Предмет і завдання курсу. Історичні передумови появи маніпуляторів та промислових роботів. Сучасні концепції комплексної автоматизації виробництва

1.1. Загальні відомості

Метою цього курсу є вивчення будови, принципу роботи, основних параметрів і характеристик промислових роботів та маніпуляторів.

Роботи і маніпулятори є однією з основних частин комплексної автоматизації виробництва. Вони розв’язують задачу суттєвого скорочення традиційно ручних операцій у машинобудуванні: подачу та встановлення заготовки на верстат, зняття оброблюваної деталі, зварювання, фарбування, упаковку і т.д.

Історія робототехніки свідчить, що перші ідеї використання праці механічних слуг замість праці людей, підсилення психологічної дії на людину культових статуй за рахунок надання механічного руху їх частинам, розваг з механічно рухомими фігурками людей-маріонеток і перші інженерно-технічні реалізації цих ідей відносять уже до VII–VI століть до нашої ери. Слово “робот” увів Карел Чапек у 1920 році у своїй п’єсі “RUR”, створивши його від чеського слова “робота” – важка підневільна праця. Дія п’єси проходить на території компанії, що виробляє роботи; у ній на художньому рівні розглянуті фундаментальні питання робототехніки: основні характеристики робота, способи його створення (як механічної “копії людини”), сфера застосування тощо. Але до 60–их років робототехніка розвивалась у напрямі створення цікавих іграшок.

Стрімкий розвиток суспільного виробництва, дослідницької діяльності людини викликали необхідність замінити людину у важкій, небезпечній праці або в тих умовах, де його праця неможлива. Як результат об’єктивної необхідності на початку 60–их років створюються нові види роботів: промислові, підводні, космічні та ін .

Першими промисловими роботами, що стали широко відомими, були розроблені в 1963 р. у США роботи Юнімейт і Версатран. Перший був призначений для обслуговування технологічних процесів лиття під тиском, кування, механічної обробки, штампування, упакування, точкового зварювання, нанесення покриттів тощо., являючи собою механічну руку з п’ятьма ступенями свободи, яка керується гідроприводом. Він мав вантажопідйомність 35 кг і виконував 180 команд.

У СРСР у кінці 60–их років було створено кілька промислових роботів: УМ1, Универсал–50, УПК–1. Робот УМ1 – гідравлічний, вантажопідйомністю до 40 кг, він мав програмне керування з практично необмеженою кількістю команд.

По мірі розвитку робототехніки відбувся розподіл роботів на три покоління:

– роботи І покоління, мають жорстку програму дій;

– роботи ІІ покоління – з адаптивним керуванням;

– роботи ІІІ покоління будуть мати певний “інтелект”.

До першого покоління належать усі розроблені до цього часу промислові роботи, кількість марок яких перевищує 300.

Роботи другого покоління поки що не використовуються в промисловості, але робота із їх розроблення і випробуванням ведуться в багатьох країнах. Також ведеться розроблення принципів створення роботів ІІІ покоління.

1.2. Системи управління ПР

У системах управління промисловими роботами (ПР) можна виділити три складові, завдяки яким удається перетворити маніпулятор у програмовану автоматичну машину для виконання різних функцій руки людини:

– система програмного керування (СПК), що включає в себе обчислювально-керуючу і програмно-задаючу підсистеми;

– інформаційна система (ІС), що складається із підсистеми сприйняття зовнішнього середовища й контролю стану ПР;

– систему виконавчих приводів, що включає силову та інформаційні підсистеми.

Система програмного керування ПР

СПК ПР виконує операційно-логічні й обчислювальні функції обробки інформації, приймає рішення, формує керуючі дії тощо, забезпечує запис, зберігання і виведення інформації, котра вміщує алгоритм керування та ін.

СПК ПР за своїм елементарним складом так же різноманітні, як і СПУ інших промислових об’єктів. Основні знання у цій галузі даються в курсах “Елементи автоматизованого електропривода” і “СКЕП”.

Рис.1.1. Склад СК ПР

Інформаційна система ПР

ІС ПР у своїй підсистемі, що сприймає зовнішнє середовище, розв’язують задачі: пошук об’єкта маніпулювання, контроль наявності об’єкта у захваті, надійність утримання об’єкта у захваті, виконання виробничих операцій, виявлення перешкод у робочій зоні, розпізнавання місцезнаходження, форми й орієнтації об’єкта, визначення фізичних параметрів об’єкта, самонавчання та ін.

