Анализ использования промышленных роботов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ использования промышленных роботов

Объективной причиной возникновения и развития современной робототехники явилась историческая потребность производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве и недостаточность для этой цели традиционных средств автоматизации.

Поэтому задачей робототехники наряду с созданием собственно средств робототехники является разработка основанных на них систем и комплексов различного назначения. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными. Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технологические операции, называются робототехническими.

Как уже отмечалось, наряду с внедрением в действующие производства роботы открывают широкие перспективы для создания принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них человека. При этом имеются в виду как действительно очень ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемая для него комфортность условий труда (качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. д.). Сегодня непосредственное участие человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием для дальнейшей интенсификации производства и создания соответствующих новых технологий.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и, прежде всего, в машиностроении. Предназначенные для этой цели роботы называют промышленными роботами (ПР). Не менее широкие перспективы имеют роботы в горнодобывающей промышленности, металлургии и нефтяной промышленности (обслуживание бурильных установок, монтажные и ремонтные работы), в строительстве (монтажные, отделочные, транспортные работы), в легкой, пищевой, рыбной промышленности.

Наряду с использованием в промышленности роботы применяются и в других областях народного хозяйства и вообще человеческой деятельности: на транспорте (включая создание шагающих транспортных машин), в сельском хозяйстве, медицине (протезирование, хирургия -- стерильная, дистанционная, обслуживание больных и инвалидов), в сфере обслуживания, для исследования и освоения океана и космоса и выполнения работ в других экстремальных условиях (стихийные бедствия, аварии, военные действия), в научных исследованиях.

Применение роботов не только приносит конкретный технико-экономический эффект, связанный с повышением производительности труда, сменности работы оборудования и качества продукции, но и является важным средством решения социальных проблем, позволяя освобождать людей от тяжелого, опасного и монотонного труда.

Одним из основных направлений применения роботов, которое в значительной мере определяет и проблематику, и темпы развития современной робототехники в целом, является комплексная автоматизация производства, создание гибких автоматизированных производств, прежде всего, в машиностроении.

Роботы как универсальное гибкое средство для выполнения в первую очередь манипуляционных действий -- важный компонент таких производств.

История гибкой автоматизации началась в 1955 г. с появления станков с ЧПУ. Именно такого типа автоматическое технологическое оборудование с быстросменяемыми программами работы является основой для создания гибких, т. е. быстро перестраиваемых на выпуск новой продукции, производств. Однако для реализации идеи гибкой автоматизации необходимо было выполнение еще ряда условий. Этим и объясняется то, что первые станки с ЧПУ распространялись очень медленно.

За первые 10 лет их доля в общем парке станков в технически передовых странах не достигла и 0,1%. Ситуация резко изменилась в 1970-е гг. с появлением следующего важнейшего компонента гибкой автоматизации -- микропроцессорных систем управления, обеспечивших резкое снижение стоимости систем ЧПУ и повышение их надежности.

Роботы как еще один обязательный компонент гибкой автоматизации появились в промышленности, как уже было указано, несколько раньше.

В результате возникли все необходимые компоненты для развития гибких автоматизированных производств, а именно: технологическое оборудование с программным управлением, микропроцессоры как универсальное гибкое средство для обработки информации и роботы как универсальное гибкое средство для манипуляционных действий, требующихся как для выполнения ряда основных технологических операций (сборка, сварка, окраска и т. п.), так и многочисленных вспомогательных операций по обслуживанию различного технологического оборудования.

В машиностроении и приборостроение появились первые роботы и сосредоточено до 80% всего мирового парка роботов. Роботы, применяемые в промышленности, получили наименование промышленных роботов (ПР).

Они подразделяются на технологические, которые выполняют основные технологические операции, и вспомогательные, занятые на вспомогательных операциях по обслуживанию основного технологического оборудования.

Технологические комплексы с такими роботами называются роботизированными -- роботизированными технологическими комплексами (РТК).

Термин "робототехнические системы" (РТС) означает технические системы любого назначения, в которых основные функции выполняют роботы.

Применения средств робототехники в промышленности с классификацией технологических комплексов разделяется по следующим признакам:

-тип производственного подразделения;

- по степени изменения производства, связанного с применением ПР;

- по виду технологического процесса;

- по типу и количеству используемого основного технологического оборудования;

- серийность и номенклатура продукции;

-по типу размещения технологического оборудования и ПР;

- по типу управления;

-по степени участия человека.

По типу производственного подразделения.

Классификационным признаком служит количество выполняемых технологических операций. Простейшим типом, который лежит в основе более крупных комплексов, является технологическая ячейка (ТЯ). В ней выполняется всего одна основная технологическая операция (помимо вспомогательных). При этом количество единиц технологического оборудования и ПР в составе ТЯ не регламентируется.

