Рейнгард Геттнер, Нина Зейдевиц

Роботы сегодня и завтра

Промышленные роботы сегодня

Уже давно никто не вспоминает роботов, которых более 60 лет назад Карел Чапек сделал главными героями своей книги «Восстание роботов». Собранные из большого количества жести, заклепок, электрических лампочек, с голосом, как из бочки, а быть может, и «сердцем», внешне они походили на человека и сейчас могут быть только предметом подражания для любителя мастерить или художника. Игрушечный робот из металла и пластмассы, который, если его завести, в состоянии «пройти несколько шагов», а то и посверкать огоньками, вызовет сегодня у ребенка лишь улыбку жалости: «Он же глуп, он может только ходить!». Заметим, кстати, что найти простое решение проблемы балансировки, т. е. сохранения равновесия шагающей игрушки-робота, достаточно трудно.

Промышленность не нуждается в роботах, сделанных по образу и подобию человека. Проблема разработки и создания промышленных роботов имеет технические, технологические, научные, экономические и другие аспекты. Существенные признаки технических систем и их элементов могут иметь сходство с известными системами и элементами из области биологии. Бионика, научная дисциплина, стоящая между биологией и техникой, заимствует для использования в технике решения или принципы у живой природы. К научным областям, занимающимся конструированием и созданием роботов, относятся в первую очередь физика, машиностроение, электроника и наука о труде.

За последние 20 лет роботы приобрели промышленное значение. И все же, несмотря на существенный прогресс, человечество стоит лишь на пороге использования этого великолепного достижения научно-технической революции. В предстоящие десятилетия в еще большей степени возрастет роль робототехники в преобразовании технологических процессов и автоматизации производства. Специалисты считают, что во второй половине 80-х — 90-х гг. промышленная робототехника, созданная на основе микроэлектроники, станет решающим фактором в области роста производства и высвобождения рабочих рук. Она таит в себе поистине революционные возможности, которые приведут, в первую очередь через комплексную автоматизацию и связанное с этим повышение технологического уровня, к коренным изменениям в структуре производства.

Промышленная робототехника открывает возможности для автоматизации в таких областях, где до сих пор она была невозможна либо требовала больших расходов, например в производстве изделий небольшими и малыми сериями.

Промышленная робототехника позволяет улучшать уже известные технологические и производственные процессы, повышать качество готовых изделий.

Оптимальное сочетание революционных и эволюционных изменений в области техники и в сфере производства, как в народном хозяйстве в целом, так и в его отдельных отраслях, — основное условие высокого темпа развития. Всеобъемлющая интенсификация производства и социалистическая рационализация, которые должны привести к кардинальному повышению технологического уровня и постепенному переходу к автоматизации целых участков выпуска готовой продукции, позволят в значительно больших масштабах, чем раньше, добиваться экономии рабочего времени и сокращения рабочих мест.

Высвобождающиеся рабочие руки помогут решить другие важные народно-экономические задачи. Зачастую комплексное использование промышленной робототехники, в свою очередь, приводит к усилению процесса рационализации.

Поколения роботов

Назначение промышленного робота — самостоятельно работать с инструментом, заготовками и материалами для автоматизации главных и вспомогательных производственных процессов. Он либо имеет фиксированную программу по одной или нескольким осям движения, либо приспособлен для самостоятельного выбора программ. Его основная задача — высвободить рабочие руки.

Понятие «промышленный робот» можно определить и более конкретно. Так, группа экспертов из Экономической комиссии ООН для Европы выработала следующее определение: «Промышленным роботом является автоматический, программируемый, гибкий многофункциональный манипулятор с регулируемым передвижением по различным осям, который, согласно программам, операциями перемещает материалы, детали, инструменты и специальное оборудование, выполняя множество задач. Наиболее часто он оснащен одной или несколькими рабочими руками, заканчивающимися шарниром. Его блок управления имеет запоминающее устройство. Иногда применяются сенсорные и другие дополнительные устройства, которые реагируют на внешнее воздействие. Подобные многофункциональные машины, как правило, предназначены для выполнения повторяющихся действий, но могут выполнять и другие функции без изменения оснастки».

Различают промышленные роботы со специализированной и с гибкой программой процессов.

Первые имеют жесткое соединение с самой машиной или ее оснасткой и предназначаются для выполнения какой-либо операции, например для загрузки (в том числе для установки и снятия обрабатываемых деталей) и для автоматической замены инструмента и обрабатываемых деталей.

Загрузка заготовок промышленным роботом. 1 — станок, 2 — деталь, 3 — машинная часть робота, 4 — пульт управления роботом, 5 — магазин.

Промышленные роботы с гибкой программой могут быть переоснащены для выполнения другой рабочей программы. Как правило, это роботы с точечным, линейным или сенсорным управлением. Они экономически выгодны при производстве малых и средних серий. Применяются они для загрузки машин, транспортировки и заполнения магазинов, укладки в штабеля, а также для манипулирования инструментом в технологических процессах, например при сварочных работах, ковке, покраске напылением, удалении загрязнений и т. п.

Особенно эффективны роботы, которые в рамках заданных программ могут свободно манипулировать по нескольким осям, располагают рабочими грейферами (схватами) для использования инструмента. Высокая степень мобильности делает их в некотором роде универсальными.

Перемещение инструмента промышленным роботом. 1 — деталь, 2 — инструмент, 3 — машинная часть робота, 4 — пульт управления роботом.

В зависимости от объема получаемой информации и возможности ее обработки различают три поколения промышленных роботов. Роботы первого поколения имеют заданную функциональную программу, которая находится в блоке памяти, откуда можно многократно давать команду на исполнение и повторение того или иного движения. Такие роботы не умеют собирать и накапливать информацию об обрабатываемом объекте. Они связаны относительно жестко зафиксированными условиями рабочего процесса и не могут самостоятельно реагировать на внешние воздействия, поскольку их программа не учитывает состояния внешнего окружения. Однако и в будущем роботам первого поколения найдется применение наряду с роботами второго и третьего поколений.

Ко второму поколению относятся промышленные роботы с сенсорными, т. е. тактильными (метод прикосновения) и визуальными (видео), системами, которые обеспечивают координирование по методу «глаз — рука». В пределах заданной программы они могут приспосабливаться к определенным изменениям условий протекания процесса. В зависимости от получаемой информации о физических признаках обрабатываемой детали (форма, размеры, расположение и т. д.) и, соответственно, об определенных внешних условиях осуществляется управление «рукой» и грейфером робота. Таким образом, сенсоры в сочетании с системой управления обеспечивают роботу, правда в узких границах, свободу реагирования на окружающую среду, тем самым качественно улучшается выполняемая работа, существенно расширяются возможности применения, а в определенных случаях достигаются более благоприятные параметры в технологических процессах.

Промышленные роботы третьего поколения с автоматической обработкой информации и возможностью моделировать процессы и рабочие позиции называют также роботами с «искусственным интеллектом» или роботами с адаптивным управлением. Как технические системы, они располагают более высокой автоматизацией информационных процессов; это позволяет им фиксировать в своей памяти рабочий процесс, а также частично окружающую их среду и во время работы «вновь узнавать» их. Эти роботы управляют своими движениями на основании сравнения информации, полученной с помощью сенсоров, и информации, заложенной в памяти. Роботы могут самостоятельно изменять по меньшей мере одну из своих функций управления, корректировать ход выполнения функций и приспосабливаться к заданным ситуациям. Для выполнения некоторых операций они самостоятельно разрабатывают собственную программу рабочих движений, опираясь на «заученные» процессы, вернее — на накопленную в памяти информацию.

Сконструированные таким образом промышленные роботы могут использоваться для выполнения самых разнообразных задач.

Если промышленными роботами первого поколения можно заменить примерно 2 % всех рабочих мест в промышленности, то промышленные роботы второго поколения можно применять на каждом четвертом, а то и третьем рабочем месте. Что касается роботов третьего поколения, то они предположительно могли бы высвободить еще одну треть общего числа промышленных рабочих.

Карл Маркс, постоянно подчеркивавший роль науки, обращал внимание на то, что машины и любой другой вид орудий производства являются «органами мышления человека, созданными его руками; конкретным проявлением силы его знаний». Это касается и промышленных роботов. Дальнейшее усиление и интенсификация научно-технической деятельности человека вообще и в области промышленной робототехники в частности, как в качественном, так и в количественном отношении повысит эффективность экономики и, следовательно, послужит на благо человечества.

При конструировании промышленного робота за отправную точку берут, например, физические свойства обрабатываемой детали или других предметов, занятых в рабочем процессе. Обрабатываемые объекты могут быть из различных материалов (металл, стекло, камень, пластмасса и др.), иметь после обработки различную форму (прямоугольная пластина, валик или шар), быть твердыми или эластичными, тяжелыми или легкими, иметь низкую или очень высокую температуру и прочие свойства. Кроме того, определенное влияние на конструкцию промышленных роботов оказывают применяемый в рабочем процессе инструмент, размещение машин, имеющиеся транспортировочные приспособления, накопители, размеры рабочего помещения, уровень надежности техники безопасности и защиты от несчастных случаев, требования по техническому уходу и ремонту, а также прочие условия по охране окружающей среды. Столь разнообразным требованиям соответствуют и различные конструктивные решения, которые реализуются в рамках определенных групп.

К важным конструктивным элементам промышленного робота относятся:

станина, основа для направляющей грейфера;

направляющая грейфера и сам грейфер, обеспечивающие пространственное ориентирование инструмента и обрабатываемой детали (соответственно в пределах обрабатывающего устройства), захват обрабатываемой детали, обеспечение нужной позиции обрабатываемой детали при рабочем цикле;

привод, преобразование и передача необходимой энергии на оси, обеспечивающие манипулирование;

система управления, управление движениями робота и контроль за выполнением программы, прием и переработка поступающей информации и программ, обеспечение связи с приспособлениями, соответствующее реагирование на определенные явления;

измерительная система, измерение позиций, величин перемещений и скорости по отдельным осям манипулирования;

датчики, учет воздействия окружающей среды, замеры физических величин, распознавание образца и позиции.

Роботы могут устанавливаться стационарно или подвижно — в зависимости от предъявляемых к ним требований, на станинах или на рабочих столах, на стенах либо подвешиваться на арках.

Все зависит от маневренности!

В процессе применения промышленных роботов огромное значение имеет система маневрирования, т. е. кинематическая система. Главная ее задача заключается в обеспечении перемещения объекта — обрабатываемой детали или инструмента — из одной точки в другую, т. е. на любую позицию в рамках рабочей зоны. Для этого передаточный механизм направляющей грейфера имеет ротационные и трансляционные узлы. Трансляционные узлы служат для выполнения прямолинейных перемещений. Их связь между собой осуществляется при помощи ротационных узлов, которые обеспечивают роботу возможность за счет действия приводов выполнять вращение и поворотные движения. Комбинируя эти узлы между собой, можно установить пределы рабочей зоны робота. Следовательно, изменение позиций объекта может осуществляться в пределах рабочей зоны за счет комбинирования вращательными и поступательными движениями соответствующих узлов.

Давайте проследим это на одном примере. Тело (предположим, куб) может свободно перемещаться в пространстве и имеет свободу шестой степени, т. е. при помощи трех вращательных и трех поступательных движений оно может быть перемещено на любую иную позицию, что для промышленного робота соответствует комбинированию движений по ротационным и трансляционным осям.

Исходной для данных процессов является система координат с обычными осями координат X, У, Z для осей поступательных движений по прямым линиям (поступательные движения по направлениям осей координат). Оси вращательных движений обозначаются буквами А, В, С. Возможности выполнения отдельных движений передаточным механизмом направляющей грейфера и самого грейфера определяют степень свободы робота (называемой также степенью свободы грейфера). Относительно куба он имеет свободу шестого порядка.

Куб с направлениями поступательных движений (X, Y, Z) и вращательных движений (А, В, С).

Возможность выполнения движений у промышленного робота обеспечивается взаимодействием различных шарниров, соединенных между собой рабочими звеньями. Так, для перемещения центральной точки грейфера в какую-либо точку рабочей зоны необходимы три движения, для придания грейферу в этой позиции желаемого направления необходимы еще три движения. Как правило, три движения приходятся на рычаг и три — на грейфер.

Выбор необходимой степени свободы для робота зависит, конечно, от тех задач, которые предстоит ему выполнять. Например, загрузочный робот, который может обходиться относительно простыми движениями, не нуждается в высокой степени свободы, в отличие от робота, предназначенного для мытья и чистки автомобильных кузовов.

Как уже говорилось, наряду с обычными координатами нужна еще одна система, включающая в себя цилиндрические, шаровые и шарнирные координаты.

Мастер на все руки

Взаимодействие робота с окружением осуществляется в основном при помощи его грейферов, находящихся в непосредственном контакте с обрабатываемым предметом. Поэтому конструкция грейфера зависит от вида силовой передачи, количества шарниров, проходимого расстояния, вида поверхности; размеров и массы объекта, а также от вида материала объекта и т. п.

Грейфер размещается на рычаге и предназначен для удерживания инструмента или обрабатываемой детали. При помощи передаточного механизма направляющей грейфера он, а вместе с ним и обрабатываемая деталь или инструмент перемещаются на позицию, требуемую для выполнения определенной операции.

Приводы грейфера промышленного робота с шестью осями и соответственно с шестью степенями свободы; X, Y, Z — поступательные движения; А, В, С — вращательные движения.

Различные комбинации осей и их координат. Чем выше мобильность, тем сложнее управление. Обозначения: S — поступательное движение, D — вращение.

Зачастую грейферы оснащаются дополнительными элементами — магнитами, датчиками и т. п., предназначенными для зажима, охвата либо удержания объекта.

Грейфер с зажимом.

Грейфер с вакуумным схватом (1), магнитным схватом (2).

Грейфер с охватом (приспособление к объекту).

Промышленные роботы оснащаются стандартными грейферами, у которых можно заменять отдельные элементы. Для выполнения определенных рабочих операций иногда приходится изготавливать специальные грейферы.

Например, для того чтобы манипулировать твердыми, мягкими и хрупкими предметами, робот должен иметь гибкий грейфер, который может приспосабливаться к объекту, т. е., удерживая объект, захватывать его либо осторожно, либо жестко. Это достигается с помощью механизма, состоящего из нескольких звеньев и ряда роликов и приводимого в действие и управляемого проволочными тягами.

Для одновременного выполнения различных рабочих операций роботы оснащаются несколькими рычагами, на каждом из которых устанавливаются один или два грейфера. Так, бесперебойная работа загрузочных роботов или загрузочных устройств для турникетных автоматов обеспечивается тремя рычагами с, соответственно, одним или двумя грейферами.

Если робот не предназначен для операций по захвату объекта, то рычаг с грейфером может быть заменен на соответствующий инструмент для выполнения специальных технологических операций: сварки, сверления, монтажа, покраски краскопультом и т. д.

Без привода нет робота

Задача привода промышленного робота — приводить в движение отдельные его звенья. Каждый промышленный робот оснащен несколькими независимыми друг от друга приводами, оси которых, как уже говорилось, могут перемещаться различными узлами вращательного и поступательного движения. Это позволяет ему учитывать такие параметры, как масса, проходимый путь, угол, скорость, время работы и т. д.

Вид привода зависит от сферы применения робота. Так, при большой массе обрабатываемого изделия необходим совершенно иной привод, чем, скажем, при работе с элементами для электронных схем. При выборе привода решающее значение имеет траектория движения — должны ли детали робота вращаться, или описывать кривые в пространстве, или перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлениях. Необходимо учитывать и особенно трудные условия внешнего воздействия, например загрязнения, агрессивные химические растворы или чрезвычайно высокие температуры.