За способом взаємодії із зовнішнім середовищем вона може бути контактною та дистанційною.

При контактному способі використовуються датчики штучного відчуття зусиль, моментів, переміщень і тактильні датчики.

При дистанційному способі, якщо система візуальна, то використовуються телекамери, фотоматриці або матриці приладів із зарядовим зв’язком; якщо локаційні, то ультразвукові, світлолокаційні, струминні, індукційні, магнітні або лазерні датчики.

Підсистема контролю стану ПР виконує діагностику систем ПР, аварійні блокування і визначення положення й швидкості ПР. Датчиками аварійних блокувань служать елементи підсистеми сприйняття зовнішнього середовища, датчики тиску та температури. Для оцінки положення і швидкості ПР застосовуються потенціометри, індукційні машини, імпульсні генератори, кодові датчики, шляхові вимикачі й тахогенератори.

Система приводів

Система приводів призначена для виконання заданих переміщень маніпулятора. Елементи силової та інформаційної підсистем визначаються типом привода в першу чергу, а також багатьма іншими параметрами: конструкцією маніпулятора, вантажопідйомністю, швидкодією, точністю, дискретним або неперервним, почерговим або спільним керуванням ланцюгами маніпулятора, безпекою роботи і т.д.

Електроприводи в системах керування ПР завоювали міцні позиції. Як силові виконавчі елементи найбільш значне розповсюдження дістали двигуни постійного струму, вентильні й крокові двигуни, а у як керовані електричні перетворювачі – тиристорні й транзисторні перетворювачі та комутатори.

В інформаційній частині широко застосовуються напівпровідникові аналогові та цифрові елементи, мікропроцесорні засоби. Керуючі системи ЕП виконуються елементами СПК ПР, інформаційні – елементами ІС ПР. Системи керування ПР, вирізняються різноманітністю складових їх елементів, як жоден інший промисловий об’єкт.

1.3. Сучасні концепції комплексної автоматизації виробництва

Прискореному розвитку робототехніки, що має можливість давати близький до максимального ефект і що сприяє поліпшенню умов праці, приділяють важливе місце в економічній стратегії. Роботи й роторно-конвеєрні лінії, гнучкі виробництва по праву названі характерною рисою автоматизації на найближчий період.

Основне призначення роботів полягає у звільненні людини із безпосереднього виробничого процесу. Але вивести людину з робочої зони повністю не вдається. Наприклад, із усіх транспортно-навантажувальних робіт роботи можуть виконувати лише три: взяти, перенести, покласти. Оснащення ними пресів, верстатів часто призводить до зниження продуктивності порівняно з ручним обслуговуванням, оскільки існуюча технологія та організація виробництва були створені для умов, коли ведуча роль належить людям з їхньою здатністю до самоорганізації навіть при порушенні ритмічності виробництва. Робітник крім операцій, що замінюються роботом, як правило, проводить орієнтацію і переорієнтацію деталі. Він є синхронізатором виробництва. На необхідність машинної синхронізації при впровадженні роботів, на створення нового типу роботизованих виробничих структур звернули увагу лише в останній час.

Частіше впровадження роботів виявлялося економічно збитковим через некомплексне і неконцентроване їх застосування в цехах та виробничих ділянках. Так сталося з транспортно-навантажувальним маніпулятором.

Дійсно, роботи можуть бути малоефективні й навіть збиткові, якщо їх уключити в існуючу схему виробництва продукції та недооцінити серйозності проблем при їх упровадженні. Очевидно, що будь-яку техніку доцільно застосовувати тільки там, де вона економічно вигідна.

Призначення роботів – оптимізація виробничого циклу. Це вимагає зміни методів технологічного проектування, підготовки виробництва і методу організації праці, нового підходу до створення сучасної виробничої ділянки, цеху, заводу.

