Исследование и разработка малогабаритного захватно-фиксирующего устройства с поворотным механизмом для технологической линии в аэрокосмической отрасли

Содержание

Введение

Глава 1. Научно-технические основы проектирования мехатронных систем в аэрокосмической отрасли

1.1. Роль и место робототехники в автоматизации авиакосмических производств России

1.2. Анализ нормативно-правовой базы и государственных стандартов в области промышленной мехатроники

1.3. Классификация и конструктивные особенности малогабаритных исполнительных механизмов

Глава 2. Анализ условий эксплуатации и технических требований к мехатронным модулям

2.1. Специфика технологических циклов на предприятиях отечественного аэрокосмического кластера

2.2. Исследование динамических нагрузок и точностных параметров процессов захвата и ориентации

2.3. Оценка влияния производственной среды на надежность электронных и механических компонентов

Глава 3. Разработка и инженерное обоснование конструкции захватно-фиксирующего устройства

3.1. Проектирование кинематической структуры и расчет привода поворотного механизма

3.2. Синтез системы управления и алгоритмическое обеспечение позиционирования в среде ROS

3.3. Верификация проектных решений и расчет показателей безотказности мехатронной системы

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Исследование и разработка малогабаритного захватно-фиксирующего устройства с поворотным механизмом для технологической линии в аэрокосмической отрасли

Специальность: 15.02.10 Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям)

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние аэрокосмической промышленности Российской Федерации характеризуется масштабным переходом к цифровым технологиям и роботизации производственных процессов, что обусловлено необходимостью повышения точности изготовления высокотехнологичных изделий, сокращения трудоемкости операций и минимизации влияния человеческого фактора на качество продукции. В условиях реализации программы импортозамещения и развития отечественного машиностроения особую актуальность приобретают задачи создания мехатронных систем, способных обеспечить автоматизированную манипуляцию малогабаритными деталями сложной геометрической формы на различных этапах технологического цикла. Захватно-фиксирующие устройства с интегрированными поворотными механизмами представляют собой один из базовых элементов роботизированных технологических комплексов, применяемых на предприятиях авиационной и ракетно-космической отрасли для операций сборки, контроля, транспортировки и ориентации деталей в заданных координатах.

Актуальность исследования определяется необходимостью разработки отечественного мехатронного оборудования, способного конкурировать с зарубежными аналогами по точностным характеристикам, массогабаритным параметрам и функциональным возможностям. Современные технологические линии аэрокосмического производства предъявляют жесткие требования к исполнительным устройствам манипуляторов: высокая повторяемость позиционирования, минимальное время цикла, надежная фиксация объектов различной конфигурации, устойчивость к вибрационным нагрузкам и температурным колебаниям производственной среды. Существующие решения либо не обеспечивают требуемого уровня компактности при сохранении необходимой грузоподъемности, либо обладают избыточной сложностью конструкции, что негативно влияет на показатели безотказности и увеличивает затраты на техническое обслуживание мехатронных систем.

Степень разработанности проблемы в отечественной научно-технической литературе характеризуется наличием фундаментальных трудов по теории механизмов и машин, кинематике манипуляционных систем, теории автоматического управления мехатронными объектами, однако прикладные аспекты создания специализированных захватных устройств для аэрокосмической отрасли с учетом специфики российского производства остаются недостаточно освещенными. Научные школы МГТУ имени Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Московского физико-технического института внесли значительный вклад в развитие теории робототехники и мехатронных систем, однако задачи синтеза компактных многофункциональных захватов с поворотными степенями подвижности требуют дальнейшего исследования с применением современных методов математического моделирования, конечно-элементного анализа и экспериментальной верификации проектных решений.

Цель выпускной квалификационной работы заключается в исследовании конструктивных схем и разработке технического проекта малогабаритного захватно-фиксирующего устройства с поворотным механизмом, обеспечивающего автоматизированное манипулирование деталями в составе технологической линии аэрокосмического предприятия.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

• провести анализ роли и места робототехнических систем в структуре современного аэрокосмического производства России, изучить нормативно-правовую базу и государственные стандарты в области промышленной мехатроники;
• систематизировать конструктивные решения малогабаритных исполнительных механизмов захватных устройств и классифицировать их по функциональным и кинематическим признакам;
• исследовать специфику технологических циклов и динамические нагрузки, воздействующие на мехатронные модули в условиях эксплуатации на предприятиях отечественного аэрокосмического кластера;
• оценить влияние производственной среды на надежность электронных и механических компонентов мехатронных систем;
• разработать кинематическую структуру захватно-фиксирующего устройства, выполнить расчет привода поворотного механизма и обосновать выбор конструктивных параметров;
• синтезировать систему управления мехатронным модулем с алгоритмическим обеспечением позиционирования, провести верификацию проектных решений и расчет показателей безотказности.

Объектом исследования выступает технологическая линия сборочно-монтажного производства на предприятии аэрокосмической отрасли, оснащенная роботизированным комплексом для операций манипулирования малогабаритными деталями массой до 2 кг.

Предметом исследования являются конструктивные, кинематические и управляющие параметры малогабаритного захватно-фиксирующего устройства с поворотным механизмом, определяющие его функциональные возможности и эксплуатационную надежность.

Методологическая база исследования сформирована на основе теории механизмов и машин, методов кинематического и динамического анализа мехатронных систем, теории автоматического управления, а также инженерных методик расчета прочности и жесткости конструкций. В качестве инструментальных средств применяются системы автоматизированного проектирования, программные комплексы конечно-элементного анализа, среда разработки алгоритмов управления Robot Operating System. Нормативную основу составляют ГОСТ Р 60.0.0.1-2016, ГОСТ Р 56350-2015, ГОСТ Р МЭК 62061-2019, технические регламенты Таможенного союза, отраслевые стандарты предприятий авиационно-космической отрасли, методические рекомендации Минпромторга России по развитию робототехники.

Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к проектированию захватно-фиксирующего устройства, интегрирующего функции захвата, удержания и углового позиционирования детали в компактном конструктивном ис

…