Промышленные роботы работают от гидравлических, электрических и пневматических приводов, что позволяет решать различные задачи наиболее рационально и экономично. В зависимости от исполнения стоимость приводов составляет 5–20 % общей стоимости промышленного робота.

Свои усилия через механическую систему передач приводы передают на рычаг с грейфером.

Гидравлические приводы отличаются простотой регулировки, прочностью, а также высокой энергетической плотностью. Они могут быть установлены с большой точностью и при этом обеспечивать скорости до 1000 мм/с при работе с массами до 50 кг. Поэтому они пригодны для загрузочных роботов.

Электрические приводы, которые несколько дороже, отличаются относительно простым способом подведения энергии, они просто монтируются и регулируются. При их использовании легко достигается высокая степень точности. Поэтому их применяют в первую очередь при создании роботов, которые предназначены для решения специальных технологических задач.

Пневматические устройства имеют невысокую стоимость и маломощны, поэтому их применяют преимущественно при работе с малыми массами. Как правило, это — приведение в действие грейферов и небольших манипуляторов.

Иногда для увеличения эффективности приводы комбинируются, что позволяет добиваться лучших позиций обрабатываемых деталей и инструмента. Роботы могут применяться для стыковки швов при выполнении монтажных операций. На основе электропневматического привода были созданы сервоприводы, которые позволяют осуществлять электронное регулирование скорости и находить позицию для пневматических приводных элементов электромагнитных тормозов.

Система управления роботами

У промышленного робота конструкционные узлы должны при помощи приводов перемещаться целенаправленно и координирование. В промышленной робототехнике под термином «управление» понимают процесс, который обеспечивает перемещение соответствующих элементов робота по заданной программе и получение сигналов для координации действий периферийных приспособлений, например транспортирующих устройств или магазинов. Система управления может в свою очередь получать информацию от датчиков, от устройств, которые замеряют пройденное расстояние, или от периферийных устройств робота. Эта информация обрабатывается в соответствии с заданной программой через систему управления. При этом одна или несколько полученных величин являются для системы управления основой для воздействия на исходные величины.

Современная система управления промышленным роботом должна:

управлять, контролировать и координировать выполнение тех или иных действий в соответствии с заданной программой;

понимать, накапливать и перерабатывать информацию о внешних условиях и приспособлении процессов движения и действиях промышленного робота;

обеспечивать связь между промышленным роботом и вышестоящей системой управления, т. е. человеком — оператором и программистом;

соответствовать требованиям, вытекающим из условий эксплуатации, программирования и удобства обслуживания, надежности эксплуатации, распознавания ошибок и т. п.

Данным требованиям соответствует пока не каждая схема управления промышленным роботом. На практике же каждая система управления должна соответствовать всем пунктам этого перечня.

В основном для процессов управления в промышленных роботах используются электронные и пневматические схемы.

Пневматические системы управления хорошо зарекомендовали себя в большинстве промышленных роботов I поколения. Их преимущества по сравнению с электронными — относительно низкая стоимость одной функциональной единицы управления, хороший обзор для оператора, незначительная восприимчивость к помехам и малые затраты на устранение помех. Поэтому и в будущем они будут находить применение в простых конструкциях.

Электронные системы управления обладают рядом замечательных свойств, позволяющих использовать их в самых разнообразных конструкциях промышленных роботов: высокой надежностью и долговечностью, удобством в обслуживании, программировании и демонстрации рабочих показателей, эффективной техникой накопления данных, высокой частотой переработки информации — до нескольких сот мегагерц, передачей сигнала на большие расстояния с минимальным запаздыванием, а также высокой комплексностью функций управления.

Современные промышленные роботы оснащаются одной или несколькими микроЭВМ. Система управления на микроЭВМ имеет высокие временные и вычислительные показатели. МикроЭВМ анализируют информацию и перерабатывают ее в новые команды управления, передаваемые, например, на оси приводов. Они пользуются запоминающим устройством для компоновки программы робота, берут на себя организацию управления, привлекаются для выполнения других задач.

Системы управления промышленными роботами на микроЭВМ имеют иерархическую структуру исполнения (в соответствии с важностью их задачи), причем центральный координационный блок осуществляет управление по двум каналам — геометрическому (определяющему движение основных узлов робота и управляющему ими через сервоприводы отдельных осей) и технологическому (выполняющему технологические операции робота и его периферийных органов через узлы установки и включения).

Взаимодействие системы управления, основу которой образует микроЭВМ, с другими системами наглядно представлено на схеме. Через блоки программирования и обслуживания оказывается воздействие на систему управления и тем самым на промышленный робот. В шарнирном роботе микроЭВМ координирует взаимодействие между системой управления, измерения и механической системой. МикроЭВМ обрабатывает связанные с рабочим процессом или с периферийными задачами сигналы либо осуществляет подачу сигналов. Необходимые исходные программы, обеспечивающие функционирование промышленного робота, содержатся в блоке памяти. Различные рабочие программы, содержащие разнообразные движения, разрабатываются в соответствии с предусмотренным рабочим циклом и в зависимости от дифференцированных частных задач могут быть изменены или заменены на новые.

Принципиальное построение электронной системы управления роботом (по Шпуру и Зиннингу).

Иерархическое структурное построение системы управления промышленного робота. Для различных элементов построения характерны информационные обратные связи. Свое выражение они находят в способности управления реагировать на изменение ситуации. Обратная связь типа А (без обработки в системе управления) осуществляется через соответствующие механические элементы конструкции, например устройства для манипулирования. Уровень иерархии В (обратная связь на уровне сервоприводов) и С (геометрическое управление) характерны для роботов второго поколения. Они обеспечивают количественные коррективы траектории (тип С) в зависимости от сигналов датчиков и качественные изменения траектории, например при обходе препятствий (тип С). Обратная связь на уровне координационного управления (тип D) делает возможным самостоятельное планирование движений и действий на основе комплексного охвата технологического процесса (третье поколение) (по Хаферкорну и Шварцу).

Сервоусилители, составляющие упомянутую на схеме сервосистему, быстро и точно превращают слабые электрические сигналы управления в сильные механические движения по изменению положения и таким образом принимают участие в исполнении команд в рамках определенного контура управления. Сервопривод может перемещать робот или один из его элементов по управляющему сигналу. Сервомотор (установочный мотор) — это вспомогательное устройство, предназначенное для увеличения усилий по регулированию, управлению и торможению. В зависимости от вида применяемой энергии различают пневматические, гидравлические и электрические сервомоторы.

Электронные системы управления промышленных роботов — зачастую комбинированные устройства, действующие по принципу временного плана или последовательного порядка. Система управления по принципу временного плана осуществляет управление, опираясь на запланированное на каждую операцию время (часто это необходимо для некоторых монтажных роботов). Программа задается в блок памяти при помощи перфоленты, магнитной ленты или другими подобными носителями информации. Система последовательного порядка построена по принципу зависимости отдельных шагов в программе управления от функционального выполнения технологического процесса. Здесь на определенных участках бывает необходимым применение микроЭВМ. Основываясь на логических решениях механизма управления, выполняются отдельные шаги рабочего процесса. В этих системах нет датчика времени.

Схематическое изображение взаимодействия системы управления с другими системами промышленного робота (по Шниезе).

Система управления промышленным роботом может дополняться управлением последовательного порядка для отдельных отрезков процесса (это могут быть температура или качественные показатели обрабатываемой детали), в то время как весь процесс осуществляется на основе управления по принципу временного плана. В рамках общей системы управления может возникнуть необходимость использования регулировочных контуров для выполнения частных функций.

В соответствии с задачами роботов применяются и различные системы управлений на основе микроэлектроники. Для роботов в специальных технологических процессах в ГДР была разработана система управления типа «IRS 650». Эти роботы должны совершать координированные, одновременные движения несколькими осями (например, роботы, выполненные по шарнирной схеме). Данное управление отличается гибкостью и может быть легко приспособлено к различным технологическим процессам. Подсоединяемый при помощи кабеля командный щит позволяет осуществлять управление и программирование с наиболее благоприятной с технологической точки зрения позиции. Программирование осуществляется косвенным обучающим методом, причем здесь применяются текстуальные программы через встроенный кассетный магнитофон. Во время работы системы управления ведется контроль за всеми важными операциями. Потребитель располагает для эксплуатации и обслуживания комплектным набором программ, которые записываются на кассету с магнитной пленкой. При пользовании этими программами к управлению подключается дисплей, позволяющий обслуживающему персоналу или ремонтникам вести диалог с системой управления.

Траектория, координаты, точки и направления

Чтобы добиться от робота соответствующего исполнения движений, необходимо замерять выполняемые его осями отрезки расстояний и углы. Для этих целей применяются системы замерения расстояний и проходимых путей. Они состоят из датчика замеренных величин и электронных схем для формирования и усиления сигналов. При необходимости подключается преобразователь сигналов, позволяющий подготовить их к дальнейшему использованию.

При программировании на месте установки промышленного робота система замера расстояний и путей подготавливает сигналы относительно пути и углов движений, выполняемых осями. При эксплуатации в «автоматическом режиме», т. е. при проигрывании программы, система управления задает соответствующие данные в качестве исходных величин. Одновременно осуществляется определение путевых и угловых позиций и посылаются соответствующие сигналы. Получаемая таким образом информация сравнивается с исходными позициями и затем подвергается анализу и дальнейшей обработке в системе управления, на основании чего выводятся новые команды управления роботом.

Программы управления для промышленных роботов получают также данные координат для определения точек в рабочем пространстве робота. Эти данные используются для управления осями.

В соответствии с заданной по программе последовательностью запрашиваются данные координат (номинальные величины позиции) по сигналам датчика времени или по точкам прерывания процесса. Таким образом, шаг за шагом прочитывается содержание блока памяти. Программа учитывает также необходимые технологические данные: рабочую скорость, давление и т. п.

Степень согласованности между заданной номинальной позицией движения и полученной позицией обозначается как точность позиционирования. Она имеет очень важное значение, например, при выполнении прецизионных работ, монтажных работ с мельчайшими деталями и т. п. Точность позиционирования зависит, наряду с безупречным функционированием монтажных узлов, и от надежности системы управления, которая зачастую играет решающую роль в том, сможет ли соответствующий тип робота выполнять те или иные манипуляции.

Не менее важную роль играет и точность повторов, т. е. степень согласованности в достижении определенных позиций, вызываемых одинаковыми командами управления в различные промежутки времени.

В зависимости от решаемых задач в промышленных роботах находят применение запоминающие устройства, которые различаются по виду, емкости, а также тем, может ли содержание запоминающего устройства быть стерто или нет. Сейчас на первый план выходят цифровые запоминающие устройства.

В зависимости от вида выполняемых задач промышленный робот оснащается точечной системой управления или системой управления с направляющими.

Точечные системы управления позволяют осуществлять в рабочем пространстве движение по любым направлениям. Следовательно, вдоль технологических линий не существует каких-либо определенных функциональных зависимостей по отношению к направлению движения отдельных осей. Подобные типы управлений можно встретить, например, при загрузке машины, во время монтажа и при других подобных рабочих операциях.

При системе управления по направляющим движение осуществляется вдоль заданной линии, состоящей из плотно расположенных точек, отклонения от которой недопустимы. Примерами могут служить покраска распылением, эмалирование, нанесение слоев. В будущем число промышленных роботов с управлением по направляющим и их относительная доля в общем числе роботов возрастут.

Роботы «учатся»

В отличие от программирования обрабатывающих процессов на станках с ЧПУ, для которого необходима в основном лишь информация о проходимом пути и порядке включений, программирование промышленных роботов осуществляется по значительно более широкой системе. При этом под программой понимается упорядоченное количество приказов для отработки определенного алгоритма. При помощи программ управления для промышленных роботов должны задаваться геометрия движений, последовательность исполнения, меры по осуществлению контроля, способы коммуникаций и т. п., составляющие отдельные шаги программы. Так, основываясь на данных рабочей документации по осуществлению технологического процесса, в систему управления промышленным роботом в закодированной форме подаются указания по отдельным операциям. Возможна также реализация заданной через блоки ввода информации путем компоновки отдельных программ, причем система управления должна интерпретировать накопленную информацию непосредственным или косвенным способом, после чего приводится в движение соответствующая ось.

Способ программирования, основополагающий принцип программы, а также место, где осуществляется программирование, зависят от вида выбранной системы управления. При внешнем программировании рабочая программа составляется в бюро по программированию и затем вводится в систему управления, при внутреннем — создается непосредственно «на месте», когда промышленный робот начинает работать и в его памяти накапливаются знания о последовательности выполнения тех или иных движений и операций, т. е. отдельных, специально для этих целей полученных значений позиционирования. Один из видов внутреннего программирования — повторное прохождение траектории на ручном управлении (прямое обучение программе).

Рабочая программа содержит комплекс указаний по исполнению цепочки операций, предусматривающих не только четкое исполнение каждого отдельного шага, но и условия, при которых либо операция должна быть прекращена, либо должны быть внесены определенные изменения. В такие рабочие программы заложены указания по исполнению операций цикла движений для информационной и управленческой связи с периферийными узлами и узлами основного технологического оборудования, а также информация, необходимая для выполнения операций по осуществлению технологического, организационного и обеспечивающего техническую безопасность рабочего процесса.

Для программирования промышленных роботов применяют программные языки, представляющие собой определенное число последовательно расположенных знаков для фиксации данных обрабатывающих процессов. Существуют элементарные языки программирования и языки с проблемной ориентацией, требующие высококвалифицированного обслуживающего персонала. В настоящее время разрабатываются робототехнические языки более высокого порядка, когда обилие данных о деталях, технологическом процессе, роботе и о периферийных устройствах образует основу по управлению операциями.

К традиционным видам программирования относится ручное программирование. При этом траектория движения робота закладывается в память машины со специального пульта (компьютера) набором ее отдельных точек. Для этой цели управляющая ЭВМ робота связывается через цифровой канал центрального процессора с клавиатурой компьютера, имеющей клавиши ввода, несколько функциональных клавиш и клавиши осевого манипулирования, а также аварийный выключатель. Как правило, эти устройства предназначены лишь для программирования видов эксплуатации (например, для ввода числовых величин в накопитель данных системы управления) и для ручных операций (передача данных о скоростях, функциях коммутации и т. п.).

Возможно и прямое «обучение» промышленного робота человеком — обучающее программирование. Пример тому — программирование робота-краскопульта.

Вначале на основе опыта лучших рабочих определяют наиболее рациональные движения при покраске той или иной детали. Затем, в соответствии с полученными расчетами, рабочий манипулирует «рукой» робота с краскопультом, и все манипуляционные движения фиксируются в блоке памяти в качестве программы. «Обученный» таким образом робот может работать самостоятельно. Для этого данные постоянно запрашиваются из блока памяти и передаются на регулировочные контуры осей. Важную роль здесь играет соблюдение точности при процессе передачи, т. е. согласованность между позицией, установленной вручную, и позицией, воспроизводимой машинным путем. При непосредственном обучающем программировании операций в ходе выполнения программы могут осуществляться по замедленной или ускоренной шкале времени.

Этот вид программирования применяется и в других технологических процессах: нанесении защитных слоев, дуговой сварке и т. п.

