ANALYSIS OF RESEARCH IN THE FIELD OF RECONFIGURED ROBOTS SYSTEMS AND THEIR PRINCIPLES OF FUNCTIONING

Full Text

1. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ M-TRAN II M-TRAN (Рисунок 1 [1]), является модульной реконфигурируемой системой роботов, которые могут совершать различные 3-мерные движения, и соединяться в конструкции различного назначения. В целях реализации сложных трансформаций и уникальных движений конструкции система имеет ряд особенностей. Это надежные соединительные/разъединительные механизмы, встроенные мульти-компьютеры, высокая скорость сообщения между модулями, малое потребление энергии, высокоточное управление двигателями. Важным свойством M-TRAN является простота конструкции, т.е. небольших размеров модули и простые соединительно-разъединительные механизмы. Модуль состоит из трех компонентов: два полуцилиндрических блока и электродвигатель между ними. Каждый полуцилиндрический блок может изменять угол от -90 до +90 градусов относительно друг друга автоматически. Два модуля могут соединиться, контактируя своими соединительными плоскостями. Различные трехмерные структуры могут образовываться из большого количества модулей. Форма 3D структуры может быть изменена посредством изменения пространственного положения отдельных модулей, например, за счет освобождения некоторых соединений, изменения углов, переподключения модулей. Для надежности межмодульного соединения соединительные механизмы должны быть достаточно прочными, и простыми в функционировании. Также соединение должно производиться достаточно быстро и надежно. Соединительные механизмы необходимы для реализации реконфигурации и совершения перемещения в пространстве всей системы или ее отдельных блоков, состоящих из нескольких узлов. Автономная работа осуществляется с применением аккумуляторов. Один полуцилиндрический блок модуля содержит активные элементы соединительного механизма, второй - пассивные элементы (Рисунок 2). Каждый полуцилиндрический блок модуля имеет три соединительные поверхности. Межмодульное соединение MTRAN происходит за счет электромагнитных сил. Цепь питания, аккумулятор и основная плата процессора находятся в пассивном блоке модуля. Питание от одного аккумулятора достаточно для питания двух двигателей и для совершения межмодульного соединения. Центральная часть модуля содержит два мотор-редуктора, чтобы поворачивать пассивный и активный блоки, и акселерометр для измерения углов. Радиосхема электропривода содержит микропроцессор в этой же части с реализацией контроля позиционирования. Крутящий момент электродвигателя и электромагнитная сила соединения достаточны, чтобы поддерживать и поднимать два других модуля за исключением некоторых случаев, когда все три модуля находятся в горизонтальном положении. Тем не менее, имеется ряд недостатков: недостаточная сила соединительного механизма; малая продолжительность автономной работы; отсутствие у каждого блока модуля активных и пассивных элементов соединительных механизмов, что уменьшает гибкость системы модулей; недостаточная информативность и дальность расстояния управления; выполнения задач в лабораторных условиях. Для перекомпонуемой рабочей позиции преобразование компоновки происходит одновременно с изменением структурных, компоновочных, и, технико-эксплуатационных параметров. Преобразование ПРП происходит за счет управления входными параметрами и выходными технико-эксплуатационными параметрами, что характеризует управление гибкостью по всем технико-эксплуатационным параметрам [2-10]. Для перекомпонуемой производственной системы (ППС) структурная гибкость характеризует количественное, качественное изменение и частоту изменения состава автоматически сменных узлов и модулей, межэлементных и межагрегатных связей перекомпонуемой рабочей позиции. Гибкость изменения компоновки определяется количеством исполнительных узлов и агрегатов на различных ярусах, сменяемостью их пространственного расположения, приводящих к изменению компоновки рабочей позиции ППС. В условиях обеспечения структурной гибкости и гибкости по компоновке реализуется непрерывный процесс управления преобразованием и функционированием перекомпонуемой рабочей позиции в процессе эксплуатации. Способность видоизменения структуры и компоновки с возможностью смены или видоизменения функций узлов определяет гибкость ПРП по признаку структуры и компоновки, что соответственно отражает также и гибкость технологического процесса. Изменение структуры и компоновки приводит к изменению технико-эксплуатационных параметров, данные свойства позволяют увеличить гибкость по номенклатуре и объему изготавливаемых изделий, гибкость по регулированию и переналадке, гибкость по методу и параметрам обработки и другие [2-10]. В отличие от автоматических производственных систем с жесткой межагрегатной связью, перекомпонуемые производственные системы не имеют постоянного значения гибкости системы, что определяет возможность ППС преобразовывать компоновку, структуру, управление и организацию производства оптимально под необходимые требования на определенный период эксплуатации. 2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ Проблема надежности производственных систем - это проблема создания высокопроизводительных автоматических систем машин с малыми потерями производительности, с минимальным количеством обслуживающих и ремонтных рабочих [11-20]. Несмотря на массу исследовательских работ и результатов, посвященных проблеме надежности производственных систем, вопросы концепции надежности производственных систем продолжают развиваться. При создании более совершенных производственных систем и их компонующих узлов возрастают требования обеспечения надежности при разработке современного оборудования. Это связано с конструктивным усложнением современных производственных систем, с расширением их функционального назначения, и увеличением интенсивности работы в условиях эксплуатации [11, 21, 22]. Положительные результаты достигнуты в разработке расчетных методов, позволяющих еще на стадии проектирования прогнозировать уровень надежности в работе вновь создаваемого оборудования [11, 23-25]. В данных методах особое значение имеют исследования работоспособности действующих производственных систем, что позволяет выявить общие закономерности, определить влияние технологического, конструктивного и структурного совершенствования производственных систем на их надежность, определить надежность наиболее распространенных типовых механизмов, устройств и других элементов. Расчеты надежности производственных систем базируются, в первую очередь, на изучении влияния надежности на технико-эксплуатационные показатели [11]. Это, прежде всего, касается обеспечения параметрической и эксплуатационной надежности. Низкая надежность производственной системы означает снижение количества выпускаемой продукции, увеличение количества обслуживающего персонала и ремонтных затрат, снижение технического ресурса и долговечности системы. 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПЕРЕКОМПОНУЕМЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ Для обеспечения надежности ПРП требуется: 1. Обеспечить продолжительную среднюю наработку. Для решения данной задачи необходимо: разработать конструкцию ПРП, обеспечивающую продолжительную среднюю наработку; разработать метод определения безотказности ПРП. 2. Обеспечить минимальную продолжительность простоя ПРП в процессе автоматизации замены сменных узлов или при смене номенклатуры обрабатываемых изделий. Для реализации необходимо иметь возможность решить задачу автоматической замены узлов ПРП и разработать метод определения показателей ремонтопригодности ПРП. 3. Используя свойство перекомпонуемости, задать набор автоматически сменных узлов, задействованных на ПРП, которые обеспечивают выполнение требуемых технико-эксплуатационных показателей. Теоретические исследования по разработке метода обеспечения надежности ПРП включают исследования существующих методов расчета надежности производственных систем и имитационное моделирование показателей надежности ПРП. Имитационное моделирование позволяет получить результаты для сравнения показателей надежности перекомпонуемой рабочей позиции и рабочей позиции производственной системы жесткой компоновки. Исследования перекомпонуемых производственных систем осуществляются на основе лабораторных исследований в связи с отсутствием реального образца перекомпонуемой рабочей позиции. Экспериментальные исследования перекомпонуемой рабочей позиции основываются на получении реальных данных натурного эксперимента по надежности, а экспериментальные исследования, связанные с получением показателей надежности ПРП потребовало проведение эксперимента на основе имитационного моделирования. Разработка методов проведения исследований работоспособности и безотказности ПРП осуществляются на основе трудов ученных МГТУ им. Баумана Л. И. Волчкевича, Г. А. Шаумяна и других [11, 26-28]. Был разработан метод расчета работоспособности с учетом автоматизации смены узлов РП и возможности многономенклатурной обработки деталей. 4. ВЫВОДЫ 1. Проведен аналитический обзор и выявлены слабые и сильные стороны в вопросах обеспечения надежности как для наиболее перспективных технических решений, так и применительно для реконфигурируемых производственных систем. 2. Изучена специфика осуществления свойства перекомпонуемости на примере рабочей позиции автоматической. 3. На основе анализа методов обеспечения надежности определены принципы функционирования перекомпонуемой рабочей позиции. 4. Показана необходимость исследования вопросов надежности перекомпонуемых рабочих позиций для повышения эффективности выполняемых технологических процессов. Рис. 1. Конструкция робототехнической системы MTRAN - II Рис. 2. Принцип действия соединительного механизма MTRAN - II

