Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные схемы электрических методов обработки.

2. Какие существуют виды комбинированной обработки.

3. Для чего применяются электрофизические методы обработки?

8. Роботизация и автоматизация машиностроения

Толчком к развитию робототехники в ее современном виде послужили два события, которые во многом и определили технический прогресс после второй мировой войны. Прежде всего стал реальностью компьютер как изделие, обладающее значительным промышленным потенциалом. Принципы его работы обосновал в 30-х годах прошлого века весьма эксцентричный английский математик Чарльз Бэббидж в своем проекте автоматического вычислительного устройства, которое получило название Аналитической машины. Устройство представляло собой сложную систему стержней и рычагов, управление которой должно осуществляться с помощью набора карт с пробивками - перфокарт (рис. 56). На этих картах, задающих режим работы машины, была записана, пользуясь современной терминологией, программа, содержащая соответствующие команды. Идею применения карт для записи программы Бэббидж заимствовал у французского конструктора Жозефа Жаккарда, который в 1801 г. изготовил машину, известную ныне как ткацкий станок Жаккарда. На серию перфокарт наносилась кодовая запись рисунка того материала, который должен был выткать станок.

Подобные наборы перфокарт и сейчас еще можно увидеть в механических органах. По мере того как карты движутся одна за другой через механизм органа, пробивки в них обеспечивают возбуждение нагнетательных элементов, прогоняющих воздух по органным трубам; в результате воспроизводится желаемая мелодия. Сменив набор карт, можно прослушать другое музыкальное произведение.

По замыслу Бэббиджа один набор карт в его машине должен был содержать инструкцию для перемножения чисел, а второй - для решения уравнения. В устройстве, предложенном Бэббиджем (работу так и не удалось довести до конца, ибо мастера того времени оказались не в состоянии изготовить необходимые детали), предусматривались также следующие компоненты: блок для хранения чисел; арифметическое устройство, осуществляющее математические операции; блок управления, указывающий арифметическому устройству, какую операцию следует выполнять.

Рис. 56. Аналитическая машина Беббиджа

Компоненты аппаратуры, подобные тем, которые предусматривал Бэббидж, использовались и в электрон-

ных компьютерах, разработанных в 40 - 50-х годах нашего столетия (рис. 57). Но вместо механических узлов изобретатели XX века смогли взять на вооружение электроны, движущиеся в проводниках и вакуумных лампах. В электронные блоки они включили схемы для хранения и обработки чисел, а также для выполнения программ, написанных в двоичных кодах, в соответствии с принципами, которые разработал Бэббидж.

Компьютеры - это, по существу, универсальные арифмометры. Они принимают наборы чисел, анализируют их, опираясь на другую информацию, после чего посылают в каналы вывода новый набор данных. По самой своей сути компьютеры могут служить эффективными управляющими средствами. Получив, например, информацию (в числовой форме) о производственном процессе, они могут сравнить ее с другими данными и, исходя из этого, выдать сообщение о необходимости того или иного изменения в производственном процессе, например о понижении температуры химической реакции.

Рис. 57. Первый компьютер общего назначения

ЭНИАК (1946 год)

Превращение компьютера в повседневный “рабочий инструмент” предоставило в распоряжение промышленных предприятий эффективное средство управления. Это позволило составлять программы (аналогичные набору инструкций в Аналитической машине Бэббиджа) для выполнения конкретных операций в соответствии с информацией, поступающей на компьютер с различных участков предприятия. Таким образом можно, например, создать условия, при которых серия клапанов в промышленной установке будет перекрываться, когда давление жидкости в какой-то части трубопровода превысит пороговое значение.

В 50-х годах компьютеры начали проникать на металлургические заводы и химические предприятия; однако этот процесс протекал непросто, поскольку методы управления тогда находились еще в зачаточном состоянии. Определенную роль играли вычислительные машины и в управлении режимами работы станков, в частности токарных, на которых путем резки или других операций металлические заготовки превращаются в детали. Обычно таким станком управлял рабочий, действия которого в процессе резки металла во многом напоминали работу столяра, вырезающего изделие из куска дерева. В первых станках с числовым программным управлением использовались перфоленты, на которых с помощью ЭВМ записывались команды для управления режущим инструментом.

В это время, когда все способствовало дальнейшему внедрению вычислительных машин в промышленное производство, произошло второе из упомянутых выше событий, которое сыграло важную роль в развитии робототехники. Группа американских инженеров всерьез задумалась над тем, каким образом применить теорию

управления к решению общих проблем перемещения оборудования, инструментов и материалов в пределах предприятия. Они пришли к заключению, что загрузка и разгрузка - практически самые распространенные внутризаводские операции; однако технические достижения того времени (как, впрочем, и прошлого века), по существу, не дали ничего для повышения эффективности таких операций. Тогда-то и возникла мысль, что управление подъемными и транспортировочными механизмами можно поручить компьютеру. А поскольку работа компьютеров программируется, на их основе можно было создать достаточно гибкое оборудование, пригодное для работы в различных окружающих условиях. Такой подход привел к созданию первых промышленных роботов, а именно механических манипуляторов, управляемых ЭВМ. Первопроходцами здесь были два инженера: Джордж Девол и Джозеф Энгельбергер. В 1954 г. Девол запатентовал в США изобретенный им программный способ перемещения предметов между различными участками предприятия. В патенте говорилось об управляющей программе на перфокартах, сходных с теми, которые в свое время предложил Бэббидж. Указывалось, что управление погрузочно-разгрузочным оборудованием на промышленных предприятиях может осуществляться только двумя методами. Первый - это метод ручного управления, когда люди либо сами поднимают грузы, либо управляют работой соответствующих механизмов, например кранов или подъемно-транспортных рычажных устройств. Способы ручного управления весьма разнообразны, так что их можно приспособить для выполнения различных производственных операций.

Однако все это обходится недешево, поскольку необходимо оплачивать физический труд людей, занятых

на таких работах. Второй метод управления погрузочно-разгрузочным оборудованием - использование строго определенных алгоритмов, реализуемых посредством механизмов с кулачковым приводом. В описании к патенту Девола говорилось: «Принцип кулачкового регулирования периодически повторяющихся операций получил широкое распространение при решении специализированных задач, но каждое его применение связано со столь высокими затратами и узкой специализацией, что кулачковое регулирование используется только для автоматизации процессов крупносерийного производства».

Изобретение Девола было призвано решить именно ту проблему, которая стала своего рода “черной дырой” в науке о производственных процессах. Со времен промышленной революции в Англии в конце XVIII - начале XIX века на предприятиях систематически внедряются различные механизмы. Эта революция породила такие машины, как паровой двигатель, водяное колесо, применявшееся на текстильных фабриках, а также погрузочно-разгрузочное оборудование для выполнения однотипных операций, например тали и полиспасты, применявшиеся еще на парусных судах. Такого рода механизмы устанавливались на заводах, выпускающих большие объемы продукции, причем рабочие там скорее служили придатком машин, нежели диктовали им свою волю. С появлением подобного оборудования в промышленно развитых странах началась эпоха механизации предприятий. Однако оно практически теряло свою ценность, когда дело касалось не массового производства с характерной для него регулярностью технологических операций, а выпуска продукции малыми партиями, состав которых мог меняться в зависимости от желаний заказчика или проектных решений. Как отмечалось в патенте Девола, погру-

зочно-разгрузочные машины строились ранее таким образом, что могли обслуживать лишь строго определенную номенклатуру изделий. Девол поставил целью разработать транспортировочный механизм, который можно было бы без труда приспосабливать для выполнения широкого круга операций.

Далее в тексте патента говорилось: “Настоящее изобретение впервые позволяет создать более или менее универсальную машину, которая найдет применение в самых разнообразных случаях, когда желательно циклическое управление. И в этом отношении наше изобретение обладает множеством достоинств. Оно дает возможность: избежать больших расходов, связанных с проектированием специализированных устройств с кулачковым регулированием; применять автоматически управляемые механизмы там, где ранее они казались неэкономичными, поскольку для их изготовления требовались специально сконструированные компоненты с кулачковым регулированием; серийно выпускать универсальные автоматические машины, пригодные для решения самых разнообразных задач; быстро перестраивать (а это время от времени необходимо) устройство, рассчитанное на конкретное применение, приспосабливая его к выполнению других операций".

Как можно заметить, машины с циклическим характером работы, которые прежде управлялись вручную, теперь могут быть автоматизированы, причем по желанию заказчика можно обеспечить специализацию универсального транспортировочного оборудования, а заказчик получает возможность быстро и без особых сложностей приспосабливать это оборудование к новым условиям работы». В 1956 г. Девол познакомился с Энгелбергером, молодым инженером, работавшим тогда в одной из аэро-

космических компаний. Энгелбергер понял, что идеи Девола могли бы найти широкое применение в промышленности. Вместе с несколькими другими специалистами они организовали первую в мире робототехническую компанию “Юнимейшн” и в 1958 г. изготовили первое изделие. Название “Юнимейшн” придумал Девол. В его патенте, в частности, говорилось: “Термин “универсальная автоматизация” (Universal Automation - “Юниверсал отомейшн”, или сокращенно “Юнимейшн”), по-видимому, достаточно четко характеризует цель изобретения (программируемых транспортировочных устройств). Это изобретение позволяет оснастить промышленные предприятия и склады машинами для транспортировки различных предметов, т. е. облегчает труд оператора подобно тому, как конторские машины упрощают работу служащих в учреждении". Фирма “Юнимейшн”, которая в настоящее время принадлежит корпорации “Вестингауз”, вплоть до начала 80-х годов занимала ведущие позиции в мировой робототехнической промышленности. Однако в последние годы на роль лидера в этой отрасли претендует целый ряд компаний, развивающихся более динамично.

Любой из промышленных роботов, “прародителем” которых было устройство, изобретенное Деволом, состоит из трех основных частей: механической руки с сочленениями и схватом; источника энергии; блока управления (как правило, компьютера), в памяти которого записаны команды для выполнения требуемых операций (рис.58). Первый промышленный робот был установлен в 1961 г. на автомобильном заводе фирмы “Дженерал моторс” в Трентоне, штат Нью-Джерси. Это устройство извлекало раскаленные металлические детали из формы для литья под давлением и складировало их. Эффективность новых механизмов не могли не заметить

другие автомобильные компании, в том числе и фирма “Форд”. Дел Хардер, управляющий предприятиями компании “Форд” в США, с энтузиазмом воспринял идеи Энгелбергера, изъявив готовность немедленно установить на своих заводах 2000 роботов, однако Энгелбергер сказал, что его компания вряд ли сможет выпускать их в таком количестве. Ведь это было лишь начало 60-х годов. Тогда Хардер ознакомил с идеями Энгелбергера других изготовителей оборудования. Благодаря этому в производство роботов включилось еще несколько компаний, в частности “Америкен машин энд фаундри” и “Борг-Уорнер”.

