CC BY
138
И.В. Лысенко
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ
МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
I.V. Lysenko
PROJECTION PROBLEMS OF COMPLEX TECHNICAL MECHATRONIC
SYSTEMS
Ключевые слова: мехатронная система (МС), микроэлектромеханическая система (МЭМС), параллельное проектирование, околосистемная оснастка, технико-экономичес-кий эффект, оптимальное распределение функций между частями МС, проектирование, CAD/CAM, технологическое отставание и т.д.
Keywords: mechatronic system(MS), microelectromechanical system, parallel designing, surrounding equipment, technical and economic effect, optimum distribution of functions between parts MS, designing, CAD/CAM, technological backlog etc.
Аннотация: описаны пути максимизации технико-экономического эффекта сложных мехатронных систем за счет применения параллельного проектирования мехатронных модулей и околосистемной оснастки, описан алгоритм проектирования сложных МС, выявлены аппаратные, программные,организационные проблемы проектирования МС.
Abstract: we described the ways of maximization of technical and economic effect of complex mechatronic systems at the expense of application of parallel designing mechatronic modules and surrounding equipments, the algorithm of designing complex МS, hardware, program organizational problems of designing МS.
Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. [1, стр. 30-31].
При использовании существующих методов проектирования МС возникает ряд проблем, приводящих к снижению качества, надежности, эксплуатационных характеристик ВМС, повышению сроков их разработки и себестоимости:
- отсутствие системного подхода при проектировании МС, использование подхода проектирования «от частного к целому», когда проектирование МС производится на базе той ограниченной номенклатуры компонентов, которая представлена на рынке;
- слишком усложнившаяся система унификации и стандартизации компонентов, что ведет к разработке различных компонентов ВМС на разных предприятиях часто без учета проблем интеграции компонентов в конкретную ВМС, отсутствие единой системы управления и контроля проектированием компонентов и их интеграции;
- использование каскадной модели жизненного цикла МС, что лишает проектировщиков возможности в постоянном режиме исправлять недостатки и модернизировать уже сданные в производство проекты МС;
- оторванность стадии проектирования МС от остальных стадий их ЖЦ, разрозненность структур их управления, отсутствие обратных связей;
- очень ограниченное участие разных специалистов подразделений производства, продаж, предприятий, эксплуатирующих ВМС, подразделений поставки ресурсов и т.д. во всех стадиях проектирования ВМС;
- отсутствие на стадии постановки задачи, технического задания, НИОКР компонентов влиятельного участия конкретных представителей конечных потребителей как компонентов ВМС (проектировщиков ВМС) так и МС (промышленных предприятий) (ограничиваются обычно маркетинговыми исследованиями рынка);
- при наличии системы управления проектированием всех компонентов и в целом ВМС
проектирование производится не оптимально (различные компоненты проектируются в разные сроки, существуют простои проектных подразделений в режиме ожидания при условии сверхзагруженности других и т.д.);
- при наличии системы управления используются в основном негибкие стационар-ные организационные структуры управления с жестко закрепленными обязанностями и четкой иерархией и т.д.;
- содержание большого количества проектных подразделений, выполняющих похожие задачи, слабое взаимодействие таких подразделений между собой, использование крупными предприятиями громоздких, негибких и дорогих проектных структур, низкий уровень сотрудничества предприятий в виде корпораций с единой системой управления проектами, крупного бизнеса с малыми проектными предприятиями в форме принятых на Западе форм, как аутсортинг, субконтрактация, франчайзинг и т.д.
Рассмотрим особенности сложных мехатронных систем (МС) как объекта проектирования. При разработке технических требований к МС и последующем анализе путей их реализации необходимо системно исследовать взаимодействие МС с другим работающим совместно технологическим оборудованием и объектами манипулирования с целью выявления возможностей за счет достаточно несущественных изменений облегчить требования к системе и тем самым получить общую технико-экономическую выгоду для всего комплекса совместно работающих машин. Наибольший технико-экономический эффект при этом может быть достигнут, когда все это оборудование проектируется одновременно с главной МС. Чаще всего это имеет место при проектировании сложных промышленных МС, выполняющих основные технологические операции.
