XХIII МНТК АДП-2014 ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ОСНОВНИ ПРОЕКТНИ ПАРАМЕТРИ НА АВТОМАТИЗИРАНИ МЕХАТРОННИ СИСТЕМИ

Размер: px
Започни от страница:

Download "XХIII МНТК АДП-2014 ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ОСНОВНИ ПРОЕКТНИ ПАРАМЕТРИ НА АВТОМАТИЗИРАНИ МЕХАТРОННИ СИСТЕМИ"

Препис

1 ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ОСНОВНИ ПРОЕКТНИ ПАРАМЕТРИ НА АВТОМАТИЗИРАНИ МЕХАТРОННИ СИСТЕМИ Димчо Чакърски Резюме: В настоящия труд се третира проектирането и внедряването на автоматизирани мехатронни системи в дискретното производство. Изяснена е структурата на автоматизираните мехатронни системи (АМС), като са разгледани формите на интеграция. Обърнато е внимание на иновациите при разработването на проекти на АМС. Приведени са аналитични зависимости за изчисляване на основните проектни показатели, като специално внимание е отделено на синхронизацията на операциите при несихронни АМС. Приведени са примери на реализирани АМС, като са приведени основните проектни показател Ключови думи: Автоматизирани мехатронни системи, проектиране, внедряване, иновации, проектни показатели, синхронизация на операциите, 1. Въведение Проектирането е творческа инженерна дейност, която е свързана с реализиране на научно обосновани, технически осъществими и икономически целесъобразни решения, при производството на изделия в съответния етап от развитието на националното или на световното пазарно стопанство. Проектирането в областите на техниката и технологиите се оказва една от най-важните инженерни дейности, реализиращи идеята за създаване на нов иновативен технически продукт. В зависимост от нивото на подготовка на инженерните специалисти, проектиращи и внедряващи автоматизирани мехатронни системи (АМС) и според възможността им адекватно да отразяват върховите технически и технологични постижения, в машиностроенето, се създават нови мехатронни продукти с високи технически и технологични показатели. Мехатрониката е интердисциплинарна и включва следните компоненти [2, 5]: Механични системи (възли, сглобени единици, механизми, устройства, уреди, машини и съоръжения). Електронни системи (микроелектроника, силова електроника, сензорика, акторика и др.) Информационни системи (компютърна техника, софтуер, моделиране, 3D проектиране, инженерен анализ, симулиране, CAD/CAM системи, интернет технологии и др.). 2. Структура на автоматизирани мехатронни системи При автоматизираните мехатронни системи (АМС) решаването на задачите става както по механичен, така и по цифрово-електронен път. Тук съществена роля имат взаимовръзките в конструкцията. Докато при конвенционалните системи проектирането, пространственото разположение на механизмите и електронните компоненти стават поотделно, МС се отличават с това, че процесът и електронната система се разглеждат от самото начало като пространствено и функционално интегриранr, т.е. като единна цялостна система. В този случай създаването на процеса се повлиява от електронната система още на етапа на проектирането му, което се нарича симултанно проектиране (simultaneous engineering) [6]. По-доброто управление позволява в много случаи целевите стойности да се доближат до граничните с помощта на по-добри въздействия или експлоатация, а това позволява повисока степен на автоматизация. 27

2 Мехатронно създадените системи често дават възможност за гъвкаво адаптиране към гранични условия. Част от изпълняваните функции и от тяхната прецизност стават програмируеми и оттук - могат да бъдат по-бързо променяни. Предварителната симулация намалява необходимостта от експериментални проверки с голям брой вариации на параметрите и ограничава броя на прототипите. Когато основните механични и електронни системи се създават успоредно, а функционалната интеграция се извършва предимно по програмен път, се създава възможността за ускорено излизане на пазара. Изходна база за създаване на АМС са класически структурираните механичноелектронни системи с комбинирани сглобени елементи. Различават се две форми на интеграция: интеграция на компоненти и интеграция чрез изпълняваните функции. Интеграция на компонентите (хардуерна интеграция) се осъществява чрез органично вграждане на сензори, актори и микрокомпютри в механичния процес. Тази частична и структурна интеграция може да бъде ограничена до процес и сензор или до процес и актор. Интеграцията чрез функции се основава най-вече на съвременните методи на автоматизиращата, измервателната и регулиращата техника. Наред с основната взаимосвързаност може да съществуват и допълнителни влияния на базата на знания за процеса и съответна обработка на информацията от по-високи нива. Решенията на съответните проблеми са под формата на алгоритми в реално време, които трябва да бъдат адаптирани към характеристиките на механичния процес и наличния базисен софтуер. По този начин се постига функционална интеграция на всички компоненти чрез софтуера. При автоматизираните мехатронни системи съществува важна особеност, изразяваща се в това, че частичните системи (компоненти), които се интегрират, принадлежат към съвсем различни области. От голямо значение за функционалността на цялостната система е взаимодействието между механичните и цифрово-електронните компоненти. Докато при конвенционалните системи конструирането и изработката на механичните и електронни компоненти се отличават с максимална независимост на едните от другите, то мехатронните система се характеризират с това, че още на фаза концепция се цели създаването на пространствено и функционално цялостна интегрирана система. След интеграцията АМС позволяват множество усъвършенствания, като при необходимост могат да се въвеждат и нови функции. Проектирането на автоматизирани мехатронни системи започва често с извършването на системни проучвания. Това е необходимо поради факта, че често съществуват множество възможни алтернативни решения, които трябва да бъдат оценени и сравнени. Към момента нивото на развитие в посока цялостна интеграция е изразено в различна степен. Напълно интегрирани системи съществуват вече при много от изделията на фината механика, докато при машинните възли и единици едва сега се наблюдават признаци за такова развитие. При машините мехатронното проектиране досега беше ограничено само до някои отделни компоненти. Създаването на АМС е голямо предизвикателство към електрои машинните инженери, както и че мехатронното развитие е принципно важно за всяка технологична високоразвита страна. Интеграцията чрез обработка на информацията по отношение на високопроизводителни АМС изисква системно и съгласувано проектиране на всички компоненти. 3. Проектни изчисления Основните проектни показатели са: такт на АМС τ; производителност на АМС; ръст на производителността спрямо съществуващото положение λ; надеждност - коефициент на 28

