CC BY
0С.О. Никифоров, д-р техн. наук, проф., гл. науч. сотрудник Институт физического материаловедения СО РАН Ю.Л. Шурыгин, канд. техн. наук, доц.
Э.Б. Мандаров, канд. техн. наук, доц., e-mail: erdman77@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления Б.С. Никифоров, канд. техн. наук, доц., e-mail: nbs76@mail.ru Бурятский государственный университет Н.С. Улаханов, аспирант Институт физического материаловедения СО РАН г. Улан-Удэ
УДК621.396.65.01156:7.042
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА БЕЗРЕВЕРСНЫХ МЕХАТРОННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ
В работе представлены особенности структурного и функционального описания и характеристики качества при разработке технических систем на основе модульного синтеза. Описана процедура подготовки и разработки технического задания при дизайнерском проектировании технических систем на примере безреверсных мехатронных манипуляторов. Дан алгоритм их структурного проектирования, и представлены их эксплуатационные показатели качества.
Ключевые слова: технические системы, безреверсные мехатронные манипуляторы, эксплуатационные показатели качества.
S.O. Nikiforov, Dr. Sc. Engineering, Prof. Yu.L. Shurygin, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof. E.B. Mandarov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
B.S. Nikiforov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
N.S. Ulahanov, P.G.
OPERATING CHARACTERISTICS OF IRREVERSIBLE MECHATRONIC MANIPULATORS
The article is devoted to the features of the structural and functional description and the quality characteristic when developing technical systems on the basis of modular synthesis. Procedure of specification preparation and development when designing technical systems on the example of irreversible mechatronic manipulators is described. The algorithm of their structural design is given and their operational indicators of quality are presented.
Key words: technical systems, irreversible mechatronic manipulators, operational indicators of quality.
Введение
Тема разработки и вывода на рынок качественно новых успешных продуктов чрезвычайно актуальна для развития экономики России. В этом плане при создании инновационных продуктов необходим целостный системный подход к исследованию, проектированию, изготовлению, эксплуатации, сервису, контролю и утилизации на основе понятия «жизненный цикл изделия» (ЖЦИ) [1], где это понятие образует цикл качества изделия на все его стороны (ГОСТ 15.004-82).
Создание и развитие технических систем (ТС) претерпевает три фазы эволюции: создание машин на новом принципе действия; конструкторско-технологическое совершенствование машин; создание машин параметрического ряда. При этом необходимо грамотно сформулировать техническое задание (ТЗ) - исходный документ для проектирования ТС, конструирования ее модулей и проведения научно-исследовательских работ.
В ТЗ включают, как правило, прогнозируемые эксплуатационные показатели и качество продукции. ТЗ согласно ГОСТ 15.001-73* состоит из следующих основных разделов:
- наименование и область применения;
- основание для разработки;
- цель и назначение разработки;
- источники разработки;
- технические требования;
- экономические показатели;
- стадии и этапы разработки
- порядок контроля и приемки;
- применение.
Согласно этому же стандарту, технические требования - это требования и нормы, определяющие показатели качества и эксплуатационные характеристики продукции с учетом действующих стандартов и норм.
ТЗ является первой стадией и промежуточным звеном между исследованиями (НИР) и последующими стадиями проектирования ТС. В основе эффективности ТС главной целью проектирования продукции становится ее конкурентоспособность, определяемая качеством и затратами на его достижение, а успех этого определяется менеджментом качества на всех стадиях ЖЦИ. До 75% качества продукции закладывается при проектировании и до 20% добавляется при ее изготовлении. На заключительные стадии ЖЦИ - эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт - приходится от 5 до 10% качества, но и на этой стадии качество изделия определяется качеством проектирования и производства. Такой подход позволяет объединить процессы производства и проектирования продукции в единое целое и выявить общие закономерности формирования ее качества на данных стадиях.
Проектируемый дизайнером объект ТС представляет собой некую пространственно организованную сущность средствами технического и художественного дизайна, которая при необходимости может быть овеществлена хотя бы в одном экземпляре, например, средствами быстрого прототипирования изделий [1], что позволяет быстро реагировать на конъюнктуру и потребности рынка.
В работе [3] представлена трехуровневая иерархическая процедура машинной дизайн-технологии проектирования, где на каждом иерархическом уровне используются свои понятия и системы элементов. Процедура включает в себя пред проектную стадию I, процедуру машинного проектирования II, состоящую из двух блоков - технического и орнаментального дизайна (результатом процедуры является твердотельная модель (прототип)), заключительную стадию III, представляющую собой этап овеществления прототипа - создание физической модели.