В частности, в ТЯ может совсем отсутствовать технологическое оборудование помимо ПР, когда основную операцию выполняет ПР, или, наоборот, могут отсутствовать самостоятельные ПР, когда последние объединены с основным технологическим оборудованием.

Следующим более крупным типом является технологический участок (ТУ).

На нем выполняется несколько технологических операций, которые объединены технологически оборудованием или организационно управлением. Эти операции могут быть одинаковыми или различными. Если различные операции технологически последовательно связаны, то такой участок представляет собой технологическую линию (ТЛ).

Технологический участок представляет собой совокупность ТЯ, но может и не иметь их. Например, участок может включать несколько единиц технологического оборудования, обслуживаемых одним ПР (неподвижным с размещением оборудования вокруг ПР или мобильным, перемещающимся вдоль ряда единиц оборудования).

Следующим типом комплекса является цех, состоящий из нескольких участков. Пределом развития роботизированного производства является комплексно роботизированное предприятие.

В состав участков и цехов помимо технологических ячеек обычно входят еще склады, транспорт (в том числе и на базе ПР) и системы контроля качества продукции.

Классификация технологических комплексов по степени изменения производства, связанного с применением ПР.

Такое изменение, очевидно, будет максимальным для создаваемых новых производств, основанных на новых технологиях, и минимальным для действующего производства, автоматизируемого на базе серийных ПР.

Классификация по виду технологического процесса.

Она не исчерпывается приведенным перечнем типовых для современного состояния областей применения ПР в машиностроении.

Классификация по типу и количеству используемого основного технологического оборудования.

Здесь определены два уже названных ранее основных варианта: ПР, выполняющие основные технологические операции (сборку, сварку, окраску и т. д.), или вспомогательные роботы, обслуживающие основное технологическое оборудование.

Серийность и номенклатура продукции.

Они определяются в данном случае объемом партий продукции, которые можно изготавливать без переналадки комплекса, а номенклатура -- широтой перечня выпускаемых видов (типов) продукции. Оба эти показателя имеют существенное влияние на эффективность применения ПР. В частности, каждый технологический комплекс характеризуется предельными значениями этих параметров, вне рамок которых данный комплекс оказывается экономически невыгодным вплоть до целесообразности перехода от гибких комплексов к специальным автоматам (при большой серийной и узкой номенклатуре) или даже к использованию рабочих вместо ПР (в противоположном предельном случае единичного производства).

Классификация по типу размещения технологического оборудования и ПР.

Приведены основные (базовые) типы компоновок. При простой линейной компоновке оборудование располагается в один ряд (по линии), а при наиболее сложной объемной компоновке -- на нескольких этажах (уровнях).

Классификация по типу управления.

Она включает рассмотренные ранее централизованный, децентрализованный и комбинированный способы управления. Централизованное управление осуществляется устройством группового управления, а децентрализованное реализуется с помощью местных устройств управления, связанных друг с другом для взаимной координации.

Классификация по степени участия человека.

Здесь указаны два случая участия человека в работе: когда человек непосредственно выполняет некоторые технологические операции (основные или вспомогательные) и когда он участвует в управлении комплексом.

По характеру выполняемых операций все РТС можно объединить в 2 группы: инспекционные и технологические. Инспекционные системы (разведчики) часто снабжаются манипуляторами и другими исполнительными устройствами. Последние предназначаются для расчистки проходов, взятия проб, поиска и взятия отдельных объектов, выполнения различных операций с органами управления основного технологического и другого оборудования и отдельных технологических операций с помощью сменного инструмента. Технологические РТС предназначены для выполнения различных технологических операций обычно с помощью сменных рабочих органов, включая укрепленные на шасси бульдозерные отвалы, грейферы, сварочные аппараты и т. п.

Основная тенденция развития рассматриваемой техники -- создание автономных и телеуправляемых мобильных РТС с развитой сенсорикой, адаптивным и интеллектуальным управлением. Работы в этой области ведутся крупнейшими машиностроительными фирмами, включая "Дженерал Электрик", "Вестингауз", "Мартин Мариетта", "Катер-пиллер", "Дженерал Дайнамикс", "Сименс", "Мицубиси". Основной формой организации этих работ являются государственные (США, Япония, Франция. Англия) и международные программы и проекты.

Сборочные робототехнические комплексы

Этот тип робототехнических комплексов по своему значению является, пожалуй, наиболее важным. Сборочные операции в машиностроении составляют до 40% себестоимости изделий, а в приборостроении еще больше -- до 50--60%. Вместе с этим степень автоматизации сборочных работ сегодня весьма низка в связи с ограниченными возможностями, которые имеют здесь традиционные средства автоматизации в виде специальных сборочных автоматов. Такие автоматы применимы главным образом в массовом производстве, в то время как, например, в машиностроении до 80% продукции относится к серийному и мелкосерийному производству. Поэтому создание гибких сборочных комплексов на базе ПР является одним из основных направлений в автоматизации сборочных операций.