Со времени появления первых промышленных роботов их конструкция в своей основе претерпела незначительные изменения. Наиболее заметная часть промышленного робота - собственно его рука (манипулятор), оснащенная схватом, или “рабочим органом". Такой манипулятор, как правило, имеет несколько сочленений, сходных с суставами конечностей человека. У наиболее совершенных роботов каждое сочленение приводится в движение его собственным, автономным, электродвигателем.

В настоящее время для промышленности выпускаются роботы-манипуляторы пяти основных типов:

1. Робот, функционирующий в обычной декартовой (прямоугольной) системе координат (рис. 59). Он поступательно перемещается вдоль трех основных осей х, у и z (т.е. слева направо, вперед-назад и вверх-вниз).

2. Манипулятор, работающий в цилиндрической системе координат (рис. 60). Он способен поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет ему выполнять операции в окружающей цилиндрической зоне.

Рис. 58 Современный промышленный робот

Рис. 59. Робот с прямоугольной системой координат

Рис. 60 . Робот с цилиндрической системой координат

3. Манипулятор, действующий в сферической (полярной) системе координат (рис. 61). По характеру движений он напоминает манипулятор с цилиндрической системой координат, но в вертикальном направлении перемещается путем вращения в “плечевом суставе”. Его зона действия представляет собой часть сферы. координат

4. Шарнирный манипулятор, или робот с вращающимися системами координат (рис. 62). Такие устройства снабжены “плечевыми”, “локтевыми” и “кистевыми суставами”, т. е. обладают большим сходством с конечностями человека. Отдельные сегменты манипулятора могут поворачиваться относительно указанных точек сочленения, обеспечивая тем самым его перемещение в различных плоскостях.

5. Системы Sсага (рис. 63). Sсага - сокращение от английского Selective Compliance Assembly Robot Arm (сборочный робот-манипулятор с избирательной приспособляемостью). Все сочленения этих устройств, представляющих собой модифицированный вариант манипуляторов с цилиндрической системой координат, располагаются в горизонтальной плоскости, благодаря чему механизм

способен “разворачиваться” подобно складной ширме. Системы Sсага разработал Хироси Макино из Университета Яманаси (Япония).

Рис. 61. Робот, работающий в полярной системе координат

Рис. 62. Робот с вращающейся системой

Рис. 63. Робот SCARA

Заслуживают упоминания роботы еще двух типов, хотя пока они не нашли широкого применения в промышленности. Первый из них, Spine, (рис. 64) сконструирован специалистами фирмы «Спайн роботикс»; в нем используется длинный хоботоподобный манипулятор, состоящий из ряда дисков, которые соединены между собой шлангами гидравлического привода. Такой робот отличается чрезвычайно большой гибкостью; по имеющимся сведениям, он обладает самой обширной зоной действия среди других коммерческих роботов мани-пуляторов. К другому типу подобных устройств относится сборочный робот IRB 1000 фирмы АSЕА Robotics (рис. 65). Манипулятор, подобно маятнику, укреплен в двухстепенном кардановом подвесе, который может размещаться на салазках, обеспечивая линейное перемещение манипулятора. Специалисты фирмы АSЕА утверждают, что это устройство может перемещаться с ускорением в 1,5 раза большим, чем у обычных роботов-манипуляторов.

Рис. 64. Робот Spine

Рис. 65. Робот маятникового типа

При оценке функциональных возможностей робота указывается число его степеней свободы (подвижности), т.е. осей, относительно которых могут перемещаться

или поворачиваться компоненты манипулятора. Большинство роботов способно поступательно передвигаться вдоль трех ортогональных осей (декартовых координат); иначе говоря, они относятся к первому из перечисленных выше типов роботов. Сюда можно добавить три оси вращения, которые описывают характер движений в “кистевом суставе”, обеспечивающих требуемую ориентацию манипулятора в конкретной точке пространства. Поворот относительно этих осей соответствует повороту, приведению - отведению и сгибанию кисти. Даже обладая шестью степенями свободы, современный промышленный робот весьма далек по своим возможностям от человеческой руки, которая способна двигаться относительно более чем 20 осей.

Важную роль в конструкции робота играет схват, или рабочий орган, который по своим функциям соответствует кисти руки человека и крепится к “запястью” манипулятора. Существует столько же типов рабочих органов, сколько и областей применения роботов. Поэтому такие устройства могут представлять собой как обыкновенные клещи для захвата предметов двумя (или большим числом) “пальцами”, группу присосок, специально сконструированные схваты для манипуляций хрупкими предметами, например стеклянными трубками, совки, позволяющие собирать сыпучие материалы, крюки, специальные инструменты для выполнения ряда технологических операций, таких, как сварка, резка, сверление, склеивание, окраска, воздушная сушка, очистка струей воды или сжатого воздуха и т. д. В общем, роботы, установленные в заводском цехе, могут автоматически менять свои рабочие органы в зависимости от характера выполняемой операции: промышленный робот способен, например, сначала просверлить отверстие в металлической детали, а затем самостоятельно измерить его диаметр с помощью зонда.

Вторым по значению компонентом робота - после механической руки - является источник энергоснабжения, который обеспечивает энергию, необходимую для движения звеньев манипулятора в каждом из его сочленений. Исполнительные приводы, которые управляются командами программы, заложенной в компьютере робота, задают характер выполнения конкретной операции.

В современных роботах, как правило, применяют источники энергоснабжения трех типов: электрические, гидравлические и пневматические. Электрические системы работают на двигателях постоянного или переменного тока, подобных тем, которые используются в многих изделиях бытового и промышленного назначения. Каждым сочленением робота управляет отдельный электродвигатель, а он в свою очередь приводится в действие сигналами, поступающими по кабелю, который проложен вдоль конструктивных элементов манипулятора. Многие изготовители роботов отдают предпочтение электрическим приводам, поскольку они бесшумны, потребляют относительно мало энергии и обеспечивают высокую точность перемещения механических узлов робота.

В гидравлических системах (они первоначально применялись для снабжения роботов энергией) движущее усилие создается жидкостью, например маслом, нагнетаемым под высоким давлением через трубки. Гидравлический привод, однако, имеет серьезный недостаток: его трубки могут давать течь, причем вероятность этого особенно велика в той атмосфере беспорядка, что царит на многих предприятиях. Насос гидравлического привода потребляет энергию не только во время работы, но и когда бездействует. Это вызвано необходимостью поддерживать давление жидкости. Таким образом, гидравли-

ческие системы обычно расходуют больше энергии, чем электрические. С другой стороны, гидравлический привод позволяет поднимать грузы большей массы, и поэтому им, как правило, оснащаются роботы, предназначенные для тяжелых работ.

Устройства с пневматическим приводом считаются “бедными родственниками” в семействе роботов. Пневматические исполнительные механизмы, приводимые в движение сжатым воздухом, не обеспечивают достаточной точности управления при точных маневрах. Кроме того, такие механизмы создают сильный шум, а в их воздуховодах могут возникать течи. Пневматические системы чаще всего применяются в тех случаях, когда робот выполняет требуемые операции посредством ряда прямолинейных перемещений, скажем из точки А в точку В.

Третьим важнейшим компонентом робота является система управления, где главную роль, как правило, играет компьютер. В его электронной памяти записаны двоичные коды наборов команд (программ), которые задают режимы работы всех электродвигателей робота, обеспечивающих выполнение нужной операции. В программах заложены также команды для управления вспомогательными устройствами, используемыми совместно с роботом. Например, программа для сварочного робота задает величину электрического тока, который должен протекать через сварочный пистолет в “руке” робота в конкретный момент времени в процессе приварки металлических пластин разной толщины.

По типу системы управления роботы подразделяются на три основные категории: с позиционным управлением без сервосистемы, с системой позиционного сервоуправления и с

контурной системой сервоуправления. Эти категории отражают степень сложности тех операций, которые способен выполнять робот. В самых совершенных роботах используются серводвигатели, т.е. исполнительные устройства, обеспечивающие перемещение с высокой точностью. Любой серводвигатель содержит элементы обратной связи, оценивающие разность между реальным положением вала электродвигателя и тем положением, которое он в данный момент должен занимать в соответствии с программой. Устройствами обратной связи, как правило, служат электрические компоненты, а в частности потенциометры, которые посылают сигналы в компьютер, управляющий роботом. Подобная сервосистема позволяет автоматически корректировать малейшие погрешности в выполнении операций, чем обеспечивается высокая точность, а, следовательно, и воспроизводимость движений робота.

Наиболее примитивными являются роботы с позиционным управлением без сервосистемы. Иногда их называют подъемно-транспортными роботами. Их возможности весьма ограниченны: они, например, способны передвигаться от одной точки к другой, но программой не предусматривается никаких маневров между двумя такими точками. Конечные пункты перемещения робота устанавливаются с помощью механических ограничителей. Устройства данного типа могут эффективно выполнять простые операции, в частности переносить детали с одного конвейера на другой; в этом случае оператор должен задавать только две точки в пространстве, между которыми перемещается схват робота.

Ко второму типу, как уже говорилось, относятся роботы с системой позиционного сервоуправления. Сервомеханизмы позволяют останавливать робот в точках (число

которых может быть сколь угодно большим) между двумя заданными пунктами - началом и концом траектории движения. Подобный робот программируется путем записи в его память ряда дискретных точек пространства. Эта операция обычно выполняется с помощью входящего в комплект робота переносного пункта (иногда называемого выносным обучающим блоком), с миниатюрной клавиатуры которого оператор вводит в память соответствующую информацию. Посредством кнопки, задающей направление движения, оператор перемещает манипулятор поочередно вдоль каждой оси, и, когда требуемое положение достигнуто, он нажимает кнопку записи, регистрируя эту точку пространства в памяти компьютера. В дальнейшем робот может автоматически повторять записанную таким образом последовательность движений. Манипуляторы с системой позиционного сервоуправления способны выполнять достаточно сложные процедуры, в частности управлять перемещением сверлильных головок или сварочных пистолетов.

