Глава VI. Роботизация промышленного производства

Как и в других случаях автоматизации и механизации, при внедрении роботов существенное значение приобретает первоочередность производств, которые необходимо охватить робототехникой, чтобы с ее помощью решить наиболее важные технические, экономические и социальные проблемы развития народного хозяйства. К таким производствам в первую очередь относятся работы, связанные с тяжелым физическим трудом, в основном, погрузочно-разгрузочные, а также с использованием токсических, радиоактивных и т. п. веществ, работы в условиях повышенных и пониженных температур, повышенной влажности и вибрации, с повышенной опасностью травматизма, в условиях загрязненного воздуха и повышенного уровня шума, монотонные, однообразные работы, а также требующие особых мер по технике безопасности (например, загрузка заготовок в штамп), работы в стесненных труднодоступных условиях, обслуживание различного технологического, транспортного и другого оборудования, автоматическое управление оборудованием, линиями, участками и т. п.

Разумеется, в конкретных производственных условиях могут быть и другие первоочередные области, где наиболее целесообразно внедрение робототехники. Следует также иметь в виду, что успешное использование промышленных роботов связано с осуществлением комплекса организационно-технических подготовительных работ по приспособлению (и модернизации) технологического, транспортного и другого оборудования, технологической оснастки, заготовок и т. п. Ниже приводится краткий обзор различных видов производств, где успешно применяются промышленные роботы.

Литейное производство. Современные промышленные роботы и автоматические манипуляторы успешно используются вместо человека в основных процессах производства отливок - от подготовки исходных материалов до операций очистки, термообработки, зачистки, грунтовки и т. п., а также для контроля и испытания, разгрузочнопогрузочных, транспортных и складских работ в литейном производстве. Расширению области применения роботов в литейном производстве способствует создание систем управления ими для длительных процессов, например формообразования, сборки, заливки форм и т. п.

Практически почти все операции литейного производства могут быть охвачены роботизацией: разгрузка и складирование поступающих для изготовления отливок основных и вспомогательных материалов и оборудования - формовочных песков, связующих добавок, огнеупоров, составляющих металлической шихты, красок и т. п.; литье в разовые песчаные (опочные и безопочные) формы из различных формовочных смесей; производство стержней различного состава прогрессивными методами формообразования - пескострельным, прессованием и др.; упрочнение форм и стержней, например, горелками инфракрасного излучения, подогретым сжатым воздухом и др.; высокоточное литье в тонкостенные формы из песчаносмоляных и других смесей; литье в магнитные формы по неизвлекаемым моделям из полистирола и других подобных материалов или в вакуумированные формы; сборка разовых песчаных форм; точное литье по выплавляемым моделям; литье в постоянные формы (кокиль под обычным, высоким, низким давлением и противодавлением, центробежным способом и т. п.); точное литье под давлением; шихтовка (подготовка шихты, дозировка и др.), загрузка шихты в плавильный агрегат, плавка; заливка форм расплавами, дозирование, извлечение отливок из форм; очистка, обрубка, зачистка отливок, резка, грунтовка, окраска, а также контроль на отдельных технологических переделах литейного производства, межоперационное транспортирование форм, стержней, отливок, обслуживание технологического, транспортного и другого оборудования.

Кузнечно-штамповочное производство. В различных отраслях народного хозяйства широко используются детали разного назначения, форм и размеров, получаемые листовой холодной штамповкой на прессах - вырубкой, гибкой, вытяжкой и т. п. В условиях преобладающего серийного или мелкосерийного производства установка заготовки в штампы и удаление ее после штамповки часто осуществляются вручную. Монотонный характер такой работы нередко приводит к травматизму.

Автоматическая подача заготовок в штамп и удаление из него отштампованных деталей успешно осуществляются различными манипуляторами и промышленными роботами. Используемые для этого роботы должны иметь быстродействующие приводы, надежные системы управления, универсальные или быстросменные захватные устройства различного типа (магнитные, вакуумные и др.), конструкция которых во многом зависит от формы, размеров и материала штампуемой заготовки.