Существует и непрямое обучающее программирование, при котором выбранные элементы манипуляционных движений вводятся ручным способом, а соответствующие координатные данные подаются в блок памяти. Другие части программы, например ввод данных о времени или скорости, приказы на осуществление операций и программы, поступают в блок памяти с поля управления или же с соединенного с системой управления переносного блока обслуживания и программирования. Подобная смешанная форма программирования применяется в процессе дуговой сварки, при осуществлении сложных программ для обслуживания машин, при очистке литьевых заготовок и т. п.

Третий вид — машинное программирование, при котором содержание рабочей программы переводится программистом в приемлемую для машины форму. Электронно-вычислительной машиной осуществляется обработка первоначальной программы и составляется рабочая программа, рассчитанная на соответствующего робота. За счет использования программ можно подразделять объемные приказы на отдельные детализированные указания и дополнять специфические данные робота, инструмента и обрабатываемой детали указаниями относительно очередности.

Весьма перспективно текстуальное программирование: программа либо излагается проблемно ориентированным программным языком с последующим шифрованием, либо вводится в память обычным языком, без шифрования. Такое программирование используется и при решении комплексных задач по обработке типа монтажа функциональных блоков.

Очень важна мобильность

Для выполнения задач, возникающих в процессе производства с малыми и средними сериями, где требуется частая замена манипуляционной программы, применяют роботы с программируемой системой управления.

Программируемая система управления предполагает возможность изменять ход выполнения программы, для чего необходима фиксация в памяти последовательности рабочей (манипуляционной) программы. Чем лучше система управления промышленного робота может быть приспособлена для выполнения необходимых манипуляций, самого технологического процесса и для подчинения вышестоящей системы управления и чем меньше времени требуется для перехода от одной рабочей задачи к другой и, соответственно, для изменения связанной с этим программы, тем более гибкой считается управление и тем мобильнее может быть использован робот. При электронном вводе программы в блок памяти расход времени весьма незначителен по сравнению с механическим вводом.

Гибкие системы управления промышленных роботов должны соответствовать многочисленным параметрам, обрабатывать большие объемы информации и отвечать следующим требованиям:

замеры манипуляционных путей и условия их исполнения, в том числе поисковые действия и обработка образца по трем измерениям;

высокая четкость в выполнении манипуляционных движений, прежде всего обеспечение пуска и торможения по возможности без толчков (задается соответствующий режим для регулирования контура скорости);

способность к выполнению логических условий, например немедленная остановка рабочей «руки» робота при помощи аварийной программы.

Система управления промышленного робота должна реагировать на события, происходящие в его окружении, и принимать логические решения. Например, если имеется возможность при обслуживании нескольких машин осуществлять эксплуатацию каждой машины в произвольной последовательности, то в этом случае каждая машина должна иметь свою собственную программу управления, которая может быть вызвана через центральную контрольную программу.

Для гибкого управления роботом необходимы специальные средства вычислительной техники, поскольку роботы используются для выполнения все более сложных технологических процессов.

Одновременное использование нескольких различных промышленных роботов в рамках какой-либо автоматизированной технологии порождает необходимость в создании систем ЭВМ с иерархической подчиненностью и обширным комплексом программного обеспечения. В подобных системах ЭВМ нуждается и сочленение нескольких технологических узлов. Соответственно возрастает абсолютная и относительная доля затрат на разработку и совершенствование программных обеспечений для роботов. Но эти расходы вполне оправданны, поскольку программное обеспечение будет способствовать более полному использованию микроэлектроники, а это повысит эффективность внедрения гибких автоматизированных процессов.

Датчики

Так как робот не обладает способностью видеть и ощущать, то он нуждается в системе, которая позволила бы ему распознавать предметы или хотя бы информировать его относительно присутствия предмета. Составная часть систем распознавания — датчики, регистрирующие определенные состояния или всю картину событий и посылающие сигналы анализаторам.

Если брать за основу те задачи, которые должны выполнять датчики промышленных роботов (исключая специальные области применения), то можно выделить следующие группы датчиков:

позиционирования, скорости и ускорения для осуществления динамического управления промышленным роботом;

силовые — для регистрации внешних сил и моментов;

усилий на грейферах;

для распознавания внешних прикосновений;

для определения профиля обрабатываемых деталей или смещений деталей, для распознавания деталей и их позиционирования;

визуальные — для фиксирования происходящего, а также для инспектирования и анализа событий в рабочей зоне промышленного робота;

слежения за траекториями для предотвращения столкновений и прочие датчики, обеспечивающие безопасность рабочего процесса.

Датчики прикосновения могут сигнализировать о приближении к определенному предмету или о соприкосновений с ним, а также фиксировать некоторые физические величины — температурные режимы, размеры, массу предмета и т. п. В то же время промышленный робот нуждается в информации относительно внешних условий, пройденного пути и т. д., чтобы осуществлять собственное движение. Эту информацию также фиксируют датчики. После соответствующего преобразования сигналы, адекватные зафиксированным на датчиках, посредством сравнения поступившей информации с находящимися в блоке памяти заданными величинами перерабатываются в необходимые приказы по управлению для выполнения операций или для внесения соответствующих корректив. В этом случае мы говорим о сенсорной системе управления.

Грейфер с тактильными датчиками. 1 — шарнирный датчик, 2 — специальные датчики прикосновения, 3 — держатель инструмента, 4 — грейферные датчики, 5 — кожух для грейферного привода с потенциометром.

Датчики прикосновения применяются, если необходимо обеспечить осторожное и надежное сближение грейфера с обрабатываемой деталью, осторожный захват или установку болта.

Оптические датчики — это и простые оптические блоки распознавания (например, фиксирующие движущиеся детали по их форме), и высокоэффективные системы — фотодиодные блоки и камеры. Системы датчиков, оснащенные телекамерами, относятся к визуальным системам распознавания.

Высокоразвитые системы распознавания — съемочные камеры и видеопреобразовательные системы в сочетании с видеообрабатывающими системами — могут производить оценку изображений. Для трехразмерных объектов выбирают характерные признаки, служащие для:

распознавания обрабатываемой детали и монтажных частей;

определения позиционирования обрабатываемых предметов и для их ориентирования по отношению к заданным осям координат;

распознавания и нахождения признаков обрабатываемой детали;

контроль за рабочим процессом и обеспечения качества.

Трехразмерное ориентирование (по Вольфу).

Высокоразвитая система распознавания объекта работает по следующему принципу: телекамера обозревает все поле деятельности, анализирует его и распознает отдельные объекты. В данном случае задача робота — распознать и обработать деталь, лежащую неупорядоченно среди других деталей: по форме, ее месту и позиции. Это предъявляет к данной системе распознавания и обработки весьма высокие требования.

При решении столь сложной задачи, как разработка системы распознавания, ученые в первую очередь опираются на знания о визуальной системе человека, на информацию о предположительно подлежащем анализу видеоматериале, на результаты исследований из области физики, информатики и математики.

Такой автоматически работающей системой промышленных роботов может служить разработанная Высшей технической школой Ильменау и внедренная на заводе электроники в Нойхаузе система распознавания объектов для автоматического присоединения выводов к кристаллам транзисторов. Вместе с многокоординатной системой позиционирования, управляемой микроЭВМ, она применяется для управления роботом. Главные узлы этой системы распознавания — микроЭВМ, камера и координатный стол.

Во все больших масштабах осуществляется разработка и создание устройств визуального контроля за роботами, которые могут, опираясь на системы по автоматической оценке изображения, осуществлять машинную инспекцию роботокомплекса или контролировать изготовляемые детали.

Подобные проверочные и контрольные системы работают, как правило, с применением специальных камер, микроЭВМ, устройства ввода с клавиатурой, напоминающей клавиатуру пишущей машинки, экраном для воспроизведения информации, кассетным магнитофоном для передачи информации на микроЭВМ и для записи информации.

Система МАВИС на модулях, разработанная и испытанная Академией наук ГДР и Центральным институтом кибернетики и информационных процессов, заменяет 2–3 рабочих. Ее модулями являются различные микрокомпьютерные программы, которые выбираются в зависимости от решаемой задачи.

Эта визуальная система пригодна для определения местоположения поверхностных замеров обрабатываемых деталей, сортировки деталей, которые затем подаются для дальнейшей обработки на следующий робот. В зависимости от степени трудности на процесс распознавания тратится от 20 до 2,5 мл/с на каждый распознаваемый объект.

Вначале осуществляется съемка выбранных деталей и их фиксация в блоке памяти. Система сравнивает данные оцениваемой детали с данными из блока памяти. В случае их соответствия роботу отдается необходимый приказ, и деталь обрабатывается согласно требованиям производственного процесса. Применение систем распознавания гарантирует преимущества и в роботизированных монтажных процессах.

Промышленные роботы из унифицированных узлов

Применение унифицированных элементов при конструировании и создании промышленных роботов, в особенности загрузочных и для сварочных работ, дает значительные преимущества. Унификация узлов позволяет создавать роботы ограниченными сериями из функциональных элементов, т. е. из таких основных элементов, как стандартизованные блоки подачи и вращения, а также узлов, которые соединяют все в единое целое.

В системе унифицированных узлов для загрузочных роботов в качестве интеграционных единиц зарекомендовали себя следующие типы: тип 1 (для манипулирования с массами менее 10 кг), тип 2 (от 10 до 40 кг) и тип 3 (от 40 до 100 кг). В связи с тем что требования к промышленным роботам растут, на наших предприятиях все больше создаются роботы собственной конструкции с частичным использованием унифицированных узлов. Это позволяет добиваться решений, оптимально соответствующих производственным условиям, и обеспечивает более рациональное исполнение периферийных устройств. Здесь учитываются и требования по использованию защитных устройств, установке магазинов для деталей, инструмента, наличию грейферов, устройств для очистки деталей и инструмента, для зажима и позиционирования деталей, измерительных и контрольных приборов для слежения за качеством, систем для распознавания объектов и их позиции, а также транспортирующих устройств. Правда, не всегда нужны все эти периферийные устройства. Однако любой вид промышленного робота предполагает по меньшей мере использование защитных устройств или магазинов для деталей.

Модульный принцип создания промышленных роботов для загрузки технологических устройств. X, Y, Z — направления движений; А, В, С — оси вращения (по Пёслеру).

В будущем повысится значение входящих в технологический блок и необходимых для манипуляционных задач устройств по контролю за качеством, а следовательно, и очисткой обрабатываемой детали, так как количество высвобождаемой промышленными роботами рабочей силы во многом зависит от автоматических устройств для контроля за качеством. Так, относительно высокие расходы для гибких измерительных устройств будут полностью оправданны, поскольку часто меняющиеся замеряемые величины требуют значительных затрат времени и высокой степени точности. Такие устройства все более необходимы при гибкой автоматизации наряду с приспособлениями для зажима и транспортировки деталей.

Создавая периферийные устройства, следует учитывать их стоимость. Чем выше технический уровень промышленного робота, тем ниже процент стоимости его периферийных устройств. Манипуляционные движения, перенесенные в периферийную зону, реализуются, как правило, с более значительными затратами, чем те же движения, выполненные самим роботом. Центральное размещение определенных, зачастую необходимых, периферийных устройств (магазины для обрабатываемых деталей и т. п.) путем создания типовых образцов также могут способствовать уменьшению расходов на периферийную зону. Этой же цели служит разработка функциональных единиц на микроэлементах, предназначенных для выполнения промышленными роботами или их периферийными устройствами специальных задач.

Микроэлектроника как предпосылка и стимулятор робототехники

Увеличение производительности и расширение сферы применения промышленных роботов находится в прямой зависимости от развития микроэлектроники, благодаря которой и стало возможным их создание.

Эра микроэлектроники началась примерно с 1960 г., с изготовления интегральных схем для переработки сигналов. Путем нанесения необходимых структур на небольшие пластинки из кремния или других материалов размером в несколько квадратных миллиметров (кристаллы) получают схему, сочетающую в себе множество электронных функциональных единиц. Теперь требуются только соответствующие контакты и защитный корпус.

Научно-технические разработки в области микроэлектроники продвигаются вперед семимильными шагами. Подтверждение тому — повышение степени интегрирования, т. е. количества функциональных элементов, которые могут быть реализованы на одном кристалле, от малой (10–100 функциональных элементов на каждый кристалл) и средней (102–103) степени интеграции через высокую (103–104) до высшей степени интеграции (104–106) элементов на кристалле для создания функционально ориентированных микросхем с более чем миллионом элементов. К схемам с высокой степенью интеграции относятся микропроцессоры и запоминающие устройства, являющиеся основой для создания микроЭВМ.

С развитием микроэлектроники значительно повышается не только число функциональных элементов на одном кристалле, но и надежность электронных компоновочных элементов. У кристаллов случаи отказа значительно реже, чем у прежних компоновочных элементов на основе электронных ламп или обычных транзисторов.

Даже эти немногочисленные факты свидетельствуют о том, что микроэлектроника приводит к кардинальным изменениям в области средств производства, в технологиях и виде получаемой продукции, способствует достижению новых успехов во всех отраслях народного хозяйства. Но чтобы этот процесс развивался, необходимо достаточное количество микроэлектронных компоновочных элементов. Если в 1976 г. в ГДР их было произведено на сумму в несколько миллионов марок, то к 1980 г. их производство возросло уже до 1 млрд. марок. С тех пор их производство увеличивается ежегодно на 20–40 %.

При помощи микроэлектроники промышленность производит более высококачественные изделия, и не в последнюю очередь это касается производства товаров массового потребления. Кроме того, применение микроэлектроники способствует дальнейшему расширению автоматизации и технологий с незначительной долей ручного управления и с использованием тысяч промышленных роботов, она позволяет осуществлять рационализацию в области подготовительных производственных процессов и в области оказания услуг населению.

Разработка и изготовление промышленных роботов со свободным программированием стали возможны лишь благодаря прогрессу в области микроэлектроники. Применение микроэлектронных компоновочных элементов, например дискретных схем с высокой и высшей степенями интегрирования в качестве основных узлов для электронных систем управления, ведет к дальнейшей интенсификации темпов развития в технике промышленных роботов.

Применение робототехники стимулируется и другими возможностями микроэлектроники, что способствует осуществлению дальнейшей автоматизации производственных процессов. В качестве примеров можно назвать компьютизированные производственные процессы и компьютизированное конструирование, ведущее к рационализации подготовительных производственных процессов. Тем самым появляется возможность осуществления сплошной автоматизации.

Работа конструкторов и технологов направлена на достижение эффективного взаимодействия человека и ЭВМ. Отдельные шаги в процессе конструирования и технологической подготовки производства делаются при помощи ЭВМ, которые разрабатывают для этого соответствующую структуру данных. Накопленные в ЭВМ для процесса конструирования данные и чертежи, а также соответствующие модели могут многократно комбинироваться и подвергаться последующей обработке. Все это предоставляет конструкторам и технологам широкие возможности. В ГДР уже добились значительных успехов по осуществлению рационализации в станкостроении, автомобильной промышленности, электротехнике и электронике, текстильной и обувной промышленности.

Специалист, работающий за конструкторским столом, оснащенным ЭВМ, кроме считавшихся ранее обычными видов чертежного оборудования сегодня располагает:

черно-белым дисплеем с буквенно-цифровым изображением и экраном высокого разрешения для изображения деталей чертежей, графиков и т. п.;

световым карандашом, при помощи которого можно «чертить» непосредственно по экрану;

приспособлениями для фиксирования позиций на экране;

устройствами для ввода текста, чертежей или схем;

устройством печати и автоматического вычерчивания, так называемым графопостроителем, для вывода информации и чертежей на бумагу.

