Проведено аналіз основних напрямків досліджень в області побудови систем управління автоматизованими складськими комплексами. Визначено коло завдань, які необхідно вирішити в процесі моделювання та проектування. Представлена ​​розроблена схема комплексу для переміщення вантажу на підвісі і динамічна схема руху каретки з вантажем, при використанні якої отримана уточнена математична Модель автоматичного переміщення об'єктів зі змінною навантаженням, враховує пред'являються до процесу переміщення вимоги. описано математичну Модель, по якій проводиться розрахунок зміни положення вантажу, жорстко закріпленого на підвісі одним кінцем, при переміщенні несе пристрою і враховується вплив зовнішніх впливів. Розроблено проект дослідної установки відповідно до проведеного аналізу обладнання автоматизованих складів. Визначено структуру керуючого мікропроцесорного пристрою, включеного до складу проектованого комплексу. При виборі технічних засобів для керуючого пристрою враховувалася можливість фізичної інтеграції, узгодженість сигналів окремих елементів і використовуваного програмного забезпечення.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Акіншева Ірина Владиславівна


MATHEMATICAL MODELING AND DESIGNING OF THE COMPLEX FOR TRANSPORTATION OF LOADS ON PENDENT

The analysis of the main areas of research in the field of building control systems for automated warehouse complexes has been carried out. The range of tasks that need to be solved in the process of modeling and design has been determined. A developed scheme of the complex for moving the load on the suspension and a dynamic diagram of the movement of the carriage with the load on the suspension are presented, using which a refined mathematical model of automatic movement of objects with varying loads is obtained, taking into account the requirements for the process of moving. A mathematical model is described, which is used to calculate the change in the position of the load, which is rigidly fixed on the suspension with one end, when the carrier is moved, and the influence of external influences is taken into account. A project of a pilot plant was developed in accordance with the analysis of the equipment of automated warehouses. The structure of the microprocessor control device included in the projected complex has been determined. When choosing technical means for the control device, the possibility of physical integration, consistency of the signals of the individual elements and the software used was taken into account.


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал: Праці БГТУ. Серія 3: Фізико-математичні науки та інформатика


    Наукова стаття на тему 'МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І ПРОЕКТУВАННЯ КОМПЛЕКСУ ДЛЯ ПЕРЕМІЩЕННЯ ВАНТАЖІВ НА підвісити'

    Текст наукової роботи на тему «МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І ПРОЕКТУВАННЯ КОМПЛЕКСУ ДЛЯ ПЕРЕМІЩЕННЯ ВАНТАЖІВ НА підвісити»

    ?74

    Праці БГТУ, 2019, серія 3, № 2, с. 74-78

    УДК 62-521 / 529

    І. В. Акіншева

    Могилевський державний університет продовольства

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І ПРОЕКТУВАННЯ КОМПЛЕКСУ ДЛЯ ПЕРЕМІЩЕННЯ ВАНТАЖІВ НА підвісити

    Проведено аналіз основних напрямків досліджень в області побудови систем управління автоматизованими складськими комплексами. Визначено коло завдань, які необхідно вирішити в процесі моделювання та проектування. Представлена ​​розроблена схема комплексу для переміщення вантажу на підвісі і динамічна схема руху каретки з вантажем, при використанні якої отримана уточнена математична модель автоматичного переміщення об'єктів зі змінною навантаженням, що враховує пред'являються до процесу переміщення вимоги. Описано математичну модель, за якою проводиться розрахунок зміни положення вантажу, жорстко закріпленого на підвісі одним кінцем, при переміщенні несе пристрою і враховується вплив зовнішніх впливів. Розроблено проект дослідної установки відповідно до проведеного аналізу обладнання автоматизованих складів. Визначено структуру керуючого мікропроцесорного пристрою, включеного до складу проектованого комплексу. При виборі технічних засобів для керуючого пристрою враховувалася можливість фізичної інтеграції, узгодженість сигналів окремих елементів і використовуваного програмного забезпечення.

    Ключові слова: автоматизація, модель, навантаження, переміщення, склад, система управління, позиціонування.

    I. V. Аkinshevа

    Mogilev State University of Food Technology

    MATHEMATICAL MODELING AND DESIGNING OF THE COMPLEX FOR TRANSPORTATION OF LOADS ON PENDENT

    The analysis of the main areas of research in the field of building control systems for automated warehouse complexes has been carried out. The range of tasks that need to be solved in the process of modeling and design has been determined. A developed scheme of the complex for moving the load on the suspension and a dynamic diagram of the movement of the carriage with the load on the suspension are presented, using which a refined mathematical model of automatic movement of objects with varying loads is obtained, taking into account the requirements for the process of moving. A mathematical model is described, which is used to calculate the change in the position of the load, which is rigidly fixed on the suspension with one end, when the carrier is moved, and the influence of external influences is taken into account. A project of a pilot plant was developed in accordance with the analysis of the equipment of automated warehouses. The structure of the microprocessor control device included in the projected complex has been determined. When choosing technical means for the control device, the possibility of physical integration, consistency of the signals of the individual elements and the software used was taken into account.

