МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И.С. ТУРГЕНЕВА» Кафедра «Мехатроника, механика и робототехника» ОТЧЕТ по производственной практике (научно-исследовательская работа) (вид практики) на материалах НОЦ интеллектуальных технологий мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева Студент: Черторыжский Владислав Николаевич Группа: 71МХ Институт/факультет ПТИ имени Н.Н. Поликарпова Направление: 15.04.06 Мехатроника и робототехника Руководитель практики от университета Поляков Роман Николаевич М.П. Отметка защиты ________________________________ Орёл, 2020 г. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И.С. ТУРГЕНЕВА» Кафедра «Мехатроника, механика и робототехника» Направление подготовки 15.04.06 Мехатроника и робототехника ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ на производственной практике (научно-исследовательская работа) (вид практики) для обучающегося Черторыжского Владислава Николаевича (ФИО обучающегося полностью) 4 курса очной формы обучения, группы 71МХ Место прохождения практики: НОЦ интеллектуальных технологий мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева Срок прохождения практики с «01» сентября 2020 г. по «31» декабря 2020 г. Содержание практики (вопросы, подлежащие изучению): - произвести анализ научно-технической литературы, статей профильных журналов по исследуемому объекту; - произвести патентный поиск существующих конструкций систем и выявить признаки патентоспособности объекта; - сформировать реферат на основании проанализированных источников; Планируемые результаты практики: - реферат на тему «Разработка мехатронного подъемного устройства робота строителя»; - презентация и доклад на тему «Разработка мехатронного подъемного устройства робота строителя»; Руководитель практики от университета ___________________ Р.Н. Поляков Задание принял: __________________ (подпись обучающегося) «___» _______ 2020 г. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И.С. ТУРГЕНЕВА» ДНЕВНИК по производственной практике (научно-исследовательская работа) (вид практики) Ф.И.О. Черторыжский Владислав Николаевич Курс 4 Группа: 71 МХ Место прохождения практики: НОЦ интеллектуальных технологий мониторинга и диагностики энергогенерирующего оборудования Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева Руководитель практики от университета Роман Николаевич Поляков М.П. Начало практики «01» сентября 2020 года Окончание практики «31» декабря 2020 год № п/п Дата Наименование мероприятия / работы 1. 08.09.2020 Вводная лекция 2. 20.09.20 10.10.20 Поиск русскоязычных статей по тематике 3. 10.10.20 10.11.20 Краткое содержание Постановка необходимых задач и целей для успешного прохождения практики Инструктаж по технике безопасности Поиск статей с помощью сети Internet, известных научных электронных библиотек (eLibrary.ru, Лань и т.д.) и сервисов для поиска патентов (ФИПС, Гугл Патенты и т.д.) Кол-во часов 2 45 Поиск авторефератов по тематике Поиск статей с помощью сети Internet, известных научных электронных библиотек (eLibrary.ru, Лань и т.д.) и сервисов для поиска патентов (ФИПС, Гугл Патенты и т.д.) 35 58 4. 01.11.20 23.11.20 Поиск иностранных статей по тематике Поиск статей с помощью сети Internet, известных научных электронных библиотек (eLibrary.ru, Лань и т.д.) и сервисов для поиска патентов (ФИПС, Гугл Патенты и т.д.) 5 23.11.2015.12.20 Реализация предлагаемого решения Разработка 3D модели и СФС 5 6 15.12.20 30.10.20 Оформление отчета Анализ результатов и подведение итогов проделанной работы 10 7 31.12.2020 Отчет по практике Защита отчета по практики 2 Подпись руководителя практики Содержание Введение ............................................................................................................... 6 1 Аналитический раздел ...................................................................................... 7 2.Информационно-аналитический поиск: патенты, статьи, фирмы- производители .................................................................................................... 12 3. Предлагаемое решение .................................................................................. 18 Заключение ......................................................................................................... 20 Список используемой литературы .................................................................... 