книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

После этих мыслей вы находите, что ваше дело не так уж плохо. Подписав необходимые бумаги у начальства, вы пробиваетесь на склад ненужных вещей и извлекаете оттуда покрытую паутиной РМУ-1. После непродолжи­ тельного осмотра вы, к счастью, обнаруживаете, что у РМУ-1 вылетел только один предохранитель, а так она вполне в рабочем, состоянии. Оказалось, что РМУ-1 име­ ет всего две кнопки с надписями «ИЗУЧИТЬ» и «РАЗОБ­ РАТЬ», включающие соответствующие режимы работы. В режиме «ИЗУЧИТЬ» машина покоится и только «рас­ сматривает» положенный перед ней предмет, в режиме «РАЗОБРАТЬ» —разбирает то, что только что рассмот­ рела. Причем второй режим включается только после от­ работки первого. Поэкспериментировав с машиной, вы убеждаетесь, что она достаточно хорошо справляется с разборкой.

Затем вас осеняет еще одна мысль: «А что, если сра­ зу же после разборки попытаться каким-то образом за­ ставить РМУ-1 работать в обратном порядке —и тогда она соберет то, что только что разобрала». Дав ей разоб­ рать первую попавшуюся безделицу, вы лезете во внутрен­ ности машины и находите там две клеммы, к которым под­ соединены синий и красный провода. Интуиция вам под­ сказывает, что, поменяв их местами, вы тем самым заставите машину действовать наоборот. И, действи­ тельно, нажав после такой замены кнопку «РАЗОБРАТЬ», вы, затаив дыхание, наблюдаете, как РМУ-1 на ваших глазах ... собирает ту же безделицу, придав ей прежний вид!!! Желая закрепить свой успех, вы приспосабливаете на машине третью кнопку с надписью «СОБРАТЬ» и запоминаете, что ее можно нажимать только после отра­ ботки режима «РАЗОБРАТЬ». После такого усовершенст­ вования РМУ-1 вы по праву можете теперь ее назвать «РМУ-2». Вот это —удача!!!

К а к мож но использоват ь р а зб о р о ч ную м а ш и н у д л я п о ­ точной сборки. Но тут здравый смысл вам подсказывает, что ваш восторг неуместен, поскольку, увлекшись, вы забыли основную цель —наладить поточную сборку. А вы имеете всего лишь забавную машину, которая разбирает и собирает данную ей конструкцию, но не более. «Что же получается,—возмущаетесь вы,—выходит, что эта удиви­ тельная машина может только подсказывать способы сборки? Конечно, это уже немало, но нужно гораздо больше!» —Как говорится, аппетит приходит во время еды.

151

На этот раз вы погружаетесь в размышления уже серьезно, мучаетесь и не спите ночью. Догадка приходит совсем неожиданно, утром, по дороге на работу при по­ купке газеты из газетного автомата. В тот момент вы по­ думали: «А ведь этот болвап может выдавать не только газеты, но и журналы, да и вообще все плоское и гиб­ кое. Ему все равно что выдавать: что в него засунут —

юи выдаст». А догадка состоит в том, что РМУ-2 мож­ но обмануть точно так же, как газетный автомат, xoib она и гораздо умнее. Причем, если это делать регулярно,

юкак раз и получится поточная сборка.

Итак, пусть поступает заказ на сборку некоторого из­ делия в количестве 100 штук. Вам дается опытный обра­ зец собранного изделия и 100 комплектов деталей, нуж­ ных для сборки. С помощью РМУ-2 вы организуете по­ точную сборку по следующему алгоритму.

А л г о р и т м п о т о ч н о й с б о р к и Шаг 1. Поставить перед РМУ-2 опытный образец и

дать команду «ИЗУЧИТЬ».

Шаг 2. Дать команду «РАЗОБРАТЬ» и отметить мес­ та, на которые РМУ-2 поставит детали в результате раз­ борки.

Шаг 3. Дать команду «СОБРАТЬ» и убрать собран­ ное изделие. Проверить: если это изделие 101-е —закон­ чить работу, в противном случае —перейти к следующе­ му шагу.

Шаг 4. Поставить на отмеченные места детали оче­ редного комплекта.

