Роботизация промышленных производств

1. Робот не может причинить  вред человеку или своим бездействием  позволить причинить вред человеку.

2. Робот должен исполнять  приказы, отданные человеком,  за исключением тех случаев,  когда эти приказы нарушили  бы первый закон.

3. Робот должен защищать  себя, если это не нарушает  первого или второго законов.

Хотя А. Азимов в то время  и не осознавал, но именно тогда впервые  появилось в печати слово «робототехника». Джо Энгельбергер, основатель фирмы «Юни-мейшн», считающийся отцом современной промышленной робототехники, отметил, что три закона А. Азимова до сегодняшнего дня остаются теми стандартами, которым при проектировании должны следовать специалисты по робототехнике.

«Что такое робот?»

До настоящего времени  не выработано единой концепции относительно того, из чего же состоит робот. Даже в отношении сравнительно недавно  появившегося понятия «промышленный  робот» нет международного соглашения о его определениях - границы термина  устанавливаются весьма произвольно.

Например, в Японии роботом  называется устройство, действующее  по принципу взять-положить, т. е. простая  механическая рука, движения которой  ограничены механическими упорами. Однако на Западе подобное устройство, не обладающее гибкостью (если кто-нибудь не передвинет упоры), считается особым видом жесткого автомата, а не роботом. Итак, когда же мы имеем дело с  робототехнической системой, а когда  просто с традиционной формой автоматики?

Например, поставлена задача: отрезать кусок от большого металлического листа. Рассмотрим как саму операцию резания, так и манипулирование  с листом. Варианты решения этой задачи в соответствии с уровнем  сложности используемых технических  средств можно представить в  такой последовательности:

1. Человек вручную сгибает  лист вперед-назад, пока не  отломится кусок металлического  листа.

2. Лист разрезается с  помощью ручного инструмента.

3. Лист разрезается с  помощью инструмента с каким-либо  силовым приводом.

4. Лист разрезается на  специальном оборудовании под  управлением человека.

5. Режущий станок автоматически  выполняет заданную последовательность резки, которую нельзя изменить; загрузку листа осуществляет человек либо поточная линия.

6. Устройство типа «взять-положить»  берет лист из единственного  фиксированного положения и загружает  в станок, который затем отрезает  лист в заданной последовательности. Положение листа для захвата  и последовательность операций  резки могут быть изменены  путем механической переналадки  станка.

7. Простой робот с позиционной  системой управления забирает  лист из произвольного положения  и загружает его в станок, который  вырезает один из нескольких  возможных профилей и конфигураций (возможных в зависимости от  того, откуда робот берет лист).

8. Робот с контурным  управлением по сплошной траектории  мягко берет один из многих  листов и с управляемым ускорением  загружает его в станок, который  вырезает один из многих сложных  профилей.

9. Вся робототехническая  система является частью значительно  большей системы, управляемой  компьютером. Виды профилей могут  изменяться в зависимости от  номенклатуры производимых изделий.

10. Вся робототехническая  система использует значительный  объем визуальной и тактильной  информации, например, для поиска  листа.

Уровни с первого по шестой считаются (на Западе) жесткой (или  специализированной) автоматизацией, хотя ясно, что на шестом уровне уже  достигается значительная гибкость. Седьмой уровень представляет собой  простейшую робототехническую систему, поскольку возможность изменения  запрограммированных движений манипулятора позволяет классифицировать его  как робот. Далее, металлорежущий станок может быть снабжен устройством  числового программного управления (ЧПУ). Такой автоматический станок управляется мини- или микрокомпьютером с использованием предварительно записанной последовательности операций механической обработки деталей. Однако, хотя его и можно перепрограммировать, станок с ЧПУ нельзя отнести к роботам, поскольку он может, например, только резать металл. Устройства уровней 9 и 10 уже находят ограниченное применение на заводах, однако их широкое распространение сдерживается необходимостью решения ряда проблем. Сейчас приняты различные определения роботов. Как правило, роботами называют механизмы, которые целиком или частично имитируют человека—внешность, действия, иногда то и другое. Что же касается определений промышленного робота, то они различаются по степени общности. Например, Японская ассоциация промышленных роботов подразделяет роботы по уровню сложности на шесть классов: ручные манипуляторы; устройства типа «взять-положить»; программируемые манипуляторы; роботы, обучаемые вручную; роботы, управляемые на языке программирования; роботы, способные реагировать на окружающую среду. В Европе и США термин «промышленный робот» не включает первые два класса японской трактовки. Британская ассоциация по робототехнике (БАР) определяет робот как «перепрограммируемое устройство, предназначенное для манипулирования и транспортировки деталей, инструментов или специализированной технологической оснастки посредством вариабельных программируемых движений по выполнению конкретных производственных задач». Определение, используемое Американским институтом по робототехнике, в основном схоже с трактовкой БАР и характеризует робот как «перепрограммируемый   многофункциональный   манипулятор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструментов или других специальных устройств посредством программируемых движений для выполнения разнообразных задач».