Наиболее совершенными среди устройств трех указанных типов являются роботы с контурной системой сервоуправления. В память их компьютеров заносятся данные временного характера, а не последовательность движений в виде точек по осям координат. Таким образом, оператор может проводить манипулятор робота по всей требуемой траектории перемещения, и в это время в память компьютера заносится каждая точка траектории, так что в дальнейшем робот может повторять ее при выполнении производственных операций. Робот данного типа способен эффективно действовать в тех операциях, при выполнении которых его манипулятор не должен отклоняться от заданного маршрута даже на несколько миллиметров. К таким процедурам относятся окраска распылением и

другие виды поверхностной обработки, например, покрытие металлических поверхностей антикоррозийными жидкостями.

Программирование точных процедур управления работой всех двигателей, приводящих в движение сегменты манипулятора, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Решением ее занимаются программисты фирмы-изготовителя роботов. Большинство современных роботов значительно проще в эксплуатации, чем их предшественники, так как они поставляются уже в комплекте со стандартными программами, записанными в память их компьютеров. Такие программы могут, например, выдать манипулятору команду либо описать дугу в 90 относительно заданной оси, либо переместиться на несколько сантиметров вперед или назад. Оператору в цехе не приходится осложнять себе жизнь составлением программы движений каждого сочленения. Ему достаточно “приказать” роботу, чтобы тот выполнил стандартную программу А, В и С.

Тем не менее, после того как робот покинет конструкторское бюро предприятия-поставщика и займет свое место на заводе, потребуется составить ряд дополнительных программ, чтобы приспособить робот для выполнения необходимых операций. Для этого в память компьютера робота необходимо занести координаты траектории, по которой роботу придется перемещаться при выполнении заданной процедуры. Кроме того, нужно ввести информацию о конкретных действиях робота при его движении по указанной траектории. Например, для сварочного робота понадобится составить прикладную программу, которая задает моменты включения сварочного электрода, удерживаемого манипулятором. Подъемно-транспортный робот нужно снабдить точной информацией о

том, когда он должен поднимать предметы, а когда - опускать. Возможно, также потребуется сообщить роботу, что он должен заменить рабочий инструмент. Все эти данные вводятся в память робота с клавиатуры. После завершения подготовительных операций память робота будет содержать исчерпывающее “меню” инструкций по выполнению конкретных последовательностей действий. С точки зрения технологов, главное достоинство подобного оборудования, разумеется, состоит в том, что один и тот же робот способен функционировать в соответствии с несколькими различными меню. Алгоритм его работы может быть изменен простой модификацией программы. (Правда, может потребоваться и замена некоторых конструктивных компонентов робота, в частности схватов и т.д.)

Робот, запрограммированный таким образом, будет действовать в строгом соответствии с информацией, записанной в его памяти. Он способен решать множество различных задач. У подобных роботов, однако, имеется один существенный недостаток. Если события во “внешнем мире” происходят не в той последовательности, которая учитывалась программой, то в действиях робота появятся серьезные ошибки. К примеру, программой может предусматриваться, чтобы робот снимал обрабатываемые детали со станка и помещал их на конвейер. Пока процесс изготовления деталей на станке идет без сбоев, робот функционирует надлежащим образом. Ну а если станок выйдет из строя или внезапно заклинит конвейер? В такой ситуации робот должен приостановить работу, иначе при попытке захвата несущих деталей возникает опасность его повреждения. В этом заключено несовершенство роботов.

Среди роботов, действующих на промышленных предприятиях мира, примерно 95% относятся к первому поколению. Роботы новых типов оснащаются чувствительными устройствами, например телекамерами и датчиками усилия, которые позволяют получать хоть какую-то информацию о внешнем мире. Такая информация поступает на компьютеры, управляющие роботами, и те могут оперативно корректировать программы с учетом случайных событий. Это пример создания “обратной связи”. Коллективы научно-исследовательских лабораторий прилагают большие усилия, чтобы вывести такие устройства “второго поколения” из стадии опытных разработок и внедрить их на производственные предприятия.

Еще более совершенны роботы “третьего поколения”, которые пока находятся в “младенческом возрасте”. Мозгом такого робота будет скорее всего не обычный компьютер, а ЭВМ, работа которой основана на принципах искусственного интеллекта. Современный компьютер функционирует в строгом соответствии с заложенной в нем программой. Команды программ могут корректироваться с учетом информации от других источников, например (как в роботах второго поколения) от датчиков. Тем не менее такие компьютеры не способны выстраивать цепочки логических рассуждений и давать ответы на возникающие вопросы, исходя из элементарных логических посылок. Системы второго поколения принимают решения чисто “рефлекторно” - как реакцию на случайное внешнее событие. Что же касается робота третьего поколения, то он будет самостоятельно вырабатывать стратегию действий в ответ на событие, нарушившее порядок его работы. Такие системы смогут служить не только для выполнения простых производственных операций. Не исключено, что они будут играть заметную роль в нашей повседневной жизни - работая по дому, убирая улицы и даже помогая пилоту в решении несравненно более сложных задач.

В “разумных” роботах будущих поколений должны быть предусмотрены технические средства для реализации принципиально новых функциональных возможностей. В своей книге “Практическая роботика” Джозеф Энгелбергер перечисляет их: простейшие формы машинного “зрения”; восприятия тактильных ощущений; интерпретация визуальной и тактильной информации с помощью ЭВМ; взаимная согласованность движений нескольких “конечностей” робота; перемещение конечностей по траекториям, задаваемым компьютерами; мобильность; минимальный объем зоны действия манипулятора; энергосберегающий характер “мускулатуры” (т.е. наличие механизмов, которые способны поднимать тяжелые грузы и переносить их на значительное расстояние, затрачивая малую энергию); универсальность захватных приспособлений; речевое общение с человеком; самодиагностика с целью локализации отказов; безопасность для обеспечивающего персонала, заложенная в самой конструкции роботов.

Энгелбергер отмечает: “Роботы по своим возможностям никогда не смогут приблизиться к человеку с его тонкостью чувств, непринужденностью мышления и суждений, эстетическим восприятием действительности, самовоспроизводимостью, эффективным механизмом преобразования пищи в энергию и клетки тела, способностью самовосстанавливаться после многочисленных болезней и ранений. Пропасть между человеком и роботом будет сохраняться всегда; но, хотя ее и невозможно устранить полностью, по мере развития техники она будет сокращаться”.

Внедрение промышленных роботов занимает немаловажное место в общем процессе компьютеризации производства, результаты которого все сильнее ощущаются на промышленных предприятиях многих стран. Такое эволюционное развитие оказывает особенно сильное влияние на те отрасли обрабатывающей промышленности, которые выпускают продукцию в виде штучных изделий независимо от того, из какого материала они выполнены - ткани, металла, пластмассы или древесины. Каждое изделие должно изготавливаться индивидуально путем обработки исходных материалов. Другой основной тип промышленности - так называемое непрерывное или массовое и крупносерийное производство - имеет свои особенности: выпускаемая продукция, по крайней мере на некоторых этапах технологического цикла, находится либо в газообразном или жидком состоянии, либо в виде порошка.

При производстве штучных изделий важнейшие операции выполняются машинами, которые режут, долбят, нагревают, сверлят, куют, красят, вяжут, ткут или сваривают исходный материал. Сырьем здесь всегда служат твердые вещества. Многие годы предпринимаются усилия максимально автоматизировать такие процессы, чтобы снизить расходы на оплату производственного персонала, ускорить выпуск продукции и повысить ее качество. После того как специализированное автоматическое оборудование для выполнения конкретной технологической операции введено в эксплуатацию, оно способно многократно повторять эту операцию при минимальном вмешательстве человека. При таком типе механизации производства (называемом в инженерных кругах “жесткой” автоматизацией) автоматический станок может, например, раз за разом просверливать отверстие в указанной точке одинаковых металлических болванок, а, скажем, система для окраски распылением, действующая на автомобильном заводе, будет наносить покрытие на идентичные детали по мере того, как они продвигаются по конвейеру.

Такой вид автоматизации отличается одним существенным недостатком. Он применим только в тех условиях, когда изделия выпускаются очень большими партиями, а их номенклатура меняется крайне редко. На установку и ввод в эксплуатацию подобного оборудования тратится так много времени и сил, что соответствующие расходы оправдываются только в том случае, когда оно рассчитано на непрерывный выпуск продукции в течение многих недель или месяцев. Если же предприятию необходимо постоянно менять ассортимент производимых изделий в соответствии с колебаниями спроса, то жесткая автоматизация оказывается нерентабельной. Тогда нередко приходится отказываться от внедрения оборудования с наивысшей степенью автоматизации и делать ставку на традиционные ручные методы выпуска продукции.

Многие производственные процессы связаны с различными манипуляциями технологическими объектами. Речь идет, например, об операциях снятия деталей со станков или конвейеров, об упаковке, сборке, фиксации заготовок в ходе обработки, а также о манипуляциях такими рабочими инструментами, как сверла и сварочные электроды (рис. 66). При жесткой автоматизации производственного процесса выполнение подобных операций можно возложить на специализированные автоматы, каждый из которых выполняет одну конкретную операцию. Если же жесткая автоматизация неприменима, такие операции редко удается механизировать - их приходится выполнять людям; вот почему в цехах традиционных производственных предприятий погрузочно-разгрузочными и другими вспомогательными операциями занимается так много рабочих.

Рис. 66. Робот осуществляет загрузку станка

с числовым программным управлением,

обрабатывающим цилиндрические детали

Однако все сказанное относится к предприятиям, работающим “по старинке”. Внедрение роботов, олицетворяющих собой “гибкую” автоматизацию, позволит осуществлять целый ряд производственных процедур нового типа. Эти устройства можно запрограммировать на выполнение различных работ, поэтому они легко переключаются с одной задачи на другую при изменении номенклатуры выпускаемой продукции. Не составляет, например, особого труда заложить в память робота программу, в соответствии с которой он будет снимать с кон-

вейера детали различных размеров и форм. Следовательно, роботы особенно выгодны для предприятий, изготавливающих продукцию мелкими партиями, причем тип изделия меняется от партии к партии. Предприятия такого рода распространены гораздо шире, чем те, которые в течение длительного времени непрерывно выпускают одно и то же изделие.

Для предприятий средне- и мелкосерийного производства роботы как образцы средств гибкой автоматизации обладают несомненными достоинствами, которые можно разделить на три группы. Джозеф Энгелбергер, основатель компании “Юнимейшн” и один из пионеров робототехнической промышленности, перечисляет эти достоинства в своей книге “Практическая роботика”:

1. Роботы представляют собой готовые к применению средства автоматизации, поскольку компании поставщики уже провели большие работы по производственной специализации такого оборудования. Применение роботов позволяет в значительно более сжатые сроки вводить в строй новые технологические линии, а это в свою очередь содействует скорейшему внедрению оригинальных разработок в серийное производство.

