Научный журнал
Научное обозрение. Педагогические науки
ISSN 2500-3402
ПИ №ФС77-57475

РОБОТОТЕХНИКА, ОБРАЗОВАНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Бейсембаев К.М. 1 Решетникова О.С. 1 Акижанова Ж.Т. 1 Абдрахманов Е.М. 1 Лапушкин А.А. 1 Макухин О.С. 1
1 Карагандинский государственный технический университет
Современная система образования ориентирована на двухуровневое обучение (бакалавриат, магитстратура), должна предусматривать научную подготовку и считаться с присутствием на рынке труда фирм развитых стран, где выпускнику приходится работать с различным современным программным обеспечением на основе CAD/CAM/СAE, поэтому обучение пакетам проектирования должно демонстрировать возможности их использования в современных технологиях, и особенно в робототехнике. Умение выделять конструктивные и программные моменты, сочетающиеся с технологией применения – важная задача обучения. Создание проектов должно вестись в оболочках баз данных, содержащих элементы моделирования, прогнозирования и накопления данных эксплуатации. Обучение робототехнике должно показывать возможности охвата различных аспектов использования минералов, сопутствующих материалов и проводимых выработок с резким повышением эффективности решений комплексных проблем ресурсосбережения и использования недр. Разработанные схемы роботов универсальны, конструктивно близки к андроидам и выполнены на основе шагающих крепей. В забое базируются у поворотного конвейера и обеспечивают разработку минералов в сложных условиях. Многомерные базы данных и их сетевая организация с внутренними и внешними системами программирования позволяет развивать концепцию обратной связи при управлении работами.
робот
программирование
симуляция
движение
поворотный конвейер
база данных
1. Бейсембаев К.М., Грузинская Т.Н., Куракбаев Д.К., Оразбеков Д.Е., Шакарим Е.Е. Моделирование робототехники для очистных забоев // Научное обозрение. Технические науки. 2017. № 3. С. 5–10.
2. Андрейко С.С., Перминов К.М. Разработка технологии добычи калийной руды с применением изгибающегося конвейерного поезда // Известия вузов. Горный журнал. 2013. № 3. С. 4–9.
3. Бейсембаев К.М. Демонстрационная разработка элементов баз автоуправления // Современные наукоёмкие технологии. 2015. С. 9–13.
4. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2009. 207 с.
5. Lazuka E., Lazuka M. Application of Ansys in teaching fem on the example of a loaded mars rover chassis. Advances in Science and Technology Research Journal. 2016. Vol. 10. no. 32. P. 269–274.
6. Talli A.L., Kotturshettar B.B. Forward Kinematic Analysis, Simulation &Workspace Tracing of Anthropomorphic Robot Manipulator By Using MSC. Adams. 2015. Vol. 4. no. 1. P. 18462–18468.
7. Soleiman Nouri F., Haddad Zarif M., Fateh M.M. Designing an adaptive fuzzy control for robot manipulators using PSO. Journal of AI and Data Mining. 2014. Vol. 2. no. 2. P. 125–133.
8. Пискунов М.А., Адамов Д.В. Определение кинематических параметров включения гидроцилиндров манипулятора форвардера при исполнении заданного движения навесного устройств // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 4. С. 42–47.
9. Markram H. The Blue Brain Project. Nature Reviews Neuroscience. 2006. Vol. 7. P. 153–160. DOI: 10.1038/nrn1848.
10. Markram Henry, Eilif Muller, Srikanth Ramaswamy, Michael W. Reimann, Marwan Abdellah. Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry. Cell. 2015. October. vol. 163. no. 2. P. 456–492. DOI: 10.1016/j.cell.2015.09.029.

