Основы робототехники и роботизации промышленного производства

Одним из важнейших факторов интенсификации производства является уменьшение доли ручного труда в технологических процессах, особенно на вспомогательных операциях, а также в случае выполнения вредных, тяжёлых и опасных работ. В решении этой проблемы немаловажная роль отводится роботизации производства.

В общем случае роботизация является одним из направлений, одним из составляющих элементов комплексной автоматизации производства и представляет собой использование промышленных роботов и их систем в промышленном производстве.

Промышленные роботы эффективно включаются в автоматические линии, становятся частью гибких автоматизированных производств, способны быстро и без существенных затрат перестраиваться на производство изделий различных видов, приспосабливаться к изменяющимся условиям производства.

Представляя собой новый вид рабочей машины, роботы могут эксплуатироваться изолированно или целыми комплексами, управляемыми ЭВМ. Особенно ценное достоинство промышленных роботов - способность к быстрой переналадке на изготовление новой продукции (нередко достаточно для этого поменять программу). Это свойство роботов важно для обрабатывающих отраслей промышленности, где около 50 % объёма производства приходится на малые и средние партии. В условиях традиционного производства при изготовлении изделий небольшими партиями непосредственно чистое время механической обработки занимает 5 % общего рабочего времени, а остальное приходится на подготовку станка и деталей, настройку инструмента, крепление и снятие деталей и т.д. Применение промышленных роботов изменяет это соотношение и значительно повышает производительность обработки. Кроме того, использование роботов даёт значительный эффект в экономии сырья, материалов при рациональной организации производственного процесса.

Широкое использование роботов не только в машиностроении, но и в других отраслях народного хозяйства, заставляет говорить о таком новом направлении в технологии, как о робототехнологии, представляющей собой совокупность методов обработки, изменения состояния, свойств, формы предмета труда с использованием промышленных роботов или их комплексов на основных и вспомогательных стадиях процесса производства готовой продукции.

Прежде чем рассмотреть основы роботизации производственных процессов, дадим классификацию промышленным роботам.

Впервые термин “робот” появился в начале XX века в пьесе Карела Чапека “R.U.R.” (“Россумские универсальные роботы”). Термин робототехника (роботикс) впервые ввёл в обиход писатель-фантаст Айзик Азимов в рассказе “Скиталец”. С тех пор эти термины используются не только в фантастике, но и в научной литературе.

Современная общепринятая трактовка термина “промышленный робот” была принята XI Международным симпозиумом по промышленным роботам (Токио, 1981).

Промышленный робот - многократно программируемое многофункциональное устройство, предназначенное для манипулирования и транспортирования деталей, инструментов, специализированной технологической оснастки посредством программируемых движений для выполнения разнообразных задач.

С точки зрения истории развития робототехники различают три поколения промышленных роботов:

· роботы первого поколения (программируемые роботы) характеризуются тем, что они выполняют совокупность жёстко запрограммированных операций, эти роботы “глухи”, “немы” и “слепы”;

· роботы второго поколения (адаптивные роботы) используют сенсорную информацию об окружающей среде, чтобы корректировать своё поведение при выполнении производственной операции;

· роботы третьего поколения - это интеллектуальные роботы, наделённые “здравым смыслом”, “чувствами”, способные распознавать разнообразные объекты внешнего мира, обладающие способностью действовать самостоятельно.

По роду деятельности промышленные роботы подразделяются на три группы:

· технологические роботы, непосредственно выполняющие технологические операции (сборку, сварку, окраску и т.д.);

· подъёмно-транспортные роботы, занятые выполнением операций складирования, перемещения, подачи заготовок и т.д.;

· комбинированные роботы, выполняющие действия роботов первых двух групп.

В производстве промышленные роботы применяются:

· для выполнения основных операций технологического процесса изготовления изделия (сборки, сварки, нанесения покрытий и т.д.);

· для обслуживания основного технологического оборудования (станков прессов, литейных машин) и выполнения других вспомогательных операций.

На основе промышленных роботов создаются роботизированные технологические комплексы (РТК).

Различают следующие разновидности роботизированных технологических комплексов:

· манипуляционные РТК, у которых основной исполнительный орган оканчивается захватом или каким-либо инструментом;

· мобильные РТК (колёсные, шагающие, гусеничные), используемые, как правило, в экстремальных условиях работы (в космических полётах, под водой, в полевых условиях и т.д.);

· информационно-управляющие РТК могут не иметь механически движущихся исполнительных устройств, они следят за ходом протекания технологических процессов, обрабатывают информацию, поступающую от каких-либо внешних источников, и в случае необходимости вносят коррективы в протекание контролируемого технологического процесса.

