16. Практическая работа «Моделирование работы автоматизированной производственной линии»

Модуль: Промышленная робототехника

Тема урока: 16. Практическая работа «Моделирование работы автоматизированной производственной линии»

Цель урока: Сформировать практические навыки моделирования работы автоматизированной производственной линии с использованием нескольких роботов, выполняющих различные операции.

Планируемые результаты:

Предметные:

• Знать принципы организации автоматизированных производственных линий
• Понимать взаимодействие компонентов производственной линии и распределение ролей между роботами
• Уметь моделировать технологические процессы и рассчитывать производительность
• Владеть навыками создания функциональной модели производственной линии

Метапредметные:

• Регулятивные УУД: умение планировать сложную технологическую цепочку, оптимизировать производственные процессы
• Познавательные УУД: развитие системного мышления, анализ эффективности производственных процессов
• Коммуникативные УУД: умение работать в команде при проектировании сложных систем, распределять роли и ответственность

Личностные:

• Формирование инженерного мышления и понимания технологических процессов
• Развитие ответственного отношения к результатам коллективного труда
• Воспитание интереса к промышленному производству и современным технологиям

Задачи урока:

1. Актуализировать знания о структуре промышленных робототехнических комплексов
2. Научить моделировать физические процессы в производственной линии
3. Развить навыки расчета производительности и выявления узких мест в технологической цепочке
4. Сформировать умения по созданию функциональной модели производственной линии
5. Организовать практическую работу по реализации автоматизированной линии с несколькими роботами

Тип урока: Практическая работа

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

• Робототехнические наборы (по количеству групп)
• Дополнительные материалы для создания конвейеров и производственных зон
• Компьютеры с установленной средой программирования
• Листы для проектирования производственных линий
• Инструкционные карты по построению автоматизированных линий
• Примеры программного кода для синхронизации работы нескольких роботов
• Секундомеры или таймеры для измерения производительности
• Объекты для транспортировки и обработки (кубики, шарики, детали конструкторов)
• Маркеры и бумага для создания схем и расчетов

Образовательные технологии: Проектная деятельность, работа в малых группах, проблемное обучение, моделирование, исследовательский метод

Межпредметные связи:

• Физика: моделирование физических процессов в производственной линии, преобразование энергии, трение, ускорение/замедление конвейера
• Математика: расчет производительности, выявление узких мест в технологическом процессе, оптимизация, статистика
• Информатика: алгоритмы управления, синхронизация процессов
• Технология: организация производственного процесса, технологические карты

Задача: Создать модель линии, которая сортирует объекты по цвету/размеру и упаковывает их в соответствующие контейнеры. Компоненты:

• Робот-загрузчик (подает объекты на конвейер)
• Конвейерная лента
• Робот-сортировщик с датчиком цвета/размера
• Система распределения по контейнерам
• Система подсчета объектов

Задача: Создать модель линии, которая собирает конструкцию из нескольких деталей. Компоненты:

• Система подачи различных деталей
• Конвейерная лента
• Роботы-манипуляторы для установки деталей
• Система фиксации конструкции
• Робот-контролер для проверки правильности сборки

Задача: Создать модель линии, которая проверяет объекты и сортирует их на годные и бракованные. Компоненты:

• Робот-загрузчик
• Система измерения/взвешивания
• Система технического зрения (датчики)
• Механизм отбраковки
• Конвейеры для годной продукции и брака

1. Общая производительность линии: P = N/T, где P - производительность (шт./мин) N - количество обработанных объектов T - время работы (мин)

2. Производительность отдельного участка: Pi = 60/ti, где Pi - производительность i-го участка (шт./мин) ti - время обработки одного объекта на i-м участке (сек)

3. Выявление узкого места: Pmin = min(P1, P2, …, Pn) Общая производительность линии ограничена производительностью самого медленного участка.

4. Коэффициент загрузки участка: Ki = Pi/Pmin, где Ki - коэффициент загрузки i-го участка Если Ki » 1, участок недогружен. Если Ki = 1, участок является узким местом.

