Sumgait, Azerbaijan
Sumgayit, Azerbaijan
Sumgait, Azerbaijan
Sumgait, Azerbaijan
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
There is offered a circuit of a flexible production cell (FPC) with the location of engineering equipment for manufacturing mechatronic elements of innovation projects in a techno-park. At the FPC creation in a techno-park there were carried out scientific investigations on planning engineering processes as logic predicates and kinematic analysis of a crane-manipulator in the FPC. On the basis of the 3D kinematic circuit of a crane-manipulator there is defined its linear path of motion with generalized coordinates for four machine maintenance. There are defined parameters of addressing in the FPC structure for realization of a joint control of an engineering process network.
flexible production cell, kinematic analysis, crane-manipulator, network modeling
Как известно, для реализации инновационных проектов (стартапов) в технопарках многих развивающихся стран [1] практически используются гибкие производственные ячейки (ГПЯ) [2]. Благодаря конструктивному решению многие инженерные проекты, выполненные в технопарке, имеют механические и электронные конструкции, которые могут быть изготовлены только в ГПЯ с эффективным размещением механического оборудования на основе ее автоматизации управления. В связи с этим, создание ГПЯ в технопарке, который работает как научно-производственный и коммерческий комплекс для реализации инновационных проектов, является актуальной научно-технической проблемой и требует проведения комплексных научно-исследова-тельских работ по кинематическому и сетевому моделированию крана-манипулятора ГПЯ.
Целью статьи является решение вопроса кинематического и сетевого моделирования технологических операций крана-манипуля-тора в ГПЯ для изготовления различных инновационных проектов с поэтапной реализацией операций в механических модулях.
На базе технологического парка предложена схема ГПЯ круговой компоновки (рис. 1) с размещением станков токарного, фрезерного, радиально-сверильного и гибочного назначения.
Рис. 1. Компоновочная схема ГПЯ с механическими станками в технологическом парке
Выбор круговой компоновочной схемы ГПЯ для изготовления деталей инновационных проектов обеспечивается на основе следующих принципов [3]:
1. По выбранным технологическим операциям и траектории движения крана-манипулятор поэтапно должен обслуживать все станки в ГПЯ;
2. Конструктивные размеры и формы каждого станка должны соответствовать их компактному размещению ГПЯ;
3. Перемещение крана-манипулятора между станками должно обеспечиваться в компактной площади ГПЯ.
Кран-манипулятор в ГПЯ выполняет прямолинейные движения от механических модулей токарных, фрезерных, радиальных операций сверления и гибки. На первом этапе для определения обобщенных координат и скорости движения крана-манипулятора, обслуживающий станки ГПЯ в целом, проводится кинематический анализ траектории движения крана-манипулятора [4]. В этой связи, кинематическая схема в соответствии с траекторией движения крана-манипулятора может выглядеть следующим образом (рис. 2).
Отметки, соответствующие позициям каждого механического модуля в ГПЯ:
D1 - токарный модуль; D2 - фрезерный модуль; D3 - модуль радиального сверлении; D4 - гибочный модуль.
В ГПЯ при обслуживании механических модулей кран-манипулятор выполняет технологические операции, которые могут записываться в виде логических предикатов [5]:
(
Pi технологические операции КМ);
(
Xi 
активные элементы ГПЯ).
[(
P1 = технологическая операция 1) ˅ (P2 = технологическая операция 2) ˅
..... [(Pn = технологическая операция n).
[((конечный(технологическая операция 1) < начальный (технологическая операция 2))
˄ ...... Кран–манипулятор (технологическая операция 1)= X1 
˄
MO (манипуляционный объект) - 1(технологическая операция 1)= X2˄
Позиционирующий манипулятор (технологическая операция 2)= X3] ˄.......
|
D3 |
|
D2 |
|
D4 |
|
D1 |
Рис. 2. Траектория движения крана-манипулятора в 3-х мерной системе координат
Из приведенного выше логического выражения можно определить, что «после позиционирования объекта на манипуляторе позиционирования кран-манипулятор захва-тывает этот объект». При этом другие технологические операции ГПЯ записываются как логические выражения, позволяющие точно описать весь процесс.