Объединение группы робототехнических комплексов в одну технологическую цепочку изготовления какой-либо продукции позволяет создавать роботизированные автоматические линии (РАЛ). На одной такой линии могут производиться в автоматическом режиме обработка резанием, термообработка, сварка и т.д.

Достоинства роботизированных автоматических линий:

· высокая производительность и качество выпускаемой продукции;

· совмещение рабочих и вспомогательных процессов во времени;

· высокая мобильность и переналаживаемость.

К недостаткам роботизированных автоматических линий следует отнести в первую очередь высокие капитальные затраты, которые, однако, окупаются в условиях гибкого производства и в случае полной загрузки оборудования.

Обычно конструкцию промышленного робота разделяют на три основных компонента:

· механическую руку (рабочий орган);

· механический привод;

· управляющую часть (контроллер).

Механическая рука - это рабочий орган промышленного робота. Рабочие органы могут иметь различное функциональное назначение и, соответственно, иметь разнообразную форму: захватов, инструментов, приспособлений, датчиков и т.д.

Большинство рабочих органов предназначено для захвата предметов. Захваты не только берут, например, заготовки, но и центрируют, ориентируют их, осуществляют различные пространственные перемещения и т.д. Конструктивно захваты изготавливают различными в зависимости от вида предметов. Вакуумные захваты используются при перемещении предметов с ровными и чистыми поверхностями. Стальные и чугунные изделия поднимают, используя электромагниты. Адгезионные захваты основаны на использовании сил сцепления (“липкий” захват); при возможности внедрения в поднимаемый предмет без ухудшения его качества или без его разрушения, используют прокалывающие захваты.

К механической руке робота кроме различных захватных устройств прикрепляют различные инструменты и датчики.

Типичными инструментами являются аппараты для точечной сварки, дуговой сварки и резки, нагревательные паяльные лампы, пистолеты для окраски напылением, клейкие и изоляционные ленты, приспособления для автоматического завинчивания гаек, свёрла, зенкеры, шлифовальные устройства, лазеры и т.д.

Сенсорные датчики используют при определении точности физических размеров деталей, ультразвуковые - для обнаружения трещин и т.д.

Вторым структурным компонентом промышленного робота является механический привод.

Источником питания любого промышленного робота является в большинстве случаев электрическая энергия, которая, в конечном счёте, преобразуется в механическую энергию движения рабочих органов робота, осуществляющих какие-либо манипуляции в соответствии с целью технологического процесса.

Любопытно, что если энергию, затрачиваемую роботом, сравнить с энергией, затрачиваемой человеком при выполнении той же работы, то окажется, что робот потребляет энергии в сто раз больше. Это является проявлением технологической неэффективности современных робототехнических приводов по сравнению с человеческой мускульной тканью.

В настоящее время в промышленных роботах наиболее широко используются пневматические и гидравлические приводы, электроприводы. Пневматические приводы сравнительно дёшевы, бесшумны и надёжны, их легко монтировать и обслуживать. Однако они непригодны для скоростного перемещения механической руки и точного контроля её положения.

Третьим существенным элементом любого промышленного робота является его управляющая часть (контроллер), или, как иногда говорят “мозг” робота.

На нижнем уровне своего функционального назначения контроллер выполняет несколько функций: начинает, управляет и заканчивает любые движения руки робота, контролируя её перемещение к определённым точкам в определённой последовательности; контроллер должен хранить в памяти все эти точки, ориентации и последовательности, так же как и взаимодействия с любыми внешними датчиками и устройствами, которые могут быть связаны с роботом. Таким образом, контроллер регулирует потоки энергии в системе, чтобы выполнить заданную операцию.

Использование в современных управляющих системах микрокомпьютеров открывает большие возможности для программирования действий промышленного робота, обеспечивает большую гибкость при простоте работы. Возросшая вычислительная мощность компьютеров позволяет использовать целые библиотеки часто применяемых программ. Это в свою очередь облегчает “общение” компьютера с внешним миром делает его всё более интеллектуальным. Появляется возможность обучения робота новым операциям не только с помощью текстуального программирования, но и путём показа. Использование в робототехнических комплексах быстродействующих микрокомпьютеров нового поколения, способных перерабатывать сенсорную информацию (зрительную и осязательную), получаемую роботами, формировать соответствующие управляющие воздействия - ещё один шаг к созданию искусственного интеллекта и к промышленному внедрению интеллектуальных роботов в различных отраслях народного хозяйства.