About the authors

Boris Mikhaylovich Gorshkov

Volga Region State University of Service

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Technical and Technological Systems Service, Volga Region State University of Service Togliatti

Natalya Stanislavovna Samokhina

Volga Region State University of Service

Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer at the Department of Information and Electronic Service, Volga Region State University of Service Togliatti

Nikolai Mikhaylovich Bobrovsky

Volga Region State University of Service

Email: bobri@yandex.ru
Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Equipment and Technologies of Engineering Production, TSU Togliatti

Yuri Vyacheslavovich Polyanskov

Volga Region State University of Service

Doctor of Technical Sciences, Professor, President of UlSU, Head of the Department of Mathematical Modeling of Technical Systems of UlSU Togliatti

Leonid Viktorovich Khudobin

Volga Region State University of Service

Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Engineering Technology, UlSTU Togliatti

Alexander Viktorovich Saveliev

Volga Region State University of Service

Graduate Student of the Department «Equipment and Technologies of Engineering Production» TSU Togliatti

Vyacheslav Viktorovich Epifanov

Volga Region State University of Service

Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Automobiles, UlSTU Togliatti

Alexander Fedorovich Denisenko

Volga Region State University of Service

Doctor of Technical Sciences, professor of the department «Automated Machine and Tool Systems of Samara State Technical University Togliatti

References

Supplementary files