Для автоматизации процесса штамповки деталей, например на кривошипных прессах, часто применяются жестко программируемые роботы с системой циклового управления, работающие по упорам. Такие роботы могут использоваться для обслуживания и синхронной работы с штамповочными прессами, радиально-обжимным, эле- ктровысадочным, правильным, обрезным и т. п. оборудованием. В частности, роботы с электромагнитными и вакуумными захватными устройствами с жесткопрограммируемой системой управления и программоносителем в виде штекерной панели, обеспечивающей последовательность работы рабочих органов робота и оборудования, могут использоваться для автоматической подачи заготовок круглой и прямоугольной формы в штампы, установленные на вертикальных прессах.

К основным и вспомогательным операциям, выполняемым роботами и автоматическими манипуляторами при современных методах формообразования холоднолистовой, объемной и другой штамповкой, относятся установка штампа на пресс и заготовки в штамп, извлечение готовой детали из штампа и удаление ее из пресса, очистка и смазка формообразующих частей штампа, подача к термической печи и укладка в ней заготовок для отжига, нормализации, их удаление после нагрева, укладка и транспортировка к месту назначения; обслуживание оборудования при многооперационной штамповке из топколистовых полос на штампах последовательного типа, правка заготовок и деталей (установка в штамп, извлечение их из матрицы и удаление из пресса и т. п.), установка штамповок на транспортное устройство для подачи к месту дальнейшей обработки или складирования, управление процессами очистки и зачистки штамповок; внутрицеховые погрузочно-разгрузочные, складские и другие транспортные работы; работа (синхронная) в комплексе с различным технологическим штамповочным и транспортным оборудованием и управление этим оборудованием.

Применение промышленных роботов в кузнечно-штамповочном производстве важно и как средство управления технологическим процессом путем изменения силы удара и его последовательности в зависимости от температуры заготовки и других данных.

В зависимости от назначения в кузнечно-штамповочном производстве используются универсальные и специализированные роботы и автоматические манипуляторы.

Созданы автоматические штамповочные комплексы, включающие штамповочное оборудование и средства механизации и автоматизации, а также кузнечно-штамповочное оборудование с числовым программным управлением, например обслуживаемое промышленными роботами. Роботы для обслуживания кривошипных прессов усилием 250 и 100 тс осуществляют межоперационную передачу и ориентированное удаление заготовки, подачу ее в штамп. Они имеют выдвижные двухместные рычажно-захватные устройства, цикловую систему программного управления и различную грузоподъемность в зависимости от усилия пресса.

Производство изделий из порошковых материалов. Промышленные роботы могут использоваться для автоматизации следующих основных и вспомогательных работ при производстве изделий методом порошковой металлургии: установка прессформ на прессовое оборудование и их снятие с него, смазка формообразующих частей прессформ, удаление из зоны формообразования готовых изделий, установка их на поддоны, подача и установка в термопечь для упрочнения, извлечение из печи, обслуживание (загрузка-разгрузка) калибровочного и другого оборудования на завершающих операциях. Роботы могут успешно применяться для непосредственного выполнения ряда технологических операций при литье термопластичных материалов и реактопластов под давлением (дозировка и заливка расплава, отделение литниковой системы, зачистки облоя и др.), при формообразовании прессованием и другими способами, проводить контрольные, погрузочно-разгрузочные, внутрицеховые транспортные, складские и упаковочные работы, а также синхронно работать в комплексе с другим технологическим и транспортным оборудованием.

Сварочное производство. В сварочном производстве промышленные роботы применяются не только для обслуживания различного техпологического, транспортного и другого оборудования, но прежде всего для непосредственного . выполнения основных технологических операций по сварке различными методами.

К основным видам работ, которые способны выполнять универсальные и специализированные промышленные роботы в сварочном производстве, можно отнести следующие: установка оснастки на технологическое и другое оборудование и снятие с него (установка и фиксация их в рабочее положение для сварки), сборка под сварку деталей и узлов, подготовка деталей к сварке, снятие и удаление сваренных изделий из рабочей зоны, непосредственное осуществление технологических операций по сварке (контактной, точечной, дуговой, под давлением, в среде углекислого газа, плазменной и др.), при необходимости правка до сварки заготовок и деталей и сваренных изделий - установка в приспособление, извлечение из него и удаление их из зоны правки и т. п., зачистка (абразивная и другими способами) сварочных швов, контроль качества сварки, выполнение различных межоперационных и внутрицеховых транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских операций, работа в комплексе с другим технологическим сварочным и транспортным оборудованием в поточных линиях и управление им и т. п.