2. Снижается объем требуемых наладочных операций. После того как принято решение установить на предприятии промышленные роботы, требуется обеспечить их сопряжение с другими технологическими установками. Все это оборудование необходимо отладить с целью устранения дефектов, скажем, в программных средствах, и для роботов значительную часть такой работы проводит фирма-поставщик.

3. Роботы можно использовать и после того, как завершится выполнение задачи, на которую они были первоначально рассчитаны. Не исключено, что линия по производству изделий, где на робот возложены конкретные функции, будет действовать всего полгода или год. Затем номенклатура выпускаемых изделий меняется, и предприятию, возможно, придется “списывать” оборудование такой линии. Однако, поскольку робот в принципе программируется для решения различных задач, его можно снять с данной производственной линии и перебросить на другую. При использовании средств жесткой автоматизации подобная замена исключена, ибо они способны выполнять операции только одного типа. Когда подобное оборудование завершает работу в рамках технологического процесса, для которого оно предназначено, у него обычно остается лишь один путь - из заводского цеха в металлолом.

Не следует думать, что только роботы вписываются в современную концепцию гибкой автоматизации; на промышленных предприятиях встречаются и другие виды оборудования, действующего в соответствии с этими принципами. К подобным техническим средствам можно отнести металлорежущие станки с компьютерным числовым программным управлением (ЧПУ) и самодвижущиеся тележки, называемые также автоматическими транспортными средствами, которые перевозят детали с одного производственного участка на другой. Станки с ЧПУ оснащаются режущим инструментом и другими приспособлениями для обработки металлических деталей и управляются ЭВМ. Робот может составлять как бы единое целое со станками с ЧПУ, подавая на них деталь для обработки.

На большинстве современных предприятий производственные участки, где выполняются различные фазы технологического процесса, соединены между собой сетью передачи данных. Таким образом, компьютеризированные установки во

всех подразделениях подобного предприятия обмениваются информацией, т.е. выполняемые ими функции полностью взаимосвязаны.

Предположим, в проектном отделе предприятия разрабатывается новый тип комплектующего изделия - скажем, сопрягающая вилка передней стойки шасси самолета. После того как специалист подготовит соответствующий чертеж (но не на бумаге, а на экране дисплея ЭВМ - с использованием так называемой системы автоматизированного проектирования, или САПР), он имеет возможность разработать и программу для станка с ЧПУ по обработке этой детали (рис. 67 - 71). Таким путем на компьютеризованный металлообрабатывающий станок, расположенный в заводском цехе, передается программа, описывающая процесс изготовления новой детали. Данная информация распространяется по сети связи, которая соединяет между собой все подразделения предприятия во многом аналогично тому, как телефонная сеть общего пользования связывает учреждения и индивидуальные жилища в городах.

Рис. 67. Компьютерное моделирование

сборочной единицы

Рис. 68. Моделирование процесса сборки

Рис. 69. Моделирование динамических нагрузок

проектируемого сборочного узла

Рис. 70. Сборочный чертеж узла, выполненный

средствами САПР

Рис. 71. Программа для станка с ЧПУ, разработанная

по спроектированной модели детали

В результате станок обрабатывает металлическую заготовку в соответствии с командами, заложенными в машинной программе. Сочетание средств компьютеризованной графики с установками ЧПУ называется системой автоматизированного проектирования - автоматизации производственных процессов (САПР/САПП).

Нередко разнообразными операциями по перемещению материалов и комплектующих изделий занят целый ряд роботов и автоматических транспортных средств. В частности, комплекс, состоящий из таких устройств, может использоваться для снятия металлической детали (в рассматриваемом случае - вилки шасси передней стойки) со станка и отправки ее в сборочный цех, где роботы соединяют эту деталь с другими металлическими компонентами, например со стойкой и диском колеса.

Финансовые подразделения и складской персонал поддерживают контакты с производством через другие вычислительные системы. Это позволяет администрации, планирующей объем выпуска продукции, постоянно быть в курсе всего, что происходит на каждом участке предприятия. Наконец, готовое изделие отправляют на автоматизированный склад. Там оно хранится в специальном контейнере до тех пор, пока на него не возникнет спрос. Тогда отдел сбыта затребует его со склада, откуда оно поступит на транспортер для отгрузки заказчику.

Компьютеризованное оборудование, которое позволяет автоматически изготавливать небольшие партии изделий, называют гибкими производственными системами (ГПС). В типичном случае подобная система состоит из трех частей: собственно обрабатывающего оборудования (это либо станки с ЧПУ, либо литейные или сборочные установки, непосредственно изготавливающие изделия), средств транспортировки (роботы или самодвижущиеся тележки) деталей и системы управления. Как правило, здесь задействован не один компьютер, а целый иерархический комплекс ЭВМ. К примеру, в па-

мяти диспетчерского компьютера обычно хранится детальный план работы предприятия. Он содержит сведения о функциях, выполняемых разнообразными компьютеризованными станками, описание взаимосвязей между ними, а также данные о требуемом темпе выпуска продукции. Такой компьютер соединяется с другими вычислительными машинами, реализующими алгоритмы управления конкретными устройствами, скажем с роботами или станками с ЧПУ. В свою очередь эти ЭВМ “второго уровня” могут взаимодействовать с микропроцессорами, размещенными в самих станках или роботах. Подобная структура образует ряд четко выраженных трактов, по которым информация поступает на установки, непосредственно осуществляющие технологический процесс.

Гибкие производственные системы рассчитаны не только на автономное функционирование. Через другие информационные сети они могут взаимодействовать с подразделениями непроизводственного характера, например с плановыми или финансовыми отделами. Как правило, ГПС обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционным оборудованием, управляемым вручную. Для их обслуживания требуется меньше персонала, поскольку значительная часть работы возлагается на машины. Детали обрабатываются с большей точностью: после того как установится требуемый режим работы, ГПС должна функционировать без перебоев, так как все инструкции по выполнению производственных операций представлены в виде безошибочных (по крайней мере теоретически) программ строго определенного содержания. Все это представляет разительный контраст с предприятиями, где большинство технологических операций осуществляется вручную. Люди могут прекрасно справляться со своим делом в

течение 90% рабочего времени, однако в остальные 10% времени они могут почувствовать усталость или недомогание, что приведет к существенному ухудшению качества их работы, а следовательно, и выпускаемой продукции.

Еще один довод в пользу внедрения ГПС состоит в том, что они менее габаритны, чем аналогичные комплексы оборудования, управляемого вручную. На обычном заводе обычное число установок простаивает значительную часть рабочего времени. В отличие от этого компоненты ГПС функционируют практически непрерывно, т.е. ГПС состоит из меньшего количества единиц оборудования, чем традиционный станочный участок, выполняющий такое же производственное задание. Следовательно, для установки более современного оборудования предприятию, по всей вероятности, потребуется меньше площади, и, кроме того, ему удастся сэкономить на таких накладных расходах, как плата за отопление и освещение.

В качестве примера современной гибкой производственной системы можно привести комплекс SCAMP, созданный фирмой “Группа 600” (Колчестер, Великобритания), который рассчитан на производство целого ряда комплектующих деталей для металлорежущих станков (рис. 31). Другая известная система такого типа установлена на автомобильном заводе “Ситроен” в Медоне, Франция. Она предназначена для выпуска партиями 15-50 штук таких узлов автомобиля, как коробки передач, картеры сцепления и головки блока цилиндров. При работе в три смены для обслуживания подобной системы необходимо в общей сложности 26 операторов, тогда как для аналогичного комплекса, управляемого вручную, потребовалось бы 44 оператора. На начальном этапе производственного процесса необработанные слитки металла загружаются на спе-

циальные паллеты (поддоны-спутники), которые доставляются к станкам, входящим в ГПС, роботизированными тележками. Обрабатывающие центры, где металлическим заготовкам придается форма готовых деталей, способны автоматически заменять режущий инструмент, выбирая его из кассеты, в которой хранится до 600 различных инструментов. “Свеженарезанные” детали направляются на участок промывки, где они перемещаются роботом, а также на установку для автоматизированных испытаний.

На примере завода в Медоне можно увидеть еще одну особенность гибких производственных систем: иной, чем прежде состав обслуживающего персонала. Такие системы требуют меньшего числа операторов, нежели традиционные станочные участки, причем существенно сокращается применение неквалифицированной рабочей силы, поскольку единообразные операции по перемещению изделий и материалов выполняют роботы. Кроме того, снижается потребность в станочниках высокой квалификации, так как значительную часть их работы выполняют компьютеризованные обрабатывающие установки. С другой стороны, необходимо больше технических специалистов для программирования оборудования (а также для выполнения других относительно сложных операций, например ремонта в случае выхода оборудования из строя). Приведенная диаграмма иллюстрирует сравнительное распределение рабочей силы по категориям на эквивалентном ему традиционном предприятии.

Сюда не включены рабочие самой низкой квалификации - те, кто производит уборку и другие вспомогательные работы. Труд этих людей, по крайней мере в обозримом будущем, мало изменится, несмотря на внедрение такого рода передовой автоматизации. Разработка роботов, способных например, уда-

лять металлические заусенцы и волосовины с готовых изделий или смазывать движущиеся части механизмов, еще далека от завершения. Эта тенденция иллюстрируется наглядным графиком, который несколько лет назад составил профессор Токийского университета Хироюки Иосикава. Здесь показано, с какой степенью “легкости” могут быть ликвидированы в результате автоматизации те или иные рабочие специальности. Из анализа графика следует, что рабочих относительно высокой квалификации - например, занимающихся сборкой или обработкой деталей на станках (средняя часть графика) - проще заменить машинами, чем персонал более низкой категории, скажем уборщиков. И только если рабочий поднимается по ступеням мастерства (по верхней части графика), вероятность его вытеснения компьютеризованными установками постепенно снижается.

Подобный процесс, когда машины берут на себя выполнение достаточно интересных производственных операций, оставляя на долю людей относительно грязные и малопривлекательные работы, Иосикава назвал “неравномерной автоматизацией”. Под этим он подразумевает, что автоматизацией охвачена лишь часть производственных операций. Поэтому создание роботов и других программируемых устройств, способных выполнять такого рода вспомогательные операции, позволило бы достичь гораздо лучших результатов.