Применение робототехники строится на улучшении обучения методам проектирования и продиктовано необходимостью обеспечения маневренности машин из-за нарушенности месторождений; условиями, исключающими присутствие человека. Такие информационно оснащенные комплексы позволяют учитывать условия разработки, экологический ущерб, технологию выемки, обеспечивают получение подетальных сценариев состояния систем, а также расчет эффективности работ с учетом прямых и косвеных факторов, как это предусмотрено при комплексном использовании недр. Для горных роботов актуальны вопросы универсализации их конструкции, которые в разной мере соответствуют возможности выполнять цикл запланированных движений. Данным требованиям в большей степени удовлетворяют андроиды. От их решений будет определяться эффективность подземной разработки, ресурсосбережение и конкурентоспособность технологии. Ныне механизированные комплексы на базе крепи щитового типа Clinic, с системами автоматизации ф. MARCO представляют робототехнику для лав. Но они не маневренны при поворотах лав на 180 градусов и ограничены для движения вверх и вниз под углом более 10 градусов. Маневренность же позволяет сократить длину лав до 50 м, практически не теряя в производительности забоев.

Цель исследования: стимулирование обучения использованием наукоемких технологий на примере выбора конструкции роботов для коротких забоев при комплексном использовании недр и создание элементов их моделирования и расчета в многомерной базе данных (БД).

Материалы и методы исследования

Выполняется системный анализ, исследуются конструктивные схемы применения робототехники. Для моделирования применяются пакеты Adams и системы Ардуино, которые должны использоваться и в образовательном процессе. При своей простоте, они дают возможность изучить программирование роботов, на основе мощных инженерных языков типа С++ и Fortran. Опыт показал, что робототехнике в большей степени удовлетворяют шагающие крепи, конструкции которых близки к андроидам и адаптированы к огромным давлениям пород. В обучении важно показать основные этапы реализации конструкций и особенностей их расчета.

Результаты исследования и их обсуждение

В анализе рассмотрена крепь МК-97 для выемки тонких пластов мощностью до 1,2 м, она состояла из двух полусекций, соединенных поступательно и с возможностью наклона относительно друг друга до 15ο. Гидростойки по две на каждую полусекцию – дважды телескопические с тарельчатыми опорами, соединены с перекрытиями шаровыми шарнирами, а для устойчивости устанавливались в пружинные стаканы, жестко соединенные с перекрытиями. Крепи М-81, а затем сменившая её М-130 применялись для мощности пласта до 3,5 м, М-130 изготовлялась из толстолистовой стали и имела сварную конструкцию, в отличие от М-81 из литья, не уступая современным системам типа Clinic, при почти в 2–3 раза меньшей цене. С ними применялся и разворот комплекса на 180 градусов. Однако для обеспечения автоматизированной работы «ног» схемы управления не были разработаны, а эффективному маневрированию мешали шпунтовые связи перекрытий [1].

Важный этап обучения – демонстрация перехода конструкции к новому качеству.

Поэтому здесь и в [1] рассмотрена их эволюция, преобразующая механизмы в робототехнику. Oбopyдoвaниe фиpмы MARCO по сравнению с конкурентами позволяет пoдключить бoльшeе число гидравлических потоков и дaтчикoв, обеспечивает бóльшиe вoзмoжнocти пpoгpaммирования для учета условий эксплуатации. Секция крепи может быть оснащена 24 датчиками. Они объединены в отдельные робогруппы при длине лавы свыше 200 м. Но такие системы не мобильны и не способны к продольному смещению вдоль лавы, что необходимо из-за сложности сети вспомогательных выработок, нарушений пласта и пород. При большом количестве гидро- оборудования происходят сбои в связывающих сетях.

