|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Промышленная работотехника является одним из новых направлений автоматизации производственных процессов, начало развития которого в нашей стране относится к последнему десятилетию. Комплексный подход к решению технико-экономических и социальных задач, связанных с внедрением промышленных роботов (ПР), позволил высвободить около 2000 рабочих. В процессе создания, производства и внедрения ПР приходилось сталкиваться с решением ряда сложных научно-технических проблем. Получен большой опыт по разработке робототехнических комплексов (РТК) и организации автоматизированного производства на базе ПР. Все эти вопросы, получившие отражение в предлагаемой книге, представляют, по нашему мнению, значительный интерес как для широкого круга специалистов, конструкторов и производственников различных отраслей, которые заняты в настоящее время работой по увеличению производства и широкому применению ПР во всех отраслях народного хозяйства, так и для всех специалистов, работающих в области автоматизации производственных процессов. Кроме того, книга может быть полезна научным работникам, специализирующимся в области автоматизации производства.
За время, прошедшее после XXVI съезда КПСС, проделана большая работа по организации серийного производства ноеых, перспективных моделей ПР, являющаяся составной частью разрабатываемой всеобъемлющей комплексной программы, охватывающей все стороны роботизации. Только такой подход обеспечивает повышение эффективности народного хозяйства, его интенсификацию.
Поэтому предусматриваются более высокие темпы внедрения и обновления ПР, что позволит в ряде отраслей обеспечить значительный прирост объемов цроизводства без увеличения численности рабочих и служащих.
Л. И. Брежнев в своей речи на ноябрьском (1981 г.) Пленуме ЦК КПСС отмечал, что «Социализм, как общественный строй таит в себе огромные возможности рационального и гуманного применения главной производительной силы общества — человека труда. И эти возможности надо использовать в полной мере».
Ученые и конструкторы, инженеры и техники, рабочие и работницы, занимающиеся созданием, производством и эксплуатацией ПР,отдают себе отчет в том, что на них лежит высокая ответственность по сокращению ручного, особенно тяжелого труда. Они делом стараются показать, что «одиннадцатая пятилетка должна стать — и станет — славной вехой на пути исторических свершений советского народа».
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап научно-технической революции характеризуется комплексной автоматизацией производства на базе систем машин—автоматов. До недавних пор в основном применяли специализированные автоматы и автоматические линии, незаменимые в массовом производстве, но нерентабельные в условиях серийного и мелкосерийного производства из-за высокой стоимости, а также длительности разработки, внедрения и переналадки их на новую продукцию. Традиционное управляемое вручную оборудование обеспечивает достаточную гибкость производства, но требует применения квалифицированного труда рабочих и имеет низкую производительность.
За последние десятилетия автоматизация основных технологических операций (формообразование и изменение физических свойств деталей) достигла такого уровня, что вспомогательные операции, связанные с транспортировкой и складированием деталей, разгрузкой и загрузкой технологического оборудования, выполняемых вручную либо с помощью существующих средств механизации и автоматизации, являются тормозом как в повышении производительности труда, так и в дальнейшем совершенствовании технологии. Обычными методами с помощью существующих технических средств невозможно автоматизировать сборочные, сварочные, окрасочные и многие другие операции. Все это привело к острым противоречиям между совершенством промышленной техники и характером труда при ее использовании, потребностью в трудовых ресурсах и их фактическим наличием, требованиями интенсификации производственных процессов и ограниченными психофизиологическими возможностями человека. Эти причины социального, экономического и технического характера, ставшие основными сдерживающими факторами в развитии производства и дальнейшем повышении производительности труда, а также современные достижения в создании орудий производства, вычислительной техники и электроники привели к бурному развитию робототехники — отрасли, создавшей и производящей новую разновидность автоматических машин — промышленные роботы. По замыслу разработчиков эти машины предназначены для замены человека на опасных для здоровья, физически тяжелых и утомительно однообразных ручных работах. Свое название они получили благодаря реализованной в них идеи моделирования двигательных, управляющих и, в некоторой степени, приспособительных функций рабочих, занятых на повторяющихся трудовых операциях по разгрузке-загрузке технологического оборудования, управлению работой этого оборудования, межоперационному перемещению и складированию деталей, а также на различных сборочных, сварочных, окрасочных и других операциях, выполняемых с применением переносных орудий труда.
Промышленные роботы (ПР) оказались тем недостающим звеном, появление которого позволило решать задачи комплексной автоматизации на более высоком уровне, объединяя средства производства предприятия в единый автоматизированный комплекс.