Шаг 5. Дать команду «РАЗОБРАТЬ». Здесь вы обма­ нываете РМУ-2, поскольку предмет разборки вы убрали, но она честно выполняет вашу команду вхолостую. Пос­ ле выполнения этой команды РМУ-2 оказывается в си­ туации перед началом шага 3, поскольку на отмеченных местах уже поставлены детали очередного комплекта.

Шаг 6. Перейти к шагу 3.

Шаги 1 и 2 как бы настраивают РМУ-2 на сборку заказанного изделия, а шаги 3—6 реализуют в цикле соб­ ственно поточную сборку. Затем, желая, чтобы сборка была полностью автоматической, вы дополняете РМУ-2:

а) двумя манипуляторами, один из которых будет по­ давать детали очередного комплекта, другой —передви­ гать опытный образец и убирать собранные изделия на конвейер (а таких манипуляторов у вас на заводе — просто навалом);

152

Рис. 1. СКУ-1

б) устройством, которое будет в нужные моменты на­ жимать кнопки «ИЗУЧИТЬ», «РАЗОБРАТЬ», «СО­ БРАТЬ» (его можно спаять тут же —на коленке).

Разработанную систему сборки (рис. 1) можно теперь назвать «СКУ-1» (сборочный комплекс универсальный-!). Победа!!! Порученное дело выполнено!

153

К огда сб орку мож но назвать ги б к о й . Теперь вы може­ те спокойно ждать каких угодно заказов. Как только по­ ступит заказ на новое сборочное изделие, вы опять за­ пустите свой СКУ-1. За счет того, что РМУ-2 выполняет шаги 1 и 2 быстро, переналадка на новое изделие тоже происходит быстро, причем автоматически. Вот это заме­ чательное свойство и является главной отличительной особенностью вашей системы сборки в сравнении с обыч­ ной.

Внедрение на заводе СКУ-1 делает вас, конечно, зна­ менитостью. Специалисты, журналисты, высокое началь­ ство —все устремляются на ваш завод посмотреть на чудо техники. К вам приходит даже заинтересовавшийся новинкой журналист-международник, видевший нечто по­ добное в Гибконии. Посмотрев, как ловко действует ваш СКУ-1, он вдруг заявляет: «Так это —не что иное, как гибкая сборочная система. За нее гибконцы дадут любые деньги: до такой гибкости сборочного производства им еще очень далеко...».

«Вот тебе и чудаковатый изобретатель,—думаете вы,— ведь все это получилось только благодаря его РМУ-1, а то, что сделал я, смог бы сделать любой толковый сту­ дент технического вуза. Если бы в те годы жизнь изобре­ тателя не оборвалась, он еще тогда наверняка бы сделал такую систему, которую теперь почему-то называют гиб­ кой».

К а к мож но утратить гибкость сборочной системы.

По роковому совпадению в ночь на понедельник у вас на заводе по недогляду случается пожар, и ваш СКУ-1, ко­ нечно же, сгорает...

Реальность

Теперь давайте разберемся в нашей фантастической истории с целью уяснить ее реальные стороны, которые вполне могут иметь место на современном уровне разви­ тия науки и техники, и домыслы, которые пока еще невоз­ можны, но могут составлять предмет научных исследова­ ний и новых технических решений в области сборочного производства.

в том числе сборочное,—это переналаживаемое роботизи­ рованное производство [1] с комплексной автоматизацией всего производственного процесса: от конструкторской и

154

технологической подготовки до планирования и управле­ ния. К нему предъявляются следующие основные требо­ вания: широкая номенклатура изготавливаемых изделий, быстрая переналаживаемостъ на любое изделие в рамках заданного класса номенклатур, малая численность рабо­ чих и специалистов с тенденцией на безлюдное производ­ ство. От сборки, как правило, еще требуется ритмич­ ность.

Легко убедиться, что гибкое сборочное производство, реализуемое СКУ-1, удовлетворяет всем этим требова­ ниям. Более того, оно обеспечивает изготовление изделий неограниченной номенклатуры (поскольку сборочные из­ делия, которые собираются из твердых деталей и которые помещаются в портфель, составляют неограниченное мно­ жество, включающее в себя, например, всевозможные ме­ ханические беспружинные часы), быструю автоматиче­ скую переналаяшваемость и абсолютную безлюдность.

В действительности же, чем шире номенклатура и быстрее переналаживаемостъ производства, тем труднее сделать его безлюдным. Главным препятствием здесь яв­ ляется переложение на компьютер интеллектуального труда, который прежде всего связан с формализацией предметных задач, т. е. преобразованием их в адекватную математическую форму, «перевариваемую» компьютером. Задачи сборки являются особенно трудными для форма­ лизации.