21 5 Введение В настоящее время возводится все большее количество зданий и сооружений, что неизменно ведет к привлечению огромного количества рабочей силы для выполнения строительно-монтажных работ, что в свою очередь поднимает проблему в обеспечении квалифицированными кадрами как инженерных, так и рабочих профессий. Часто рабочие имеют низкую квалификацию, что приводит к допущению грубых ошибок, нарушению технологии и получению некачественной продукции, а также невыполнению сроков ввода объекта в эксплуатацию. Одним из направлений решения данной проблемы и совершенствования строительного процесса является внедрение автоматизированных и роботизированных комплексов. Данное направление развития включает в себя использование современных технологий в строительной отрасли и области робототехники, что актуально в современном обществе, ориентированном на поиск путей развития в рамках нескольких направлений, как традиционных (строительства, машиностроение, металлургия), так и более современных (робототехника, мехатроника, интеллектуальные системы). Данный подход позволяет решить множество актуальных вопросов в строительной отрасли: 1. Повышение качества продукции – значительно снижаются риски воздействия человеческого фактора, что позволяет строго соблюдать нормативы и требования к качеству возводимых объектов. 2. Сокращение сроков строительства и приведенных затрат – автоматизация повышает производительность работ, сокращая затраты по времени на возведение объектов. Важным параметром оценки применяемых методов строительства является объем выполненных работ на единицу времени при должном их качестве. 6 1 Аналитический раздел Существует множество робототехнических комплексов для возведения объектов из мелкоштучных материалов, что позволяет создать их классификацию по некоторым признакам. Например, по способу размещения комплексов на строительном объекте можно выделить следующие категории: 1. Стационарные комплексы – это каркас, выполняющий функцию направляющих для перемещения исполнительного органа, непосредственно осуществляющего монтаж конструкций. Каркас стационарно устанавливается на месте возведения объекта до начала процесса строительства таким образом, чтобы диапазон перемещения исполнительного органа полностью перекрывал площадь возводимого объекта. После окончания монтажа комплекс демонтируется. Такие комплексы позволяют значительно ускорить процесс строительства объекта по сравнению с неавтоматизированным подходом и получать высокую точность при возведении. Вместе с тем, стационарные комплексы являются массивными и технически сложными устройствами, подготовка к установке, установка на месте строительства и наладка работы требует значительных трудовых и временных затрат и должна проводиться опытными специалистами. Стационарные комплексы чаще всего находят применение при возведении крупных, в первую очередь высотных объектов, которые позволяют полноценно использовать преимущества рассматриваемых систем. 2. Передвижные комплексы – это системы исполнительных органов, осуществляющих возведение объекта из мелкоштучных материалов, которые устанавливаются на подвижное шасси. Шасси передвигается вдоль периметра возводимого объекта по заранее подготовленной траектории и осуществляет монтаж конструкций. В связи с возможностью таких комплексов передвигать в пространстве возникает вопрос о снабжении данных комплексов строительным материалом Время развертывание таких комплексов, по сравнению со стационарными, намного меньше. Качество строительномонтажных работ во многом зависит от подготовки путей передвижения 7 комплексов, поскольку они оказывают значительное влияние на точность позиционирования исполнительных органов и, как следствие, на точность монтажа на возводимых объектах. Необходимость использования подготовленных путей также накладывает ряд ограничений на применение передвижных комплексов при возведении высотных объектов, поскольку зона вертикальной досягаемости исполнительных органов передвижных комплексов конструктивно ограничена. Кроме того, качество работы передвижных комплексов в значительной степени зависит от функционирования и точности системы позиционирования исполнительных органов, поскольку ввиду перемещения комплекса по строительной площадке требуется постоянная переориентация системы координат на местности. Такие особенности делают целесообразными применение передвижных комплексов для возведения достаточно крупных, но не высотных объектов, а также когда предполагается высокая степень автоматизации процесса строительства. ResearchAndMarkets[2] опубликовали новую информацию по рынку строительных роботов: как ожидается, его объемы достигнут $87.4 млн к концу 2020 года, а к 2027 году вырастут до $252.5 млн со среднегодовым темпом на уровне 16.4%. К 2027 году сегмент “классических строительных роботов” достигнет $140.1 млн. Среднегодовой рост сегмента робоманипуляторов в интервале с 2020 по 2027 год составит 16.9%. В конце октября 2020 года появился проект первой в мире строительной площадки, где будут работать только роботы. Управление будет осуществляться с помощью открытой платформы для автономной работы, которую можно модернизировать с учетом существующего парка промышленного оборудования. На данный момент представлены, следующие виды роботов имеющие схожее назначение я с проектируемым устройством [5] Американская компания Construction Robotics разработала модель полуавтоматического робота-каменщика SAM100 (Semi-Automated Mason – 8 «полуавтоматический каменщик») (рис. 1.1). Робот состоит из манипулятора укладчика и системы нанесения цементного раствора. Данный робот достаточно легок, чтобы находиться на строительных лесах и передвигаться по ним. Робот оснащен собственным дизель-генератором с двигателем Cummins, работающем на газе. Рисунок 1.1 – Роботизированный комплекс SAM100 SAM100 может выполнять только линейную кладку кирпича в один ряд, а значит необходимо обустраивать на объекте подъемные механизмы больших размеров, которые будут поднимать комплекс на следующий уровень кладки. Для работы SAM100 требуется три человека: оператор, помощник, подающий в машину кирпичи и раствор, а также каменщик, устанавливающий в стену закладные анкеры, зачищающий лишний раствор и исправляющий мелкие дефекты в кладке. Данный комплекс имеет производительность 125 кирпичей/час. Австралийская компания Fastbrick Robotics разработала робототизированный комплекс Hadrian (рис. 1.2), который способен укладывать до 1000 кирпичей/час. Главной частью машины является смонтированная на автомобильном шасси телескопическая стрела, с помощью которой она и выполняет свою работу, в ходе которой остается неподвижным 9 – двигается только его многометровый манипулятор, который одновременно играет роль конвейера для подачи кирпичей из грузовика. Рисунок 1.2 – Роботизированный комплекс Hadrian Группа архитекторов и робототехников из Федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich) разработала роботастроителя In-Situ Fabricator (IF, «Строит здесь и сейчас») (рис. 1.3). Робот имеет сравнительно небольшую массу, мобилен и обладает подобием интеллекта. IF способен самостоятельно перемещаться по строительной площадке, а датчики и камеры позволяют ему обходить препятствия и людей во время движения. По словам разработчиков, робот способен адаптироваться и решать задачи при внезапных нестандартных изменениях обстановки на строительном объекте. 10 Рисунок 1.3 – Робот In-Situ Fabricator 11 2.Информационно-аналитический поиск: патенты, статьи, фирмыпроизводители С течением времени количество работ в области исследования строительных роботов увеличивается. Это повышающимся спросом на рынке в этом секторе. Обзор литературы необходимо проводить в следующих направлениях: - технология и принцип действия строительного робота; - изучение работоспособности различных типов строительных роботов; Патентный поиск показал актуальность развития и совершенствования строительных роботов. Патент CH 673498 A5, МПК: E04G 21/22[6] Роботизированная установка для укладки облицовочного кирпича (рис 1.4) относится к области строительства, а именно к строительным машинам, механизмам, и может быть использована в строительстве домов для укладки стен из облицовочного кирпича. Основой установки является рама с закрепленным на ней механизмом перемещения вдоль ранее уложенного кирпичного ряда. Механизм перемещения состоит из четырех сервоприводов, каждый из которых связан с соответствующим ему колесом. Две симметрично расположенные каретки, каждая из которых выполнена с возможностью независимого управления ими посредством соответствующего ей сервопривода кривошипно-шатунного и механизма, предназначены для захвата и удерживания кирпича, а также для предотвращения протечки раствора при формировании вертикального шва на лицевую поверхность кирпича. Бункер для раствора снабжен Рисунок 2.1 – Роботизированная автоматическим установка для укладки формирования облицовочного кирпича выполненным питателем горизонтального с для шва, возможностью 12 вертикального возвратно-поступательного движения для формирования вертикального шва. Источником питания для сервоприводов, автоматического питателя и управляющей ими микроконтроллерной системы является аккумуляторная батарея. Патент US 2009/038258 A1[5] Автоматическая система кладки кирпича с использованием робота с программным управлением (рис. 1.5) состоит из ходовой части 1, шарнирного манипулятора 2, захвата 3, сопла 4, системы подачи раствора 5, блока управления 6 и поддона с кирпичами 7. Для работы автоматической система укладки кирпича сначала создается программа. После этого высчитывается оптимальное положение робота относительно выполняемой кладки и поддона с кирпичами 7 относительно робота, которые определяются максимальным охватом манипулятора 2. Как только робот и поддон с кирпичами 7 были размещены, робот эксплуатацию. вводится Подается в сигнал управления для приводного средства манипулятора Рисунок 2.2 – Автоматическая 2 и захвата 3, приводного средства системы подачи система кладки кирпича с раствора 5 и приводного средства использованием робота с шасси программным управлением ходовой части 1. Каждое приводное устройство оборудовано генератором сигналов. Выходные