Таким образом, при дизайнерском проектировании и изготовлении изделий необходим комплексный подход, решающий вопросы их функционально-структурного синтеза путем целенаправленного формирования алгоритмов и средств реализации процессов их управления при проектировании и создании изделий.
Такой подход включает в себя все циклы создания изделий:
- концептуальное проектирование и дизайн;
- моделирование;
- синтез алгоритмов и средств аппаратуры;
- разработку технической и конструкторской документации;
- конструктивную реализацию;
- разработку технологического процесса и т.д.
Система как изделие в своем развитии последовательно проходит несколько этапов жизненного цикла от идеи создания до разборки и утилизации после израсходования ее ресурса.
При создании мехатронных устройств высокого уровня эффективным является системный подход к анализу функциональных модулей (систем), при котором проводится их целостное рассмотрение, в частности, на предмет выявления того, к чему приводит взаимовлияние функциональных модулей (к проявлению синергетических свойств системы).
Для обслуживания высокопроизводительного технологического оборудования требуется комплексный подход к автоматизации производственных процессов, требующий, в частности, существенное повышение быстродействия ММ при их относительно низкой себестоимости, отвечающей оптимальному соотношению критерия «цена - качество».
При разработке мехатронных устройств необходимо учитывать, что наиболее серьезной проблемой мехатроники и робототехники является существенное повышение быстродействия. По материалам Японской ассоциации промышленной робототехники, из 23 показателей робототехники [5] по степени важности первые 7 занимают следующие направления разработок по порядку (табл. 1):
Таблица 1
Рейтинг направлений исследований Японской ассоциации промышленной робототехники
Направление и цели исследований Место по степени важности
Повышение быстродействия роботов 1
Повышение точности позиционирования 2
Уменьшение габаритов роботов 3
Методы управления от ЭВМ 4
Снижение стоимости 5
Очувствление (зрение) 6
Модульность (взаимозаменяемость) 7
На рисунке 1 представлена концепция создания ММ, в которой наряду с технико-экономическими требованиями представлены требования к набору функциональных модулей (их составу и классификации).
Рис. 1. Концепция создания мехатронных манипуляторов
На современном этапе развития науки и техники способы организации движений (управления) с помощью разного рода сложных интегральных устройств претерпевают значительные изменения, обусловленные достижениями в области электронной техники, приводных устройств, сенсорной техники и информационных технологий. Наиболее перспективно создание подобных устройств, отличающихся от имеющихся не условиями использования, а новизной способа преобразования движений.
Принципиально новые интегральные устройства создаются нечасто, но именно они или их модификации позволяют реализовать экономичные и надежные конструктивные решения в условиях конкретного производства с наиболее эффективными эксплуатационными параметрами при минимальных энергетических и материальных затратах.
На стадии подготовки к созданию высокоэффективных ММ устанавливают принципиальную возможность реализации и целесообразность создания, формируют техническое за-
дание для этапа проектирования. Наиболее важной частью стадии подготовки являются поисковые исследования и моделирование. Существуют два направления исследований: 1) преобразование движений в исполнительном механизме ММ и организация соответствующих способов и средств управления, 2) улучшение функциональных свойств изделий на основе анализа принципов, средств формирования движений, структуры и системы управления [5].
Так как управление ММ оценивается исключительно по характеристикам СУ, то при ее формировании необходимо:
1) сформулировать требования к выполнению движений исходя из технологических
задач;
2) описать принципы действия СУ;
3) построить и описать структуру СУ, представляющую собой соединение модулей, каждый из которых выполняет свои функции;
4) описать состав модулей и элементную базу;
5) обосновать состав технических характеристик, раскрыть их смысл, сравнить с характеристиками существующих СУ промышленных роботов (ПР);
6) описать СУ, выпускаемые промышленностью;
7) описать способы работы с СУ, в частности способы программирования движений.
Объектом управления является исполнительное устройство (манипулятор), в которое
также входят приводы.
Следует иметь в виду, что требования к системам управления ММ, динамические характеристики которых отличаются от характеристик традиционного технологического оборудования, будут специфическими. Как правило, в гибких производствах механообработки ММ работают не на установившихся режимах, а на управляемых переходных. Для их работы характерны периодически повторяемые движения, каждое из которых включает интенсивный разгон и торможение. Это обусловлено тем, что ММ в основном используется как вспомогательное оборудование и не должны ограничивать работу основного технологического оборудования. Обеспечение требуемых характеристик ММ затрудняется особенностями кинематики и динамики их разомкнутой кинематической цепи. Так, при движении каждое последующее от станины звено динамически нагружает предыдущее, а также происходит инерционное взаимовлияние звеньев и в идеале желательно иметь динамическую развязку звеньев, чего зачастую добиться невозможно.
