Глава 25. Роботизация промышленного производства

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РОБОТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Роботизация — комплексная проблема, требующая ре­шения вопроса совместного использования роботов с различным оборудованием в одной системе с общим управлением от ЭВМ и встроенных микропроцессоров. Эта проблема является не только технической, но а социально-психологической.

Вполне естественно, что современные достижения техники не­разрывно связаны с пересмотром всей технической политики и коренным переоснащением промышленного производства. Целе­сообразность последнего часто определяется необходимостью бы­строй перенастройки технологических участков, линий и цехов на изготовление модернизированной или совершенно новой про­дукции. Вследствие этого требуется строить каждую технологи­ческую линию так, чтобы на ней можно было изготовлять попере­менно сериями различные детали определенного класса с быстрой перенастройкой линии.

Робототехнические системы являются принципиально новым техническим средством комплексной автоматизации производ­ственных процессов. Их использование позволяет наиболее полно исключить ручной труд как на вспомогательных, так и на основ­ных технологических операциях.

1. Для современного производства характерна высокая автомати­зация основных технологических процессов, но при этом вспомо- ^ельные операции выполняются человеком вручную. Эти опе­рации утомительны, примитивны, а в ряде случаев тяжелы, вредны и даже опасны для жизни рабочих. Практика показала, что тра­диционными средствами невозможно автоматизировать многие вспомогательные ручные операции, и эго сдерживает интенсифи­кацию и развитие производства. Поэтому возникла необходимость в широком применении ПР.

Различают три класса робототехнических систем: манипуля­ционные робототехнические системы; информационные и управ­ляющие робототехнические системы; мобильные (движущиеся) робототехнические системы.

Манипуляционные робототехнические системы можно разде­лить на три вида. Первый вид базируется на применении автома­тически действующих роботов, автоматических манипуляторов и роботизированных технологических комплексов. Второй — на ди­станционно управляемых роботах, манипуляторах и технологиче­ских комплексах. К третьему виду относятся системы, в которых используются роботы с ручным управлением, непосредственно связанные с движением рук, а иногда и ног человека.

Первые из них применяют в основном в промышленном произ­водстве (ПР и роботизированные комплексы), вторые — в экстре­мальных условиях, т. е. при наличии радиации, загазованности, взрывоопасности, высоких и низких температур и давлений, а третий — для погрузо-разгрузочных и тяжелых работ.

Аналогичная классификация распространяется и на роботизи­рованные технологические комплексы. Они могут быть жестко запрограммированными или адаптивно приспосабливающимися к изменениям внешних условий, положению и конфигурации де­талей и т. п. Это является основой для создания гибко перенала­живаемых автоматизированных, почти безлюдных производств.

Информационные и управляющие робототехнические системы представляют собой некоторые комплексы автоматических изме­рительно-информационных и управляющих средств, предназна­ченных для сбора, обработки и передачи информации. На основе полученной информации эти системы формируют управляющие сигналы.

В различных цехах системы автоматического контроля и управ­ления используют для почти безлюдного производственного про­цесса, в том числе с групповым использованием ПР. Подобные системы применяют и в автоматических системах проектирования, при выполнении технических и экономических расчетов и др.

Мобильные (движущиеся) робототехнические системы пред ставляют собой автоматически управляемые платформы (или шасси). Они способны автоматически нагружаться и разгру­жаться, имеют программы маршрута движения и автоматической адресовки. В промышленных цехах они предназначаются для автоматической доставки деталей и инструмента к станкам и от станков на склады. На таких подвижных системах могут уста­навливаться манипуляционные механизмы. К такого рода систе­мам относятся также движущиеся устройства для обслуживания автоматизированных складов в разных отраслях народного хо­зяйства.

В мобильных робототехнических системах используют любые принципы движения. Они могут быть колесными, шагающими, гусеничными, на воздушной подушке, плавающими и т. п.

Рассмотренные автоматически действующие робототехниче- ские системы применяют не только в промышленности, но и в других отраслях народного хозяйства.

Многофункциональные легко переналаживаемые робототехни­ческие системы являются основными, принципиально новыми тех­ническими средствами, позволяющими оперативно решать про­изводственные задачи.

При использовании робототехники вследствие резкого сокра­щения времени и затрат на изменение технологического процесса создаются благоприятные условия для автоматизации мелкосе­рийного многономенклатурного производства. Групповое приме­нение роботов в технологических линиях позволяет значительно увеличить производительность.

