Структурно-параметричний синтез функціонально-мехатронних модулів робототехнічних комплексів формування транспортних пакетів із харчовими продуктами

Abstract

Дисертація присвячена розробці методологічного підходу проектування робототехнічних комплексів формування транспортних пакетів із харчовими продуктами, який базується на морфологічному аналізі і синтезі їх структури та багатокритеріальному синтезі їх функціонально-мехатронних модулів. У дослідженні проведено оцінку конкурентоспроможності типових зразків робототехнічних комплексів формування транспортних пакетів із харчовими продуктами та їх функціональних модулів на основі вибіркового аналізу та синтезу допустимих варіантів компонувань. На основі морфологічного аналізу виконано декомпозицію службової функції робототехнічних комплексів для формування транспортних пакетів із харчовими продуктами та виділено їх характерні функціонально-мехатронні модулі, побудовано ієрархічну структуру. Отримано масиви конструктивного виконання функціонально-мехатронних модулів: подачі одиничного тарного вантажу; горизонтального переміщення структурних елементів транспортного пакету; вертикального переміщення тарного вантажу або структурного елементу транспортного пакету; подачі одиничного піддону, які рекомендовано використовувати для створення параметричних рядів конструкцій, що виконують однотипну технологічну операцію. На основі морфологічного синтезу встановлено вагомі параметри та критерії технічної ефективності як для робототехнічного комплексу загалом, так і для його функціонально-мехатронних модулів, а саме – максимальне навантаження; максимальна швидкість руху робочих органів; точність позиціювання робочих ланок; енерговитрати на виконання службової функції; можливість швидкого