Ближайшими по назначению прототипами для ПР послужили автооператоры и механические руки, уже давно применяющиеся в промышленности, но не удовлетворяющие производственников по причинам их узкой специализации, плохой переналаживаемости, небольшого числа выполняемых функций и ограниченной (массовым и крупносерийным производством) области применения. Недостатки, присущие этим прототипам, в конструкциях ПР были в значительной степени устранены посредством увеличения их манипуляционных возможностей, снабжения собственной системой привода и системой программного управления. Благодаря этому созданные устройства приобрели качественно новые свойства: автономность в смысле невстроенности в технологическое оборудование и способность работать автоматически по заданной программе; универсальность, т. е. способность перемещать в пространстве объекты различного типа по сложным пространственным траекториям, сопрягаемость с достаточно большим количеством типов технологического оборудования и хорошую переналаживае-мость на различные сменяющиеся виды работ.
Начало работ в нашей стране по созданию ПР относится практически к 1969 г., когда при активном участии большинства авторов этой книги был разработан робот «Универсал-50». В 1971 — 1972 гг. были созданы роботы УМ-1, УПК-1, в 1973 г. выпущен опытный образец робота «Универсал-5», в 1975 г. — опытные образцы роботов «Циклон-ЗБ» и «Универсал-15М», которые впоследствии нашли широкое применение на производстве.
Выдающуюся роль в развитии теории роботов и организации работ по их созданию сыграл Герой Социалистического труда академик И. И. Артоболевский (1905—1977 гг.), долгие годы возглавлявший координационный совет по робототехнике АН СССР.
Талантливым организатором и руководителем работ по созданию первых отечественных ПР «Универсал-50», «Циклон-ЗБ», «Универсал-5» и «Универсал-15М» и ряда их модификаций явился Лауреат Государственной премии Б. Н. Сурнин (1931 —1979 гг.). С именем Б. Н. Сурнина связано внедрение в производство первых ПР гаммы «Циклон» и «Универсал». Так, практически была показана эффективность ПР как нового средства автоматизации ручных работ на производстве, подтверждена возможность автоматизации технологических процессов на базе применения ПР в больших масштабах и в короткие сроки.
Признанные всеми достижения СССР в развитии робототехники определяются заблаговременной и продуманной программой под-
готовки кадров, которую в течение длительного времени возглавляют члены-корреспонденты АН СССР И. М. Макаров, Е. П. Попов, Д. Е. Охоцимский и профессор Е. И. Юревич.
Коммунистическая партия СССР поставила перед советскими учеными, инженерами и техниками грандиозные задачи по дальнейшему развитию робототехники. В 1980 г. ЦК КПСС, обсуждая меры по увеличению производства и широкому применению автоматических манипуляторов в отраслях народного хозяйства, отметил, что «осуществление развернутой программы работ в этой отрасли будет способствовать решению проблемы трудовых ресурсов в одиннадцатой и двенадцатой пятилетках».
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и период до 1990 года», принятых XXVI съездом КПСС, задачи ускорения технического прогресса были детализированы. В качестве одной из главных признана задача развития производства и обеспечения широкого применения автоматических манипуляторов (промышленных роботов), которые совместно с системами автоматического управления с использованием микропроцессоров и мини-ЭВМ станут базой для создания автоматических цехов и заводов.
В настоящее время под роботом понимают автоматический манипулятор с программным управлением. В зависимости от участия человека в процессах управления роботами их подразделяют на биотехнические и автономные, или автоматические.
К биотехническим роботам относятся дистанционно управляемые копирующие роботы; экзоскелетоны; роботы, управляемые человеком с пульта управления; полуавтоматические роботы.
Дистанционно управляемые копирующие роботы снабжены задающим органом (например, манипулятором, полностью идентичным исполнительному), средствами передачи сигналов прямой и обратной связи и средствами отображения информации для человека-оператора о среде, в которой функционирует робот.
Экзоскелетоны выполняются в виде антропоморфных конструкций, обычно «надеваемых» на руки, ноги или корпус человека. Они служат для воспроизведения движений человека с некоторыми необходимыми усилиями и имеют иногда несколько десятков степеней подвижности.
Роботы, управляемые человеком с пульта управления, снабжаются системой рукояток, клавиш или кнопок, связанных с исполнительными механизмами каналов управления по различным обобщенным координатам. На пульте управления устанавливают средства отображения информации о среде функционирования робота, поступающей к человеку по радиоканалу связи.