К а к и е о сн о вны е за д ачи могут возникат ь п р и создании ги б ко й сборочной системы? Чтобы ответ на этот вопрос быстро не устарел, разумно ориентироваться на желае­ мое будущее сборочного производства, набросок которого был сделан в нашей фантастической истории. Поэтому давайте предположим, что мы занимаемся как бы восста­ новлением утраченного СКУ-1, который является идеаль­ ной гибкой сборочной системой. Такое предположение вполне допустимо, поскольку все возможности так или иначе будут оцениваться с позиций сегодняшнего пред­ ставления об устройстве подобных реальных систем. При­ нимая во внимание эти слова, естественно теперь счи­ тать, что РМУ-2 имеет облик промышленного робота, оснащенного компьютером с ъесъма развитым математи­ ческим обеспечением и рабочими органами типа «глазрука». Уточняя функции, возлагаемые на такой робот, мы будем узнавать об его устройстве и попутно описы­ вать возникающие при этом наиболее важные научнотехнические задачи.

155

В режиме «ИЗУЧИТЬ» в память компьютера вводит­ ся информация о геометрии изделия. Эта информация должна быть настолько полной, чтобы координаты каж­ дой точки поверхности каждой детали изделия (в некото­ рой глобальной системе координат) можно было вычис­ лить с высокой точностью. Отсюда вытекает, что компью­ тер должен быть сопряжен с устройством, которое может «разглядывать» разные нюансы и как видимые, так и невидимые (снаружи изделия) части деталей. Такимустройством может быть, например, ультразвуковая или рентгеновская установка [2].

Итак, первая важная задача, с которой мы стал­ киваемся, состоит в построении в памяти компьютера об­ раза изделия. В описанной постановке эта задача еще мало исследована. Примыкающие к ней задачи связаны, например, с анализом сцен и моделированием твердых тел, которыми занимаются теория распознавания обра­ зов [3] и вычислительная геометрия [4]. В действитель­ ности одной только геометрической информации недоста­ точно, если предъявляются особые технические условии сборки, например, о точности соединений, усилиях в креп­ лениях и т. д. Отсюда возникают задачи кодирования по­ добной информации и ввода ее в память компьютера [5].

В том же режиме «ИЗУЧИТЬ» на основе введенной информации РМУ-2 каким-то образом составляет план разборки и сборки, содержащий информацию о способах разборки и сборки, а также — о связанных с ними дви­ жениях деталей и узлов. Сначала РМУ-2 составляет план разборки, а затем план сборки в результате обращения разборки во времени. Иными словами, РМУ-2 решает задачу проектирования технологии сборки. Заметим, что не всякий процесс сборки возможно реализовать как об­ ратный по отношению к некоторому процессу разборки без какой-либо корректировки. Однако здесь мы допус­ каем эту возможность, чтобы упростить ситуацию и счи­ тать, что режим «СОБРАТЬ» —это как бы запущенный наоборот режим «РАЗОБРАТЬ». Далее мы еще вернемся к этому вопросу.

Математическими моделями задач проектирования технологии сборки оказываются, как правило, задачи на графах и других комбинаторных объектах, которыми за­ нимается дискретная математика [6]. Как мы уже гово­ рили, результатом решения этих задач является план сборки, который должен быть реализован «руками» про­

156

мышленного робота в режиме «СОБРАТЬ». «Руки» должны уметь захватывать и скреплять детали и узлы изделия. Отсюда возникают задачи управления движе­ нием рабочих органов, которыми занимается одно из на­ правлений теории робототехнических систем [7].

М о д и ф и к а ц и и ги б ко й сборочной системы. До спх пор мы считали, что источником информации о геометрии сборочного изделия является его опытный образец. Одна­ ко ту же информацию и даже более полную может дать сборочный чертеж изделия. Часто он является даже един­ ственным источником информации, поскольку опытный образец по каким-то причинам изготовить не удается. Б этом случае от СКУ-1 требуется умение читать черте­ жи, а задача построения образа изделия в памяти ком­ пьютера приобретает иную специфику. Основная труд­ ность в решении этой задачи в таком случае состоит в том, что чертеж —это удобный способ представления ин­ формации для человека и очень неудобный для компью­ тера. Дело усугубляется тем, что чертеж содержит в себе еще и невидимую информацию, которую можно извлечь при знании правил черчения но ГОСТу. А большинство этих правил очень трудно формализуемо. Таким образом, введение в память компьютера только графической ин­ формации с обычного чертежа недостаточно: нужно еще вводить сведения из ГОСТа по черчению. Принципиаль­ но иной подход предполагает разработку правил чер­ чения, удобных для компьютера. Описанная чертежная задача представляет собой сейчас одну из наиболее актуальных проблем конструкторско-технологической ин­ форматики [8].