Одновременно с той же целью необходимо исследовать возможности создания так называемой околосистемной оснастки и других средств упорядочения и упрощения внешней среды МС. Существует некоторая оптимальная для каждой конкретной задачи степень упорядочения внешней среды, при которой достигается минимальная суммарная стоимость МС и околосистемной оснастки (устройство подачи и позицирования объектов обработки, удобная для МС их маркировка (например, RFID метками) и т.п. и максимальная эффективность ее работы.
Только после такого системного рассмотрения взаимодействия МС с внешней средой и оптимизации технических требований к ней и объектам этой среды следует переходить к проектированию собственно производственной МС. Основной принцип здесь -декомпозиция, т.е. распараллеливание всей задачи проектирования на несколько более простых подзадач.
МС состоит из двух основных функциональных частей - исполнительных систем (шпиндели, приводы подачи, манипуляторы, системы передвижения и т.д.) и устройства управления ими. При этом последнее в свою очередь распадается на аппаратную и программную части. В соответствии с этим на первом этапе проектирования после составления функциональной схемы МС должно быть проведено ее разбиение на четыре части - механическую систему, аппаратуру управления и программное обеспечение, околосистемную оснастку и средства поддержки ее взаимодействия с МС, проектирование которых требует специалистов разного профиля.
В основе решения этой задачи лежит разделение функций МС и технических требований к нему между этими взаимосвязанными частями. Эта задача неоднозначна и наиболее ответственна при проектировании, поскольку ее решение в значительной степени предопределяет результат всей дальнейшей работы по созданию МС.
При распределении функций МС между названными частями прежде всего выделяют функции, которые полностью или в основном определяются одной из этих частей и соответственно приписываются им.
Остальные функции необходимо по возможности оптимально распределить между частями МС на основании определенных критериев. При этом следует учитывать еще наличие взаимовлияний между некоторыми из этих функций, что дополнительно усложняет
задачу и может привести к тому, что локальное улучшение характеристик одной из частей робота ухудшит эффективность МС в целом. Например, известная взаимосвязь точности и быстродействия не позволяет независимо распределить требования к каждому из этих показателей между частями МС.
На основании изложенного составляется схема процесса (системы) проектирования, состоящая из указанных выше параллельных ветвей, каждая из которых содержит общие этапы (техническое предложение, эскизный, технический и рабочий проекты, производство и эксплуатация) с итерациями в виде обратных связей .
Общий алгоритм проектирования МС применительно к промышленным МС выглядит следующим образом:
1. Формулировка заказчиком исходных данных для разработки МС, включающих назначение МС, параметры объекта промышленной обработки (масса, размеры, форма, физико-химические свойства), технические требования к перемещениям, скоростям, точности, к конструкции, комплектующим, условия эксплуатации (температура, состав атмосферы, механические и другие воздействия), требования к надежности, ремонтопригодности, наладке и регулировке, квалификации обслуживающего персонала, требования по технике безопасности, экономической эффективности, требования к околосистемной оснастке и совместно работающему оборудованию.
2. Разработка ТЗ.
3. Выбор прототипов.
4. Разработка календарного графика работы на проектом, например, в виде сетевого графика.
5. Разработка технического предложения.
Например, в результате выполнения последнего этапа должны быть определены следующие параметры электромеханических модулей МС:
- грузоподъемность;
- размеры рабочей зоны;
- число степеней подвижности (исходя из требуемых траекторий рабочего органа с учетом препятствий, требуемой точности и быстродействия);
- система координат (в том числе с учетом необходимости минимизации числа степеней подвижности);
- кинематическая схема (на основании предыдущих пунктов и выбранной геометрии звеньев);
- скорость перемещения рабочего органа (исходя из требуемой производительности);
- погрешность позицирования рабочего органа (в соответствии с требуемой точностью выполнения операций с учетом точности устройств, подающих объекты обработки и другой оснастки);
- режимы работы приводов (исходя из массы объектов производства, времени работы, типовых траекторий).
