Перспективы разработки мехатронных комплексов для первичной обработки рыбы

12

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы разработки мехатронных комплексов для первичной обработки рыбы

Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев

Рассмотрены перспективы разработки современной разделочно-филетировочной техники на основе мехатроники. Показано, что новое оборудование должно проектироваться в виде мехатронных комплексов с использованием методов технического творчества, САПР и CALS-технологий.

мехатроника, рыборазделочная машина, филетирование, разделочно-филетировочное оборудование, мехатронный комплекс

Опыт экономического развития ведущих стран мира доказывает, что интенсификация производства в области пищевой инженерии играет существенную роль в развитии общества.

Интенсификация рыбообрабатывающих производств способствует росту выпуска качественной и востребованной продукции при максимальном сокращении сырьевых, энергетических и трудовых затрат. Одновременно следует стремиться к экологической защите окружающей среды от вредного воздействия рыбообрабатывающих и связанных с ними промышленных производств [1].

Проблема обеспечения экологической защиты окружающей среды является актуальной. В результате резкого возрастания техногенного воздействия человека на природу в последние десятилетия возникла опасность изменения окружающей среды с непредсказуемыми последствиями. Экологическая напряженность обусловлена низким уровнем технологий, несовершенством очистных сооружений и экстенсивным способом производства, экономическими трудностями создания новых (совершенствования существующих) рыбообрабатывающих производств.

Известно, что интенсификация рыбообрабатывающего производства тесно связана с комплексной автоматизацией. В отличие от машиностроения, где накоплен большой опыт автоматизации (в том числе, роботизации и создания гибких производственных систем - ГПС), рыбообрабатывающее производство, особенно в сфере малого и среднего бизнеса, такого опыта почти не имеет.

В то же время, малые и средние рыбообрабатывающие производства имеют ряд специфических особенностей. К ним относятся: широкий диапазон изменения потребности, непредвиденное изменение номенклатуры выпускаемых продуктов, заказной характер готовой продукции и повышенные требования к ее качеству, малый жизненный цикл производства, многостадийность технологических процессов и др.

Традиционные для больших предприятий методы создания оборудования для первичной обработки рыбы, основанные на применении специализированного оборудования для каждого технологического процесса, обусловили ряд недостатков существующих производств. Среди них можно перечислить следующие: длительность отдельных стадий и всего процесса в целом; низкая степень автоматизации и механизации; практическое отсутствие типового блочно-модульного оборудования, оснащенного средствами автоматизации; значительные нормы расхода сырья; сложность и длительность или невозможность перехода от выпуска одного вида продукта к другому; недостаточная эффективность мер по экологической защите окружающей среды, высокие стоимость и металлоемкость. Таким образом, имеются существенные препятствия для использования такого оборудования на малых и средних производствах.

Вместе с тем, техническая политика зарубежных фирм ориентирована на создание универсального, многофункционального оборудования с высокой степенью гибкости, в том числе блочно-модульного типа. Это позволяет трансформировать процессы первичной обработки рыбы с учетом широкого спектра различных требований - технических, энергетических, рыночных, экологических и т.д. [2].

Обеспечение гибкости технологического производства возможно следующими способами:

- режимно-технологическими: проведение процессов в различных дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных режимах, при рециркуляции исходных и промежуточных продуктов, параллельно-последовательное построение технологической линии в различных комбинациях, совместное проведение операций или процессов;

- организационно-управленческими: выбор рационального пути обработки рыбы с учетом технической базы, организация выпуска полуфабрикатов, организация поставки сырья, управление маркетингом, обеспечение реализации готовой продукции и др.;

- аппаратно-конструктивными: использование технологического оборудования с широким диапазоном изменения параметров, обеспечивающих устойчивую работу на различном сырье, использование адаптивных систем управления, обеспечение износостойкости материалов конструкций, агрегатирование и трансформирование структуры машин путем блочно-модульного оформления, применение модулей повышенной универсальности, развитие универсальных транспортно-накопительных систем, реновация рабочих инструментов;

- интеграцией процесса получения готового продукта с процессами разработки (поиска) технологии, автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства, исследования продукта, пробы и сертификации новых продуктов.