Промышленные роботы успешно используются для автоматизации процессов сварки не только традиционными методами, но и новыми прогрессивными способами, например электронно-лучевой сваркой в вакууме. При сварке этим методом рычажно-захватное устройство вводит определенное количество ориентированных заготовок в вакуумную камеру, извлечение сваренных узлов из камеры производится также роботохм.

Термическое производство. Учитывая, что значительная часть операций, поддающихся роботизации при термической обработке, происходит при температуре, превышающей 1000° С (например, при нагреве под закалку изделий из высоколегированных сталей), рычажно-захватное устройство, и особенно захваты, в этом случае должны изготовляться из жаропрочной стали, способной выдержать такую температуру без нарушения необходимых параметров.

К основным видам работ в термическом производстве, которые способны выполнить промышленные роботы, следует отнести следующие: подготовку (при необходимости) изделий к термообработке - очистку и т. п., подачу и укладку изделий в термическую печь, извлечение их из печи после нагрева и подачу на охлаждение, правку и очистку, контроль твердости и других свойств, различные межоперационные и внутрицеховые транспортные, складские и упаковочные работы, работу в комплексе с другим технологическим и транспортным оборудованием и управление им и т. п.

Например, при поверхностной термообработке (закалке) токами высокой частоты робот извлекает деталь из лотка магазина, устанавливает в щель индукционного нагревателя и подает сигнал о включении тока; по окончании нагрева извлекает деталь из индуктора и подает ее в закалочное устройство. Длительность выполнения всех операций составляет около 1 мин.

Механообрабатывающее производство. Одной из специфических особенностей серийного, мелкосерийного и индивидуального механообрабатывающего производства является незначительный удельный вес машинного времени. В общем цикле механообработки время ожидания и транспортирования деталей составляет 95% от времени их нахождения в производстве. Применение роботов позволяет увеличить коэффициент использования оборудования, значительно сократить производственный цикл, улучшить качество изделий.

Универсальность промышленных роботов позволяет использовать их для автоматизации вспомогательных работ различных металлорежущих станков - токарных, фрезерных, расточных, сверлильных и др., при этом один робот может обслуживать два и более станков. В большинстве случаев автоматизированные таким образом обычные станки не уступают по производительности специализированным автоматам, но значительно дешевле их. При использовании передвижных (подвесных и напольных) роботов один робот способен обслуживать группу станков, участки или поточную линию.

К основным и вспомогательным операциям механообрабатывающего производства, которые могут выполняться промышленными роботами, можно отнести: установку па различные металлорежущие станки и комплексы технологической оснастки и ее снятие, обслуживание индивидуальных и групповых универсальных и с числовым программным управлением станков, участков и поточных линий для обработки резанием, установку заготовок и снятие обработанных деталей, инструмента, приспособлений, выполнение ряда основных технологических операций по обработке (сверление, снятие заусенцев, шлифование, полировка и др.), контролю и испытанию, выполнение межоперационных и внутрицеховых транснортиых, погрузочно-разгрузочных, складских и т. п. работ, синхронную работу в комплексе с другим технологическим, транспортным оборудованием и управление им.