Основной рабочий орган на этом рабочем месте — блок ЭВМ, состоящий из микроэлектронных элементов. База данных в ЭВМ содержит частные модели широко применяемых фасонных элементов для изготавливаемых деталей. Поэтому большая часть чертежа может быть по желанию конструктора составлена электронно-вычислительной машиной за несколько минут и — если в этом есть необходимость — выдана в готовом виде. Затем с помощью элементарных операций (например, проведение линий с использованием светового карандаша) конструктор добавляет те специфические особенности, которых нет в памяти ЭВМ. После ввода технических данных для процесса изготовления (сведения о выбранном материале и т. п.) ЭВМ автоматически вычисляет необходимые величины, например массу, объем и момент инерции. Точно так же ЭВМ вычисляет необходимые данные для изготовления детали на станке ЧПУ. Комплексные проблемы организации труда, возникающие в гибкой производственной системе, в значительной степени могут быть решены при помощи подобных автоматизированных рабочих мест технологов. Найденные при помощи ЭВМ решения помогают эффективному взаимодействию всех элементов гибкой производственной системы — станков, промышленных роботов, магазинов, транспортирующих систем и т. п., — которые в свою очередь частично управляются собственными ЭВМ. Таким образом в рамках гибкой производственной системы возникает иерархическая система обработки информации, в которой ЭВМ принимают решения о том, где, когда и что должно производиться.

Разнообразные промышленные роботы, рабочие места для конструкторов, оснащенные ЭВМ и дисплеями, проектирование, технология и процесс производства, автоматизированные блоки производственного и монтажного процессов гибкого применения, системы по резервированию места для проезда и автоматы для продажи билетов на транспорте, современное оборудование для сберегательных касс и банков — все эти устройства и системы немыслимы без микроэлектроники, без информационной техники и переработки информации. Во всех сферах общественной жизни, не только в промышленности объем применения микроэлектроники постоянно растет. По оценкам экспертов, к 2000 г. он увеличится по меньшей мере в 3 раза по сравнению с современным уровнем. И если раньше промышленный уровень страны определялся количеством стали на душу населения, то теперь он зависит и от количества применяемой микроэлектроники.

На пути к созданию автоматизированных предприятий

Промышленные роботы — это функциональные элементы производства, которые конструируются и создаются человеком на основе все более глубокого понимания законов природы. Их применение идет по трем основным направлениям — загрузочные роботы для манипулирования с обрабатываемыми деталями, укладка в штабеля и размещения в магазинах, а также для транспортирования и упаковки; роботы для манипулирования с инструментом (сварки, шихтования, пескоструйной очистки, удаления жировых загрязнений, монтажных работ, процесса литья и прочих подобных технологических процессов); монтажные роботы на сенсорах для сортировки изделий и деталей и для их точной компоновки.

Промышленная робототехника помогает дальнейшему развитию механизации и автоматизации производственных процессов на все более высоком уровне. Чем лучше средства автоматизации и чем их больше, тем выше качество продукции. Но прежде чем включать промышленную робототехнику в уже имеющиеся машинные системы, следует подумать, будет ли такое интегрирование эффективным. Зачастую выясняется, что необходимы новые решения, новые разработки для производственных участков или отдельных производственных линий предприятий.

Перед стартом

Правильность использования промышленной робототехники в значительной степени зависит от качества подготовительных операций. Любой процесс, в котором технологические устройства загружаются человеком или человек обслуживает механический инструмент с энергоприводом, необходимо серьезно проанализировать, чтобы определить, можно ли поручить выполнение данных задач промышленному роботу.

Основная область применения роботов, например, в металлообрабатывающей промышленности — технологические узлы и производственные системы. На схеме показано применение промышленного робота в рамках технологического узла. Здесь речь идет о принципиальном решении с использованием круговых структур и двух горизонтальных фрезеровочных центров, обслуживаемых роботом. Наружная заслонка каждого станка автоматически открывается и закрывается синхронно с движениями робота. Наружные и внутренние защитные приспособления следят за тем, чтобы посторонние лица не попадали в зону действия автоматического комплекса, чтобы не происходило выключение и чтобы при переоснастке одной машины не работала другая. Каждая машина имеет два магазина для деталей, обслуживаемые роботом, что позволяет проводить фрезерование деталей с различным временем обработки, а следовательно, приводит к увеличению возможностей машины и одновременно улучшает использование данного производственного участка.

Технологическое звено, состоящее из промышленного робота (1), двух фрезеровочных центров (2) и магазина штабелирования на поддонах (3), управления роботом (4).

При подготовке подобного процесса опираются на следующие технологические принципы:

оптимизация технологического процесса обработки (например, последовательность отдельных операций, технические данные инструмента, режущего инструмента и процесса резания, комплексная обработка, зажим нескольких деталей, применение групповой технологии);

применение промышленных роботов на имеющихся автоматических и полуавтоматических машинах;

загрузка нескольких машин одновременно и коллективная работа на нескольких рабочих местах;

взаимное приспособление рабочих мест промышленного робота и условий транспортировки, перевалки и складирования;

нахождение решений, позволяющих сокращать число рабочих мест.

Достижению наиболее целенаправленного и экономичного использования промышленной робототехники предшествует большая теоретическая подготовка. На промышленных предприятиях после скрупулезного анализа различных процессов, состояния и условий рабочих мест вырабатываются долгосрочные концепции относительно возможных областей применения промышленной робототехники, исходящие из оптимального соотношения между расходами и ожидаемым эффектом, проводится исследование и планирование производственного процесса и связанного с ним потока информации, разумеется, с учетом периферийных устройств и вспомогательных процессов.

В результате такого анализа получают, как правило, основополагающую концепцию технологии в основных и малых (предшествующих и последующих) процессах, которая позволяет перейти к соответствующей постановке задач по всеобъемлющей рационализации.

Увеличение эффективности

Для оказания научно-технической поддержки предприятиям, применяющим промышленную робототехнику, в ГДР были созданы руководящие и координационные центры, которые в значительной степени способствовали разработке основных типов роботов (загрузочные роботы, роботы специализированных процессов для электротехники и электроники, технологические сочлененные роботы, роботы для поковочных и литейных процессов, а также роботы для сварки) и созданию необходимого научного задела, в частности, путем компоновки типовых решений для применения гибкой автоматизации. Кроме того, они служат для координации сотрудничества внутри страны, а также с СССР и другими странами СЭВ по разработке, изготовлению и применению основных типов роботов, влияют на конструирование соответствующих рабочих узлов и их поставки, а также на конструирование новых машин и установок с учетом применения робототехники; способствуют созданию собственных моделей и представляют техническую и технологическую документацию на уже разработанные и созданные. Эти центры занимаются обобщением и распространением лучших достижений, прежде всего полученных на этой основе данных для Центрального банка информации для промышленной робототехники, который был создан при Научно-исследовательском центре станкостроения в г. Карл-Маркс-Штадте в целях обеспечения наиболее эффективного внедрения новых разработок и практических технологий. В нем накоплена национальная и международная информация относительно разработки, производства и применения промышленных роботов, которая в случае необходимости может быть быстро предоставлена заказчику.

Загрузка литейной машины: решение сложной проблемы по загрузке, состоящей из 18 рабочих операций, необходимых при отливке под давлением. Литьевая машина открывается (1), рука робота вытягивается (2) и перемещается влево (3) для захвата отливки (4). Затем рука перемещается вправо (5), отводится назад (6) для последующего перемещения влево (7), после чего начинает работать контрольный датчик, а машина запирается. Отливка транспортируется на станцию закаливания (8), рука робота вытягивается (9) и опускается вниз (10) для укладки отливки (11). После того как робот отведет руку назад (12), начинается процесс удаления грата. Затем робот опять протягивает свою руку вперед (13), захватывает готовую отливку (14) и поднимает руку вверх (15), затем он оттягивает ее назад (16) и укладывает отливку на транспортер (17). Если датчик просигналил «брак», то до этого момента происходит сбрасывание отливки на отводной желоб брака. Затем робот поворачивает руку вправо (18), и описанный выше процесс начинается снова (по Брейннеру). I — датчик перегрузки, II — станция закаливания, III — пресс для снятия грата, IV — отводной желоб.

Банк информации располагает новейшими данными относительно состояния промышленной робототехники в СССР и промышленно развитых капиталистических странах, сведениями о разработке, производстве и применении робототехники в ГДР.

Наличие подобного банка информации дает значительные преимущества — централизованное обобщение большого количества технико-экономических сведений, многогранное, целенаправленное и рациональное многократное использование технических, технологических и прочих решений, а также результатов исследовательской работы, — позволяющие избегать повторных или неэффективных разработок в области конструирования и технологического проектирования.

Машины обслуживаются машинами

Каждую заготовку или материалы подают для обработки на соответствующую машину. Эта операция осуществляется как на станках, так и на прессах, в кузнечных цехах, литейных установках, на машинах в текстильной, стекольной и керамической промышленности. Затем деталь транспортируется на дальнейшую обработку или поступает в накопитель. До применения робототехники подобные задачи выполнялись преимущественно вручную. Теперь же они могут быть переданы промышленным роботам, хорошо зарекомендовавшим себя при выполнении загрузочных транспортных задач. Например, в накопителе для деталей находятся заготовки — отрезки прутков, на которые должна быть нанесена резьба. Этот рабочий цикл выполняет токарный станок с ЧПУ. Робот, задействованный в технологическом процессе, забирает из накопителя по одной заготовке, размещает в зажимном устройстве токарного станка. Теперь идет нарезка. После остановки станка робот извлекает готовую деталь и размещает ее в магазине. Данный процесс может повторяться многократно.

Технологическая схема структуры применения загрузочных роботов для одной, двух и трех позиций обработки. 1 — транспортер, 2 — место для поддона, 3 — промышленный робот, 4 — позиция обработки для точения, внешнего шлифования, сверления, фрезерования, нарезки зубьев, контроля, промывки и т. п.

Но что делать роботу во время работы токарного станка? Ему же не нужны перерывы! Чтобы увеличить производительность, перешли к обслуживанию нескольких станков одним роботом: пока на одном станке обрабатывается деталь, робот загружает другой станок, затем он извлекает готовую деталь из первого станка и направляет ее в магазин. Процесс повторяется в запланированной и точно рассчитанной последовательности. Для бесперебойной работы необходима своевременная замена поддонов с заготовками и готовыми деталями. Эта операция по возможности должна выполняться также самим роботом: опыт показывает, что необходимые движения, если они выполняются периферийными устройствами, ограничивают мобильность робота и увеличивают расходы.

Обслуживаемая одним роботом группа машин (1), токарный центр (2), шлифовальный станок (3), сверлильный станок (4), транспортер (5) (по Холмесу).

Промышленные роботы, предназначенные для загрузки или обслуживания технических устройств, имеют весьма широкий диапазон применения. Кроме названных случаев они используются для обслуживания разнообразных прессов, плавильных печей, станков и прочих обрабатывающих или перерабатывающих машин, транспортирующих устройств, транспортных средств, магазинов, упаковочных установок и т. п.

Помощники в технологических процессах

Сварка — точечная или дуговая — трудоемкий и сложный технологический процесс. О значении сварочных работ свидетельствуют такие примеры: судно водоизмещением 10 тыс. тонн насчитывает 150 км сварных швов, а для соединения 600 прессованных или штампованных деталей металлического кузова автомашины необходимо 6 тыс. точечных сварок и 20 м швов с дуговой сваркой. В настоящее время сварочные автоматы в состоянии выполнять относительно длинные швы. Что касается многочисленных коротких угловых и стыковых швов, то они еще варятся вручную, хотя наиболее пригодны для этих целей роботы — короткие швы при ручном исполнении зачастую требуют больше времени на переоснастку, чем на саму сварку.

Эффективность сварочного робота зависит в первую очередь от правильности его технологического использования. Если сейчас их в основном приспосабливают к уже имеющимся технологическим цепочкам, то в будущем появятся новые конструкции сварочных роботов. Они будут устанавливаться по нескольку единиц на производственных линиях или производственных участках. При технологической подготовке производственного процесса инженеры по сварке определяют, какой из видов сварочных работ наиболее приемлем в данном случае, и выбирают оптимальные формы соединения. Принятие специалистами по сварке соответствующих решений облегчается специально разработанными программами.

Центральный институт по сварочной технике ГДР в г. Галле разработал в рамках гибкой системы отдельные блоки, из которых можно скомпоновать различные сварочные роботы.

От сварочных роботов требуется высокая точность, маневренность и скорость. Они должны самостоятельно перемещать сварочную горелку, сварочные клещи и свариваемые детали. В большинстве случаев для этого достаточна шестая степень свободы маневрирования. В зависимости от выполняемой задачи сварочный робот может развивать скорость от 300 до 500 мм/с. Несущая способность робота определяется типом сварочной горелки и обрабатываемой детали.

Сварочная горелка с сенсорами.

Тот, кто бывал в кузнице, наверняка восхищался видом раскаленной стали, уверенными движениями кузнецов, орудующих своими молотами, видом шипящих паром готовых поковок. Но внимательный наблюдатель отметил бы и трудности этой работы, требующей большой мускульной силы, отметил бы адский грохот и изнуряющую жару. Замена в этом процессе кузнеца роботом, как видим, весьма желательна.

Итак, в индукционной печи деталь нагревается до рабочей температуры 1000–1200 °C. После этого робот извлекает ее из печи и переносит в поковочную форму, где осуществляется первичное прессование. Затем робот вновь захватывает деталь и помещает ее в следующую поковочную форму. Процесс повторяется до тех пор, пока не закончится формование. После процесса ковки другой робот направляет деталь на закаливание. Полностью готовая деталь транспортируется роботом в контейнер.

Система монтажных роботов, состоящая из основного робота (1) и вспомогательного робота (2), 3 — подача заготовки, X, Y — направления движений.

Удаление грата (излишков металла) с изделий из таких материалов, как чугун, алюминий, пластмасса и т. п., — трудоемкая, физически тяжелая и грязная операция. Для этих целей также применяются роботы, оснащенные вращающимися или скользящими напильниками и шлифовальными элементами. Они получают детали для обработки непосредственно после завершения процесса отливки.

Роботы можно использовать во всех отраслях промышленности, в том числе и в легкой, где отдельные предметы одежды часто изготовляются вручную. Наверное, доля ручного труда в изготовлении определенных индивидуальных модных предметов одежды даже спустя десятилетия будет оставаться еще относительно высокой, и по-прежнему ручная работа будет цениться гораздо дороже. Но подчас в таком труде нет никакой необходимости. Напротив, чем рациональнее организовано производство пошива, тем выгоднее оно для народного хозяйства и для покупателя. Поэтому очень важно внедрение швейных роботов в производство готового платья, где до сих пор около 75 % всего основного времени приходится на ручной труд, выполняемый преимущественно женщинами. Это значительно облегчит труд швей.

На отдельных промышленных предприятиях для экономии рабочего времени и для облегчения труда используются не только промышленные роботы, но и управляемые вручную манипуляторы. Это манипуляторы с дистанционным управлением для работы с ядовитыми и другими вредными для здоровья веществами или так называемые балансеры, подъемные механизмы, такие, как управляемые непосредственно человеком синхронные манипуляторы для перемещения тяжестей в пределах рабочего помещения при компенсации грузов. Они используются в кузнечных и литейных цехах для выполнения тяжелых погрузочно-разгрузочных работ, в медицине для поднятия и транспортировки носилок с пациентами.