Разумеется, вытеснение людей из заводских цехов не должно быть самоцелью. Процесс замены рабочих компьютеризованными установками вписывается в общую долгосрочную тенденцию, наблюдающуюся сейчас в развитых странах: все меньше людей вовлекается в промышленное производство и в то же время растет число тех, кто занят в “индустрии услуг”, например работает в сфере здравоохранения, доставляет

товары заказчикам, трудится в учреждениях и т.д. За последние 20 лет появление новых видов автоматизированного оборудования и уменьшение количества людей, работающих в промышленности, привели к тому, что во многих промышленно развитых странах выработка в расчете на каждого занятого в сфере производства существенно возросла. Доля оплаты труда в общих производственных расходах неуклонно снижается. В то же время промышленные компании западных стран, пользуясь преимуществами, которые дают повышенная точность, гибкость и (во многих случаях) быстродействие нового автоматизированного оборудования, приходят к выводу, что теперь можно выпускать продукцию с большей эффективностью при пониженных затратах.

В условиях острой конкуренции на мировых рынках у многих западных, а теперь и отечественных промышленных фирм и предприятий не остается особого выбора в отношении того, следует ли внедрять новейшие средства автоматизации. Сегодня становится все более очевидным, что единственный способ выжить в этих условиях заключается в установке таких автоматических устройств, как роботы, на предприятиях мелкосерийного производства.

Рассмотрим конкретные задачи, которые роботы решают в настоящее время на промышленных предприятиях. Их можно разделить на три основные категории: манипуляции заготовками и изделиями, обработка с помощью различных инструментов, сборка. Сегодня роботы чаще всего применяются для выполнения загрузочно-разгрузочных операций и инструментальной обработки. Сборочные операции, например монтаж миниатюрных электронных компонентов при производстве печатных плат и другого электрооборудования, до недавних

пор не поддавались роботизации. Роботы не обладали достаточной “ловкостью” для осуществления этих весьма тонких операций, да к тому же и инженеры толком не знали, чем роботы могли бы быть полезны в данном случае. В результате не уделялось должного внимания тем методам проектирования комплектующих деталей для промышленных изделий, которые позволили бы монтировать их с помощью роботов. Однако, по мере того как создаются более совершенные роботы, а конструкторы все лучше осознают их возможности, картина меняется, и роботы начинают заменять рабочих при выполнении некоторых неординарных сборочных операций.

В 1985 г. в промышленно развитых странах насчитывалось около 137 тыс. промышленных роботов. Точное определение этих устройств, принятое Ассоциацией робототехнической промышленности США, гласит: “Промышленный робот - это перепрограммируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструментов или специализированных устройств посредством изменяемых программируемых движений, что позволяет ему решать разнообразные задачи”. Как правило, робот стоит от 25 до 125 тыс. долл., тогда как специальная оснастка, обеспечивающая его функционирование, обычно обходится в 2 - 3 раза дороже.

Примерно 65% всех роботов в капиталистическом мире приходится на Японию, 13% - на США и 18% - на страны Западной Европы. Ведущими изготовителями являются фирмы “Хитачи”, “Кавасаки”, “Мицубиси”, “Фудзицу Фанук” и ОТС (Япония); “Цинциннати милакрон”, “Юнимейшн” (входящая сейчас в состав корпорации “Вестингауз”), GMF, “ДеВилбисс”, “Отометикс” и IBM (США); ASEA (Швеция); “Фольксваген” и

“Кука” (ФРГ); “Рено” (Франция); “Комау-Фиат” (Италия); “Тралльфа” (Норвегия); GEC и “Дайнити-Сикесу” (Великобритания). Производство роботов до сих пор возрастало феноменальными темпами. В капиталистических странах оно в среднем увеличивалось на 30% в год. Если такие показатели сохранятся и в дальнейшем, то к 2000 г. количество роботов достигнет приблизительно 250 тыс. Согласно некоторым прогнозам, к тому времени их численность, возможно, будет возрастать на 50-100 тыс. ежегодно. На примере США можно вполне точно оценить, где и в каком количестве применяются роботы. В 1982 г. там насчитывалось 6250 таких устройств. Абсолютное их большинство, 71%, использовалось на загрузочно-разгрузочных и транспортировочных работах. Из этого количества 24% роботов обслуживали металлорежущие станки: они снимают готовые детали из станков или устанавливают туда металлические заготовки, предназначенные для обработки. Еще 14% роботов выполняли аналогичные операции обслуживания установок для литья под давлением, где литые изделия получаются путем обжима расплавленного металла двумя взаимодополняющими частями пресс-формы. 33% роботов выполняли другие загрузочно-разгрузочные процедуры, например устанавливали заготовки на конвейер или укладывали их на паллеты.

Из упомянутых 6250 роботов 28% оперируют инструментом, который они удерживают в “руках”. Устройства этого типа чаще всего используются для покрасочных и сварочных работ. Всего лишь 6% роботов занято сборочными операциями. Однако в будущем роботы-сборщики получат гораздо более широкое распространение. По результатам некоторых исследований к 1990 г. такие установки будут составлять 37% всех

роботов, применяемых в промышленности. Учитывая эти основные тенденции, рассмотрим теперь подробно, какие же операции выполняют роботы на современном предприятии.

При загрузочно-разгрузочных и транспортировочных операциях робот просто-напросто 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 программой. Рассмотрим типичные применения таких роботов.

1. Загрузочно-разгрузочные роботы (рис. 72). Во многих отраслях машиностроительной промышленности используются установки для литья, резки, сверления и ковки. В большинстве случаев последовательность выполняемых ими операций весьма проста. Вначале заготовки из исходного материала 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 здесь могут оказаться полезными, если характер таких загрузочно-разгрузочных операций время от времени меняется.

Компания “Метал кастинг” (Вустер, Великобритания), которая изготавливает литые алюминиевые детали для автомобильной промышленности и фирм, выпускающих бытовые товары, занимает ведущие позиции в деле применения роботов для обслуживания установок литья под давлением. В специальную ячейку установки заливается дозированное количество расплавленного металла, который с помощью поршня нагнета-

ется в пресс-форму. Там он, как правило, находится несколько секунд, в течение которых две взаимодополняющие детали пресс-формы прижимаются с силой в сотни и даже тысячи тонн. Затем под давлением металл охлаждается и затвердевает, в результате чего образуется готовое изделие, принимающее вид внутренней поверхности пресс-формы; далее части пресс-формы разделяются и извлекается отформованная металлическая деталь.

Рис. 72. Погрузочно-разгрузочный робот выполняет

установку и съем детали со станка с ЧПУ

В компании “Метал кастингс” роботы используются как для дозированной разливки расплавленного алюминия, так и для извлечения из пресс-формы затвердевших изделий и охлаждения их в резервуаре с водой. Такой подход обладает двумя преимуществами. Прежде всего роботы гарантируют более строгое соблюдение требований технологического процесса: действуя в соответствии с заданной программой, они всегда вводят в установку точно дозированное количество ме-

талла. Затем в строго определенные моменты времени они извлекают из нее отформованные детали. Благодаря этому технологические условия строго соблюдаются и характеристики изделий, изготавливаемых партиями, выдерживаются исключительно точно.

Второе преимущество данного подхода заключается в том, что значительно облегчается работа оператора. Извлечение раскаленного куска металла из пресс-формы для литья под давлением - это, пожалуй, одна из самых малопривлекательных работ, и желательно, чтобы ее выполняли роботы. Тогда роль человека сведется к контролю за протеканием процесса и управлению действиями робота путем программирования.

2. Во многих отраслях промышленности погрузочно-разгрузочные механизмы предназначены для перемещения изделий различной степени готовности с одного участка производственной линии на другой. И при выполнении таких операций роботы играют немаловажную роль. На заводе фирмы IBM в Покипси (шт. Нью-Йорк), выпускающем вычислительные машины, робот загружает магнитные диски (используемые для хранения программ или данных) в систему, где на них записывается нужная информация. В общих чертах такой процесс напоминает запись музыкальных произведений на грампластинки. 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 самоклеющуюся метку. Затем робот вынимает диск с помощью захватного приспособления и упаковывает его в специальный конверт.

Подобный робот разрабатывается и для английской автомобилестроительной компании “Бритиш лейланд”; этот робот будет передвигаться на гусеницах между пятью производственными системами автомобильного завода. Он сможет извлекать пластмассовый бампер (или крыло) из установки для инжекционного прессования. Затем робот переносит бампер поочередно на две другие производственные установки, первая из которых обрезает с пластмассовой детали все лишнее, а вторая вставляет в нее миниатюрные латунные вкладыши для закрепления бампера на кузове автомобиля. Далее робот перемещает бампер на специальный станок, который полирует небольшие участки его поверхности. И наконец, робот снимает бампер с полировального станка и укладывает его на конвейер, транспортирующий готовые изделия в другой цех завода.

Оригинальную разработку выполнила британская швейно-трикотажная компания “Корах”. На ее швейной фабрике в Океме робот с помощью вакуумного схвата поднимает небольшой кусок ткани, обработанный швеей-мотористкой, и укладывает его в один тюк с другими кусками ткани, после чего тюк автоматически перемещается на участок, где выполняются другие пошивочные операции. Таким образом, робот освобождает швею от необходимости собирать готовые изделия (или детали изделий) и переносить их на другие участки. Подобные операции на большинстве швейно-трикотажных предприятий отнимают у швеи массу времени, которое можно было бы затратить на пошив изделий, увеличив тем самым производительность труда.

3. Упаковка. Практически все бытовые и промышленные товары необходимо упаковывать, и для роботов не представляет сложности поднимать готовые изделия и перемещать их в какую-либо тару. К примеру, фирма “Флаймо”, выпускающая газонокосилки, применяет роботы компании “Цинциннати милакрон” для упаковки продукции, сходящей с конвейеров своего завода в Дарлингтоне. На заводах кондитерской фирмы “Кэдбери” (Бирмингем) специализированные роботы занимаются укладкой конфет в коробки. Такие укладочные машины должны быть весьма совершенными в двух отношениях. Во-первых, необходимо, чтобы они обращались с конфетами очень аккуратно: сжав шоколадное изделие слишком сильно, они могут деформировать или даже раздавить его. Во-вторых, роботы должны соблюдать высокую точность при укладке конфет в коробки. На упаковочной линии специальные манипуляторы, мимо которых движется конвейер с коробками, поднимают конфеты и помещают их в определенные ячейки коробок. В любой коробке с заданными размерами для каждой конфеты выделено конкретное “гнездо”. Если бы робот попытался поместить одну конфету в гнездо, предназначенное для другой конфеты или отличающееся иными размерами, то процесс упаковки был бы нарушен. Помимо упаковки миниатюрных изделий, а также промышленных и бытовых товаров роботы иногда выполняют погрузку тяжелых предметов на паллеты. К таким предметам относятся, например, кули с цементом, мешки с удобрениями или крупногабаритная тара. В подобных случаях управляющая программа, как правило, указывает, каким (строго определенным) образом робот должен складывать предметы, чтобы они не упали.