По этим данным далее должен быть осуществлен:
- выбор серийных приводов и их размещение или формулировка технических требований к подлежащим разработке новым приводам;
- выбор серийного устройства управления или формулировка технических требований к новому устройству управления;
- выбор или проектирование рабочих органов (захватных устройств или рабочего инструмента);
- оставление структурной, кинематической схемы (как результат выполнения предыдущих пунктов);
- расчет схемы (определяются передаточные отношения для механизмов передачи движений, выбираются механизмы уравновешивания и т.д.);
- расчет погрешностей;
- динамический расчет (усилий и деформаций);
- синтез алгоритмов управления;
- заключение о выполнении ТЗ и сравнении с прототипами.
6. Разработка эскизного проекта.
7. Разработка технического и рабочего проектов. В последних двух этапах повторяются пункты, перечисленные выше, но с последовательным их углублением и уточнением, в том числе с помощью математического и физического моделирования.
Для современного проектирования МС используются специальные компьютерные системы проектирования. Наиболее продвинутые программные пакеты проектирования
поддерживают анализ электростатических эффектов в двух- и трехмерной неоднородной среде с потерями, расчет термомеханических параметров и переходных процессов с учетом гистерезиса, тепловых деформаций, упругих эффектов; эффектов, связанных с упаковкой изделия в корпус; перерасчет явлений от уровня электромагнитных полей до уровня искажений формы сигналов и обратно, а также трехмерный электродинамический анализ полей в неоднородной среде с потерями. В пакеты обычно входит модуль разработки
структурных и принципиальных схем с использованием поведенческих моделей
электромеханических устройств, а также типовых радиоэлементов. Разумеется, необходимы также библиотеки параметров материалов; редакторы послойного описания топологии двумерных подистем и объединения их в трехмерную структуру; эмулятор доступных технологических процессов с вводом множества его параметров; модуль визуализации результатов.
Сложнее дело обстоит с проектированием мехатронных систем в целом. Для их
проектирования сегодня используются CAD/CAM/CAE системы типа Unigraphics, ADEM, но они не содержат специализированных средств общего функционального и структурного моделирования разнотипных элементов системы. Поэтому приходится использовать большое количество разных, плохо конвертируемых друг в друга систем для создания всех этапов проекта мехатронной системы, что приводит к противоречиям, искажениям в процессе проектирования, большим усилиям в освоении программ и т.д.
Существующие проблемы проектирования сложных и миниатюрных мехатронных систем привели к огромному технологическому отставанию России от стран Запада: в 2009 году объем рынка электронных компонентов в нашей стране составил чуть более 1 млрд.долл., из них на отечественные компоненты приходилось лишь около 20%. На текущий момент по удельному производству электроники на душу населения США опережают Россию в 90 раз, Япония - в 80, Европа - в 40. Основной провал произошел в микроэлектронике.
Согласно федеральной целевой программе "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008-2015 гг., разработанной на основе стратегии развития отрасли, объем инвестиций в электронную промышленность должен составить в указанный период 187 млрд.руб. Из федерального бюджета, в частности, планируется выделить 110 млрд.руб. Остальное - внебюджетные средства.
Возникают сложности в связи с тем, что у нас в стране утрачена собственная школа проектирования микроэлектромеханических систем (МЭСМ) и к тому же требует решения кадровая проблема. Реализация масштабных планов невозможна без укомплектования современных электронных заводов и центров проектирования высококвалифицированными кадрами. Отток их из страны, к сожалению, продолжается, соответственно, кадровый голод нарастает.
Выводы: на сегодняшний день существующие алгоритмы проектирования МС, особенно МЭСМ, имеют множество нерешенных проблем; при проектировании мехатронных систем необходимо учитывать не только состав и функциональные требования МС, но и всю околосистемную оснастку, технологические процессы, кадровое и научное оснащение, проблемы взаимодействия подсистем; системы автоматизированного проектирования также имеют проблемы, основные из которых - узкая специализация и проблемы конвертации файлов; для технологического прорыва в области МС России необходимо не только заимствовать и активно внедрять высокие технологии, но и восстанавливать инфраструктуру
научно-проектных центров и бюро и разрабатывать собственные методы и средства проектирования МС.