Существует возможность построения большого семейства энергоэффективных безре-версных ММ с особой геометрией формируемых их движений, в результате чего достигается их повышенное быстродействие в 3-5 раз. В работе [6] предложен комплексный подход машинного дизайнерского проектирования ММ на основе учета их морфологии и аксиологических особенностей.
На рисунке 2 а, б показаны соответственно траектории для трех позиций рабочего органа (РО) циклового серийного ПР и безреверсного шарнирно-рычажного ММ, когда второе звено вращается в сторону, противоположную вращению первого звена, в три раза быстрее (СО2/Ю1 = -3).
Сходство типовой траектории схвата робота-перекладчика, работающего в цилиндрической системе координат с гипоциклоидой, воспроизводимой двухзвенным безреверсным манипулятором, позволяет использовать последний в качестве робота-перекладчика. Серийный робот-перекладчик имеет независимые приводы, работа каждого из них при цикловом программном управлении осуществляется в режиме: разгон - движение с установившейся скоростью - торможение (см. рис. 2 а). В отличие от него у циклоидального манипулятора синхронизированные приводные двигатели на каждом звене (см. рис. 2 б) работают в безре-версном стационарном режиме, где рабочие позиции обслуживаемого оборудования совмещены с положениями выстоя. Идея их использования в качестве перекладчиков заключается в том, что при непрерывном вращении их звеньев рабочий орган периодически совершает мгновенные остановки на позициях, называемых точками выстоя.
а б
Рис. 2. Траектории рабочего органа: а - циклового серийного промышленного робота для трех рабочих позиций; б - безреверсного манипулятора в шарнирно-рычажной
компоновке
Кроме повышения быстродействия в безреверсных ММ (отсутствует реверс привода) упрощается СУ по сравнению с СУ серийных ПР, снижаются требования к датчикам, упрощается структура электропривода, становится возможным применение более простых схем электроприводов, существенно простого программно-математического обеспечения.
В зависимости от требований к перенастройке траекторий рабочего органа ММ определяется тип компоновочной структуры, число приводных двигателей, способ управлкения. Классификация ММ приведена на рисунке 3.
Рис . 3. Классификация безреверсных: мехатронных манипуляторов: ЗРМ - зубчато-рычажный механизм; ПЗ М - планетарно-зубчатый механизм;
ТТМ - механизм с тросовыми тягами; ШРМ - шарнирно-рычажный механизм
Безреверсные ММ позволяют автоматизировать широкий спектр производственных операций и допускают гибкую перенастройку (гибкость программы управления понимается лишь в смысле возможности переналадки), а между циклами перенастройки их СУ являются системами с жесткой логикой. Для ММ в ПЗМ-, ЗРМ- и ТТМ-исполнении достаточно одного привода для ведущего звена (перенастройка отсутствует), для ШРМ-исполнения необходимо оснащение приводами каждой степени подвижности с осуществлением синхронизации их работы соответствующей СУ. Возможно также динамическое управление импульсными приводными двигателями [2].
На рисунке 4 представлен алгоритм структурного проектирования безреверсных ММУ. Рассмотрим подробнее особенности функциональных блоков СУ [6].
Компоновочные структуры безреверсных ММ и их СУ формируются по модульному принципу [2].
Модулем является унифицированный узел, который характеризуется структурной, функциональной и конструктивной самостоятельностью и может стыковаться с другими модулями того же комплекта изделия. Структура определяет все возможные отношения между модулями.
Функциональная самостоятельность модуля означает выполнение им определенной задачи (например, задание движения по одной степени подвижности) или служит опорой для других модулей.
Конструктивная самостоятельность модуля означает, что он может быть изготовлен и/или собран отдельно, а затем состыкован с другими модулями. Соединение модулей дает агрегат, в котором они представляют собой сборочные единицы (ГОСТ 23887-79), обладающие полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия и способностью выполнять определенную функцию самостоятельно или в составе изделия. Агрегатно-модульная система может быть многоуровневой, на низшем уровне которой находятся простые элементы.
Рис. 4. Алгоритм структурного проектирования безреверсных мехатронных манипуляторов
Классификация модулей ММ представлена на рисунке 5, их признаки вписаны в овальные рамки.