3 готовност КГ; степен на автоматизация А; икономически показатели: инвестиции, годишен икономически ефект, срок за откупуване n и др. [6]. Разработена е методика за проектни пресмятания на основните параметри на АМС при минимално циклово време за изпълнение на производствената програма и увеличаване на производителността, въз основа на предварително зададени от потребителите изходни данни: Асортимент от детайли; Технически характеристики работен чертеж, размери, маса, материал, физико-механични свойства; Годишна производствена програма QГ; Технологични операции; Времена за изпълнение на технологичните операции;честота на пренастройване; Сменност на работа; При проектиране на АМС могат да се разграничат следните основни етапи [1]: Определяне на такта τ на АМС за изпълнение на производствената програма: FГ (1) QГ Fг = kсм.. n.d.h.min.s, [s] (2) където: Fг е годишният фонд работно време; kсм.. - коефициентът на сменност; n броят на работните позиции; D броят на работните дни в годината (обикновено D = 250); h броят на работните часове в един ден (h = 8 ч); min броят на минутите в един час (min = 60 min); S - броят на секундите в една минута (S = 60 s). Цикловата производителност се определя от зависимостта: 1 1 (3) Q ц tц t M tсп. Н tц1 = tm1 + tсп.н1 tц2 = tm2 + tсп.н2... tцn = tmn + tсп.n τ = max { tц1, tц2.. tцn } където: tm е машинното време; tmi машинното време за работна позиция (i=1 n); tсп.н неприпокритото спомагателно време; tсп.нi неприпокритото спомагателно време за работна позиция (i=1 n); tцi цикловото време на работна позиция (i=1 n); Синхронизация на работата на работните позиции в автоматизирани мехатронни системи. За да са ефективни АМС е необходимо да се извърши определена синхронизация на тяхната работа. При синхронизирането се вземат в предвид цикловите времена на отделните работни позиции, коефициентите на готовност, броя на работните позиции за изпълнение на отделните операции и капацитета на междинните магазини-събирателни. Изисква се да бъде изпълнено условието: където: NТЕ1.tц1.KГ1.C1 = NТЕ2.tц2.KГ2.C2 = = NТЕm.tцm.KГm.C (4) NТЕj е броят на технологичните единици при изпълнение на j та операция; tj цикловото време на j та работна позиция; КГj коефициентът на готовност на j та работна позиция; Cj капацитетът на j тия междинен магазин-събирател; j = 1 m номер на работната позиция; m брой на работните позиции. Обикновено са известни цикловите времена tцj (j = 1 m) и коефициентите на готовност КГj (j = 1 m) на отделните работни позиции. При синхронизацията се варира с капацитета на междинните магазини-събжиратели Cj (j = 1 m). Определянето на капацитета Cj става последната обобщена зависимост: 29