переналаштування. За цими параметрами і критеріями виконано оцінку ефективності структури функціонально-мехатронних модулів горизонтального та вертикального переміщення тарного вантажу та отримано пошукову множину в межах аналізу чотирьох типів функціональних модулів для вертикального переміщення та в межах аналізу п’яти типів функціональних модулів для горизонтального переміщення. Теоретично обґрунтовано раціональні рухи робочих органів робототехнічних комплексів при виконанні умови енергозбереження під час формування транспортного пакету. Встановлено, що різниця між споживанням енергії на формування транспортного пакету за типовою схемою та запропонованою схемою становить 140 %. Запропоновано конструкцію функціонально-мехатронного модуля покро- кового переміщення платформи з пневматичним приводом та функцією рекуперації енергії для формування структурних елементів транспортного пакету. Встановлено залежність між масою структурних елементів транспортного пакету, рушійним зусиллям платформи мехатронного модуля покрокового переміщення платформи з пневматичним приводом та значенням керуючого сигналу з метою забезпечення точності позиціювання платформи. Результатами експериментальних досліджень визначено, що запропонована схема керування функціонально- мехатронним модулем покрокового переміщення платформи з пневматичним приводом заощаджує до 40 % енергії стисненого повітря в процесі формування транспортного пакету, яка може повторно використовуватися в повторних циклах технологічного процесу формування транспортного пакету. Розроблено аналітичні залежності для визначення тривалості виконання технологічної операції переміщення тарного вантажу в горизонтальній площині за заданим законом руху та виконано оцінку раціональних параметрів функціонально-мехатронного модуля лінійного переміщення з електромеханічним приводом, що дало змогу зменшити сумарну потужність привода. Запропоновано комплексний підхід для визначення мінімального та максимального значень вакуума з умови безпечного утримання тарного вантажу вакуумним пристроєм захоплювання за трьома показниками експлуатаційних вимог під час виконання операції переміщення. Розроблено математичну модель для визначення енергетичних показників вакуумних генераторів з функцією енергозбереження. Результати комплексних наукових досліджень є науковою основою для практичних рекомендацій по удосконаленню відомих та створенню інноваційних конструкцій мехатронних модулів, що виконують максимальну кількість корисних функцій та відповідають критеріям технічної ефективності: розроблено та запропоновано пілотні зразки нових функціонально-мехатронних модулів із пневматичним приводом та функцією рекуперації енергії для вертикального переміщення тарних вантажів й для структурних елементів транспортного пакету та функціонально-мехатронного модуля із вакуумним захоплювальним пристроєм з функцією енергозбереження. Результати досліджень впроваджено під час проектування нового пакувального обладнання та модернізації існуючого на ДП «Фесто», ТОВ «Інта», ТОВ «Завод пакувального обладнання «Термо-Пак» та в навчальний процес НУХТ. The dissertation is devoted to the development of a methodological approach to the design of robotic complexes for the formation of transport packages with food products, which is based on morphological analysis and synthesis of their structure and multi- criteria synthesis of their functional-mechatronic modules. The study evaluated the competitiveness of typical samples of robotic complexes for the formation of transport packages with food products and their functional modules on the basis of a selective analysis and synthesis of admissible layout options. On the basis of morphological analysis, a decomposition of the service function of robotic complexes for the formation of transport packages with food products is carried out, their characteristic functional and mechatronic modules are allocated, a hierarchical structure is built. Arrays of structural design of functional-mechatronic modules have been obtained: supply of unit transport package; horizontal movement of structural elements of the transport package; vertical movement of tare package or structural element of a transport package; Single pallet feeds which are recommended to be used to create parametric series of structures that perform the same type of technological operation. On the basis of morphological synthesis significant parameters and criteria of technical efficiency have been established both for the robotic complex as a whole and for its functional and mechatronic modules, namely, the maximum load; maximum speed of movement of working bodies; accuracy of positioning of working links; energy consumption for the performance of an official function; the ability to quickly reconfigure. According to these parameters and criteria, the efficiency of the structure of functional- mechatronic modules for horizontal and vertical movement of tare package was evaluated and a search set was obtained within the analysis of four types of functional modules for vertical movement and within the analysis of five types of functional modules for horizontal movement. The rational movements of the working bodies of robotic complexes under the fulfillment of the energy saving condition during the formation of the transport package are theoretically substantiated. It is found that the difference between the energy consumption for the formation of a transport package according to the typical scheme and the proposed scheme is 140%. The design of a functional-mechatronic module for step-by-step movement of the platform with a pneumatic drive and an energy recovery function for the formation of structural elements of a transport package is proposed. The relationship between the mass of the structural elements of the transport package, the driving force of the platform of the mechatronic module for step-by-step movement of the platform with a pneumatic drive has been establishedand the value of the control signal in order to ensure the accuracy of the platform positioning. The results of experimental studies have determined that the proposed control scheme of the functional-mechatronic module for step-by-step movement of the platform with a pneumatic drive saves up to 40 % of compressed air energy in the process of forming a transport package, which can be reused in repeated cycles of the technological process of forming a transport package. Analytical dependencies have been developed to determine the duration of the technological operation of moving tare package in the horizontal plane according to the given law of motion and an assessment of the rational parameters of the functional-mechatronic module of linear displacement with an electromechanical drive has been carried out, which made it possible to reduce the total power of the drive. An integrated approach is proposed to determine the minimum and maximum values of vacuum under the condition of safe holding of tare package by a vacuum gripping device according to three indicators of operational requirements during the transfer operation. A mathematical model has been developed to determine the energy performance of vacuum generators with energy saving function. The results of comprehensive scientific research are the scientific basis for practical recommendations for improving the known and creating innovative designs of mechatronic modules that perform the maximum number of useful functions and meet the criteria of technical efficiency: pilot samples of new functional andmechatronic modules with pneumatic drive and energy recovery function for vertical movement of tare package and for structural elements of the transport package and functional mechatronic module with vacuum gripping device with energy saving function. The results of the research were implemented during the design of new packaging equipment and the modernization of existing ones at "Festo", LLC "Inta", LLC "Packaging Equipment Plant "Thermo-Pack" and in the educational process of NUFT.