сигналы этих передатчиков сигналов соответствуют фактическому значению входов или сигналов управления и обратной связи блока управления 6. Настоящее изобретение относится к способу создания кладки из натуральных или искусственных камней, которые приводятся в качестве загрузочного устройства на рабочее место и обклеены раствором, и подходящим устройством для осуществления этого метода 13 Патент US 2011/1488288[8] Система для кладки кирпичей (рис. 1.6) состоит из тележки 1, манипулятора 2, системы подачи кирпичей 3, системы подачи раствора 4, рельсовых направляющих 5, оператора 6, козлового устройства 7 и направляющих опор 8. Козловое устройство 7 позволяет размещать каркасную систему укладки кирпича, оператора 6 и соответствующее оборудование и инструменты рядом со строящейся стеной. Козловое устройство 7 перемещается вертикально через направляющие опоры 8. Рельсовые направляющие 5 обеспечивают направление и мобильность тележки 1. По мере строительства стены оператор 6 работает рядом с системой для кладки кирпичей, когда кирпичи укладываются и наносится раствор, оператор 6 направляет систему укладки кирпича горизонтально вдоль козла, и по мере того, как Рисунок 2.3 – Система для кладки кирпичей вертикальный участок стены завершается, козловое устройство поднимается для начала строительства другого участка стены. Настоящее изобретение в целом относится к автоматическому строительному оборудованию и, более конкретно, к системе укладки кирпичей. Патент US 2009/038258 A1 [9] Автоматизированная система кладки кирпича для строительства зданий состоящих из множества кирпичей (рис. 1.7) состоит из основания 1, 14 позиционера 2, системы манипулятора 3, транспортной 4, контроллера 5. Система подачи данного устройства состоит из рычага 6, конвейера 7, зоны резки 8. Система подачи следующим работает образом: роботизированный рычаг 6 Рисунок 2.4 – Система для кладки кирпичей помещает кирпичи на конвейер 7, который проходит через устройство 8 резки кирпичей. Устройство 8 для резки кирпичей находится под контролем системы 5 и работает, когда необходимо разрезать кирпич. Кирпич, выходящий из резака 8, переносится другим роботизированным рычагом на транспортную систему 3. Автоматизированная система укладки кирпича для строительства зданий из множества кирпичей развертывается на фактической строительной площадке с предварительно уложенным основанием, на котором поддерживаются кирпичи. Настоящее изобретение относится к автоматизированной системе укладки кирпича для строительства зданий состоящих из множества кирпичей. Патент US 5284000A. [10] На рисунке 1.8 показан манипулятор для укладки кирпичей, конструкция которого описывается в рассматриваемом патенте. Он состоит из станины 1, на которой закреплен двигатель 2, вращающий суппорт 3. С помощью шарнира 6 суппорт соединен с плечом 4, который в свою очередь соединен шарниром 7 с предплечьем 5. Предплечье соединено шарниром 8 с опорным узлом 9, на котором закреплено захватное устройство 10 и механизм подачи раствора 11. Манипулятор, перемещаясь по направляющим вдоль 15 кирпичной кладки, может захватывать из зоны приема кирпич и устанавливать его на кладку, а также забирать и наносить раствор с помощью специального механизма. Для правильного позиционирования вращение во всех суставах согласовано так, Рисунок 2.5 – Манипулятор для укладки кирпичей чтобы кирпич установке при сохранял горизонтальное положение. Также в опорном узле предусмотрена возможность вращения захватного устройства, для формирования нелинейной кирпичной кладки. Особенностью данного решения является большие затраты времени на захват и перенос кирпича, а также на нанесение раствора, однако достигается улучшение качества кирпичной кладки и небольшой рост производительности по сравнению с ручным трудом. Патент US 20090038258A1, [11] На рисунке 1.9 представлена автоматизированная система укладки кирпичей для строительства зданий из кирпичной кладки состоящая из транспортного средства 1, композитной стрелы 2, состоящей из сочлененных Рисунок 2.6 – Автоматизированная система укладки кирпичей для строительства зданий из кирпичной кладки звеньев 3 и 4, исполнительного устройства 5. Сочлененное содержит звено 4 телескопический рычаг. Транспортное средство 16 перевозит всю систему, а также блоки кирпичей и раствор. С помощью стрелы позиционируется конечное исполнительное устройство, а также по ней перемещаются кирпичи. Перед захватом на кирпичи наносится раствор. Исполнительное устройство служит только для захвата и установки кирпичей. Особенностью данного решения является высокая производительность за счет распараллеливания процессов позиционирования, нанесения раствора и установки кирпичей на кирпичную кладку. 