Применяются роботы также и в научно-исследовательской работе. Если эффективность научных исследований в настоящее время в решающей степени определяется высокопроизводительным автоматизированным лабораторным оборудованием и приборами, то напрашивается ряд вопросов: не подкрепляется ли разработка и выпуск такого автоматизированного лабораторного оборудования как раз промышленной робототехникой? Нельзя ли с помощью роботов осуществлять время от времени эксплуатацию в три смены высокопроизводительных научно-исследовательских установок без обслуживающего персонала? Конечно же это возможно!

Другой пример: ученые занимаются всерьез так называемым роботом-поводырем. Это нечто вроде тележки с ходовым механизмом, имеющим привод и работающим от постоянного тока. На нем смонтированы сенсоры и микроЭВМ. С помощью этих технических устройств пространство около робота «ощупывается» ультразвуком и воздействием света. Робот может быть запрограммирован по методу запоминания пути, который предстоит пройти. Робот может затем по ряду характерных признаков вновь найти этот маршрут. Однако же для таких роботов название «промышленный робот» не совсем справедливо.

Роботы-сварщики

Во многих отраслях промышленности доля рабочего времени, требующегося для монтажа, сравнительно велика. Например, в машиностроении и автомобильной промышленности ГДР она составляет 33 %, а в электротехнике (электронике) — свыше 40 % общего рабочего времени. Из них опять же около 60 % приходится на операции, выполняемые вручную, около 30 % монтажных работ механизированы; около 10 % частично автоматизированы; 2–3 % полностью автоматизированы. По международным подсчетам, ручной труд приблизительно 70 % всех занятых на монтаже рабочих можно заменить или существенно сократить за счет использования промышленных роботов. Это увеличит производительность труда примерно на 30 %. Высвободится и рабочая сила.

Однако до сих пор в сфере монтажа промышленные роботы не нашли еще широкого применения, поскольку сборка является трудной для механизации и автоматизации областью. Здесь предъявляются очень высокие требования к умению обращаться с техникой. Зачастую применение роботов оканчивалось неудачей из-за отсутствия эффективных научно-исследовательских решений, ненадежности узлов монтажных роботов, а также неспособности «робота-монтажника» реагировать на неполадки. Таким образом, указанная выше в процентном отношении относительно невысокая доля механизированного монтажа не вызывает удивления.

Во всех развитых в промышленном отношении странах проводится интенсивная работа по решению этих задач. После того как в значительном объеме решены проблемы сенсорной техники, включая соединение различных видов сенсорной информации, распознавание деталей, а также уменьшено количество нарушений в технологическом процессе, на отдельных предприятиях были осуществлены эксперименты, в ходе которых оправдали себя различные образцы, началось последовательное внедрение промышленных роботов с сенсорным управлением для автоматизированного монтажа.

Грейферы монтажных роботов снабжены сенсорами, которые позволяют им распознавать, захватывать и монтировать соответствующие предметы. Например, монтажный робот, оснащенный адаптивной (способной приспосабливаться) грейферной головкой, вводит болт в отверстие. Различные образцы искомых предметов дают этому промышленному роботу возможность найти отверстия для данного болта. Вместо тактильных сенсоров для механической компенсации отклонений от положения применяются вспомогательные монтажные приспособления.

Принцип управляемой монтажной системы. 1 — акустический предохранительный сенсор, 2 — предохранительный сенсор (проводное включение), 3 — сенсор положения, скорости и ускорения, 4 — искатель в ультразвуковом диапазоне, 5 — участок тактильного сенсора, 6 — силовой сенсор, 7 — датчик контроля усилия зажима, 8 — оптический датчик (телекамера).

Имеются также роботы с двумя-тремя руками, действующими одновременно. На этих руках расположены различного рода грейферы с тактильными или другими сенсорами. Такой робот может одной рукой захватывать деталь монтажа и помещать ее в контрольное приспособление; другая рука извлекает ее оттуда и откладывает с одновременной сортировкой по размерам и качеству, в то время как первая рука уже вводит в контрольное устройство новую деталь. Детали для будущего монтажа и соединительные элементы должны быть выполнены таким образом, чтобы роботы могли с ними «работать». Самые простые и, очевидно, самые оптимальные решения здесь — штабельные конструкции, при которых все монтажные детали монтируются в одном направлении. Однако потребуется и создание стандартных узлов и соединительных элементов, которые отвечают условиям автоматизированного монтажа с помощью промышленных роботов.

Правильное реагирование монтажных роботов на помехи также предъявляет очень высокие требования к их создателям. Помехи многообразны и многочисленны. Они начинаются при контроле на наличие всех монтируемых деталей, продолжаются в виде различных возможных помех при позиционировании деталей, а также на других участках процесса монтажа и не исключены при заключительном контроле качества смонтированных роботами узлов. Уже на относительно простых процессах монтажа при управлении роботами необходимо принимать более ста различных решений.

В рамках научных исследований определяются все новые и новые пути, для того чтобы монтажные роботы с помощью своих сенсоров и микросчетчиков могли правильно реагировать на различные помехи, не прерывая при этом процесс монтажа.

В связи с монтажом зачастую необходима сортировка деталей различных размеров по их величине, форме, цвету, массе и по другим признакам. Робот-сортировщик, снабженный оптическим сенсором, может выполнять эту задачу.

Гибкая система сборочных роботов с двумя руками и оптическими сенсорами.

В бункере находятся несортированные детали. Сначала они должны пройти через отсекающую станцию, поскольку оптический сенсор в состоянии зафиксировать лишь отдельно лежащие детали. Затем детали попадают на конвейер и для лучшего распознавания освещаются. Определенные признаки, такие, как величина и форма, распознаются с помощью сенсора приблизительно за 500 мс. Фотоматрица с самозондированием (смонтированные в виде растров светочувствительные элементы) преобразовывает оптическую информацию в виде изображения в соответствующие электрические сигналы. На основе информации сенсора через управление робота с одной грейферной рукой можно соответствующим образом располагать детали и в упорядоченном виде подавать их к накопителю или на дальнейшую обработку.

Программируемая система сборки, при которой взаимозаменяемые монтажные станции соединены с промышленным роботом, оснащенного сменными грейферами.

1 — сменная плита, 2 — подготовка деталей, 3 — грейферный магазин, 4 — опора плиты, 5 — модульная тактильная система грейферов и сенсоров, 6 — подставка для заготовок, 7 — настольный пресс, 8 — винтоверт, 9 — телекамера, 10 — взаимозаменяемые плиты для монтажных станций, 11 — управление роботом, 12 — шкаф с магнитными клапанами, система наблюдения.

Сортировка с помощью промышленного робота. 1 — телевизионная камера, 2 — источник освещения, 3 — магазины, 4 — дальнейшая обработка.

Гибкая автоматизация

В тех областях, где производственные процессы протекают непрерывно, как, например, в химической промышленности, в массовом и крупносерийном производстве в металлообрабатывающей промышленности, достигнута уже относительно высокая степень автоматизации установок. Нет еще, однако, полной автоматизации мелко- и среднесерийного производства. Было необходимо разработать такую систему, которая бы гибко реагировала на изменение условий и задач производства.

Первые системы такого вида предназначались для обработки деталей с включением последующих процессов, таких, как очистка, крашение, нанесение антикоррозионного покрытия и т. п. Станки с числовым управлением открыли в этой области благоприятные возможности. Они могут в заданной последовательности без вмешательства человека обрабатывать числовую информацию о пройденном пути и о включениях, которые необходимо выполнить. На носителях информации (перфоленте или магнитной ленте) фиксируется программа, указывающая в системе координат ту позицию, которую инструмент должен занять по отношению к заготовке. Она описывает отдельные точки или траектории.

Для последующих систем было типичным интегрирование счетчика. Этот счетчик координировал и оптимизировал взаимодействие обрабатывающего станка и робота.

На станке с числовым программным управлением свободно программируемая вычислительная машина, соответственно микропроцессор, перенимает существенные задачи обычной единицы управления, которые могут свободно сводиться в этом случае к процессу позиционирования (опрос величин измерений, сравнение истинных величин, выдача величин управления). Вычислительная машина обеспечивает станок числовыми программами и берет на себя частичные функции по их обработке, например определение значений координат для управляемых осей, расчет поправки инструмента и т. п.

Станки с числовым управлением были скомбинированы с вычислительной машиной для управления производственным процессом. Здесь мы можем говорить о прямом компьютерном управлении, причем станки состыкованы напрямую с помощью кабеля с вычислительной машиной и подчинены ей, в результате чего возникает управление несколькими станками или групповое управление. Вычислительная машина для управления производственным процессом снабжает станки с ЧУ программами деталей. Данные с помощью электрических и оптоэлектронных передаточных устройств передаются на числовое управление станков. Традиционная перфолента в качестве носителя данных не нужна. Вычислительная машина служит одновременно запоминающим устройством и распределителем. Этот способ позволяет также производить корректуры программы.

Высокая степень гибкой автоматизации достигается в том случае, если на предприятии с прямым компьютерным управлением вычислительная машина осуществляет управление обрабатывающими станками, устройствами складирования и транспортировки по оптимизированному по участкам производственному плану.

Станки с ЧПУ, с прямым компьютерным управлением, находят быстрое распространение. Например, если до внедрения этих вычислительных машин технологически возможная загрузка традиционных производственных систем составляла лишь около 50 %, то сейчас достигается почти предельная технологически возможная загрузка. Они обеспечивают большее число работ по обработке, отдельные циклы обработки выпадают или же могут быть объединены; процессы оснащения упрощаются или полностью выпадают, смена инструмента и заготовок происходит автоматически.

Другое преимущество — более высокая производительность станков, более интенсивная загрузка, большая гибкость, ускоренное прохождение заготовок, экономия материала и производственных помещений, значительное улучшение качества, а также снижение затрат на технику управления.

Промышленные роботы, обрабатывающие или перерабатывающие станки, вспомогательное монтажное оборудование, накопительные, транспортные устройства, устройства управления и другие соединяются в виде самых различных комбинаций в более крупные единицы гибкой автоматизации. При этом производственные и монтажные ячейки все в большей степени выступают в качестве основных элементов гибких автоматических производственных систем.

Наряду с этими ячейками в рамках рационализации оправдали себя обрабатывающие центры с числовым управлением (см. рис.) и интегрированные предметно-специализированные производственные участки (ИПСУ).

Гибкая система производства.

1 — фрезеровочный центр, 2 — секции изготовления, 3 — измерительное устройство, 4 — токарный центр, 5 — блок управления с вычислительными устройствами, 6 — шкаф управления, 7 — промышленный робот, 8 — микропроцессорное управление для транспортных устройств, 9 — передающее устройство, 10 — поворотная станция, 11 — станция замены поддонов, 12 — накопитель поддонов с рабочим инструментом, 13 — станция очистки, 14 — лента транспортного устройства, 15 — ролльганг.

Под обрабатывающим центром с числовым управлением понимают обрабатывающий или перерабатывающий станок с числовым управлением, который объединяет в себе функции нескольких обрабатывающих участков и делает возможным практически полную обработку сложных заготовок в одном зажиме. Обрабатывающий центр автоматически сменяет инструмент и заготовку.

Под интегрированным участком производства понимают предметно-специализированное производство похожих в технологическом отношении групп деталей с помощью механизированных или автоматизированных процессов обработки, транспортировки, складирования, перевалки, а также процессов управления производством. Участвующие в процессе производственные устройства не соединены напрямую. Поток заготовок оканчивается перед станком.

Автоматизированная система производства является гибко функционирующим комплексом станков с числовым управлением для обработки и переработки, устройств для транспортировки, складирования и накопления, которые управляются вычислительной машиной. Рабочая сила требуется зачастую лишь для контроля, технического ухода и ремонта.

Роботы и станки с числовым управлением таких систем могут быть по крайней мере частично автоматически проверены, а результаты диагноза в виде сигнала переданы инженеру, осуществляющему технический уход. Этот процесс может протекать также в виде дистанционного диагноза с помощью соответствующих телекоммуникационных систем на большие расстояния.

Производственные ячейки

Во многих промышленно развитых странах ученые и конструкторы работают над решением многочисленных проблем, связанных с техническим и технологическим проектированием производственных и монтажных участков, а также автоматизированных фабрик. Однако проходят годы, прежде чем новые разработки достигают нужной степени зрелости. Предпосылкой комплексной автоматизации является охват научной мыслью всех процессов подготовки, управления и осуществления производства, использования средств электронной обработки данных, измерительной, регулировочной техники, техники управления, а также методов оптимизации процесса.

Базовыми единицами автоматической фабрики являются гибкие производственные, монтажные ячейки.

Производственная ячейка как технологически самостоятельно функционирующее устройство охватывает все компоненты, которые необходимы для выпуска заданного количества продукции (например, отдельных деталей) на одной производственной единице (один или два станка). Кроме потока инструментов в автоматизацию включены: поток заготовок, контроль заготовок, контроль за функционированием станков, инструментов и промышленного робота, а также контроль за процессом и — на высшем уровне — регулирование всего процесса. Таким образом, могут быть обеспечены временные интервалы, когда не требуется обслуживание (например, в ночное время). Производственные ячейки могут в качестве модулей вместе с другими производственными ячейками и вспомогательными станциями через гибкие транспортные устройства и устройства управления выступать в роли гибких производственных систем, которые можно комбинировать с другими. Эти производственные системы могут быть объединены посредством транспортных систем с автоматизированными системами складирования и монтажными системами в автоматизированные производственные участки, которые в свою очередь являются опять же частичными компонентами общего гибкого производства, автоматизированной фабрики. При этом иерархически состыкованные вычислительные машины управления процессом производства служат для руководства автоматизированными производственными процессами, потоками материалов, инструментов и информации.

В гибкой производственной ячейке станки и промышленный робот работают с компьютерным управлением. При этом робот — соединительное звено между станком и накопителями. Система работы производственной ячейки должна обеспечить выработку, изменение и поддержание позиции и ориентации заготовок, производственного, измерительного, зажимного и вспомогательного инструмента, а также упорядочение, вращение, поворот, перемещение, зажим и укладку.

Схема секции изготовления с токарными и фрезерным станками (1 и 2).

Здесь на заготовках выполняются различные токарные и одна фрезерная операции. Промышленный робот, запрограммированный по методу «тич-ин», заменил здесь рабочего. Микровычислительное устройство (3) учитывает изменение производственных условий.

Производственные ячейки необходимы для исходного формообразования, деформации, разъединения, соединения, покрытия, изменения свойств материала и для похожих операций.

Сборочные ячейки

В массовом и крупносерийном производстве известны монтажные автоматы. Их экономичное использование требует, однако, чтобы продукт выпускался в большом количестве и на протяжении длительного времени. Но и при средне-, а частично и при мелкосерийном производстве возможен монтаж с помощью промышленных роботов. При изменяющихся производственных заданиях они обеспечивают привязку монтажной системы к динамическим и случайным влияниям, исходящим из производственной программы. Структура технической оснащенности остается при этом неизменной. Во всяком случае это предполагает, что изделия для будущего монтажа должны быть сконструированы, разработаны таким образом, чтобы с ними можно было работать на автоматизированных предприятиях.

Промышленный робот, который должен работать с деталями или узлами, а также с инструментом, приспособлениями и средствами контроля монтажа, оснащен монтажной головкой.