    Key words: automation, model, load, movement, warehouse, control system, positioning.

    Вступ. Розробка систем управління комплексами для автоматичного переміщення об'єктів з навантаженням є актуальним завданням при створенні автоматизованих систем управління складськими приміщеннями промислових підприємств у всьому світі. Дослідження в цій області ведуться в виробничих лабораторіях підприємств, що займаються розробкою робототехнічних комплексів промислових складів. Провідні дослідження проводять вчені в лабораторіях компаній Elettric 80 і Bema [1], на території країн СНД відомі розробки таких компаній, як ТОВ «ЕВС», Modula і Daifuku [2]. особливістю представ-

    ється робототехнічних комплексів для оснащення автоматизованих складів є використання напрямних і переміщення по ним в трьох вимірах жорстко закріпленої каретки-камери з вантажем. Основні дослідження ведуться в області підвищення точності позиціювання і оптимальну побудову каркаса з напрямних. Невирішеною є завдання дослідження переміщення вантажу на підвісі, закріпленого жорстко одним кінцем. Така конструкція дозволить знизити витрати на розробку каркаса з направляючих в разі лінійного переміщення уздовж однієї осі на великі відстані.

    Метою роботи є розробка уточненої математичної моделі і проектування комплексу для дослідження переміщення об'єктів з навантаженням.

    Для досягнення поставленої мети планується вирішити наступні завдання:

    1) провести аналіз діючих на виробництві автоматизованих систем для переміщення вантажів, виявити існуючі недоліки;

    2) скласти динамічну схему переміщення вантажів на підвісі, жорстко закріплених одним кінцем;

    3) розробити методику моделювання і скласти уточнену математичну модель автоматизованої системи для переміщення вантажів;

    4) розробити проект установки, що реалізує автоматизовану систему для переміщення вантажів, адекватну складеної моделі;

    5) підібрати і провести аналіз узгодженості комплектуючих, необхідних для розробки автоматизованого комплексу;

    6) визначити подальший напрямок досліджень.

    Актуальність дослідження полягає в тому, що виробничі підприємства, збільшуючи продуктивність, пред'являють підвищені вимоги до швидкості і точності переміщення комплектуючих на виробничих ділянках, а також до переміщення готової продукції всередині складських приміщень. Тому розробка автоматизованих комплексів по переміщенню об'єктів з навантаженням є невід'ємною частиною автоматизації виробництва в цілому.

    Основна частина. Проведений аналіз показує, що в світовій практиці досліджень перевага віддається вивченню і опису автоматичного переміщення жорстко закріплених вантажів, в той час як виникає необхідність в дослідженні автоматичного переміщення вантажів на підвісах, закріплених жорстко одним кінцем. Недостатня кількість публікацій про результати дослідження в даній області дозволяє зробити висновок про перспективність обраного напрямку досліджень.

    У процесі аналізу існуючих виробництв і визначення їх недоліків розроблений проект експериментальної установки, схема якої приведена на рис. 1.

    На даному етапі дослідження отримано математичну модель автоматичного переміщення об'єкта із змінною навантаженням. Завдяки розробленій математичній моделі, можливо виділення двох основних параметрів: маси вантажу і швидкості його переміщення,

    використовуваних в подальшому для оптимізації і зміни характеристик системи як в формалізованому вигляді, так і в ході випробувань [3].

    Мал. 1. Схема комплексу для переміщення вантажу на підвісі: 1 - вантаж масою m; 2 - підвіс з оптичним пристроєм; 3 - каретка з кроковим двигуном Д2;

    4 - датчик ваги; 5 - комплект пасової передачі;

    6 - напрямна рейка; 7 - контейнер;

    8 - кроковий двигун дь 9 - керуючий мікропроцесорний пристрій; 10 - персональний комп'ютер (ПК)

    У представленій на рис. 1 схемою введені такі позначення: m - маса вантажу 1; и1-швидкість руху каретки 3 по горизонталі, що забезпечується двигуном Д1; і 2 - швидкість руху підвісу 2 з вантажем 1 по вертикалі, що забезпечується двигуном Д2; а - кут відхилення вантажу від вертикальної осі при русі.

    Для спрощення розробляється математичної моделі досліджуваної системи прийняті такі припущення [4, 5]: кут відхилення а вантажу від вертикальної осі повинен прагнути до нуля (а ^ 0); швидкість і 2 руху підвісу 2 з вантажем 1 по вертикалі постійна (і2 = const); швидкість и1 руху каретки 3 по горизонталі є змінною величиною.