Хотя роботы, выполняющие механическую обработку с помощью различных инструментов, встречаются пока реже, чем аналогичное оборудование для транспортировки материалов и заготовок, они продемонстрировали свою эффективность при решении многих задач.

4. Сварка. Это одна из производственных операций, которые чаще всего выполняются с помощью роботов, предназначенных для манипулирования инструментами. Роботы могут осуществлять два различных вида сварки: точечную и дуговую (рис.73). В обоих случаях робот удерживает в захватном приспособлении сварочный пистолет, который пропускает ток через две соединяемые металлические детали, в результате чего края деталей оплавляются и они привариваются друг к другу.

Рис. 73. Точечная сварка кузовов автомобилей

на заводе “Форд”

При точечной сварке сварочный пистолет (в данном случае электрод) создает короткий импульс тока через одну точку на поверхности металлической детали, к внешней или внутренней стороне которой прикреплена вторая часть свариваемого изделия. Такая методика обеспечивает соединение деталей в нескольких отдельных точках. Электрод перемещается из одной точки в другую, и через каждую из них пропускает импульс тока.

При дуговой сварке между отрезком медной проволоки, выступающим из сварочного пистолета, и двумя соединяемыми металлическими деталями возникает электрическая дуга. Пистолет перемещают по заданному контуру, в результате чего сплавление деталей происходит непрерывно, образуя металлический шов требуемого вида. По мере расхода меди в процессе сварки проволока постепенно разматывается с барабана, и поэтому каждая точка шва образуется как бы из нового кусочка меди. Сварочный пистолет - это не только источник электрического тока и проволоки, он еще и осуществляет подачу инертного газа, например гелия, в зону образования дуги. Газ защищает поверхность сплавляемых металлических деталей от окисления, снижающего прочность сварного соединения.

В соответствии с управляющей программой сварочный пистолет может перемещаться, практически не отклоняясь от заданной траектории. И если программа отлажена хорошо, сварочный пистолет прокладывает шов с очень высокой точностью.

Большинство роботов для точечной сварки применяется в автомобильной промышленности. При сборке автомобиля необходимо выполнить огромное количество операций точечной сварки, чтобы надлежащим образом соединить между собой различные детали кузова, например боковины, крышу и капот. На современных автосборочных конвейерах эти детали вначале соединяются временно несколькими прихваточными

сварными стыками. Далее кузов перемещается по конвейеру мимо группы роботов, каждый из которых осуществляет сварку в строго определенных точках. Поскольку все кузова, монтируемые на одной производственной линии, идентичны друг другу, для получения высококачественных сварных соединений просто требуется, чтобы робот каждый раз повторял заданную последовательность операций. В системе другого типа, которую впервые применила итальянская фирма “Фиат”, детали кузова автомобиля перемещаются по производственному цеху не конвейером, а автоматизированными тележками. В требуемом положении детали удерживаются помощью набора специальных прижимных приспособлений, называемых фиксаторами.

Запрограммировать робот, предназначенный для сварки кузова автомобиля, весьма непросто. Необходимо не только задать точный маршрут движений манипулятора, прокладывающего сварной шов, но и подготовить инструкции, в соответствии с которыми регулируются сила тока и напряжение в каждой точке маршрута. А эти параметры могут меняться, например, в зависимости от толщины свариваемого металла в конкретной точке или от того, какую форму имеет прокладываемый шов - прямую или криволинейную.

Специалисты по точечной и дуговой сварке должны принимать во внимание два технических момента, не относящиеся непосредственно к роботам. Прежде всего нужно сконструировать фиксаторы, удерживающие металлические детали в процессе сварки таким образом, чтобы сварка осуществлялась с высокой точностью. Когда сварочным пистолетом манипулирует человек, он способен учитывать небольшие отклонения в положении деталей, зажатых в фиксаторах. Сварщик-человек просто слегка сместит сварочный пистолет с тем, чтобы вы-

полнить стык в требуемом месте. Робот же (если это не устройство второго поколения, наделенное теми или иными “чувствами”) не способен принимать подобные решения. Если конструкция фиксатора недостаточно продумана, существует вероятность, что робот неверно расположит сварные стыки. Кроме того, фиксатор должен быть таким, чтобы манипулятор имел доступ к обрабатываемой детали с разных сторон. Чтобы выполнить сварку в труднодоступной точке детали, рабочий может извлечь ее из фиксатора. Робот на подобную операцию не рассчитан: он должен производить сварку в условиях непрерывного производственного процесса, что создает дополнительные сложности при конструировании зажимных приспособлений.

Вторая проблема касается допусков на изготавливаемые детали. На предприятиях, где применяется традиционное оборудование, детали, считающиеся идентичными, на самом деле могут несколько отличаться по размеру. Сварщик-человек принимает во внимание эти различия, варьируя последовательность выполняемых операций с учетом истинной формы детали. Нынешним промышленным роботам не под силу вносить такие изменения в характер производственных операций. После того как робот запрограммирован, он следует строго определенному порядку действий. Таким образом, когда сварка выполняется роботами, технические допуски на детали, изготавливаемые на других участках предприятия, должны быть исключительно жесткими, и рабочим, которые прессуют или обрабатывают на станках металлические заготовки, подлежащие сварке, придется повысить точность выполняемых ими операций. Характер воздействия, которое роботы своим появлением оказывают на другие этапы производственного процесса (весьма вероятно, что оно приведет к тесной увязке всех

технологических процедур), на техническом жаргоне называется “принципом домино” в робототехнике.

5. Сверление. Как правило, операции сверления выполняются на станках. Обрабатываемая деталь устанавливается на станке, закрепляется и в ней высверливаются требуемые отверстия. Робот позволяет выполнить эту процедуру по-иному, и, пожалуй, более эффективно (рис. 75). На практике именно сверло подводится к детали, а не наоборот. При использовании робота в его захватном приспособлении закрепляется рабочий инструмент, который перемещается над поверхностью обрабатываемой детали, высверливая отверстия в нужных местах. Преимущество подобной процедуры проявляется в тех случаях, когда приходится работать с крупногабаритными и массивными деталями или проделывать очень большое число отверстий.

Рис. 74. Робот для сверления отверстий под заклепки

Операции сверления играют значительную роль в производстве самолетов; они предшествуют клепке, при которой в отверстия вставляются миниатюрные зажимные детали, скрепляющие между собой два листа металла. В деталях самолетов необходимо просверливать сотни, а то и тысячи отверстий под заклепки, и вполне естественно, что такие операции следует выполнять роботу.

Компания “МП авиэйшн” (Слау, Англия) изготавливает детали механизма бомбосбрасывателя, предназначенного для военного самолета “Торнадо”. Механизм представляет собой цилиндрическую конструкцию длиной примерно 6 м, к которой требуется приклепать кожух из восьми металлических панелей. В кожухе необходимо просверлить около 3000 отверстий под заклепки. Проблема заключалась в том, как добиться, чтобы робот, оснащенный высокоскоростной сверлильной головкой, проделывал отверстия точно в заданных местах.

Инженеры пришли к выводу, что данную проблему можно решить следующим образом: рабочий просверливает ряд эталонных отверстий (примерно через метр друг от друга) вдоль панелей, которые размещаются надлежащим образом поверх цилиндрической конструкции. Манипулятор с закрепленным в его зажиме сенсорным зондом (а не сверлом) перемещается над поверхностью заготовки, посылая в память робота данные о местоположении эталонных отверстий. Затем робот рассчитывает точные координаты остальных отверстий, исходя из этих базовых точек. Отверстие нужного размера получается благодаря использованию сверла нужного калибра (робот может выбирать любое из нескольких сверл, осуществляя операцию замены рабочего инструмента).

В рассматриваемой системе фирмы “МЛ авиэйшн” робот, завершив операции сверления, выполняет еще две проце-

дуры. Он удаляет оставшиеся в отверстиях крошечные кусочки металла специальным инструментом, затем временно прикрепляет пластины кожуха к цилиндрической конструкции, вставляя зажимы в отверстия пластин. В программе робота содержатся инструкции, которые позволяют ему выбирать с полки инструмент, необходимый для проведения тех или иных производственных операций. После этого собранные механизмы отправляются на другой участок, где технический персонал проводит их клепку. Однако специалисты фирмы “МЛ авиэйшн” считают, что и эту функцию могли бы взять на себя роботы, если подготовить надлежащим образом технические средства и технологические процессы.

Такого рода автоматизированная клепка осуществляется одной из крупнейших американских аэрокосмических компаний - фирмой “Локхид”. На ее предприятиях в Бербанке создан производственный участок, где робот выполняет несколько задач. Сначала он собирает нужные конструкции из деталей, а затем скрепляет их заклепками. Система машинного зрения на основе телевизионной камеры “осматривает” полученное изделие, проверяя качество клепки.

Еще одна американская компания “Грумман аэроспейс корпорейшн” (Бетпейдж, шт. Нью-Йорк) использует роботы на операциях сверления и клепки. В установленной там системе автоматической клепки робот перемещается на гусеничном ходу между четырьмя рабочими участками. На каждом участке в зажимных приспособлениях закреплены детали из листового металла, и в соответствии с заложенной в нем программой робот просверливает ряд отверстий в каждом комплекте металлических деталей. Подобную программу можно без труда модифицировать так, чтобы робот сверлил отверстия под заклепки в деталях другого типа.

6. Обработка режущим инструментом. Если роботы оснастить соответствующим инструментом, то они могут не только сверлить, но и резать металл (рис. 75). И здесь также уместна аналогия с традиционными металлорежущими станками. Большинство таких станков удаляют лишний металл с исходных отливок или заготовок, превращая их в детали нужной формы. В подобных случаях оборудование размещается на производственном участке стандартно, а детали на него подает рабочий. Существуют два основных метода обработки исходных материалов. В первом из них режущий инструмент остается неподвижным, в то время как обрабатываемая деталь вращается вокруг своей оси. Таков принцип работы токарного станка. Во втором методе исходный материал закрепляется на специальном основании, а обрабатывающий инструмент вырезает из него необходимую деталь, совершая заданную последовательность движений. Так работает фрезерный станок.