1. Измерить время обработки объекта на каждом участке
2. Рассчитать производительность каждого участка
3. Определить узкое место (участок с минимальной производительностью)
4. Оптимизировать узкое место:
   • Ускорить работу оборудования
   • Разделить операцию на параллельные процессы
   • Упростить операцию
5. Повторить измерения и найти новое узкое место
6. Продолжать оптимизацию до достижения желаемой производительности

// Программа для робота на конвейере
// Синхронизация работы с использованием датчиков

// Константы для настройки
const int CONVEYOR_SPEED = 50;  // Скорость конвейера
const int OPERATION_TIME = 2000; // Время выполнения операции (мс)

// Порты датчиков и моторов
int sensorPort = 1;  // Датчик наличия объекта
int motorPort = A;   // Мотор манипулятора
int conveyorPort = B; // Мотор конвейера

// Глобальные переменные для синхронизации
bool objectReady = false;
bool operationComplete = false;

// Основная программа
task main() {
  // Запуск конвейера
  setMotorSpeed(conveyorPort, CONVEYOR_SPEED);
  
  while (true) {
    // Ожидаем объект на позиции (датчик срабатывает)
    if (readSensor(sensorPort) == 1) {
      // Объект обнаружен
      objectReady = true;
      
      // Останавливаем конвейер для выполнения операции
      setMotorSpeed(conveyorPort, 0);
      
      // Выполняем операцию с объектом
      operationWithObject();
      
      // Операция завершена, сигнализируем
      operationComplete = true;
      
      // Отправляем сигнал следующему роботу
      sendMessage("READY_FOR_NEXT");
      
      // Запускаем конвейер снова
      setMotorSpeed(conveyorPort, CONVEYOR_SPEED);
      
      // Ждем, пока объект покинет рабочую зону
      while (readSensor(sensorPort) == 1) {
        // Ожидание
        sleep(10);
      }
      
      // Сбрасываем флаги
      objectReady = false;
      operationComplete = false;
    }
    
    // Проверка входящих сообщений для синхронизации
    if (messageAvailable()) {
      string msg = readMessage();
      
      if (msg == "SLOW_DOWN") {
        // Следующий робот не успевает, замедляем конвейер
        setMotorSpeed(conveyorPort, CONVEYOR_SPEED / 2);
      }
      else if (msg == "NORMAL_SPEED") {
        // Возврат к нормальной скорости
        setMotorSpeed(conveyorPort, CONVEYOR_SPEED);
      }
    }
    
    // Пауза для экономии ресурсов
    sleep(10);
  }
}

// Функция выполнения операции с объектом
void operationWithObject() {
  // Здесь специфика конкретной операции
  
  // Пример: поворот манипулятора
  setMotorSpeed(motorPort, 30);
  sleep(500); // Движение к объекту
  
  // Захват объекта (специфичный код)
  
  sleep(OPERATION_TIME); // Имитация времени операции
  
  // Возврат манипулятора
  setMotorSpeed(motorPort, -30);
  sleep(500);
  
  // Остановка манипулятора
  setMotorSpeed(motorPort, 0);
}

Проектирование и конструирование (0-5 баллов):

• Качество проекта производственной линии (0-1)
• Функциональность конструкции (0-2)
• Надежность механических компонентов (0-1)
• Рациональность использования деталей (0-1)

Программирование и синхронизация (0-5 баллов):

• Корректность работы программы (0-2)
• Эффективность синхронизации роботов (0-2)
• Обработка нештатных ситуаций (0-1)

Работа производственной линии (0-5 баллов):

• Производительность линии (0-2)
• Стабильность работы (0-1)
• Энергоэффективность (0-1)
• Точность выполнения операций (0-1)

Анализ и оптимизация (0-5 баллов):

• Качество расчета производительности (0-1)
• Выявление узких мест (0-1)
• Эффективность оптимизации (0-2)
• Соответствие фактических параметров расчетным (0-1)

Максимальный балл: 20 Шкала перевода в оценку:

• 18-20 баллов - “5”
• 14-17 баллов - “4”
• 10-13 баллов - “3”
• менее 10 баллов - “2”

1. Название проекта (тип производственной линии)
2. Исходная задача и требования
3. Проект производственной линии:
   • Схема общей структуры
   • Компоненты системы
   • Распределение ролей между роботами
4. Расчет теоретической производительности:
   • Время операций на каждом участке
   • Общая производительность
   • Выявление узких мест
5. Описание технической реализации:
   • Конструктивные особенности
   • Алгоритм работы и синхронизации
6. Результаты тестирования:
   • Фактическая производительность
   • Стабильность работы
   • Выявленные проблемы
7. Оптимизация:
   • Предпринятые меры по оптимизации
   • Результаты после оптимизации
8. Выводы (сравнение теоретических и практических результатов)
9. Предложения по дальнейшему улучшению

Фамилия, имя: _________________________
Группа: _______

What worked well (Что получилось хорошо):
_________________________________________________
_________________________________________________

What didn't work well (Что оказалось сложным):
_________________________________________________
_________________________________________________

What questions do I still have (Какие вопросы остались):
_________________________________________________
_________________________________________________

Моя оценка работы нашей группы (от 1 до 5): _______