Возникает еще одна модификация СКУ-1, когда мы по тем или иным причинам отказываемся от автомати­ ческой сборки изделия непосредственно «руками» мани­ пуляторов. Например, может оказаться, что изделия некоторого класса (скажем, крупногабаритные) лучше собирать на готовой автоматизированной или даже авто­ матической сборочной линии. В этом случае план сборки должен быть воплощен в технологической карте и планеграфике работы сборочной линии. Здесь мы неминуемо столкнемся с комбинаторными задачами и в особенности с задачами теории расписаний [9].

Следует подчеркнуть, что мы представили только основные задачи организации гибкой сборки, ориенти­ руясь на общепринятые подходы. Вполне возможно, что дальнейшее развитие научных исследований приведет к

157

принципиально иным подходам и новым задачам. Однако можно полагать, что в ближайшее десятилетие общая картина разработок в области сборочного производства останется той, которую мы обрисовали (рис. 2).

Я дро ги б ко й сборочной системы. Это подсистема про­ ектирования технологии сборки [10]. Остальные подси­

158

стемы —ввода информации об изделии й управления процессом сборки —примыкают к ядру как бы сверху и снизу и несут хотя и необходимую, но вспомогательную функцию. В этой связи важно иметь представление о конкретных задачах проектирования технологии сборки и о состоянии дел в этой области, касаемых компьютериза­ ции. Наиболее важными являются следующие две задачи.

1.Задача нахождения всевозможных вариантов рас­ членения сборочного изделия на узлы, которые собирае­ мы с точки зрения геометрии изделия и технических условий сборки. Решение этой задачи необходимо для вы­ яснения принципиальных возможностей при выборе спо­ соба сборки.

2.Задача выбора рационального способа сборки по желаемым критериям (например, по минимуму себестои­ мости сборочного изделия). В результате решения этой задачи устанавливается, какие именно узлы нужно соби­ рать из числа найденных при решении предыдущей зада­ чи и в какой последовательности. Такие узлы уже назы­ ваются технологическими.

Вобщем случае эти задачи плохо поддаются форма­ лизации, поэтому их решение пока невозможно получить без участия человека —исключительно на компьютере. Кроме того, пока еще отсутствует общая теория решения таких задач. Все это отрицательно влияет на практику проектных разработок, поскольку многие технические ре­ шения имеют часто неоправданный эвристический харак­

тер. Вывод: очень важно развивать теорию, которая в данном случае необходима для построения адекватных математических моделей проекгных задач, нужных как для принятия научно обоснованных технических реше­ ний, так и для более эффективного использования ком­ пьютера. Далее мы покажем, что в определенных пред­ положениях задача расчленения и задача выбора способа сборки могут быть полностью формализованы и, следо­ вательно, решены компьютером полностью. Для форма­ лизации сначала необходимо остановиться на вопросах кинематики, так как сборка —это прежде всего движе­ ния деталей и узлов, которые следует сначала изучить, пренебрегая массой последних.

К инем ат ика сборки. Уже в самом начале нашего расказа мы ограничились рассмотрением изделий, собирае­ мых из твердых деталей. Если еще дополнительно пре­

159

можно получить в результате обращения во времени не­ которого процесса разборки и наоборот —без всякой корректировки. В этом случае изучение сборки сводится к изучению разборки. Мы будем рассматривать именно этот случай. Все построения мы будем пояснять на при­ мере простого плоского сборочного изделия, изображен­ ного на рис. 3, а, и считать, что вся его «жизнь» проис­ ходит в плоскости. Это не будет ограничивать излагаемые здесь идеи, поскольку они, как будет видно далее, инва­

(и даже в четырехмерном, однако, к сожалению, природа не наделила нас способностью чувственного восприятия четырехмерного пространства).

160