Роботы должны действовать несколько иначе. Как правило, их конструкции недостаточно прочны, так что они не могут длительное время обрабатывать режущим инструментом материалы повышенной твердости. Поэтому инженеры изучают так называемые “бесконтактные” методы резания материалов, подобных металлу или пластмассе. Для этой цели, в частности, используется лазер. В рабочем органе робота закреплен прибор, который направляет высокоэнергетическое когерентное излучение лазера (для чего зачастую применяется волоконно-оптическая система передачи) на обрабатываемую деталь. Лазер может с очень высокой точностью резать пластины из металла, в частности стали. Робот перемещает рабочий орган над обрабатываемым листовым материалом по траектории, определяемой программой. Программой же регулируется интенсивность светового луча в соответствии с толщиной разрезаемого материала.

Рис. 75. Робот выполняет гидравлическую резку

материала

Другой бесконтактный метод резания основан на использовании струи жидкости. Такой подход впервые применила американская компания “Дженерал моторс”. На ее заводе в Адриане (шт. Мичиган) установлена система с 10 роботами, изготавливающая пластмассовые детали нефтеналивных цистерн. Восемь из десяти роботов направляют водяные струи под высоким давлением на перемещаемые конвейером пластмассовые листы. Эти струи прорезают в исходном материале ряд отверстий и щелей, а также удаляют лишние элементы пласт-

массы. По утверждению представителей компании “Дженерал моторс”, подобная роботизированная система весьма экономична, поскольку исключает износ рабочего инструмента и позволяет повысить качество операций резания. Поскольку система управляется программой, которая находится в памяти центрального компьютера, для контроля и обслуживания всех 10 роботов требуется лишь два оператора.

7. Обработка поверхностей. На большинстве предприятий после таких операций, как резание или сверление, производится обработка поверхности только что изготовленных деталей (чаще всего окраска или нанесение покрытий) (рис 76). Это еще один тип производственных операций, которые способен выполнять робот, если его оснастить пульверизатором. В память робота закладывается программа, обеспечивающая выполнение определенной многократно выполняемой последовательности операций. Одновременно программа регулирует скорость разбрызгивания краски. В результате на поверхности обрабатываемой детали образуется равномерное покрытие, причем робот нередко обеспечивает более высокое качество окраски, чем человек, которому свойственна неточность движений. Среди других процедур обработки поверхности можно отметить напыление антикоррозийных жидкостей на листы металла для защиты их от химического или физического воздействия окружающей среды, а также нанесение клеевых составов на поверхности деталей, подлежащих соединению. Автомобилестроительные компании исследовали возможность применения последней операции на этапе окончательной “подгонки” готовых узлов, в частности при монтаже таких компонентов, как хромовые вкладыши на кузове автомобиля. При выполнении подобных операций робот перемещают в оболочку, которая защищает его от попадания клея и других

связующих веществ. Его можно также “обучить” тому, чтобы он время от времени самостоятельно очищался, погружая захватное приспособление в промывочную жидкость.

Рис. 76. Робот TR-3500 наносит полиуретановое покрытие

на боеголовку ракеты “Сайдуиндер”

8. Удаление заусенцев и посторонних частиц. Самой “непопулярной” операцией в обрабатывающей промышленности, которая к тому же труднее всего поддается автоматизации, является, пожалуй, удаление заусенцев, или зачистка. Отлитая или обработанная на станке деталь крайне редко отличается достаточно высоким качеством поверхности; как правило, изделия имеют слегка шероховатую поверхность с приставшими к ней посторонними частицами, которые следует удалять на последующем этапе технологического процесса.

Такая чистовая обработка - весьма непростая процедура. Рабочий подносит металлическую деталь к быстро вращаю-

щемуся шлифовальному ремню, который стачивает острые края и шероховатости на поверхности изделия. Данная операция занимает важное место в технологическом процессе, однако выполнять ее вручную весьма неприятно.

Возможности использования роботов для окончательной обработки изделий исследовались во многих странах. Основная трудность здесь состоит в том, что роботы не обладают естественной для человека способностью контролировать качество своей работы. Рабочий, к примеру, чувствует, с каким усилием необходимо прижать деталь к шлифовальному ремню, чтобы сточить большой излишек металла, тогда как робот не может менять последовательность своих действий, если он не снабжен соответствующими датчиками. Британская фирма “Уокер кросуэллер”, специализирующаяся на изготовлении соединительных элементов водопроводных труб, осуществила проект, который позволил оснастить робот простейшей системой машинного “зрения” в виде телевизионной камеры. Предположим, робот держит какую-то деталь, например латунный водопроводный кран; телекамера передает изображение крана в компьютер, который в свою очередь регулирует прижатие шлифовального ремня, стачивающего неровности на поверхности этой литой детали. Кроме того, компьютер управляет перемещением манипулятора робота. Таким образом действие всех компонентов системы - телекамеры, основного манипулятора робота и второго манипулятора, регулирующего прижатие шлифовального ремня, - взаимно скоординированы. Компания “Уокер кросуэллер” надеется, что проведенное исследование, в котором также участвовали инженеры из Батского университета, позволит ей внедрить на заводе в Челтнеме роботы, выполняющие окончательную обработку изделий.

9. Испытания и контроль. Эти на первый взгляд простые понятия касаются целого комплекса технологических операций. После того как изготовлена деталь или смонтировано несколько узлов, обычно проводится их испытание с целью выявления возможных дефектов. Участие роботов в подобных операциях представляется вполне естественным. К примеру, они могли бы брать компоненты электрооборудования (например, с конвейера) и подключать их к источнику питания, после чего испытания проводились бы автоматически. Такую последовательность действий для идентичных компонентов можно было бы многократно повторять.

Робот мог бы осуществлять при этом более сложные операции. Например, перед проведением электрических изменений, возможно, потребуются те или иные перемещения компонентов испытываемой аппаратуры. Фирма “Тэрнрайт контролс”, изготавливающая системы управления для электрических кухонных печей, заключила с исследователями Портсмутского политехникума контракт на разработку устройства для калибровки и испытания портативного регулятора мощности. По существу, подобно устройство должно поворачивать винт, смещающий точку соприкосновения биметаллической пластины внутри регулятора с электрическим выключателем; это необходимо для точной настройки регулятора с учетом режима его работы в электрической печи. Кроме того, такое контрольно-испытательное устройство должно создавать электрический ток в проверяемом регуляторе, имитируя реальные режимы его работы. Контролируя величину этого тока с помощью измерительных приборов, можно судить о качестве изготовления регулятора.

На испытательном стенде, разработанном портсмутскими исследователями, серводвигатель поворачивает корпус регулятора, ось которого зафиксирована в пневматическом зажиме. В результате внутренние элементы регулятора устанавливаются в положение, необходимое для калибровки, после чего отвертка, удерживаемая манипулятором робота, подстраивает калибровочный винт. Одновременно еще один инструмент, входящий в состав испытательного стенда, корректирует положение упора в регуляторе. Затем автоматически выполняется серия электрических измерений, результаты которых контролируются компьютером. Этот испытательный стенд, который фирма “Тэрнрайт контролс” рассчитывает установить на своем предприятии в Портсмуте в 1986 г., можно применять и для других аналогичных процедур, в частности для калибровки и испытаний миниатюрных электромеханических компонентов.

Тщательному контролю должны подвергаться и габариты деталей. Все эти измерительные операции являются частью повседневных задач, решаемых на многих предприятиях мира. Роботы способны облегчить их выполнение. Для этой цели роботы оснащаются миниатюрными оптическими датчиками; как правило, это светодиоды, объединенные с полупроводниковыми светочувствительными приборами. Облучая проверяемую поверхность светом определенной частоты, подобный датчик принимает отраженное от поверхности излучение, имеющее ту же частоту. Робот в соответствии с заложенной в нем программой перемещает датчик от одной точки контролируемого изделия к другой. По результатам измерения результата времени между моментами испускания светового импульса и его приема после отражения рассчитывается форма проверяемой поверхности. Все эти действия автоматически выполняет компьютер данной робототехнической системы.

Все названные операции осуществляются быстро, практически без участия рабочих и позволяют избежать применения таких “архаичных” устройств, как микрометры или штангенциркули. Подобные робототехнические средства впервые использовала американская компания “Дженерал моторс” для контроля формы и габаритов автомобильных деталей. При использовании такой автоматизированной системы контроля отпадает необходимость в отправке проверяемых изделий на специальные пункты контроля качества - соответствующие процедуры можно осуществлять непосредственно на конвейере, не прерывая производственного процесса.

Большой объем работ на современном промышленном предприятии приходится на сборочные операции, однако многие из них требуют особого мастерства и слишком сложны для машины. В связи с этим значительная часть сборки до сих пор выполняется вручную. Тем не менее ряд сборочных процессов уже автоматизирован; это относится главным образом к относительно простым и многократно повторяемым сборочным операциям. Примером может служить процедура монтажа стандартных электронных компонентов на печатные платы, используемые во многих типах электрооборудования.

Разработка роботов, позволяющих автоматизировать процессы сборки, еще только начинается. Такие машины отличаются “сноровкой” и высокой чувствительностью, что дает им возможность решать весьма сложные задачи. Поскольку роботы можно запрограммировать на выполнение разнообразных операций, они обладают достаточной универсальностью и

способны работать на предприятиях, где характер выпускаемых изделий меняется (хотя бы частично) от партии к партии.

На примере фирмы IBM можно проследить, как проходили эксперименты по применению роботов в сборочных процессах. Эта крупнейшая фирма по производству компьютеров не только продает роботы, предназначенные для сборки, но и используют их на собственных предприятиях во многих странах. В 1984 г. на заводах компании IBM по выпуску вычислительных машин и терминалов действовало около 900 роботов, причем половина из них была установлена на сборочных линиях.

На предприятии фирмы IBM в Гриноке (Шотландия) занимаются созданием “островков автоматизации” - комплексов, содержащих большое количество компьютеризованных механизмов, которые производят сборку изделий при минимальном участии человека. Этот завод выпускает вычислительную технику и сопутствующее оборудование на сумму примерно 700 млн. ф. ст. в год. По оценке специалистов фирмы IBM, в результате автоматизации ежегодный объем продукции предприятия вырос в 10 раз за период 1974-1984 гг., тогда как число работающих на нем осталось практически неизменным. (В 1984 г. персонал предприятия составлял 2700 человек.)