Основными техническими характеристиками функционирования промышленных роботов являются:

· производительность;

· точность;

· способность к повторяемости;

· надёжность;

· качество.

Производительность или скорость выполнения операций характеризует количество операций (количество изготовленной продукции) в единицу времени.

Точность характеризует степень соответствия фактической позиции робота желаемой или заданной. Различают воспроизводимую и динамическую точность.

Воспроизводимая точность относится к оценке различия между позицией, записанной во время обучения и фактической позицией при последующем воспроизведении.

Динамическая точность характеризует степень приближения фактического движения руки робота к расчётному.

Способность к повторяемости - способность робота многократно воспроизводить однотипные движения с одной и той же, фиксированной точностью.

Надёжность робота характеризует степень его устойчивой работы без аварийных установок и поломок в нормальных условиях эксплуатации.

Качество промышленного робота - это интегральная характеристика, вытекающая из предыдущих и определяющая его технический уровень.

Наибольшее применение промышленные роботы и робототехнические комплексы нашли в машиностроении.

В литейном производстве использование роботов связано с обслуживанием литейных машин. Использование роботов на всех операциях технологического процесса литья от сборки форм и заливки жидкого металла до обрубки литниковых систем и очистки отливок увеличивает производительность, точность, обеспечивает безопасность работ, повышает коэффициент использования основного оборудования.

Например, при литье под давлением литейную машину обслуживают три робота. Один из них подготавливает формы для заливки, покрывает внутреннюю поверхность равномерным тонким слоем разделительного состава. Второй заливает подготовленные формы жидким металлом. Третий вынимает готовые отливки, при необходимости подвергает их термообработке и отделочным операциям. Работая в три “руки” комплекс заменяет сразу двух человек, избавляя их от вредного и тяжёлого труда.

В процессах обработки металлов давлением промышленные роботы нашли наибольшее применение в операциях ковки, штамповки, прессования. Роботы способны в течение длительного времени переносить раскалённые тяжёлые заготовки с высокой скоростью, работая в агрессивной среде. Рука робота способна, например, обеспечить чёткое фиксирование заготовки в полости штампа, особенно при многоручьёвой штамповке.

Термообработка и химико-термическая обработка являются идеальными технологиями для роботизации, причём достаточно использование сравнительно простых конструкций роботов с позиционным управлением. Кроме того, замена человека роботом в этих процессах, осуществляемых в агрессивных средах и при высоких температурах, несомненно является прогрессивным мероприятием.

Использование роботов в процессах механической обработки деталей наиболее целесообразно в случае, когда робот обслуживает несколько станков, при этом в программу действий робота входят функции установки детали в патрон станка, после обработки - снятие её, транспортирование на другой станок и т.д. Если сигнал об установке детали поступает к роботу сразу с двух станков, робот обслуживает сначала тот, чей рабочий цикл продолжается дольше. Круг обязанностей робота достаточно широк: он проверяет, в достатке ли запасены заготовки у каждого станка, производит разбор заготовок по размерам, измеряет их длину и диаметр, проверяет степень соответствия полученных размеров требованиям чертежа и т.д. Чтобы робот повсюду поспевал, у него есть собственная транспортная сеть.

Профессию сварщика промышленные роботы освоили одной из первых и до сих пор продолжают совершенствоваться в ней. В 70-ых годах одним из главных приложений промышленных роботов стала автоматическая точечная сварка. Выполнение точечной контактной сварки роботом позволяет освободить человека от тяжёлой и нудной работы, обеспечить высокое качество соединения вне зависимости от места соединения и профиля соединяемых деталей за счёт более точного размещения точек соединения. Роботы освоили и такой трудоёмкий вид неразъёмных соединений, как электродуговую сварку. Робот, снабжённый устройствами переработки зрительной и осязательной информации, способен образовывать шов сложной конфигурации, обеспечивая высокое качество соединения за счёт поддержания устойчивой дуги по мере продвижения вдоль сварного шва. Перспективно использование промышленных роботов при лазерной сварке и резке (раскрое) материалов.