    Отже, необхідною для вирішення виробничої задачі є адаптація в залежності від маси m вантажу 1 швидкості руху и1 каретки 3 таким чином, щоб кут а ^ 0.

    Адаптувати швидкість и1 потрібно для забезпечення руху вантажу 1 з наступним його точним переміщенням в контейнер 7, а також для ліквідації перешкод на своєму шляху вантажів за допомогою декількох аналогічних кареток в разі організації руху по конвеєру.

    Математична модель руху вантажу є коливальну систему, схема якої представлена ​​на рис. 2.

    Мал. 2. Динамічна схема руху каретки з вантажем на підвісі: - сумарне тягове зусилля; Ж - сила опору руху каретки; ЖВ - сила опору повітря при русі вантажу; Т - сила натягу каната підвісу; Ох - сила тяжіння каретки спільно з датчиком ваги; 02 - сила тяжіння підвісу з оптичним датчиком; О3 - сила тяжіння вантажу

    В результаті використання рівняння руху твердого тіла [6] була складена система рівнянь:

    1

    1 = - (- Тяпа-- Ж);

    ш

    Ух = 0;

    ш + ш.

    ух =

    ш + ш.

    -(Т 8т а-ЖВ); - (Т 008 а- (О2 + О3)).

    (1)

    2

    Особливістю розробленої моделі є те, що в ній враховано взаємозв'язок параметрів досліджуваної системи: швидкості руху каретки їх, маси вантажу ш і зміни кута відхилення а від вертикального положення підвісу в залежності від швидкості руху каретки. Завдяки отриманій взаємозв'язку стає можливим досліджувати зміна положення вантажу на підвісі при зміні швидкості руху каретки і маси ш вантажу.

    Сила натягу каната підвісу знаходиться за наступною формулою:

    Т = к1М1

    РА / 1,

    де к =

    ?51

    - коефіцієнт жорсткості каната;

    п? 2

    5 = -с - площа перетину каната; ах - діа-

    1 4

    метр каната; с - коефіцієнт заповнення перерізу каната; А / = / х - 12 - подовження каната;

    / Х = л / (х1 - х2) 2 + (ух -у2) 2 - довжина каната під

    час руху; / 2 - довжина каната в положенні рівноваги; в - коефіцієнт розсіювання енер-

    . А / = (Х1 - Х2) (Х - Х2) + (У1 - У2) (У1 - У 2)

    гии; А / = -

    Л1 (Х1 - х2) 2 + (Ух - У 2) 2

    швидкість подовження каната.

    Сила тяжіння підвісу з оптичним приладом і сила тяжіння вантажу відповідно рівні

    02 = Ш2g,

    03 = шg,

    де ш2 - маса підвісу з оптичним датчиком; g - прискорення вільного падіння.

    Кут відхилення каната від початкового положення визначається за формулою

    (

    а = агсйап

    Л

    Ух - Ух

    Сила опору повітря при русі вантажу дорівнює

    Е -

    модуль пружності матеріалу каната;

    ЖВ = 500рх2саі,

    /

    де р - щільність повітря; ca - коефіцієнт аеродинамічної сили; n - коефіцієнт перевантаження.

    У вихідній системі y1 = 0, так як раніше було прийнято допущення і 2 = const.

    Керуючий мікропроцесорний пристрій, що використовується для управління кроковими двигунами Д] і Д2, включає контролер моделі Nano V 3.0 Arduino, в пакет поставки якого входить програмне забезпечення, що дозволяє реалізовувати алгоритми управління [7] (рис. 3).

    Мал. 3. Схема керуючого мікропроцесорного пристрою: 1 - контролер; 2, 3 - інтерфейсні модулі для крокових двигунів; 4 - датчик ваги;

    5, 6 - крокові двигуни Д1 і Д2 відповідно

    Також при реалізації комплексу для переміщення вантажу на підвісі, представленого схемами на рис. 1, 3, будуть використані наступні комплектуючі.

    Забезпечувати рух вантажу по горизонталі і вертикалі будуть крокові двигуни з вбудованим редуктором 28BYJ-48 і платою ULN2003 Arduino. Сполучення крокових двигунів з контролером буде проводитися через інтерфейсні модулі моделі L298N. Для аналізу маси m підвішується вантажу буде використовуватися датчик ваги Elecrow для Arduino UNO DIY [8].

    У ролі оптичного пристрою може виступати малопотужний лазер марки Dot, необхідний для індикації кута відхилення а від вертикальної осі, або датчик положення, призначений для визначення місця розташування контейнера, в який повинен бути поміщений вантаж.