Таким   образом,   термином  «робот»,   как  он  трактуется  на  Западе,  не охватываются    такие   устройства      как    дистанционно    управляемые манипуляторы (телеоператоры), искусственные конечности, основанные на принципах бионики, или протезы, поскольку эти устройства управляются человеком, хотя они и основаны на той же технологии, что и роботы.

Отнесение японцами к роботам  устройств типа «взять-положить»  и ручных манипуляторов серьезно затрудняет сравнение статистики производства и использование роботов в  Японии, Западной Европе и США. Однако для того, чтобы преодолеть эту  путаницу, японцы предложили термин мехатроника, делающий акцент на взаимосвязи механики и электроники как главной особенности всех видов этой техники.

 

4.  Что могут делать роботы.

Применение современных  промышленных роботов увеличивает  производительность оборудования и  выпуск продукции, улучшает качество продукции, заменяет человека на монотонных и  тяжелых работах, помогает экономить  материалы и энергию. Кроме того, они обладают достаточной гибкостью, чтобы использовать их при выпуске  продукции средними и малыми партиями, т. е. в той области, где традиционные средства автоматизации неприменимы. Мелкосерийная продукция имеет  большой рынок. Исследования показывают, что подавляющее большинство  деталей, закупаемых даже военными организациями, были выпущены партиями менее 100 штук, а в Великобритании согласно проведенным  оценкам примерно 75 % всех металлических  деталей выпускалось партиями менее 50 штук. Роботы еще не обладают многими  важнейшими качествами, присущими человеку, например не способны к разумному  реагированию на непредвиденную обстановку и изменение рабочей среды, к  самообучению на основе собственного опыта, использованию тонкой координации  системы «рука - глаз». Роботы с захватами  или подобные им применяются для  выполнения манипуляционных операций, например при удалении заусенцев, литье, очистке слитков, ковке, термообработке, точном литье, обслуживании станков  на погрузке-разгрузке, формовке, упаковке, размещении деталей в паллеты  и складировании. Руки роботов вместо захватов могут оснащаться различными инструментами для выполнения работ, начиная с покраски распылением, нанесения клеевых и изоляционных покрытий и кончая сверлением, зенкованием, закручиванием гаек, шлифовкой, пескоструйной очисткой. Кроме того, роботы можно использовать для точечной и дуговой сварки, тепловой обработки и резания с помощью пламени или лазера, а также при очищении с помощью водяных струй. Следует отметить, что первоначальные иллюзии о возможности создать универсальный робот, способный выполнить почти любую работу - от сборки до точечной сварки, теперь в значительной степени развеяны. В настоящее время роботы приобретают специализацию, становясь покрасочными роботами, сварочными роботами, сборочными роботами и т. д.

Наконец, в отношении потенциальной  замены рабочих «стальными воротничками»  следует помнить, что робот может  заменить только того, кто «работает, как робот». Однако недалеко то время, когда роботы смогут заменить людей не только на утомительной, повторяющейся или тяжелой работе, но и на работах, которые, как считалось раньше, требуют сноровки, приобретаемой с опытом. Поэтому вполне понятно, что у многих распространение роботов вызывает беспокойство в связи с возможным ростом безработицы.

С появлением сложных робототехнических  устройств нельзя более утверждать, что роботы просто заменят людей  на непривлекательных работах, однако человечеству грозит деградация, если оно, опасаясь безработицы, будет продолжать работать на нудных однообразных работах.

5. Основные задачи.