Успехи в создании клеев способствовали широкому внедрению промышленных роботов и в клеевую технологию. Клеевые работы могут выполняться кистью или краскопультом, а также тепловым пистолетом (для горячерасплавленных клеев). Робот выполняет клеевые работы производительнее, качественнее и точнее человека, обеспечивая нанесение равномерного по ширине и толщине слоя клея на склеиваемые поверхности любой конфигурации, точное взаимное расположение склеиваемых поверхностей и равномерную сдавливающую нагрузку с необходимой выдержкой. При этом для робота никакого значения не имеет вредность условий работы.

Неотъёмлемыми составными элементами практически любого производственного процесса в машиностроении являются покрасочные работы и покрытие распылением. В качестве таких покрытий чаще всего используется быстросохнущая краска или эмаль. Равномерное нанесение покрытий тонким слоем, особенно в труднодоступных местах - не только требует высокой квалификации, но и сопровождается выделением токсичных и канцерогенных веществ. Роботы с контурным управлением, обучаемые квалифицированным маляром с использованием специальных методов - когда руку робота проводят по всему циклу заданной работы, или когда для этих целей используют телеоператор, вполне освоили этот вид работ.

Самой ответственной стадией машиностроительного производства является сборочный процесс. В настоящее время роботы осваивают технологию сборочного производства. В ряде производств, например, успешно работают автоматические системы роботов-манипуляторов по сборке трансформаторов, отдельных узлов автомобилей, интегральных микросхем и т.д. Наиболее перспективны так называемые гибкие сборочные системы (программируемые сборочные системы), обеспечивающие высокое качество процесса сборки и высокую производительность при возможности быстрого изменения технологии сборки с переходом на выпуск новой продукции.

Сборка, несомненно, принадлежит к таким областям, где экономия, полученная от успешного применения робототехнических систем, может оказать значительное влияние на развитие промышленности. Наибольших успехов в этом направлении добились автомобильные фирмы “Фиат” и “Фольксваген”. По зарубежным прогнозам сборка станет одной из главных областей применения роботов новых поколений.

Кроме вышеизложенных основных областей использования промышленных роботов в машиностроении, они нашли широкое применение и на вспомогательных работах: при упаковке, укладке, загрузке-разгрузке и т.д.

В последнее время роботы начинают применять и в других отраслях: при производстве изделий из пластмасс, в промышленности строительных материалов, в лёгкой и пищевой промышленности и даже в сельском хозяйстве. Известны, например, конструкции роботов для работы в садах, ягодниках, роботов-животноводов и т.д.

Генеральное направление комплексной автоматизации производственных процессов - не в замене человека при обслуживании известных машин и аппаратов, а в создании высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводительных средств производства, работающих без участия человека.

Правильное понимание сущности автоматизации является необходимой предпосылкой формирования основ технической политики в области роботизации. Поэтому в конкретных производственных условиях необходимо руководствоваться определёнными принципами, обеспечивающими эффективность роботизации.

Первый принцип - принцип достижения конечных результатов: средства роботизации должны не просто имитировать или замещать действия человека, а выполнять производственные функции быстрее и лучше, лишь тогда они будут по-настоящему эффективны.

Второй принцип - принцип комплексности подхода. К сожалению, довольно часто роботизацию на вспомогательных элементах производства совмещают с отсталой технологией основного производства.

Третий принцип - принцип необходимости: средства роботизации должны применяться не там, где их можно приспособить, а там, где без них нельзя обойтись. К сожалению, нередко роботизацию пытаются свести к созданию технических средств, лишь имитирующих действия человека. Четвёртый принцип - принцип своевременности: не нужно устраивать конкуренцию человеку там, где он справляется эффективнее, чем робот. Например, при установке деталей на металлорежущем станке замена действий человека на движения робота качество обработки и производительность процесса обработки не увеличивает. Более того, на современном уровне развития робототехники ручная установка деталей весом до 4 кг выполняется человеком в несколько раз быстрее. С другой стороны, применение роботов на операциях сварки, окраски, нанесения гальванопокрытий, в литейном производстве позволяет существенно повышать качество продукции прежде всего за счёт стабилизации технологических процессов. Производительность здесь повышается за счёт быстродействия, увеличения грузоподъёмности, точности движений, человек полностью выводится из рабочей зоны и избавляется от труда в неблагоприятной среде.

Подытоживая вышесказанное, необходимо ещё раз подчеркнуть, что значимость промышленных роботов не в замене человека при обслуживании известных машин. Промышленные роботы являются тем недостающим звеном, которое позволяет объединять разрозненное технологическое оборудование в комплексные гибкие автоматизированные производственные системы машин и аппаратов. Именно таким системам принадлежит будущее.