При использовании роботов, исключающих участие человека в непосредственном производстве, облегчается переход на двух- и трехсменную работу, что существенно повышает коэффициент использования всего технологического оборудования. Исключение из производственного цикла человека с его эмоциями, усталостью, возможной невнимательностью создает условия для более четкого соблюдения технологической дисциплины, в результате чего су­щественно снижается брак и повышается качество выпускаемых изделий. Важным фактором роботизированного технологического комплекса является возможность гибкой переналадки произ­водства.

На роботизированных участках существенно повышается рит­мичность производственного процесса (по суткам, неделям, меся­цам), что является также важнейшим фактором в организации производства.

2. ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Создание гибких производственных систем с примене­нием промышленных роботов требует решения комплекса задач. К числу этих задач относятся: размещение оборудования и (если это требуется) его модернизация для стыковки с роботами; выбор транспортных средств; разработка средств контроля, информации и управления и т. п. В условиях среднесерийного многономенкла­турного производства оптимальными могут быть только гибкие производственные системы, обладающие свойством относительной адаптации, т. е. способностью приспосабливаться к изменениям внутри и вне системы, сохраняя при этом производительность, бл|изкую к максимальной.

Необходимо различать роботизированные технологические ком­плексы, в которых ПР выполняют вспомогательные (транспорт­ные) операции, и роботизированные производственные комплексы, где роботы выполняют основные технологические операции.

В зависимости от назначения роботизированных комплексов различают две схемы роботизированных технологических ком­плексов: индивидуального обслуживания оборудования и груп­пового обслуживания оборудования.

Индивидуальное обслуживание оборудования обеспечивается либо автономным, либо встроенным в оборудование роботом. Такой роботизированный комплекс решает задачи установки и снятия детали, фиксации их в рабочей зоне, а также связи с транспорт­ным потоком основного производства.

Групповое обслуживание оборудования осуществляется одним промышленным роботом, который помимо названных выше опера­ций обеспечивает еще межстаночное транспортирование деталей.

В зависимости от серийности производства, в котором исполь­зуется роботизированный комплекс с групповым обслуживанием оборудования, могут быть применены различные организацион­ные формы загрузки основного технологического оборудования — от независимой работы каждого станка до превращения роботи­зированного комплекса в поточную линию. Однако для обеспече­ния необходимой гибкости производства необходимо создавать межоперационные заделы, предусматривать пропуск отдельных операций на деталях некоторых типов, изменение порядка обра­ботки и т. п. С помощью ПР обеспечивается транспортирование.

Роботизированные промышленные комплексы организуются либо с индивидуальным обслуживанием ПР, либо с груп­повым.

Индивидуальное выполнение основных операций (сварка, окра­ска, сборка и т. д.) осуществляется производственным или уни­версальным роботом, система программного управления которого дополнительно контролирует различного рода вспомогательные и транспортные устройства, входящие в состав роботизированного комплекса.

Групповое использование ПР для выполнения основных тех­нологических операций включает применение ПР разных типов (подъемно-транспортных, производственных и универсальных), связанных в едином комплексе, обеспечивающем законченный технологический процесс.

Рассмотрим возможности создания роботизированных комплексов в литей­ных и термических цехах.

Литейные цехи. Современные ПР и автоматические манипуляторы успешно используются вместо человека в основных процессах производства отливок — от подготовки исходных материалов до операций очистки, грунтовки, окраски и т. п., а также для контроля и испытания, разгрузочно-погрузочных, транспорт­ных и складских работ.

Практически почти все участки литейного цеха могут быть роботизированы: 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; производство стержней различного состава прогрессивными мегодами формообразования — пескострель- ным, прессованием и др.; упрочнение форм и стержней, например, горелками ин­фракрасного излучения, подогретым сжатым воздухом и др.; литье в тонкостен­ные формы из песчаио-смоляиых и других смесей; литье в магнитные формы по иеизвлекаемым моделям из полистирола и других подобных материалов или в вакуумированные формы, сборка разовых песчаных форм; точное литье по вы плавляемым моделям; литье в постоянные формы (кокнль); литье под давлением и центробежное литье; загрузка шихты в плавильный агрегат и плавка; заливка форм и дозирование жидкого металла; извлечение отливок из форм; очистка, обрубка, зачистка, резание, грунтовка и окраска отливок; межоперационное транспортирование форм, стержней, отливок, обслуживание технологического, транспортного и другого оборудования.