Ранее были предложены камерные короткозабойные технологии с поворотным конвейером ПК (рис. 1, а, б) [2], которые решают вопросы разработки сильно нарушенных месторождений. Нayчнo-тexничecкoe coпpoвoждeние технологии соответствует сформированному в КapГТУ положению о возможности yпpaвлeния забоем на основе oбpaтнoй cвязи c гopным мaccивoм при цикличecкoй кoppeктиpoвкe пapaмeтpoв реальной системы и мoдeлeй yпpaвлeния. В тaкoм cлyчae cиcтeмa yпpaвлeния дoлжнa имeть eдинyю мнoгoмepнyю бaзy пpoeктныx мoдeлeй и для xpaнeния и oбpaбoтки дaнныx, пoлyчaeмыx в пpoцecce экcплyaтaции. На рис. 2 элементы многомерной классификации базы для ПК. Они одновременно представляют проектные и моделирующие возможности для конвейера. В них входит комплекс программного обеспечения (ПО) и БД, а также внешние пакеты CAD/CAM/CAE, вызываемые гиперссылками из таблиц базы. Так на основе средств БД выполняется расчет и накапливаются данные о надежности каждой детали, узла, и в целом конвейера, его стоимостные параметры [3], расчет идет снизу вверх, используя иерархию узлов и подузлов. А внешние системы программирования представляют 3D проекты с прочностными расчетами, учитывающими динамику и возможности визуального моделирования машины. Многомерная классификация как инфологическая модель показывает, что исследуемый объект описан в логике его физических связей и взаимодействий деталей и узлов. Автоматизированные алгоритмы и правила программирования изложены в [4]. Проектирование инфологического объекта мы начали с «головы», введя название объекта (сущность объекта). В основе лежит привод с мотор-редуктором. Между ним и звездочкой изображен вращающий момент, что раскрывает сущность их кинематической связи. Звездочка приводит в движение круглозвенную цепь тягового органа со скребками, а рештаки между собой соединены домкратами и шарнирами. Связь скребков с рештаками силовая (стрелка) – в зоне поворота скребки интенсивно опираются о борт рештака. Тяговый орган жестко связан со скребками, имеет рабочую и холостую ветвь; одновременно рештак проходят 3 скребка. Описания рештаков – в таблицах, созданных по универсальному алгоритму и связанных по типу «один – ко многим» с выше и ниже лежащими уровнями, что и позволяет вести обработку данных запросами. Таблицы имеют гиперссылки на Kompas 3D, – чертежи в 3D, пакеты Ansys – расчет става конвейера и расчет НДС рештаков и Adams – динамический расчет движения тягового органа по рештакам в зоне поворота, что позволяет определить нагрузку отпора скребков на рештаки, уточнить динамику движения става. Моделирование позволит выявить особенности взаимодействия става ПК с опорами, у устья камеры и с комбайном, воздействия на борта рештаков скребков и систем, скрепляющих рештаки (односторонние шарниры и гидравлические домкраты). При проектировании достаточно учесть размеры, массовые и инерциальные характеристики конструкции, используя примитивы Adams Box.

bejs1.tif

Рис. 1. Действующий макет одностороннего ПК КПС1 КарГТУ: а – поворот на 75ο (1 – натяжное устройство, 2 – рештак, 3 – элементы управления, 4 – шарниры рештаков, 5 – привод, 6 – секторные пластинки, 7 – тяговый орган); б – в прямолинейном виде

bejs2b.tif

Рис. 2. Многомерная классификация (инфологическая модель) одностороннего ПК для формирования управляющей проектно-модельной базы данных (а), двухсторонняя стрелка – домкрат; кружок – шарнир; Модель Adams (б); имитация колебаний става, для четырех рештаков (в)