Сварочные робототехнические комплексы.

Сварка -- одна из областей широкого применения ПР. Из многочисленных видов сварки ПР получили основное применение на контактной точечной, дуговой, а также на электронно-лучевой сварке. Контактная точечная сварка осуществляется путем нагрева импульсным электрическим током. Рабочими органами ПР для выполнения такой операции являются сварочные клещи. Существуют сварочные ПР, у которых манипулятор заканчивается одним электродом, а вторым электродом служит само свариваемое изделие.

Робототехнические комплексы для нанесения покрытий.

Промышленные роботы нашли применение на операциях нанесения различных покрытий: лакокрасочных, защитных, упрочняющих, герметизирующих и т. п.

Операции эти для человека не только физически тяжелы, но и вредны. В большинстве случаев нанесение покрытий связано с применением взрыво- и пожароопасных веществ.

Поэтому используемые на таких операциях ПР должны иметь взрывобезопасное исполнение.

Применение промышленных роботов на вспомогательных операциях.

Одна из актуальных задач робототехники -- замена рабочих, занятых на вспомогательных операциях. Хотя, как было отмечено ранее, стоимость автоматизации вспомогательных операций в 3--4 раза ниже, чем основных, степень их автоматизации почти вдвое ниже. В результате сегодня около половины рабочих, занятых в промышленности, работают на таких наименее престижных и не требующих высокой квалификации ручных операциях. Роботизированные технологические комплексы (РТК), в которых ПР используются на вспомогательных операциях по обслуживанию основного технологического оборудования, и сами такие ПР классифицируются по виду основного технологического процесса или реализующего его основного технологического оборудования. Основными по значению типами таких РТК являются РТК механообработки, штамповки, прессования пластмасс, горячей штамповки и ковки, литья под давлением и внутрицехового транспорта.

Роботизированные технологические комплексы механообработки.

Одна из важных областей применения ПР на вспомогательных операциях -- обслуживание металлорежущих станков. Здесь ПР выполняют наиболее типичную вспомогательную операцию загрузки-разгрузки оборудования, т. е. установки обрабатываемой детали и снятия ее по окончании обработки. Аналогичные операции осуществляют ПР и при обслуживании других видов технологического оборудования. Имеются еще и некоторые более специальные вспомогательные операции, выполняемые ПР, такие как смазка пресс-форм, погружение деталей в жидкость, межоперационная транспортировка, штабелирование и т. д.

Основным технологическим оборудованием в РТК механообработки являются станки токарные, сверлильные, фрезерные, зубообрабатывающие, шлифовальные и т. д.

Рисунок 4. Роботизированный цех механообработки:

1,2, 11, 12, 13 -- токарные станки; 3 -- склад; 4 -- загрузочное устройство; 5 -- разгрузочное устройство; 6 -- напольный транспортный ПР;

7 -- промежуточные склады; 8 -- протяжной станок;

9 -- шлифовальные станки; 10 -- фрезерные станки;

14 -- ПР; 15 -- магазины

На рисунке 4 показан цех механообработки, в котором автоматизированы все операции, включая транспортно-складские. Система управления включает ЭВМ, устройство беспроводной связи и пульт с речевым командным устройством.

Роботизированные технологические комплексы холодной штамповки

Еще одной областью широкого применения ПР является холодная листовая штамповка. Объясняется это большим травматизмом рабочих, достигающим 30%, и монотонностью обслуживания прессов, а также простотой применения на этих операциях ПР. Промышленный робот используется здесь, как и в механообработке, прежде всего для выполнения операций загрузки-разгрузки: загрузка прессов исходным листовым материалом (подача листа в штамп) и разгрузка штампа (съем штамповки и укладка ее в магазин).

Роботизированные технологические комплексы литья под давлением

Процесс производства деталей методом литья под давлением заключается в заливке через горловину в машину литья под давлением определенной порции жидкого металла, взятого из печи, затем в удалении готовой отливки и подаче ее для обрубки литникового остатка. Кроме того, необходимо осуществлять смазку и обдув прессформ. Эффективность применения ПР для обслуживания машин литья под давлением связана с тем, что при обслуживании их рабочим значительны потери металла из-за неточности его дозирования и разбрызгивания при разливке, а также простои оборудования и снижение производительности из-за большой утомляемости рабочего. При этом условия труда являются не только тяжелыми, но и вредными для здоровья.