Полуавтоматический робот характерен сочетанием ручного и автоматического управления. Он снабжен супервизорным управлением для вмешательства человека в процесс автономного функционирования робота путем сообщения ему дополнительной информации с помощью указания цели, последовательности действий и т. п.
Роботы с автономным или автоматическим управлением обычно подразделяют на производственные и научно-исследовательские роботы, которые после создания и наладки в принципе могут функционировать без участия человека.
По областям применения производственные роботы подразделяют на промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, строительные, бытовые и т. п.
За короткий период развития роботов произошли большие изменения в элементной базе, структуре, функциях и характере их использования. Это привело к делению роботов на поколения.
Роботы первого поколения (программные роботы) имеют жесткую программу действий и характеризуются наличием элементарной обратной связи с окружающей средой, что вызывает определенные ограничения в их применении.
Роботы второго поколения (очувствленные роботы) обладают координацией движений с восприятием. Они пригодны для малоквалифицированного труда при изготовлении изделий. Программа движений робота требует для своей реализации управляющей ЭВМ.
Неотъемлемая часть роботов второго поколения — алгоритмическое и программное обеспечение, предназначенное для обработки сенсорной информации и выработки управляющих воздействий.
Роботы третьего поколения относятся к роботам с искусственным интеллектом. Они создают условия для полной замены человека в области квалифицированного труда, обладают способностью к обучению и адаптации в процессе решения производственных задач. Эти роботы способны понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды с той или иной степенью детализации, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить программные движения исполнительной системы и осуществлять их надежную отработку.
Появление роботов различных поколений не означает, что они последовательно приходят на смену друг другу. В процессе развития совершенствуются функциональные возможности и технические характеристики роботов различных поколений.
К роботам первого поколения относят обычно промышленные роботы. По количеству внедренных ПР наша страна занимает одно из ведущих мест в мире.
Блок-схема ПР представляет собой сложную конструкцию (рис. 0.1), включающую ряд систем: механическую, приводов управления, связи с оператором, информационную, а также операционное устройство. Механическую систему выполняют, как правило, в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, укрепленного на неподвижном или подвижном основании; она обеспечивает перемещение рабочего органа с определенным грузом. Форма и габаритные размеры манипулятора определяются видом и особенностями технологического процесса, для которого он предназначен.
Созданные модели ПР представляют собой по существу многокоординатные манипуляторы с программным управлением, программируемые по первому циклу. Их системы управления помимо основных функций по управлению движением рабочих органов манипулятора обеспечивают выдачу сигналов на обслуживаемое оборудование, прием сигналов от простейших датчиков внешней информации, работающих по принципу Да—Нет, и использование этих сигналов в целях выбора той или иной подпрограммы работы из числа заданных оператором. Наличие внешнего контура управления существенно расширило области применения созданных ПР, так как позволило использовать их по отношению к автоматизированному процессу не только в качестве универсальных манипулирующих, но также и в качестве управляющих устройств. Наличие датчиков и соответствующих электронных схем внешней информации придало этим ПР принципиально новую способность адаптации к изменяющимся условиям работы.
Привод для каждой из координат ПР обеспечивает силовое воздействие на соответствующий механизм, осуществляющий задаваемое перемещение. Приводом служит автоматическая система, входным сигналом которой является детерминированное воздействие управляющей системы, а выходным сигналом — механическое перемещение.
Разработка типажа ПР, имеющего существенное значение для организации их производства, проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ еще не закончена. В настоящее время наиболее разработан типаж ПР первого поколения. Так, например, в станкостроительной и инструментальной промышленности по структуре типаж этих ПР подразделяют на следующие группы и подгруппы [211: универсальные ПР, обслуживающие различное технологическое оборудование и выполняющие различные основные технологические операции; целевые ПР подъемно-транспортной группы (многоцелевые), обслуживающие различное технологическое оборудование, выполняющие транспортно-складские и специальные работы; целевые ПР производственной группы (многоцелевые) для выполнения различных технологических операций сварки, очистки и подготовки деталей, окраски и нанесения по-крытий, разборки, контроля, измерения, Отбраковки, разметки и сборки.