Обучение проведению исследований основано на логическом последовательном выполнении проекта с анализом его этапов. Так, их сопоставление при разработке модели ПК показывает возможности постепенного увеличения количества рассматриваемых рештаков, а графики – возможность возникновения автоколебаний в ставе (в реальности им препятствует трение). В ряде случаев это позволяет легче выделить целесообразные методы моделирования. Выявлено, что возрастание амплитуды автоколебаний до максимального значения особенно заметно при неучете трения в шарнирах. При проектировании обязателен просмотр картинок в 3D меню пакета, так как направления движений элементов при плоской визуализации часто не совпадают с истинными. Вычисление величин реакций действующих сил по всем осям, рис. 3, а и в, скоростей и ускорений не вызывает затруднений, а все это дает широкие возможности моделирования аварийных ситуаций и позволяет прогнозировать состояния объектов. Роботизированными могут выполняться все или несколько секций крепи, задающих направление движения, что позволяет сократить расходы на лаву. На рис. 3, б (симуляция Adams учетом [5–7]), представлена шагающая секция оснащенная передним манипулятором и возможностями движения в любом заданном направлении вдоль, поперек лавы. В отличие от секций в [1] движение возможно как с распором в кровлю, так и без него в «высоких» выработках (рис. 3, г). Она может использоваться в лаве и проходческом забое, а с учетом возможностей к маневрированию и воздействия на соседние секции их количество в коротком забое их можно сократить до 3 штук. Симуляция движения показывает совпадение картин движения ПК с тем, что было получено на действующем макете. Приведем кодовые строки на С, извлеченные из Adams при моделировании (создание гидроцилиндра крепи и переименование проекта), из которых очевидны возможности программирования ответов робота по Нейлору на ситуацию в лаве при использовании самообучения с использованием логических операторов и возможностей извлечения кодов для упрощения программирования [8–10].

! CREATE CYLINDER

undo begin

default coordinate_system default_coordinate_system=.model_1

part create rigid_body name_and_position part_name=.model_1.PART_22 adams_id=22

part modify rigid_body mass_properties part_name=.model_1.PART_22 material=.materials.steel

part attributes part_name=.model_1.PART_22 color=RED name_vis=off

marker create marker=.model_1.PART_22.MARKER_71 &

adams_id=71 &

location=(LOC_RELATIVE_TO({0,0,0}, POINT_27)) &

orientation=333.4349488229, 90.0, 0.0

geometry create shape cylinder &

cylinder_name=.model_1.PART_22.CYLINDER_27 &

adams_id=27 &

length=(40.0cm) &

radius=(12.0cm) &

angle=360.0d &

center_marker=.model_1.PART_22.MARKER_71

group modify group=SELECT_LIST object=.model_1.PART_22

undo end

........... else

file binary write file=»C:/Users/Admin/model_k_m.bin» alert=yes

bejs3a.tif

Рис. 3. Имитационные возможности программы и конструкции крепей: графики усилий в узлах конвейера (а), рычага крепи (в); б – симуляция робосекций в Adams; г – конструктивное выполнение; 1, 2 – гидроцилиндры, 3 – четырехзвенник, 4 – козырек, 5 – гидростойки, 6 – рычаг, 7 – ограждение; 8 – рука; 9, 10 – усилия в шарнире связи рештаков ПК по оси Х и У; усилия манипулятора 6 (шарнир соединения рычагов слева и справа) и шарнира между опорой и передней гидростойкой по оси У (11, 14) и по оси Х (12, 13)

Заключение

Использованное ПО адаптировано к вузовскому обучению. Применение действующих макетов открывает возможности участия студентов и магистрантов в научной работе, а схема грантового финансирования таких работ МОН РК стимулирует руководство вузов к их привлечению, повышая качество образования. Разработка робокомплексов с применением ПК будет стимулировать развитие машиностроения на основе интеллектуальных систем. Переход к цифровому производству делает возможным полный цикл разработки изготовления и внедрения машин по индивидуальным заказам с учетом местной специфики и создает условия для внедрения технологий, основанных на ресурсосбережении.


Библиографическая ссылка

Бейсембаев К.М., Решетникова О.С., Акижанова Ж.Т., Абдрахманов Е.М., Лапушкин А.А., Макухин О.С. РОБОТОТЕХНИКА, ОБРАЗОВАНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ // Научное обозрение. Педагогические науки. – 2019. – № 1. – С. 10-15;
URL: https://science-pedagogy.ru/ru/article/view?id=1789 (дата обращения: 23.04.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674