частности, при значениях частот вращения v1 = 1,25 с-1 и v2 = 1 с-1 и величинах шагов А1 = 0,450 и А2 = 0,90, величина потерянных шагов минимальна, а время позиционирования составляет 3,43 с.
3. Проведенные эксперименты позволили скорректировать методику проведения дальнейших экспериментов для определения оптимальных режимов работы двигателей и выйти на определение требований по массе, которым должен удовлетворять рабочий орган роботизированной установки преддоильной подготовки вымени.
Литература
1. Скворцов Е.А., Скворцова Е.Г., Орешкин А.А., Потехин В.Н. Влияние применения доильной робототехники на качество молока // Агропродовольственная политика России. -2016. - № 9 (60). - С. 44-47.
2. Набоков В.И., Скворцов Е.А., Некрасов К.В. Внедрение робототехники в организациях сельского хозяйства // Вестник ВИЭСХ. - 2018. - № 4 (33). - С. 126-131.
3. Барабанов Д.В., Крупин А.В., Муханов Н.В., Абалихин А.М. Алгоритм работы блока управления роботизированной установкой преддоильной подготовки вымени // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. -2019. - № 1 (33). - С. 90-95.
4. Кирсанов В.В., Цой Ю.А., Кормановский Л.П. Концепция создания роботизированной станочной установки с почетвертным управлением процессом доения коров // Инновации в сельском хозяйстве. - 2018. - № 1 (26). - С. 289-295.
5. Абалихин А.М., Муханов Н.В., Крупин А.В., Барабанов Д.В., Сафонова Н.Н. Кинематическое исследование манипулятора роботизированной установки преддоильной подготовки вымени // Аграрный вестник Верхневолжья. - 2018. - № 4 (25). - С. 99-108.
6. Пат. RU 176985 А0и 7/04. Установка преддоильной подготовки вымени / Д.В. Барабанов, Н.Н. Сафонова, Н.В. Муханов, А.В. Крупин, В.В. Кувшинов; Зарегистр. 24.03.2017 г.; опубл. 05.02.20118, бюл. № 4.
7. Письмо Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека от 16 мая 2007 года № 0100/4962-07-32 «О действующих нормативных и методических документах по гигиене питания».
8. Санитарные и ветеринарные правила для молочных ферм колхозов, совхозов и подсобных хозяйств от 29 сентября 1986 (URL: http://docs.cntd.ru/document/1200036525#zakaz_demonstracii).
9. Винников И.К., Бахчевников О.Н., Пахомов Ю.В., Шелушинина И.А. Технологический регламент автоматизированного доения коров. - Зерноград: СКНИИМЭСХ, 2011. - 47 с.
10.Григорьев Д.А., Король К.В. Технология машинного доения коров на основе конвергентных принципов управления автоматизированными процессами: монография. -Гродно: ГГАУ, 2017. - 216 с.
11.Хазанов Е.Е., Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Технология и механизация молочного животноводства: учебное пособие. - 2-е изд. стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2016.
12.Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. - Л.: Колос, 1978. - 560 с.
13. Механизация животноводства / В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Колос, 1993. - 317 с.
Literatura
1. Skvorcov E.A., Skvorcova E.G., Oreshkin A.A., Potekhin V.N. Vliyanie primeneniya doil'noj robototekhniki na kachestvo moloka // Agroprodovol'stvennaya politika Rossii. -2016. - № 9 (60). - S. 44-47.
2. Nabokov V.I., Skvorcov E.A., Nekrasov K.V. Vnedrenie robototekhniki v organizaciyah sel'skogo hozyaj stva // Vestnik VIESKH. - 2018. - № 4 (33). - S. 126-131.
3. Barabanov D.V., Krupin A.V., Muhanov N.V., Abalihin A.M. Algoritm raboty bloka upravleniya robotizirovannoj ustanovkoi preddoil'noj podgotovki vymeni // Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. -2019. - № 1 (33). - S. 90-95.
4. Kirsanov V.V., Coj YU.A., Kormanovskij L.P. Koncepciya sozdaniya robotizirovannoj stanochnoj ustanovki s pochetvertnym upravleniem processom doeniya korov // Innovacii v sel'skom hozyajstve. - 2018. - № 1 (26). - S. 289-295.
5. Abalihin A.M., Muhanov N.V., Krupin A.V., Barabanov D.V., Safonova N.N. Kinematicheskoe issledovanie manipulyatora robotizirovannoj ustanovki preddoil'noj podgotovki vymeni // Agrarnyj vestnik Verhnevolzh'ya. - 2018. - № 4 (25). - S. 99-108.
6. Pat. RU 176985 A01J 7/04. Ustanovka preddoil'noj podgotovki vymeni / D.V. Barabanov, N.N. Safonova, N.V. Muhanov, A.V. Krupin, V.V. Kuvshinov; Zaregistr. 24.03.2017 g.; opubl. 05.02.20118, byul. № 4.
7. Pis'mo Federal'noj sluzhby po nadzoru v sfere zashchity prav potrebitelej i blagopoluchiya cheloveka ot 16 maya 2007 goda № 0100/4962-07-32 «O dejstvuyushchih normativnyh i metodicheskih dokumentah po gigiene pitaniya».
8. Sanitarnye i veterinarnye pravila dlya molochnyh ferm kolhozov, sovhozov i podsobnyh hozyajstv ot 29 sentyabrya 1986 (URL: http://docs.cntd.ru/document/1200036525#zakaz_demonstracii).
9. Vinnikov I.K., Bahchevnikov O.N., Pahomov YU.V., SHelushinina I.A. Tekhnologicheskij reglament avtomatizirovannogo doeniya korov. - Zernograd: SKNIIMESKH, 2011. - 47 s.
10.Grigor'ev D.A., Korol' K.V. Tekhnologiya mashinnogo doeniya korov na osnove konvergentnyh principov upravleniya avtomatizirovannymi processami: monografiya. - Grodno: GGAU, 2017. - 216 s.
11. Hazanov E.E., Gordeev V.V., Hazanov V.E. Tekhnologiya i mekhanizaciya molochnogo zhivotnovodstva: uchebnoe posobie. - 2-e izd. ster. - SPb.: Izdatel'stvo «Lan'», 2016.
12.Mel'nikov S.V. Mekhanizaciya i avtomatizaciya zhivotnovodcheskih ferm. - L.: Kolos, 1978. - 560 s.
13.Mekhanizaciya zhivotnovodstva / V. R. Aleshkin, P. M. Roshchin. - 2-e izd., pererab. i dop. -M.: Kolos, 1993. - 317 s.