Процессы поверхностного покрытия. К основным видам процессов нанесения покрытия на поверхность изделий, где могут применяться промышленные роботы, относятся металлизация, покрытие порошкообразными полимерами, гальванизация, окраска различными методами. При металлизации роботы могут использоваться для подготовки поверхности (очистки, зачистки и т. п.), подачи и установки изделий на оборудование, для снятия его после металлизации и удаления из рабочей зоны, а также для непосредственного осуществления операций покрытия, например при оснащении захватных устройств специальными головками. При нанесении порошковых полимерных покрытий на металлические изделия с защитнодекоративной, изоляционной и другой целью, роботы могут использоваться как для обслуживания оборудования и поточных линий, так и для выполнения отдельных операций технологического процесса (подготовка поверхности, нанесение покрытия и др.). При гальванических методах покрытия изделий из пластмасс роботы могут обслуживать оборудование для предварительной подготовки поверхности (создание микрошероховатости) и гальванические установки, осуществляющие нанесение топкого слоя металлического покрытия, например методом химического меднения. Роботы успешно обслуживают отдельные гальванические установки и их комплексы, поточные автоматические линии и участки гальванических покрытий. Их можно также использовать для вскрытия барабанов с сильнодействующими ядовитыми веществами для промывки тары и тому подобных работ.

Автоматизированное гальваническое производство, обслуживаемое двумя автоматическими манипуляторами и управляемое мини-ЭВМ (М-6000), включает 16 одно- и двухрядных гальванических поточных линий для разного вида защитно-декоративных покрытий - цинкование, кадмирование и др. (в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства). В каждой гальванической линии предусмотрено осуществление до 63 технологических программ при параллельном способе передачи кодов. Блок-схема системы управления содержит ЭВМ, устройство связи с линиями, рабочее место оператора, пульт управления, гальванические линии, позиции загрузки и выгрузки, промежуточный склад и склад готовых деталей.

В автоматизированном производстве, созданном на базе агрегатирования основных элементов, непосредственное исполнение технологических процессов осуществляется автоматическими манипуляторами; комплексно автоматизированные процессы технологии нанесения гальванических покрытий на детали различного профиля осуществляются использованием конструкционно различных гальванических линий. Стабильность работы обеспечивается системой автоматического контроля и регулирования температуры, уровней электролитов, контроля их химического состава и т. д.

Система управления гальваническими линиями позволяет производить одновременно много видов работ по разным процессам технологии защитно-декоративных покрытий, а трехуровневая иерархическая структура обеспечивает возможность в любой момент перейти на полуавтоматическое или ручное управление. Возможно также построение, корректировка и обработка оптимального диспетчерского графика в реальном масштабе времени, подстройка новых заданий, контроль и тестовая проверка, оперативное планирование обработки деталей, управление механизмами и устройствами гальванических линий и т. д.

При нанесении лакокрасочных покрытий промышленные роботы стационарного и подвижного типов успешно используются для автоматизации грунтовки и других процессов подготовки, самого процесса окрашивания распылением, окунанием, в электростатическом поле, электрофорезом. Они могут также применяться для обслуживания сушильного оборудования после нанесения лакокрасочных покрытий. Применение роботов повышает производительность и качество окраски, существенно снижает удельный расход краски (на 20-40%).

Сборочное производство. Для автоматизации основных и вспомогательных сборочных операций, выполняемых современными методами (склеиванием, механическим соединением), используются промышленные роботы, специально приспособленные для их выполнения. Применение таких роботов может снять многие ограничения, зависящие от физических возможностей операторов: существенно увеличивается масса перемещаемых изделий (с 9 до 50 кг и более) и скорость перемещения, обеспечивается стабильность процесса, ликвидируются дефекты от возможных ошибок оператора. Возможность автоматизации сборки с использованием роботов значительно повышается при блочной конструкции изделий и прямолинейном движении деталей в процессе их передачи на сборку и при установке в приспособление. Самоориентирование в окружающем пространстве при меняющейся обстановке достигается оснащением роботов тактильными и видеопреобразователями.

При автоматизации сборочных работ традиционными способами, т. е. соединением различными механическими методами, роботы могут применяться для установки в сборочное оборудование оснастки, снятия и удаления ее, для подачи деталей и узлов в сборочные установки, подбора и подачи деталей в рабочее положение для сборки узлов, контроля наличия других собираемых деталей в узел, последовательности сборки, отбраковки негодных деталей или неполностью собранного узла, для разборки узлов, например после испытаний, а также производить работы в комплексе с другим технологическим транспортным оборудованием и управлять им, выполнять различные межоперационные, транспортные, складские и упаковочные работы.