В качестве примера рассмотрим роботизированный технологический ком плекс, организованный на участке кокильного литья Литье в кокиль включает операции заливки металла, съема отливок, перенос их для очистки и обрубки. Для съема и переноса отливок применяют ПР, работающий в цилиндрической или сферической системе координат. Робот извлекает отливку из формы и, удер живая ее за литник, переносит на установку контроля целостности. После полу­чения сигнала о том, что отливка вышла из формы полностью, робот переносит ее для обрезки литника

Термические цехи. Учитывая, что значительная часть операций, поддаю щихся роботизации при термической обработке, происходит при температуре, превышающей 1000 °С (например, при нагреве под закалку изделий из высоко­легированных сталей), руки и захватные устройства ПР должны изготовляться из жаропрочной стали, способной выдержать такую температуру без наруше иия необходимых параметров

К основным видам работ в термических цехах, которые способны выпол нить ПР, следует отнести следующие: подготовку (при необходимости) изделий к термообработке; подачу и укладку изделий в термическую печь, извлечение их из печи нагрева и подачу на охлаждение; правку и очистку изделий; 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 закалке токами высокой частоты робот из­влекает деталь из магазина, устанавливает в нндукгор и подает сигнал о начале иагрева По окончании иагрева робот извлекает деталь из индуктора и подает ее в закалочное устройство Длительность выполнения всех операций около 1 мин На рис. 166 показана линия закалки деталей с манипулятором ПМ ЗОТ, предназначенного длн переноски с одной позиции на другую корзины с деталями при изотермической закалке в печах-ваннах. Все ванны и дополнительное обо­рудование расположено в линию.

Манипулятор 1 перемещается по монорельсовой балке 2 и управляется с пульта 3. На линии используют еще два манипулятора 4 с ручным управлением для загрузки и разгрузки корзин.

Основные и вспомогательные операции выполняются манипуляторами в оп ределеиной последовательности: установка манипулятором 4 корзин с деталями на накопитель 5, съем корзин с накопителя 5 и установка ее. на стол загрузки 6 манипулятором /; транспортирование корзин со стола 6 в каждой ванне; опуска

\ _у'

Пирометрические

шкафы

Рис. 166. Схема роботизированного участка термической обработки инструмента

ние корзин в ванну; встряхивание корзин для удаления остатков расплавов солей; транспортирование корзин к закалочным ваннам 11 с синтетической средой, промывочным ваннам 12 к 13 к сушильным устройствам 14 и 15; транспортирова­ние корзин к разгрузочному столу 16 и передача ее на накопитель 17; съем кор­зин с деталями с накопителя 17 с помощью ручного манипулятора 4.

В линии используются накопители карусельного типа, на каждый из кото­рых устанавливается ие более шести корзин.

Для обеспечения необходимой производительности ванна подогрева 7 изго­товлена двухцозиционной. На первой позиции осуществляется подогрев над расплавом до температуры 400 °С, а затем — нагрев в расплаве до температуры 800 °С. Печь 8 окончательного нагрева — однопозиционная. Соляная ванна 9 имеет четыре позиции. Одна предназначена для изотермической закалки, три остальные — для отпуска. Установка 10 для охлаждения после закалки на воз­духе и после отпуска также имеет четыре позиции.

При необходимости пассивации деталей используется установка 14.

Линия работает по заданной циклограмме. Манипулятор 1 совершает слож­ные возвратно-поступательные движения вдоль линии ванны.

На линии могут обрабатывать болты, винты, пружины, режущий инструмент и другие мелкие детали.

Важнейшей проблемой роботизации является соответствующая технологическая подготовка производства. Для получения задан­ного эффекта от применения роботов нет смысла использовать их совместно с устаревшим и малопроизводительным оборудованием. Кроме того, при имитации роботом производственных движений человека отсутствует необходимость размещать обрабатываемые детали на уровне рук или глаз, обеспечивать удобство подхода к оборудованию, создавать определенную освещенность и многое другое. ПР могут действовать с любой позиции, на любом уровне пространства цеха и в любых климатических условиях. Напри­мер, при заливке металла робот может выдержать более высокую температуру, чем человек. Следовательно, применяя ПР, можно значительно рационализировать и ускорить технологический про­цесс. А сочетание роботов с более производительным оборудова­нием, особенно с числовым программным управлением, позволяет одновременно с увеличением выпуска продукции высвободить производственные площади для расширения производства.

ПР не утомляется и не подвержен эмоциям. Он может рит­мично работать в три смены без отдыха, выходных дней и отпусков.

3. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РОБОТОВ

Безопасность персонала, работающего с комплексами, в состав которых входят промышленные роботы, обеспечивают с помощью различных мероприятий, целью которых является предупреждение аварийных и опасных для здоровья человека ситуаций. Роботы, выполняющие манипуляционные действия и транспортные перемещения в пределах комплекса, являются устройствами повышенной опасности и могут стать основным источником травматизма обслуживающего персонала.

Безопасность при эксплуатации роботизированных комплексов достигается за счет их рациональной планировки, безопасной и

безаварийной работы оборудования, а также с помощью специаль­ных устройств, обеспечивающих безопасность обслуживающего персонала. Главная цель этих мероприятий и устройств состоит прежде всего в исключении возможности одновременного нахо­ждения человека и механизмов робота в одном месте рабочего пространства.

Планировка комплексов оборудование—робот, роботизирован­ных участков и линий должна обеспечивать удобный и безопасный доступ обслуживающего персонала к роботу, к основному и вспо­могательному технологическому оборудованию, к органам управ­ления, а также аварийное отключение всех видов оборудования и механизмов. Желательно, чтобы органы управления и аварий­ных блокировок были размещены на общем пульте управления (участком, линией) и продублированы вдоль фронта оборудования по трассе возможных перемещений обслуживающего персо­нала.

С точки зрения обеспечения безопасности обслуживающего персонала следует рассмотреть два типа планировок роботизиро­ванных комплексов, характеризующихся расположением зон ро­ботов и операторов.

К первому типу относятся комплексы, исключающие возмож­ность появления оператора в пределах рабочей зоны робота при его автоматической работе. Обычно эти комплексы имеют круго­вое ограждение робота, при раскрытии створок которого посы­лается управляющий сигнал на его остановку.

Комплексы совмещения рабочих зон оператора и робота отно­сятся ко второму типу. В таких комплексах требуется принимать специальные меры безопасности обслуживающего персонала. Это комплексы с автономными роботами, осуществляющими единичное или групповое обслуживание оборудования. Если такие ком­плексы - оснащены Г1Р, работающими по жесткой программе, то появление человека в рабочей зоне робота должно вызывать авто­матическую блокировку их работы.

Конструкция ГТР должна учитывать условия эксплуатации и особенности окружающей среды, которые могут повлиять на обес­печение надежности, безаварийности и безопасности работы. При эксплуатации в условиях агрессивных сред ГТР должен быть поставлен в соответствующем защитном исполнении с учетом требований ГОСТ 12.1.004—85, ГОСТ 12.1.010—76, ГОСТ 12.1.011—78, ГОСТ 12.2.020—76 и ГОСТ 12.2.021—76.

Внезапное отключение питания не должно приводить к повре­ждению роботов или травмированию обслуживающего персонала. Захватное устройство при отключении питания должно удержи­вать объект манипулирования. Сигнально-предупредительная окраска и знаки безопасности, наносимые на промышленные ро­боты, должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.4.026—76. Основные требования к элементам конструкции должны соответ­ствовать ГОСТ 12.2.003—74. При выборе средств аварийной и предупредительной сигнализации следует отдавать предпочтение звуковым сигналам.

При эксплуатации роботизированных комплексов должны предусматриваться максимальная механизация и автоматизация вспомогательных операций, связанные с воздействием на рабо­тающих опасных и вредных факторов.

Ограждение, знаки безопасности и сигнальные цвета, наноси­мые на оборудование комплексов, должны отвечать ГОСТ 12.4.026—76. Расстояние ограждения комплексов от гра­ниц рабочей зоны роботов должно быть не менее 0,8 м.

При перемещении объектов манипулирования над рабочими местами, проходами и проездами под трассой роботов необходимо предусматривать защитные сетки или экраны. Если роботизиро­ванный комплекс оснащен несколькими пультами управления, необходимо иметь соответствующие блокировки, исключающие возможность параллельного управления от различных пультов.

На роботизированных комплексах должны выполняться общие требования, регламентирующие условия пожарной безопасности в соответствии с ГОСТ 12.1.004—85.

Особо опасными участками в пожарном отношении в литейных цехах являются участки нанесения лакокрасочных покрытий, плавки и заливки металла, очистки отливок, склады магния и его сплавов, участки приготовления формовочных и стержневых сме­сей на основе горючих крепителей. В термических цехах к пожа­роопасным участкам относятся участки приготовления защитных атмосфер, закалочные участки и участки с топливными печами.