Для ЗРМ-, ПЗМ-, ТТМ-компоновок безреверсных ММ механизм является чисто передающим устройством, в котором входной и один из выходных валов составного ММ связаны передаточными отношениямиЛ^=соД2 ,1 = 1,2, где О - угловая скорость входного вала ведущего звена (для ШРМ-компоновки угловая скорость вращения первого от стойки звена); Юi - выходные угловые скорости ведомых звеньев.
Рис. 5. Классификационная схема модулей исполнительного механизма мехатронных манипуляторов
Используя данный набор исходных базовых модулей, формируем соответствующую компоновку безреверсного ММ.
Эффективный выбор типа мехатронного модуля (узла) возможен лишь в том случае, когда известны характеристики технологического процесса, в противном случае неопределенность ситуации не позволяет выявить особенности модуля (узла).
Мехатронные узлы ММ, используемые в автоматизированном производстве, должны строиться по модульному принципу.
Модуль должен:
- работать как самостоятельная система;
- быть гибким (адаптивным);
- обладать относительной автономностью;
- обеспечивать обмен информацией с другими модулями; быть заменяемым.
Для описания характеристик эффективности (качества) изделий используются следующие показатели качества: функционирования, технологичности, надежности, экономические, эргономические, стандартизации и унификации, патентно-правовые, эстетические и т.д.
На рисунке 6 представлены эксплуатационные показатели качества для безреверсных
ММ.
Рис. 6. Эксплуатационные показатели качества безреверсных манипуляторов
Заключение
Показатели качества технических систем представлены на конкретном объекте - безре-версном мехатронном манипуляторе.
Представленный класс безреверсных манипуляционных устройств дает возможность спроектировать автоматическое производство с минимальными затратами, встраивая транспортные устройства и промышленные роботы в производственный процесс, позволяет в несколько раз повысить быстродействие по сравнению с серийными промышленными роботами, обладает свойством гибкой перенастройки и существенной выгодой по критерию «цена - качество».
Библиография
1. Аюшеееа А.О., Челпаное И.Б., Никифоров Б. С. Интегрированные производственные системы. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. - 60 с.
2. Никифоров С.О., Мархадаев Б.Е., Дамбуева А. и др. Модульное структурное проектирование безреверсных манипуляторов // Вестник машиностроения. - 2013. - № 7. - С. 41-47.
3. Челпаное И.Б., Никифоров С.О., Кочева Т.В. и др. Машинные дизайн-технологии быстрого прототипирования // Вестник БГУ. Вып. 9 Математика и информатика. - 2010. - С. 283-289.
4. Ослендер Д.М., Риджли Дж.Р., Риггенберг Дж.Д Управляющие программы для механических систем: объектно-ориентированные системы реального времени: пер. с англ. - М.: БИНОМ. 2004.-413 с.
5. Асаи К, Кигами С., Кодзима Т. Промышленные роботы, внедрение и эффективность: пер. с яп.-М.: Мир, 1987.- 384 с.
6. Никифоров С.О., Никифорова О.С., Никифоров Б.С. Об учете морфологии и аксиологических особенностей при машинном дизайнерском проектировании с прототипированием безреверсных мехатронных манипуляционных устройств // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2011. -№ 9.
Bibliography
1. Ayusheeva А.О, Chelpanov I.B, Nikiforov B.S. Integrated production systems. - Ulan-Ude: ESSUTM Press, 2006. - 60 p.
2. Nikiforov S.O., Markhadaev B.E., Dambueva A. et al. Modular structural design of irreversible manipulators // Vestnik mashinostroeniya. - 2013. - N 7. - P. 41-47.
3. Chelpanov IB, Nikiforov S.O, Kocheva T.V et al. Machine Design for Rapid Prototyping // BSU Bulletin. Issue 9. Mathematics and Computer Science. - 2010. - P. 283-289.
4. Auslander D.M., Ridgely J.R., Riggenberg J.D. Control Software for Mechanical Systems. Object-Oriented Design in a Real-Time World: Transl. from English. - M: BINOM, 2004. - 413 p.
5. Asai K., Kigami S., Kojima T. Industrial robots, implementation and effectiveness: Transl. from lap. -, M.: Mir, 1987. - 384 p.
6. Nikiforov S.O, Nikiforova O.S. Nikiforov B.S. About a consideration of morphological and axiolog-ical features of irreversible mechatronic manipulation devices by their machine design with the prototyping // Herald of computer and information technologies. - 2011. - N 9.
