|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Перед работниками промышленности стоят очень важные задачи: создать машины для комплексной механизации и автоматизации производства, повысить эффективность использования трудовых ресурсов, а также последовательно сокращать применение ручного, тяжелого и неквалифицированного труда во всех отраслях народного хозяйства.
Одним из наиболее эффективных путей решения этих задач является создание машин, способных заменить рабочих, выполняющих на производстве множество вспомогательных операций (загрузку и разгрузку металлорежущих станков, прессов, литейных машин, складирование готовой продукции), а также производящих сварку, окраску и ряд других работ. В последние годы для этих целей у нас в стране и за рубежом начали применять манипуляторы с программным управлением, выделенные в особый класс машин, получивших наименование «промышленные роботы».
Промышленные роботы позволяют освободить человека от выполнения тяжелого, быстроутомляющего ручного труда, часто не требующего от него высокой и даже средней квалификации. Они способны заменить человека на производстве и там, где его труд связан с опасностью, например во взрывоопасных помещениях, при работе с вредными веществами, в условиях, где велика вероятность травматизма и т. д. Все это позволяет наряду с технико-экономическими аспектами применения промышленных роботов особо рассматривать и подчеркивать социальный аспект их применения.
Промышленные роботы позволяют, и это подтверждается практикой, интенсифицировать использование технологического оборудования, повысить сменность его работы. Робот не утомляется, он практически нечувствителен к условиям труда. Как следствие этого, сокращается процент брака выпускаемых изделий.
Применение промышленных роботов коренным образом изменяет характер производства, позволяет осуществить его полную комплексную автоматизацию.
Робототехника сегодня переживает период бурного развития. Интенсивно ведутся работы в этой области в США, Японии, Англии, Швеции, ФРГ и других странах. Постоянно расширяется объем исследований и опытно-конструкторских разработок в области промышленных роботов и в нашей стране, наращиваются мощности по их серийному изготовлению. Совершенствуются конструкции и создаются новые модели роботов первого поколения, а также более сложные роботы, способные «ориентироваться» в окружащей их среде и (в перспективе) обладающие искусственным интеллектом. Такие роботы будут иметь высокую степень автономности и потребуют широкого использования средств вычислительной техники.
В связи с большим интересом, который проявляют к робототехнике специалисты в области механизации и автоматизации производственных процессов, выход в свет первой у нас книги по промышленным роботам является весьма своевременным. Книга содержит обширные сведения по конструкциям промышленных роботов как зарубежных, получивших наибольшее распространение, так и отечественных. Несомненным достоинством книги является то, что в ней большое внимание уделено вопросам рациональной технологии применения роботов, в том числе при комплексной автоматизации производства с применением ЭВМ и роботов.
Автор книги, известный специалист в области промышленных роботов, хорошо знает проблему не только по литературным источникам; он изучал робототехнику в Японии в 1974 г.
Опыт непосредственного участия в разработке отечественных конструкций роботов позволил автору написать кни-гу, которая, несомненно, будет полезным практическим пособием для специалистов, работающих в области механизации и автоматизации промышленного производства.
Академик АН СССР И. И. Артоболевский
ОТ АВТОРА
Большим резервом роста производительности труда является автоматизация вспомогательных операций и процессов обслуживания транспортных, складских, погрузочно-разгрузочных работ, операций установки и съема заготовок и деталей и т. п.
Использование этого резерва позволит высвободить тысячи вспомогательных рабочих и направить их в основное производство.
Сложную проблему автоматизации вспомогательных работ с успехом могут решить автоматические манипуляторы с программным управлением (АМПУ)*, применение которых наиболее целесообразно на вредных и опасных для человека операциях в литейных, малярных, кузнечных и других цехах.
Широкое применение АМПУ (промышленные роботы) найдут также на складах и в цехах механической обработки.
Промышленные роботы позволяют полностью автоматизировать (с использованием оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) и универсального оборудования с цикловой автоматикой) не только отдельные операции, но и по-новому, более рационально и комплексно решать задачу создания поточных и автоматических линий самого разного назначения.
Применение роботов позволит:
— избавить рабочих от выполнения многих вредных, опасных для здоровья и утомительных ручных операций;
— автоматизировать работу значительной части морально устаревшего оборудования (прессов, молотов, станков и др.) благодаря использованию системы ЧПУ робота для управления технологическим оборудованием, при этом будут автоматизированы операции, которые сейчас выполняют только вручную;
— повысить коэффициент использования технологического оборудования в результате повышения коэффициента сменности его работы и интенсификации режимов работы и обработки;
— повысить общую культуру труда и частично решить проблему нехватки кадров по некоторым профессиям (кузнецы, литейщики, станочники и т. д.).
Информация по вопросам роботов рассеяна в большом количестве отечественных и зарубежных изданий, часто труднодоступ-
* В дальнейшем АМПУ для краткости будем называть промышленными роботами.
ных для инженеров, конструирующих и эксплуатирующих промышленные роботы.
В целях облегчения работы исследователей, конструкторов и технологов-производственников в настоящей книге описаны наиболее существенные достижения в практике конструирования и применения промышленных роботов.
В первой главе приведены общие сведения о роботах и их классификация. Вторая глава посвящена методам расчета динамики исполнительных механизмов роботов. Третья глава книги содержит сведения о разработке, производстве и применении промышленных роботов как в нашей стране, так и в ведущих капиталистических странах. В четвертой главе описаны и проанализированы конструктивные схемы роботов, а в последующих главах (V, VI и VII) —конструкция систем (гидравлических и пневматических) и элементов конструкции — схватов, передаточных механизмов, датчиков и т. д.
В главе VIII изложен материал о системах управления роботами (дана их классификация и описаны конструкции).
В главе IX рассмотрены вопросы применения роботов для автоматизации и механизации различных технологических процессов, приведена методика определения технико-экономической эффективности применения промышленных роботов.
Десятая глава посвящена проблеме комплексной автоматизации производства на базе применения ЭВМ и роботов.
В заключительной, одиннадцатой главе книги изложены перспективы развития конструкций роботов и робототехники, приведены краткие сведения о создании «интеллектуальных» роботов в США и Японии.
Автор выражает глубокую благодарность канд. техн. наук Б. Ш. Розину и В. Н. Данилевскому, а также инженерам Е. И. Самсоновой и Б. Г. Краснову за помощь, оказанную при работе над книгой.
Все замечания и рекомендации по содержанию книги следует направлять по адресу: 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, изд-во «Машиностроение».
ВВЕДЕНИЕ
Комплексная автоматизация производства в машиностроении является одной из важнейших народнохозяйственных задач.
В последние годы в нашей стране выполнена огромная работа по созданию средств комплексной автоматизации: созданы и производятся в больших количествах ЭВМ, станки с программным управлением, автоматические приборы, пневмоавтоматика и т. д.
Все это позволило решить многие важные задачи автоматизации производства изделий машиностроения.
Однако до последнего времени не удавалось автоматизировать такие операции, как установка заготовок на станок и снятие обработанных деталей, укладка готовой продукции в тару, подача листовых заготовок в штамп, манипулирование деталью сложной формы при окраске, установка инструмента и т. д. Часто такие операции не только трудоемки, но и однообразны, утомительны, а иногда и вредны для работающих. На универсальных металлорежущих станках с ЧПУ до настоящего времени остаются ручными операции установки и съема деталей. Эти операции не поддавались автоматизации из-за их особой сложности, однако в последние годы найдено приемлемое решение по автоматизации перечисленных операций. Им является применение роботов с числовым программным управлением (ЧПУ).
Первой такой системой был манипулятор с ЧПУ, сделанный в 1961 г. в США и получивший название «Рука Эрнста» [42]. В 60-х годах над моделями роботов начали работать специалисты различных научных организаций нашей страны. В частности, в 1968 году в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Калинина при участии ученых Ленинградского института авиационного приборостроения и Института океанологии АН СССР была создана модель робота для проверки возможности ее использования при глубоководных работах. В это же время были начаты работы по созданию промышленных роботов первого поколения с ЧПУ. В 1971 г. уже работали опытные образцы таких машин — робот УМ-1, созданный под руководством автора и Б. Ш. Розина, робот «Универсал-50», созданный под руководством Б. Н. Сурнина, а также робот УПК-1, созданный под руководством В. И. Аксенова. Промышленный робот УМ-1 с аналого-трансформаторной системой ЧПУ был первым отечественным роботом, примененным на серийных предприятиях. В 1972—1973 гг. впервые в нашей стране было освоено серийное производство промышленных роботов УМ-1.
Усилиями нескольких научных коллективов (МВТУ им. Баумана, ОКБ ТК ЛПИ, Институт машиноведения, Институт прикладной математики, НИИТМ, Институт проблем управления) и ряда ученых (академик И. И. Артоболевский, А. Е. Кобринский, Е. П. Попов, Е. И. Юревич, М. Б. Игнатьев, Н. А. Лакота, Ф. М. Кулаков, Д. А. Поспелов, В. С. Кулешов, Г. Н. Рапопорт, Д. Е. Охоцимский, А. К- Платонов, Г. П. Катыс, А. М. Покровский, В. С. Ястребов и др.) создан большой научный задел по проблеме роботов (исследованы вопросы кинематики и динамики роботов, управления ими от ЭВМ, разработаны алгоритмы управления, изучены вопросы синтеза и т. д.).
Следует отметить, что в последнее время к решению проблемы промышленных роботов подключаются все новые и новые научные и конструкторские организации. Среди них в первую очередь следует назвать Институт электросварки им. Е. О. Па-тона (академик Б. Е. Патон и Г. А. Спыну), ЭНИМС, Оргстанк-инпром, ВПТИ Тяжмаш, а также Горьковский автомобильный завод, Московский завод «Хромотрон» и др.
Широкий размах приобрели исследования и разработки промышленных роботов за границей.
Первыми были признаны и нашли сбыт американские промышленные роботы «Юнимейт» и «Версатран», разработанные соответственно фирмами «Юнимейшн» и «Американ Машин энд Фаундри».
В 1972 г. ежемесячно выпускалось 25—30 роботов «Юнимейт», к 1974 г. эта цифра удвоилась. Практическое применение таких роботов в автомобильной и металлургической промышленности оказалось экономически выгодным [50]. Не требуя остановки на обслуживание, робот может действовать 500—700 ч. Общие потери, связанные с простоями для ухода, ремонта и переналадки, не превышают 2% отработанного роботом времени. В этих условиях затраты на приобретение роботов «Юнимейт» или «Версатран», в сумме 25—35 тыс. долл., окупаются за 1,5—2,5 г. Общий срок службы промышленных роботов в настоящее время доведен до 40 тыс. часов и больше. Ежегодная экономия от 25 таких роботов составляет более 100 тыс. долл.
В 1969 г. в США было продано 100 промышленных роботов, а в 1970 г.— 200 (на сумму около 2 млн. долл.). В 1974 г. французский бюллетень «Индюстри э сосвете» сообщал, что в Соединенных Штатах, Норвегии, Великобритании, Японии, Франции «трудятся» свыше 3 тыс. роботов. Это автономные серийные роботы «Тралфа», «Юнимейт», «Версатран» и др., с помощью которых их создатели пытаются освободить человека от трудной, монотонной работы.
Конечно, «Юнимейт» и «Версатран» еще довольно примитивны — они способны лишь брать и перемещать в нужном направлении определенные предметы. Но есть у них и преимущества: они могут в самых трудных условиях бесконечно повторять одни н те же движения. А если сменить программу, они будут «узнавать» другие предметы и манипулировать ими.
По данным американских ученых Лео Дрисколла и Джона Котли, в Японии в 1969 г. было продано промышленных роботов на сумму 6,3 млн. долл., а в 1975 г. эта сумма возрастет до 126 млн. долл., т. е. будет продано примерно 3000 роботов.
В настоящее время в Японии разработкой и производством промышленных роботов занято около 80 фирм, 115 различных моделей роботов уже разработано, более 1500 японских роботов проданы и используются на японских предприятиях для металлообработки, литья, прессования пластмасс и на других работах (52].
Промышленные роботы создаются сейчас в ФРГ, Швеции и других странах Европы (44]. В США разработкой и выпуском роботов занято около 20 фирм, а в Западной Европе — более 15 фирм.
По прогнозу американских ученых в 1973 г. в одном Детройте число применяемых промышленных роботов должно было достигнуть 5000, а к 1975 г. в США прогнозировалось использование 50000 роботов. Хотя эти прогнозы и не оправдываются, тем не менее применение промышленных роботов имеет устойчивую тенденцию роста.
Средняя почасовая оплата труда американских рабочих к 1975 г. может достичь 4,5 долл., в то время как при двухсменной работе эксплуатационные расходы на мини-роботы ближайшего будущего не будут превосходить 3 долл. в час (данные Л. Дрисколла и Д. Котли). Это и является основной причиной, побуждающей американских промышленников покупать и использовать роботы сейчас и в будущем [38].
Растущую популярность роботов семидесятых годов можно сравнить только с популярностью станков с ЧПУ в шестидесятые годы (известно, что число этих станков в США возросло с 1959 по 1968 г. со 193 до 16013 шт.).
В условиях социалистического хозяйства роботы привлекли к себе внимание ученых и инженеров, чтобы избавить рабочих от тяжелой, вредной и однообразно-утомительной работы, а также уменьшить дефицит вспомогательного персонала и рабочих основного производства.
Непрерывно увеличивающийся объем социалистического производства ведет к нехватке рабочей силы, а повышающийся образовательный и профессиональный уровень населения ускоряет процесс утечки рабочей силы из производств, отличающихся монотонностью и примитивностью. Немаловажное значение имеет также увеличение сложности и стоимости труда и необходимость повышать производительность, особенно в сфере вспомогательного производства.
Роботов в производственных процессах используют в настоящее время в трех основных направлениях:
1) для работы в смертельно опасных и агрессивных средах;
2) при выполнении тяжелых односложных примитивных операций;
3) в технологических процессах, для которых характерны тяжелые условия труда, вызывающие профессиональные заболевания рабочих и быструю их утомляемость из-за высокой температуры, шума, вибраций [25, 26].
Многообразие функций, которые выполняют или могут выполнять роботы, уже сейчас позволяет перейти к созданию автоматизированных комплексов, объединяющих обрабатывающее, транспортное, сборочное, контрольно-измерительное и испытательное оборудование. В таких комплексах промышленные роботы будут выполнять все вспомогательные и часть основных операций.
Использование ЭВМ для управления автоматическими и автоматизированными комплексами обеспечит оптимизацию управления всеми элементами комплекса, а также позволит применить методы и средства адаптивного контроля для повышения устойчивости и точности комплексно-автоматизированного технологического процесса.
Создание автоматизированных производственных комплексов так же, как и проектирование промышленных роботов, представляет собой сложную научную и техническую задачу, поэтому инженеры, конструкторы и ученые должны быть знакомы с последними достижениями робототехники.
Предлагаемая книга содержит сведения по конструкциям лучших отечественных и зарубежных роботов. В кнше кратко приведено довольно много сведений о 'практическом применении роботов для автоматизации промышленного производства (в том числе описан опыт первого применения робота УМ-1).
В настоящее время созданы универсальные роботы, которые применяются для автоматизации массового или крупносерийного производств. Перспективы более широкого внедрения роботов связаны с созданием роботов, предназначенных для мелкосерийного и единичного производства. Задача поиска конструкции таких специализированных и специальных роботов и систем управления для них является в настоящее время чрезвычайно важной и срочной, так как область применения универсальных роботов первого поколения (лучше приспособленных к условиям массового производства), видимо, ограничена.
Тем не менее универсальные роботы будут достаточно широко использоваться, поэтому опыт применения роботов первого поколения (типа робота УМ-1) имеет большое значение для развития их конструкций и эксплуатации.
Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РОБОТАХ
1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Самым эффективным показателем технического прогресса является уровень производительности труда. Основными направлениями повышения производительности труда в настоящее время являются автоматизация технологических процессов (в том числе, благодаря использованию вычислительной техники), а также применение легко обрабатываемых материалов.
Проникновение электронной вычислительной техники в различные сферы деятельности людей вызвало существенные перемены в промышленности. Первые вычислительные машины появились немногим более 20 лет тому назад. К 1965 г. количество их в США достигло 30 ООО и к 1970 г. удвоилось.
Темпы производства и применения ЭВМ у нас и за рубежом до сих пор остаются очень высокими.
Качественно новым решением задачи автоматизации основных операций серийного производства явилось создание автоматизированного оборудования с программным управлением, а также машин нового класса — манипуляторов с программным управлением, получивших название «промышленные роботы». Это название в наибольшей степени отражает существо идей, которыми руководствуются разработчики при создании и применении этих машин для построения автоматических технологических систем [15, 73].
Идея создания робота зародилась давно. Впервые слово «робот» употребил Карел Чапек. Созданное им слово «робот» (от чешского слова «робота» — барщина, каторжный труд) вошло в международный лексикон и стало общеупотребительным.
У Чапека «механические люди» — роботы, не чувствующие боли и не испытывающие человеческих чувств, заменяли живых людей, работающих на фабриках и заводах.
В то время уровень техники еще не позволял создать промышленный робот. Более 40 лет понадобилось для того, чтобы, опираясь на достижения в развитии автоматических систем управления и успехи электроники и гидравлики, ученые и специалисты смогли создать первые промышленные роботы.
В статье из журнала «Машинери мэгэзин», посвященной появлению роботов на заводах США, сообщалось, что в американ-
ской металлообрабатывающей промышленности появился новый тип производственного рабочего. Он не состоит в профсоюзе, не пьет кофе в обеденном перерыве, работает 24 ч в сутки и не интересуется пособиями или пенсионной оплатой. Он осваивает новую работу за несколько минут и всегда выполняет ее хорошо. Он никогда не жалуется на жару, пыль и запахи и никогда не получает увечий на работе. Он — промышленный робот.
Появление роботов промышленного назначения как нового класса машин, предназначенных для автоматизации производства, требует уточнения определений некоторых широко известных средств механизации и автоматизации производственных операций.
Механическая рука — это автоматически действующее (без участия в управлении человека) устройство для выполнения вспомогательных и транспортных производственных операций, переналадка которого с одной операции на другую требует регулировки или замены кинематических звеньев (удлинения или укорочения рычагов, замены кулачков, перестановки упоров и пр.).
В основе управления механической рукой лежит цикловая автоматика — применение упоров, концевых выключателей и релейных схем.
Примером таких устройств являются механические руки, применяемые в автоматических линиях для установки и съема обрабатываемых деталей на станках, входящих в линию.
Возможность выполнения одной или нескольких простых операций, наличие жесткой программы, сложность и длительность переналадки, требующей остановки, а также отсутствие человека в контуре управления являются главными общими признаками механических рук, которые в будущем станут более широко применяться в промышленном производстве.
Телеоператор — это устройство с дистанционно управляемым исполнительным (рабочим) органом для выполнения вспомогательных и основных производственных операций, управляемое человеком, который по своему желанию осуществляет переход (переналадку) от одной операции к другой (в пределах возможных операций). Телеоператоры конструируют для работы в очень трудных условиях.
Примером устройств типа телеоператора являются «Луноход-1» и «Луноход-2», использованные при изучении Луны для оценки свойств лунного грунта, перемещения телекамеры и обследования особенностей лунной поверхности.
К телеоператорам относят также устройства для подачи и поворотов нагретой заготовки при открытой ковке, для засыпки шихты в плавильные печи и другие машины, управляемые человеком-оператором (в том числе автооператоры для работы с радиоактивными изотопами).
Возможность выполнения достаточно большого количества простых операций, отсутствие программы, обязательное участие человека в управлении, простой переход (переналадка) от одной операции к другой в различных последовательностях без прекращения работы, ограниченность числа выполняемых производственных операций являются основными признаками телеоператоров.
При управлении телеоператорами используются огромные информационные и адаптивные способности человеческого мозга, поэтому телеоператоры будут очень широко применяться для работ в опасной для человека среде, в том числе для работы в космическом пространстве.
Промышленный робот — это автономно функционирующая машина-автомат, предназначенная для воспроизведения некоторых двигательных и умственных функций человека при выполнении вспомогательных и основных производственных операций без непосредственного участия человека и наделенная для этого некоторыми его способностями (слухом, зрением, осязанием, памятью и т. п.),.а также способностью к самообучению, самоорганизации и адаптации, т. е. приспособлению к внешней среде.
Промышленных роботов в таком их понимании человечество еще не создало; пока разработаны и применяются роботы, не обладающие устройствами типа органов чувств человека и способностью «мыслить», однако существующие машины этого класса, характеристики которых по ряду параметров превосходят механические руки, стали называть промышленными роботами. Во всех случаях промышленный робот состоит из программатора, (системы управления) и манипулятора (силового исполнителя), являясь автоматическим манипулятором с программным управлением.
Для выполнения сложных производственных функций робот должен иметь:
1) рабочие органы — «руки» с приводами, а иногда и органы перемещения в пространстве («ноги» или другие устройства);
2) управляющую систему или вычислительную машину с памятью (ею может быть централизованная ЭВМ, осуществляющая групповое управление несколькими роботами, снабженными более простыми индивидуальными управляющими устройствами);
3) комплекс датчиков состояния внешней среды, а также датчиков рабочих органов робота.
Для обеспечения работы робота нужен комплекс средств общения человека с роботом, необходимых для ввода команд, контроля функционирования и т. п.
Внедрение роботов является дальнейшим развитием процесса механизации и автоматизации труда, когда функции человека передаются машине.
Промышленные роботы создают условия для качественного скачка в автоматизации путем организации комплексно-автоматизированных участков и цехов, управляемых ЭВМ, при этом роботы восполняют недостающее звено в цепи автоматизации.
В отличие от традиционных методов автоматизации массового производства на базе автоматических линий автоматизация с применением промышленных роботов имеет ряд преимуществ:
— сравнительная простота обеспечения сколь угодно сложной циклограммы работы исполнительных органов, включая их движение по плоским и пространственным траекториям, изменение скоростей, ускорений и нагрузок, смену рабочего инструмента и т. д.;
— простота переналадки циклограммы работы оборудования;
— средства, затраченные на проектирование универсальных и специализированных роботов, не требуется расходовать вторично при переходе роботов от одной работы к другой;
— стоимость внедрения автоматических линий обычно выше стоимости внедрения роботов (последние подвергают отладке при их изготовлении, а отладку и регулировку линий производят непосредственно при их внедрении).
При внедрении роботы требуют, как правило, только кратковременной ручной настройки на заданную программу и выбор блокировок, в то время как с момента принятия решения об автоматизации производства до его реализации без применения роботов проходит значительное время, за которое оборудование и технология нередко успевают устареть.
Специалисты одной американской фирмы изучили различные проекты автоматизации производства на основе специальных автоматических машин и сопоставили их с возможностями промышленных роботов. Было исследовано 74 различных проекта автоматизации с учетом времени проектирования и внедрения. Были получены следующие данные: для восьми проектов это время не превышало шести месяцев, для 47 проектов составило больше года, для остальных — от шести месяцев до года. Принятым проектом автоматизации предусматривалось использование специального станка-автомата. Пока этот механизм проектировали, изготовляли и отлаживали, уже эксплуатировался промышленный робот «Юнимейт» (семь дней в неделю при трехсменной работе) и полностью окупил затраты на его покупку и уход.
С применением роботов связано новое направление автоматизации ручных работ в серийном производстве, основанное на комплексном применении автоматизированного технологического оборудования и промышленных роботов, что позволяет высвободить часть основных и вспомогательных рабочих нз производственного цикла.
Применение роботов стимулирует переход на прогрессивные методы поточного производства и создает предпосылки автома-
тизации как отдельных производственных позиций, так и производства в целом.
На основе роботов можно объединить оборудование в координированно работающие технологические комплексы различного масштаба, не связанные жестко по планировке и числу комплектующих агрегатов. Такие комплексы обеспечивают оптимальную структуру технологических процессов в широком диапазоне серийности изделий. Открываются новые возможности эффективной организации серийного производства, суть которых заключается в автоматизации и централизованной координации материальных и информационных производственных потоков на основе применения роботов и средств вычислительной техники.
При ручной загрузке станков или сборке изделий выпуск продукции за определенное время является переменной величиной, колебания которой обусловлены физическим состоянием рабочего и его квалификацией.
В таких условиях трудно синхронизировать работу станков и добиться оптимальной их производительности. С применением роботов эти задачи упрощаются. Роботы выравнивают и стабилизируют производительность отдельных станков, что упорядочивает производство и создает предпосылки для оптимальной его организации.
Особо благоприятные условия для применения промышленных роботов создаются в связи с развитием программного управления различным технологическим оборудованием, применением высокопроизводительного специализированного и универсального оборудования, повсеместным внедрением вычислительной-техники в производство.
Высокопроизводительные металлорежущие станки, контрольные установки, литейное, кузнечно-штамповочное, сварочное, гальваническое, термическое и другое оборудование с программным управлением, конвейеры с автоматическим адресованием грузов, автоматизированное складское хозяйство требуют использования гибких и производительных средств автоматизации ручных операций по загрузке — разгрузке и управлению автоматизированным технологическим оборудованием. В этих условиях промышленные роботы становятся необходимым элементом автоматизированного производства.
Важная особенность применения роботов состоит в том, что они позволяют наиболее просто совмещать в едином цикле не только загрузочно-разгрузочные, но и основные технологические операции. Учитывая накопленный опыт, можно указать следующие области наиболее рационального применения промышленных роботов в настоящее время:
1) при транспортировке, загрузке и выгрузке заготовок и изделий; смене инструмента и оснастки на технологическом оборудовании и машинах;
2) для автоматизации процессов складирования заготовок, деталей и инструмента;
3) при непосредственном осуществлении ряда технологических операций (мойка, очистка, окраска, сварка, газовая резка
и др.);
4) для автоматизации процессов сборки и разборки узлов и изделий, а также для автоматизации контроля и испытаний.
Промышленные роботы позволяют более полно использовать возможности технологического оборудования, повысить производительность труда, высвободить большое количество людей, занятых на вспомогательных операциях, и тем самым создают предпосылки для повышения коэффициента сменности работы оборудования, а главное — дают важный социальный эффект в связи с освобождением человека от неквалифицированного, тяжелого, утомительного, однообразного, а также вредного для здоровья труда.
В условиях планового социалистического хозяйства комплексная автоматизация обеспечит огромный рост производительных сил, повысит эффективность общественного производства в интересах всего народа.
В будущем человек не будет участвовать в производственных процессах, которые могут выполняться автоматами намного лучше его. Человеческий мозг с его удивительной способностью быстро принимать и менять решения будет использоваться для решения сложных творческих задач.
В зависимости от степени совершенства и главным образом от их информационных возможностей промышленные роботы подразделяют в настоящее время на три поколения.
К первому поколению относятся роботы УМ-1, «Версатран». «Юнимейт» и другие аналогичные модели, не обладающие устройствами типа органов чувств человека для сбора информации о внешней среде, однако имеющие память, которая позволяет легко обучаться. По сравнению с механической рукой роботы первого поколения легко переналаживаются на выполнение различных операций. Они универсальны и применяются, в основном, в машиностроительной (металлообрабатывающей) промышленности.
Роботы первого поколения работают по жесткой программе, для управления ими используется память на твердых элементах, на магнитных лентах, дисках, барабанах и других программоносителях. В большинстве роботов первого поколения используются системы с ЧПУ. Роботы запоминают программу и способны выполнять ее в автоматическом цикле любое число раз. Применение жестких программ, введенных в память робота, существенно упрощает его конструкцию, облегчает переналадку. Однако многие производственные операции (например, сборочные, монтажные) из-за сложности не могут быть запрограммированы жесткой программой. Для таких процессов требуются роботы,
обладающие способностями самообучения, адаптации к внешним условиям и большей информационной мощностью.
В роботы второго поколения частично закладываются самоорганизующиеся системы управления, обучения и адаптации с использованием ЭВМ.. Информация о внешней среде собирается в процессе движения руки человека или робота. Управляющей ЭВМ задается только конечная цель процесса.
Первым представителем этого поколения роботов, вероятно, можно считать «руку Эрнста», созданную в Массачузетском технологическом институте. Этот робот обладает зачатками целесообразного «поведения» при взаимодействии с внешней средой. Программа носит общий характер, содержит лишь алгоритм поиска. Схват руки очувствлен благодаря расположенным на нем датчикам; спереди схвата вмонтирован фотодиод, подающий сигнал еще до соприкосновения с деталью или препятствием.
Экспериментальные образцы роботов второго поколения уже создаются в СССР, США, Японии и других странах.
Начата разработка роботов третьего поколения (9, 23, 61, 75].
Созданные системы этих роботов относятся к первым экспериментальным вариантам, способным распознавать предметы в пространстве, вырабатывать планы решения поставленных перед ними задач и контролировать их выполнение с использованием совокупности анализаторов (зрительных, слуховых и др.). Круг задач, решаемых этими системами, пока еще очень ограничен. Объектами манипулирования могут быть предметы с плоскими поверхностями или поверхностями тел вращения; внешняя среда для перемещения робота также имеет упрощенный вид, но уже проводят эксперименты по созданию роботов для решения более сложных задач.
Информационные возможности роботов третьего поколения значительно выше, чем второго. Они обладают большей автономностью и «разумностью» действий, более высоким быстродействием и точностью позиционирования по сравнению с роботами второго поколения. В роботах третьего поколения сбор информации может осуществляться независимо от движения руки и предшествовать ему.
Роботы третьего и следующих поколений должны обладать гораздо большей информационной мощностью, более эффективной обработкой собираемой информации и совершенством программ.
В будущем, очевидно, будут созданы устройства распознавания не только зрительных, но и звуковых образов, а также адаптивные системы рационального «поведения» роботов в сложной, опасной и быстроменяющейся обстановке.
Академик И. И. Артоболевский отмечает, что в наше время качественно изменилось само понятие машины [1]. Теперь маши-
2 Заказ 3483
17
на в ряде случаев служит для замены, облегчения и повышения производительности не только физического, но и умственного труда, а иногда и физиологических функций человека.
При создании промышленных роботов не ставят задачу скопировать форму человека и «конструкцию» его руки, не требуют воспроизведения бесконечного по богатству и сложности набора движений, который может применить человек. Живому организму свойственно чрезвычайно большое число степеней свободы (только рука человека имеет их 27). Этого не имеют самые сложные механизмы.
Труд сделал человеческую руку тончайшим, непревзойденным инструментом. Ее пальцы по желанию могут двигаться медленно или быстро, способны к самым тонким дифференцированным движениям, а при надобности проявляют достаточную силу, что очень трудно воспроизвести в механизмах.
В промышленных роботах заложена идея функционального моделирования производственных процессов, состоящих из циклически повторяющихся вспомогательных и основных операций. Роботы обладают сейчас грузоподъемностью до 40—50 кг, имеют пять-шесть степеней свободы рабочих органов и снабжены сменными операционными механизмами: схватами, силовыми головками и т. п. «Рука» робота является приближенным аналогом руки человека и может выполнять те же действия, которые выполняются рабочим при взятии, перемещении и установке деталей или изделий.
Движения осуществляются от системы программного управления (ПУ). Быстрота и точность действий роботов уже сегодня соизмеримы или превосходят возможности человека. Функциональная универсальность, программируемый рабочий цикл, быстрота переналадок обеспечивают широкие технологические возможности роботов.
При переносе грузов малой массы (до 1,5 кг) человек движется быстрее робота (рис. 1), особенно когда груз перемещается на расстояние, наиболее удобное для человека (в пределах 40 см от плеча). Различие во времени перемещения груза малой массы для человека и 'робота становится небольшим, когда расстояние превышает 50 см. Время перемещения тяжелого груза (более 10 кг) человеком больше при любом расстоянии и увеличивается пропорционально расстоянию.
Таким образом, наиболее эффективная область применения роботов — это перенос грузов массой свыше 10 кг на расстояние, превышающее радиус действия руки человека.
На симпозиуме по роботам, проходившем в 1972 г. в Чикаго, много внимания было уделено использованию роботов в разных отраслях промышленности. В докладе представителя Центральной научно-исследовательской лаборатории фирмы «Хитачи» (Япония) отмечалось, что есть некоторые области, где роботы более предпочтительны, чем другие средства механизации и автоматизации.
На рис. 2 показаны области использования ручного труда и различных средств механизации и автоматизации. На этом графике видно, что ручной труд рационально применять при очень малой продолжительности работ и малой массе изделий, а специальную автоматизацию — для гораздо большей продолжительности и более тяжелых изделий. Между этими двумя областями лежит область оптимального использования роботов.
Однако ряд факторов может оказать существенное влияние и сместить область рационального применения роботов в ту или иную сторону, например, на рискованных работах с малой 'продолжительностью предпочтение следует отдать роботам. Такой широкий диапазон «профессий» роботов в сочетании с быстрой переналадкой обеспечивает успех их применения.
Некоторые роботы могут обладать органами чувств, которых нет у человека, например, реагировать на радиоактивность, изменение температуры в тысячные доли градуса, «чувствовать» электромагнитные поля, «слышать» ультразвуки. Что же касается рабочих движений, то робот может в некоторых случаях выполнять движения, недоступные для человека.
Механические руки, телеоператоры и промышленные роботы как машины состоят из двух обязательных частей: командного (или управляющего) устройства и исполнительного механизма, который в последнее время часто называют манипулятором, т. е. механизмом, воспроизводящим некоторые двигательные функции рук человека.
Исполнительный механизм, воспроизводящий двигательные функции ног, называют педипулятором или шагающей машиной.
Несмотря на обширность издаваемой литературы по роботам и манипуляторам, научно-обоснованной классификации их пока еще нет. Предлагаемая классификация (рис. 3) по мере получения результатов теоретических и экспериментальных исследований должна быть уточнена и дополнена.
Многообразие устройств, относящихся к классу промышленных роботов и предназначенных для автоматизации ручного, тяжелого, вредного, опасного или монотонного труда, можно классифицировать по
— назначению;
— степени универсальности;
— кинематическим, геометрическим, энергетическим параметрам;
— методам управления (степени участия человека в программировании работы робота).
По назначению известные в настоящее время роботы могут быть укрупненно распределены на следующие три группы: для научных целей, для использования в производстве, в сфере обслуживания.
Ниже приведены примеры использования телеоператоров и роботов для научных и промышленных целей.
К человеку все чаще и чаще предъявляются требования, выполнение которых ограничено его биологическими возможностями (в условиях космоса, повышенной радиации, больших глубин, химически активных сред и т. п.).
При обследовании планет и других космических тел транспортные средства должны быть оснащены манипуляторами для связи экипажа с внешним миром. Если же аппарат не обитаем, то манипуляторы должны иметь телеуправление с Земли. В таких автоматических аппаратах «руки» телеоператора — важнейшее средство активного взаимодействия с окружающей средой.
При выполнении разнообразных работ на спутниках с успехом могут быть применены телеоператоры и роботы.
Телеоператоры на спутниках предназначены для их ремонта и обслуживания.
Для исследования планет разработано много проектов космических роботов и телеоператоров. Американский проект «Викинг» предусматривает посадку на Марс лаборатории для взятия проб грунта с помощью перемещаемых дистанционно управляемых аппаратов типа советского «Лунохода-1».
Применение телеоператоров при космических исследованиях может быть самым разнообразным.
Характерным примером устройства, управляемого человеком и предназначенного для выполнения трудовых процессов в нежилой среде, является рабочая платформа «космическое такси» (рис. 4).
Пользуясь этими платформами, не связанными с космическим кораблем, можно выполнять строительные, ремонтные и эксплуатационные работы. Указанные платформы сконструированы и изготовлены отделением «Мисайлс энд спейс» фирмы «Эйр спейс корпорэйшн» ЛТВ с участием «Линг-Темко-Вот, Инк» по кон- тракту с Космическим центром NASA. Маневрируемая рабочая платформа представляет собою миниатюрный цех, работающий в открытом космосе, в котором одетый в скафандр астронавт может маневрировать, перемещаться к собираемым конструкциям, закрепляться на рабочей площадке с помощью растягивающихся элементов крепления и якорных схватов. Кроме якорных схватов, у нее есть манипуляторы с дистанционным I или ручным управлением, своя силовая установка, система автоматической стабилизации, источник питания, система жизнеобеспечения, средства связи, индикаторное и другое оборудование. Все это работает независимо от основного космического корабля. Рабочая платформа может манипулировать массой 100 кг.
При использовании дополнительной грузовой платформы, которая может быть собрана в космосе без инструментов из взаимозаменяемых алюминиевых труб, она может вместить значительно больше грузов: около 160 кг бортового оборудования и 320 кг материалов, получаемых извне. Перемещение и маневрирование рабочей платформы осуществляется с помощью 25 реактивных двигателей.
Телеоператор может управляться с Земли или космического корабля и выполнять самые разнообразные операции. Экономия в результате применения телеоператоров по сравнению с полетом человека в космос составляет соотношение 1 : 50.
В ФРГ Министерством по науке и технике разработана антропоморфная машина — телеоператор «Синтельмэн» (сокращение от «Синхронтеле-манипулятор»). Через усилители оператор может манипулировать грузами до 25 кг на больших расстояниях с помощью стереотелевизионной системы.
Человек, с закрепленными на его руках и ногах датчиками (рис. 5,а), управляет движениями машины (рис. 5,6), находящейся на большом расстоянии (например, на поверхности Луны).
Не менее обширное применение телеоператоры и роботы нашли при различных работах на больших глубинах морей и океанов. Раньше человек опускался на глубину в специальном аппарате и был несколько пассивным наблюдателем, теперь построенные в последнее время подводные аппараты оснащены «руками», которыми управляет человек, находящийся внутри глубоководного аппарата.
Мировой океан занимает свыше 70% площади земного шара и его богатства неисчислимы. Полезные ископаемые, скрытые под толщей воды, могли бы обеспечить потребности нашей планеты на десятки и сотни тысяч лет. Без телеоператоров невозможно производить подводную геологическую разведку и добычу полезных ископаемых.
Телеоператоры и роботы применяются для прокладки кабеля на глубине, поиска и подъема затонувших кораблей и грузов, для различных исследований недоступных морских глубин.
С 1964 г. начата разработка подводных лабораторий, которые размещаются в батискафах. В Японии был создан батискаф для прокладки подводного кабеля без участия людей. Были созданы для этих целей телеоператоры «Кёрв» и «Мобот», которые управляются дистанционно с судна или подводной станции и оснащены гидролокаторами и телевизионными камерами.
Во Франции разработана подводная лаборатория для киносъемок, захвата и перемещения предметов.
Центр подводных исследований и разработок военно-морского флота США проводит испытания подводного телеоператора, дистанционно управляемого с корабля. Телеоператор снабжен телевизионной камерой и двумя «руками» — схватами, которые могут на глубине манипулировать грузом до 90 кг (на суше этот груз эквивалентен 230 кг). Телеоператор находится на платформе длиной 33 м, длина кабеля, соединяющего его с оператором, более 6 км. Телеоператор может укладывать кабель, завертывать гайки, менять инструменты, поднимать грузы с глубины более 6000 м.
В СССР создан и прошел испытания электрогидравлический робот с управлением от ЭВМ для геологических исследований на морской глубине.
Кроме перечисленных областей применения в опасных условиях телеоператоры и роботы используются при ремонте и замене ядерных двигателей, во время работ в зараженных зонах, в шахтах.
Профессор Меридит Тринг (Англия) ведет работы по созданию телеоператора-шахтера. Его прототип — двухметровая танкетка, снабженная особыми «гусеницами», которые позволяют ей не только двигаться по земле, но и прикрепляться к кровле выработки. Оператор остается на поверхности в особой кабине, откуда руководит действиями машины, «руки» которой повторяют движения рук человека наверху. Телевизионный экран дает оператору возможность следить за ходом работы.
В японском городе Иокогаме уже действует робот-пожарный. Это аппарат 1,8 м высотой, массой — 600 кг. Он самостоятельно перемещается, проникает на те участки пожара, где человеку угрожает гибель. Робот снабжен двумя огнетушителями и телевизионной камерой.
Многие виды производства требуют применения роботов. Использование их освобождает рабочего от труда в изнурительных и тяжелых условиях.
В кузнечном цехе для перемещения и установки на молот тяжелых раскаленных заготовок можно поставить робот.
Роботы могут окрашивать изделия, освобождая человека от пребывания в помещении с распыленной краской.
Наиболее опасными и вредными являются операции с радиоактивными веществами и атомным оборудованием. Такие работы давно выполняют «руками» телеоператоров.
Для работы с ядерными реакторами и радиоактивными установками разработаны подвижные телеоператоры, у которых герметичная кабина снабжена защитными стенками для работы в радиоактивной среде.
В последнее время начинают применять роботы для испытания автомашин, ведутся разработки в целях использования роботов для испытаний летательных аппаратов.
Примеров использования роботов и телеоператоров на вредных и тяжелых работах можно привести множество. Роботы рационально применять на однообразных повторяющихся операциях, например, установка заготовок и деталей на станок. Робот может брать и перемещать хрупкие стеклянные и мелкие детали.
Следует также отметить еще одно направление в технике — это создание специальных усилителей физических возможностей человека — так называемых киборгов (от слов «кибернетический» и «организм»). Это устройство управляется человеком. Наиболее типичной конструкцией такого рода является шестиметровый киборг, созданный специалистами компании «Джене-рал Электрик» (США) для переноски грузов. Эта машина значительно расширяет физические возможности человека и не является автоматом с искусственным интеллектом; в отличие от роботов она не может действовать самостоятельно (по программе), а управляется ногами и руками человека. Машину приводит в движение гидросистема с двигателем мощностью 75 л. с.; максимальная скорость передвижения 8 км/ч. Груз в 225 кг киборг поднимает без особого напряжения оператора, так как нагрузка на его руки и ноги в этот момент не превышает 9 кгс. Создание машины потребовало три года и очень больших затрат. Киборги оборудуются устройствами, способными видеть и слышать дальше и лучше человека. Киборг может воспроизводить руками и ногами любое рациональное количество движений и перемещать при этом огромные грузы.
Фирмой «Дженерал Электрик» создается крупный киборг «Хардимэн», принадлежащий к семейству так называемых экзокаркасов, то есть внешних металлических конструкций — каркасов для оператора.