В связи с этим, в современных условиях решением задачи технического перевооружения малых и средних предприятий, выполняющих первичную обработку рыбы, может стать создание мехатронных комплексов (МК).

Мехатронный комплекс для первичной обработки рыбы - это интеллектуальная многомерная сложная техническая система. Он предназначен для экономичного изготовления рыбного филе, построен на мехатронных принципах и технологиях, способных эффективно выполнять программы функциональных движений рабочих органов в изменяющихся условиях внешней среды [3].

Разработка МК охватывает все основные фазы жизненного цикла филетирующих машин (предпроектные исследования, проектирование, конструирование, производство, эксплуатация, утилизация и т.д.). При этом предусматривается привлечение различных методологических подходов [4]: методов технической кибернетики, эвристических методов решения технических проблем, методов технического творчества, САПР (рис. 1, 2), а также информационных CALS-технологий.

Важно отметить, что разработка МК обуславливает принципиальные особенности нового класса машин. Среди них можно выделить следующие существенные отличия от традиционных конструкций.

Во-первых, в мехатронных филетирующих машинах может быть существенно расширен так называемый базис программирования движений, т. е. координатный базис, в котором задается программа движения рабочих органов. Более доступным становится применение нелинейных координатных базисов, что ранее было сопряжено с усложнением кинематических передач и механических программных устройств - копиров, кулачков, направляющих. Возможность применения мехатронных модулей с параллельной кинематикой создает принципиальные предпосылки для существенного упрощения кинематической схемы механической части машины и блока приводов.

Во-вторых, возможное применение в мехатронных машинах нелинейных координатных базисов обуславливает нелинейную связь между показателями назначения и качества филетирующего оборудования. Связи между стоимостью, производительностью, точностью обработки и металлоемкостью машин могут иметь нелинейный и очень выгодный для потребителя характер. Например, при незначительном снижении производительности машины можно добиться резкого скачка по точности обработки, получить значительное снижение металлоемкости, габаритов и массы машины. С другой стороны, существенное увеличение производительности и быстродействия настройки может быть достигнуто незначительным увеличением стоимости машины с улучшением массогабаритных характеристик.

В-третьих, появляется возможность построения филетирующих машин на основе серийных мехатронных модулей движения, а в будущем - на базе интеллектуальных модулей движения. Это также создает предпосылки для существенного упрощения кинематической схемы оборудования, повышения уровня унификации, значительного прироста ремонтопригодности, упрощения и ускорения ремонта, увеличения надежности без снижения функциональной нагрузки. Создается основа для реального модульного агрегатирования филетирующей техники на основе типовых и унифицированных мехатронных изделий [3].

На начальной стадии построения МК предусмотрена разработка его обобщенной функциональной схемы. На рис. 3 приведена обобщенная структура МК, предлагаемая в соответствии с рекомендациями, изложенными в [3]. мехатронный разделочный обработка рыба

Под мехатронным модулем движения подразумевается конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое и информационное устройства. Информационное устройство состоит из датчиков обратной связи и информации. Кроме того, в его состав могут входить вычислительные блоки для обработки и преобразования сигналов. В частности, такими приборами для сбора данных могут быть фотоимпульсные датчики положения и скорости вала двигателя, оптические линейки, миниатюрные видеокамеры и т.д.

Постепенное насыщение мехатронных модулей движения микропроцессорами, цифровыми сигнальными процессорами (DSP - digital signal processors), аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями, программируемыми вентильными матрицами переводит их в класс интеллектуальных мехатронных модулей. В дальнейшем следует ожидать серийного производства таких интеллектуальных изделий, что обуславливает возможность их применения в мехатронных филетирующих машинах.

