ГОСТ Р 60.0.7.4-2020

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОБОТЫ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Методы математического моделирования и виртуализации испытаний базовых элементов робототехнических комплексов на электромагнитные воздействия при проектировании

Robots and robotic devices. Methods of mathematical modeling and virtualization of tests of basic elements of robotic complexes on electromagnetic influences at the design

ОКС 35.020

Дата введения 2021-03-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" (ООО "НИИ "АСОНИКА")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 141 "Робототехника"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 декабря 2020 г. N 1403-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Целью стандартов комплекса "Роботы и робототехнические устройства" является повышение интероперабельности роботов и их компонентов, а также снижение затрат на их разработку, производство и обслуживание за счет стандартизации и унификации процессов, интерфейсов и параметров.

Стандарты комплекса "Роботы и робототехнические устройства" представляют собой совокупность отдельно издаваемых стандартов. Стандарты данного комплекса относятся к одной из следующих тематических групп: "Общие положения, основные понятия, термины и определения", "Технические и эксплуатационные характеристики", "Безопасность", "Виды и методы испытаний", "Механические интерфейсы", "Электрические интерфейсы", "Коммуникационные интерфейсы", "Методы моделирования и программирования", "Методы построения траектории движения (навигация)", "Конструктивные элементы". Стандарты любой тематической группы могут относиться как ко всем роботам и робототехническим устройствам, так и к отдельным группам объектов стандартизации - промышленным роботам в целом, промышленным манипуляционным роботам, промышленным транспортным роботам, сервисным роботам в целом, сервисным манипуляционным роботам и сервисным мобильным роботам.

Настоящий стандарт относится к тематической группе "Методы моделирования и программирования" и определяет технологию математического моделирования на электронной вычислительной машине (ЭВМ) электромагнитных воздействий на базовые элементы робототехнических комплексов (БЭ РТК).

Применение моделирования БЭ РТК на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца позволит избежать или значительно сократить количество отказов РТК на этапе испытаний, уменьшая тем самым возможные итерации по доработке схем и конструкций, затраты на разработку РТК при одновременном повышении качества и надежности, в том числе в критических режимах работы, делая РТК конкурентоспособными на отечественном и международном рынке.

Применение моделирования на этапах эскизного, технического проекта, а также на этапе разработки рабочей конструкторской документации позволяет заранее определить большинство возможных отказов РТК; проверить состояние изделия при критических режимах работы (при натурных испытаниях зачастую не проверяются критические режимы вследствие отсутствия технической возможности, либо вследствие дороговизны из-за возможных отказов испытуемых изделий); избежать множества итераций по доработке и испытаниям опытного образца, которые значительно увеличивают сроки и стоимость разработки; установить датчики во всех точках конструкции РТК и контролировать их поведение, что невозможно при натурных испытаниях.

     1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на роботов и робототехнические устройства.

1.2 Настоящий стандарт устанавливает методы математического моделирования и виртуализации испытаний базовых элементов робототехнических комплексов (электронных блоков и узлов) на внешние электромагнитные воздействия, которые могут быть как непреднамеренными (индустриальные помехи, грозовые разряды), так и преднамеренными (электромагнитный терроризм), на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца.

1.3 Настоящий стандарт не распространяется на рассмотрение всех проблем проектирования и обеспечения надежности робототехнических комплексов.

     2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 2.103 Единая система конструкторской документации. Стадии разработки

ГОСТ 2.119 Единая система конструкторской документации. Эскизный проект

ГОСТ 2.120 Единая система конструкторской документации. Технический проект

ГОСТ 16504 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

     3 Термины, определения и сокращения

3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 16504, ГОСТ 2.119, ГОСТ 2.120, ГОСТ 2.103, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 базовый элемент робототехнических комплексов: Электронный блок или узел.

3.1.2 решатель: Часть математического программного обеспечения в виде библиотеки программного обеспечения, которая "решает" математическую задачу.

3.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

БЭ - базовые элементы;

ПО - программное обеспечение;

РТК - робототехнические комплексы;

ТЗ - техническое задание;

ЭВМ - электронная вычислительная машина.

     4 Общие положения

4.1 Целью настоящего стандарта является оказание методической помощи предприятиям промышленности и организациям в применении моделирования и виртуализации испытаний изделий на электромагнитные воздействия. В настоящем стандарте определены методы, позволяющие проводить моделирование электромагнитных воздействий на ранних этапах проектирования БЭ РТК до изготовления опытного образца.

