Урок 16 • 7 класс STEM • 45 минут

Создать функциональную модель производственной линии:

• Спроектировать структуру автоматизированной линии
• Рассчитать производительность и выявить узкие места
• Запрограммировать синхронизацию роботов
• Оптимизировать работу системы

Применить STEM-знания:

• Математика: расчеты производительности и оптимизация
• Физика: моделирование механических процессов
• Технология: инженерное проектирование
• Информатика: алгоритмы управления и синхронизации

Типы производственных линий:

1. Сортировочная линия - разделение объектов по параметрам
2. Сборочная линия - последовательная обработка деталей
3. Контрольная линия - проверка качества продукции

Ключевые показатели:

• Производительность: 30-60 объектов/минуту
• Точность сортировки: >95%
• Коэффициент использования: >85%

Обязательные компоненты:

1. Зона загрузки - подача сырья/деталей
2. Транспортная система - конвейер или AGV
3. Рабочие станции - роботы-манипуляторы
4. Система контроля - датчики и камеры
5. Зона выгрузки - готовая продукция

Дополнительные элементы:

• Буферные накопители
• Системы смены инструмента
• Аварийные остановы

Основные формулы производительности:

Производительность участка: $$Q_i = \frac{3600}{t_i} \text{ (шт/час)}$$

где $t_i$ - время обработки одного изделия (сек)

Общая производительность линии: $$Q_{общ} = \min(Q_1, Q_2, Q_3, …, Q_n)$$

Коэффициент загрузки участка: $$K_{загр,i} = \frac{Q_{общ}}{Q_i} \times 100%$$

Движение конвейера:

• Скорость: $v = 0.1-0.5$ м/с
• Ускорение: $a ≤ 0.5$ м/с²
• Нагрузка: до 50 кг/м

Захват объектов роботом:

• Сила захвата: $F = 10-100$ Н
• Время захвата: $t = 0.5-2$ с
• Точность позиционирования: ±2 мм

Энергопотребление: $$P = P_{конв} + \sum P_{робот,i}$$

где $P_{конв}$ - мощность конвейера, $P_{робот,i}$ - мощность i-го робота

Алгоритм анализа:

1. Измерить время каждой операции
2. Рассчитать производительность участков
3. Найти минимальную производительность
4. Определить коэффициенты загрузки

Критерии узкого места:

• $K_{загр} ≥ 95%$ - участок полностью загружен
• $K_{загр} < 70%$ - участок недогружен

Методы устранения:

• Параллельная обработка
• Ускорение операций
• Перераспределение нагрузки

Задача: Создать линию сортировки объектов по цвету и размеру

Компоненты системы:

• Загрузочный бункер с различными объектами
• Конвейерная лента (скорость 0.2 м/с)
• Робот с датчиком цвета/размера
• 3 выходных лотка для сортировки
• Система подсчета объектов

Требования к производительности:

• Минимум 40 объектов/минуту
• Точность сортировки >90%

Исходные данные:

• Длина конвейера: $L = 1.2$ м
• Скорость конвейера: $v = 0.2$ м/с
• Время сортировки одного объекта: $t_{сорт} = 2$ с
• Расстояние между объектами: $d = 0.15$ м

Время транспортировки: $$t_{транс} = \frac{L}{v} = \frac{1.2}{0.2} = 6 \text{ с}$$

Интервал подачи объектов: $$\Delta t = \frac{d}{v} = \frac{0.15}{0.2} = 0.75 \text{ с}$$

Теоретическая производительность: $$Q = \frac{3600}{\max(t_{сорт}, \Delta t)} = \frac{3600}{2} = 1800 \text{ объектов/час}$$

Задача: Создать линию сборки конструкции из 3 деталей

Компоненты системы:

• 3 загрузочных бункера (по типам деталей)
• Главный конвейер сборки
• 3 робота-сборщика (по одному на деталь)
• Система фиксации собираемой конструкции
• Робот контроля качества

Требования к производительности:

• Минимум 20 изделий/минуту
• Процент брака <5%

Время операций:

• Установка детали A: $t_A = 3$ с
• Установка детали B: $t_B = 4$ с
• Установка детали C: $t_C = 2$ с
• Контроль качества: $t_{контр} = 5$ с

Производительность участков:

• $Q_A = 3600/3 = 1200$ изделий/час
• $Q_B = 3600/4 = 900$ изделий/час
• $Q_C = 3600/2 = 1800$ изделий/час
• $Q_{контр} = 3600/5 = 720$ изделий/час

Узкое место: Участок контроля качества (720 изделий/час)

Оптимизация: Добавить второго робота контроля или ускорить процедуру до 3.6 с

Задача: Создать линию контроля качества с отбраковкой

Компоненты системы:

• Подача изделий на контроль
• Станция взвешивания (±1 г)
• Станция измерения размеров (±0.5 мм)
• Станция визуального контроля (камера)
• Система отбраковки (исправные/брак)

Критерии качества:

• Масса: 50±5 г
• Диаметр: 30±1 мм
• Отсутствие видимых дефектов

Базовый алгоритм работы:

 1# Псевдокод для управления производственной линией
 2
 3class ProductionLine:
 4    def __init__(self):
 5        self.conveyor_speed = 200  # мм/с
 6        self.robots = []
 7        self.sensors = []
 8        self.is_running = False
 9    
10    def start_production(self):
11        self.is_running = True
12        self.start_conveyor()
13        
14        while self.is_running:
15            # Проверка датчиков
16            for sensor in self.sensors:
17                if sensor.detect_object():
18                    # Объект обнаружен
19                    self.process_object(sensor.position)
20            
21            # Проверка состояния роботов
22            for robot in self.robots:
23                if robot.is_ready():
24                    robot.execute_operation()
25            
26            sleep(0.1)  # Пауза 100мс

Принципы синхронизации:

1. Сигнальная синхронизация - роботы обмениваются сигналами готовности
2. Временная синхронизация - работа по единому таймеру
3. Событийная синхронизация - реакция на внешние события

Пример кода синхронизации:

1# Синхронизация двух роботов на конвейере
2def synchronize_robots(robot1, robot2):
3    # Робот 1 ждет готовности робота 2
4    if robot1.has_object() and robot2.is_ready():
5        robot1.transfer_object()
6        robot2.receive_object()
7        
8        # Сигнал о завершении операции
9        send_signal("OPERATION_COMPLETE")

Код для измерения эффективности:

 1class PerformanceMonitor:
 2    def __init__(self):
 3        self.start_time = time.now()
 4        self.processed_count = 0
 5        self.error_count = 0
 6    
 7    def record_success(self):
 8        self.processed_count += 1
 9    
10    def record_error(self):
11        self.error_count += 1
12    
13    def get_productivity(self):
14        elapsed_time = time.now() - self.start_time
15        return self.processed_count / elapsed_time * 3600
16    
17    def get_quality_rate(self):
18        total = self.processed_count + self.error_count
19        return (self.processed_count / total) * 100

Типы аварийных ситуаций:

• Заклинивание конвейера
• Переполнение буфера
• Отказ робота
• Недостаток материалов

Алгоритм реакции:

 1def emergency_handler(error_type):
 2    if error_type == "CONVEYOR_JAM":
 3        stop_conveyor()
 4        clear_jam()
 5        restart_system()
 6    
 7    elif error_type == "ROBOT_FAILURE":
 8        switch_to_backup_robot()
 9        schedule_maintenance()
10    
11    elif error_type == "BUFFER_OVERFLOW":
12        increase_output_speed()
13        activate_additional_output()

Задачи группы:

1. Выбрать тип производственной линии
2. Создать схему расположения компонентов
3. Определить функции каждого робота
4. Рассчитать теоретическую производительность

Схема проектирования:

1[Вход] → [Датчик 1] → [Робот 1] → [Конвейер] → 
2→ [Робот 2] → [Датчик 2] → [Робот 3] → [Выход]

Расчетные формулы:

• Время цикла: $T_{цикл} = \max(t_1, t_2, t_3, …)$
• Производительность: $Q = 3600/T_{цикл}$ (изделий/час)

Порядок сборки:

1. Базовая конструкция - рама и конвейер
2. Роботы-манипуляторы - сборка и калибровка
3. Датчики - установка и подключение
4. Рабочие зоны - загрузка, обработка, выгрузка
5. Тестирование механики - проверка движения

Контрольные точки:

• ✅ Конвейер движется равномерно
• ✅ Роботы достигают рабочих позиций
• ✅ Датчики срабатывают корректно
• ✅ Нет механических препятствий

Структура программы:

1. Инициализация - настройка портов и переменных
2. Основной цикл - алгоритм работы линии
3. Функции роботов - специфические операции
4. Синхронизация - координация работы
5. Мониторинг - сбор данных о производительности

Пример основного цикла:

 1task main() {
 2    initializeSystem();
 3    
 4    while (true) {
 5        if (objectDetected()) {
 6            processObject();
 7            updateStatistics();
 8        }
 9        
10        synchronizeRobots();
11        checkEmergencyConditions();
12        wait(100); // мс
13    }
14}

План тестирования:

1. Функциональное тестирование - работа всех компонентов
2. Измерение производительности - подсчет обработанных объектов
3. Тест на стабильность - длительная работа (5 минут)
4. Выявление узких мест - анализ времени операций

Измерения для записи:

• Количество обработанных объектов за 3 минуты
• Количество ошибок и сбоев
• Время выполнения каждой операции
• Общее время цикла

Формула эффективности: $$\eta = \frac{Q_{факт}}{Q_{теор}} \times 100%$$

1. Устранение узких мест:

• Ускорение медленных операций
• Параллельная обработка
• Добавление дополнительного оборудования

2. Оптимизация движения:

• Сокращение холостых ходов
• Улучшение траекторий роботов
• Синхронизация движений

3. Буферизация:

• Накопители между операциями
• Сглаживание неравномерности потока

Показатели эффективности:

Производительность труда: $$\Pi = \frac{Q \times Ц}{З}$$

где:

• Q - производительность (шт/час)
• Ц - цена изделия (руб)
• З - затраты на персонал (руб/час)

Коэффициент использования оборудования: $$K_{исп} = \frac{t_{работы}}{t_{календарное}} \times 100%$$

Себестоимость единицы продукции: $$С = \frac{З_{общие}}{Q}$$

Коэффициент сложности: $$K_{сложн} = \frac{N_{роботов} \times L_{код}}{Q_{факт}}$$

Возможные причины низкой эффективности:

Механические проблемы:

• Трение в механизмах
• Неточность позиционирования
• Проскальзывание конвейера

Программные проблемы:

• Задержки в алгоритмах
• Неоптимальная синхронизация
• Избыточные проверки

Системные проблемы:

• Недостаточная мощность двигателей
• Помехи от датчиков
• Перегрузка контроллера

1. Описание проекта (30 сек)

• Тип производственной линии
• Решаемая задача
• Компоненты системы

2. Технические решения (60 сек)

• Схема линии и принцип работы
• Алгоритм управления
• Методы синхронизации

3. Результаты испытаний (60 сек)

• Производительность (теория vs факт)
• Качество работы
• Выявленные проблемы

4. Демонстрация работы (30 сек)

• Запуск производственной линии
• Комментарии к процессу

Техническое исполнение (25%):

• Функциональность системы
• Надежность работы
• Соответствие техническому заданию

Инженерный подход (25%):

• Качество проектирования
• Обоснованность решений
• Эффективность алгоритмов

Математический анализ (25%):

• Корректность расчетов
• Анализ производительности
• Оптимизация параметров

Презентация результатов (25%):

• Ясность изложения
• Демонстрация понимания процессов
• Качество ответов на вопросы

“Лучшая производительность”

• Максимальная скорость обработки объектов

“Инженерное совершенство”

• Наиболее элегантное техническое решение

“Математическая точность”

• Лучшее соответствие расчетов и факта

“Инновационный подход”

• Оригинальные решения в проектировании

“Командная работа”

• Лучшая организация работы в группе

Критерии для оценки других групп:

1. Функциональность (1-5 баллов)

   • Работает ли система как задумано?