    Висновок. В результаті моделювання отримана уточнена математична модель комплексу по переміщенню вантажів на підвісі, жорстко закріплених одним кінцем. Виділено основні параметри даного об'єкту, знайдені функціональні взаємозв'язки між ними, що дозволить розробити алгоритми, що реалізують рішення задачі управління розробляються комплексом по мінімізації кута відхилення підвісу від вертикального положення і адаптації швидкості руху каретки в залежності від маси переміщуваного вантажу.

    При розробці проекту комплексу по переміщенню вантажів на підвісі виконаний вибір комплектуючих для реалізації керуючого мікропроцесорного пристрою з урахуванням узгодженості вхідних і вихідних сигналів, використовуваних програмних і технічних засобів на елементній базі Arduino.

    література

    1. Рахманкулов Р. Автоматизовані складські системи компанії MODULA // Control Engineering Росія. 2017. № 1. С. 65-69.

    2. The integrated solutions of ELETTRIC 80 and BEMA // Maggio, TISSUEMAG. 2018. № 5. P. 36-39.

    3. Akinsheva I. V., Ivanova I. D., Kaminski E. Дослідження стійкості нелінійних об'єктів // Problemy Inzynierii Rolniczej. 2016. Vol. 1. P. 41-52.

    4. Абрамович І. І., Березін В. Н., Яуреі А. Г. Вантажопідйомні крани промислових підприємств. М .: Машинобудування, 1989. 360 з.

    5. Козловський В. Б., Паршенцев С. А., Єфімов В. В. Вертоліт з вантажем на зовнішній підвісці. М .: Машинобудування: Машинобудування-Політ, 2008. 304 с.

    6. Яблонський А. А. Курс теоретичної механіки. У 2 ч. Ч. 2. Динаміка. М .: Вища школа, 1984. 411 с.

    7. Преснухин Л. Н. Мікропроцесори. Засоби сполучення. Контролюючі та інформаційно-керуючі системи. М .: Вища школа, 2006. 383 с.

    8. Петін В. А., Біняковскій А. А. Практична енциклопедія Arduino. М .: ДМК Пресс, 2017. 152 с.

    References

    1. Rakhmankulov R. Automated storage systems by MODULA. Control Engineering Rossiya 2017, no. 1, pp. 65-69 (In Russian).

    2. The integrated solutions of ELETTRIC 80 and BEMA. Maggio, TISSUEMAG, 2018, no. 5, pp. 3639 (In Italian).

    3. Akinsheva I. V., Ivanova I. D., Kaminski E. The study of the stability of nonlinear objects. Problemy Inzynierii Rolniczej, 2016, vol. 1, pp. 41-52 (In Russian).

    4. Abramovich I. I., Berezin V. N., Yaurei A. G. Gruzopod'yemnyye krany promyshlennykh predpriya-tiy [Hoisting cranes industrial enterprises]. Moscow, Mashinostroeniye Publ., 1989. 360 p.

    5. Kozlovskiy V. B., Parshentsev S. A., Efimov V. V. Vertolet s gruzom na vneshney podveske [Helicopter with external load]. Moscow, Mashinostroeniye, Mashinostroeniye Polet Publ., 2008. 304 p.

    6. Yablonskiy A. A. Kurs teoreticheskoy mekhaniki. V2 chastyakh. Chast '2. Dinamika [The course of theoretical mechanics. In 2 parts. Part 2. Dynamics]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1984. 411 p.

    7. Presnukhin L. N. Mikroprotsessory. Sredstva sopryazheniya. Kontroliruyushchiye i informationno-upravlyayushchiye sistemy [Microprocessors. Means of coupling. Control and information management systems]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2006. 383 p.

    8. Petin V. A., Binyakovskiy A. A. Prakticheskaya entsiklopediya Arduino [Practical encyclopedia Arduino]. Moscow, DMK Press Publ., 2017. 152 p.

    Інформація про автора

    Акіншева Ірина Владиславівна - кандидат технічних наук, доцент кафедри автоматизації технологічних процесів і виробництв. Могилевський державний університет продовольства (212027, м Могилів, пр-т Шмідта, 3, Республіка Білорусь). E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Information about the author

    Akinsheva Irina Vladislavovna - PhD (Engineering), Assistant Professor, the Department of Automation of Technological Processes and Production. Mogilev State University of Food Technology (3, Schmidt Ave., 212027, Mogilev, Republic of Belarus). E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    надійшла 15.05.2019


    Ключові слова: АВТОМАТИЗАЦІЯ /МОДЕЛЬ /НАВАНТАЖЕННЯ /ПЕРЕМІЩЕННЯ /СКЛАД /СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ /ПОЗИЦІОНУВАННЯ /AUTOMATION /MODEL /LOAD /MOVEMENT /WAREHOUSE /CONTROL SYSTEM /POSITIONING

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити