|
Промышленные роботы стали общепризнанным символом движения за автоматизацию производства, причем их место обсуждается уже десятилетиями. Однако, несмотря на всю свою сенсационность, сегодня не они являются самым значительным достижением в области автоматизации производства. За кулисами находятся программируемые контроллеры, микропроцессоры, ЭВМ, управляющие технологическими процессами, и логические системы управления, пользующиеся даже большим успехом и шире применяющиеся в этой области, чем роботы. В то же время все перечисленные устройства могут рассматриваться как члены одной семьи оборудования для гибкой автоматизации, меняющей сегодня систему промышленного производства. В книге описана взаимосвязь между всеми этими устройствами, входящими в автоматизированную систему производства.
О роботах написано много книг, однако в основном в них дано лишь схематичное представление о предмете. Назрела необходимость в учебнике для технических колледжей. Предлагаемая книга изобилует примерами, в конце каждой главы приведены вопросы и упражнения для домашних и классных занятий.
Основное внимание в книге уделено применению роботов и автоматизированных производственных систем, а не их проектированию. Автор попытался сделать книгу полезной для инженеров, технологов и управленческого персонала. Познания из областей высшей математики и программирования для ЭВМ необязательны для понимание материала, но некоторые упражнения составлены в расчете на студента, имеющего такую подготовку.
В прилагаемом к изданию руководстве даны объяснения к упражнениям и приведены рекомендации по отбору класссных заданий в соответствии с предполагаемым составом обучающихся.
Этой книгой можно пользоваться для проведения курса обучения, включающего или не включающего лабораторные занятия. Даже при отсутствии какого-либо оборудования читатель в состоянии проработать все упражнения и понять все темы. Если лабораторные занятия предусмотрены в курсе обучения, руководства по эксплуатации имеющегося оборудования будут полезным дополнением к учебнику. В отличие от роботов промышленные программируемые контроллеры, микропроцессоры и микроЭВМ для управления технологическими процессами недороги, что делает доступным организацию интересных лабораторных работ. Имеются также дешевые настольные демонстрационные роботы. Не следует упускать из виду имеющиеся прекрасные аудиовизуальные пособия для сопровождения материала учебника.
Многие читатели, имеющие отношение к промышленности, хотели бы знать, как начать внедрение роботов и автоматизацию производства — в книге они найдут некоторые предпосылки. В гл. 1 описаны конструктивные особенности изделий и характеристики процессов управления, способствующие увеличению потенциала автоматизации. Иногда подготовка к автоматизации больше дает для повышения эффективности производства на фирме, чем сама автоматизация, о чем свидетельствуют приведенные в тексте примеры из практики. В гл. 2 доступным языком описаны составные части роботов и автоматизированных систем, о которых рассказано в последующих главах. Наличие механизированной подачи, перемещения и ориентации изделий (гл.-З) во многих случаях важно и при применении роботов, в то же время принципы, изучаемые в этой главе, могут быть применены и при работе вручную. Гл. 4 посвящена автоматическим линиям для обработки и сборки изделий, включая анализ надежности интегрированных автоматизированных систем. Разбираться в этом анализе необходимо для понимания последующих глав о робототехнике. В гл. 5 речь идет о станках с программным управлением, предшественниках промышленных роботов и прародителях гибкой автоматизации. Гл. 6—9 полностью посвящены промышленным роботам: их описанию, программированию, внедрению и использованию. В гл. 10 и 11 описаны и проанализированы промышленные логические системы управления — на сегодняшний день наиболее универсальный и широко используемый инструмент автоматизации производства. Эти системы используются и для управления самими роботами, хотя широкая публика видит только робот. В гл. 12 представлены ПК (программируемые контроллеры, а не персональные компьютеры). Использование ПК — наиболее популярный способ внедрения промышленных логических систем управления. Концепцию этих устройств легко понять, владея основами, изложенными в гл. 10 и 11. Проработав гл. 12, читатели сами будут в состоянии создать специализированный робот из стандартных компонентов в противовес предлагаемым готовым покупным промышленным роботам. ЭВМ, управляющие технологическими процессами (гл. 13), используются для управления группами роботизированных ячеек, производственными линиями и даже целыми заводами. В то же время существуют децентрализованные системы, управляемые малогабаритными недорогими микропроцессорами (гл. 14), что является технологическим открытием и движущей силой автоматизации и роботизации. В заключительной гл. 15 введено понятие объединения роботов и систем автоматизации промышленности, рассказано о гибких производственных системах (ГПС) групповой технологии и производствах с комплексным управлением от ЭВМ. В гл. 15 исследованы и проанализированы вопросы этики робототехники и производственной автоматизации.
Книга является начальным курсом производственной автоматизации. Для инженерных специальностей лучше всего начинать изучение вопросов робототехники и автоматизации производства на ранней стадии обучения. Затем студенты, желающие пройти специализацию, могут прослушать следующие курсы более высокого уровня по автоматизированному проектированию и изготовлению с использованием ЭВМ, производствам с комплексным управлением от ЭВМ, ГПС, вычислительной технике или специальные курсы по робототехнике в зависимости от оснащенности лабораторий. Книга может оказаться полезной для высшего управленческого аппарата как в производственной, так и в административной сфере. Предварительный черновой вариант курса хорошо зарекомендовал себя при преподавании на уровне выпускников при привлечении дополнительной литературы и результатов исследований.
Я признателен студентам, работникам и представителям промышленности, сотрудничающим в Центре робототехники и автоматизации Арканзасского университета за их идеи, проекты и опыт, использованные при создании книги. Особой благодарности заслуживает г-н Дэйв Бет, представитель фирмы «Зингер», являющийся членом университетского Центра по промышленности. Во многом помогли также директор Центра профессор В. Рейфер и один из его основателей профессор Р. Элирсон. Конструктивная критика и полезные предложения были получены от рецензентов Д. Бедворта, М. Кейса, Д. Кимблера и X. Янга. Заслуживают особого упоминания Д. Батсон, Д. Ранни, В. Са-риана, А. Янг, Д. Чемпион, Д. Дуглас и Р. Симс. Большую помощь оказал П. Росато из фирмы «Юнимейшен — Вестингауз», предоставив в наше распоряжение много иллюстраций и примеров. Неоценимы были многие таланты моей жены Вики, которая не только перепечатывала рукопись, но также была моим советником и техническим редактором с начала до конца работы.
Р. Асфаль
1. ПОДГОТОВКА к АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1. ВЛИЯНИЕ КОНКУРЕНЦИИ
Дж. Бэйкер, исполнительный вице-президент н руководитель сектора технических систем фирмы «Дженерал электрик», сравнил жестокую конкуренцию в современных отраслях промышленности, выпускающих штучную продукцию, с удавом, сжимающим свою жертву. По словам Бэйкера, существует общее мнение, что эта огромная змея просто бросается с дерева на свою жертву и сжимает ее, пока та не умрет, но на самом деле удав действует более изощренно. Он сильно обхватывает грудную клетку жертвы своими кольцами и каждый раз, как жертва расслабляется и выдыхает воздух, удав выбирает образовавшуюся слабину. После трех или четырех выдохов слабины уже не будет. Жертва быстро задыхается, и удав ее проглатывает [1].
Дж. Бэйкер рассматривает взлеты и спады экономических циклов как элементы циклов «дыхания» промышленности под воздействием конкуренции. Каждый раз, когда сбыт растет, товарно-материальные запасы сокращаются, а уровень прибыли восстанавливается, можно быть удовлетворенным эффективностью производства и с облегчением вздохнуть. Но именно в этот момент удав конкуренции еще плотнее сжимает свои кольца.
Было время, когда конкурентная борьба промышленников за выживание происходила в пределах одной страны. Воздвигнутые по всему миру транспортные, коммуникационные н торговые барьеры создавали условия для изоляции промышленности каждой из стран от зарубежных конкурентов. Еще более важным было то, что финансовые и технологические преимущества сосредоточились в руках немногих развитых стран, которые казались неуязвимыми для руководителей промышленности менее развитых государств. Однако роскошь, которую позволяли себе богатые страны за счет воздвигнутых на пути международной конкуренции барьеров, обернулась их слабостью, стала трещинами в броне, защищавшей их от конкурентов. Эта роскошь — высокий уровень заработной платы, неэффективное руководство промышленностью, устаревшее оборудование — позволила изголодавшимся конкурентам разрушить барьеры и захватить рынки за счет низкого уровня заработной платы, целеустремленного руководства и нового оборудования, вобравшего в себя самые последние достижения технологии, разработанной в тех самых странах, которые находились в осаде.
Любая ностальгическая мысль о былом могуществе промышленных гигантов лишь дает удаву повод для улыбки. Воспоминания о триумфальных днях не спасут промышленность, растерявшую преимущества перед конкурентами.
Для таких отраслей промышленности автоматизация создает возможности для требуемого подъема производительности труда, который позволил бы изменить тенденцию развития, снова завоевать рынки и вырваться из объятий удава. Автоматизация, несомненно, не является новостью, и в широком смысле этого слова, ее появление можно соотнести с временами промышленной революции, когда машины впервые значительно повысили производительность труда рабочих. Однако развитие автоматизации происходило скачкообразно, оно характеризуется рядом крупных достижений. Одним из них было внедрение взаимозаменяемости в производстве, другим — сборочные конвейеры Генри Форда. Эта книга еще об одном таком достижении, которое пока находится в стадии реализации и может со временем стать одним из величайших научно-технических достижений. Хотя слово «робот» вынесено в заглавие настоящей книги, промышленные роботы сами по себе не являются достижением, они — продукт или результат достижения. Роботы стали воплощением современного развития автоматизации производства и привлекают внимание любого инженера, связанного со штучным производством.
Конечно, автоматизация не является единственным способом освободиться из объятий удава. Когда покупательная способность денег падает, реакция трудящихся замечательна. Требование повышения заработной платы прежде следовало почти неизбежно. Лидеры американских профсоюзов 60-х годов не поверили бы своим глазам, если бы им в то время дали возможность ознакомиться с уровнем заработной платы и льготами, обеспечиваемыми профсоюзами в 80-х годах.
Другой концепцией, используемой как оружие в конкурентной борьбе, является участие рабочих в управлении производством. Первой областью, где это оружие было применено, стала борьба за качество, а наиболее популярным термином, характеризующим участие рабочих в управлении производством, стал термин «кружок качества». Японцы первыми применили метод организации кружков качества для преодоления дурной славы, закрепившейся за их некачественной продукцией, выпускавшейся в 50-х годах. Кружки качества призывают заводских рабочих любого уровня делиться идеями, направленными на улучшение качества выпускаемой ими продукции. Призыв нашел отклик, и сейчас Япония имеет репутацию страны, производящей высококачественную продукцию по конкурентоспособным ценам. Сейчас идеей организации кружков качества пользуются и в других странах, особенно в США. Круг их задач расширен и включает, кроме обеспечения качества, вопросы снижения стоимости выпускаемой продукции и обеспечения безопасности работ.
В этой книге описаны виды оборудования и методы, с помощью которых можно обеспечить автоматизацию завода, что Дж. Бейкер назвал «спасательным кругом промышленности». Наряду с указанием путей автоматизации в книге рассмотрены неблагоприятные моменты и подводные камни, встречающиеся на этих путях. Одна из простейших ошибок, которую можно допустить, приступая к автоматизации, это начать ее, не подготовив предварительно продукцию и процесс изготовления. В этой главе указаны пути подготовки завода к автоматизации. Большая часть этой подготовки полезна для любого завода, вне зависимости от того, будет ли он в конце концов автоматизирован или нет.
Конструкция изделия должна обеспечивать его технологичность в изготовлении и сборке. Появление промышленного робота повлекло за собой повышение внимания к конструкции изделий с точки зрения облегчения ориентации, позиционирования и со-прягаемости деталей при сборке. Приятной неожиданностью явилось то, что проработка, выполненная на этапе проектирования с целью обеспечения возможности роботизации транспортных и сборочных операций, приводит также к повышению производительности ручного производства. Существенная часть проектов роботизации выливается в разработку высокоэффективных полуавтоматических процессов производства, в которых роботы могут вообще выпасть из окончательного рассмотрения.
В гл. 3 показано, что большинство автоматов для перемещения и ориентации деталей действуют наощупь, т. е. они используют механические характеристики деталей для осуществления ориентации и позиционирования. Хотя некоторые роботы оснащаются развитыми системами технического зрения для ориентации и перемещения деталей, в большинстве случаев их применение экономически нецелесообразно. Поэтому роботы или автоматизированные системы должны работать «вслепую», и инженеру по автоматизации также полезно закрыть глаза, когда он пытается представить, как они обращаются с деталями.
Симметрия. В некоторых случаях симметрия деталей способствует автоматизации, а в других — делает ее невозможной. Рассмотрим примеры, приведенные на рис. 1.1. Все детали, расположенные справа, симметричны, что делает ориентирование ненужным. Для того чтобы добиться симметрии двух верхних деталей левого столбца, необходима их дополнительная обработка, затраты на которую будут меньшими по сравнению с затратами на ориентирование соответствующих асимметричных деталей. Рис. 1.2 иллюстрирует другую проблему. Если конструктивные особенности каждой детали трудно обнаружить механическим способом, то решение проблемы состоит в нарушении симметрии. Для этого на первой детали сделан дополнительный выступ в нижней части диска. На большем цилиндре второй детали выфрезерована лыска, которая служит для фиксирования угловой позиции отверстия, просверленного в меньшем цилиндре. Штифт на третьей детали также используется с целью фиксирования угловой позиции отверстия, ось которого параллельна оси детали. Эти примеры показывают, как в отдельных случаях нарушение симметрии деталей упрощает процесс автоматизации, причем детали типа цилиндров и дисков являются наиболее вероятными кандидатами на внесение черт асимметрии, потому что без ориентирующих признаков они могут принимать неопределенное число положений. Детали прямоугольной формы однако обычно выигрывают от симметрии, поскольку они могут иметь небольшое число положений и конструктор может сделать все эти положения работоспособными.
Взаимное сцепление деталей. Каждый, кто разбирал ящик с несортированными пружинами, мог прийти к выводу о необходимости специальных конструкций пружин, предотвращающих их сцепление или запутывание. Рис. 1.3 иллюстрирует решение проблемы сцепления пружин и другие примеры конструкций, уменьшающих возможность сцепления. Многие детали имеют отверстия и выступы, функционально не связанные друг с другом и не предназначенные для сопряжения. Соотношение размеров этих элементов деталей должно исключать возможность попадания выступа в отверстие и сцепления деталей.
Конструирование для обеспечения подачи деталей. В гл. 3 рассмотрены механизмы для последовательной подачи деталей друг за другом по транспортной дорожке. Для обеспечения продвижения деталей вперед в этих механизмах используется вибрация или сила тяжести, и усилие передается от детали к детали, когда они подталкиваются сзади. Этот метод особенно хорошо применим для плоских деталей со стабильно заданной ориентацией. Но если детали слишком тонкие или если их кромки имеют скосы, они будут наползать одна на другую (рис. 1.4). Аналогичной является проблема заклинивания деталей, когда соприкасающиеся кромки не перпендикулярны направлению перемещения (рис. 1.5).
Конструирование для сборки сопрягаемых деталей
Сборка сопрягаемых деталей с помощью робота или другого механизма является достаточно сложной технической задачей даже в тех случаях, когда детали правильно ориентированы и выдержан допуск на их изготовление. В гл. 6 раскрыты некоторые секреты, которые помогут преодолеть трудности, возникающие при сборке сопрягаемых деталей, и все же довольно часто можно обеспечить упрощение сборки еще на стадии конструирования. Рис. 1.6 показывает, как использование фасок на деталях облегчает сборку вала со втулкой. Из этого примера видно, что незначительное усовершенствование конструкции деталей является решающим для обеспечения успешного применения промышленных роботов.
Крепежные детали. В гл. 4 рассмотрена конструкция механизма для завинчивания винтов, но все же, надо стараться избегать применения винтов и другого крепежа, так как их использование усложняет процесс сборки. На рис. 1.7 представлена конструкция защелки, которая просто фиксирует деталь на месте. Рис. 1.8 является характерным примером того, как использование принципов конструирования узлов с учетом последующей автоматизации их сборки привело к созданию новой конструкции, в которой один винт заменяет сразу четыре.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