С помощью свободно регулируемого микрокомпьютера осуществляется управление как процессом движения основной единицы (промышленный робот) и его монтажной головки (включая ее сенсорную единицу), так и системой смены монтажных грейферов и монтажного инструмента, периферией промышленного робота и взаимодействия этих устройств, обозначаемых как монтажная ячейка, с другими устройствами. Если требуется монтаж другого похожего изделия, то промышленный робот на основании новой программы может без значительной перестройки оборудования монтировать и это изделие, а затем и третье и т. д. Именно здесь и проявляется гибкость монтажной ячейки, возможность привязки ее к изменяющейся производственной программе. Хотя структура технической оснащенности при этом не меняется, для монтажа различных изделий могут потребоваться различные грейферы, монтажный инструмент. Для этого имеется монтажная головка, состоящая из сменного редуктора для монтажных грейферов и монтажного инструмента, а также из компенсационных и сенсорных единиц. Она оснащена механизмами для беззажимного соединения и для устранения погрешностей при позиционировании. В случае необходимости монтажная головка может иметь и другие двигательные единицы со специальным микрокомпьютерным управлением. Промышленный робот может брать различные грейферы из одного магазина и после работы с ними вновь складывать их в этот магазин.

В монтажной ячейке приспособление для крепления заготовок служит, кроме того, для держания заготовки, в то время как промышленный робот с помощью своего грейфера вводит соответствующую монтируемую деталь. Для быстрого перехода от монтажа одного изделия к другому используются гибкие зажимные элементы.

Монтируемый узел: двухступенчатая коробка передач станка (по Хэссу, Симону, Вольмеру и Вейзе).

Монтируемые детали, а также необходимые монтажные грейферы и инструменты, приспособления для соединения и т. д. находятся внутри производственного помещения монтажной ячейки в магазинах и накопителях, которые расположены на поддонах.

Поскольку накопители обслуживаются промышленным роботом автоматически, то промежуточное складирование и транспортировка выпадают. Смена поддонов производится роботом.

Монтажная ячейка с помощью своей системы управления, а также сенсорной и сигнальной систем должна контролировать протекание запрограммированных операций монтажного цикла, распознавать и учитывать возникающие погрешности.

В нескольких расположенных друг за другом монтажных ячейках могут таким образом из отдельных деталей монтироваться различные узлы изделия, которые затем соединяются в конечное изделие. Для обеспечения необходимой надежности и стабильности всего, зачастую сложного, процесса монтажа необходимы промежуточные накопители, которые при помехах выполняют роль компенсаторов, автоматическая транспортировка между монтажными ячейками и другие специальные меры.

Гибкая автоматическая монтажная секция (по Хэссу, Симону, Вольмеру и Вейзе).

Фабрики почти без людей?

Состоящие преимущественно из стандартизованных единиц производственные ячейки могут быть соединены в одну производственную систему. Примером может служить производственная система, состоящая из 25 производственных ячеек, каждая из которых оснащена одним станком с ЧПУ, монитором, промышленным роботом и устройством для смены поддонов. Ячейки могут быть состыкованы друг с другом. Лишь в дневное время они обслуживаются несколькими рабочими, которые занимаются наладкой станков и роботов, выполняют необходимую работу по техническому уходу и контролю. В ночное время этот производственный участок функционирует без обслуживания, так как производственные ячейки оснащены устройством для смены инструментов и поддонов с заготовками.

Центральная система управления с двумя автоматизированными системами накопления и отзыва заготовок, система управления деталями и узлами, а также центральная система контроля управляются одним компьютером, который в свою очередь связан с головным компьютером. Эта система может применяться и для автоматической системы транспортировки.

Для обеспечения станков используются роботы-тягачи без водителя, имеющие электрические приводы, которые управляются посредством индукции с помощью проложенных в полу цеха проводов. На погрузочной станции они загружаются поддонами с необходимыми материалами, находящимися в автоматизированной системе накопления и отзыва.

Пример промышленного предприятия с высокой степенью автоматизации.

1 — центральная система контроля, 2 — центральная система управления, 3 — автоматизированный склад для рабочих материалов, 4 — автоматизированный склад для деталей рабочих узлов, 5 — площадка для сварочных работ, 6 — производственная площадка, 7 — транспортная тележка без водителя, 8 — контроль качества, 9 — площадка для монтажа.

В нескольких странах уже имеется ряд предприятий с гибкой автоматизацией.

Реализованные проекты еще раз доказывают: техника промышленных роботов будет в будущем играть первоочередную роль в производственных цехах.

Следует, однако, особо подчеркнуть: гибкая автоматизация, так же как и жесткая автоматизация, с помощью микроэлектроники и техники промышленных роботов ведет к структурным изменениям в производстве. Автоматизация требует от человека, чтобы он овладел ею, прежде всего освоил поток материала и информации как интегрированных, основных составных частей автоматизированного производства. Поток материала, особенно в тех процессах, которые непосредственно связаны с автоматизированным изготовлением и дальнейшей обработкой деталей, должен помогать развивать и обеспечивать необходимую гибкость. Подпроцессы этого материального функционирования необходимо скоординировать по месту и времени с заданной программой посредством соответствующего производственному планированию информационного потока. Это означает, что автоматизированная фабрика предполагает не только соответствующие производственные, но и соответствующие информационные системы, а также автоматизированное обеспечение производственной технической информацией по заданным программам в рамках интегрированной обработки данных. Использование микроэлектроники (например, микроЭВМ), создание иерархических систем ЭВМ для управления производственным процессом и разработка необходимого для этого математического обеспечения, включая решение всех связанных с этим проблем вплоть до широкого автоматизированного сбора данных, — исключительно сложные задачи. Именно в этой комплексной постановке проблем заключаются еще многие нерешенные научные, технологические, технико-конструктивные, социальные и другие проблемы. В разделе «Тенденции развития» затрагиваются некоторые из этих проблем.

Наука и техника способствуют перманентной рационализации промышленного производства. Несмотря на это, в целях научного исследования, разработки, проектирования и апробирования те этапы пути, которые предстоит пройти до всеобщего внедрения автоматизированной фабрики, требуют определенного времени, поскольку одновременно с использованием новых научных знаний необходим практический опыт, для того чтобы определить, как могут быть полностью обеспечены необходимая технологическая стабильность и гибкость в автоматизированной фабрике.

Кому нужна робототехника?

Итак, промышленные роботы вместе с другими научно-техническими достижениями революционизируют производственные силы и дают им толчок для дальнейшего развития. Они помогают человеку в его труде и облегчают его.

Но всегда ли и везде применение роботов будет экономически выгодным и будут ли учитываться социальные интересы трудящихся? Как повлияет эта рационализация на экономическую и социальную политику, служащую каждому в отдельности и всему обществу?

Выгодно ли с экономической точки зрения концентрированное и комплексное применение промышленных роботов? Сколько времени потребуется для того, чтобы вернуть вложенные в эти роботы средства? Сколько высвободится рабочей силы и насколько возрастет производительность труда?

Комплексное применение промышленных роботов особенно экономически эффективно в автоматизированных производственных цехах. Это достигается, как правило, доработкой технологии, установкой станков, которые могут работать с роботами, соответствующей адаптацией роботов, т. е. необходимой научно-технической подготовкой производства. Во многих случаях при этом возникают относительно большие затраты. Однако, поскольку уровень всего технологического процесса повышается и комплексные решения нового вида приносят значительную пользу, эти затраты оправданны.

Использование промышленных роботов ведет в многочисленных сферах материального производства к более высокому темпу роста производительности труда, а также к абсолютному высвобождению рабочей силы, которая может использоваться в других сферах общественного производства. Предположим, что на одном из наших комбинатов в ходе пятилетки за счет использования роботов для выполнения других производственных заданий высвободилось 500 человек. Для разработки и создания промышленных роботов требуется около 150 человек; 350 рабочих можно использовать на других работах. Они вырабатывают в течение 5 лет промышленных товаров дополнительно на сумму примерно 100 млн. марок. Производительность труда на комбинате возрастает в целом на 30 %.

С использованием промышленных роботов связаны и другие экономические выгоды. Высвобождаются средства труда, экономятся оборотные средства. Дополнительная продукция, использование высвободившейся рабочей силы обеспечивают прирост чистого дохода: снижается процент брака, достигается экономия материалов, энергии, а также финансовых средств. Если, например, удастся добиться снижения затрат на брак, доработку и гарантийную мощность в народной промышленности ГДР на каждые 1000 марок товаров всего на 1 марку, то сэкономленные за счет этого материальные фонды и высвободившиеся мощности станков, рабочей силы позволят выпустить товаров дополнительно на сумму порядка 320 млн. марок. Далее, за счет использования промышленной робототехники возрастает коэффициент загруженности основных средств.

В каждом отдельном случае с помощью показателей затраты — выгоды определяются, как правило, последствия, вытекающие из технических, технологических и производственно-организационных изменений. Результаты таких расчетов проверяются, сравниваются с критериями оценки, создается точная документация.

Экономическая эффективность определяется в форме сопоставления соответствующих затрат (для капиталовложений, научных исследований и разработки, адаптации технологических процессов, подготовки к применению, переквалификации сотрудников и т. п.) и экономической пользы (за счет снижения затрат, роста прибыли, высвобождения рабочей силы, увеличения объема производства и др.).

Объем капиталовложений на внедрение промышленных роботов (вследствие различных условий их использования, необходимых периферийных устройств, конструкции самих роботов и других факторов) не одинаков. В международном масштабе он составляет, как показали расчеты, порядка 300 тыс. марок на каждый используемый робот, но может достигать и 600 тыс. марок. В среднем через 3 года начинается обратный поток затраченных капиталовложений.

Комплексное использование промышленных роботов выгодно с экономической точки зрения. Оно сказывается на росте прибыли и снижении затрат, что опять же ведет к увеличению прибыли. Связанное с использованием промышленных роботов сокращение продолжительности процесса также принесет значительную экономическую выгоду.

Вот какие предпосылки имеют особое значение:

трехсменная эксплуатация этой самой современной техники при непрерывной стабильности технологических процессов;

относительно низкие одноразовые затраты;

низкие текущие затраты;

многократное последующее использование высококачественных технико-технологических решений, включая выработанное математическое обеспечение.

Только ли больше свободного времени?

В ходе промышленной революции в конце XVIII–XIX в. ручной труд был вытеснен за счет использования машин, обслуживание которых осуществляли ремесленники. В настоящее время промышленные роботы освобождают рабочего от обслуживания станка и тем самым зачастую от вынужденного монотонного ритма его работы. Он высвобождается из строгого технологического режима в производственном процессе с тем, чтобы еще лучше освоить этот процесс и развивать его дальше.

С помощью промышленных роботов автоматизируются простые ручные операции, а также выполняются сложные виды труда с большей точностью и скоростью. Для выполнения определенной работы промышленный робот затрачивает значительно меньше времени, чем рабочий. Человек после относительно короткой по времени постоянной нагрузки устает и нуждается в перерывах. Работоспособность робота практически не снижается.

Соотношение рабочих возможностей человека и промышленного робота. 1 — механические возможности по методу измерения времени на перенос массы 10 кг, 2 — рабочий потенциал человека по методам измерения времени на манипулируемую массу менее 1,13 кг, 3 — рабочий потенциал промышленного робота, рассчитанный на манипулирование массой макс. 10 кг (по Отто).

Разделение труда и организация труда выдвигают новые проблемы. Сокращается число рабочих, занятых непосредственно на станках. Зато возрастает число рабочих, требующихся для подготовки и контроля производства, а также для технического ухода. «Отшлифованный» трудовой ритм при освоении привычных рабочих циклов становится больше не нужным. На передний план выходят качественно и количественно новые требования, которые изменяют существовавшее до сих пор отношение к труду, и новые специальные знания.

Примером таких изменений в промышленности является деятельность оператора станков, которая будет связана с более напряженными и сложными производственными задачами: монтажом, программированием, техническим контролем, регулировкой, техническим уходом, поддержанием в исправном состоянии промышленной робототехники и других устройств автоматизации, контролем за качеством. В будущем в определенных случаях операторы будут работать с электронными приборами для ввода и вывода данных, с панелью управления промышленными роботами, с измерительными приборами и с накопителями программ, а также с программами обнаружения ошибок.

Комплексное использование промышленных роботов влечет за собой, как правило, более высокие требования к умственной производительности и тем самым к квалификации трудящихся. Применение роботов в промышленности способствует повышению уровня квалификации и — как следствие этого — более высокой социальной активности трудящихся.

Использование промышленных роботов может привести к изменению структуры коллективов трудящихся на производстве. Будут предъявляться более высокие требования к качеству руководства. Творческое сотрудничество между производственными рабочими и служащими, представителями научно-технической интеллигенции, будет расти.

За счет использования промышленной робототехники улучшаются условия труда и жизни трудящихся. Сокращается объем тяжелого физического труда, а также грязного, вредного для здоровья труда. Там, где используются роботы, человеку уже не нужно поднимать тяжести, работать при высоких температурах или вдыхать вредные для здоровья вещества. Однако полная, т. е. многосменная, загрузка этой дорогостоящей техники является неотъемлемой предпосылкой ее эффективности.

Широкое использование промышленной робототехники способствует также уменьшению, а затем и полному исключению несчастных случаев на производстве, улучшению производственно-гигиенических условий, борьбе с определенными профессиональными заболеваниями и тем самым сокращению числа трудящихся, которые становятся преждевременно профессионально непригодными.

Сотрудничество

Промышленная робототехника является одним из основных направлений научно-технического сотрудничества стран — членов СЭВ, оказывающим решающее положительное влияние на народное хозяйство в этих странах, прежде всего в связи с рационализацией.

В социалистических странах до начала 80-х гг. было сконструировано и начато серийное производство около 160 типов роботов. Однако не каждый тип робота изготовляется серийно. Например, в СССР из 200 типов промышленных роботов лишь каждый пятый изготовлялся серийно.

Существующая между странами — членами СЭВ договоренность относительно концентрирования и координирования научных исследований, разработки и производства создает хорошие предпосылки для быстрого роста промышленной робототехники и для широкой специализации и сотрудничества именно в этой области.

Преимущества международного социалистического разделения труда и кооперации нашли свое отражение в подписанном в 1980 г. соглашении между странами — членами СЭВ о многостороннем научно-техническом сотрудничестве для развития современных промышленных роботов для обслуживания станков, прессов, кузнечного и литейного оборудования. На основе этого соглашения были выработаны технические нормативные документы для использования промышленных роботов в рамках СЭВ и проверены имеющиеся типы конструкций промышленных роботов и возможности их стыковки с различными видами технологического оборудования. В результате возникли серии эффективных с технической точки зрения роботов. Одновременно упор делался на унифицированные узлы и элементы в качестве основы разработки промышленных роботов. Это многостороннее соглашение в рамках СЭВ по промышленной робототехнике привело между тем к значительному выигрышу во времени в период научных исследований и разработки, к передовым международным достижением и к увеличению взаимных поставок оборудования.

Для реализации положений и рекомендаций по дву- и многостороннему сотрудничеству между странами — членами СЭВ созданы комплексные программы сотрудничества в области промышленной робототехники, например между СССР и НРБ, а также между СССР и ЧССР. ГДР также заключила двусторонние соглашения с Советским Союзом и с другими социалистическими государствами. В основе их лежат сотрудничество в области разработки и создания промышленных роботов и внедрения их в производство, а также взаимные поставки таких промышленных роботов.