Принципові рішення багатьох питань неможливі без сучасних систем автоматизованого проектування, математичних методів, ЕОМ. Підвищення ефективності робототехніки неможливе не тільки без необхідного рівня надійності існуючих конструкцій, якості комплектації, але й без правильної концепції роботизації. Необхідний комплексний підхід, який зумовлює охоплення всіх суміжних ділянок і цехів виробництва. У такій постановці добру перспективу дістає роботизація збирання та допоміжних виробництв, ліквідація живої праці у яких вимагає у два–три рази менше від затрат, ніж в основних цехах.

Найбільш перспективним напрямком інтенсифікації виробництва є впровадження нових і найновіших технологічних процесів. Прогресивна технологія знижує трудомісткість, матеріаломісткість, енергоємність, скорочує час виробничого циклу, економить дефіцитну сировину. Строк окупності затрат на передову технологію в промисловості у 2,5 разу коротше ніж на механізацію і в 4,3 разу – на автоматизацію.

Є великі резерви в поліпшенні продуктивності праці та ефективності використання основних і оборотних фондів роботизованих підприємств. Не випадково за останні роки зарубіжні країни усе більше й більше уваги приділяють технологічним роботам, які виконують технологічні операції в необхідному режимі швидкодії та якості. Цим зумовлюється стрімкий розвиток технологічного роботобудування.

Зараз найбільше розповсюдження дістали ПР типу “механічна рука”, що оснащені спеціальним робочим органам, яким може бути захват або інший інструмент. Останні зразки роботів оснащені сенсорним зворотним зв’язком. Вони здатні реагувати на події, котрі відбуваються в безпосередній близькості від них.

Автоматизація виробництва незмінно зв’язана зі створенням різних систем керування, які виконують функції контролю і регулювання виробничих процесів, замінюючи людину. Тому повну автоматизацію, що належить до обладнання й процесів, називають машинним способом, а спільно реалізовану людиною та автоматом – людино-машинним способом.

Розрізняють кілька рівнів автоматизації виробництва:

– локальна автоматизація, тобто автоматизація технологічних операцій і окремих одиниць обладнання;

– автоматизація сукупності технологічних процесів, коли автоматизуються зв’язані між собою технологічні операції (процеси) або кілька одиниць обладнання. Це автоматичні лінії верстатів із ЧПК, оброблювальні центри, транспортно-завантажувальні роботи й робокари;

– автоматизація інженерно-технологічної діяльності, коли автоматизується проектування, конструювання нових виробів і технологічна підготовка виробництва. Важливими засобами такої автоматизації стали САПР;

– автоматизація керування виробництвом, тобто створення автоматизованих систем планування та керування виробництвом на базі обчислювальної техніки. Такі системи дозволяють автоматизувати процес планування завантаження технологічного обладнання, регулювати найкращим чином запаси матеріалів і т.д.

Системи керування, що застосовуються в робототехніці, можна розділити на три великих класи: локальні СК, системи групового керування, інформаційно-керуючі системи.

Локальні системи керування ПР

Ці системи характерні як для промислових, так і непромислових (екстремальних) роботів й автоматизованого технологічного обладнання. Це різноманітні автоматичні пристрої регулювання, контролю, керування процесами та обладнанням, вузькоспеціалізовані за призначенням автоматичні регулятори і широко універсальні системи, що використовують сучасні методи цифрового керування.

Функціональна гнучкість локальних систем керування роботами визначає їх широку універсальність і комплексність застосування у різних сферах автоматизації.

Системи групового керування

Вони забезпечують автоматичну роботу комплексів технологічного обладнання, координоване функціонування великої кількості локальних систем керування. Необхідність у груповому керуванні викликана потребами комплексної автоматизації багатофункціональних ділянок технологічного обладнання або складних багатозв’язаних технологічних циклів промислового виробництва.

З появою ПР проблема групового керування набула ще більшого значення. Виникла необхідність забезпечення спільної дії обладнання з роботами або роботів з роботами. Найбільша потреба в такому керуванні виявилась при автоматизації складальних процесів (складання друкованих плат, виробів мікроелектроніки і т.п.).

Інформаційно-керуючі системи

Вони використовуються при керуванні як технологічними об’єктами, так і колективом людей, що здійснюють виробничий процес. При автоматизації виробництва велике значення надається організованому керуванню, зв’язаному з розв’язанням економічних задач. Для автоматизації обробки інформації при розв’язку цих задач широко застосовується обчислювальна техніка, створюються автоматизовані системи керування виробництвом (АСКП).