17 3. Предлагаемое решение После анализа статей, патентов и готовых существующих решений по тематике выпускной квалификационной работы, была разработана примерная 3d модель мобильного устройства строительного робота, показывающая примерную компоновку элементов проектируемого устройства Рисунок 3.1 – 3D модель разрабатываемого устройства На основе полученных данных также была составлена структурно функциональная схема робота. Т.к с начала предстоит решить статичную задачу структурно функциональная схема не включает в себя мобильной части(гусеницы) робота. Структурно-функциональная схема робота (рис 2.1) Рисунок 3.2 – Структурно-функциональная схема робота. 18 Компьютер дает управляющие сигналы на шаговые двигатели, которые могут приводить в движение, позиционер и манипулятор. Для удобства регулирования на позиционере расположены концевые датчики. Они оповещают компьютер о крайних положениях манипулятора. Также в позиционере расположен оптический датчик, с помощью которого регулируется высота. Благодаря датчикам позиционер перемещается на необходимую высоту. Необходимое положение захватного устройства обеспечивает манипулятор. Необходимые координаты для позиционирования, манипулятор получает от компьютера который анализирует изображение с камеры с помощью ИНС. 19 Заключение В ходе прохождения учебной практики был проведен информационный анализ существующих основных видов строительных роботов и описан их принцип работы. Были описаны достоинства и недостатки строительных роботов, применяемых в робототехнике на сегодняшний день. Был проведен информационный поиск строительных роботов с манипулятором для кладки кирпичей. Был проведен патентный поиск существующих конструкций систем и выявлен признак патентоспособности объекта; По итогам прохождения практики был определен вид строительного робота для объекта исследования. Для продолжения работы над предложенной разработкой в рамках выпускной квалификационной работы скором времени будет разработано техническое задание с детальной проработкой целей и задач. 20 Список используемой литературы 1. Егоров, О. Д. Мехатронные модули. Расчет и конструирование: Учебное пособие / О. Д. Егоров, Ю. В. Подураев. – М.: МГТУ «СТАНКИН», 2004. – 360 с. 2 Промышленные роботы манипуляторы [Электронный ресурс]: статья о видах конструкций промышленных роботов манипуляторов / Электрон. журн. – Режим доступа: http://www.robo24.ru/promyshlennyeroboty.html. 3. Малахов А. В. Шутин Д.В. К обоснованию эффективности применения роботизированных устройств для выполнения кладки из мелкоштучных материалов с учетом технологических и экономических факторов [Текст] / Интеграции, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: сборник материалов международной научной конференции // МГСУ (Москва, 16-17 ноября 2016); М.: Изд-во МГСУ, 2017. С. 270–274. 4. ООО «ДинСофт» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dynsoft.ru/mrmodeling.php. – Моделирования роботов и транспортных средств. – (Дата обращения: 17.12.2020) 5. Основные средства [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://os1.ru/event/9411-roboty-kamenshchiki-avtomatizatsiyaprotsessakirpichnoy-kladki. Роботы-каменщики: автоматизация процесса кирпичной кладки. – (Дата обращения: 17.12.2020) 6. Пат. 2009/038258 A1 United States, МПК: E04G 21/22, B25J 11/00, B25J 9/16. Automated brick laying system for constructing a building from a plurality of bricks [Текст] / Pivac M. J., Wood M. B.; опубл. 12.02.2009. – 19 с. 7. Пат. 673498 A5 Schweizerische Eidgenossenschaft, МПК: E04G 21/22. Automatic brick laying system using programme-controlled robot [Текст] / Pfister T. A.; опубл. 15.03.1990. – 5 с. 8. Пат. 2015/0082740 A1 United States, МПК: E04G 21/22. Brick Laying System [Текст] / Peters S. L., Podkaminer N., Coller T. C.; опубл. 26.03.2015. 21 9. Пат. 2009/038258 A1 United States, МПК: E04G 21/22, B25J 11/00, B25J 9/16. Automated brick laying system for constructing a building from a plurality of bricks [Текст] / Pivac M. J., Wood M. B.; опубл. 12.02.2009. – 19 с. 10. Пат. 5284000 United States, МПК: E04G 21/22. Automating bricklaying [Текст] / W. Warren Milne, Jacek A Wiercienski, Pawel Kuzan; опубл. 08.02.1994. – 21 с 11. Шутин, Д.В. Робототехнические комплексы для возведения объектов из мелкоштучных материалов [Текст] / Д. В. Шутин, А. В. Малахов // Молодой ученый. – 2015 г. – №11 (91). – С. 474-477. 12. Фролова К., Воробьёва Е. Механика промышленных роботов – М.: Мир, 1997. – 175 с.: ил. 13 Фомин А. Датчики систем управления – Спб.: Датчики систем управления, 1997. – 225 с.: ил. 14. Детали машин: учебник для академического бакалавриата / М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. – 15-е изд. испр. и доп. – М.: Юрайт, 2014. – 408 с. 15. Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин: конспект лекций по курсу “Детали машин”. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2007. – 464 с. 16 Федеральный закон № 123 от 22.07.2008 г. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. 22