Для реализации соглашений между странами — членами СЭВ в области промышленной робототехники в тесном сотрудничестве работают прежде всего научно-исследовательские институты станкостроения социалистических стран. Наряду с совместными работами по решению конструктивных проблем на переднем плане стоят изыскания дальнейших возможностей использования промышленных роботов. Сотрудничество с СССР по совместной реализации и интенсификации производства с помощью промышленных роботов способствует стабильному экономическому развитию всех стран — членов СЭВ.

Обширная работа по разработке и созданию промышленных роботов началась в СССР в конце 60-х гг. Первые роботы различного исполнения, в основном для загрузки станков, в начале 70-х гг. были введены в производство. На основе микроэлектронных функциональных единиц и управления в конце 70-х гг. возникли новые прототипы советских промышленных роботов. За счет использования 400 тыс. промышленных роботов в СССР до 1990 г. будет высвобождаться более 1 млн. человек и экономиться более 8 млрд. рублей ежегодно. Темп прироста в области промышленной робототехники в СССР очень высок: например в первом полугодии 1982 г. было выпущено промышленных роботов примерно в 2 раза больше, чем в первом полугодии 1981 г. В 1982 г. на советских заводах использовалось 6 тыс. промышленных роботов, спустя 2 года — уже более 30 тыс. Эти промышленные роботы работают в черной и цветной металлургии, в машиностроении, в угледобывающей и горнорудной промышленности, в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности, а также в транспортной промышленности.

Особенно активную работу в области научных исследований, разработки, создания и апробирования промышленных роботов проводят Московский экспериментальный научно-исследовательский институт металлообрабатывающих станков (ЭНИМС) и его опытный завод «Станкоконструкция». Они деятельно участвуют в осуществлении программы роботов в рамках СЭВ. Так, например, советскими специалистами ЭНИМСа в сотрудничестве со специалистами научно-исследовательского института металлопромышленности в г. Прешове (ЧССР) был сконструирован универсальный манипулятор UM 160. Он снабжает заготовками несколько станков, производящих детали вращения, например валы и т. п. Максимальный вес таких заготовок — 160 кг. Для более уверенного выполнения возложенных на него задач он оснащен «инфракрасными глазами». Для контроля за этими процессами требуется только 1 оператор. Хорошо подготовленное использование промышленных роботов ведет к экономической выгоде в размере 300 тыс. рублей ежегодно и высвобождению 4 рабочих для выполнения других производственных заданий.

В СССР прилагаются усилия по повышению производственной надежности промышленных роботов новой конструкции второго и частично третьего поколения, а также по значительному сокращению времени, необходимого для их внедрения в производство. Речь идет о промышленных роботах, которые оснащены сенсорами, микрокомпьютерами и похожими узлами. Упор делается на промышленные роботы второго и третьего поколения, которые более эффективны.

Научно-исследовательский институт металлопромышленности в г. Прешове разработал под общим названием «ПРАМ» типовой ряд роботов различного назначения, например для деформации, сварки, обработки поверхности, монтажа и др. На их основе была создана робототехника станкостроения.

В Народной Республике Болгарии разработаны и выпущены различные виды роботов. Они изготовляются из универсальных элементов в виде машин с жесткой или гибкой программами, кроме того, разработаны многочисленные типы роботов для манипулирования деталями, имеющими значительный вес, для нанесения покрытий, загрузки станков, сортировки и т. д.

Чтобы сортировка собранных табачных листов не отнимала ежегодно значительное количество рабочего времени квалифицированных рабочих, был разработан промышленный робот. С помощью электронного устройства измеряется отражаемый от листов свет. Результаты измерений позволяют различать листы по окраске и качеству. Робот сортирует табачные листы по нескольким классам качества и с помощью воздуходувок распределяет их на соответствующие транспортеры. За один сезон сбора урожая один такой робот может отсортировать и оценить около 6000 т табачных листов. Эта роботосистема после соответствующей адаптации и программирования может использоваться для выполнения и других задач, связанных с контролем качества, например для контроля ткани, обоев, настенной плитки и т. п.

В рамках СЭВ НРБ специализируется на определенных типах промышленных роботов. Над выполнением этой задачи работает более 1 тыс. специалистов.

Здесь приведены лишь некоторые примеры сотрудничества социалистических стран в области промышленной робототехники. Однако этим сотрудничество не исчерпывается. Целый ряд научно-технических институтов и предприятий в ВНР, ПНР, СРР и в других социалистических государствах также сотрудничает на дву- и многосторонней основе со своими партнерами в других социалистических странах.

При интенсивной форме расширенного воспроизводства, которое типично для развитого социалистического общества стран — членов СЭВ, качественные факторы роста приобретают все большее значение для повышения общественной производительности труда и его эффективности. Построенная на принципах соглашения в рамках СЭВ промышленная робототехника в значительной мере способствует ускорению научно-технического прогресса, повышению темпов и увеличению масштабов социалистической экономической интеграции, а также дальнейшему сближению народного хозяйства социалистических стран.

Поскольку научно-технический прогресс является основным фактором при интенсификации народного хозяйства стран — членов СЭВ, который оказывает серьезное влияние на решение всех остальных задач, научно-техническое сотрудничество в процессе социалистической экономической интеграции имеет огромное значение.

В капиталистических странах

С конца 70-х и начала 80-х гг. в развитых капиталистических странах, прежде всего в определенных отраслях промышленности, например в автомобильной, наблюдалось ускорение темпов применения роботов. Уже в 1983 г. в Японии на предприятиях работало около 100 тыс. промышленных роботов — от многочисленных простых приборов манипулирования до нескольких тысяч гибких свободнопрограммируемых. Примерно каждый второй используемый в развитых капиталистических странах робот находится на японской фабрике. Одна четвертая часть промышленных роботов находится в США и еще около четверти — в Западной Европе, причем из них около 9 % — в ФРГ, 6,5 % — в Швеции и по 2 % — в Великобритании и Италии.

Хотя в развитых капиталистических странах в экономике рост производства или вообще отсутствует, или наблюдается относительно низкий процент роста, ежегодная доля прироста в перспективной области промышленной робототехники в международном масштабе составляет от 20 до 50 %. В Японии ежегодно выпускается от 22 до 25 тыс. новых промышленных роботов. В количественном отношении производство роботов в Японии в течение 2 лет увеличилось почти в 2,5 раза. На вторую половину 80-х гг. прирост в области промышленной робототехники в развитых капиталистических странах оценивается ежегодно от 20 до 30 % роста станков с числовым управлением.

Автомобильные заводы ФИАТ в Италии используют роботы на производственных участках, где не требуется значительного обслуживания и контроля, например при выпуске кузовов. С помощью этой производственной системы и при участии 10 рабочих для закрепления деталей кузова, 10 механиков-ремонтников и 5 инженеров для технико-технологического контроля системы в день производится 1600 кузовов. Раньше эту работу выполняли 160 рабочих. Этот автомобильный концерн намеревается до конца 80-х гг. заменить около 90 % рабочих на конвейере промышленными роботами.

Япония занимает ведущее место не только по количеству применяемых на производстве промышленных роботов, но также по многообразию областей их применения. Здесь производится около 150 различных типов роботов. В промышленности шестая часть роботов используется для загрузки и разгрузки станков, прессов и подобных устройств, т. е. манипулирования заготовками. Большое число промышленных роботов занимается механическим манипулированием с инструментом. Примерно одна шестая применяемых роботов, управляемых микропроцессорами, — монтажные роботы для соединения отдельных деталей в полуфабрикаты или готовые изделия. За ними следуют многочисленные роботы для сварочных и лакировочных работ, роботы для специальных технологических процессов.

По международным оценкам следует, что преимущество японских производителей роботов выражается прежде всего в том, что они провели усовершенствование промышленной робототехники: повышена точность движений, упрощено управление, увеличен вес поднимаемого полезного груза, усовершенствованы отдельные конструктивные элементы, увеличен промежуток между работами по техническому уходу, снижены затраты, созданы предпосылки для координации роботолиний между собой.

За счет этого японской роботопромышленности удалось добиться определенного международного приоритета в отношении эффективности и стоимости промышленных роботов. Японские концерны в области промышленной робототехники перешли к массовому экспортному наступлению — факт, который был с неудовольствием воспринят их конкурентами в США и Западной Европе.

В начале 80-х гг. в Японии было около 50 гибких производственных участков, так называемых заводских участков без рабочих. Речь идет о комплектных производственных установках, которые перерабатывали исходные детали в готовый продукт.

В середине 1982 г. на комплексно автоматизированном предприятии фирмы «Фуюитсу Фанук» приступили к выпуску двигателей постоянного тока количеством 3 тыс. штук в месяц, причем самых различных типов. Они изготавливаются, начиная с обработки деталей и кончая монтажом в производственных и монтажных системах, без обслуживающего персонала. На другом японском заводе осуществляется автоматическое производство рамок для швейных машин, при котором требуется лишь 8 % рабочих от числа обслуживающего персонала до автоматизации. На одном из предприятий сверхпрочных сплавов за счет автоматизации достигнуто увеличение производительности труда в 5 раз.

По оценкам японских специалистов, за счет широкого использования промышленных роботов второго и третьего поколения будет сэкономлено таким образом от 2/3 до 3/4 имеющихся в настоящее время производственных рабочих мест.

Правящие круги Японии считают, что достигнутое в области применения робототехники и в некоторых других научно-технических областях опережение США и других развитых западноевропейских капиталистических стран объясняется прежде всего заинтересованностью многих трудящихся. Используя исторические традиции, им, как они утверждают, удалось пробудить у многих трудящихся, особенно у технической интеллигенции, готовность повести бескомпромиссную борьбу за передовые в международном масштабе позиции и победить конкурентов. Эта, с капиталистической точки зрения исключительно важная, оценка опровергается, однако, тем фактом, что и эта заинтересованность все больше вступает в противоречие с негативными результатами и последствиями научно-технической революции в капиталистических производственных условиях.

Капиталистические концерны, применяя промышленные роботы, обеспечивают сравнительно большую гибкость в смене ассортимента своей продукции, чтобы утвердиться в условиях ожесточенной капиталистической конкуренции.

Роботы-штрейкбрехеры

Для чьей пользы применяются промышленные роботы, какая при этом преследуется цель? В ответе на этот вопрос четко проявляется взаимосвязь научно-технического и социального прогресса в условиях капиталистических производственных отношений как одного из участка классовой борьбы.

Применение промышленных роботов в капиталистических странах зачастую является поводом для увольнения рабочих. Многие рабочие считают роботы виновниками того, что они потеряли средства к существованию. Исходя из этого в западных средствах массовой информации пишут и говорят о «роботах, которые отнимают работу». Их «проклинают», говоря при этом о «фурии техники» или о «риске технического прогресса». Социальная нищета многих миллионов трудящихся объясняется последствиями научно-технического прогресса, как будто речь идет о своего рода дани, которую человек должен заплатить этому прогрессу. Обострение социальных и экономических противоречий в развитых капиталистических странах выдается за якобы объективную, обусловленную техникой и технологией «вынужденность», которая как бы связана с научно-техническим прогрессом. Тем самым промышленной робототехнике, научно-техническому прогрессу приписывается некая самостоятельность, которая на самом деле вовсе не существует. Действительные общественные причины негативных социальных воздействий в условиях капитализма затушевываются и умалчиваются.

Промышленные роботы являются лишь одним из элементов капиталистической рационализации. На основе научно-технического прогресса она характеризуется, кроме того, применением микроэлектроники, измерительной, регулировочной техники и техники управления, технологии обработки информации, автоматов и систем машин, которые оборудованы микроЭВМ и другими компьютерами. С помощью этих результатов научно-технической революции, их применения в производстве человеческий труд становится более продуктивным. Однако, как и все достижения научно-технического прогресса, промышленная робототехника, микроэлектроника и т. д. всегда оказывают влияние на социальное развитие через производственные отношения; социальные последствия этих научно-технических направлений зависят от господствующих политических и имущественных отношений. При этом в условиях капиталистических производственных отношений следует выделить две стороны.

Во-первых, в условиях частной собственности на средства производства и частнокапиталистического присвоения результатов производства эффект повышения производительности труда идет на пользу не трудящимся, а владельцам средств производства, особенно монополиям. Они используют более высокую производительность труда не для достижения более выгодных позиций в национальной или международной конкурентной борьбе, а для получения все более высоких прибылей. Применение новых научно-технических достижений в условиях империализма, в соответствии с присущими ему закономерностями, подчинено таким целям, как обеспечение максимальной прибыли и приобретение, расширение экономических, политических сфер влияния. Приоритет и масштабы применения достижений научно-технического прогресса определяются интересами господствующего класса, в данном случае — капиталистами.

Во-вторых, одновременно с этим новые продуктивные силы превращаются в деструктивные. Великолепные возможности научно-технического прогресса становятся средством повышения коэффициента эксплуатации и обесценивания трудового потенциала человека. Так, например, используемые в условиях капитализма промышленные роботы, как и все средства труда, служат инструментом дальнейшего увеличения эксплуатации трудящихся. В общественных условиях, для которых характерна безработица, промышленная роботехника способствует ее увеличению.

Причины эксплуатации и безработицы лежат в самой капиталистической системе. И промышленные роботы здесь ни при чем.

Капиталистическая экономическая система не способна устранить присущие ей противоречия и решить вытекающие из этого социальные проблемы. Растущая массовая безработица и боязнь потерять рабочее место используются для того, чтобы выжать из рабочих еще большую производительность. Растет интенсивность труда, страх потерять работу. Те трудящиеся, которые не могут угнаться за таким ритмом, например больные, пожилые или люди с физическими недостатками, «отсортировываются» как «снизившие свою производительность». Огромные возможности промышленной робототехники, всего научно-технического прогресса в экономической и социальной сферах превращаются, наоборот, в регресс для трудящихся.

Та человеческая рабочая сила, которая, с одной стороны, экономится за счет применения промышленной робототехники, с другой стороны, вновь растрачивается впустую из-за безработицы, неполной занятости и других негативных социальных последствий, идущих во вред миллионам человек. При этом можно констатировать: промышленный робот не «отнимет» работу, он не конкурент, который отнимает средства к существованию, он помощник человека, который облегчает ему труд, делает его более продуктивным. Существующие капиталистические производственные отношения — вот что отнимает работу.

Какой смысл в научно-техническом прогрессе, если за ним не следует социальный прогресс? Даже если с внедрением промышленной робототехники и с автоматизацией целых производственных участков на капиталистических предприятиях будут достигнуты значительные научно-технические показатели, которые свидетельствуют о большом техническом и экономическом потенциале, то с общественной точки зрения результатом их всегда будет то же самое — неспособность империализма решить связанные с научно-техническим прогрессом социальные проблемы, преодолеть присущие капитализму противоречия. Капиталистический способ производства стал слишком тесным для таких производительных сил, как промышленная робототехника, микроэлектроника и т. п., и именно здесь становится очевидным, что он должен быть заменен социалистическим способом производства. Еще более очевидным стало это с того момента, когда социализм прорвал империалистическую монополию в области науки и техники.

В социалистических государствах политическая власть рабочих и крестьян, а также социалистическая собственность на средства производства обеспечивают применение промышленной робототехники исключительно в интересах трудящихся. Только в условиях социалистических производственных отношений обеспечивается прочное соответствие требований и результатов научно-технического прогресса жизненно важным интересам трудящихся. В соответствии с основным экономическим законом социализма промышленная робототехника, все достижения научно-технического прогресса используются для все более полного удовлетворения материальных и духовных потребностей, для всестороннего развития членов социалистического общества.