Робототехника в немашиностроительных отраслях промышленности

Помимо машиностроения и приборостроения средства робототехники все более широкое применение получают в угольной и горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, строительстве, легкой и пищевой промышленности, на транспорте. Важность развития робототехники в этих областях очевидна уже из того факта, что здесь используется большая часть трудовых ресурсов страны, а степень автоматизации ниже, чем в машиностроении.

Сегодня развитие применения средств робототехники в немашиностроительных отраслях происходит, прежде всего, путем использования опыта машиностроительных отраслей по применению роботов на тех же или аналогичных операциях - для обслуживания основного технологического оборудования, на погрузо-разгрузочных работах, при выполнении таких основных операций, как нанесение покрытий, сварка, сборочно-монтажные работы и т. п.

Экстремальная робототехника.

Одно из назначений робототехники -- выполнение различного рода работ в экстремальных внешних условиях либо опасных и вредных для человека, либо вообще полностью исключающих его присутствие. Соответствующий раздел робототехники получил наименование "экстремальная робототехника".

Под экстремальными условиями понимаются как аварийные ситуации, включая стихийные бедствия, так и штатные экстремальные ситуации, определяемые технологией производства.

По мере интенсификации производства удельный вес и тех, и других неуклонно растет. Это относится, в частности, к атомной энергетике и промышленности, химической, металлургической, горнодобывающей отраслям промышленности, подводным работам, освоению космоса, военному делу.

Экстремальные условия определяются, прежде всего, внешними условиями работы (радиация, сильные электромагнитные поля, экстремальные значения температуры, давления и т. д.).

Помимо внешних условий экстремальные ситуации характеризуются и определенным перечнем специфических работ, подлежащих выполнению. Эти работы включают сотни различных технологических операций. Основным типом технических систем, требующихся для выполнения перечисленных операций, являются робототехнические системы (РТС), благодаря характерной для них многофункциональности и гибкости позволяющих оперативно выполнять различные технологические операции. Кроме них для выполнения отдельных типовых технологических операций требуется довольно широкая номенклатура специальных технологических систем, с которыми РТС должны взаимодействовать.

Примерами таких специальных технических систем могут служить строительные, строительно-дорожные, транспортные, погрузо-разгрузочные машины -- экскаваторы, бульдозеры, краны и т.д., но в специальном исполнении, предназначенном для работы в экстремальных внешних условиях.

Решение проблемы создания РТС для экстремальных условий связано со следующими особенностями:

- сложность (экстремальность) внешних условий, зачастую находящихся на пределе возможностей современной техники;

-сложность, многообразие, нечеткость (изменчивость) подлежащих выполнению функций, приводящие к большой номенклатуре требующихся технических средств, как правило, при единичном характере потребностей в этой технике;

-межотраслевой характер проблемы, как с точки зрения потребителей, так и производителей требуемых технических средств.

С учетом этих особенностей в основу проектирования средств экстремальной робототехники должны быть положены следующие принципы.

Первый принцип -- функциональная и конструктивная унификация технических средств на основе их модульного построения.

Второй принцип -- согласованность требований к рассматриваемым техническим средствам и к их техническому окружению, с которым эти средства должны взаимодействовать, из условий максимума общей технико-экономической эффективности.

Важные дополнительные требования, которые следует предъявлять к объектам внешней среды для облегчения функционирования технических средств, предназначенных для работы в экстремальных условиях, направлены на обеспечение выполнения этими средствами следующих действий:

-передвижение, в том числе при наличии разрушений и препятствий;

-выполнение различных манипуляционных операций с органами управления технологическим оборудованием и контроля за ним;

-проведение демонтажных и ремонтных работ с этим оборудованием;

-расчистка и уборка разрушений, очистка от вредных веществ.

Подобные модульные роботы, были использованы на работах по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. На место работы эти роботы доставлялись с помощью вертолетов.

робототехника комплекс промышленность

Использованные источники

1. Р. Асфаль. Роботы и автоматизация производства. Перевод с английского

М.Ю. Евстегнеева, Б.И. Копылова, канд. техн. наук А.С. Чубукова. Москва.

«Машиностроение». 1989.

2. Юревич Е.И. Основы робототехники. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 416 е.: ил.

3. Янг Дж.Ф. Роботехника: Пер. с англ./Ред. М.Б. Игнатьев.-Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979.- 300 с., ил.

4. Панфилов Ю.В. Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные роботы: Учкб. Для техникумов/ Ю.В. Панфилов,В.Т.Рябов, Ю.Б. Цветков. - М.: Радио и связь, 1988.-320 с.: ил.

5. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Роботехника: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989.-624 с., ил.

6. Шурков В.Н. Основы автоматизации производства и промышленные роботы. - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

7. Роботизированные технологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении: Альбом схем и чертежей: Учеб. Пособие для втузов/Под ред. Ю.М. Соломенцева. - М.: Машиностроение, 1989. - 192 с.

Размещено на Allbest.ru