Рассмотрим конкретные задачи, которые роботы решают в настоящее  время на промышленных предприятиях. Их можно разделить на три основных категории:                            

- манипуляции заготовками  и изделиями                            

- обработка с помощью  различных инструментов                           

- сборка.

 

5.1. Манипуляции изделиями  и заготовками.

 

При разгрузочно-загрузочных  и транспортных операциях робот  заменяет пару человеческих рук. В его  обязанности не входят особенно сложные  процедуры.   Он всего лишь многократно повторяет одну и ту же операцию в соответствии с заложенной в нем (роботе) программой. Рассмотрим типичные применения таких роботов.                       

 

5.1.1. Загрузочно-разгрузочные  работы. 

Во многих отраслях машиностроительной промышленности используются установки  для литья, резки и ковки. В  большинстве случаев последовательность выполняемых ими операций весьма проста. Вначале заготовки загружают  в производственную установку, которая  затем обрабатывает их строго определенным образом, и, наконец, готовые детали извлекают из нее. Загрузку и разгрузку, как правило, выполняют рабочие  или в тех случаях, когда применимы  средства жесткой автоматизации, специализированные механизмы, рассчитанные на операции только одного вида. Роботы могут здесь  оказаться полезными, если характер таких загрузочно-разгрузочных операций время от времени меняется.

Например, в литейном производстве роботы используются как для дозированной разливки расплавленного алюминия, так  и для извлечения из пресс-формы  затвердевших отливок и охлаждениях. Такой подход обладает двумя преимуществами . прежде всего роботы гарантируют более строгое соблюдение требований технологического процесса : действую и соответствии с заданной программой , они всегда вводят в установку точно дозированное количество металла. Затем в строго определенные моменты времени они извлекают из нее отформованные  детали. Благодаря точному соблюдению технологического процесса строго соблюдаются и характеристики изделий.

Второе преимущество данного  подхода заключается в том, что  значительно облегчается работа оператора. Извлечение раскаленного куска  металла из пресс-формы одна из мало привлекательных работ , и желательно , чтобы ее выполнял робот . Таким образом роль человека сводится к контролю за протеканием процесса и управлению действиями робота с помощью компьютера.

 

5.1.2. Перенос изделий с  одной производственной установки  на другую.

Во многих отраслях машиностроительной промышленности погрузочно-разгрузочные механизмы предназначены для  перемещения изделий с одного производственного участка на другой. И при выполнении таких перемещений роботы играют немаловажную роль.

На заводе фирмы IBM в Пикипси (шт. Нью-Йорк), выпускающем компьютеры, роботы загружает магнитные диски в систему, где на них записывается необходимая информация. Программа, управляющая роботом, содержит инструкции относительно того, в какую из четырех установок для записи следует загружать тот или иной «пустой» диск. Кроме того, программа задает конкретный набор команд, который соответствующая установка должна занести на диск. Тот же робот осуществляет и два других этапа этого технологического процесса. Он извлекает диск из записывающей установки и помещает его в устройство, которое струей сжатого воздуха прижимает к поверхности диска самосклеивающуюся метку. Затем робот вынимает диск с помощью захватного приспособления и упаковывает его конверт.

Подобный робот разработан и внедрен на английском автомобилестроительном заводе. Он передвигается на гусеницах  между пятью производственными  участками завода. Робот извлекает  пластмассовую деталь автомобиля из установки для инжекторного прессования и последовательно переносит деталь на доводочные участки, где с нее снимаются обои и заусенцы. Далее робот помещает деталь на специализированный станок, который полирует ее. И, наконец, деталь перемещается с полировального станка на конвейер.

 

5.1.3. Упаковка.

Практически все бытовые  и промышленные товары необходимо упаковывать, и для роботов не представляет сложности поднимать готовые  изделия и помещать в какую-либо тару.        

 На заводах одной  из кондитерских фирм Англии  специализированные роботы занимаются  укладкой конфет в коробки.  Эти машины весьма сложны и  совершенны. Во-первых, они обращаются  с продукцией очень аккуратно:  сжав шоколадное изделие, они  могут нарушить его форму или  раздавить его. Во-вторых, робот  соблюдает высокую точность при  укладке конфет в коробки, помещая  их в определенные ячейки коробки.

 
 

 

5.1.4. Погрузка тяжелых  предметов на конвейер или  паллеты.