В лаборатории аэронавтики Корнелльского университета (США) уже десять лет ведутся работы по созданию экзокаркаса, который позволит человеку легко ходить и поднимать одной рукой груз до 340 кг. Киборг состоит из двух каркасов, причем внутренний, легкий металлический каркас находится на теле человека и имеет систему датчиков, передающих команды во внешний силовой каркас, усиливающий действия человека-опе-ратора с помощью гидроприводов. В настоящее время за рубежом ведутся интенсивные исследования взаимоотношений и связей в системе «человек — машина», а также предпринимаются попытки связать киборг с ЭВМ и осуществить дистанционное управление им (работы Бернарда Рота, Шеридана, Марвина Мински, Мошера, Уильяма Брэдли и др.). Целью последних исследований является ввод в киборг программ, которые позволяют ему автоматически (без команд человека) реагировать на
возникновение опасных ситуаций, избегать их или устранять. Недорогие киборги простой конструкции уже находят применение в промышленности США.
Уже сейчас можно назвать ряд областей медицины, где применяются телеоператоры. Советскими учеными созданы протезы рук с биоэлектрическим управлением.
На Выставке достижений народного хозяйства демонстрировался «биоточный манипулятор», который действует как мышечный усилитель, значительно увеличивая силу схвата по сравнению с силой, развиваемой человеком.
В настоящее время ведутся работы по использованию биоэлектрических сигналов, отведенных от здоровых мышц, для восстановления двигательной активности парализованных мыши. Над этой важной и интересной проблемой нового вида взаимодействия человека с техническим устройством (биоэлектрическим управлением) в разных странах работают десятки научно-исследовательских организаций. В будущем предстоит решить проблему использования для управления не только биотоков мышц, но и биотоков центральной нервной системы.
С помощью роботов моделируются функции и поведение живых организмов, чтобы создать совершенные конструкции автоматов, а также моделируются биологические процессы, чтобы проверить правильность их понимания.
Кроме производственного и научного назначения, следует отметить еще применение роботов в сфере обслуживания, например для расфасовки пищевых продуктов. Ведутся разработки проектов домашних роботов с автоматическим управлением, предназначенных для уборки квартиры и мытья посуды. Идеальный автомат для домашних работ будет иметь высоту 1 м, сверху одну складывающуюся «руку». Ее радиус действия — 2 м по горизонтали, а «потолок» — 3 м. Она может перемещать предметы массой до 40 кг. У робота два «чувства»: зрение и
осязание. Он будет способен накрыть на стол и убрать с него, загрузить посудомойку, приготовить постель, произвести в квартире уборку— от стирания пыли до чистки ванны и раковин, может стирать, сушить и гладить белье, чистить овощи.
М, Трингом создан робот-официант — подобие столика на колесах, снабженного большими «щипцами». Он передвигается из кухни в обеденный зал, останавливается перед столом, щипцы захватывают тарелку, стакан, нож, складывают посуду и приборы на поднос. Все это робот «уносит» на посудомойку.
Принцип действия этого автомата очень прост: фотоэлемент «просматривает» стол, обнаружив на нем предмет, включает механизм щипцов, захватывающие и складывающие устройства.
В ближайшем будущем планируется даже создание роботов-нянек и роботов-сиделок. Пока это еще идеи, далекие от их осуществления. Каким будет внешний облик этих роботов? Должен ли робот походить на человека или это не обязательно? Предстоит решить эти и множество других вопросов.
По степени универсальности все роботы можно разделить на три группы:
1) специальные, например, манипулятор для переворачивания и установки в вакууме кинескопов или манипулятор для установки заготовок в специальный штамп. Как правило, эти устройства обладают одной-тремя степенями свободы и работают по строго зафиксированной программе, выполняя простую операцию;
2) специализированные, область применения которых ограничена определенными условиями и пространством. Например, роботы,- имеющие регулируемую длину рук и несколько степеней свободы в пространстве для выполнения только «горячих» работ — литья или термообработки;
3) универсальные устройства, перемещающиеся в пространстве, например, роботы с большим количеством степеней свободы и регулируемой длиной функционирующих конечностей, способные выполнять самые разнообразные операции с широкой номенклатурой деталей. Универсальный промышленный робот общего назначения можно переключить на другую работу и быстро перепрограммировать для выполнения любого в пределах технических возможностей цикла.
По кинематическим, геометрическим и энергетическим параметрам устройства подразделяются следующим образом.
По кинематическим параметрам роботы можно классифицировать в зависимости от количества степеней свободы, возможных вариантов действия и перемещения функциональных органов, а также по скорости их движения.
По геометрическим параметрам как классификационному признаку роботы подразделяют в зависимости от размеров функционирующих органов и диапазонов их линейных и угловых перемещений.
По энергетическим параметрам роботы делят на группы по грузоподъемности (см. рис. 3) и развиваемой мощности.
По методам управления промышленные роботы первых поколений можно разделить на роботы:
— управляемые от систем числового программного управления;
— с цикловыми системами управления;
— управляемые от ЭВМ (управляющих машин, способных собирать и анализировать информацию в процессе действия, реагировать на эту информацию, соответственно изменяя программу).
В настоящее время еще не выработаны четкие принципы и Хстройная система классификации промышленных роботов, но, как правило, их классифицируют по методам управления.
Некоторыми зарубежными фирмами ведутся разработки телевизионных систем дистанционного управления работой манипуляторов. Американская фирма «Стереотроник телевижн» разработала телевизионную систему дистанционного управления, обеспечивающую стереоскопическое изображение зоны действия. Эта система используется в лаборатории Окриджского университета (Англия) при управлении телеоператором, работающим с радиоактивными материалами.
В системах ЧПУ роботов записанная программа многократно повторяется. Изменение характера движений робота может быть достигнуто только вследствие ввода новой программы. Программирование работы таких роботов несложно и является простейшим видом их «обучения».
В этом случае человек осуществляет только периодический контроль за работой робота и смену программы, которая нанесена на магнитную ленту, барабан или перфоленту.
В настоящее время выпускаются роботы, в основном, с двумя видами программного управления: контурным (непрерывным) и позиционным (дискретным). Большинство роботов («Версатран», «Юнимейт», «Аутобот») с позиционным управлением, программирование которых проще программирования роботов с контурным управлением (оно заключается в перемещении механической руки от точки к точке). Количество доступных точек определяет технические возможности робота.
У роботов пока отсутствует функция анализа обстановки; они производят только расшифровку и реализацию программы работы.
Роботы, управляемые от ЭВМ, обладают системой управления, способной собирать необходимую информацию в процессе выполнения работы, перерабатывать ее с помощью электронного «мозга» и вносить необходимые изменения в заранее введенную программу.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