Первым и основным этапом разработки любого типажа является типоразмерный ряд, который регламентирует следующие основные параметры ПР: максимальную грузоподъемность (0,64—1000 кг), тип компоновки и конструктивное выполнение, максимальный радиус обслуживания (i^max берется в соответствии с рядом предпочтительных чиселR 40 по ГОСТ 8032—56), вертикальный и горизонтальный ход руки (Н с 0,8Rmax) и число степеней подвижности. На основании изучения основного состава технологического оборудования по отраслям, последующих усреднений и анализа массы обрабатываемых деталей различных групп и различных типов инструментов был предложен следующий ряд по грузоподъемности ПР: 0,04—0,64; 1,25 — 160; 250 — 1000 кг и более. Основной ряд типоразмеров включает модели грузоподъемностью 10 — 160 кг. Данный ряд регламентирует по каждому типоразмеру максимальную грузоподъемность, обеспечивающуюся при минимальных скоростях перемещений рабочих органов манипулятора каждой модели и соответствующую основному ряду 10 3 (ГОСТ 8032—56) предпочтительных чисел. Уменьшение грузоподъемности при работе ПР на быстрых ходах не регламентируется. Опыт создания ПР показал, что при разработке отдельных модификаций робота допустимы отклонения максимальной грузоподъемности от номинального значения для базовых моделей в пределах ±20 %.
Вторая, не менее важная и сложная задача — создание комплексно-роботизированных производств и участков. Основной ячейкой таких производств является робототехнический комплекс (РТК), представляющий совокупность технологического оборудования и ПР, размещенных на определенной площади и предназначенных для выполнения одной или нескольких технологических операций в автоматическом режиме. Оборудование, входящее в состав РТК, группируется (рис. 0.2) в три основные подсистемы: подсистему обработки, обслуживающую подсистему и подсистему контроля и управления. В подсистему обработки входит основное оборудование, модернизированное по условиям сопряжения с ПР. Обслуживающая подсистема содержит устройства для размещения деталей на входе в РТК, межоперационные транспортирующие и накопительные устройства, устройства для приема обработанных изделий, а также ПР.
Подсистема контроля и управления содержит комплекс технических программных средств контроля, измерения, регулирования, вычисления, логического управления, регистрации, аварийной защиты, обеспечивающих в совокупности требуемую информационно-логическую структуру алгоритма функционирования РТК, надежность и стабильность выполнения всех операций технологического процесса. В этой подсистеме можно выделить несколько контуров управления, содержащих различную датчиковую аппаратуру, средства первичной обработки, передачи и хранения информации, устройства выработки управляющих сигналов и воздействия на технологический процесс. Эти контуры по функциональному признаку подразделяют на следующие основные группы: контур контроля наличия, ориентации, точности расположения объектов в рабочих позициях РТК и управления операциями захвата, перемещения и установки объектов ПР; контур контроля параметров технологического процесса и управления режимами и процессом обработки; контур контроля правильности срабатывания рабочих органов технологических машин и приспособлений, контроля технического состояния оборудования, инструмента и управления работой приспособлений, различных вспомогательных устройств, а также аварийной защиты РТК.
В простейших РТК эти контуры реализуются на базе автономных устройств управления ПР и технологического оборудования. В сложных РТК, имеющих распределенную иерархическую структуру системы управления, в качестве управляющего органа используют управляющие вычислительные комплексы.
В сложных РТК помимо перечисленных трех основных подсистем могут содержаться еще несколько подсистем, в том числе подсистема инструментального обеспечения, автоматизированная транспортно-складская подсистема, подсистема технического обслуживания, подсистема организационно-технического управления.
По принципу общности структуры построения все множество конкретных РТК делится на два основных класса. К одному из них относятся РТК, в которых ПР используются в комплексе с основным технологическим оборудованием. Примерами таких РТК могут служить РТК механической обработки, литья под давлением, холодной и горячей штамповки, термообработки. Ко второму классу относятся РТК, образуемые на основе ПР, оснащенных переносными орудиями труда. К этому классу принадлежат РТК точечной сварки, нанесения покрытий, сборки, контроля.
На рис. 0.3 показана классификация РТК по производственному назначению. Как показал опыт внедрения, РТК является новой формой технической и организационной ячейки, наиболее полно отвечающей потребностям современного производства. Робототехнический комплекс — гибкая, экономная и рациональная форма обработки деталей и изделий более высокой стоимости и лучшего качества средними и малыми сериями. РТК реализует стремление к снижению напряженности человека в работе, связанной с необходимостью приноравливаться к циклу машины, приводит к замене конвейерных линий сборочными бригадами, в основу управления которыми положен бригадный подряд.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