Для достижения поставленной цели в стандарте:

- предложен метод, позволяющий моделировать воздействие электромагнитного поля на корпуса БЭ РТК с целью нахождения величин напряженности поля внутри, а также эффективности экранирования; метод, позволяющий находить величину наведенного тока в кабелях, соединяющих БЭ РТК между собой, при воздействии электромагнитного поля;

- установлен порядок применения вышеназванных методов на стадиях проектирования и изготовления, а также удостоверения заказчика в том, что на стадиях конструирования и производства выполнены оценки возможных вариантов конструктивного исполнения БЭ РТК с точки зрения достижения заданных ТЗ эксплуатационных характеристик.

4.2 Методы математического моделирования электромагнитных воздействий на БЭ РТК предназначены для использования подразделениями предприятий, на которые возложены соответствующие задачи.

4.3 Математическое моделирование на ЭВМ электромагнитных воздействий следует проводить до изготовления опытного образца БЭ РТК.

4.4 Объектом моделирования является подготовленная специальным образом трехмерная твердотельная модель проектируемого изделия, в которую при необходимости (в зависимости от результатов испытаний) вносят изменения.

4.5 Стандарт устанавливает принципы применения математического моделирования изделий в процессе их проектирования с целью анализа и оптимизации принимаемых конструктивно-технологических решений, а также с целью своевременного выявления возможных несоответствий разрабатываемого образца БЭ РТК требованиям ТЗ. Включенные в настоящий стандарт принципы применения математического моделирования (и реализующие их системы автоматизированного проектирования) изложены применительно к решению задачи обеспечения стойкости изделий к электромагнитным воздействиям.

4.6 Требования и методы, приведенные в настоящем стандарте, предназначены для использования специалистами и разработчиками изделий в процессе проектирования с целью выбора и предварительной оценки эффективности конструкторских решений в части обеспечения требований стойкости к воздействию электромагнитных факторов, а также с целью оптимизации программ испытаний опытных и серийных образцов изделий.

     5 Метод моделирования воздействия электромагнитного поля на корпус БЭ РТК

5.1 Структура метода

Метод моделирования воздействия электромагнитного поля на корпус БЭ РТК включает в себя следующие этапы (рисунок 1):

Рисунок 1 - Метод моделирования воздействия электромагнитного поля на корпус БЭ РТК

- создание проекта;

- анализ и подготовка конструкции БЭ РТК;

- ввод параметров воздействий;

- настройка решателя и сетки конечных элементов;

- вычисление напряженности электрического и магнитного поля в расчетной области;

- вычисление эффективности экранирования;

- в зависимости от полученных результатов выявление проблемных участков конструкции и внесение необходимых изменений в конструкцию.

5.2 Создание проекта

Под проектом понимается директория файловой системы, в которой хранятся:

- файл проекта, содержащий все введенные пользователем данные, необходимые для проведения расчета;

- файл импортированной трехмерной модели конструкции, если импорт проводился;

- файлы результатов в двоичном формате решателя;

- файлы результатов в текстовом и графическом формате.

После создания проекта импортируется трехмерная модель блока либо вводятся размеры типового блока и необходимые для расчета данные.

5.3 Анализ и подготовка конструкции БЭ РТК

Для проведения моделирования электромагнитных воздействий исходную модель конструкции БЭ РТК, полученную из CAD-системы, необходимо проанализировать и подготовить в соответствии с методикой, изложенной в приложении А.

5.4 Ввод параметров воздействий

На данном этапе вводят следующие данные:

- тип воздействия;

- формат задания векторов;

- позиция источника возбуждения (в системе координат модели);

- данные о векторе поляризации электрического поля;

- данные о векторе распространения электромагнитного поля.

5.5 Настройка решателя и сетки конечных элементов

5.5.1 Для моделирования воздействия электромагнитного поля в большинстве систем моделирования используется метод конечных элементов (Finite Element Method). Основа метода состоит в том, что пространство разбивается на простейшие элементы, имеющие форму тетраэдров. Размер тетраэдра должен быть достаточно мал для того, чтобы поле в его пределах можно было описать простой функцией или набором функций с неизвестными коэффициентами. Эти коэффициенты приведены в уравнении Максвелла и являются граничными условиями. В результате электродинамическая задача сводится к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно этих коэффициентов. Однако в ходе разбиения форма отдельных элементов структуры искажается. Это относится, в первую очередь к элементам, имеющим искривленную поверхность. Поэтому ограничения на размер тетраэдра накладывает не только точность определения поля, но и точность аппроксимации исходной структуры новой структурой, составленной из тетраэдров.