Full Text

На данный момент в интересах индустриальных партнеров на территории Самарского университета создается киберфизическая роботизированная фабрика по разработке и производству малоразмерных газотурбинных двигателей. В ней предусмотрены три иерархических уровня: цифровая фабрика – умная фабрика – виртуальная фабрика. Наши разработки относятся ко второму уровню (умная фабрика), где основной задачей стоит создание интеллектуальных производственных ячеек.

Цель работы - создание системы управления интеллектуальной роботизированной ячейкой, позволяющей эффективно управлять ресурсами, по запросу предоставлять заготовки импеллера и инструменты в обрабатывающий центр, минимизируя временные задержки и повышая общую производительность при создании МГТД.

Первый этап решения этой задачи нацелен на проработку модели производственной ячейки в программе Visual Components с использованием русификатора R-Pro. Visual Components может применяться для проектирования, оптимизации, а также дальнейшего программирования роботизированных комплексов (в том числе и коллаборативных), что показывает в своей работе Д. С. Петренко [1].

1 Разработка модели интеллектуальной производственной ячейки

В ходе выполнения научной работы была разработана виртуальная модель интеллектуальной производственной ячейки "Фрезерная обработка МГТД".

Данная ячейка нацелена на автоматизацию процесса обслуживания фрезерного станка, включая загрузку заготовок, выгрузку готовых изделий импеллера, обслуживание складской системы и взаимодействие с оператором. Целью разработки служит достижение производительности в 500 готовых изделий в год.

1.1    Описание работы ячейки

Основными элементами интеллектуальной производственной ячейки являются:

• Склад для хранения заготовок и готовых изделий в унифицированной таре
• Робот-манипулятор
• Линейный трек, обеспечивающий горизонтальное перемещение манипулятора вдоль склада
• Фрезерный обрабатывающий центр с ЧПУ
• Рабочие области для робота манипулятора (верстаки) для временного размещения унифицированной тары во время работы и для взаимодействия с оператором

Общий вид ячейки в программном компоненте R-Pro представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Модель интеллектуальной производственной ячейки:

1 – робот-манипулятор; 2 – линейный трек для робота; 3 – рабочие поверхности для робота;

4 – фрезерный обрабатывающий центр с ЧПУ; 5 – склад с унифицированной тарой

Склад заранее заполнен пустой унифицированной тарой с ложементом под заготовку. Пополнение склада производится оператором. По запросу с панели оператора манипулятор выгружает тару со склада на свою рабочую область (верстак). Оператор укладывает заготовку в тару, после чего манипулятор переносит ее на стеллаж и текущее состояние склада в системе 1С обновляется.

Процедура загрузки склада заготовками повторяется в соответствии с производственным заданием на рабочую смену.

Далее интеллектуальная производственная ячейка начинает работу по технологической схеме для выбранных деталей.

Манипулятор выгружает унифицированную тару с заготовкой со склада и ставит ее на рабочую область для промежуточного хранения.

Так как для разных операций (загрузка малого импеллера, загрузка большого импеллера, загрузка инструмента, работа с унифицированной тарой) используются разные типы захватов, то после операции выгрузки со склада, робот-манипулятор отправляется к устройству смены инструмента, где меняет захват на подходящий для следующей операции.

После взятия заготовки робот перемещается по линейному треку к станку, подает сигнал на открытие дверцы станка, устанавливает заготовку в патрон и подает сигнал на сжатие кулачков патрона. Далее дверь закрывается и запускается программа обработки в станке. Одновременно с этим робот-манипулятор возвращает унифицированную тару в соответствующую ячейку склада и ожидает последующих операций.

Обработанная деталь извлекается роботом-манипулятором из обрабатывающего центра и помещается в ту же ячейку, из которой она была извлечена заготовка.

1.2 Шаги разработки имитационной модели

Рассмотрим подробнее процесс создания имитационной модели.

Работа всей интеллектуальной производственной ячейки в значительной степени определяется программным кодом для робота-манипулятора.

Пример программного кода манипулятора для нашей системы можно увидеть на рисунке 2.

Рис. 2. Программа работы робота-манипулятора

Программа написана преимущественно для линейных перемещений между точками, чтобы обеспечить более высокую точность позиционирования и избежать столкновения с компонентами системы.

Для исключения столкновений робота-манипулятора и проверки правильности составленной программы, в R-Pro можно настроить и активировать детекторы столкновения.

Программа движения манипулятора включает в себя не только определенное положение звеньев робота в каждой точке, но и позицию робота на линейном треке. Трек для робота является дополнительной осью, что можно увидеть на рисунке 3.