Борьба за экономическое и социальное использование научно-технического прогресса, которая все больше и больше становится решающей ареной соревнования социализма и империализма, завершится победой такого общественного строя, в котором производительные силы не находятся в противоречии с производственными отношениями и жизненными потребностями людей, в котором научно-технический прогресс одновременно служит социальному и культурному прогрессу человека.

Тенденции развития

Поскольку разработка, выпуск, применение промышленных роботов быстро и динамично прогрессируют, обобщение результатов международной, соответственно национальной, научно-технической работы в перспективе на будущее становится сложным. Динамика этих процессов может, как подтвердило прошлое, быстро привести к тому, что признающиеся сегодня правильными тенденции завтра уже реализованы или рассматриваются как устаревшие. Несмотря на это, мы попытаемся изложить в виде резюме намечающиеся тенденции, связанные с будущим развитием, выпуском и применением промышленной робототехники. Для большей наглядности мы будем различать основные тенденции, которые влияют на развитие машинного производства в целом и тем самым на производительные силы, и такие, которые затрагивают преимущественно технико-технологические аспекты оформления и выпуска или применения промышленных роботов.

Некоторые основные тенденции развития, связанные с промышленной роботехникой

Промышленная робототехника со все более широким применением микроэлектронных функциональных единиц становится частью тех средств и той технологии новой производственной техники и машин, которые приведут к качественным изменениям внутри производительных сил. Промышленные роботы есть и остаются при этом материально-вещественным элементом производительных сил, а человек — главной производительной силой.

Эта новая производственная техника будет характеризоваться строгим упорядочением в потоке деталей и инструментов, а также возможностью программирования машин и промышленных роботов. Базовые единицы этой производственной техники — производственные и монтажные ячейки. Они оснащены промышленными роботами, накопителями заготовок, погрузочно-разгрузочными приборами, соответствующими числовыми обрабатывающими станками и устройствами, они могут быть выгодно приспособлены к различным производственным структурам и служить созданию гибких производственных и монтажных систем, которые делают возможным полностью автоматизированное и частично не требующее контроля производство в несколько смен. Эти гибкие производственные и монтажные системы становятся, в свою очередь, составными частями всего производства с незначительным обслуживанием, т. е. гибко автоматизированными производственными единицами и тем самым автоматизированной фабрикой.

Как следствие этого развития появляются уже упомянутые экономические и социальные взаимодействия, которые в капиталистических и социалистических производственных отношениях диаметрально противоположны.

На пути к автоматизированной фабрике, в ходе гибкой автоматизации и совокупности со станками с числовым управлением и другими обрабатывающими станками с компьютерным управлением, будет расширяться и расти применение промышленной робототехники при концентрированном использовании промышленных роботов в качестве основы решений по рационализации с привлечением вспомогательных производственных процессов. Для автоматизации целых технологических процессов будет применяться более широкая по сравнению с сегодняшним днем номенклатура промышленных роботов, начиная с простых роботов, которые предназначены для выполнения отдельных функций, и кончая сложными роботами, вплоть до «обучаемых» и оптимизирующих выполнение определенных собственных функций гибких роботов для сложных производственных и монтажных процессов и универсальных роботов. Доля гибких роботов начнет резко увеличиваться. Промышленные роботы все в большей степени становятся одним из факторов, определяющих будущий уровень эффективности производства.

На первом плане стоит поиск простых, надежных и недорогих роботоконструкций при одновременном улучшении взаимосвязи между стоимостью и производительностью. Тенденция к серийному производству роботов проявится как тенденция к сокращению производственных затрат. Однако и в последующие годы при создании промышленных роботов будет использоваться принцип централизованного изготовления типов узлов, причем будет прогрессировать и дальше типизация промышленных роботов и стандартизация их узлов и элементов.

Применяемые в рамках гибкой автоматизации совместно с промышленными роботами станки с числовым и компьютерным управлением нового качества отвечают самым высоким требованиям, предъявляемым к автоматизации, для выполнения во всем технологическом объеме сборочных, деформационных и металлорежущих работ. Это ведет к более низким затратам рабочего времени, материалов и энергии и делает возможным гибкость их применения, высокую производительность и надежность, а также производство, требующее лишь незначительного обслуживания и контроля. Необходимо серийное оборудование станков и других машин автоматизированными узлами для работы с заготовками (интегрированные с машинами роботы) и обеспечения прохождения потока заготовок.

Эффективность использования технологической единицы, такой, как, например, производственная или монтажная ячейка, вытекает из эффективности отдельных частичных систем, которая, помимо прочего, зависит от времени распознавания погрешности. Для обеспечения высокой эффективности всей системы большое внимание уделяется снижению подверженности помехам и повышению надежности промышленных роботов, машин и периферийных устройств. Все чаще применяются автоматические устройства для диагноза, прежде всего для самодиагностики в отношении помех на роботе, соответственно в производственной и монтажной ячейке. За счет этого и с помощью других мер обеспечивается перманентный контроль за состоянием инструмента, подачей и отводом заготовки, за состоянием всей машины.

Промышленные роботы все в большей степени применяются в тех областях, которые до сих пор были труднодоступными или вообще недоступными для этой техники, например: в процессах контроля и испытаний; работах по очистке окон и стен высоких зданий; при контроле и ремонте технических установок, которые выделяют опасное для человека излучение, жару, газы и т. д; при сварочных, геологических работах под водой на глубине до 300 м; в качестве робота-секретаря для рутинных письменных и счетных работ; в здравоохранении для поднятия носилок с больными и т. п.; в сельском хозяйстве, например, в качестве устройств, которые плугом прокладывают прямые борозды, или для сортировки табака, фруктов, овощей и т. д., для ощипывания птицы, стрижки овец, а также для других сельскохозяйственных и лесных работ.

Совместные научно-исследовательские работы стран — участниц СЭВ на двусторонней и многосторонней основе, их специализация и производство промышленных роботов между социалистическими странами будут постоянно расширяться. Будет укрепляться обмен лицензиями на промышленные роботы и их узлы. Таким образом, станет возможным экономящее время и затраты производство оправдавших себя типов роботов.

Технико-технологические тенденции в развитии, связанные преимущественно с оформлением, выпуском и применением промышленных роботов

При далеко идущей унификации комплектуются, вновь разрабатываются системы сборки из унифицированных узлов для создания определенных типов промышленных роботов и периферийных устройств. Разрабатываются наиболее оптимальные с технико-экономической точки зрения варианты решения с помощью различных механических и технических управляемых узлов для каждого отдельного случая применения, а также конструкции наилучших предпосылок для выполнения промышленными роботами технологической задачи, для привязки их к конкретной производственной модели, отдельные, относительно независимые от робота узлы, такие, как монтажные головки или грейферы при одновременном вовлечении грейферных механизмов.

Двигательный аппарат промышленных роботов станет объектом пристального внимания научно-технических изысканий, будут найдены оптимальные конструктивные решения и будут снижены, например, потери, вызванные трением, определены оптимальные с точки зрения энергии фазы разбега и торможения. Будут вестись поиски, направленные на улучшение конструкции шарниров, и т. п. Возрастет коэффициент свободы и диапазон оптимальных с кинематической точки зрения траекторий движения и тем самым расширится диапазон доступности промышленного робота. Роботы в массе своей становятся подвижнее и быстрее, чему будет способствовать совершенствование их двигательных узлов. Роботы будущего будут отличаться большой грузоподъемностью, более высокой точностью выполняемых ими движений и позиционированием.

Для выполнения специальных задач предпочтение будет отдано логическим унифицированным узлам и электрическим приводам при одновременном сохранении определенных гидравлических и пневматических функциональных единиц. Типичными для промышленных роботов останутся микропроцессоры, микрокомпьютеры и другие микроэлектронные функциональные единицы.

В настоящее время применяются многочисленные сенсоры и сенсорные системы, среди них видеооптические, инфракрасные и лазерные сенсоры, причем использование экономических, а также надежных тактильных и визуальных сенсорных систем для распознавания заготовки и позиционирования, особенно в отношении связанных с этим задач по управлению и регулировке, в значительной мере облегчается за счет микропроцессорной техники. Таким же образом используются возможности, которые открывает волоконная оптика, от устройств передачи информации на основе светопроводной техники и от систем распознавания объекта к автоматической обработке изображения при высокой разрешающей способности, высокой скорости сбора и оценки данных.

Системы управления роботами при одновременном использовании сенсоров будут комплектоваться таким образом, чтобы они были более эффективными, располагали большей емкостью запоминающего устройства и давали возможность быстрого изменения программы для обработки более мелких партий изделий, экономичной адаптации к тем или иным производственным заданиям. Эффективные системы программирования и диалога «человек — промышленный робот», включая адаптивные системы управления промышленными роботами, находятся в состоянии разработки.

В интересах дальнейшего сокращения времени на обработку и повышение эффективности применяемых станков конструкция промышленных роботов должна позволять выполнение автоматических измерительных операций, автоматический контроль процессов обработки, станков и промышленных роботов и их быстрое переоснащение. Для этого необходим высокий уровень их обслуживания.

При разработке современных станков, промышленных роботов и их комбинаций все большее значение приобретают вопросы эргономики и экологии. Снижение уровня шума и повышение чистоты за счет герметического исполнения, повышение безопасности труда (прежде всего благодаря электронной системе защиты) приобретают все более важное значение. Улучшается соотношение масса — мощность и повышается производительность.

Для дальнейшего повышения производительности гибко автоматизированных промышленных процессов в производстве объединен ряд операций (скрепление, сварка, транспортировка и складирование), при этом усилия направлены на то, чтобы на одном роботе применять одновременно несколько инструментов.

Применение гибких монтажных систем растет. Здесь применяются, с одной стороны, очень гибкие, со свободнопрограммируемым управлением и, с другой стороны, простые системы, которые с точки зрения кинематики и управления по принципу унифицированных узлов могут быть адаптированы к тому или иному заданию. Для исключительно высокой точности при обработке мельчайших деталей (при сборке часов) изготавливаются миниатюрные роботы. Детали и узлы, предназначенные для монтажа, должны быть выполнены таким образом, чтобы робот мог ими манипулировать.

Комплексные технологические системные решения реализуются в ходе осуществления гибкой автоматизации и для не требующего обслуживания производства, а также производства, функционирующего в определенные отрезки времени без обслуживания, ведут к значительному сокращению времени прохода заготовок, к технологической дисциплине и непрерывности производства, к повышению производительности труда, загруженности основных фондов, к увеличению экономии энергии и материалов, улучшению качества продукции.

Для выбора технических задач и для технико-экономической оценки альтернативных роботосистем создаются промежуточно-вспомогательные решения. Для ускорения применения промышленных роботов будет укрепляться сотрудничество между различными отраслями науки и техники.

Математическое обеспечение потребует в будущем более высокой доли рабочего времени и затрат на применение, обслуживание и дальнейшее совершенствование. Техника подпрограмм будет расширяться, увеличится продолжительность программ при использовании промышленных роботов для специальных технологических процессов. Рациональная конструкция, изготовление и последующее использование математического обеспечения, облегчение программирования (среди прочего и решение проблем языков программирования) увеличивают экономическую выгоду в этой области. Алгоритмы, картотеки данных, центральные банки данных и т. п. должны использоваться для дальнейшей рационализации.

Необходимо создать пригодные для широкого применения периферийные устройства, например унифицированные программируемые загрузочные, разгрузочные и транспортные устройства, а также устройства для ориентирования, автоматизированной обработки в определенных местах, другие установки для автоматизации процессов измерения и контроля, накопления и хранения и частично для решения многостаночного обслуживания.

Итак, упомянутые тенденции указывают на широкие качественные изменения в промышленном производстве, в центре которого — промышленная робототехника и дальнейшая автоматизация промышленных процессов.

Исполнится ли мечта человека?

Мечта человека — создать технические устройства, сконструировать и построить такие машины, которые работали бы сами и стали бы своего рода добрыми волшебниками, работали бы за человека или по крайней мере помогали бы ему в работе. С развитием промышленной робототехники исполняется эта давняя мечта.

В ближайшие десятилетия роботы будут улучшаться и совершенствоваться. Они найдут более широкое применение и будут работать с большей эффективностью. Производительность труда в значительной мере возрастет, принося тем самым большую пользу нашему социалистическому обществу и каждому из нас в отдельности.

Мы в этой книге попытались заглянуть на одно или два десятилетия вперед, именно в эти годы будет заложен фундамент той структуры народного хозяйства, с которой наша страна и страны социалистического содружества вступят в XXI в.

При переходе в новое тысячелетие созданная человеческим трудом материально-техническая база общества в качестве ресурса экономического роста приобретает все большее значение, поскольку она соединяет оба изначальных ресурса экономического роста — труд и природу. Оба этих источника материального изобилия лежат в относительно узких рамках.

Резервы, например, прирост рабочей силы, вряд ли возможны. В 90-е гг. число трудоспособного населения в ГДР на некоторое время даже сократится. Освоение природных ресурсов станет сложнее и дороже. Затраты на сырье и энергию за последние 10–15 лет значительно возросли. Импортное сырье за это время выросло в цене. Но и добытые внутри страны сырье и энергоносители часто требуют более высоких затрат. В этих условиях необходимо обеспечить стабильный рост народного хозяйства ГДР, особенно за счет использования богатого потенциала упомянутого третьего вида ресурсов, материально-технической базы, а также ее целенаправленного совершенствования и расширения.

Этот вид ресурсов выгодно отличается от остальных двух вследствие того, что он, с одной стороны, может быть увеличен, улучшен в количественном и качественном отношении за счет капиталовложений, а с другой стороны, изменен за счет научно-технического прогресса. Именно этому и способствует промышленная робототехника на основе использования микроэлектроники.

Микроэлектроника, техника микроЭВМ, автоматическое управление и на ее основе промышленная робототехника создают важные предпосылки для организации безлюдных производств.

Они являются ключом для применения новой технологии и производственной техники будущего. Кроме того, общее развитие на пути комплексной механизации, частичной и полной автоматизации производственных процессов и большого числа производственных установок непосредственно связано с ускоренным применением оптоэлектроники, свето-проводной, лазерной, измерительной, сенсорной и информационной техники. Особенно велико влияние новых открытий на технические установки и устройства для гибкой автоматизации производства.

Одновременно с этим научно-технический прогресс повышает коэффициент эффективности живого труда и природных ресурсов. Экономический эффект научно-технического прогресса находится опять же под решающим влиянием развития и использования духовного потенциала общества и творческой активности трудящихся. В процессе создания материально-технической базы XXI столетия одним из неиссякаемых источников нашего богатства являются труд, способности, активность наших рабочих, ученых, техников и новаторов. Для того чтобы этот источник бил ключом, необходим творческий труд каждого из нас.

Читайте следующую книгу серии «Ученые — школьнику»

О преимуществе здорового образа жизни, основанного на соблюдении элементарных гигиенических правил.

Об этике и эстетике человеческих взаимоотношений.

О борьбе с дурными привычками: пьянством, курением, наркоманией.

О физическом, психическом и нравственном здоровье молодого поколения.

Обо всем этом вы узнаете, прочитав книгу академика АМН СССР Ф. Г. Углова «Береги здоровье и честь смолоду».

Content

Рейнгард Геттнер, Нина Зейдевиц
Роботы сегодня и завтра

Промышленные роботы сегодня

На пути к созданию автоматизированных предприятий

Кому нужна робототехника?

Тенденции развития

Исполнится ли мечта человека?

Читайте следующую книгу серии «Ученые — школьнику»