Автоматизация контрольных, транспортных и складских работ. Роботы могут использоваться для автоматизации таких контрольных работ, как, например, изготовление образцов для, анализа химического состава сплавов и других материалов, подготовка образцов к контролю, установка их в оборудование для контроля, их испытание, снятие и удаление, для непосредственного выполнения операций контроля формы, размеров, свойств образца и др.

В США роботы используются для автоматического испытания пневматических клапанов - осуществляют все операции по их установке, нагрузке и разгрузке. Оценка качества производится с помощью манометров и фотометрической аппаратуры. Процесс испытания проходит следующим образом. Пневмоклапаны подаются по гравитационному желобу к роботу, имеющему два рычажно-захватных устройства. Робот захватывает клапан и укладывает его в установку для проверки. Проверенный клапан снимается с прибора, куда подается новый клапан, укладываемый роботом в нужное положение. Если клапан прошел проверку удовлетворительно, робот складывает его в определенное место, а выбракованный укладывает в емкость для брака. Один робот испытывает клапаны определенных типоразмеров диаметром от 6 мм и далее через каждые 24,4 мм, а другой - начиная с диаметра 18 мм через каждые 49 мм. Перепрограммирование роботов занимает 5-10 мин. Захваты быстро переналаживаются для установки, закрепления, нагрузки и разгрузки клапанов.

За рубежом создана автоматизированная система взятия проб при производстве взрывчатых веществ, включающая семь роботов-телеоператоров. Роботы, оснащенные гидроприводом, способные работать в условиях коррозионно-активных сред, берут пробы из 30 точек конвейера, укладывают их в контейнеры, которые устанавливают на транспортер, ведущий в лабораторию, где осуществляется контрольный анализ.

Роботы могут применяться для выполнения транспортных и складских операций: загрузки и выгрузки различных материалов, изделий и т. п., межоперационной передачи деталей с автоматической загрузкой и разгрузкой технологического, транспортного и другого оборудования, для передачи готовых изделий на поддоны, в контейнеры и т. п., складирования материалов, изделий и для их упаковки и т. п. Применение промышленных роботов в складском хозяйстве позволяет решать задачи систематизации деталей, их поиска и транспортирования по заданной программе и размещению их по стеллажам.

Другие промышленные и не промышленные области. Промышленные роботы могут также использоваться в строительной, легкой, фармацевтической и других отраслях, для научно-исследовательских работ, в быту и т. п. Например, в швейной промышленности роботы используются для автоматизации процессов манипулирования кусками материи, сшивания кусков больших размеров, для правильного ориентирования их друг относительно друга, пришивания мелких деталей - пуговиц, пряжек, крючков, воротников, манжет, карманов и т. п. В сфере обслуживания роботы могут выполнять обязанности сторожа, садовника, могут мыть посуду, стирать и гладить белье, обслуживать бензозаправочные станции, собирать бытовой мусор, торговать штучным товаром, комплектовать продуктовые заказы и даже выполнять скульптурные работы. Роботы также могут входить в автоматические системы пожаротушения, нести охрану, регулировать уличное движение (например, во Франции создан робот-регулировщик, который регулирует уличпое движение на Елисейских полях).

Наибольшая технико-экономическая эффективность достигается при использовании промышленных роботов в роботизированных комплексах.

Так, на Ковровском механическом заводе к 1979 г. было внедрено 60 промышленных роботов в штамповочном и механообрабатывающем производствах, обеспечивших снижение трудоемкости обрабатываемых деталей в среднем на 43%, повышение производительности труда на роботизированных операциях в 3 раза (а по отдельным участкам в 5-6 раз), высвобождено около 100 рабочих, достигнута годовая экономия более 300 тыс. руб.^*.

^* (Макаров И. Роботы, сегодня и завтра. - Правда, 1979, 30 авг.)

На Петродворецком часовом заводе внедрено свыше 150 промышленных роботов модульной конструкции. На 63 автоматических линиях они осуществляют по заданной программе все операции по сборке часов. Внедрение роботизированного комплекса позволило в несколько раз повысить производительность труда и высвободить около 500 человек^*.

^* (Александров Г. Часовых дел роботы. - Правда, 1979, 22 июля.)