Для кинематического анализа перемещения крана-манипулятора с использованием логи-ческого описания его технологических опе-раций на основе матричного метода рас-считываются кинематические параметры крана-манипулятора:
(1)
Из рис. 2 видно, что траектория крана-манипулятора включает 16 линейных перемещений, поэтому общие кинематические параметры обобщенные координаты dx, dy, dz можно определить следующим образом [3]:
(2)
где n = 16.
Таким образом, обобщенные координаты траектории движения крана-манипулятора определяются с помощью следующей матрицы:
(3)
С помощью обобщенных координат траектории движения крана-манипулятора и логического алгоритма планирования его технологических операций разрабатывается система управления крана-манипулятора, обслуживающего все производственные механи-ческие модули в ГПЯ.
Если задана начальная позиция крана-манипулятора в ГПЯ, возможно определить параметр скорости захвата крана-мани-пулятора. Таким образом, скорость по траектории движения крана-манипулятора по координатам 0x, 0y, 0z определяется в виде:
(4)
где [v]0 – координаты матрицы проекции вектора v в системе координат; Mi – матрица
перехода в каждой системе координат.
Для эффективности автоматизации технологических операций крана-манипулятора в ГПЯ необходимо создать ее локальную компьютерную сеть управления [6]. При этом требуется установить схему IP-адресации каждого механического модуля в ГПЯ и ее информационную связь с системой управления технопарка. При построении схемы адресации используется принцип маршрутизации. Количество и процентные ставки при управлении ГПЯ определяются размерами адресации.
IP-адреса, используемые в корпоративной сети, считаются частными. В соответствии с Интранет C-класса, для управления ГПЯ применяются IP-адресы C-класса по 192.168.1.0 ÷ 192.168.1.44.
Таким образом, 192 168,0.0 ÷ 192.168.0.44 ГПЯ обеспечивают обмен информацией путем объединения автоматизированных рабочих мест в корпоративную локальную сеть ГПЯ в технопарке. Сетевой узел и соответствующее автоматизированное рабочее место должны использоваться для обеспечения надежности и мобильности локальной сети.
Пользователям в локальной сети ГПЯ с технопарком можно применить не более 45
(1 запасное) автоматизированных рабочих мест и других сетевых устройств. В этом случае маска сети принимается как 45.45.45.0.
32-я степень IP-адреса, используемого в локальной сети ГПЯ и технопарка TCP/IP, определяют узловые точки каждого из автоматизированных рабочих мест. IP-адреса описаны на 4-х уровнях. Маски подсети для идентификации 44 узлов сети определяются двойными метками. Маршрутизаторы используются для обмена пакетами данных для обеспечения эффективности локальной сети TCP / IP ГПЯ.
192.168.1.0 ÷ 192.168.1.Xi (где i = 0, 45)
IP-адреса разделены на две части. Первая часть - 192.168.1.0 - название сети ГПЯ, вторая - 0.0.0. Xi - узел адресов.
С учетом маски подразделения ГПЯ - 45.45.45.0. Маска подсети будет записана следующим образом на основе двойного кода этого числа: 00101101.00101101.00101101.0000000
По размещению IP-адресов и подсетевых отметок ГПЯ, адреса записываются в виде бинарных кодов (см. табл. 1):
1. IP-адреса и подсетевые отметки ГПЯ
|
Наименования разделов модулей ГПЯ |
Процент области адреса, % |
Адрес узловых точек |
Адрес сети |
|
Управляющая часть ГПЯ |
|
|
192.168.1.0 |
|
Модуль_1 ГПЯ |
20 |
0.0.0.1 |
|
|
Модуль_2 ГПЯ |
20 |
0.0.0.2 |
|
|
Модуль_3 ГПЯ |
20 |
0.0.0.3 |
|
|
Модуль_4 ГПЯ |
20 |
0.0.0.4 |
|
|
Дополнение |
20 |
|
|
Учитывая число технологических операций крана-манипулятора в ГПЯ, при изготовлении продукции строятся матрицы отношений (число строк и столбцов соответствуют числу операций и станков, где элемент матрицы
Sij = 1 при выполнении операции краном-манипулятором ГПЯ и Sij = 0 при отсутствии операции крана-манипулятора).