Один из таких “островков” представляет собой компьютеризованную производственную линию стоимостью 1,5 млн. фунтов стерлингов, на которой изготавливаются миниатюрные устройства, называемые логическими блоками с силовыми каскадами. Линия включает процессоры и источники питания для дисплеев, входящих в состав микрокомпьютеров. На линии производится сборка компонентов: двух частей пластмассового корпуса устройства, блока электрических цепей, соединяющих это устройство с источником питания, и пластмассовой платы со смонтированным на ней набором интегральных

схем. В системе имеются несколько конвейеров, по которым перечисленные компоненты перемещаются мимо девяти роботов, выполняющих каждый свою конкретную операцию. Один, например, снимает с конвейера плату с интегральными схемами и вставляет ее в нижнюю половину корпуса, где она зажимается без помощи крепежных элементов, скажем винтов. Другой робот аналогичным образом устанавливант на отведенном месте блок электрических цепей. Затем монтируется верхняя половина корпуса, и следующая робототехническая установка наносит с помощью лазера ряд цифр (заводской номер) на наружную поверхность готового изделия.

Для монтажа каждого логического блока требуется всего два винта, которые подаются в рабочие органы роботов специальными механизмами - питателями. Роботы либо сами вводят винты в соответствующие отверстия, либо загружают их во вращающий механизм. Для управления всей производственной линией достаточно пяти человек. По данным фирмы IBM, для изготовления такого же количества устройств традиционными методами ручной сборки потребовалось бы вчетверо больше рабочих.

Система, установленная в Гриноке, - наглядный пример тех роботизированных сборочных комплексов, которые в ближайшие пять лет начнут появляться на предприятиях, выпускающих электронное и электротехническое оборудование. На первых порах многие из таких систем действительно будут представлять собой “островки” в составе сборочных линий. Однако постепенно между ними возникнут связи (в рамках предприятия), например с помощью автоматизированных транспортных средств, которые перемещают изделия, находящиеся на тех или иных стадиях готовности, между различными участками предприятия.

Еще одна отрасль производства, где роботы-сборщики могли бы найти широкое применение, - монтаж электронных компонентов на печатных платах (рис. 77). Некоторые из таких операций могут выполнять специализированные сборочные установки, однако, по существу, они представляют собой манипуляторы, рассчитанные на решение строго определенных задач; их нельзя запрограммировать таким образом, чтобы они выполняли какие-то другие операции или манипулировали нестандартными компонентами. Поэтому при использовании подобных установок предназначенные для монтажа комплекты компонентов стандартной формы загружаются в накопительные желоба многоячеечных магазинов, похожих на патронташи. Эти магазины перемещаются мимо механического захвата, который поочередно извлекает оттуда компоненты и устанавливает их в нужные места на платах. (Далее компоненты припаиваются к соединительным проводникам платы.) Описанные установки не могут оперировать компонентами нестандартной формы, например некоторыми микропроцессорами или запоминающими устройствами. На предприятиях с традиционным оборудованием эти микросхемы пришлось бы монтировать вручную, как в “старые добрые времена”.

К выполнению таких операций можно, однако, привлечь программируемые роботы. В частности, на предприятии фирмы “Моторола” в Форт-Лодердейле (шт. Флорида) два робота монтируют электронные узлы радиоприемников, совместно осуществляя 12 основных технологических операций, в частности монтаж определенных электронных компонентов на печатные платы. Эти два робота взаимно дополняют друг друга, действуя на сборочном конвейере точно так же, как пара человеческих рук. Во избежание столкновений роботы обмениваются сигналами, которые формирует компьютер.

Рис. 77. Робот осуществляет “набивку”

электронных плат

Роботы способны осуществлять сборку не только на предприятиях электротехнической и электронной промышленности. Фирма “Тейлор хайтек” (Чорли, графство Ланкашир) сконструировала роботизированную систему для химических предприятий, где она должна входить в состав технологического оборудования. Интересно отметить, что этот робот вначале разбирает уже готовое устройство, а затем вновь монтирует его. Речь идет о блоке фильтрации, предназначенном для дезактивации ядовитых химических реактивов. Фильтр круглосуточно функционирует в герметичной камере, которая предохраняет обслуживающий персонал от соприкосновения с опасными для здоровья веществами. Время от времени фильтр необходимо очищать. Эту операцию и выполняет робот, поочередно извлекая из камеры семь основных узлов

фильтра. Робот определенным образом устанавливает эти узлы на стенд и опрыскивает их водой из шланга. По окончании очистки робот помещает узлы обратно в камеру, после чего можно вновь приступать к процессу фильтрации. В ходе операции робот использует в общей сложности пять различных инструментов, которые снимает с полки.

Для успешного внедрения роботов в процесс сборки первоочередное внимание следует уделить оптимизации конструкций обслуживаемых ими изделий. Джон Лащ, инженер филиала фирмы IBM в Рисерч-Трайэнгл-Парк (шт. Северная Каролина), подготовил рекомендации по конструированию и применению роботов на сборочных линиях. Эти рекомендации в основном исключительно просты. В них, к примеру, говорится, что конструкция изделия должна предусматривать возможность его “послойной” сборки. Подъема и поворота деталей во время сборки следует избегать , поскольку для этих действий требуются сложные фиксаторы или захваты. Монтируемые компоненты должны быть достаточно податливыми, так чтобы их можно было сопрягать друг с другом, причем по возможности без применения крепежных элементов (например, винтов), манипуляции которыми сложны для робота. И наконец, детали необходимо проектировать так, чтобы они без затруднений поступали по питателям к рабочим органам роботов; детали, в частности, не должны иметь ни единого выступа, который, зацепившись, мог бы застопорить их движение к роботам. При конструировании следует уменьшить количество гибких элементов в изделии, например проводников и кабелей, заменив их жесткими компонентами (скажем, вместо гибкого кабеля использовать миниатюрные платы), которыми робот мог бы без труда оперировать. Лащ считает, что, следуя этим рекомендациям, можно будет осуществлять с помощью робо-

тов сборку все большего числа промышленных изделий и роботы-сборщики найдут широкое применение на промышленных предприятиях всего мира.

Осуществляя комплексную автоматизацию производства, машиностроительные предприятия широко внедряют новые высокопроизводительные станки - автоматы, автоматизированные линии и участки.

Однако, несмотря на рост числа автоматических линий в стране, их удельный вес в промышленности увеличивается все еще медленно. Это объясняется двумя основными причинами.

Во-первых, задачу комплексной автоматизации во многих случаях стремятся решить на базе не всегда достаточно совершенной технологии, основанной преимущественно на обработке изделий резанием (точение, фрезерование, расточка).

Во-вторых, автоматические линии и участки, как правило, образуются путем соединения транспортными и другими устройствами группы широко распространенных станков или машин прерывного действия. Как показывает опыт, такие линии и участки часто оказываются конструктивно сложными и дорогими в изготовлении, ненадежными в работе, занимают большие площади и полностью не отвечают тем повышенным требованиям, которые предъявляются сегодня к развитию автоматизированного производства. Такие линии и участки не решают с полной эффективностью основных задач комплексной автоматизации, они незначительно сокращают производственный цикл обработки изделий и, следовательно, не обеспечивают такого повышения производительности труда, которое позволило бы окупить затраты на их создание в достаточно короткие, экономически выгодные сроки.

Даже самые лучшие современные станки прерывного действия, включенные в автоматические линии, работают обычно 75-80% рабочего времени, остальное же время (20-25%) уходит на простои для смены и наладки инструмента. Такие простои совершенно недопустимы для станков, объединенных в автоматическую линию, ибо коэффициент использования линии в этом случае становится слишком низким. Для автоматических линий пригодны лишь те машины, которые обеспечивают высокий коэффициент использования при высокой производительности.

У обычных автоматических линий имеется и другой существенный недостаток. Они не универсальны, т.е. на них нельзя обрабатывать изделия различных форм. Ведь невозможно создать огромное количество типов узкоспециальных автоматических линий, охватив ими изготовление всех видов деталей даже одной отрасли промышленности. Практически нужны такие условия, при которых для перевода линии на другое, разумеется, технологически подобное изделие, было достаточно лишь сменить рабочий инструмент. Для серийного же и мелкосерийного производства сегодня стоит проблема создания таких линий, которые позволили бы одновременно изготовить несколько типов изделий.

Все перечисленные выше недостатки обычных автоматических линий вытекают из основного свойства машин прерывного действия. Они не могут быть устранены никакими конструктивными усовершенствованиями, не затрагивающими коренного свойства этих машин.

Существуют ли в настоящее время пути наиболее эффективного решения проблем комплексной автоматизации? Да, такие пути существуют и они уже проверены практикой. Один

из них - это широкое внедрение программного управления. Второй путь, который сегодня является также не менее перспективным и экономически эффективным, - это переход на новую более прогрессивную технологию обработки путем поверхностного или объемного воздействия орудия обработки на обрабатываемый предмет.

Не трудно понять, что изготовление любой детали - это в конечном итоге взаимодействие между предметом, который обрабатывается, и орудием обработки. Этих методов взаимодействия несколько. Возьмем простейший из них, когда инструмент касается детали в одной точке. Это можно наблюдать при обработке детали на токарном станке (а следовательно, и на автоматической линии). Для того, чтобы обработать деталь, резец должен пробежать по всей ее поверхности. Отсюда чрезвычайное усложнение конструкции станков, большое количество отходов, непроизводительные затраты времени. Не случайно поэтому, что на основе таких станков лишь в весьма редких случаях удается построить экономически выгодную автоматическую линию. Это возможно лишь тогда, когда все операции очень кратковременны и имеют одинаковую продолжительность, а инструмент обладает высокой стойкостью.

Комплексную автоматизацию можно осуществить наиболее эффективно и устойчиво лишь только на основе прогрессивных технологических процессов, когда обрабатываемые детали подвергаются поверхностному или объемному действию со стороны орудий. В этом случае одним рабочим движением можно получить изделие любой формы. Сам же процесс по сравнению с точечной обработкой сокращается в тысячи раз. При этом детали в процессе обработки не нуждаются в особом креплении и в точ6ной установке относительно обрабатываемого орудия.

К технологическим процессам, при которых детали обрабатываются путем поверхностного или объемного действия относятся, например, штамповка, прессование, термические, химические операции, большинство литейных, контрольно-измеритеьных, сборочных, отделочных и упаковочных операций.

Эти операции уже нашли сегодня широкое применение в сельскохозяйственном машиностроении, в приборостроении, радиотехнической, электротехнической и других отраслях промышленности, все больше вытесняя обработку резанием.