Рис. 3. Дополнительная ось робота-манипулятора

Целью создания ячейки является не только проработка планировки, взаимного расположения компонентов, написание программы для робота, но и определение точных требований к выбираемому или создаваемому оборудованию. Так, R-Pro позволяет отобразить области досягаемости манипуляторов, что можно увидеть на рисунке 4.

Рис. 4. Область досягаемости манипулятора

2     Разработка модели завода, включающего несколько производственных ячеек

Вторым этапом проработки поставленной задачи была разработка имитационной модели производительностью в 10 000 импеллеров в год.

Данная модель выполняет те же задачи, что и первая, но обеспечивает значительно большую производительность путем совместной работы нескольких производственных ячеек.

2.1    Описание работы модели крупного производства

В сравнении с первой моделью, где ячейка сама выполняла складскую функцию, в текущей модели складское хранение вынесено в отдельный технологический модуль. В этой концепции у нас появляются отдельно стоящие входной и выходной стеллажи, обслуживание которых производится краном-штабелером.

На входном складе в унифицированной таре хранятся заготовки для двух типоразмеров импеллеров. С помощью крана-штабелера заготовка выгружается со склада и далее с помощью мобильного робота перемещается до станции обработки.

Как можно увидеть на общей планировке (рисунок 5), одна станция обработки включает в себя четыре фрезерных обрабатывающих центра, один робот-манипулятор и линейный трек для горизонтального перемещения робота. На данный момент, с учетом текущей технологии обработки, которая для малого типоразмера импеллера занимает 6 часов, такое большое количество станков является единственным способом достижения заданной производительности.

            После механической обработки робот-манипулятор перемещает на мобильного робота готовые изделия, помещенные в унифицированную тару. Мобильный робот доставляет обработанные детали импеллера на выходной склад.   

Рис. 5. Имитационная модель крупного производства:

1 – входной склад с заготовками; 2 – выходной склад с готовыми изделиями; 3 – кран-штабелер; 4 – мобильные роботы; 5 – станция механической обработки

2.2 Шаги разработки имитационной модели

Если в прошлой модели вся логистика и выполнение технологических операций были напрямую связанны с программным кодом для манипулятора, то теперь при большем количестве компонентов и технологических участков необходимо прописывать процесс по шагам.

На рисунках 6 и 7 на примере операций выгрузки со склада и обработки в станке можно увидеть, как строится процесс в программном компоненте R-Pro.

Шаги процесса представляют собой конкретную технологическую операцию, а зеленые стрелки, соединяющие их между собой, определяют направление потока продукции и исполнительное устройство, с помощью которого тип детали соответствующей группы процессов перемещается между шагами.

В случае если нам необходимо определить последовательность шагов, но при этом они не связаны логистически с помощью конкретного исполнительного устройства, в редакторе технологического процесса между ними будет находиться значок с красной меткой.

Рис. 6. Технологический процесс выгрузки заготовок со склада

Рис. 7. Технологический процесс обслуживания станции обработки

Каждая конкретная операция (шаг) содержит в себе четкую последовательность выражений (рисунок 8).

Рис. 8. Выражения внутри шагов технологического процесса

Результаты и их обсуждение

 R-Pro позволяет проанализировать эффективность разработанной нами системы. Было определено, что годовая производительность одной линии обработки, состоящей из четырех фрезерных обрабатывающих центров, составляет порядка 5859 изделий. Производство, состоящее из двух таких линий, обеспечит выход на требуемую производительность в 10 000 изделий.

Также можно оценить загруженность робототехнических комплексов. На рисунке 9 видно, что мобильные роботы, обслуживающие входной и выходной склады, имеют загруженность 75%.

Рис. 9. Производительность системы

Заключение

Таким образом, разработанные модели интеллектуальных производственных ячеек продемонстрировали свою эффективность и пригодность для последующего внедрения в реальные производственные процессы. В ходе исследования была достигнута основная цель – создание системы управления, позволяющей эффективно автоматизировать процесс фрезерной обработки импеллеров МГТД, минимизируя участие человека и снижая временные затраты.

Результаты работы могут быть использованы в дальнейшем при проектировании и реализации современных автоматизированных производственных систем, что открывает новые возможности для улучшения производительности и снижения затрат на промышленных предприятиях.

About the authors

Mihail Valerievich Zagorin

Email: misha.zagorin@gmail.com
Russian Federation

Olga Borisovna Senatskaya

Author for correspondence.
Email: olgasenatskaya@gmail.com

Лаборант-исследователь, Инжиниринговый центр Самарского университета

References

Supplementary files