Общее число узловых точек автоматизиро-ванных рабочих мест технологического процесса крана-манипулятора в ГПЯ определяется следующим образом [7]:
|
|
S11(r) |
S12(pr) |
S13(pr) |
S14(pr) |
S15(pr) |
S16(pr) |
0 |
|
|
|
S21(d) |
S22(k) |
S23(k) |
S24(k) |
S25(k) |
0 |
0 |
|
|
|
S31(d) |
S32(k) |
S33(k) |
S34(k) |
S35(k) |
0 |
0 |
|
|
|
S41(d) |
S42(k) |
S43(k) |
S44(k) |
S45(k) |
0 |
|
|
|
Sdnij= |
S51(d) |
S52(k) |
S53(k) |
S54(k) |
S55(k) |
S56(k) |
0 |
|
|
|
S61(tr) |
S62(e) |
S63(e) |
S64(e) |
S65(e) |
S66(e) |
S67(e) |
|
|
|
S71(l) |
S72(l) |
S73(l) |
S74(l) |
S75(l) |
S76(l) |
0 |
|
|
|
S81(tr) |
S82(im) |
S83(im) |
S84(im) |
0 |
0 |
0 |
|
(5) |
|
(6) |
|
Sdnij = |
|
Srp Sfee Sm Skb Sii Stem Setl Scis |
(6)
где число i и j определяются в зависимости от количества выполненных технологических операций крана-манипулятора в рабочей зоне каждого модуля ГПЯ.
Выводы
1. Предложена компоновочная схема гиб-кой производственной ячейки с круговым раз-мещением механических станков для изготов-ления мехатронных элементов инновацион-ных проектов.
2. Проведены научные исследования по планированию и кинематическому анализу крана-манипулятора в гибкой производст-венной ячейке с помощью алгоритма моде-лирования логического предиката.
3. На основе трехмерной кинематической схемы крана-манипулятора определена траек-тория его линейного движения для обслужи-вания 4-х механических узлов.
1. Foreign Experience of Techno-park Work, 2004. News Agency Expert RA [Electronic Resource]. Access mode: http: // www.raexpert.ru/researches/technopark/part4//.
2. https://studref.com/318105/tehnika/gibkie_proizvodstvennye_yacheyki_sistemy_uchastki.
3. Shanin, V.A., Konchina, L.V. Prospects in Application of Equipment Arrangement Principles for Engineering Process Optimization. // Agricultural Production Economy. - 2017. №.6. pp. 49-56.
4. Shahinpur, M. Robotics Course [Text] / M. Shahinpur; transl. from Engl. S.S. by Dmitrieva. - M.: Mir, 1990. -527 p.
5. Guts, A.K. Mathematical Logic and Algorithm Theory. - Heritage, Dialogue - Siberia, 2003. 108 p.
6. Shishov, O.V. Modern Technologies in Industrial Automation: textbook - Saransk: Publishing House of Mordovia University, 2009. -276 p.
7. Hüseynov, E.B., Məmmədov, J.F., Abdullayev Kh.S., Talıbov, N.H., Hüseynov H.A. Cooperation in higher education. Ways of Promoting Exellence in Higher Education. / Pegem Akademi: Ankara. Turkey. 2018. pp. 179-202.