Все роботизированные комплексы должны быть оборудованы средствами пожаротушения в соответствии с ГОСТ 12.4.009—83, а операции должны проводиться с соблюдением «Типовых правил пожарной безопасности», утвержденных ГУПО МВД СССР. Сле­дует предусмотреть установку автоматического пожаротушения оборудовать комплексы автоматической пожарной сигнализацией.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите о классификация роботизированных систем.

2. В чем заключается различие между роботизированными технологическими комплексами и роботизированными производственными комплексами?

3. Какие преимущества обеспечивает роботизация производства?

4. Расскажите о схемах роботизированных комплексов.

5. Расскажите о возможностях создания роботизированных комплексов в литейных цехах.

6. Какие требования предъявляет роботизация к подготовке производства?

7. Расскажите о возможностях применения роботизированных комплексов в термических цехах.

8. Какие требования техники безопасности предъявляются к роботизирован­ным комплексам?

9. Расскажите о Пожарной безопасности при эксплуатации роботизирован­ных комплексов.

Буквенные обозначения элементов электрических схем

1. Автоматические приборы регулятора и вычислительные системы. Под редакцией Б. Д, Кошарского. Л. Машиностроение, 1976. 485 с.

2. Безопасность производственных процессов/Под ред. С. В. Белова. М.: Машиностроение, 1985. 448 с.

3. Васин В. М. Электрический привод. М.: Высшая школа, 1984. 231 с.

4. Глаговский Б. А., Ройтштейн Г. 111., Яшин В. А. Контрольно-измери­тельные приборы и основы автоматизации производства абразивных инструмен­тов. Л.: Машиностроение, 1980. 287 с.

5. Гордии Е. М., Митннк 10. Ш-, Тарлиискнй В. А. Основы автоматики и вычислительной техники М.: Машиностроение, 19/8. 298 с.

6. Дорофеев К. П. Основы автоматизации производства и вычислительная техника в термических цехах. Л.: Машиностроение, 1978 223 с.

7. Зимодро А. Ф., Скибинский Г. Л. Основы автоматики. Л : Энергоатом- издат, 1984. 160 с.

8. Клюев А. С., Глазов Б. В., Мнндин М. Б. Техника чтения схем автомати­ческого управления и технологического контроля. М.: Энергоатомиздат, 1983. 376 с.

9. Козырев 10. Г. Промышленные роботы. М Машиностроение, 1983. 375 с.

10. Колесов Л. В. Основы автоматики. М.: Колос, 1984. 288 с.

11. Кузнецов М. М., Волчкевич Л. И., Замчалов 10. П. Автоматизация производственных процессов. М.: Высшая школа, 1978. 431 с.

12. Львов Н, С., Гладков Э. А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. М.: Машиностроение, 1982 . 302 с.

13. Майоров С. А., Новиков Г. И. Электронные вычислительные машины М.. Высшая школа, 1982. 175 с.

14. Неймарк А. М. Роботы на службе человека. М.: Наука, 1982. 104 с.

15. Прангишвили И. В. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределенных системах управления, М : Энергоатомиздат, 1985. 272 с.

16. Преснухин Л. Н., Нестеров П. В. Цифровые вычислительные машины М : Высшая школа, 1981 511 с.

17. Робототехннка/Под ред Е. П Попова, Е. И. Юревича М.: Машинострое­ние, 1984. 287 с.

18. Семеиенко В. А., Балтрушевич А. В. Электронно вычислительные ма­шины. М.: Высшая школа, 1985. 272 с.

19 Терган В. С., Андреев И. Б., Либерман Б. С. Основы автоматизации производства. М.: Машиностроение, 1982. 269 с.

20. Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы/Под общей ред. А М. Беленького М.: Металлургия, 1981 264 с.

21. Титов Н. Д., Сергеев Л. Н. Основы автоматизации литейного произ­водства и вычислительная техника. М.: Машиностроение, 1983. 153 с.

22. Шкодин М. М. Основы вычислительной техники. М. Высшая школа, 1979. 109 с.

23. Электротехнический справочник (в трех томах)/Под общ. ред, В. Г. Гера­симова и др. М : Энергоиздат, 1985—1987.

з

основы 1

АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА 1

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ 5

43- 47

-ЕЬ 47

=ЕЬ 47

^-04 ж 47

—СИ 48

Р л і і і ПІ

АНЮМЛІИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ, КОНТРОЛЬ И РЕГУЛИРОВАНИЕ . . ,

основы 1

АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА 1

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ 5

43- 47

-ЕЬ 47

=ЕЬ 47

^-04 ж 47

—СИ 48