2. Производительность (1-5 баллов)

   • Насколько быстро работает линия?

3. Надежность (1-5 баллов)

   • Как часто происходят сбои?

4. Инновации (1-5 баллов)

   • Есть ли интересные технические решения?

Средний балл определяет рейтинг проекта

Что мы изучили сегодня:

Инженерные навыки:

• Проектирование сложных технических систем
• Анализ взаимодействия компонентов
• Оптимизация производственных процессов

Математические методы:

• Расчет производительности систем
• Выявление и устранение узких мест
• Статистический анализ эффективности

Программирование:

• Алгоритмы управления роботами
• Синхронизация параллельных процессов
• Обработка аварийных ситуаций

What worked well? (Что получилось хорошо?)

• Какие этапы работы прошли успешно?
• Какие технические решения оказались удачными?
• Что помогло в командной работе?

What didn’t work well? (Что оказалось сложным?)

• Какие проблемы возникли при проектировании?
• Где были трудности в программировании?
• Что мешало эффективной работе группы?

What questions do I still have? (Какие вопросы остались?)

• Что хотелось бы изучить подробнее?
• Какие аспекты остались непонятными?
• Как можно улучшить результат?

Наша модель vs Промышленная линия:

Масштабирование результатов:

• Увеличение производительности в 20-50 раз
• Повышение точности в 50-100 раз
• Непрерывная работа с обслуживанием

Возможные улучшения модели:

• Добавление системы технического зрения
• Интеграция с базой данных
• Предиктивная диагностика оборудования
• Машинное обучение для оптимизации

Применение в реальной жизни:

• Автомобильная промышленность
• Производство электроники
• Пищевая промышленность
• Фармацевтическое производство

Профессиональные навыки:

• Инженер-робототехник
• Специалист по автоматизации
• Программист промышленных систем
• Консультант по оптимизации производства

1. Титульный лист

• Название проекта
• Состав группы
• Дата выполнения

2. Техническое задание

• Цель работы
• Требования к системе
• Ожидаемые результаты

3. Проектная часть

• Схема производственной линии
• Обоснование выбора компонентов
• Алгоритм работы системы

4. Расчетная часть

• Теоретическая производительность
• Расчет времени операций
• Выявление узких мест

5. Описание реализации

• Конструктивные особенности
• Программный код (основные функции)
• Особенности настройки и калибровки

6. Результаты испытаний

• Фактическая производительность
• Статистика ошибок и сбоев
• Сравнение с теоретическими расчетами

7. Анализ и оптимизация

• Выявленные проблемы
• Предпринятые меры по улучшению
• Результаты после оптимизации

8. Выводы и предложения

• Достигнутые результаты
• Сложности и их причины
• Предложения по дальнейшему развитию

Книги и статьи:

• “Автоматизация производственных процессов” - Схиртладзе А.Г.
• “Промышленная робототехника” - Юревич Е.И.
• “Теория автоматического управления” - Воронов А.А.

Онлайн-ресурсы:

• Coursera: “Robotics: Perception”
• MIT OpenCourseWare: “Introduction to Robotics”
• Siemens Digital Factory: обучающие материалы

Программное обеспечение:

• Factory I/O - симулятор автоматизированного производства
• FlexSim - моделирование производственных процессов
• RobotStudio - программирование промышленных роботов

Уровень 1: Исследование Найти информацию о реальной производственной линии в интересующей отрасли. Сравнить с созданной моделью и предложить улучшения.

Уровень 2: Проектирование Спроектировать производственную линию для изготовления конкретного изделия (например, шариковой ручки). Рассчитать экономическую эффективность.

Уровень 3: Программирование Создать симуляцию производственной линии в программной среде (Scratch, Python, или специализированном ПО).

Уровень 4: Исследовательский проект Провести сравнительный анализ различных методов оптимизации производственных процессов и их влияния на экономические показатели.