4 C j цт Гj ТЕj tцj 1K Гj 1C j 1NТЕj 1 (5) t K N В случаите когато NТЕ1 = NТЕ2 = = NТЕm = 1 формула (4) добива вида: tц1.kг1.c1 = tц2.kг2.c2 = = tцm.kгm.cm Допуска се различие в цикловите времена не повече от 50%, т.е.: tцmax < 1,5 tцmin (6) tцmax = τ tцmin = min { tцj (j = 1 m) } В случаите когато не е изпълнено условие (6) за отделните операции се прибягва до увеличаване на работните позиции за изпълнение на технологичните операции, като се призчисляват цикловите времена: t tцj N цj, j = 1 m (7) j При увеличаване на технологичните единици за дадена работна позиция се обособяват паралелни потоци. При проектиране на АМС се цели намаляване на спомагателното време, което води до увеличаване на цикловата производителност Qц. По този начин се увеличава ефективността на цялостната автоматизация на дискретните производствени процеси. Производителността на АМС QАМС се определя от зависимостта: 3600 дет/час, (8) Q АМС където: τ е в [s] е лимитиращото циклово време. Ръстът на производителността λ се определя от зависимостта: Q АМС (9) Q 0 където: Q0 е производителността на оборудването преди въвеждането на автоматизацията. При автоматизиране на съществуващи машини и съоръжения ръстът на производителността е λ 2, докато при внедряване на нов технологичен процес и нови съоръжения, ръстът на производителността е λ >>2. Коефициентът на готовност на АМС се определя от зависимостта: Тр Тр К Г (10) Т Т Т о р в където: Тр е времето за нормална работа; То общото време; Тв средното време за възстановяване на работоспособността на АМС при възникнали откази. КГ = КГ1. КГ2...КГn (11) където: КГ1 коефициент на готовност на първата работна позиция; КГ2 коефициент на готовност на втората работна позиция; КГn коефициент на готовност на n-та работна позиция; Степен на автоматизация А Степента на автоматизация А се определя, като се отчита времето за автоматична работа, стойността на автоматичните машини и съоръжения и др. Най-прецизно може да се определи коефициента на автоматизация kа чрез времето за автоматична (Та) и ръчна (Трч) работа. Степента на автоматизация се определя в проценти, т.е: А = kа. 100 [ % ] 30

5 k a Ta Ta T T T където: То е общото време за работа на АМС за изследвания период; Срокът за откупуване n се определя от зави- мостта: n 0 a K И Г А М рч (12) (13) където: ΔK е размер на инвестицията; ИГ годишният икономически ефект; АМ размерът на годишните амортизационни отчисления; АМ = ΔK / N N дълговечността на АМС; 4. Реализирани проекти на АМС На фиг. 1 до фиг. 3 са приведени реализирани решения на АМС с участието на автора. При проектирането на посочените АМС са изчислени проектните показатели, посочени в табл. 1. Фиг. 1 АМС за автоматизиран монтаж на Фиг. 2 АМС за почистване на метални електрически изделия (АМС 1) [6]. повърхнини (АМС 2) [6]. Фиг. 3 АМС за студено-пресова обработка (АМС 3) [6]. 31

6 Таблица 1. Основни проектни показатели на реализирани АМС Проектни показатели АМС 1 АМС 2 АМС 3 λ 2 1,6 4 КГ 0,9 0,92 0,94 А [%] ΔK [лв] ΔС [лв] 2,30 14,45 0,11 N [год] 1 3,5 0,9 5. Изводи Предложена е структура на АМС, като са дадени формите на интеграция на функциите и компонентите; Дадени са препоръки относно иновациите при разработването на проекти на АМС; Предложени са аналитични зависимости за определяне на основните проектни показатели на АМС. Приведени са решения на разработени проекти на АМС от авторите, като са посочени основните им проектни показатели. Литература: 1. Чакърски Д., Т. Вакарелска. Автоматизиращи устройства. Учебник. Издателство на ТУ-София, Neshkov,T. Flexible Assembly Automation-mechatronic approach. Sofia, Groover. M., Fundamentals of Modern ManufacturingAutomation, Prentice Hall International Inc., Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей: Учебник. - М.: ИЦ МГТУ "СТАНКИН", Нешков, Т., М. Милушев, А. Бъчваров, Въведение в мехатрониката, ТУ София, Чакърски Д и к-в, Комплексна автоматизация на дискретното производство. Под общата редакция на проф. Д.Чакърски, Издателство на ТУ- София, DESIGN AND IMPLEMENTATION OF AUTOMATED MECHATRONIC SYSTEMS IN DISCRETE PRODUCTION Dimcho Tchakarsky Abstract: In the present work are discussed some aspects of the design and implementation of automated mechatronic systems in discrete manufacturing. Clarified the structure of the automated mechatronic complexes (AMC) are considered as forms of integration. Attention is paid to innovation in project development of the AMC. It has been analytical dependences for calculating the main design parameters, special attention is paid to the synchronization of operations nesihronni AMC. It has been realized examples of AMC, they have brought the main design parameters. Данни за авторa: Димчо Стоилков Чакърски, професор доктор инж., катедра АДП при МФ, Технически Университет София, Р. България, София, бул. Кл. Охридски 8, тел.: , е-mail: 32