Под внешней средой подразумевается технологическая среда, которая включает основное и вспомогательное оборудование, объекты обработки, сопрягаемые технологические устройства. К таким объектами можно отнести сырье, гидравлические и пневматические компрессоры, машины для сортирования и ориентирования рыбы, весоконтрольные автоматы, устройства для обслуживания рабочих органов и т. д. Следует отметить, что параметры технологических сред должны моделироваться при помощи аналитико-экспериментальных исследований или методами компьютерного вычислительного эксперимента. Это позволит определить силы резания рыбного филе, реакцию струи жидкости при гидравлическом резании.

Рис. 1. Фрагмент структурно-компоновочной схемы МК (система AutoCAD)

Рис. 2. Фрагмент эскизной компоновки МК (система AutoCAD)

Механическое устройство и двигатели объединяются в группу исполнительных модулей. Группа интеллектуальных модулей включает электронную, управляющую и информационную части мехатронной машины. Устройством компьютерного управления в общем случае является комплекс программно-аппаратных средств, формирующих сигналы управления приводами машины. Информационное устройство предназначается для сбора и передачи в компьютерное устройство управления текущей и достоверной информации о состоянии внешней среды и узлов мехатронной машины. Механическое устройство представляет собой многозвенный механизм, в кинематическую цепь которого входят движущиеся звенья, составляющие кинематические пары.

Рабочим органом машины является составная часть механического устройства, предназначенная для непосредственного выполнения технологических операций. К таковым можно отнести дисковые ножи, ленточные ножи, упорные планки, захваты для удержания тушек рыбы, сталкиватели и др. Иными словами, рабочий орган является управляемым модулем, имеющим определенные степени подвижности, рабочую зону и состоящим из одного или нескольких элементов.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема МК для первичной обработки рыбы

Как видно из вышеизложенного, процесс разработки и внедрения МК для первичной обработки рыбы является сложной научно-технической задачей. Основой успешного создания и функционирования МК является наличие системной комплексной разработки. Этим обеспечивается полный сквозной цикл: информация - научные исследования - проектирование - конструирование - подготовка производства - эксплуатация - информация - совершенствование [4].

Системообразующими факторами при этом являются: гибкость разработки, гибкость управления, объективность и полнота информации, наличие кадрового сопровождения, обеспечивающего совершенствование комплекса.

Создание проектов отечественных мехатронных комплексов для первичной обработки рыбы потребует решения ряда непростых задач [5]. Среди них можно указать следующие:

- создание инжиниринговой базы для решения наукоемких проблем;

- проведение научных исследований в области автоматизации процессов первичной обработки рыбы;

- определение подходов и концепций разработки и внедрения автоматизированных комплексов для первичной обработки рыбы;

- создание унифицированного блочно-модульного оборудования для первичной обработки рыбы;

- разработка систем автоматизированного проектирования рыбообрабатывающего оборудования.

В заключение следует отметить, что новые свойства мехатронного филетирующего оборудования, прежде всего, зависят от эффективности применения новых мехатронных технологий в совокупности с методами САПР, технического творчества, эвристического анализа, а также CALS-методиками. Качество оборудования нового поколения существенно определяется эффективностью и степенью интеграции научно-исследовательских, конструкторских, производственных и технологических процессов, которые лежат в основе мехатронных технологий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фатыхов Ю.А. Современный подход к разработке ресурсосберегающего разделочно-филетировочного оборудования / Ю.А. Фатыхов, А.В. Шлемин, О.В. Агеев // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2007. - № 3 (298). - C. 91-94.

2. Фатыхов Ю.А. Мехатроника в рыборазделочном оборудовании: монография / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев. - Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2008. - 279 с.

3. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. пособие для вузов / Ю.В. Подураев. - М.: Машиностроение, 2007. - 256 с.

4. Норенков И.П. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии / И.П. Норенков, Л.К. Кузьмик. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 320 с.

5. Фатыхов Ю.А. Ресурсосберегающее мехатронное управление оборудованием для разделывания и филетирования рыбы: учеб. пособие / Ю.А. Фатыхов, О.В. Агеев. - Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2007. - 158 с.

Размещено на Allbest.ru