1.2. Структура и роль робототехнических комплексов в гибком автоматическом производстве

Одним из важнейших средств автоматизации и интенсификации производства являются роботы и создаваемые на их основе РТК. Эти принципиально новые технические средства были разработаны и внедрены в промышленность лишь в последние 10- 20 лет. Они выгодно отличаются от традиционных средств автоматизации своей универсальностью и гибкостью, т. е. способностью быстро перестраиваться с выполнения одних технологических операций на другие в широком классе производственных задач. Именно эти свойства робототехники обеспечивают возможность комплексной автоматизации современного производства с присущей ему большой номенклатурой и частой сменяемостью выпускаемой продукции. Следует также отметить, что применение роботов и РТК позволяет резко повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции, ускорить автоматизацию ручного труда, высвободить и более рационально использовать трудовые ресурсы, обеспечить высокую стабильность и ритмичность производства.

Однако экономическая эффективность от изолированного использования промышленных роботов сравнительно невелика. По данным советских и зарубежных исследований [33, 34, 78], годовой экономический эффект при использовании роботов на отдельных технологических операциях составляет в среднем 5-10 тыс. руб., а срок окупаемости - 3-4 года. При этом робот в зависимости от сменности работы заменяет от одного до трех человек (обычно это рабочие низкой квалификации, выполняющие вспомогательные операции) и повышает производительность труда в среднем на 20-40 %. Низкая эффективность роботов при изолированной эксплуатации в сочетании с их высокой стоимостью является одной из основных причин, сдерживающих широкую роботизацию промышленности. В последние годы наметилась тенденция преимущественного создания РТК, обеспечивающих согласованную работу одного или нескольких роботов вместе с технологическим оборудованием. При такой групповой эксплуатации эффективность роботов резко возрастает: производительность труда увеличивается в 2-7 раз (в отдельных случаях в десятки раз), срок окупаемости снижается до 2 лет. Наибольший социально-экономический эффект достигается при использовании РТК в составе ГАП, поэтому создание и внедрение РТК стало одним из наиболее важных стратегических направлений комплексной автоматизации производства.

Основной сферой использования роботов и РТК сегодня является машиностроение. Возникла даже новая подотрасль промышленности - роботостроение, которая обеспечивает, в первую очередь, потребности машиностроительного производства, связанные с его ускоренной автоматизацией и роботизацией. Большую актуальность приобрела в последние годы задача роботизации и других отраслей народного хозяйства: горнодобывающей, металлургической, химической, легкой и пищевой промышленности, сельского хозяйства, транспорта и строительства.

Рассмотрим назначение, структуру и функции РТК с учетом тех специфических требований, которые накладывает на РТК условия работы в составе ГАП. Среди этих требований важнейшими являются следующие: РТК должны работать полностью автоматически и обладать гибкостью по отношению к возможным изменениям технологии и адаптивностью к производственным возмущениям и помехам.

Рис. 1.3. Структура РТК как компонента ГАП: ИС- информационная система; СС - система связи; САУ - система автоматического управления; ПС - производственная система; ТС - технологическая система

РТК как элемент ГАП предназначен для автоматического выполнения одной или нескольких технологических операций. В зависимости от характера операций РТК делятся на сварочные, сборочные, окрасочные и т. п. С этой точки зрения РТК можно рассматривать как роботизированные технологические ячейки (РТЯ), ориентированные на выполнение отдельных операций из числа всех технологических операций, возложенных на ГАП. РТЯ являются основой для создания более сложных производственных комплексов - роботизированных ли-ний, участков, цехов, совокупность которых образует ГАП.

Структура РТК подобна структуре ГАП. Она включает следующие взаимосвязанные элементы: 1) технологическую систему; 2) систему автоматического управления; 3) информационную систему; 4) систему связи.

Структурно-функциональная схема РТК как компонента ГАП изображена на рис. 1.3. Из рисунка видно, что перечисленные элементы РТК связаны между собой и с соответствующими системами ГАП. Рассмотрим подробнее состав, функции и взаимодействие основных элементов РТК.

Технологическая система РТК является частью производственной системы ГАП. Она состоит из основного и вспомогательного технологического оборудования, технических средств манипулирования и транспортирования, технологической оснастки и инструмента. К основному оборудованию относятся станки, прессы, обрабатывающие центры и т. п., реализующие соответствующие технологические операции. Вспомогательное оборудование (палеты, тара и т. п.) служит для загрузки, ориентирования и хранения заготовок и готовых изделий. Технологическая оснастка обеспечивает базирование и крепление деталей при их обработке или измерении с помощью соответствующего инструмента (сверла, фрезы, измерительного щупа и т. п.). К техническим средствам манипулирования и транспортирования относятся исполнительные механизмы роботов (манипуляторы со сменными рабочими органами, тележки с различными типами шасси).

Система автоматического управления РТК служит для программирования и управления работой технологической системы, а также для контроля качества и диагностики отказов. Фактическое выполнение этих функций в автоматическом режиме невозможно без использования средств вычислительной, техники. Поэтому система управления реализуется на базе вычислительной сети, в состав которой входят иерархически связанные ЭВМ, микропроцессоры, а также интерфейс, необходимый для получения данных от информационной системы и системы связи.

Функциональные возможности (и, в частности, степень интеллектуальности) системы управления РТК определяются, главным образом, алгоритмическим и программным обеспечением, т. е. совокупностью алгоритмов обработки информации и управления, записанных на соответствующем языке программирования. Обычно программное обеспечение имеет модульную структуру и подразделяется на общее и специализированное. К общему (инвариантному) обеспечению относятся унифицированные модули операционной системы и системы управления базами данных, а к специализированному - программные модули, реализующие конкретные алгоритмы обработки информации и управления.

Информационная система РТК служит для обеспечения системы автоматического управления необходимой информацией. В ее состав входят датчики, встроенные в элементы технологической системы, и автоматизированные банки данных (АБД), в которых хранится информация об РТК и о технологических процессах, реализуемых в ГАП. АБД дают информацию, необходимую для построения и коррекции управляющих программ и формирования законов управления с обратной связью через распределенную систему датчиков, встроенных в оборудование РТК.

Система связи предназначена для обмена информацией как внутри РТК, так и между РТК и другими компонентами ГАП. Цель такого обмена - передача производственного задания РТК, контроль за технологическими процессами, регламентная проверка элементов РТК, передача управляющих сигналов (по каналам прямой связи) и информационных сигналов (по каналам обратной связи) и т. п. Конструктивно система связи представляет собой локальную сеть связи, охватывающую весь РТК и являющуюся частью общей сети связи ГАП. По этой сети в систему управления РТК поступает информация о характере технологического процесса, который должен быть реализован в ГАП.

На основании полученной информации система управления автоматически формирует управляющую программу и реализующий ее закон управления. Важно отметить, что эту программу и закон управления легко скорректировать или заменить новыми. Необходимость в этом возникает при переходе ГАП с одного вида выпускаемой продукции на другой. При этом система автоматического управления быстро самонастраивается на новый технологический процесс.

Таким образом, именно система управления РТК, взаимодействуя с системой связи, информационной и технологической системой, придает РТК два главных свойства: гибкость и высокий уровень автоматизации. Что же касается системы связи и информационной системы, то они выступают как источники необходимых сведений и сигналов обратной связи для системы автоматического управления РТК.